Немагнитные конденсаторы с медным барьерным слоем вызвали интерес на медицинском рынке

Быстрое развитие технологий в медицинской электронике создает спрос на широкий ряд пассивных электронных компонентов, в частности, конденсаторов, для применения во все возрастающем числе разнообразного медицинского оборудования.

Медный барьерный слой показал отличную устойчивость к выщелачиванию во время теста.

Две параллельные тенденции подстегивают спрос на компоненты, в связи с возрастающими потребностями в таком оборудовании, как в развитых так и в развивающихся странах. Во-первых, преобладание все меньших по размерам и недорогих электронных компонентов способствует проектированию приемлемого по стоимости, портативного медицинского оборудования. Во-вторых, быстрое развитие беспроводной инфраструктуры во всем мире помогает быстрому внедрению недорогого, портативного медицинского оборудования телеметрии.

Системы передачи изображений представляют наибольший и наиболее активный сегмент отрасли медицинской электроники. Среди широкого круга разрабатываемых устройств передачи изображений, одними из наиболее важных являются магнито-резонансные сканеры (МРТ, магнито-резонансная томография). Оборудование МРТ использует мощное магнитное поле для создания изображения, позволяющего врачу увидеть ситуацию внутри мозга, сердца, легких, суставов и других органов. Магнитное поле в туннеле сканера МРТ должно быть однородным до миллионных долей. Разрешающая способность сканера зависит от силы магнитного поля. Сила поля может быть непреднамеренно увеличена не только магнитными компонентами внутри туннеля сканера, но и вспомогательным оборудованием. По этим соображениям, обязательным требованием к компонентам, таким как конденсаторы, как внутри сканера МРТ, так и в его окружении, является их немагнитность.

Многослойные керамические конденсаторы (MLCC) для поверхностного монтажа, широко используемые в электронной промышленности, как правило, поставляются с никелевым барьерным слоем. Он состоит из базового серебряного слоя покрытого никелем, который обеспечивает припою стойкость к выщелачиванию. Верхний слой покрытия из чистого олова или оловянно-свинцового сплава используется для защиты никеля от окисления и обеспечивает хорошо паяемую поверхность.

Верхний ряд надписей: внешний слой олова, керамический диэлектрик, материал контактных площадок. Нижний ряд: промежуточный слой никеля, слой серебра, металлические электроды.

Однако никель имеет магнитные свойства, что делает его непригодным в устройствах сканера МРТ. Из-за большой силы поля, используемой в этом виде оборудования, становится критичным выбор диэлектрического материала (в данном случае керамики), в связи с тем, что он может содержать незначительные следы магнитных материалов (Ni, Fe и др.). Обычно, такие незначительные остатки рассматриваются как несущественные, но не в таких условиях предельной чувствительности.

Альтернативы никелю

Ранее, в различных сегментах промышленности бывали ситуации, когда никель был неприемлем. Тогда, часто используемой альтернативой были немагнитные «обожженные» контактные площадки из серебра и палладия (Ag/Pd). Однако, сопротивление выщелачиванию припоя у этого типа площадок ниже чем у никелевого. Поэтому, в этом случае, требовалось применение припоев с низкой температурой плавления, обычно на основе свинца легированного небольшим количеством серебра, чтобы препятствовать выщелачиванию серебра из площадки. Широко применяемым паяльным сплавом является 62%Sn36%Pb2%Ag, известный как припой 62s или LMP.

Конденсатор с Pd/Ag контактами показал большое выщелачивание после аналогичного паяльного теста.

Однако, в последнее время, с введением в действие директивы ЕС 2002/95/EC «Ограничения использования опасных веществ» (директива RoHS), применение некоторых материалов в электрических и электронных изделиях было запрещено, за исключением некоторых особых случаев. Свинец (Pb) возглавляет список, что затронуло широкий круг конструкторов и производителей электроники, требуя полного переосмысливания использования свинца в паяльных сплавах. Вся продукция, поставляемая на рынок ЕС после 1 июля 2006 г. должна быть совместимой с «директивой RoHS».

Отказ от свинца в припоях, применяемых для сборки электрического и электронного оборудования, привел к переходу на паяльные сплавы на основе олова. Они имеют более высокие температуры плавления – обычный оловянно-свинцовый припой имеет температуру плавления 179ºС, в то время как температура плавления типичных бессвинцовых припоев превышает 217ºС. Важно отметить, что чем выше процент олова в припое, тем больше вероятность выщелачивания серебра из выводов конденсатора.

