高可靠性MLCC的弯曲裂纹对策(一）

周五, 2 七月 2021 - 16:50

导致MLCC (Multilayer Ceramic Chip Capacitor、积层陶瓷贴片电容) 发生裂纹的最主要原因是基板的弯板应力。裂纹可能会导致器件短路，也可能会引起异常发热和起火等情况，因此在要求高可靠性的应用中需要选择抗弯板应力的器件。

为减少基板应力导致的短路风险，提高设备的可靠性，TDK开发了5大系列高可靠性MLCC。本指南第一部分中将介绍树脂电极的3个系列。请根据用途从各系列中选择产品，以帮助提高产品可靠性。
<img alt="图1：元器件裂纹 (截面图)" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="5e6cfec1-09b2-46d9-9df8-ff8a29eddd97" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE1%EF%BC%9A%E5%85%83%E5%99%A8%E4%BB%B6%E8%A3%82%E7%BA%B9%20%28%E6%88%AA%E9%9D%A2%E5%9B%BE%29.PNG" />
弯曲裂纹的主要原因与对可靠性的影响

发生弯曲裂纹的最大原因在于基板弯板应力，产生弯板应力的原因有多种情况。 
・制造过程中：吸嘴应力、不合理焊锡量导致的应力、基板的热膨胀系数与MLCC的热膨胀系数相差较大致的应力、PCB分割时的应力、螺丝固定导致的应力、过剩基板弯曲导致应力等 
・使用过程中：掉落冲击导致的应力、振动导致的应力等
<img alt="图2：对MLCC造成较大应力的事例" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="59f1f716-351f-493f-9610-9e93b45a89b6" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE2%EF%BC%9A%E5%AF%B9MLCC%E9%80%A0%E6%88%90%E8%BE%83%E5%A4%A7%E5%BA%94%E5%8A%9B%E7%9A%84%E4%BA%8B%E4%BE%8B.PNG" />
从陶瓷元件体的性质来看，其抗压缩应力较强，但抗拉伸应力较弱，因而在焊锡贴装时若从基板方向对MLCC施加过剩的应力，则很可能会导致电容发生裂纹。此时，若相对的内部电极导通，则会发生短路模式故障。

此外，即使最初发生裂纹时为开路模式，在市场端的使用过程中也有可能演变为短路模式。短路模式可能引起异常发热、起火等情况，因此对策不可或缺。

弯曲裂纹对策较为有效的应用

从元件贴装到整机组装工序中导致的细微裂纹很可能在市场使用过程中扩大为器件本体的裂纹。以下的应用中需要尤为注意。 
・经常会受到振动及冲击的设备：车载电子设备、铁路车辆用设备及产业设备等 
・可能频繁发生掉落冲击的设备：移动设备、智能钥匙等

此外，在潮湿环境下使用的设备中，结露产生的水分会从器件裂纹部位侵入内部，因此从开路模式演变成为短路模式的危险性会更高。
<img alt="图4：弯曲裂纹对策较为有效的应用" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="69cbb166-9633-4652-bb75-eea67d72c869" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE4%EF%BC%9A%E5%BC%AF%E6%9B%B2%E8%A3%82%E7%BA%B9%E5%AF%B9%E7%AD%96%E8%BE%83%E4%B8%BA%E6%9C%89%E6%95%88%E7%9A%84%E5%BA%94%E7%94%A8.PNG" />
为降低因基板弯曲所导致的短路发生风险，请务必探讨选用TDK的高可靠性MLCC 5大系列产品。

1.   树脂电极品可缓和弯板应力，降低对器件本体的负荷树脂电极产品

树脂电极品的端电极结构和普通产品不同。普通端子为铜、镍、锡3层结构，而树脂电极品在铜与镍之间添加了导电性树脂层，因此为4层结构。该导电性树脂层可缓解外部应力，从而避免发生裂纹。
<img alt="图5：树脂电极产品的结构" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="af95910c-7de7-48f8-8961-ed359da09d1a" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE5%EF%BC%9A%E6%A0%91%E8%84%82%E7%94%B5%E6%9E%81%E4%BA%A7%E5%93%81%E7%9A%84%E7%BB%93%E6%9E%84.PNG" />
即使基板弯曲至10mm，也不会产生元件体裂纹

缓解应力的效果可通过弯板试验验证。当基板弯曲10mm时，普通端子会发生裂纹，而树脂电极品并没有发生裂纹。
<img alt="图6：基板弯板测试的结果" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="b8157a64-aca2-4770-b9a5-65343ab99553" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE6%EF%BC%9A%E5%9F%BA%E6%9D%BF%E5%BC%AF%E6%9D%BF%E6%B5%8B%E8%AF%95%E7%9A%84%E7%BB%93%E6%9E%9C.PNG" />
通过剥离树脂电极来避免发生元件体裂纹

