열 팽창으로 인한 MLCC의 납땜 크랙 개선

적층 세라믹 칩 커패시터(MLCC)는 전자 산업에서 가장 널리 사용되는 표면 실장 커패시터 기술이며, 시간이 지남에 따라 커패시턴스/전압(CV) 기능이 발전하여 다른 커패시터 유전체를 대체하면서 더욱 성장에 박차를 가하고 있습니다. 자동차(특히 엔진룸), 시추 및 채굴, 항공 우주 등 커패시터가 사용되는 일부 응용 분야에서 열 환경이 급변하고 있습니다. 이러한 시장에서 가열 및 냉각 주기에 대한 내성은 매우 중요한 요구 사항인데, 이는 PCB의 열 팽창과 MLCC의 종단 및 실장 방법의 차이로 인해 특히 수많은 주기가 지나면 납땜 문제가 발생할 수 있기 때문입니다.

Vishay는 기판 굴곡 응력과 열 팽창 및 수축으로 인한 응력을 모두 흡수할 수 있는 확장된 굽힘 기능을 갖춘 폴리머 종단 시스템을 개발하여 온도 변화가 있는 환경에 더 적합한 종단 방법을 선보였습니다.

열 변동 시 이 종단 기술의 안정적인 성능을 입증하기 위해 -55°C ~ +125°C의 온도 주기에서 AEC-Q200 및 JESD22 방법 JA-104 표준을 따르는 열 주기 테스트가 선택되었으나, 주기 횟수는 3000회로 늘었습니다.

표준 금속 버전과 확장된 굽힘 기능을 위한 폴리머 버전, 두 가지 종단 전극을 측정하고 비교했습니다. 0603, 0805, 1206, 1812의 네 가지 케이스 크기(두 가지 유형의 페이스트로 종단하고 무연(Pb) 땜납을 사용하여 PCB에 납땜)를 사용하여 열 주기 챔버에 배치했습니다.

조립 후 푸시 테스트 중에 초기 전단력을 측정했으며 1000회, 2000회, 3000회의 열 주기 후에 반복 측정했습니다. 성능 저하 메커니즘을 연구하기 위해 각 측정 단계에서 여러 커패시터의 단면을 준비했습니다.

그래프: 초기 값으로 정규화된 전단 테스트의 평균 결과. (이미지 출처: Vishay)

위 그래프에서 볼 수 있는 바와 같이 데이터는 전단력 저하가 최대 3000 주기까지 선형으로 나타났습니다. MLCC 장치와 납땜에 비해 PCB의 팽창 및 수축 길이에는 차이가 있으며, 이는 본체 크기가 클수록 더욱 두드러집니다. 따라서 이러한 케이스 크기에서는 열 변동의 안정성이 더 낮습니다. 3000 주기 동안 표준 금속 종단의 결합 강도는 약 80% 감소한 반면, 폴리머 종단 시스템은 50% 미만으로 저하되었습니다. 이는 유연한 폴리머 종단이 적용된 MLCC가 열 주기에 의해 발생하는 응력을 부분적으로 흡수할 수 있기 때문입니다.

온도 주기 후 단면도(0805 본체 크기). (이미지 출처: Vishay)

이 테스트에는 가장 널리 사용되고 환경 친화적인 납땜 페이스트인 주석-은-구리(SAC)가 사용되었으며, 단면 부품을 평가한 결과 고장 모드는 무연(Pb-free) 납땜 필렛의 균열로 나타났습니다.

결론:

MLCC의 표면 실장 생산 조립품에 사용되는 무연(Pb-free) 땜납의 균열은 자동차 및 기타 고온 응용 제품에서 흔히 볼 수 있는 장기간의 열 주기 동안 발생할 수 있습니다. MLCC의 굽힘 기능을 향상시키는 데 사용되는 폴리머 종단 응력을 흡수하고 온도 변화로 인한 납땜, 커패시터, PCB 간의 수축/신장 불일치를 줄임으로써 소자 유연성을 개선하는 데 도움이 됩니다.

따라서 이러한 폴리머 종단이 있는 MLCC를 사용하는 것은 이러한 응용 제품과 높은 진동 또는 기판 굴곡 응력(예: PCB 조립 및 납땜 중)이 수반되는 응용 제품 및 열 변동이 심하고 지속적인 기타 환경에 탁월한 솔루션이 될 수 있습니다.