Question 1

たわみクラック対策 (1): 「たわみクラック」とは。

Accepted Answer

A. たわみクラックとは、PCB（Print Circuit Board、プリント基板）上にはんだ接合されたMLCCが大きく曲げられることで形成されるクラックのことです。これらのクラックは、衝撃や電気的な過剰ストレスなどのようなその他の要因により生じるクラックとはその外観が異なります。

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Question 2

たわみクラック対策 (2): たわみクラックは、なぜ発生するのですか。

Accepted Answer

A. MLCCの誘電体素材はセラミック化合物です。セラミックは、圧縮に強く引張りに弱いという本質的に壊れやすい素材です。 MLCCにかかる機械的応力が過大な場合、その部位の応力を減少させようとしてクラックが生じます。

PCBの凹状屈曲では、屈曲中にその部位に働く力が圧縮力であるため、MLCCにクラックが生じることはほとんどありません（図1）。
PCBの凸状屈曲では、その部位に引張応力を受けるため、MLCCはクラックを生じやすくなります（図2）。

図 1. 凹状屈曲による圧縮力を受けるPCB上のMLCC

図 2. 凸状屈曲による引張応力を受けるPCB上のMLCC

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Question 3

たわみクラック対策 (3): たわみクラックの外観はどのようなものですか。

Accepted Answer

A. 典型的なクラックは「45度クラック」とも呼ばれます。このクラックは、MLCC実装面の端子電極と素体の境目付近を起点として、45度の角度で上方（曲げ応力方向）に伸び、（図1）MLCCの端子電極の外側に達します。

45度クラックは最も一般的に見られるたわみクラックですが、特にその部位が過剰な曲げを受けた場合には他のたわみクラックが生じることもあります。

図 1. 凸状屈曲中のMLCC上の応力の起点と方向

誘電体の変色が表面で観察されることがあっても、外部からの目視によりたわみクラックが発見されることは稀です。この領域は、正常な誘電体よりも明るい色に見えます。通常、クラックはその部位でDPA（Destructive Physical Analysis、構造解析）を行った場合にのみ発見されます。DPAは断面解析とも呼ばれます（図2）。

MLCCの端子電極を取り除いた際、クラックが表面にまで拡がっていると、たわみクラックが観察される場合があります（図3）。
このようなクラックは、MLCCの底面にも見られます（図4）。
基板に過剰な応力が加わると、クラックがMLCCの両端で形成されることもあります。

図2. 基板の過剰なたわみによりクラックを生じたMLCCの断面

図3. たわみクラックの起点が見られるMLCCの底面

図4. 端子電極を取り除いたMLCCの底面。両端にクラックが見られる

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Question 4

たわみクラック対策 (4): たわみクラックが生じるとMLCC(積層セラミックチップコンデンサ)はどうなりますか。

Accepted Answer

A. クラックが形成されると、MLCCの内部に湿気と異物が浸透するようになります。クラックが内部電極の重なる領域を貫通する場合は、時間の経過とともにそれが絶縁抵抗の低下やショートにまで発展する可能性があります（図1）。

図1. 典型的な45度クラック。赤い電極部分はクラックが内部電極の重なる領域を貫通している。これはショートの危険性を示している

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Question 5

たわみクラック対策 (5): たわみクラックは、一般的にどのような過程で生じますか。

Accepted Answer

A. MLCCがPCBにはんだ接合された後、基板を著しく曲げる作業は全てクラック発生のリスクとなります。
製造中および製造後に基板がたわむケースは多々あります。

PCBは、割板作業中にしばしば多大な応力を受けます。製造過程で基板が曲げられる他の例として、コネクタのソケットへの取り付けと配線ハーネスの取り付けやビス止め作業などが挙げられます。

