关于面向汽车的提高耐电路板弯曲性的多层陶瓷电容器

前言

近年来的汽车市场对于高效率、低耗油化以及改善耐环境性能和安全性能越来越重视，同时电子设备的安装率也在提高。另外，与此同时还要保证车内的空间、车体的轻量化，因此安装的电子设备不得不具备小型化的特征，而安装的电路板也必须小型化。

另一方面，直接连接到电源的平滑用途、噪声去除用途的多层陶瓷电容器(MLCC)为了对应故障安全而并列配置2个的case很常见。主要是在电路板安装后的电路板的处理场合，机械应力等会对MLCC产生裂纹，而这种裂纹很可能导致在通电时发生燃烧的最坏后果。为了避免这种后果，对策就是通过并列配置2个MLCC，即使1个MLCC由于机械应力产生了裂纹，电池也不会受到冲击。但是，由于电子设备的小型化需求，削减元件个数也很必要。

如果使用改善后的耐电路板弯曲性MLCC（图1的GCJ系列、KCM/KC3系列）的话，该系列致力于裂纹偏转，能够用1个MLCC将2个并列连接的MLCC替换。本章，将介绍改善后的耐电路板弯曲性的这2个系列。

   
                GCJ系列                                          KCM/KC3系列
图1：车载用树脂电极多层陶瓷电容器（GCJ系列）和带金属端子多层陶瓷电容器（KCM/KC3系列）

GCJ、KCM/KC3系列改善电路板的裂纹偏转

2端子的MLCC由于受到了过度的机械应力会导致像图2的裂纹。外部电极的折叠电极前端部分受到电路板集中的偏转应力，从这里开始向MLCC发生产生裂纹。为了设计出不让这种电路板的偏转应力对MLCC产生影响的产品，改善后的耐电路板弯曲性的GCJ、KCM/KC3系列应运而生。

GCJ系列和KCM/KC3系列的构造图如图3所示。GCJ系列，其外部电极的基极电极和电镀镍/锡电极中间有一层树脂电极。由于树脂的弹性吸收了电路板的偏转应力，并且，树脂外部电极相对减弱了裂纹对陶瓷造成的破坏力，可以缓和电路板的偏转应力。

KCM/KC3系列，在MLCC上使用了金属端子电极作为接合材料（无铅高温焊接），使构造相对容易接合，将金属端子作为媒介与电路板接合。由于这种端子电极的弹性作用，缓和了来自于电路板的应力，确保了高可靠性。更重要的是，它将2个电容器重叠起来，相对于等容量的电容器2个并列排列的电路来说减少了实装空间。


图2：一般性的MLCC的电路板偏转应力（横截面照片）


GCJ系列构造图


KCM/KC3系列构造图
图3：GCJ、KCM/KC3系列的构造图

针对电路板偏转应力的评价，如图所示是耐电路板弯曲性的实验。

实验电路板：环氧玻璃电路板（FR-4、1.6mm厚度）
偏转速度：1mm/秒
实验样本个数：10个


图4：耐电路板弯曲性实验的模式图

根据这个评价结果，于一般用2端子的MLCC（GCM系列）的残存率的比较如图5所示。

GCJ、KCM/KC3系列，电路板的偏转量在6mm的时候也看不见对陶瓷部分的破坏，于GCM系列相比耐电路板弯曲性有了飞速的改善。
   

GCJ系列


KCM/KC3系列
图5：GCJ、KCM/KC3系列的耐电路板弯曲性实验结果
   
     
                          GCJ系列                   KCM/KC3系列
图6：耐电路板弯曲性后的横截面照片

此外，KCM/KC3系列除了电路板的偏转应力，由于热机械应力，有可能达到改善焊接裂缝的产品。图7中表示的是KCM/KC3系列的温度循环后的横截面图片。

GCM系列的话，在1000°温度循环的情况下会发生焊接裂缝，而KCM/KC3系列的话即使在2000°温度循环的时候也看不见焊接裂缝，可见对于热应力可确保高可靠性。


   
实验温度：-55～+125℃、放置时间：各5分、使用电路板：环氧玻璃纤维电路板（FR-4）
图7：热应力引起的焊料裂缝比较

产品一览

GCJ系列、KCM/KC3系列的125°C对应产品一览如图8所示。

GCJ系列1608-5750尺寸、6.3V-1,000V正在商品化。此外，这里没有表示出的150°C高温环境下使用的产品也在商品化中。

KCM/KC3系列5750尺寸、25-630V正在商品化中，包括一级产品、二级产品。DC-DC变流器的噪声去除、平滑用途等可用于各种广泛的用途。


GCJ 系列


KCM系列


KC3系列
图8：GCJ、KCM/KC3系列的产品一览