Гибкость многослойных керамических конденсаторов. Часть 2

26.11.2020 | Статьи Электронные компоненты А-КОНТРАКТ в СМИ ● перевод: Сергей Шихов

При поддержке компании А-КОНТРАКТ в журнале «Технологии в электронной промышленности» № 6’2020 опубликована новая статья «Гибкость многослойных керамических конденсаторов».

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.

Тестирование на изгиб

Учитывая меры и анализы, обсужденные в предыдущей главе, иногда уже ничего нельзя сделать с точки зрения производственного процесса печатной платы, тогда внимание стоит переключить на физическую надежность самих конденсаторов. В этой и следующих главах мы рассмотрим несколько испытаний на изгиб, которым мы подвергали наши устройства, чтобы проверить их способность противостоять растрескиванию

Международные спецификации

Международные требования к тестированию на изгиб содержатся в нескольких спецификациях:

1. IEC60384-1:2001Конденсаторыпостоянной емкости для использования в электронном оборудовании. Часть 1. Общий раздел 4.35 «Испытания на изгиб» относится к IEC 60068-2-21.

2. IEC 60068-2-21: 2006 Испытания на воздействие внешних факторов. Тест U: прочность контактов и встроенных монтажных устройств. Раздел 8 теста Ue определяет испытание для оценки механической прочности контактов поверхностно монтируемых устройств при установке на подложку. Тест Ue1 определяет испытание на изгиб подложки. Цель теста Ue1 заключается в том, чтобы определить, могут ли конденсаторы выдерживать нагрузки от изгиба, которые будут возникать во время обычных операций при сборке или работе с устройством.

3. IEC 60068-2-21 относится к таким требованиям, как критерии отклонения и приемлемости, входящие в «соответствующую спецификацию». Компания Knowles Precision Devices поддерживает сертификацию продуктов IECQ CECC (Международная программа по сертификации качества Между-народной электротехнической комиссии — Комитета по электронным компонентам CENELEC), а «соответствующая спецификация» — QC 32100-A001:2007.

4. QC32100-A001:2007 «Таблица 2. Периодические испытания» — определяет минимальные требования к гибкости платы как Класс I C0G/NP0 (1B/CG).

Все типы. Класс II X7R (2R1): только Y и H (FlexiCap):

3-мм отклонение — Класс I;
2-мм отклонение — Класс II;
1-мм отклонение — X7R
(не FlexiCap-контакт).

5. AEC-Q200-005 Испытание на изгиб платы/ прочность контактов. Минимальные требования, приведенные в таблице 2, эталонный тест на нагрузку 21: 2мм (мин.) для всех, для Класса I — 3 мм.

Метод испытания на изгиб

Компания Knowles Precision Devices разработала серию испытаний на изгиб плат, выполненных из материалов FR4. Размеры платы составляют приблизительно 100x40x1,6 мм, толщина дорожек (35 ±10) мкм (рис. 7).

Рис. 7. Пример используемой печатной платы

Образцы конденсаторов монтировались с помощью ручного манипулятора захвата и установки деталей (рис. 8) на трафаретный припой SAC305 (96,5/3/0,5 Sn/Ag/Cu).

Затем печатная плата подвергалась испытанию на изгиб в соответствии с AEC-Q200-005 с использованием тестового устройства, специально созданного Knowles Precision Devices (рис. 9).

На рис.10 показано приспособление для испытания на изгиб, прижимная головка из усиленной стали запрограммирована так, чтобы следовать профилю отклонения со скоростью линейного отклонения 1 мм/с и останавливаться в соответствии с AEQ-Q200-005.

Требования AEC-Q200-005определяют, что испытанию на изгиб должны подвергаться 30 компонентов из каждого образца продукта. Тестовые печатные платы Knowles Precision Devices монтируются с одним конденсатором и отклоняются автоматически, пока конденсатор не сломается. Компьютерная программа анализирует изменения емкости по данным измерителя емкости Agilent 4288A. Как только изменение емкости превышает 10%, величина отклонения изгиба записывается в миллиметрах. Максимальное отклонение машины составляет 10 мм.

