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詳解耐彎曲性能高的多層陶瓷電容器設計

發布時間:2014-06-26 責任編輯:sherryyu

【導讀】隨著電子設備的安裝率的提高,要保證車內的空間、車體的輕量化的前提下,使得安裝的電子設備不得不具備小型化的特征,而安裝的電路板也必須小型化。這就使得電路板容易產生裂紋,而耐電路板彎曲性MLCC能很好的解決這個問題,那么它是怎樣設計的呢?
 
近年來的汽車市場對于高效率、低耗油化以及改善耐環境性能和安全性能越來越重視,同時電子設備的安裝率也在提高。另外,與此同時還要保證車內的空間、車體的輕量化,因此安裝的電子設備不得不具備小型化的特征,而安裝的電路板也必須小型化。
 
另一方面,直接連接到電源的平滑用途、噪聲去除用途的多層陶瓷電容器(MLCC)為了對應故障安全而并列配置2個的情況很常見。主要是在電路板安裝后的電路板的處理場合,機械應力等會對MLCC產生裂紋,而這種裂紋很可能導致在通電時發生燃燒的最壞后果。為了避免這種后果,對策就是通過并列配置2個MLCC,即使1個MLCC由于機械應力產生了裂紋,電池也不會受到沖擊。但是,由于電子設備的小型化需求,削減元件個數也很必要。
 
如果使用改善后的耐電路板彎曲性MLCC(圖1的GCJ系列、KCM/KC3系列)的話,該系列致力于裂紋偏轉,能夠用1個MLCC將2個并列連接的MLCC替換。本章,將介紹改善后的耐電路板彎曲性的這2個系列。
 
GCJ、KCM/KC3系列改善電路板的裂紋偏轉
 
2端子的MLCC由于受到了過度的機械應力會導致像圖2的裂紋。外部電極的折疊電極前端部分受到電路板集中的偏轉應力,從這里開始向MLCC發生產生裂紋。為了設計出不讓這種電路板的偏轉應力對MLCC產生影響的產品,改善后的耐電路板彎曲性的GCJ、KCM/KC3系列應運而生。
 
GCJ系列和KCM/KC3系列的構造圖如圖3所示。GCJ系列,其外部電極的基極電極和電鍍鎳/錫電極中間有一層樹脂電極。由于樹脂的彈性吸收了電路板的偏轉應力,并且,樹脂外部電極相對減弱了裂紋對陶瓷造成的破壞力,可以緩和電路板的偏轉應力。
 
KCM/KC3系列,在MLCC上使用了金屬端子電極作為接合材料(無鉛高溫焊接),使構造相對容易接合,將金屬端子作為媒介與電路板接合。由于這種端子電極的彈性作用,緩和了來自于電路板的應力,確保了高可靠性。更重要的是,它將2個電容器重疊起來,相對于等容量的電容器2個并列排列的電路來說減少了實裝空間。
耐電路板彎曲性
耐電路板彎曲性
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針對電路板偏轉應力的評價,如圖所示是耐電路板彎曲性的實驗。
 
實驗電路板:環氧玻璃電路板(FR-4、1.6mm厚度)
 
偏轉速度:1mm/秒
 
偏轉速度:1mm/秒
 
實驗樣本個數:10個
耐電路板彎曲性實驗的模式圖
圖4:耐電路板彎曲性實驗的模式圖
 
根據這個評價結果,于一般用2端子的MLCC(GCM系列)的殘存率的比較如圖5所示。
 
GCJ、KCM/KC3系列,電路板的偏轉量在6mm的時候也看不見對陶瓷部分的破壞,于GCM系列相比耐電路板彎曲性有了飛速的改善。
GCJ、KCM/KC3系列的耐電路板彎曲性實驗結果
圖5:GCJ、KCM/KC3系列的耐電路板彎曲性實驗結果
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圖6:耐電路板彎曲性后的橫截面照片
 
此外,KCM/KC3系列除了電路板的偏轉應力,由于熱機械應力,有可能達到改善焊接裂縫的產品。圖7中表示的是KCM/KC3系列的溫度循環后的橫截面圖片。
 
GCM系列的話,在1000°溫度循環的情況下會發生焊接裂縫,而KCM/KC3系列的話即使在2000°溫度循環的時候也看不見焊接裂縫,可見對于熱應力可確保高可靠性。
熱應力引起的焊料裂縫比較
圖7:熱應力引起的焊料裂縫比較
 
今后的展望
 
安裝在汽車中的電子設備其安裝率今后有望上升,而對于被使用的電子元器件的要求將持續傾向小型化、大容量化、使用期限長。
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