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Question 6

たわみクラック対策 (6): たわみクラックはどうすれば発見できますか。

Accepted Answer

A. たわみクラックは、多くの場合電気的測定による絶縁抵抗の低下により発見されます。
MLCCのIR（Insulation Resistance、絶縁抵抗）は、クラックが誘電体に構造欠陥を生じさせるために低下します。
IRの低下は、通常漏れ電流の増大により検出されます。
静電容量の低下も、クラック発生の電気的な指標となります。

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Question 7

たわみクラック対策 (7): どうすればたわみクラックの防止に役立ちますか。

Accepted Answer

A. クラックを防ぐ最も効果的な方法は、基板に不要な外力が加わらないようにすることです。基板補強材または支持材を設置すると、基板の屈曲防止に役立ちます。製造中に基板が屈曲するケースは見落されがちです。製造過程を検証することは、基板にかかる応力を減少させる方法の発見につながります。

また、基板上の部品の配置が、曲げ発生時の部品にかかる応力の量に大きく影響します。部品を割板面とネジ取り付け部から大きく離すと、製造中にMLCCに不要な応力が加わることを防ぐのに役立ちます。部品を割板面と平行に配置することで、応力を低減することができます（図1）。

はんだが多すぎると、曲げ発生時にMLCCに加わる応力が大きくなります。メーカーが推奨するはんだ仕様に従うよう注意する必要があります。

図1. 割板中にコンデンサにかかる応力の大きさを示す図。
応力最大から最小の順は以下のとおり、 A > B = C > D > E.

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Question 8

たわみクラック対策 (8): TDKは、たわみクラック対策品を提供していますか。

Accepted Answer

A. TDKは、オープンモード、樹脂電極品、安全設計品、メガキャップ（金属端子付き）など、数多くのたわみクラック対策を提供しています。

オープンモードは、端子電極と内部電極間の距離である"L"ギャップを大きく取ったものです（図1）、（図2）。これは、一般的な45度クラックが生じた際に、クラックが内部電極の重なる領域にまで達することを防ぎ、ショートではなくオープンとなることを意味します。

図1. 標準的なMLCCの"L"ギャップ

図2. 拡張された"L"ギャップが、たわみクラックによるショートを防ぐ。

図3. 導電性樹脂層の場所（緑で強調された部分）

TDKの樹脂電極品では、端子電極に導電性樹脂層が組み込まれています（図3）。この樹脂層は、銅（Cu）とニッケル（Ni）層の間にあり、曲げや振動による機械的応力を吸収し、クラックの発生を防ぎます。部位が過剰に曲げられると、クラックが生じる前に端子電極が樹脂から分離するように設計されています。

図4. 安全設計品の内部構造。クラックが生じてもショートが発生しない

TDKの安全設計品は、単一のセラミック体に2個のコンデンサを直列配置したものです。このコンデンサは、バッテリライン直結の回路や、より安全性が必要とされる回路に適しています。

コンデンサが2個あるため、1個でクラックが生じても、2個目が存在します。これによりクラックが生じた際のショートを防ぎます。なお、TDKの安全設計品は樹脂電極構造のため、クラックの発生を1個目から防いでいます。

図4. 安全設計品の内部構造。クラックが生じてもショートが発生しない

メガキャップは、金属端子付きのMCLL（図5）で、1段タイプと2段積みタイプがあります。金属端子が曲げや振動による応力の大部分を吸収します。

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Question 9

ESD対策コンデンサガイド (1): ESD（Electro Static Discharge）とは何ですか。

Accepted Answer

A. ESDは、瞬間的に発生する制御不能な高電圧スパイクです。ESDの一般的な例としては、カーペットの上を歩いている人体に蓄積する静電気などがあげられ、金属や他のものに触れると放電します。ESDは一般的に数千ボルトで、電気回路に重大な損害をもたらす可能性があります。

