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In modernen Kraftfahrzeugen befinden sich mehr als tausend MLCCs. Diese Keramik-Vielschicht-Chip-Kondensatoren sind für ihre Langlebigkeit und hohe Zuverlässigkeit bekannt. Eine große Herausforderung an diese Bauelemente stellt

Info: Probleme durch bleifreies Lot

Herkömmliches Lot, eine Legierung aus Zinn und Blei, hat einen niedrigen Schmelzpunkt, ist preiswert und einfach zu verarbeiten. Andererseits ist es auch ein gefährlicher Umweltschadstoff. Aus diesem Grund kommen mittlerweile bleifreie Lotlegierungen zum Einsatz, die aus Zinn, Silber und Kupfer bestehen. Das derzeit erhältliche bleifreie Lot weist jedoch ein höheres Elastizitätsmodul als herkömmliches Lot auf, wodurch es härter und poröser wird und somit stärker von Ausdehnungen und Kontraktionen betroffen ist. Wenn also die Leiterplatte, auf der die Chipkomponenten verbaut sind, einer durch Verdrehung oder Verbiegung hervorgerufenen Biegebelastung ausgesetzt wird, kann die Lötverbindung Schaden nehmen, und es können Risse auftreten.
Ein anderer durch bleifreies Lot hervorgerufener Schaden ist das Entstehen mikroskopisch kleiner Vertiefungen (Kirkendall-Löcher), die wiederum die Haftfestigkeit beeinträchtigen. Werden zwei unterschiedliche, eng aneinanderliegende Metalle erhitzt, tritt eine atomare Diffusion ein. Diese Wirkung ist als Kirkendall-Effekt bekannt. Da die Diffusionsgeschwindigkeit von der Atomart abhängt, können wiederholte Temperaturzyklen die Bildung von Löchern verursachen, die wiederum zu Rissen im Lot führen.
Die Temperatur im Motorraum eines Autos erreicht unter normalen Bedingungen 100 °C und mehr. Die bestückten Leiterplatten, die sich unter diesen Einflüssen abwechselnd ausdehnen und zusammenziehen, werden somit einer Biegebelastung ausgesetzt, die zu Löchern und Rissen in Lötverbindungen führen und dadurch deren Zuverlässigkeit beeinträchtigen kann.

die Betriebsumgebung in der Automobil-Elektronik dar, die einen großen Temperaturbereich von –40 °C bis +125 °C, in manchen Anwendungen sogar bis+ 150 °C fordert. Auch Stöße, Vibrationen sowie andere Faktoren können sich negativ auf die Lötstellen auswirken. Die zunehmende Verwendung von bleifreiem Lot, das weniger elastisch als herkömmliches Lot ist, führt darüber hinaus zu härteren und brüchigeren Lötstellen.

Bild 1: Nach einer Thermoschockprüfung (Temperaturzyklustest) von -55 auf  125 °C mit bleifreiem Lot (96,5 Sn / 3,0 Ag / 0,5 Cu) zeigen sich die Unterschiede in der Bindungsfestigkeit zwischen herkömmlichen MLCCs und MLCCs mit elastischen Anschlüssen. Ein

Bild 1: Nach einer Thermoschockprüfung (Temperaturzyklustest) von -55 auf +125 °C mit bleifreiem Lot (96,5 Sn / 3,0 Ag / 0,5 Cu) zeigen sich die Unterschiede in der Bindungsfestigkeit zwischen herkömmlichen MLCCs und MLCCs mit elastischen Anschlüssen. EinEPCOS

Somit können sich Risse an den Lötstellen bilden, wenn die Leiterplatte durch einen thermischen Schock oder mechanische Einwirkungen verbogen wird. Eine Verbesserung der physikalischen Eigenschaften des bleifreien Lots oder eine Verkleinerung der Bauelemente könnte eine höhere Zuverlässigkeit der Lötstellen erzielen. Allerdings sind dies keine grundsätzlichen Lösungen des Problems. Daher hat TDK-EPC MLCCs mit elastischen Anschlüssen entwickelt, mit denen sich die Biegebelastung der Leiterplatte abfangen lässt. Die MLCCs enthalten eine Elektrodenschicht aus leitendem Kunstharz, die zwischen der Kupferlage und der Vernickelung der Anschlusselektrode aufgetragen wird. Biegebelastungen der Leiterplatte, die durch Faktoren wie hohe Temperaturen und Stöße hervorgerufen werden, sollen durch diese Schicht mit Kunstharz abgefangen und gedämpft und somit die Rissbildung an Lötstellen unterbunden werden. Die leitfähige elastische Schicht besteht aus Epoxid oder anderen Kunstharzen, die mit elektrisch leitenden Partikeln (beispielsweise Silber) gefüllt sind.

Hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber Thermoschocks

Die Japanese Industrial Standards (JIS) geben verschiedene Prüfmethoden für MLCCs vor, die auf Leiterplatten verlötet werden, um deren thermische und mechanische Widerstandsfähigkeit zu ermitteln. In einer im Motorraum eines Autos verbauten elektronischen Steuereinheit können Schwingungen, Stöße und Biegekräfte auf die Leiterplatten einwirken. Zudem erhöhen die mit Thermoschocks und Temperaturzyklen verbundenen Ausdehnungen und Kontraktionen das Risiko der Rissbildung. In Bild 1 sind die Ergebnisse der Thermoschockprüfung (3000 Zyklen) bei einem Temperaturzyklus von –55 °C bis +125 °C dargestellt. Während die Haftfestigkeit eines herkömmlichen MLCC um 90 Prozent abnimmt,

Bild 2: Bei Anschlüssen mit leitfähigem Kunstharz liegt die leitfähige Kunstharzschicht zwischen der Kupferelektrode und der Nickelsperrschicht. Sie absorbiert mechanische Stöße und thermische Ausdehnungen.

Bild 2: Bei Anschlüssen mit leitfähigem Kunstharz liegt die leitfähige Kunstharzschicht zwischen der Kupferelektrode und der Nickelsperrschicht. Sie absorbiert mechanische Stöße und thermische Ausdehnungen.EPCOS

sinkt die eines MLCC mit leitfähigen Kunstharzanschlüssen um nur 50 Prozent. Herkömmliche MLCCs weisen Risse im Lot auf, ein MLCC mit weichen Anschlüssen aus leitfähigem Kunstharz hingegen zeigt lediglich eine teilweise Ablösung der Vernickelung von den leitfähigen Kunstharzschichten.

Biegebeanspruchung

Ein Biegeversuch der Leiterplatte lässt ähnliche Ergebnisse erkennen (Bild 3). Der herkömmliche MLCC weist bei einer Durchbiegung von 4 mm bereits einen Riss am Keramikelement auf, wohingegen der MLCC mit elastischen Anschlüssen

Bild 3: Bei einem Biegeversuch der Leiterplatte widerstehen die elastischen Anschlüsse der TDK-MLCCs Durchbiegungen von 8 mm; das entspricht dem Doppelten herkömmlicher MLCCs.

Bild 3: Bei einem Biegeversuch der Leiterplatte widerstehen die elastischen Anschlüsse der TDK-MLCCs Durchbiegungen von 8 mm; das entspricht dem Doppelten herkömmlicher MLCCs.EPCOS

mehr als der doppelten Durchbiegung standhält. Tritt darüber hinaus eine überhöhte Zugkraft auf, so bildet sich ein Riss am Keramikelement des herkömmlichen MLCC, während der MLCC mit elastischen Anschlüssen nur eine Ablösung der Nickelschicht von der leitfähigen Kunstharzschicht, aber keinen Riss aufweist.

Verhinderung von Rissen am MLCC

Risse am Kondensatorelement selbst sind in der Regel ein schwerwiegenderes Problem als Risse an der Lötstelle. Wird durch den Riss die interne Elektrode zerstört, kann dies zu einem dielektrischen Durchschlag führen. Risse im

Bild 4: Ein MLCC mit elastischen Anschlüssen.

Bild 4: Ein MLCC mit elastischen Anschlüssen.EPCOS

Kondensatorelement weisen für gewöhnlich ein bestimmtes Muster auf. Ist die Anschlusselek-trode starr angelötet, wirkt die Biegebelastung konzentriert auf den Verbindungsbereich der Anschlusselektrode ein; der Riss geht normalerweise von der Spitze der Elektrode aus und pflanzt sich durch das Keramikelement fort.

Häufig verursacht eine unsachgemäße Handhabung der Leiterplatte nach der Bauteilmontage Risse am Kondensatorelement. Zur Erhöhung der Produktionseffizienz werden die Bauelemente auf der Montagelinie in einem Durchgang auf einer langen, durchgängigen Leiterplatte bestückt. Diese wird anschließend in einzelne Leiterplatten unterteilt. Werden die Leiterplatten manuell statt mit einem Spezialwerkzeug vereinzelt, kann die Biegebelastung zur Rissbildung im Kondensatorelement führen. Die neue MLCC-Technologie mit einer leitfähigen elastischen Kunstharzschicht gestattet auch die Produktion großer hochkapazitiver Kondensatoren und bietet Entwicklern mehr Design-Möglichkeiten. So sind die MLCCs mit elastischen Anschlüssen nicht nur auf Anwendungen in der Automobil-Elektronik beschränkt, sondern eignen sich auch für elektronische Geräte, die für den Einsatz im Freien bei rauen Umgebungsbedingungen vorgesehen sind. 

Das Autorenteam

: arbeitet bei der TDK-EPC-Tochter EPCOS

(av)

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