减少热膨胀导致的 MLCC 焊接裂纹

多层陶瓷片式电容器 (MLCC) 是电子行业应用最为广泛的表面贴装电容器，随着时间的推移，由于其电容/电压 (CV) 能力的不断提升，MLCC 取代了其他电容器介质，从而获得了更大的发展。其在某些应用领域，如汽车（特别是引擎盖下应用）、钻探和采矿以及航空航天领域，正在经历着快速变化的热环境。在这些领域，承受冷热循环的能力是一项非常重要的要求，因为 PCB 的热膨胀与 MLCC 的端接和安装方法之间的差异会导致焊接故障，尤其是在多次循环之后。

Vishay 开发了一种具有扩展弯曲能力的聚合物端接系统，能够吸收电路板弯曲应力和热胀冷缩应力，从而使这种端接方法更适合温度变化较大的环境。

为了展示这种端接技术在热波动期间的稳定性，我们选择了一种热循环测试，这种测试遵循 AEC-Q200 和 JESD22 JA-104 方法标准，温度循环范围为 -55 °C 至 +125 °C。不过，循环次数增加到 3000 次。

我们测试并比较了两种端接电极：标准金属电极和实现扩展弯曲能力的聚合物电极。我们使用了四种不同尺寸的外壳：0603、0805、1206 和 1812，并将其放入热循环室。这四种外壳同时使用以上两种焊料进行端接，并使用无铅焊料焊接到印刷电路板上。

组装完成后，进行挤压测试并测得初始剪切力。经过 1000、2000 和 3000 次热循环后，重复测试。在每个测试阶段都准备了多个电容器的剖面，以研究衰减机制。

图：剪切测试的平均结果，按初始值归一化。（图片来源：Vishay）

如上图所示，数据显示剪切力衰减在 3000 次循环内是线性的。与 MLCC 器件和焊料相比，PCB 的膨胀和收缩长度存在差异，这种差异在本体尺寸较大时更为明显。因此，这种外壳尺寸的热波动稳定性较低。在 3000 次循环内，标准金属端接的粘接强度下降了约 80%，而聚合物端接系统的下降幅度不到 50%。这是因为采用柔性聚合物端接的 MLCC 可以部分吸收热循环产生的应力。

温度循环后的剖面图，0805 本体尺寸。（图片来源：Vishay）

在这项测试中，我们使用了最常用、最环保的锡银铜 (SAC) 焊膏。对剖切零件的评估表明，失效模式就是无铅焊料圆角开裂。

结论：

在汽车和其他高温应用中，MLCC 表面贴装生产装配中使用的无铅焊料可能会在数次热循环过程中出现裂纹。用于增强 MLCC 弯曲能力的聚合物端接可吸收应力，减少温度变化造成的焊料、电容器和印刷电路板之间收缩/伸长的不匹配，从而提高了器件的柔性。

因此，对于上述应用以及涉及高振动或电路板挠曲应力（例如：在 PCB 组装和焊接过程中）的应用，以及对于其他具有严重和持续热波动的环境，使用采用这种聚合物端接的 MLCC 是一种极佳的潜在方案。