高可靠性MLCC的彎曲裂紋對策概要

圖1：元器件裂紋 (截面圖)

導致MLCC (Multilayer Ceramic Chip Capacitor、積層陶瓷貼片電容) 發(fā)生裂紋的最主要原因是基板的彎板應力。裂紋可能會導致器件短路，也可能會引起異常發(fā)熱和起火等情況，因此在要求高可靠性的應用中需要選擇抗彎板應力的器件。

為減少基板應力導致的短路風險，提高設備的可靠性，TDK開發(fā)了5大系列高可靠性MLCC。本指南Vol.1中將介紹樹脂電極的3個系列。請根據(jù)用途從各系列中選擇產(chǎn)品，以幫助提高產(chǎn)品可靠性。

彎曲裂紋對策用：高可靠性MLCC 5大系列

Vol.1中對1)～3)進行介紹。

1)樹脂電極緩和彎板應力
樹脂電極產(chǎn)品

2)兼顧高可靠性和低電阻
低電阻型樹脂電極產(chǎn)品

3)通過雙串聯(lián)結(jié)構(gòu)來降低發(fā)生裂紋時的短路風險（+樹脂電極）
安全設計產(chǎn)品

4)～5)將在Vol.2中介紹。

4)金屬框架緩和彎板應力
MEGACAP (帶金屬框架)

5)兼具大容量、高可靠性、低電阻
低電阻、橫向排列型MEGACAP

彎曲裂紋的主要原因與對可靠性的影響

發(fā)生彎曲裂紋的最大原因在于基板彎板應力，產(chǎn)生彎板應力的原因有多種情況。
?制造過程中：吸嘴應力、不合理焊錫量導致的應力、基板的熱膨脹系數(shù)與MLCC的熱膨脹系數(shù)相差較大致的應力、PCB分割時的應力、螺絲固定導致的應力、過剩基板彎曲導致應力等
?使用過程中：掉落沖擊導致的應力、振動導致的應力等

圖2：對MLCC造成較大應力的事例

螺絲附近、PCB邊緣附件的MLCC

熱膨脹系數(shù)較大的基板

基板制造及組裝時過度的基板彎曲

從陶瓷元件體的性質(zhì)來看，其抗壓縮應力較強，但抗拉伸應力較弱，因而在焊錫貼裝時若從基板方向?qū)LCC施加過剩的應力，則很可能會導致電容發(fā)生裂紋。此時，若相對的內(nèi)部電極導通，則會發(fā)生短路模式故障。

此外，即使最初發(fā)生裂紋時為開路模式，在市場端的使用過程中也有可能演變?yōu)槎搪纺Ｊ健６搪纺Ｊ娇赡芤甬惓０l(fā)熱、起火等情況，因此對策不可或缺。

圖3：彎曲裂紋的主要原因與對可靠性的影響

彎曲裂紋對策較為有效的應用

從元件貼裝到整機組裝工序中導致的細微裂紋很可能在市場使用過程中擴大為器件本體的裂紋。以下的應用中需要尤為注意。
?經(jīng)常會受到振動及沖擊的設備：車載電子設備、鐵路車輛用設備及產(chǎn)業(yè)設備等
?可能頻繁發(fā)生掉落沖擊的設備：移動設備、智能鑰匙等

此外，在潮濕環(huán)境下使用的設備中，結(jié)露產(chǎn)生的水分會從器件裂紋部位侵入內(nèi)部，因此從開路模式演變成為短路模式的危險性會更高。

圖4：彎曲裂紋對策較為有效的應用

經(jīng)常會受到振動及沖擊的設備

可能頻繁發(fā)生掉落沖擊的設備

于多濕環(huán)境下使用的設備

為降低因基板彎曲所導致的短路發(fā)生風險，請務必探討選用TDK的高可靠性MLCC 5大系列產(chǎn)品。

1 樹脂電極品可緩和彎板應力，降低對器件本體的負荷
樹脂電極產(chǎn)品

樹脂電極品的端電極結(jié)構(gòu)和普通產(chǎn)品不同。普通端子為銅、鎳、錫3層結(jié)構(gòu)，而樹脂電極品在銅與鎳之間添加了導電性樹脂層，因此為4層結(jié)構(gòu)。該導電性樹脂層可緩解外部應力，從而避免發(fā)生裂紋。

