커패시터 가이드

다층 세라믹 커패시터의 스트레인 균열 메커니즘 및 예방 조치

08/28/2012

최종 수정 날짜: 07/27/2022

안녕하세요, 여러분! 이번 칼럼에서는 전자 기기에 없어서는 안 될 다층 세라믹 커패시터(이하 "칩")에 대해 설명합니다. 이번 시간에는 이러한 칩에서 발생할 수 있는 '스트레인 크랙' 현상에 대해 설명합니다.
칩을 올바르게 취급하는 한 균열은 발생하지 않습니다. 하지만 칩은 컵이나 접시와 같은 세라믹으로 만들어져 있기 때문에 과도한 기계적 힘을 받으면 균열이 발생할 수 있습니다. 따라서 스트레인 크랙이 발생하는 메커니즘을 설명하고 스트레인 크랙을 방지하는 방법을 알려드리고자 합니다.

1. 스트레인 크랙이란 무엇인가요?

먼저 그림 1을 통해 스트레인 크랙이 무엇인지 살펴봅시다. 스트레인 크랙은 변형에 의해 발생하는 균열입니다. 스트레인 크랙은 칩 외부에서는 발견하기 어렵습니다. 아래 이미지는 칩을 절단하고 절단된 표면을 연마한 사진을 보여줍니다.
외부 전극 끝에서 대각선으로 뻗은 균열을 확인할 수 있으며, 이는 변형 균열의 특징입니다.

2. 변형 균열이 발생하는 메커니즘은 무엇인가요?

이러한 종류의 균열은 땜납을 사용하여 칩을 기판에 실장하기 때문에 발생합니다. 보드에 과도한 기계적 힘이 가해지면 보드가 구부러지고 뒤틀리면서 스트레인 크랙이 발생합니다.

보드가 구부러지면 어떤 일이 일어나는지 살펴봅시다.
그림 2와 같이 보드의 윗면은 길어지고 아랫면은 압축됩니다. 이렇게 윗면이 늘어나면 구리가 오른쪽과 왼쪽으로 움직이게 됩니다.

땅이 움직이면 땜납도 움직이고 변형됩니다. 이러한 솔더 변형으로 인해 칩의 외부 전극이 움직이고 변형되어 결과적으로 인장 응력이 칩의 외부 전극 끝에 집중되며, 이 인장 응력이 칩 유전체의 강도를 초과할 때 균열이 발생합니다.

3. 스트레인 크랙의 영향은 무엇인가요?

스트레인 크랙이 아래쪽 표면의 외부 전극 끝에서 위쪽 표면의 외부 전극으로 확장되면 커패시턴스가 떨어지고 개방 회로가 형성될 수 있습니다. 또한 균열이 심하지 않더라도 균열이 내부 전극에 도달하면 솔더 플럭스의 유기물이나 수분이 균열로 인해 생긴 틈을 통해 칩 내부로 유입되어 절연 저항이 저하될 수 있습니다. 전압 부하가 높고 큰 전류가 흐르면 스트레인 크랙으로 인해 최악의 경우 단락이 발생할 수도 있습니다.

변형 균열이 있는 칩은 육안 분류나 기타 외부 검사로 제거하기 어렵기 때문에 균열을 방지하기 위해 과도한 기계적 힘이 가해지지 않도록 제어 장치를 구현하는 것이 중요합니다.

4. 스트레인 양은 얼마인가요?

변형 균열이 발생하지 않도록 제품을 만드는 제조 현장에서 과도한 기계적 힘이 가해지지 않도록 조치를 취해야 하는데, 과도한 기계적 힘이 가해지는 시점을 확인할 수 있는 좋은 방법이 있나요? 효과적인 방법 중 하나는 변형량을 측정하는 것입니다. 먼저 스트레인 양이 무엇인지 설명해 드리겠습니다.