Было довольно быстро обнаружено, что легирование бессвинцового паяльного сплава малым количеством серебра не предотвращает выщелачивание так, как это происходит с оловянно-свинцовыми сплавами.

Немагнитное решение

Чтобы удовлетворить потребности растущего медицинского рынка на немагнитные компоненты, а также обеспечить соответствие с директивой RoHS , британский производитель конденсаторов Syfer разработал «немагнитный» ассортимент многослойных керамических конденсаторов (MLCC).

Компоненты построены с использованием специальных немагнитных диэлектриков C0G/NP0, High Q и X7R, и немагнитным «медным барьерным слоем» с гальваническим покрытием. Ключевым моментом в процессе разработки продукции было обеспечение требований к покрытию по способности выдерживать высокие температуры плавления (260ºС), как это обозначено в IPC 7351A (стандарт конструирования печатных узлов с руководством по бессвинцовым процессам пайки, а также требования к циклам и профилям плавления) и J-STD-020 (стандарт по чувствительным к влажности/плавлению компонентам поверхностного монтажа, подходящих для бессвинцовой/высокотемпературной установки).

Для увеличения нажмите на картинку

Прежние исследовательские работы были направлены на составление спецификации, и с этой целью свойства защиты от выщелачивания изделий с никелевым барьерным слоем были использованы в качестве минимально допустимого стандарта. Задачей для новых компонентов с медным барьерным слоем стало, как минимум, достичь таких же показателей.

Медный барьерный слой после паяльного теста показал отличную устойчивость к выщелачиванию.

Поперечное сечение компонента с медным барьерным слоем. Сверху вниз: оловянное покрытие, медный барьерный слой, базовый слой серебра.

Во время разработки процесса нанесения покрытия, компания Syfer экспериментировала с медными конструкциями многих производителей. Перед окончательным выбором оптимального метода покрытия были испробованы как кислотные так и щелочные методы покрытий. Было важно, чтобы материал был полностью совместимым с диэлектриком и основной контактной площадкой, и обеспечивал стабильную основу покрытия для обеспечения надежности компонента.

Штамп «одобрено»

Компания Syfer тесно сотрудничала со многими ключевыми заказчиками в сегменте медицинского оборудования. Несколько заказчиков включили в свои спецификации компоненты с немагнитным медным барьерным слоем и сообщили о полностью успешном их применении! Теперь они производят закупку крупных партий этой продукции. Компоненты получили полное одобрение и были заказаны в промышленных объемах с широким перечнем размеров и емкостей.

Пределы развития

Философия компании Syfer заключается в непрерывной разработке продукции и инновациях. В результате этого, применение медного барьерного покрытия постоянно расширяется. Уже доступны многослойные керамические конденсаторы для поверхностного монтажа с диэлектриками C0G/NP0, High Q и X7R. С этими диэлектриками предлагаются компоненты с диапазоном емкостей от 0,1пФ до 15нФ (от 50В до 3кВ). Конденсаторы X7R имеют также диапазон от 47пФ до 6,8мкФ (от 16В до 2кВ).

Среди новых версий с диэлектриком X7R, имеются конденсаторы с применением в стандартной версии уникальных полимерных контактных площадок FlexiCap™. FlexiCap™ – это проприетарный материал из гибкого эпоксидного полимера, используемый в компонентах под покрытием барьерного слоя. Он может обеспечить почти вдвое больший угол сгибания платы, чем с обычными конденсаторами, и делает их более стойкими к повреждениям на предельных ударных и тепловых режимах.

Компоненты с медным барьерным слоем выпускаются в корпусах с размерами от 0402 до 2225, в зависимости от емкости. Рабочий диапазон температур составляет от –55 до 125ºС, в высшей степени соответствующими для медицинского оборудования и других применений, требующих использования немагнитных многослойных конденсаторов для поверхностного монтажа.

Об авторе
Дэйв Беккетт (Dave Beckett) – менеджер по технологии и конструированию в Syfer Technology – www.syfer.com.

Источник: EE Times Europe

Альтернативы никелю

Немагнитное решение

Штамп «одобрено»

Пределы развития

Оставьте отзывОтмена