Результат каждого из 30 компонентов сохранен как группа образцов в сети Knowles Precision Devices.

Рис. 10. Метод испытания ни изгиб Knowles Precision Devices

Результаты испытания на изгиб

Диэлектрический анализ

Основываясь на анализе данных по отказам, нельзя утверждать, что один любой размер чипа более подвержен отказу из-за трещин, чем другой. Однако выяснилось, что конденсаторы Класса I C0G/NP0 (1B/CG) редко встречаются в «случаях растрескивания».

Эта разница в механической прочности показана на анализе среднего изгиба контакта из спеченного материала для двух типов класса.

Можно видеть, что средний изгиб для Класса I C0G/NP0 (1B/CG) составляет обычно 7 мм, тогда как для диэлектриков Класса II среднее значение составляет 4мм (рис. 11, 12).

Рис. 11. Класс I C0G/NP0 с контактом из спеченного материала

Рис. 12. Класс II X7R (2R1) с контактом из спеченного материала

Усовершенствование гибкости конденсатора Knowles Precision Devices

В 1999 году Knowles Ltd (Великобритания), ранее известная как Syfer Technology Ltd, представила свою линию материалов FlexiCap и стала первым производителем многослойных конденсаторов, который предложил заказчикам гибкие контакты.

В 2008 году ее величество королева Великобритании присудила премию Queen’s Award за выдающиеся инновационные достижения Syfer Technology Ltd в отношении FlexiCap.

FlexiCap — полимерный контакт, который благодаря своей волокнистой структуре снижает механическую нагрузку, оказываемую на керамическую часть конденсатора, приблизительно на 50% (рис. 13).

Рис. 13. Микроструктура полимерного контакта

Экстремальные температуры и химическая обработка не оказывают серьезного влияния на его механические и электрические свойства.

После полимеризации конденсаторы покрывают никелем и оловом, используя те же методы, что и для обычных конденсаторов с выводами из спеченного серебра/меди. Следовательно, характеристики пайки не меняются, а значит, нет необходимости в каких-либо изменениях процесса монтажа.
Было поставлено примерно 10 млн конденсаторов Класса II X7R (2R1) с полимерными контактами для оценки заказчиками. Анализируемые устройства имели много проблем, связанных с растрескиванием конденсаторов. Вовремя этих испытаний не было выявлено ни одной детали, которая бы сломалась из-за появления трещин.

Анализ гибких контактов Использование материала для контактов

FlexiCap для диэлектриков КлассаIIX7R (2R1) обеспечивает достаточную защиту диэлектрика от механической нагрузки при испытании на изгиб в соответствии с AEC-Q200-005.
На рис. 14 показаны результаты тестирования 160образцов различных размеров из всей линейки материалов Knowles Precision Devices AEC-Q200 Класс II X7R (2R1). Можно видеть, что большинство деталей (примерно 95%) соответствует или превышает максимальное отклонение тестовой машины в 10 мм, которое обычно равно 10 кг веса, установленного на печатную плату. Важно также отметить, что оставшиеся 5% испытанных деталей превышают спецификацию AEC-Q200 по отклонению в 2 мм более чем в 2 раза, причем самое малое отклонение в этой группе составляет 6,67 мм.

Рис. 14. X7R (2R1) с FlexiCap — отклонение в 10% или максимальное отклонение аппарата

Периодическое тестирование на изгиб

Компания Knowles Precision Devices проводит периодическое тестирование образцов, что необходимо делать согласно всем спецификациям. Образцы отбираются из производственных партий и тестируются в соответствии с требованиями на стр. 10 Каталога Knowles Precision Devices MLC (www. knowlescapacitors.com/Support/Catalogs)

Тестирование включает испытание Р12, тест на изгиб платы по спецификации AEC-Q200-005. Это обеспечивает уверенность в том, что контакты Knowles Precision Devices FlexiCap соответствуют или превышают минимальные стандартные требования по гибкости.

Скачать полный текст статьи «Гибкость многослойных керамических конденсаторов. Часть 1» в формате pdf