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엔지니어 인터뷰

스위칭 전원에 최적인 콘덴서와 인덕터란?

실장에 대한 과제
-크랙-

콘덴서편 –제6장-

주목 키워드
  • 적층 세라믹
  • MLCC
  • 표면 실장
  • 벤딩 크랙
  • 벤딩 응력
  • 수지 외부 전극
  • 메탈 프레임
  • solder 열화
  • 기판의 휨 정도
  • 칩 부품의 고착 강도

※본 기사는 태양유전 주식회사 이시하라씨의 인터뷰입니다.

전원 회로에서의 특성에 대해 알아보았으므로, 이번에는 실장에 관련된 설명을 하겠습니다. 적층 세라믹 콘덴서는 표면 실장 부품이므로, 다른 표면 실장 부품과 마찬가지로 실장에 있어서 몇 가지 과제가 있습니다. 대표적인 것으로, 벤딩 크랙 (Bending crack)과 소음이 있습니다.

-그럼, 벤딩 크랙부터 설명해 주십시오. 표면 실장의 전형적인 과제인, 기판 응력으로 인한 균열을 말하는 건가요?

적층 세라믹 콘덴서에 한정된 것은 아니지만, 기판에 휨 현상이 발생하면 표면 실장 부품에 응력이 가해져, soldering 부분의 열화 및 박리 현상, 부품의 크랙 발생 등 기계적인 열화 및 데미지가 발생한다는 것은 잘 알고 계시리라 생각됩니다. 적층 세라믹 콘덴서도 이와 마찬가지로, 벤딩 크랙이라는 과제를 안고 있습니다.

-부품 메이커로서는 「기판을 구부리지 말아 주세요」라고 말하고 싶은 심정이겠네요.

그것은 중요한 주의 사항임에 틀림없지만, 피할 수 없는 과제이기도 합니다. 따라서 부품 메이커 측에서도 응력에 대한 내성을 높인 타입을 구비하고 있습니다. 2가지 타입이 있는데, 첫 번째는 「수지 외부 전극 타입」, 두 번째는 「메탈 프레임 타입」입니다.

-부품 메이커 측에서도 대책이 있다는 말씀이시군요.

우선, 간단히 벤딩 크랙의 메커니즘에 대해 확인하도록 하겠습니다. 하기 그림과 같이, 기판에 실장된 표면 실장의 적층 세라믹 콘덴서는, 기판이 휘어지면 응력을 받게 됩니다. 특히, 응력 분포를 나타낸 그림에서 적색 동그라미로 표시한 부분, 즉 하부의 전극 경계 부근에 최대 응력이 가해져, 노란 점선으로 표시한 필렛 (fillet)의 상부 쪽으로 크랙이 발생합니다.

첫 번째 대책인 「수지 외부 전극 타입」은, 우측 그림과 같이, Ni의 외부 전극과 solder (Ni / Sn) 도금 사이에 도전성 수지층을 형성함으로써, 기계적 응력을 완화시키는 구조로 이루어져 있습니다. 또한, 기판의 벤딩 응력뿐만 아니라, 히트 사이클에 의한 내부 크랙 및 solder 열화에도 효과가 있습니다. 뿐만 아니라, 환경 조건에 대해서는 내습성이 향상되고, 실장면에서는 soldering 시 열 충격 내성, solder popping, 평탄성이 향상되는 메리트도 있습니다.

-구체적으로 어느 정도 개선될 수 있습니까?

하기 벤딩 크랙과 히트 사이클에 관한 데이터를 봐주십시오. 우선, 벤딩 내성에 있어서는, 휨 정도에 대한 잔존률, 즉 크랙이 발생하지 않는 비율을 그래프로 나타내고 있습니다. 표준품은 약 3mm의 휨 정도부터 크랙이 발생하여 4mm는 거의 절반에서 크랙이 발생하는데 비해, 수지 외부 전극을 사용하면 6mm의 휨 정도에서도 크랙이 발생하지 않았습니다. 또한, 시험 시료에 대해 cross-sectioning을 실시한 사진도 게재하였으니, 참조하여 주십시오. 고장난 표준 전극품에는 앞서 그림으로 설명드린 바와 같이, 최대 응력이 가해지는 부분에 이러한 크랙이 발생하게 됩니다.

다음으로, 하기는 히트 사이클 시험에서 solder의 열화를 나타낸 것이며, 이것은 고착 강도의 변화를 측정한 결과입니다. 그래프에서 알 수 있듯이, 표준 전극품의 열화 정도에 비해 수지 외부 전극품은 대폭 개선되었습니다. Solder의 열화는 기판과 적층 세라믹 콘덴서의 선팽창 계수의 차이에 기인하며, solder에 크랙이 발생하여 최종적으로 기판으로부터 박리되는 경우도 있습니다.

-도전성 수지가 응력을 완화시키는데 꽤 효과가 있군요. 그러면, 이용 시 주의점은 무엇인가요?

여기에 게재한 결과는, 어디까지나 당사의 MLCC 시험 결과입니다. 메이커에 따라 내성 등이 다르므로, 사용하시는 메이커의 특성을 반드시 확인할 필요가 있습니다. 사용되는 도전성 수지의 재료는 콘덴서 메이커마다 다르므로, 수지의 탄성 및 밀착 강도 등도 제각각 달라집니다. 재료의 차이는 그만큼 특성의 차이로 나타나므로, 수지 외부 전극품이라고 해서 모두 같은 것은 아닙니다.

-그럼, 두 번째로 「메탈 프레임 타입」에 대해 설명하여 주십시오.

메탈 프레임 타입」은 비교적 이전부터 있던 것이므로, 알고 계시는 분도 많으리라 생각됩니다. MLCC의 전극에 금속 프레임이 부착된 구조로, 우측 그림과 같이 메탈 프레임이 기판으로부터의 응력을 흡수합니다. 따라서 콘덴서에 가해지는 응력은 상당히 작아집니다. 물론, 수지 외부 전극보다 효과가 좋습니다. 하기 1206과 0805 벤딩 시험 결과를 확인하여 주십시오.

상기 측정 데이터는, 시험에서 가할 수 있는 최대 휨 정도 10mm에서 고장이 발생하지 않았으므로, 분홍색의 측정 한계 라인과 플롯이 붙어 있습니다. 이 그래프를 통해 벤딩 내성이 높은 것을 알 수 있습니다. 또한, 다른 전극 제품과의 차이로서, 각각의 보증치를 표시하였습니다. 표준품은 1mm 휨까지, 앞서 설명드린 수지 외부 전극 타입은 3mm, 그리고 메탈 프레임 타입은 5mm까지 보증됩니다.

-표준품, 수지 외부 전극 타입, 메탈 프레임 타입을 어떻게 구분하여 사용하면 좋을까요?

MLCC는, 휨 정도의 보증치를 제시하고 있지만, 기판의 휨 정도의 정량화는 어렵습니다. 기판의 두께, 사이즈, 부품의 실장 위치, 기판의 실장 방법 등 다양한 요소가 있기 때문에, 프로토 타입 제작 단계에서 벤딩 크랙 및 soldering의 열화를 평가하여, 수지 외부 전극 타입으로 문제가 해결되지 않는다면, 메탈 프레임 타입으로 변경하는 접근 방법이 좋겠습니다.

※본 기사는 2016년 2월 시점의 내용입니다.

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