ESDは人間の接触やマシンインターフェースの接触でも発生します。これら２つの要因は、工業会で用いられる基本的なESDのモデルです。

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Question 10

ESD対策コンデンサガイド (2): どうすればESDを防止できますか。

Accepted Answer

A. ESDを防止するための最も一般的な場所は、回路のインターフェース部にあります。これはモジュールとシステムの他の部品をコネクタで接続する箇所です。設計エンジニアは通常、セラミックコンデンサをコネクタピンと通信ピンのところでESD防止コンデンサとして使用します。モジュール全体はモジュールレベルのESD要件を満たさなければなりませんが、コンデンサは部品レベルのESD要件を満たす必要がある場合とない場合があります。最終顧客が最も問題視するのはモジュールレベルの要件ですので、モジュールレベルの保証に必要な部品レベルの要件は設計エンジニアが決定することになります。

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Question 11

ESD対策コンデンサガイド (3): ESDモデルにはどんなものがありますか。

Accepted Answer

A. ESDモデルには、CDM（Charged Device Model、帯電デバイスモデル）、MM（Machine Model、マシンモデル）、そしてHBM（Human Body Model、人体モデル）があります。そのうちHBMがコンデンサの試験や評価に最も多く使用されています。

CDM：CDMは最も軽視されるモデルの1つです。このESD事象は、デバイスが管や袋、あるいは類似の物から滑り落ちるとき発生します。デバイスを接地するときも発生する場合があります。一般的な放電回路は4pFまたは30pFコンデンサから成ります。
MM：MMはHBMと似ています。このモデルはHBMのワーストケースとして日本で生まれました。マシンモデルは、金属のフレームや工具のような導電体からの放電をモデルとしています。その一例として自動テスタのピンなどがあげられます。一般的な放電回路は200pFコンデンサからなり、抵抗は含まれず、500nH直列インダクタから放電します。
HBM：HBMは最も古くからある一般的なESDモデルです。Mil-Std 1686のセクション5.2.1.1に記載さているとおり、ESD損傷の主な原因は人体であり、HBMとして標準化されています。これは人体モデルと呼ばれ、人体や帯電デバイスからESDS（ESD sensitive、ESDに敏感な）デバイスへの放電です。これは一般的に指先からデバイスへの放電として表されます。

図1

図1に示した等価回路には、帯電したコンデンサCoがあります。スイッチを入れると、CoはRxを介してコンデンサ（Cx）に放電します。

このモデルは、MIL-STD 883 method 3015（Co = 100pF、Rx = 1.5kohm）に準拠しています。IEC 61000-4-2（Co = 150pF、Rx = 330 ohms）もよく使用されます。AEC-Q200の場合はCo = 150pF、Rx = 2kohmです。そのほか、HBM ESD試験には無数のバリエーションがあります。

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Question 12

ESD対策コンデンサガイド (4): 工業用に認められたESD試験標準にはどのようなものがありますか。

Accepted Answer

A. 工業用や特定顧客用のESD試験標準は無数にあり、部品レベルのものとモジュールレベルのものがあります。その中で最も一般的なものは、 IEC61000-4-2、MIL-STD 883 method 3015、JESD22-A114、AEC-Q200です。

これらの仕様によって、放電回路、ESD電圧レベル増分、ESDパルス（ストライク）印加数、極性の順序、充電/放電の順序など、パラメータが異なります。

これらの仕様の多くには、ESD感度を示すESDレベル分類体系がそれぞれあります。たとえば車載用AEC-Q200は、最大25kVのESD試験を使用する、レベルの高い仕様の1つです。

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Question 13

ESD対策コンデンサガイド (5): TDKのMLCC(積層セラミックチップコンデンサ)は、ESD試験をどのように行っていますか。

Accepted Answer

A. AEC-Q200は、受動部品の試験方法のガイドラインとして広く用いられており、TDKではこれを既存ファミリーの認証として取り入れています。

AEC-Q200は6kVから開始し、電圧試験スケールに沿って順番に試験を行います。標準的な手順としては、6kV、 12kV、16kV、25kVと進行します。各電圧レベルで充電/放電が極性ごとに1回行われ、各電圧ではそれぞれ未使用の部品を使います。なお、ESD 試験で正確な結果を得るには、これらの手順を正しく行うことが必要です。

