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柔性端电极MLCC技术探讨

杜一明 2019-07-05 2618 0

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随着5G、工业物联网、车联网等技术的不断地发展,新一轮的科技浪潮已经来临,物联网终端设备将迎来巨大的新增需求,但同时也对电子元件的耐高温性、抗震性、柔韧性等性能提出了更高的要求。MLCC是下游电子元件中应用最为广泛的被动元件之一,柔性端电极MLCC的研发及应用拥有着巨大的商用价值。

摘要:随着5G、工业物联网、车联网等技术的不断地发展,新一轮的科技浪潮已经来临,物联网终端设备将迎来巨大的新增需求,但同时也对电子元件的耐高温性、抗震性、柔韧性等性能提出了更高的要求。MLCC是下游电子元件中应用最为广泛的被动元件之一,柔性端电极MLCC的研发及应用拥有着巨大的商用价值。

我国MLCC行业目前处在寡头垄断阶段,广东风华高新科技股份有限公司作为国内MLCC行业的龙头制造商之一,为了获得高抗弯曲性、高抗拉性、高可靠性的多层片式陶瓷电容器MLCC,在2018年的时候采用银、环氧树脂、聚乙烯醇缩丁醛树脂以及无水乙醇等原材料制备出柔性端电极浆料,并结合特定的固化工艺和表面处理技术制作出了柔性端电极MLCC,填补了国内的技术空白。

传统的贴片式MLCC可靠性差

如图1所示,多层片式陶瓷电容器的两端电极通过锡焊技术焊接在印刷线路板PCB上,从而形成一个整体。当PCB板所处工作环境比较恶劣时,容易发生变形,比如应用在汽车、工业设备上时,PCB板容易因外部环境的改变而发生弯曲和震荡,或者在极高、极冷的环境下产生比较大的热胀冷缩,这样的话应力就会从PCB板传导到贴片式陶瓷电容器的两端,从而造成MLCC中绝缘介质陶瓷片的断裂,引发整个电路的瘫痪,严重时还会熔毁。

 

1 多层片式陶瓷电容器固定于PCB板

(资料来源:公开资料整理)

以往的贴片式陶瓷电容器,无论是中间的绝缘介质陶瓷片还是贴片两端均不具有柔韧性,抗震性与抗拉性较差,不能适应复杂多变的工作环境,所以在2018年的时候风华研发出了一种柔性端电极MLCC,经过改良后的柔性端贴片电容器的下弯强度由原来的>1mm以上提升到>3mm以上;可承受3000次以上的冷热冲击试验,柔性端电极的出现大幅度提升了电容器自身的抗弯曲能力。

新型柔性端电极MLCC诞生

2018年,风华研制出了柔性端电极MLCC,改变了传统贴片式MLCC两端电极的无弹性,使得MLCC两端电极变的具有柔韧性,这样就相当于在多层片式陶瓷电容器两端安装上了“弹簧”,电容器整体的抗震性和抗拉性大大提高。

柔性端电极MLCC的制作工艺难点在于寻找到一种既能够导电,又具有柔韧性的材料作为多层片式陶瓷电容器的柔性电极,并且能够很好的涂覆在已封端的铜层上。而导电环氧树脂具有导电性以及柔韧性,完全满足上述条件。经过多次实验,导电环氧树脂浆料即固化后树脂层的最优组分确定如下:50%~70%的银(质量占比,下同)、10%~30%的环氧树脂、10%~20%的聚乙烯醇缩丁醛树脂以及5%~10%的无水乙醇。

 

2 柔性端电极MLCC整体构造

(资料来源:公开资料整理)

制作工艺难点:柔性端的固化和表面处理

柔性端电极MLCC整体制作工艺流程如下:

封端铜/银端浆→烧端铜/银端浆→封端涂覆柔性电极浆料→固化柔性端电极浆料→对树脂层表面处理→镀镍→镀锡→测试。

综观整个柔性端电极MLCC的制作流程,技术难点主要集中在两个方面:首先是柔性端的固化,将已经确定适合成分的导电环氧树脂浆料完整固化在封端铜层上面;其次是固化后树脂层的表面处理,防止镀镍层、锡层时电解液渗透树脂层,造成电容器的损坏。

1 不同固化温度以及时间柔性MLCC的电性能测试结果

                (资料来源:广东风华高新科技股份有限公司)

由于已封端的铜层极易被氧化,导电性会变差,所以在涂抹导电环氧树脂浆料的时候需要完全包裹住封端铜层,之后通过烘干技术将电极浆料牢牢固化在封端铜层上面。在电极浆料固化过程中,温度过低会导致固化后形成的柔性树脂层疏松,甚至还有电解液的存在,这样会严重影响电容器的电性能。所以为了寻找电极浆液固化的适合温度,在不同烘烤温度以及时间下对制作出的柔性电极进行电性能测试。

结果如表1所示,固化温度在250度以下时,不论固化时间多少,固化后形成的柔性树脂层的电性能测试均未出现100%合格的现象;固化温度在250度时,烘烤时间≥30分钟才会100%合格;固化温度在250度以上时,均未出现异常现象。从实验结果也能看出,固化温度越高,固化时间越长,固化后形成柔性树脂层的合格率越高。

2 各样品在不同PCB板的弯曲高度下的测试结果

                         (资料来源:广东风华高新科技股份有限公司)

导电环氧树脂浆料固化后形成树脂层的主要特性就是抗压性和抗拉性,将在不同固化温度以及固化时间下得到的样品固定在PCB板上,然后对PCB板施加恒力使其弯曲不同程度,以用户要求范围内的容量变化率为范围,得到表2的实验结果:固化温度在210度时,PCB板稍微发生弯折,电容器的容量变化就会超出用户的适用范围,随着固化温度的逐渐提高以及固化时间的逐渐拉长,电容器能承受PCB板更大的弯折程度,当烘烤温度在290度,烘烤时间在50分钟时,电容器样本能够承受PCB板3mm以上的弯折。

3 各样品经过表面处理之后的电性能及可靠性结果

                            (资料来源:广东风华高新科技股份有限公司)

烘干固化后含有树脂层的芯片需要再电镀上镍和锡,从而构成具有承受形变应力的柔性端头,为了防止电镀液渗透进树脂层,需要对树脂层进行表面处理,常用的技术手段包括抽真空以及填充两种,目的都是为了使得树脂层的质地更加紧密,防止电镀液的渗透。通过表3的对照试验结果可以看出,经过抽真空及填充处理之后的树脂层,不会有电镀液的渗透,从而能够适应PCB板更大程度的弯折,并且在焊接的时候爆端头的概率大大下降。

结语

近两年村田、TDK、三星电机等国际一线MLCC制造商相继宣布,将战略重心移向能适应复杂环境的、可靠性更强的柔性MLCC的研发,我们也应该顺应时代的发展,积极参与进来,早一步将柔性MLCC的制造技术及制造工艺推向成熟 ,就能早一步抢占国际市场份额。

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