Гибкость многослойных керамических конденсаторов. Часть 1
Сергей Шихов, технический директор «А‑КОНТРАКТ»:
Требования к надежности становятся очередным вызовом уже не только для производства специальной (авионика, космос) и автомобильной техники. Аналогичные требования предъявляются и к устройствам гражданского назначения, например к квадрокоптерам.
Разработчикам становятся доступны новые системы расчета параметров в современных средах проектирования, и они получают результаты по надежности, приближенные к «боевым». Производители же, как обычно, заинтересованы в расширении рынков сбыта за счет предложения новых возможностей за дополнительную плату.
История развития электроники показывает: процесс замещения старых типов компонентов на современные неизбежен. Поэтому надо обязательно пользоваться новыми возможностями там, где надежность стоит на первом месте.
В статье представлены многослойные керамические конденсаторы с сопротивлением к механическому растрескиванию, предназначенные для автомобильной промышленности.
Сегодня с постоянно усиливающимся спросом на дополнительные технические возможности в обычных автомобилях и неизбежным ростом числа электромобилей увеличивается количество вызовов, с которыми сталкиваются разработчики электроники: при меньших затратах и сокращающихся конструктивных параметрах MLCC используются все в более жестких условиях и в больших количествах. Это заставляет увеличивать плотность установки компонентов на платы, а также добавляет беспокойства по поводу надежности и особенно вероятности механического растрескивания. Соответственно, разработчикам электроники теперь необходима большая гибкость, которая превышает требования по тесту на изгиб спецификации Совета по автомобильной электронике (AEC-Q200, версия D, 1 июня 2010 года).
Устойчивость к механическому растрескиванию может быть увеличена двумя способами:
- уменьшением механической нагрузки, оказываемой на конденсаторы в процессе производства/сборки печатных плат;
- увеличением механической прочности компонента
В статье будут рассмотрены оба метода, а также проверен способ увеличения механической прочности с FlexiCap.
Материал для контактов FlexiCap — это гибкий эпоксидный полимер с серебряным наполнением, который поглощает механическое напряжение между печатной платой и керамическим компонентом. Компоненты с выводами из FlexiCap выдерживают более высокие нагрузки механического напряжения по сравнению с обычными выводами. Типы механической нагрузки, при которых конденсаторы с выводами FlexiCap создают улучшенную защиту, включают механическое растрескивание (что является самой частой причиной отказов керамических компонентов), а также быстрое изменение температуры.
При тестировании FlexiCap превысил минимальные требования спецификации в соответствии с AEC-Q200 более чем в 2 раза, таким образом, компания Knowles Precision Devices может предложить гарантированное отклонение в 5 мм при испытании на изгиб для компонентов AEC-Q200.
Механическое растрескивание
Здесь мы обсудим некоторые причины механического растрескивания в многослойных конденсаторах и те меры, которые могут быть предприняты, чтобы избежать этого при производстве печатных плат.
Из-за хрупкости керамики многослойные керамические конденсаторы в большей степени подвержены избыточным механическим нагрузкам, чем другие компоненты, используемые в поверхностном монтаже. Одна из самых распространенных причин повреждений конденсаторов напрямую связана с изгибом печатной платы после нанесения припоя. Чрезмерный изгиб создает механические трещины в керамическом конденсаторе (рис.1).
Механические трещины (в зависимости от своей величины) могут и не вызвать повреждение конденсатора во время тестирования окончательной сборки. Но через некоторое время влага, проникающая внутрь трещины, может снизить изоляционное сопротивление и вызвать пробой диэлектрика, чтоприведетк выходу конденсатораиз строя. Пример конденсатора, произведенного клиентами Knowles Precision Devices для изучения нарушений, приведен на рис. 2.
Возможные причины
Механические трещины возникают из-за избыточной механической нагрузки после того, как конденсаторы припаяны на печатную плату.
Избыточная механическая нагрузка может быть результатом следующих факторов:
- Исключительные обстоятельства:
- посадка с натягом — например, недопустимое физическое воздействие. - Нормальные обстоятельства:
– дизайн сборки;
– депанелизация платы, вызвавшая изгиб платы;
– автоматическое тестовое оборудование, использующее в качестве контактов матрицу игольчатых контактов «ложе гвоздей». Нарушения зачастую происходят в непосредственной близости или на поддерживающих стойках испытательного стенда. Вакуумные зажимы также могут быть причиной избыточного изгиба печатной платы;
– искажение/деформация печатной платы, вызванная условиями хранения или особенностями конструкции печатной платы. Часто деформированная печатная плата выпрямляется после пайки, что вызывает появление механических трещин в конденсаторах
– установка компонентов с использованием радиальных/сквозных отверстий,особенно если между радиальными выводами и отверстиями на плате имеется плотное соединение;
– подсоединение жестких деталей, таких как теплоотводы;
– установка микросхем, разъемов в гнезда для пайки без поддержки;
– транспортировка/хранение и обработка печатной платы, позволяющие плате изгибаться;
– установка собранных узлов на окончательную сборку — например, прищелкивание или чрезмерное затягивание винтов.
