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何謂最適合開關電源的電容和電感

實裝相關課題 -破裂-

電容篇 -6-

Keyword
  • 積層陶瓷
  • MLCC
  • 表面安裝
  • 板彎破裂
  • 彎曲應力
  • 樹脂外部電極
  • 金屬框
  • 焊點劣化
  • 機板的彎曲量
  • 晶片零件的粘著強度

電源電路的特性已經充分敘述,現在請容我談論安裝相關的話題。積層陶瓷電容由於是表面安裝零件,與其他表面安裝零件同様有幾個安裝相關的課題,代表性的有板彎破裂﹙Bending crack﹚和聲響。

-那麼,我就從板彎破裂開始提問。表面安裝中,我想機板應力導致的破裂是典型的課題吧?

這不只是積層陶瓷電容的問題,我想眾所皆知,機板若發生彎曲的話應力會施加於表面安裝零件,致使焊點劣化或剝落、發生零件龜裂等機械性劣化或損壞。當然,積層陶瓷電容也同樣有這個所謂板彎破裂的課題。

-身為零件廠商,是否會想說「請不要讓機板彎曲」呢?

這倒是重要的注意事項,不過由於無可避免,因此零件方面也準備了2種已提升耐應力性的類型來因應。第1種是「樹脂外部電極型」,第2種是「金屬框型」。

-這麼說,零件方面有因應措施了。

首先,我們來簡單確認一下板彎破裂的機制。如下圖,已安裝於機板的表面安裝積層陶瓷電容當機板彎曲時會承受應力。尤其是應力分佈圖中被紅圈圍起來的部分,也就是最大應力會施加於下部的電極邊界四周,破裂如黃色虛線所示會朝圓角上部進入。

第1個因應例「樹脂外部電極型」構造如右圖,係藉由在Ni的外部電極和焊點(Ni/Sn)電鍍之間形成導電性樹脂層來緩和機械性應力。此外,不僅是來自機板的彎曲應力,對熱循環導致的內部破裂或焊點的劣化也有效果。另外,針對環境條件還具有提升耐濕性,而關於安裝則具有提升焊點時的熱衝擊耐性、焊點剝離、平坦性等優點。

-具體上可以獲得多少改善呢?

請參考板彎破裂和熱循環的相關數據。首先,關於耐彎曲性,以下圖來表示彎曲量的殘餘率,也就是破裂零發生率。標準品會在彎曲不到3mm左右開始發生破裂,4mm的話大致上半數會發生破裂。相對的,樹脂外部電極品即使在6mm彎曲量也不會發生破裂。此外,關於已進行測試的樣品也準備了橫斷面照片。故障的標準電極品,如一開始圖片說明的,在承受最大應力的部分會發生何種破裂。

其次是熱循環測試下的焊點劣化,這是粘著強度變化的測量結果。如圖形所示,針對標準電極品的劣化程度,樹脂外部電極品被認定有大幅改善。焊點的劣化起因於機板和積層陶瓷電容的線膨張係數差異,破裂進入焊點,最後有時還會從機板剝離。

-導電性樹脂感覺上似乎可以相當有效地緩和應力。那麼,利用上應該注意些什麼呢?

這裡所顯示的結果畢竟只是本公司的MLCC測試結果。視廠商而定,耐性各有不同,我想每一家使用廠商都必須仔細確認特性。其實,導電性樹脂材料的使用取決於電容廠商,例如樹脂的彈性或貼合強度等各有不同。當然,材料不同其特性也就不同,儘管是樹脂外部電極品也無法以一概全。

-那麼,麻煩您說明另1種「金屬框型」。

「金屬框型」自古便有,想必知道的人不少。MLCC的電極附有金屬框,如圖所示,金屬框會吸收來自機板的應力,施加於電容的應力會變得相當小。當然,效果比樹脂外部電極還大。麻煩您看一下1206和0805的彎曲測試結果。

此測量數據由於在測試時最大彎曲量10mm中沒有發生故障,因此測量點緊貼著粉紅色測量界限線。雖然數據不怎麼有趣,不過想必能讓您理解到有高耐彎曲性。此外,各自的保證值也顯示了與其他電極品的不同。標準品可以保證彎曲至1mm為止,先前説明的樹脂外部電極型為3mm,而金屬型則至5mm為止。

-有關標準品、樹脂外部電極型、金屬框型的使用區分應該如何思考才好呢?

MLCC雖然有提示彎曲量的保證值,不過機板的彎曲量有時難以定量。由於有機板的厚度、尺寸、零件的安裝場所、機板的安裝方法等各種要素,因此倘若在試作階段評估板彎破裂或焊點劣化後使用樹脂外部電極型還是不能解決問題的話,不妨採用置換成金屬框型等方法。

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