圖5：樹脂電極產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)

即使基板彎曲至10mm，也不會產(chǎn)生元件體裂紋

緩解應力的效果可通過彎板試驗驗證。當基板彎曲10mm時，普通端子會發(fā)生裂紋，而樹脂電極品并沒有發(fā)生裂紋。

圖6：基板彎板測試的結(jié)果

通過剝離樹脂電極來避免發(fā)生元件體裂紋

進一步加壓后，普通端子產(chǎn)品中器件本體產(chǎn)生了裂紋，但樹脂電極品中的鎳層和樹脂軟端子層相剝離，未能在器件本體中發(fā)現(xiàn)裂紋，可確認其擁抑制器件發(fā)生裂紋的效果。

圖7：元件體裂紋與樹脂電極剝離

在10,000次的掉落試驗中未發(fā)生元件體裂紋（*非保證項目）

以移動設備用途為前提進行掉落試驗。樹脂電極產(chǎn)品在10,000次的掉落試驗后仍未發(fā)生元件體裂紋，可見沖擊得到了緩和。

圖8：掉落試驗結(jié)果

【樹脂電極產(chǎn)品的特點】

樹脂電極構(gòu)造可實現(xiàn)良好的抗機械應力和熱沖擊特性

擁有可在150°C以內(nèi)使用的X8R/X8L產(chǎn)品

擁有溫度特性和DC偏壓特性穩(wěn)定的C0G品

【主要用途】

電源回路用安全設計

工程內(nèi)基板彎曲對策品

因熱沖擊所造成的焊接裂紋對應品

移動設備和智能鑰匙等跌落風險高的產(chǎn)品

【樹脂電極產(chǎn)品】產(chǎn)品信息及樣品購買

一般等級

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車載等級

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2 通過獨特的端子結(jié)構(gòu)兼顧高可靠性與低電阻
低電阻型樹脂電極產(chǎn)品

樹脂電極品內(nèi)部增加了樹脂層，可吸收部分機械應力。但另一方面樹脂電極品也有會讓ESR等電阻成分上升的缺點。為了改善舊型樹脂電極品的不足，我們優(yōu)化了端子結(jié)構(gòu)使其可以降低電阻，新型樹脂電極品現(xiàn)已開發(fā)成功。低電阻型的端子構(gòu)成成分是銅/樹脂層/鎳/錫，沒有任何改變，但是其樹脂層只印刷在貼裝面一側(cè)。

圖9：革新端子結(jié)構(gòu)的低電阻型產(chǎn)品

只在貼裝面印刷樹脂層來吸收基板應力

從彎板應力方面說明新型樹脂品的設計目的。基板彎曲會給位于基板貼裝面的端子電極下端施加應力。通過對部分集中涂裝樹脂層，而非給端子電極整體涂布樹脂層就能緩解機械應力是該產(chǎn)品的設計目的。

圖10：基板彎曲對MLCC施加的應力

端子電極內(nèi)的電流流通圖

新結(jié)構(gòu)所帶來的優(yōu)點，將以電流流通端電極時的差異來說明。在舊型樹脂電極品中，其整個端子面都覆蓋了樹脂層，所以電流一定會流經(jīng)樹脂層。相較于銅等金屬，樹脂層的電阻更高，所以其電阻成分要比普通端子品更高一點。另一方面，低電阻型樹脂電極產(chǎn)品可使電流不流經(jīng)樹脂層。因此，電阻成分可以控制為與普通端子品相當?shù)某潭取?/p>

