Réduire les fissures de soudure dues à la dilatation thermique dans les condensateurs MLCC

Les condensateurs céramique multicouches (MLCC) constituent la technologie de condensateur à montage en surface la plus utilisée dans le secteur de l'électronique. Au fil du temps, ils ont connu une croissance accrue en remplaçant d'autres diélectriques de condensateurs en raison de leur potentiel de capacité/tension (CV) évolutif. Certaines applications dans lesquelles ils sont utilisés, comme l'automobile (en particulier sous le capot), le forage et l'extraction, ou encore l'aérospatiale, sont exposées à des environnements thermiques qui changent rapidement. Sur ces marchés, la résistance aux cycles de chauffage et de refroidissement est très importante, car la différence entre la dilatation thermique de la carte à circuit imprimé et la méthodologie de terminaison et de montage des condensateurs MLCC peut entraîner une défaillance de la soudure, en particulier après de nombreux cycles.

Vishay a développé un système de terminaison polymère avec des capacités de courbure étendues qui lui permettent d'absorber à la fois la contrainte de flexion de la carte et la contrainte issue de la contraction et de la dilatation thermiques. Cette méthode de terminaison est ainsi mieux adaptée aux environnements qui présentent des variations de température.

Pour démontrer les performances stables de cette technologie de terminaison lors des fluctuations thermiques, un test de cycle thermique a été choisi, conformément aux normes AEC-Q200 et JESD22 méthode JA-104, avec des cycles de température de -55°C à +125°C. Toutefois, le nombre de cycles a été augmenté à 3000.

Deux électrodes de terminaison ont été mesurées et comparées : l'électrode métallique standard et la version polymérique pour une capacité de courbure étendue. Quatre types de boîtier différents — 0603, 0805, 1206 et 1812 — terminés avec les deux types de pâte et soudés sur un circuit imprimé à l'aide d'une soudure sans plomb (Pb) ont été utilisés et placés dans la chambre de thermocycle.

Après assemblage, la force de cisaillement initiale a été mesurée lors d'un test de contrainte. Cette mesure a été répétée après 1000, 2000 et 3000 cycles thermiques. Des coupes transversales de plusieurs condensateurs ont été réalisées à chaque étape des mesures afin d'étudier le mécanisme de dégradation.

Graphique : Résultats moyens du test de cisaillement, normalisés par rapport aux valeurs initiales. (Source de l'image : Vishay)

Les données ont montré que la dégradation de la force de cisaillement était linéaire jusqu'à 3000 cycles, comme illustré sur les graphiques ci-dessus. Il existe une différence quant à la longueur de dilatation et de contraction du circuit imprimé par rapport au dispositif MLCC et à la soudure, qui est plus prononcée dans les tailles de boîtier plus grandes. Par conséquent, la stabilité de la fluctuation thermique est plus faible pour ces tailles de boîtier. Au cours des 3000 cycles, la force de liaison de la terminaison métallique standard a diminué d'environ 80 %, tandis que celle du système de terminaison polymère s'est dégradée de moins de 50 %. Cela est dû au fait que les condensateurs MLCC avec terminaison polymère flexible peuvent partiellement absorber la contrainte développée par les cycles thermiques.

Coupe transversale après les cycles de température pour une taille de boîtier 0805. (Source de l'image : Vishay)

Pour ce test, la pâte à braser la plus populaire et la plus respectueuse de l'environnement a été utilisée : l'étain-argent-cuivre (SAC). L'évaluation des composants après coupe transversale a montré que la défaillance provenait d'une fissure du cordon de brasure sans plomb.

En conclusion :

Des fissures de la soudure sans plomb utilisée dans l'assemblage à montage en surface des condensateurs MLCC peuvent survenir au cours des nombreux cycles thermiques qu'impliquent souvent les applications automobiles et autres applications à température élevée. Les terminaisons polymère utilisées pour améliorer la capacité de courbure des condensateurs MLCC affichent une amélioration de la flexibilité des dispositifs en absorbant les contraintes et en réduisant le décalage de contraction/allongement entre la soudure, le condensateur et la carte à circuit imprimé en raison des variations de température.

L'utilisation de condensateurs MLCC avec ces terminaisons polymère est donc une excellente solution potentielle pour ces applications, pour celles qui impliquent de fortes vibrations ou une contrainte de flexion élevée de la carte (par exemple lors de l'assemblage et du soudage du circuit imprimé), ainsi que pour d'autres environnements qui présentent des fluctuations thermiques conséquentes et continues.