进一步加压后，普通端子产品中器件本体产生了裂纹，但树脂电极品中的镍层和树脂软端子层相剥离，未能在器件本体中发现裂纹，可确认其拥抑制器件发生裂纹的效果。
<img alt="图7：元件体裂纹与树脂电极剥离" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="102b4a1d-cd26-4ca7-8fe7-48dafa36ed3e" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE7%EF%BC%9A%E5%85%83%E4%BB%B6%E4%BD%93%E8%A3%82%E7%BA%B9%E4%B8%8E%E6%A0%91%E8%84%82%E7%94%B5%E6%9E%81%E5%89%A5%E7%A6%BB.PNG" />
在10,000次的掉落试验中未发生元件体裂纹（*非保证项目）

以移动设备用途为前提进行掉落试验。树脂电极产品在10,000次的掉落试验后仍未发生元件体裂纹，可见冲击得到了缓和。
<img alt="图8：掉落试验结果" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="c2a82e23-d580-45e0-b94c-eb8c5ae5e31b" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE8%EF%BC%9A%E6%8E%89%E8%90%BD%E8%AF%95%E9%AA%8C%E7%BB%93%E6%9E%9C.PNG" />
【树脂电极产品的特点】

<ul>
<li>树脂电极构造可实现良好的抗机械应力和热冲击特性</li>
<li>拥有可在150°C以内使用的X8R/X8L产品</li>
<li>拥有温度特性和DC偏压特性稳定的C0G品</li>
</ul>

【主要用途】

<ul>
<li>电源回路用安全设计</li>
<li>工程内基板弯曲对策品</li>
<li>因热冲击所造成的焊接裂纹对应品</li>
<li>移动设备和智能钥匙等跌落风险高的产品</li>
</ul>

2. 通过独特的端子结构兼顾高可靠性与低电阻低电阻型树脂电极产品

树脂电极品内部增加了树脂层，可吸收部分机械应力。但另一方面树脂电极品也有会让ESR等电阻成分上升的缺点。为了改善旧型树脂电极品的不足，我们优化了端子结构使其可以降低电阻，新型树脂电极品现已开发成功。低电阻型的端子构成成分是铜/树脂层/镍/锡，没有任何改变，但是其树脂层只印刷在贴装面一侧。
<img alt="图9：革新端子结构的低电阻型产品" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="32267a9c-8478-469f-b64b-8952950d3732" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE9%EF%BC%9A%E9%9D%A9%E6%96%B0%E7%AB%AF%E5%AD%90%E7%BB%93%E6%9E%84%E7%9A%84%E4%BD%8E%E7%94%B5%E9%98%BB%E5%9E%8B%E4%BA%A7%E5%93%81.PNG" />
只在贴装面印刷树脂层来吸收基板应力

从弯板应力方面说明新型树脂品的设计目的。基板弯曲会给位于基板贴装面的端子电极下端施加应力。通过对部分集中涂装树脂层，而非给端子电极整体涂布树脂层就能缓解机械应力是该产品的设计目的。
<img alt="图10：基板弯曲对MLCC施加的应力" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="3f07dce9-7fbf-4891-a504-9123a04997fd" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE10%EF%BC%9A%E5%9F%BA%E6%9D%BF%E5%BC%AF%E6%9B%B2%E5%AF%B9MLCC%E6%96%BD%E5%8A%A0%E7%9A%84%E5%BA%94%E5%8A%9B.PNG" />
端子电极内的电流流通图

新结构所带来的优点，将以电流流通端电极时的差异来说明。在旧型树脂电极品中，其整个端子面都覆盖了树脂层，所以电流一定会流经树脂层。相较于铜等金属，树脂层的电阻更高，所以其电阻成分要比普通端子品更高一点。另一方面，低电阻型树脂电极产品可使电流不流经树脂层。因此，电阻成分可以控制为与普通端子品相当的程度。
<img alt="图11：端子电极内的电流流通示意图" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="64ba5101-1b54-4120-94a3-45ee43da3bf3" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE11%EF%BC%9A%E7%AB%AF%E5%AD%90%E7%94%B5%E6%9E%81%E5%86%85%E7%9A%84%E7%94%B5%E6%B5%81%E6%B5%81%E9%80%9A%E7%A4%BA%E6%84%8F%E5%9B%BE.PNG" />
降低阻抗/ESR

降低阻抗/ESR的效果可参考上图:阻抗/ESR频率特性图。旧型树脂电极品（绿色曲线）的电阻值高于普通端子品（黑色曲线），低电阻型树脂电极品（蓝色曲线）的电阻值和普通端子品的频率曲线几乎一样。另外，若对比谐振点（SRF）的话，低电阻型树脂电极品的ESR比旧型树脂电极品降低了约60%，预计发热量也有相应减少（发热量和ESR成正比）。而且阻抗及ESR都与普通端子品相同，那么在进行替代时其替代风险也有所降低，有利于树脂电极品的推广。
<img alt="图12：阻抗/ESR频率特性、谐振点下的ESR/发热量" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="b01d9fa0-ae4c-4825-871b-07dd81d30fcb" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE12%EF%BC%9A%E9%98%BB%E6%8A%97ESR%E9%A2%91%E7%8E%87%E7%89%B9%E6%80%A7%E3%80%81%E8%B0%90%E6%8C%AF%E7%82%B9%E4%B8%8B%E7%9A%84ESR%E5%8F%91%E7%83%AD%E9%87%8F.PNG" />
基板弯曲耐性与旧型树脂软端子相同

