Quelle: stock.adobe.com - hellame 

Strenge gesetzliche Vorschriften und das wachsende Kundeninteresse an Sicherheitsanwendungen, die den Fahrer schützen und Unfälle reduzieren, treiben die Nachfrage nach Fahrerassistenzsystemen voran. Zusätzlich wird die Zuverlässigkeit immer wichtiger, um die ISO-Norm 26262 für funktionale Sicherheit in der Automobilelektronik zu erfüllen. Für Automotive-Anwendungen werden passive Bauteile benötigt, die mechanisch robust sind und sprunghaften Temperaturschwankungen standhalten können. Dazu zählen keramische Chip-Vielschichtkondensatoren (MLCCs), Induktivitäten für Entkopplungs- und Stromversorgungsschaltungen und Chip-Beads für Signal- und Stromversorgungsleitungen.

Um diese Sicherheitsanforderungen zu erfüllen, werden Bauelemente mit Kunststoffelektroden verwendet, die auch als „Soft Termination“ bezeichnet werden und zwei häufige Fehlerquellen reduzieren: Biege- und Lötrisse. Im Folgenden erläutern wir, wie sich diese Fehler durch „Soft Termination“ vermeiden lassen.

Hauptursachen für Biegerisse

Biegerisse entstehen durch eine übermäßige Durchbiegung der Leiterplatte. Das kann während des Herstellungsprozesses auftreten, z. B. durch Lötspannung aufgrund einer zu hohen Lötzinnmenge, durch Spannungen beim Entlöten oder bei der Verschraubung. Sie können auch bei der Endmontage und im Betrieb auftreten, wenn die Leiterplatte ständigen Vibrationen ausgesetzt ist.

MLCCs und Ferritbauteile sind in der Regel robust, wenn sie unter Druck stehen, aber schwächer bei Spannungen. Dieser Unterschied ist zum Teil auf die spröden Eigenschaften von Keramiken zurückzuführen. Wenn sie einer Zugbelastung ausgesetzt sind, können sie im Gegensatz zu Metallen nicht nachgeben und die Spannung abbauen. Deshalb kann ein gelötetes Bauteil leicht reißen, wenn es sich zu stark biegt.

Abbildung 1: Die wichtigsten Ursachen für Biegerisse und der Prozess des Biegens der Leiterplatte.

Vermeidung von Biegerissen

Bei der Anschlusselektrode eines herkömmlichen MLCCs ist die untere Kupferschicht (Cu) mit Nickel (Ni) und Zinn (Sn) galvanisch beschichtet. Eine leitfähige Harzschicht zwischen der Cu- und der Ni-Schicht stellt einen flexiblen  Anschluss (Soft Termination) her. Diese Harzschicht reduziert die Spannungen, die durch Ausdehnung oder Schrumpfung der Lötstellen aufgrund von Temperaturschwankungen oder Biegespannungen auf der Leiterplatte entstehen und zu Rissen im Kondensatorelement führen.

Abbildung 2: Der Unterschied zwischen einem herkömmlichen Anschluss und Soft-Termination-MLCCs.

Der Vergleich der Biegefestigkeit zeigt, dass die Rissbildung beim Standardprodukt bei etwa 4 mm Durchbiegung einsetzt. Im Gegensatz dazu treten bei Soft-Termination-Produkten selbst bei einer Biegebeanspruchung von über 10 mm keine Risse auf. Es kam zwar zum Abblättern der Nickelschicht und der leitfähigen Harzschicht, aber Risse im Keramikkörper wurden verhindert.

Wenn man noch einen Schritt weiter geht, kann die Sicherheit in Stromversorgungsleitungen von Batterien erheblich verbessert werden, indem man ein herkömmliches MLCC durch ein MLCC mit doppelter Sicherheitsfunktion ersetzt. MLCCs mit doppeltem Sicherheitsdesign bieten den höchsten Schutz vor Rissen und Kurzschlüssen. Zum einen ist das leitfähige Harz in den Anschlusselektroden geschichtet, um Risse zu verhindern. Zum anderen haben die inneren Elektroden eine spezielle Struktur, die einer Serienschaltung von zwei Kondensatoren entspricht. Durch diese Struktur wird das Risiko von Kurzschlüssen reduziert, selbst wenn ein Riss am Kondensatorelement auftritt. Da ein einziger MLCC in Serienschaltung die AEC-Q200-Sicherheitsanforderungen erfüllt und somit nicht zwei Standard-MLCCs in Reihe geschaltet werden müssen, halbieren sich die Anzahl der Bauelemente, der Platz auf der Leiterplatte und die Montagekosten.