변형률은 물체에 하중이 가해졌을 때 단위 길이당 변화하는 양을 말합니다. 이때의 신장 계수를 변형률이라고 합니다.

ε＝ΔL/L
ε: 변형량, L: 힘 가하기 전 길이, ΔL: 길이의 변화

예를 들어 길이 1000mm의 막대를 좌우로 당겨서 길이가 1001mm가 되면 변형량은 다음과 같습니다:

1mm/1000mm ＝ 0.001ST ＝ 1000μST

5. 변형 균열은 어떻게 예방할 수 있나요?

스트레인 균열을 방지하기 위해 기판 설계와 공정 제어의 두 가지 측면에서 대책을 마련합니다. 먼저 공정 제어 측면에서의 대책을 소개합니다. 공정의 변형량은 위에서 설명한 변형량을 측정하여 제어합니다. 먼저 표준 스트레인 양을 설정합니다. 작은 값을 설정하면 엄격한 제어가 가능하지만, 너무 큰 값을 설정하면 변형 균열이 발생할 수 있습니다. 인체에 영향을 줄 수 있는 제품을 제조하는 고객사는 500 μST를, 일반 소비재를 제조하는 고객사는 1000 μST를 표준값으로 사용하는 경우가 많습니다.

같은 정도의 기판 변형이 발생하더라도 기판 유형, 기판 두께 및 기타 요인에 따라 부품에 가해지는 응력이 달라집니다. 따라서 고객사가 자체적인 판단과 경험에 따라 표준을 정하고 있는 실정입니다.

다음으로 각 공정의 변형량을 측정합니다. 무라타는 과거 사고 사례를 조사하여 변형 균열이 발생하는 작업 공정의 유형을 정리했습니다. 이러한 공정을 우선적으로 제어해야 합니다.

장착 작업 및 변형 균열 가능성 — 표 1. 장착 작업 및 변형 균열 발생 가능성

설정된 기준을 초과하는 공정에 대해서는 설비 개선, 작업 개선 및 기타 시정 조치를 취하여 변형량을 억제합니다.

다음으로 디자인 측면에서의 주요 예방 조치를 소개합니다.

1. 기판 가장자리, 나사 구멍 및 커넥터로부터의 거리
적절한 거리(예: 10mm 이상)를 확보합니다.
2. 레이아웃
(일반적으로 레이아웃은 분리선과 평행해야 합니다. 칩은 다음과 같은 위치에 있어서는 안 됩니다.
보드 모서리와 보드의 구부러진 부분 등 응력이 쉽게 집중되는 곳에 위치하지 않아야 합니다.
L자형 보드)
3. 분리선 유형 선택
(슬릿이 천공보다 낫습니다.)
4. 랜드 폭
(치수 C는 칩의 W(폭) 치수보다 작아야 합니다.)

5. 패턴 레이아웃 디자인
(동박 패턴은 인쇄 회로 기판이 리플로우 납땜 중에 변형되지 않도록
리플로우 납땜 중에 변형되지 않도록 설계해야 합니다.)
6. 외부 전극에 수지가 포함된 부품 사용
(외부 전극에 수지가 포함된 부품은 높은 변형이 발생할 것으로 예상되는 위치에
수지가 포함된 부품 사용)

무라타는 일본 국내는 물론 전 세계의 스트레인 측정 및 기판 설계에 참여하여 자문을 제공하고 응력 균열 해결 방법에 관한 다양한 기술과 지식을 축적해 왔습니다.
앞으로도 고객의 문제 해결을 위해 최선을 다할 것입니다.

이 글을 읽은 후 어떤 느낌이 들었나요? 혹시
잘 이해가 되지 않는다,
스트레인 측정에 대해 더 구체적으로 알고 싶다,
보드를 설계할 때 무엇을 조사해야 하는지 더 구체적으로 알고 싶은 사람,

궁금한 점이 있으면 언제든지 이메일을 통해 문의해 주세요.