圖11：端子電極內(nèi)的電流流通示意圖

降低阻抗/ESR

降低阻抗/ESR的效果可參考上圖:阻抗/ESR頻率特性圖。舊型樹脂電極品（綠色曲線）的電阻值高于普通端子品（黑色曲線），低電阻型樹脂電極品（藍色曲線）的電阻值和普通端子品的頻率曲線幾乎一樣。另外，若對比諧振點（SRF）的話，低電阻型樹脂電極品的ESR比舊型樹脂電極品降低了約60%，預計發(fā)熱量也有相應減少（發(fā)熱量和ESR成正比）。而且阻抗及ESR都與普通端子品相同，那么在進行替代時其替代風險也有所降低，有利于樹脂電極品的推廣。

圖12：阻抗/ESR頻率特性、諧振點下的ESR/發(fā)熱量

基板彎曲耐性與舊型樹脂軟端子相同

接下來，是基板彎板測試的結(jié)果。樹脂電極品，不管是舊型品還是新品/低電阻型樹脂電極品，在基板彎曲10mm的情況下也不會產(chǎn)生元件體裂紋。根據(jù)以上結(jié)果，低電阻型樹脂電極品既可以承受基板彎曲，又能實現(xiàn)低電阻的要求。

圖13：基板彎曲試驗結(jié)果

【低電阻型樹脂電極產(chǎn)品的特點】

通過只在基板貼裝面?zhèn)雀采w樹脂層，電流不會流經(jīng)樹脂層，可實現(xiàn)低電阻。

【主要用途】

電源回路用安全設計

工程內(nèi)基板彎曲對策品

【低電阻型樹脂電極產(chǎn)品】產(chǎn)品信息及樣品購買

一般等級

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車載等級

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3 雙串聯(lián)結(jié)構(gòu)可降低電容開裂時導致的短路風險 (+樹脂電極)
安全設計品

安全設計品，在同一個器件結(jié)構(gòu)內(nèi)串聯(lián)配置了2個電容器，內(nèi)部結(jié)構(gòu)獨特。（雙串聯(lián)結(jié)構(gòu)）

圖14：安全設計品的內(nèi)部結(jié)構(gòu) (雙串聯(lián)結(jié)構(gòu))

雙串聯(lián)結(jié)構(gòu)的特點

若基板彎曲等導致的裂紋貫穿相對的內(nèi)部電極之間，水汽等會侵入該裂紋，從而使發(fā)生短路的風險變大。

圖15：普通產(chǎn)品的彎曲裂紋

安全設計產(chǎn)品中，即使左側(cè)電容器結(jié)構(gòu)部發(fā)生裂紋，因具備雙串聯(lián)結(jié)構(gòu)右側(cè)的電容器結(jié)構(gòu)完好，可防止短路發(fā)生。

圖16：安全設計產(chǎn)品的彎曲裂紋

采用樹脂電極

而且，安全設計品還采用了TDK現(xiàn)有的樹脂電極技術(shù)，將導電樹脂層結(jié)合到端電極中，從而具備優(yōu)異的抗機械應力和抗熱沖擊特性。 因此，安全設計產(chǎn)品作為高可靠性MLCC而言是一款非常優(yōu)異的產(chǎn)品。

圖17：安全設計產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)

替換為安全設計產(chǎn)品的示例

電源回路中，為了降低因MLCC裂紋導致短路的風險，經(jīng)常會將2顆MLCC串聯(lián)貼裝。安全設計產(chǎn)品內(nèi)部的雙串聯(lián)結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)該功能，因此可幫助削減MLCC的數(shù)量。

圖18：替換為安全設計產(chǎn)品的示例

【安全設計產(chǎn)品的特點】

通過雙串聯(lián)結(jié)構(gòu)來降低發(fā)生裂紋時的短路風險

通過樹脂電極結(jié)構(gòu)實現(xiàn)優(yōu)異的抗機械應力/熱沖擊

【主要用途】

電源回路用安全設計

需要更為安全設計的電路中

審核編輯：彭菁