Ähnlich wie bei herkömmlichen Induktivitäten und Chip Beads wird die Silberelektrode (Ag) auf der Unterseite mit Ni und Sn beschichtet. Durch das Auftragen einer leitfähigen Harzschicht zwischen der Ag- und der Ni-Schicht wird ein bruchfester Anschluss erreicht.

In Vergleichstests haben mehrlagige Induktivitäten und Chip Beads mit Harzelektroden eine fast doppelt so hohe Biegefestigkeit (kritische Biegung) gezeigt wie Produkte mit herkömmlichen Elektroden. Bei herkömmlichen Produkten entstehen Risse am Keramikelement bei einer Biegung von etwa 4 mm. Soft-Termination-Produkte können dagegen auch 7 mm Biegung noch standhalten.

Abbildung 3: Vergleich der Biegefestigkeit eines herkömmlichen Endprodukts und eines Soft-Termination-Produkts. Bei dem herkömmlichen Produkt traten Risse bei einer Biegung von etwa 4 mm auf. Beim Soft-Termination-Produkt traten hingegen keine Risse auf, auch nicht nach einer Biegung von 10 mm.

Hauptursachen für thermische Risse in Lötstellen

Risse in Lötstellen entstehen hauptsächlich durch thermische Ermüdung aufgrund von Temperaturschocks oder Temperaturschwankungen und/oder durch die Verwendung von bleifreiem Lötzinn, der spröder ist als bleihaltiger Lötzinn. Daher ist bei der Montage passiver Bauelemente in der Nähe von starken Wärmequellen, bei denen plötzliche Temperaturschwankungen (Temperaturschock) auftreten können, besondere Vorsicht geboten.

Wenn eine Lötstelle wiederholt thermisch belastet wird, kann der unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizient (WAK) des passiven Bauelements und der Leiterplatte zu Rissen im Lot führen. Das kann auch bei unzureichender Temperaturkontrolle während des Lötvorgangs auftreten.

Abbildung 4: Vergleich zwischen einem normalen und einem Soft-Termination-Produkt, der die Abnahme der Biegefestigkeit verdeutlicht.

Weitere Verbesserungen bei Soft-Termination-Produkten

Soft-Termination-Produkte haben eine leitfähige Harzschicht innerhalb der Anschlüsse, um die mechanische Belastung zu reduzieren. Diese Schicht verursacht jedoch einen zusätzlichen Widerstand, der sich auch auf die ESR-Charakteristik auswirkt. Um diesen Nachteil auszugleichen, hat TDK eine neue Art von Soft-Termination-Produkten eingeführt. Die MLCCs der CNA-Serie zeichnen sich durch eine breite Anschlusselektrode auf der Leiterplattenmontage-Seite aus. Die Materialbestandteile der Anschlüsse sind die gleichen wie bei herkömmlichen Soft-Termination-Produkten. Die Harzschicht wird jedoch nur in den Risikobereichen auf der Seite der Leiterplattenmontage aufgetragen. Dies sorgt für eine effektive Spannungsentlastung, da nicht der gesamte Anschlussbereich mit Harz bedeckt ist.

Fazit

Dank der verbesserten Robustheit von Soft Termination-Produkten können die Auswirkungen von Biegebelastungen und Temperaturschwankungen auf der Leiterplatte unterdrückt werden, was die Zuverlässigkeit der Verbindungen erhöht. Weitere Informationen über Soft-Termination-MLCCs von TDK  finden Sie unter C-Serie Soft Termination MLCCs – TDK | Mouser und CNA-Serie MLCCs – TDK | Mouser.