積層セラミックチップコンデンサ

テックノート

ソリューションガイド

MLCC(積層セラミックチップコンデンサ)のたわみクラック対策

高信頼性MLCCのたわみクラック対策 概要

図1:素体クラックの様子(切断面)

図1:素体クラックの様子(切断面)
 3つの製品シリーズを比較 「高信頼MLCCによるたわみクラック対策」まとめはこちらをご覧ください。

MLCCに発生するたわみクラックの主な原因とプロセス

コンデンサ素体の内部にクラックが発生し、対向する内部電極が導通するとショート故障が発生します。

図2:たわみクラック発生の主な原因とプロセス

図2:たわみクラック発生の主な原因とプロセス

素体クラック発生の原因で、最も多いのが基板のたわみ応力によるものです。
基板たわみの原因としては、不適切なはんだ量によるはんだ応力、PCBの割板時の応力、ビス止めなどによる応力、最終組み立て時の基板曲げなど製造時の問題に加え、使用時の落下や振動、熱膨張などさまざまなものがあります。

コンデンサ素体の誘電セラミックスは圧縮応力には強いものの、引っ張り応力には弱いという性質があります。このため、はんだ接合されたMLCCに対して、基板方向から応力がかかってたわむと、素体クラックが発生しやすくなります。

この時に対向する内部電極が導通するとショートモード、断線すればオープンモードの故障が発生します。発生当初はオープンモードでも、使用するにつれショート故障に進行する可能性もあります。

コンデンサ素体のクラックがショート故障へと進行すると、発熱、発煙、発火などを引き起こす可能性があるため、信頼性が必要な機器の設計では対策が不可欠です。

たわみによる素体クラック発生とショート故障対策に特に注意が必要なアプリケーションと基板

部品実装からセット組立工程中に発生した微細なクラックが、市場で使用される間にセラミック素体のクラックへと進行する懸念があります。
特に車載電装機器や鉄道車両用機器、産業機器など常に振動や衝撃にさらされる機器や、モバイル機器やスマートキーなど落下による衝撃が頻繁に起こりうる機器では素体クラックが発生するリスクは高まります。

さらに、多湿な環境で使用される機器は結露による水分が素体クラック内部に侵入することで、オープン故障からショート故障に進行する危険性が高まります。

図3:たわみクラック対策の必要なアプリケーション(1/2)

図3:たわみクラック対策の必要なアプリケーション(1/2)

振動や衝撃にさらされる製品

落下による衝撃が想定される機器

多湿な環境で使用する機器

製法では、ビス止め付近、割板付近はもとより、熱膨張が大きいアルミニウム基板などにMLCCを直付けする場合も、基板の膨張・収縮によりコンデンサ素体のクラックを発生するおそれがあります。また、基板の製造や最終組み立ての時に基板を過剰に曲げることはよくあり、特に脆いセラミック部品は基板にはんだ付けした後に損傷しやすい傾向があります。

図4:たわみクラック対策の必要なアプリケーション(2/2)

図4:たわみクラック対策の必要なアプリケーション(2/2)

ビス止め付近、割板付近のMLCC

熱膨張が大きい基板

基板の製造や最終組み立ての時に
基板を過剰に曲げる設計

1   金属端子がたわみ応力を分散し、コンデンサに加わる負荷を軽減
 メガキャップ(金属端子付き)

図5:メガキャップの構造

図5:メガキャップの構造

メガキャップとは端子電極に金属端子を取り付けたMLCCで、単体型(シングル)とスタック型(2段積み:ダブル)があります(図5)。

10mmまでたわませても素体クラックは発生せず

図6は通常端子品とメガキャップのたわみ強度の比較です。通常端子品は数mm程度のたわみ量で素体クラックが発生しますが、メガキャップは10mm以上のたわみ量でもクラックの発生はみられません。

図6:5750サイズのたわみ強度比較(通常端子品とメガキャップの比較)

