제7장2절 MLCC 실장상의 주의점

1. MLCC의 특징

최근, ESR이나 ESL 등의 전기적 성능이 높고 열, 화학적으로 안정하며 높은 신뢰성을 갖는 특징으로 인해  전기 회로에서의 콘덴서로서의 MLCC가 채용되는 경우가 많다. 또한, 회로의 고밀도화, 고집적화가 용이하게 할 수 있다는 이유에서, 소형 대용량 MLCC 수요는 급격하게 증가하고 있다. 그러나, MLCC 소재는 세라믹 자기이며 기계적 또는 열적 충격에 약하다는 특징을 갖는다. 급격한 응력에 대하여, 변형되지 않고 그대로 깨짐이 진행되어 파괴에 이르는, 이른바 취성 파괴가 일어나기 쉽다. 따라서, 기판 위에 실장하여 사용하는 경우에는 충분한 주의가 필요하다.

 

2.MLCC기판 실장시의 응력

표 1 및 그림 1은, 기판에 실장하는 공정에서 MLCC의 기계적 충격 크랙의 원인에 대하여 열거한 것이다. 여기서, 마운터의 노즐 흡수 및 장착시의 충격은, 마운터 업체 개발 노력에 따라 상당히 미세하게 제어할 수 있게 되었으며, 설정 미스가 없는 한 문제가 되는 일은 거의 없다. 발생하는 실장 문제의 대부분은, MLCC를 실장한 후의 기판 휨에 의한 응력이다. MLCC의 기판 랜드 측 단자 전극 내측에서 MLCC의 단면 방향으로의 크랙이 뻣어 나아가는 것이 특징이다.

2.1 휨 응력

그림 2는 기판이 휨 변형된 때의 MLCC에 발생하는 내부 응력에 대하여, 유한 요소법 시뮬레이션을 사용하여 표현한 것이다. 이 해석 결과로도 기판 랜드 측의 단자 전극 내측이 최대 응력이 되어, 크랙의 기원이 된다는 것을 알 수 있다.

2.2 기판 휨

일반적으로 기판을 휘게 하는 경우에 기판 중앙 부에 발생하는 휨 ε은, 양단의 거리를 ℓ, 변위량이 y일 경우, 식 (1)과 같다.

 

                                      ε: 기판 표면의 휨,   t: 기판 두께,   y: 기판 변위,   ℓ,:  지점간 거리

 

 

식 1은, 동일한 재질의 기판밖에 적용할 수 없지만, 기판의 두께나 크기, MLCC를 실장하는 위치 등에 의해 변형이 변화하는 것을 알 수 있다. 일반적인 기판 실장에서의 실장 조건이 크랙 리스크 (응력)에 미치는 영향에 대하여 표2에 정리하였다. 각각의 인자을 고려한 후의 기판 상의 MLCC 레이아웃을 정하면 더욱 안전하다.

2.3 MLCC 케이스 사이즈에 따른 영향

 

그림 3, 4는 그림 2와 동일한 유한 요소법을 통한 MLCC 내부 응력 시뮬레이션을 행하여, MLCC 케이스 사이즈에 대응하여 내부 응력이 어느 정도 변화하는가를 예측한 결과이다. 그림3이 해석에 사용한 3차원 모델, 그림4가 일반적인 MLCC 케이스 사이즈와 랜드 사이즈로 응력 해석한 결과이다.

 

시뮬레이션 결과에 따르면, MLCC의 케이스 사이즈가 작아지면 MLCC 내부 응력이 작아지게 된다. 이 결과는 시장에서 지적되는 MLCC의 크랙 불량이, 1005 사이즈보다 0603 사이즈에서 더 적은 상황과 일치하는 결과이다. 그러나, MLCC 케이스 사이즈와 거의 같은 랜드 사이즈를 사용하여 동일 시뮬레이션 해석을 진행하면, MLCC 케이스 사이즈가 작아질수록 내부 응력이 증대한다는 반대의 경향이 얻어진다. 추후, 협피치 실장을 진행하는 디바이스가 늘어가는 상황에서는 실장 불량에 주의가 필요할 것이다.

 

3. MLCC의 열충격 크랙

 

MLCC의 실장 시, 휨 변형에 의한 구부러짐과 함께 열 충격에 의한 크랙에도 주의가 필요하다. 일반적으로 MLCC의 소재인 세라믹 자기와 비교하여 기판이나 랜드 및 배선 라인에 사용되는 금속에서는 선팽창 계수가  다르기 때문에, 땜납 고정 단에서 휨 변형과 동일한 MLCC 내부 응력이 발생한다. 또한, 세라믹 자기 자체가 열 충격에 약하므로, 급격한 온도 변화를 가하면 크랙이 발생하는 리스크가 있다. 리플로 솔더링의 프로파일이나 땜납인두를 사용하는 작업 시에는 예열에 충분히 신경을 써야 한다. MLCC 업체에 문의하는 등, 안전한 작업에 유의할 필요가 있다. 그림5에 MLCC 업체 추천 리플로 프로파일의 예를 나타내었다. 일반적으로는 150℃ 이상의 온도에서 충분한 예열을 함으로써 안전성을 높일 수 있다. 또한, 인두 작업에서는  직접 MLCC에 인두 끝을 닿게 하지 않는 등의 주의를 하면, 열 충격 크랙의 리스크를 저감할 수 있다.