2011 三月

软端子积层陶瓷电容

推动积层陶瓷电容在恶劣环境中的可靠性

汽车电子的极其严苛的条件对使用的多种积层陶瓷电容(MLCC)的焊接点要求尤其高。现在TDK可提供具先进的软端子的积层陶瓷电容。

现在的汽车通常配套一千多个积层陶瓷电容。虽然这种电容以长寿命和高可靠性闻名,但是汽车电子设备必须暴露的工作环境特点是温度范围广,从−40 至 125 °C (某些适用甚至达至 150 °C),冲击和震动,加上一些其它的不利因素进而影响焊接点。此外,比传统焊料更缺少弹性的无铅焊料的使用越来越广泛,造成焊接点变得更硬更脆。因此,热震荡或机械影响造成PCB扭曲或弯曲时,焊接处会产生裂缝。克服以上问题是我们主要的目标,从而可以增强焊接点的可靠性。举个例子,可以通过提高无铅焊料的物理性能或通过减小零件尺寸来改善焊接可靠性,但是这些措施并不是根本的解决方案。

 

因此,TDK-EPC开发了具有软弹性端子的积层陶瓷电容,采用了吸收和减少电路板的挠曲应力的设计(图表一)。在铜质平板和端电极镍镀间使用导电树脂电极层,作用是吸收和减弱因高温和震荡等因素而导致的电路板的挠曲应力,由此抑制焊接裂缝的形成。导电树脂本身由环氧树脂或其它合成树脂与导电颗粒填料(如银)混合而成。

图表一:导电树脂终端类型产品
软导电端子用于铜质电极和镀镍屏障之间,吸收机械震荡和热伸长。

对热冲击和电路板挠曲的高承受力

日本工业标准(JIS)指定各种测试方法来测试焊接到PCB上的积层陶瓷电容,以确定其特性,如耐热性和抗机械影响。汽车的发动机舱的电子控制单元内产生的振动、冲击和弯曲会影响PCB。另外,热冲击和温度循环导致的热胀冷缩也会增加产生裂缝的风险。图表二中显示了−55 to +125 °C的温度循环的热冲击测试结果(3000次循环)。传统积层陶瓷电容的粘结强度下降了90%,然而导电树脂端子的积层陶瓷电容粘结强度仅下降了50%。传统积层陶瓷电容产生了焊接裂缝,相比之下,软导电树脂端子的积层陶瓷电容仅在镍镀和导电树脂层出现部分分离。

图表二:热冲击(温度循环)测试

温度循环:−55 to +125 °C

无铅焊料:96.5 Sn / 3.0 Ag / 0.5 Cu

 

热冲击后采用相关的压力测试焊接强度的对比(温度循环)。右边的照片显示TDK 新导电树脂积层陶瓷电容超过传统积层陶瓷电容的卓越性能。

电路板弯曲试验显示了相似的结果(图表三)。传统的积层陶瓷电容因4mm的挠曲在陶瓷元件上出现了裂缝,然而软端子的积层陶瓷电容轻松地承受了两倍以上的挠曲。另外,施加过度张力时,传统积层陶瓷电容的陶瓷元件出现裂缝,但是导电树脂端子的积层陶瓷电容仅出现导电树脂层的镍镀分离,仍无裂缝。

图表三:PCB弯曲应力测试
TDK的软端子积层陶瓷电容可承受8mm挠曲,两倍于传统的积层陶瓷电容。

防止积层陶瓷电容出现裂缝

电容元件自身出现裂缝时问题就比焊接裂缝更严重。裂缝摧毁内部电极时,可能会发生介质击穿。电容元件裂缝一般有一定的模式。终端电极通过焊料紧密联结后,挠曲应力就集中到端子电极的焊接部件,于是从电极尖端开始产生裂缝,进而沿着陶瓷元件继续向前扩展。

 

安装元器件后不正确地处置PCB通常会造成电容元件出现裂缝。为了在生产期间能达到更高的效率,元器件全都一次性地安装在装备线的一个长的连续的电路板上,之后再分切为单板。如果以人工分切电路板,而非采用机械切割或使用特定工具折断,挠曲应力可能造成电容元件出现裂缝。

 

通过开发在端电极内采用导电树脂层的积层陶瓷电容,TDK-EPC已成功地解决了使用无铅焊料造成的焊接可靠性的问题。同时,该技术也有助于高容量的大电容的生产,从而增加了设计工程师的可选择范围。因此,软端积层陶瓷电容适用范围不仅是汽车电子设备,还可适用于安装在户外严苛环境条件下的电子设备。

无铅焊料导致的问题

锡铅合金的传统焊料溶点低,价格便宜,易于操作,但是污染环境,对人体有害。因此,由锡、银、和铜组成的不同类型的无铅焊料现在替代了传统焊料。然而,目前可用的无铅焊料比传统的含铅焊料拥有更高的弹性模量(材料刚性的度量),导致更坚硬易脆,从而更易受热胀冷缩的影响。因此,变形翘曲和弯曲产生的挠曲应力对安装在PCB上的片式元器件产生影响时,焊接点可以会出现问题,继而可能出现裂缝。

无铅焊料的另一个缺点就是形成微观腔(Kirkendall空洞),进而导致结合力的减少。当两种不同类型的金属经加热紧密结合后,原子出现扩散,这就是著名的Kirkendall效应。不同的原子类型产生不同的扩散速度,重复的热循环会导致空洞形成,并且最终形成焊接裂缝。车辆运行时发动机舱的温度通常达到100 °C以上,从而导致布满元件的电路板出现热胀冷缩,产生挠曲应力,从而在焊接点处产生裂缝和空洞,降低了焊接的可靠性。

产品系列: 软端子的TDK积层陶瓷电容的规格型号

软端子可用于:

– 所有2个端子的积层陶瓷电容,其额定电压为6.3至630V DC;

– 所有阵列电容(双元件型);

– 耐150 °C的温度(X8R)

导电树脂端子电极也可用在其它带有C0G温度特征的中压积层陶瓷电容内。

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