図6:5750サイズのたわみ強度比較(通常端子品とメガキャップの比較)
【メガキャップの特徴】
メガキャップの特徴
  • 基板たわみの応力を独自の金属フレームにより吸収、アルミニウム基板への実装も可能。
  • 外部端子に金属端子を採用し、機械的衝撃による応力を吸収します。耐振動性も向上しています。
  • コンデンサのフットプリントを変えずに2倍の静電容量を実現しています。
  • アルミニウム電解コンデンサよりも低ESR、低ESLです。
【主な用途】
  • 車載アプリケーション(EPS、ABS、EV、HEV、LEDランプ等)
  • 平滑回路、DC-DCコンバータ、LED、HID
  • 温度変化の激しい用途、コンデンサの音鳴き対策
  • xEV(DC-DCコンバータ、インバータ、充電器)、EPS、ABS、LED/HIDランプなどの平滑、デカップリング、Xコンデンサ、Yコンデンサ、スナバ回路など
  • アルミ電解コンデンサでは、寄生インダクタンスが大きく、高周波のノイズが低減できない、またはESRが大きすぎ、熱暴走の懸念がある部位
  • 周辺に高温になるデバイス(IGBTなど)があり、電解コンデンサ、フィルムコンデンサが配置できない部位
【メガキャップ(金属端子付き)】製品情報およびサンプル購入

2   樹脂電極がたわみ応力を吸収し、コンデンサに加わる負荷を軽減する
 樹脂電極品

図7:通常端子品と樹脂電極品の端子の違い

図7:通常端子品と樹脂電極品の端子の違い

通常のMLCCの端子電極はCu下地層にNiとSnのめっきがほどこされています。樹脂電極品は、CuとNiめっき層の間に導電性樹脂層を設けたMLCCです(図7)。

熱衝撃よるはんだ接合部の膨張・収縮にともなう応力、基板たわみ応力などを樹脂層が吸収して、素体クラックの発生を抑制します。

10mmまでたわませても素体クラックは発生せず

図8は通常端子品と樹脂電極品のたわみ強度の比較です。通常端子品は4mm程度で素体クラックが発生しますが、樹脂電極品は10mmでも素体クラックの発生は見られません。

図8:3216サイズのたわみ強度比較(通常端子品と樹脂電極品との比較)

図8:3216サイズのたわみ強度比較(通常端子品と樹脂電極品との比較)

過度の応力でも素体クラックは起こさず端子電極が剥離するフェールセーフ設計

図9:過度に加圧すると端子電極が剥離し、素体クラックの発生を防ぐ

図9:過度に加圧すると端子電極が剥離し、素体クラックの発生を防ぐ

さらに加圧していくと、通常端子品ではセラミック素体にクラックが入りますが、樹脂電極品ではニッケル層と樹脂層の剥離が見られますが素体クラックの発生は見られず、素体クラックを抑制する効果があることが解ります。

10,000回の落下試験でも素体クラック発生率ゼロ*保証項目ではありません

図10:Tumbling試験の結果(通常端子品と樹脂電極品の比較)

図10:Tumbling試験の結果(通常端子品と樹脂電極品の比較)

携帯電話用途での要求により行った試験です。 落下試験を10,000サイクル行っても製品クラック無し、かつ85/85耐湿試験もクリアします。

樹脂電極部分で衝撃を緩和していることが分かります。

Tumbling試験条件
  • 落下高さ 1m
  • 落下頻度 16回/min
  • 落下回数 10,000回
  • 特性・外観上異常の無い事
  • 耐湿負荷試験
    (85℃/85%RH/WV/1,000hrs)
試験機 :
YOSHIDA SEIKI 製回転ドラム試験機(MODEL RDT-1000)
用 途 :
携帯電話等の小型軽量の製品及びコネクタ, リモートコントローラ等を繰り返し落下させて, その影響を調べる目的に使用します。
規 格 :
JIS C 60068-2-32,IEC 60068-2-32
【樹脂電極品の特徴】
【樹脂電極品の特徴】
  • 基板の曲げ、たわみ、落下衝撃に対する抵抗力を改善します。
  • 導電性樹脂が熱衝撃や機械的応力などの外部ストレスを吸収し、部品を守ります。
【主な用途】
  • MLCCをはんだ接合した後の基板を取り扱う作業が必要になるユニットの「たわみクラック」対策もしくは予防
  • アルミ基板に装着される電気回路、曲げへの強い耐久性が必要で、はんだ接合部の信頼性が問題となるようなSMT用途
  • スマホ、PC、スマートキー、ウェアラブルデバイス、カーマルチメディア、スイッチング電源、基地局、車載アプリケーション(EPS、ABS、EV、HEV、LEDランプ等)
【樹脂電極品】製品情報およびサンプル購入

3   たわみ応力を吸収し、万一のクラック発生時もショート故障を予防する2重フェールセーフ機能
 安全設計品(CEUシリーズ)