試験に合格したそれぞれのレベルによって、試験対象部品のESDレベル（ESD感度）の区分が示されます。この区分は、設計エンジニアが用途に合ったコンデンサを選定する上で役立ちます。

また、セット・モジュール評価の適用を目的としたIEC 61000-4-2も広く用いられています。TDK はIEC 61000-4-2の接触放電の中でも最も厳しいレベル４（8000V）以上に耐えうる製品としてESD対策用コンデンサをリリースしております。

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Question 14

ESD対策コンデンサガイド (6): ESD対策に適したコンデンサを選択するにはどのような方法がよいですか。

Accepted Answer

A. TDKは実験によって、設計エンジニアがESD対策コンデンサに最適な値を決定する上で役立つ3つの重要なパラメータを定めています。それは（1）破壊電圧、（2）静電容量、（3）DCバイアスです。

Vbd試験要結果の例
Vbd（Voltage BreakDown、破壊電圧）は、コンデンサの電圧レベル強度を定量化するための試験方法です。部品が壊れるまでDC電圧を固定の昇圧速度（例 100v/s）でコンデンサに印加します。これによってコンデンサが耐えられる最大持続電圧を測定しますが、最大ESD電圧レベルが直接分かるわけではありません。
試験試料の静電容量によって、試料にかかる実行電圧が変わります。
節点分析によると、DUT（Cx）の測定電圧（Vx）の関係は以下のように表されます。

電源電圧（Vo）と充電コンデンサ（Co）を一定に保つと、測定電圧（Vx）とDUTコンデンサ（Cx）は反比例します。つまり、選択するCxの容量が高いほどVxは低下します。

コンデンサによる効果を説明するため、たとえば1000pFコンデンサ（Cx）のESD要件が4kV（Vo）の場合を見てみましょう。また、AEC-Q200試験方法を使用し、Co = 150pFと仮定します。試験試料による効果は、4kVを印加した場合、Cxはわずか521.7V（Vx）となって現れます。
DC電圧をセラミックコンデンサに印加すると、静電容量の実効値はその公称容量と異なる場合があります。DCバイアスは通常、静電容量の変化率で表されます。

DCバイアスは主に誘電体に起因します。当然、他の設計や構造と言った要因も影響します。C0GのようなClass I誘電体の場合、変化は比較的わずかです。X7RやX5RのようなClass II誘電体の場合、静電容量は微増した後すぐに減少に転じ、DCバイアスはおおよそ-10%～-70%程度です。

印加電圧を上げると実効静電容量は減少します。

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Question 15

ESD対策コンデンサガイド (7): ESD対策コンデンサを選ぶ場合はどのようにすればよいですか。

Accepted Answer

A. 最初のステップは、どの程度のESD対策が必要かを確認することです。モジュールレベルの要件が12ꯠVであるからといって部品要件も 12ꯠVであるとは限らないことに留意してください。多くの場合、最終顧客がモジュールレベルに要求されるESDを設定し、それに適合するために必要な部品レベルでの要求値は設計エンジニアによって決められます。

ESD試験の評価だけでコンデンサを選択するのは最善とは言えません。Vbd、DUT、DCバイアスの影響を調べないと、保護回路の設計が過剰あるいは過小になる恐れがあります。

コンデンサ（Cx）の測定電圧（Vx）

前述のようにClass II MLCCの場合、DCバイアスは静電容量を70%も減らす場合があります。これをワーストケースと仮定すると、

上の関係から、コンデンサ（Cx）の実際の測定電圧（Vx）が分かります。したがって、電圧破壊レベル（Vbd）がVxより大きいコンデンサを選択します。

Vbd > Vx、そこで

図1：Vbd試験要結果の例

たとえば、Co = 150pF、Cx = 1000pF、VESD = 12kVと仮定すると、最小Vbdは4000Vとなります。Cxとして選択した1000pFコンデンサのVbdレベルは、最低でも4000V必要です。