接下来，是基板弯板测试的结果。树脂电极品，不管是旧型品还是新品/低电阻型树脂电极品，在基板弯曲10mm的情况下也不会产生元件体裂纹。根据以上结果，低电阻型树脂电极品既可以承受基板弯曲，又能实现低电阻的要求。
<img alt="图13：基板弯曲试验结果" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="dd8fed79-648e-4825-9b93-617380f0679e" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE13%EF%BC%9A%E5%9F%BA%E6%9D%BF%E5%BC%AF%E6%9B%B2%E8%AF%95%E9%AA%8C%E7%BB%93%E6%9E%9C.PNG" />
【低电阻型树脂电极产品的特点】

<ul>
<li>通过只在基板贴装面侧覆盖树脂层，电流不会流经树脂层，可实现低电阻。</li>
</ul>

【主要用途】

<ul>
<li>电源回路用安全设计</li>
<li>工程内基板弯曲对策品</li>
</ul>

3. 双串联结构可降低电容开裂时导致的短路风险 (+树脂电极) 安全设计品

安全设计品，在同一个器件结构内串联配置了2个电容器，内部结构独特。（双串联结构）
<img alt="图14：安全设计品的内部结构 (双串联结构)" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="faf42cc3-5e08-4690-b0fb-14f367a273cb" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE14%EF%BC%9A%E5%AE%89%E5%85%A8%E8%AE%BE%E8%AE%A1%E5%93%81%E7%9A%84%E5%86%85%E9%83%A8%E7%BB%93%E6%9E%84%20%28%E5%8F%8C%E4%B8%B2%E8%81%94%E7%BB%93%E6%9E%84%29.PNG" />
双串联结构的特点

若基板弯曲等导致的裂纹贯穿相对的内部电极之间，水汽等会侵入该裂纹，从而使发生短路的风险变大。
<img alt="图15：普通产品的弯曲裂纹" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="fd547638-ec96-45ab-98cc-8ec834a50792" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE15%EF%BC%9A%E6%99%AE%E9%80%9A%E4%BA%A7%E5%93%81%E7%9A%84%E5%BC%AF%E6%9B%B2%E8%A3%82%E7%BA%B9.PNG" />
安全设计产品中，即使左侧电容器结构部发生裂纹，因具备双串联结构右侧的电容器结构完好，可防止短路发生。
<img alt="图16：安全设计产品的弯曲裂纹" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="7c3fe73c-73c8-427d-bf99-b44e3cb1e8b9" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE16%EF%BC%9A%E5%AE%89%E5%85%A8%E8%AE%BE%E8%AE%A1%E4%BA%A7%E5%93%81%E7%9A%84%E5%BC%AF%E6%9B%B2%E8%A3%82%E7%BA%B9.PNG" />
采用树脂电极

而且，安全设计品还采用了TDK现有的树脂电极技术，将导电树脂层结合到端电极中，从而具备优异的抗机械应力和抗热冲击特性。因此，安全设计产品作为高可靠性MLCC而言是一款非常优异的产品。
<img alt="图17：安全设计产品的结构" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="7f5ac10f-8326-487d-9bb1-c4fbba3ae65a" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE17%EF%BC%9A%E5%AE%89%E5%85%A8%E8%AE%BE%E8%AE%A1%E4%BA%A7%E5%93%81%E7%9A%84%E7%BB%93%E6%9E%84.PNG" />
替换为安全设计产品的示例

电源回路中，为了降低因MLCC裂纹导致短路的风险，经常会将2颗MLCC串联贴装。安全设计产品内部的双串联结构能够实现该功能，因此可帮助削减MLCC的数量。
<img alt="图18：替换为安全设计产品的示例" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="972c6aa4-30d5-41f9-a736-4d7fb78642ec" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE18%EF%BC%9A%E6%9B%BF%E6%8D%A2%E4%B8%BA%E5%AE%89%E5%85%A8%E8%AE%BE%E8%AE%A1%E4%BA%A7%E5%93%81%E7%9A%84%E7%A4%BA%E4%BE%8B.PNG" />
【安全设计产品的特点】

<ul>
<li>通过双串联结构来降低发生裂纹时的短路风险</li>
<li>通过树脂电极结构实现优异的抗机械应力/热冲击</li>
</ul>

【主要用途】

<ul>
<li>电源回路用安全设计</li>
<li>需要更为安全设计的电路中</li>
</ul>

文章来源：<a href="https://product.tdk.com.cn/zh/techlibrary/solutionguide/mlcc_flex-crack…;