Меры по предотвращению
Тесты на избыточный изгиб, проведенные с помощью Knowles PrecisionDevices, включая анализ продуктов конкурентов, доказали, что:
- конденсаторы Knowles Precision Devices соответствуют международным требованиям, определяющим критерии надежности (об этом более подробно будет рассказано в разделе «Тестирование на изгиб»);
- результаты тестов на изгиб конденсаторов с использованием спеченного материала Knowles Precision Devices сопоставимы с результатами испытаний аналогичных устройств конкурентов.
Существует только два эффективных способа, позволяющих избежать проблем с механическими трещинами:
- снижение механической нагрузки, оказываемой на конденсаторы;
- увеличение технологического окна таким образом, чтобы механическая нагрузка, оказываемая на керамическую часть конденсатора, сократилась.
Автоматическое тестовое оборудование (АТЕ), функциональное тестирование и тестирование на надежность имеют ограниченные возможности в определении нарушений конденсаторов, возникших из-за механического растрескивания.
Особенности сборки/производства
На механическую нагрузку может оказывать влияние ряд различных факторов, конструкцией и производством устройства. Эти факторы включают:
- Дизайн печатной платы — панели заземления и медная шина питания.
- Конструкция печатной платы, приводящая к неравномерному распределению металла (обычно по причине большой панели питания или заземления), может вызвать деформацию печатной платы вовремя пайки, что вызвано различными коэффициентами теплового расширения у меди и эпоксидного стекловолокна. Если необходимы большие панели питания/заземления, может оказаться полезной поперечная штриховка медной поверхности.
- Положение/ориентация конденсатора на печатной плате по отношению к краю печатной платы и другим компонентам.
На рис. 3–5 даны некоторые рекомендации по ориентации и размещению конденсатора для уменьшения вероятности механического повреждения.
Важно: зона нагрузки обычно находится в пределах 5 мм от края платы или точки фиксации. На рис.6 даны рекомендации по форме площадки для конденсатора, что позволяет снизить вероятность механического повреждения.
Анализ процесса производства
Механическое растрескивание происходит после того, как конденсатор был припаян на свое место. Последующее изгибание печатной платы создает механическую нагрузку внутри конденсатора, и если она будет достаточно большой, это приведет к растрескиванию конденсатора.
Когда механическое растрескивание становится причиной отказа конденсатора, потребитель обычно старается проанализировать все стадии производственного процесса, включая обработку и транспортировку, при которых возможны изгибы печатной платы. Если такой этап не очевиден, следующий шаг— удаление образцов конденсаторов с устройства на различных этапах процесса, а затем разделение на части/внутренний осмотр конденсаторов на наличие трещин. Форма механических трещин показана на рис. 1.
Примером стандартного обследования может быть удаление конденсаторов из устройств после выполнения следующих шагов:
- пайка;
- депанелизация;
- установка радиальных компонентов, включая разъемы и ИС, в гнезда;
- автоматическое тестовое оборудование (АТЕ);
- установка готового узла на окончательную сборку.
Определение механического отказа
Не существует метода, способного на 100% гарантировать обнаружение механического растрескивания конденсатора. Успех проводимого тестирования зависит от величины механических трещин: чем шире трещины, тем больше вероятность отказа.
Приведем несколько примеров тестов, проводимых нашими клиентами:
- Сухой жар/стабильное состояние. На устройства, находящиеся в сухой горячей среде, подается питание для ускорения пробоя конденсаторов.
- Влажный жар/стабильное состояние. Питание подается на устройства, находящиеся во влажной горячей среде, с целью внедрения влаги в трещины, чтобы вызвать отказ конденсатора.
- Циклическое изменение температуры. Устройства подвергаются температурным циклам для расширения трещин, чтобы вызвать отказ конденсатора.
- Вибрация и удар. Устройства подвергаются испытаниям на вибрацию и удар с целью расширения трещины, чтобы вызвать отказ конденсатора.
- Рентген. Заказчики попробовали провести обнаружение механических трещин с помощью оборудования для рентген-исследования паяных соединений, но успех был очень незначительный.
- Сканирующая акустическая микроскопия. Проведение тестов зависело от имеющегося у заказчиков оборудования, и успешность этих тестов оказалась очень разной.
