減少 MLCC 因熱膨脹發生焊點破裂

積層陶瓷晶片電容 (MLCC) 是電子產業中使用最廣泛的表面黏著電容技術，更隨著時間有了更多的成長，以其不斷演進的電容值／電壓 (CV) 能力，進一步取代其他電容電介質。接納此技術的一些應用，例如汽車 (尤其是引擎蓋下)、鑽井和採礦以及航太應用，有著迅速變化的熱環境。在這些市場中，具備對冷熱交替的抵抗能力相當重要，因為 PCB 的熱膨脹以及 MLCC 的端接與安裝作法之間若有差異，就會導致焊接失效，尤其是在多次循環之後。

Vishay 開發了一種聚合物端接系統，具有延伸的彎曲能力，可吸收電路板撓曲應力以及熱脹冷縮產生的應力，因此這種端接方法更適合溫度變化的環境。

為了展現這種端接技術在熱波動期間的穩定效能，採用的熱循環測試會依循 AEC-Q200 和 JESD22 Methods JA-104 標準，溫度循環範圍介於 -55°C 至 +125°C。但是，循環次數增加到 3000 次。

會測量並比較兩個端接電極：標準金屬電極和聚合物電極，以測試延伸彎曲能力。使用四種不同的外殼尺寸 (0603、0805、1206 和 1812)，皆採用兩種類型的焊膏端接，再以無鉛 (Pb) 焊料焊接到 PCB 上，然後放置在熱循環室中。

組裝後，會在推力測試期間測量初始剪力。在經過 1000、2000 和 3000 次熱循環時，會重複此測量作業。在每個測量階段，會備妥幾個電容的截面，以研究其衰退機制。

圖片：剪力測試的平均結果，歸一化為初始值。(圖片來源：Vishay)

資料顯示，在多達 3000 次循環下，剪力的衰退呈現線性，如上圖所示。與 MLCC 裝置和焊料相比，PCB 的膨脹和收縮長度有所不同，且主體尺寸越大時更為明顯。因此，對於這些外殼尺寸，熱波動的穩定性較低。超過 3000 次循環後，標準金屬端接的接合強度下降大約 80%，聚合物端接系統的接合強度則下降不到 50%。這是因為採用撓性聚合物端接的 MLCC 可以吸收熱循環產生的一部分應力。

0805 主體尺寸在溫度循環後的橫截面圖。(圖片來源：Vishay)

在這次測試中，使用了最常見且最環保的錫銀銅 (SAC) 焊膏。零件的橫截面評估指出，無鉛 (Pb) 焊料的填錫裂開時會出現失效模式。

結論：

MLCC 表面黏著生產組裝時所用的無鉛 (Pb) 焊料，在汽車和其他高溫應用中經常面臨的大量熱循環下，可能會裂開。聚合物端接可用來增強 MLCC 的彎曲能力，不僅可吸收應力，更可在溫度變化下，減少焊料、電容和 PCB 之間收縮／伸長的不匹配情況，進而展現出對裝置彈性的助益。

因此，對於這些應用、會面臨強烈振動或電路板彎曲應力的情況 (如 PCB 組裝和焊接過程)，以及會有劇烈和持續熱波動的其他環境，採用聚合物端接的 MLCC 會值得考慮的優異解決方案。