Riduzione delle cricche da saldatura negli MLCC dovute all'espansione termica

I condensatori in chip ceramici multistrato (MLCC) sono la tecnologia di condensatori a montaggio superficiale più utilizzata nel settore dell'elettronica e, grazie alla loro capacità/tensione (CV) in continua evoluzione, nel corso del tempo hanno fatto registrare un'ulteriore crescita sostituendosi ad altri materiali dielettrici per i condensatori. Alcune delle applicazioni in cui sono utilizzati, come il settore automotive (soprattutto per componenti interni), quello della trivellazione petrolifera e dell'estrazione mineraria e quello aerospaziale, sono caratterizzate da ambienti termici molto variabili. In questi settori, la resistenza ai cicli di riscaldamento e raffreddamento è un requisito molto importante, perché la differenza tra l'espansione termica della PCB e la metodologia di terminazione e montaggio dell'MLCC può provocare un cedimento della saldatura, soprattutto dopo un numero elevato di cicli.

Vishay ha sviluppato un sistema di terminazione polimerica con grande capacità di flessione in grado di assorbire sia le sollecitazioni di flessione della scheda sia quelle dovute all'espansione e alla contrazione termica, il che lo rende più adatto agli ambienti con variazioni termiche.

Per dimostrare la stabilità delle prestazioni di questa tecnologia di terminazione durante le fluttuazioni termiche, è stato scelto un test di termociclaggio che segue gli standard AEC-Q200 e JESD22 Metodo JA-104 con cicli di temperatura da -55 a +125 °C. Nel nostro caso, il numero di cicli è stato portato a 3000.

Sono stati misurati e confrontati due elettrodi di terminazione: la versione metallica standard e quella polimerica per una maggiore capacità di flessione. Sono stati utilizzati involucri di quattro dimensioni (0603, 0805, 1206 e 1812) - terminati con entrambi i tipi di paste e saldati su una PCB con una lega senza piombo (Pb) - e collocati nella camera di termociclaggio.

Dopo il montaggio, la forza di taglio iniziale è stata misurata durante una prova di spinta. La misurazione è stata ripetuta dopo 1000, 2000 e 3000 cicli termici. Per studiare il meccanismo di deterioramento, in ogni fase di misurazione sono state preparate sezioni trasversali di diversi condensatori.

Grafico: risultati medi della prova di taglio, normalizzati sui valori iniziali. (Immagine per gentile concessione di Vishay)

Dai dati è emerso che il deterioramento della forza di taglio è lineare fino a 3000 cicli, come mostrato nei grafici precedenti. Esiste una differenza nella lunghezza di espansione e contrazione di una PCB rispetto al dispositivo MLCC e nella saldatura, che è più pronunciata nei corpi di dimensioni maggiori. Pertanto, per queste dimensioni dell'involucro la stabilità delle fluttuazioni termiche è inferiore. Nei 3000 cicli, la forza di adesione della terminazione metallica standard è diminuita dell'80% circa, mentre il sistema di terminazione polimerica si è deteriorato di meno del 50%. Questo perché gli MLCC con terminazione polimerica flessibile possono assorbire parzialmente le sollecitazioni sviluppate dal termociclaggio.

Vista in sezione dopo i cicli di temperatura; dimensione involucro 0805. (Immagine per gentile concessione di Vishay)

Per questo test è stata utilizzata la pasta saldante più diffusa ed ecocompatibile, lo stagno-argento-rame (SAC). La valutazione dei componenti in sezione ha mostrato che la modalità di guasto era una cricca del filetto di saldatura senza piombo (Pb).

Conclusione:

Le cricche nella lega saldante senza piombo (Pb) utilizzata nell'assemblaggio a montaggio superficiale degli MLCC possono prodursi durante l'elevato numero di cicli termici che si verificano spesso nel settore automotive e in altre applicazioni ad alta temperatura. Le terminazioni polimeriche utilizzate per migliorare la capacità di flessione degli MLCC presentano un incremento della flessibilità del dispositivo assorbendo le sollecitazioni e riducendo la discrepanza di contrazione/allungamento tra la saldatura, il condensatore e la PCB causata dalle variazioni termiche.

L'uso di MLCC con queste terminazioni polimeriche è quindi, potenzialmente, un'eccellente soluzione per queste applicazioni, per quelle che implicano forti vibrazioni o sollecitazioni di flessione della scheda (ad esempio, durante l'assemblaggio e la saldatura delle PCB) e per altri ambienti caratterizzati da forti e continue fluttuazioni termiche.