図1のVbdチャートを見るとこのコンデンサのVbdレベルは平均値が4520V、最小値が4080V、したがって選択条件を満たしています。

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Question 16

ESD対策コンデンサガイド (8): TDKには、ESD対策に有効なMLCC(積層セラミックチップコンデンサ)の推奨品がありますか。

Accepted Answer

A. TDKでは、電子部品に加わる静電気の負荷から回路を保護する目的でCGA3EAシリーズを開発し、量産対応しています。走る、曲がる、止まるの各種制御システム、キーレスエントリ、カーナビゲーションなどの車載機器の信号入出力部での静電気対策に有効です。こうした電子制御機器の入出力部の静電気対策には、汎用のコンデンサやバリスタ、ツェナーダイオード等が使われてきました。TDKは車載向けの専用部品を開発することで車載機器に求められる高い品質基準をクリアできるようにしました。国際標準規格IEC61000-4-2に基づく静電気試験において、最も過酷な試験レベル４（8000V）以上に対応したラインナップです。

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Question 17

ESD対策コンデンサガイド (9): ESDの詳細が分かるリソースにはどのようなものがありますか。

Accepted Answer

A. ESDやESD試験要件の詳細が分かるリソースは多数あります。本書で使用する参考資料のほとんどは、工業試験方法を中心としています。以下の仕様やWebサイトをご覧ください。

Mil-Std 1686 Mil-Std 883 method 3015

>>積層セラミックチップコンデンサ製品サイト
>>積層型リード付きコンデンサ製品サイト

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Question 18

MLCC(積層セラミックチップコンデンサ)耐電圧（英語版）

Accepted Answer

Question 19

TDKのコンデンサ(積層型リード付きコンデンサ)は、ESD試験をどのように行っていますか。

Accepted Answer

A. AEC-Q200は、受動部品の試験方法のガイドラインとして広く用いられており、TDKではこれを既存ファミリーの認証として取り入れています。
AEC-Q200は6kVから開始し、電圧試験スケールに沿って順番に試験を行います。標準的な手順としては、6kV、 12kV、16kV、25kVと進行します。各電圧レベルで充電/放電が極性ごとに1回行われ、各電圧ではそれぞれ未使用の部品を使います。なお、ESD試験で正確な結果を得るには、これらの手順を正しく行うことが必要です。
試験に合格したそれぞれのレベルによって、試験対象部品のESDレベル（ESD感度）の区分が示されます。この区分は、設計エンジニアが用途に合ったコンデンサを選定する上で役立ちます。

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Question 20

過電流が流れた場合はどのように故障しますか。

Accepted Answer

A. 過電流が流れた場合、積層製品は表面の温度が上昇し、端子の損傷やはんだの溶融が考えられます。巻線製品の場合は、一瞬（usec）の過電流であれば製品自体のラインはオープンになる可能性は低いと考えられますが、定格電流以上の電流が長時間流れるとオープンの状態となります。

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Question 21

コモンモードフィルタ/チョークの信頼性試験項目はなんですか。

Accepted Answer

A. コモンモードフィルタ/チョークの信頼性試験項目は該当製品をご指定頂き、弊社担当営業もしくは代理店へお問い合わせ頂くか、当 Webサイトよりお問い合わせください。

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Question 22

詳しい信頼性試験結果を入手するにはどうすればよいですか。

Accepted Answer

A. コモンモードフィルタ/チョークの信頼性試験項目は該当製品をご指定頂き、弊社担当営業もしくは代理店へお問い合わせ頂くか、当 Webサイトよりお問い合わせください。

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Question 23

信頼性試験データが欲しいのですがどうすればよいですか。

Accepted Answer

A. 高周波製品およびモジュール製品の信頼性試験データにつきましては該当製品を指定頂き、お近くの営業所もしくは代理店、本サイトからお問い合わせ下さい。

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