図11: 安全設計品の2つのフェールセーフ機能

図11: 安全設計品の2つのフェールセーフ機能

TDKの安全設計品(CEUシリーズ)は、端子電極に導電性樹脂層を設けるとともに、コンデンサを2個直列接続したのと同等の特殊な内部電極構造により、2重のフェールセーフ機能を取り入れたMLCCです。さらに、AEC-Q200 にも準拠しており、車載用途にご利用いただけます。

第一に、端子電極には導電性樹脂層が設けられており、樹脂電極層によって基板のたわみや熱膨張によるストレスを吸収、クラックの発生を防止します。

第二に、内部電極構造には、コンデンサを2個直列接続したのと同等の特殊な構造を採用、万が一、コンデンサ素体にクラックが発生しても、ショートのリスクを大幅低減します。

特殊な内部構造が回路ショートのリスクを大幅低減

特殊な内部構造が回路ショートのリスクを大幅低減

CEUシリーズは、単一の製品の中に2つのコンデンサを直列に構成させています。
2つの積層セラミックチップコンデンサを直列につなぐと、万一、片方のコンデンサが絶縁破壊を起こしても、回路はショートからまぬがれます。この考え方を取り入れ、2 つのコンデンサを直列接合したのと同等の内部電極デザインとしています。

これにより、万一、コンデンサ素体にクラックが発生して片方のコンデンサ部の内部電極が絶縁破壊を起こしても、もう片方のコンデンサ部の内部電極が絶縁性を保ち、回路のショートを回避します。

樹脂電極層が応力を吸収

樹脂電極層が応力を吸収

TDK独自の技術により、外部電極に柔軟性を持つ導電性の樹脂を採用しました。これにより、機械的応力を緩和し、熱衝撃の耐性も向上させています。また、耐基板曲げ性も優れています。

通常端子品からの置き換えで簡単に安全性が向上

安全設計品はその2重のフェールセーフ機能により、大電流が流れる電源ラインなどにおいて、通常端子品からの置き換えにより簡単に安全性が向上します。また、通常端子品を2個直列接続する安全設計は、本製品1個で実現できるため、実装面積や実装コストの低減にも効果的です(図12)。

図12:通常品から安全設計品(CEUシリーズ)への置換イメージ

図12:通常品から安全設計品(CEUシリーズ)への置換イメージ

【安全設計品(CEUシリーズ)の特徴】
【安全設計品(CEUシリーズ)の特徴】
  • 製品内部にコンデンサを直列に構成したフェールセーフ機能により予期せぬショート事故を防止します。
  • 基板の曲げ、落下衝撃、サーマルショック、ヒートサイクルに対する抵抗力を改善します。
  • 導電性樹脂が外部ストレスを吸収し、はんだの接合部と部品を守ります。
【主な用途】
  • 車載アプリケーション(EPS、ABS、EV、HEV、LEDランプ等)
  • 平滑回路、DC-DCコンバータ、LED、HID
  • 温度変化の激しい用途、圧電効果対策
  • 12Vまたは24Vのバッテリーライン直結の回路や、より安全な設計が必要とされる回路
  • 高周波ノイズ(ラジオノイズ)対策、サージ、ESD対策用
【関連情報】

安全設計品は熱衝撃耐性も兼ね備えています。
熱衝撃耐性については≫MLCCのはんだクラック対策を参照ください。

【安全設計品(CEUシリーズ)】製品情報およびサンプル購入

「MLCCのたわみクラック対策」まとめ

  • コンデンサ素体にクラックが発生し、対向する内部電極が導通するとショート故障が発生します。
  • 振動や衝撃にさらされる機器、衝撃が頻繁に起こりうる機器、多湿な環境で使用する機器、ビス止め付近、割板付近、熱膨張が大きいアルミニウム基板、最終組み立ての時に基板を過剰に曲げる設計は特に注意が必要です。

図13:各種高信頼性MLCCの特長

画像 たわみ
応力
大容量化 特長 製品情報、
サンプル購入
1)メガキャップ
(金属端子付き)
1)メガキャップ ★★★ ★★★ 金属端子が応力を緩和
2段積み構造による同一面積で2倍の静電容量
製品情報およびサンプル購入
2)樹脂電極品 2)樹脂電極品 ★★ ★★ 樹脂電極が応力を緩和 製品情報およびサンプル購入
3)安全設計品CEUシリーズ
(樹脂電極+安全構造)
3)安全設計品CEUシリーズ ★★ 1素子内にコンデンサ2個を直列に配置した構造 (2直構造)でクラック発生時のショートリスクを低減
樹脂電極が応力を緩和
製品情報およびサンプル購入
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