전장 기기의 안정성을 높이는 소프트 터미네이션 MLCC 제품
운전자를 보호하고 사고를 줄이는 안전 애플리케이션과 엄격한 법적 규제에 대한 관심이 높아지면서 운전자 보조 시스템에 대한 수요가 증가하고 있습니다. 또한 차량용 전장기기의 기능 안전에 대한 ISO 26262 표준을 충족하는 데 있어서 신뢰성이 점점 더 중요해지고 있습니다. 차량 애플리케이션에는 기계적으로 견고하고 급격한 온도 변화를 견딜 수 있는 수동 부품이 필요합니다. 여기에는 다층 세라믹 칩 커패시터(MLCC), 디커플링 및 전원 공급 회로를 위한 인덕터, 신호 및 전원 공급 라인용 칩 비드 등이 포함됩니다.
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이러한 안전 요구 사항을 충족하기 위해 ‘소프트 터미네이션(soft termination)’이라고도 하는, 플라스틱 전극을 가진 부품이 두 가지 일반적인 오류 원인인 구부러짐과 납땜 균열을 막는 데 사용됩니다. 본문에서는 소프트 터미네이션으로 이러한 오류를 방지할 수 있는 방법에 대해 알아보겠습니다.
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전장 기기의 안정성을 높이는 소프트 터미네이션 MLCC 제품 (출처: hellame - stock.adobe.com)
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굴곡 균열의 주요 원인
굴곡 균열(flex crack)은 회로 기판의 과도한 휨 때문에 발생합니다. 이는 제조 공정 중 과도한 납땜으로 인한 납땜 전압에 의해서나, 납땜 제거 또는 나사 조임 중 장력에 의해 생길 수 있습니다. 회로 기판에 지속적인 진동이 가해질 경우, 최종 조립 및 작동 중에도 굴곡 균열이 발생할 수 있습니다.
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MLCC와 페라이트 부품은 압력에 대해서는 견고하지만 스트레스에 대해서는 약해지는 경향이 있습니다. 여기에는 세라믹의 부서지기 쉬운 특성이 어느 정도 요인으로 작용합니다. 인장 응력을 받을 경우, 세라믹은 금속과 달리 응력을 완화할 수 없습니다. 따라서 납땜된 부품은 너무 많이 구부러지면 쉽게 깨질 수 있습니다.
그림 1. 굴곡 균열의 주요 원인과 PCB가 휘는 과정 (출처: TDK)
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굴곡 균열의 방지
기존 MLCC의 단자 전극에는 하부에 니켈(Ni)과 주석(Sn)으로 전기 도금된 구리(Cu) 층이 있습니다. 이 구리층과 니켈층 사이에 전도성 수지층이 유연한 연결(소프트 터미네이션)을 만듭니다. 이 수지층은 기판 상의 온도 변화나 구부러짐 응력으로 인한 솔더 조인트의 팽창 또는 수축에 의한 응력을 줄임으로써 커패시터 소자에 균열을 일으킵니다.
그림 2. 기존 커넥터와 소프트 터미네이션 MLCC의 차이 (출처: TDK)
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굽힘 강도를 비교한 결과, 표준 제품은 약 4mm의 휨에서 균열이 생기기 시작합니다. 반면, 소프트 터미네이션 제품은 10mm 이상의 구부림 응력을 가해도 균열이 일어나지 않습니다. 니켈층과 전도성 수지층이 벗겨지긴 했지만 세라믹 본체의 균열은 막은 것입니다.
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한 발 더 나아가 기존 MLCC를 이중 안전 MLCC로 교체하면 배터리 전원 공급 라인의 안전성을 크게 향상시킬 수 있습니다. 이중 안전 설계(dual safety design) MLCC는 균열과 단락에 대한 최고의 보호 기능을 제공합니다. 먼저, 단자 전극에 전도성 수지를 층층이 쌓아 균열을 방지합니다. 내부 전극은 두 개의 커패시터를 직렬로 연결한 특수 구조로 되어 있습니다. 이 구조는 커패시터 소자에 균열이 발생하더라도 단락의 위험을 줄입니다. 직렬로 연결된 단일 MLCC는 AEC-Q200 안전 요건을 충족하므로 두 개의 표준 MLCC를 데이지 체인으로 연결할 필요가 없습니다. 기존 인덕터 및 칩 비드와 마찬가지로 은(Ag) 전극 역시 밑면이 니켈과 주석으로 코팅되어 있습니다. 은과 니켈층 사이에 전도성 수지층을 적용하여 비산 방지(shatterproof) 연결을 구현합니다.
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비교 테스트 결과, 수지 전극을 적용한 다층 인덕터와 칩 비드는 기존 전극을 적용한 제품보다 약 2배의 굴곡 강도(임계 편향)를 나타냈습니다. 기존 제품의 경우, 세라믹 소자에서는 약 4mm 정도 구부러지면 균열이 생깁니다. 이에 반해 소프트 터미네이션 제품은 7mm까지 휨을 견딜 수 있습니다.
그림 3. 기존 최종 제품과 소프트 터미네이션 제품의 굴곡 강도 비교. 기존 제품에서는 약 4mm 휨에서 균열이 발생했습니다. 반면 소프트 터미네이션 제품은 10mm 휨에도 균열이 발생하지 않았습니다. (출처: TDK)
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솔더 조인트에서 열 균열의 주요 원인
솔더 조인트의 균열은 주로 열 충격이나 열 순환으로 인한 열 피로로 인해, 또는 납 솔더보다 더 부서지기 쉬운 무연 솔더 사용으로 인해 발생합니다. 따라서 급격한 온도 변화(온도 충격)가 발생할 수 있는 강한 열원 근처에 수동 부품을 장착할 때는 각별히 주의해야 합니다.
솔더 조인트에 반복적으로 열 스트레스가 가해지면 수동 부품과 회로 기판의 열팽창 계수(thermal expansion coefficient, CTE)가 달라져 솔더에 균열이 생길 수 있습니다. 이는 납땜 공정 중 온도 제어가 불충분한 경우에도 발생할 수 있습니다.
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그림 4. 일반 터미네이션 제품과 소프트 터미네이션 제품의 굴곡 강도 저하 비교 (출처: TDK)
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소프트 터미네이션 제품의 기타 개선 사항
소프트 터미네이션 제품은 기계적 스트레스를 줄이기 위해 단자 내부에 전도성 수지층을 포함하고 있습니다. 그러나 이 층은 추가적인 저항을 유발하여 등가직렬저항(equivalent series resistance, ESR) 특성에도 영향을 미칩니다. 이러한 단점을 보완하기 위해 TDK는 새로운 유형의 소프트 터미네이션 제품을 출시했습니다. TDK CNA 시리즈 MLCC는 PCB 실장면에 넓은 단자 전극을 가지고 있습니다. 연결부의 재료 구성 요소는 기존 소프트 터미네이션 제품과 동일합니다. 그러나 수지층은 PCB 어셈블리 측의 위험 영역에만 적용됩니다. 따라서 전체 커넥터 영역이 수지로 덮여 있지 않기 때문에 스트레스를 효과적으로 완화할 수 있습니다.
TDK 소프트 터미네이션 MLCC에 대한 자세한 내용은 C 시리즈 소프트 터미네이션 MLCC와 CNA 시리즈 MLCC를 참조하십시오.