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フィルムコンデンサの最新技術
鉛フリー対応高信頼性チップフィルムコンデンサ

はじめに

電子電気機器に鉛などの有害物質使用を禁止するRoHS指令が2006年7月より実施されることから鉛フリーへの対応が急がれている。コンデンサにおいては電極端子などの構成材料の鉛フリーが進んでいるが、基板実装時に使用されるはんだは従来より高融点であるため耐熱性の向上が求められている。
フィルムコンデンサは、許容リプル電流が大きい、過電圧耐用性が高い、容量が安定している、安全性が高い等の特長から、産業機器、自動車電装、家電製品、デジタル機器などに幅広く使われている。有機電解液や重金属を含まないフィルムコンデンサは環境負荷が少ないため、フィルムコンデンサに対する期待は大きく鉛フリーはんだへの対応が求められている。
日立エーアイシーでは、フィルムコンデンサにおいて構成材料の鉛フリー化とリフロー耐熱性を大きく改善したチップフィルムコンデンサを開発した。本稿では、鉛フリー対応高信頼性チップフィルムコンデンサ（当社品名MMX-EC形、MML-EC形）の特長と特性を中心に解説する。

チップフィルムコンデンサの基本構造

図1にチップフィルムコンデンサの基本構造を示す。日立エーアイシーは2種類のチップフィルムコンデンサを有しており、それぞれ以下の特長がある。

・ MMX-E形
アルミ蒸着したポリフェニレンスルフィドフィルム(MPPS:Metalized PolyPhenylene Sulfide)からなる巻回素子に溶射金属とめっきで外部電極を形成したタイプ

・ MML-E形
MMX-E形に金属端子を接続させ耐基板曲げ性を高めたタイプ
溶射金属層は二層構造でありそれぞれの層を形成する金属材料に日立エーアイシー独自の高融点材料を採用している。

鉛フリー対応高信頼性フィルムコンデンサの開発

・開発課題
フィルムコンデンサの鉛フリー対応は、リード線、端子、溶射金属への鉛フリー材料の適用が行われているが同時にリフロー耐熱性の向上が大きな課題である。
代表的な鉛フリーはんだである錫(Sn)-3.0wt％銀(Ag)-0.5wt％銅(Cu)の融点は217～220℃である。従来の鉛(Pb)/錫(Sn)共晶はんだの融点が183℃であるため、鉛フリーはんだでは融点が約40℃上昇する。鉛フリーはんだのリフロー条件（予熱温度や本加熱条件等）は各社様々であるが、本加熱時の最高温度（ピーク温度）は従来より20～30℃も高い250℃以上の要求が大半を占める。図1に示したMMX-E, MML-E形は外部電極に錫系合金を使用しているため250℃以上のリフローピーク温度には対応できなかった。

・リフロー耐熱性向上技術
リフロー耐熱性を向上させるために溶射金属層を最適化させた。錫系合金では250℃以上の耐熱を確保することは困難であるため高融点金属材料の選定を行った。固相線温度が270℃～350℃以下の金属には鉛やカドミウムがあるが、これらは有害物質であるため使用できない。鉛より高融点の金属としては、亜鉛・マグネシウム・アルミニウム・金・銀・銅等が上げられるが、耐食性・はんだ付け性・耐酸化性・価格の観点から、銅がもっとも有力な材料となる。当社では様々な銅系合金を検討し、高温リフローやヒートサイクル試験における信頼性が高く溶射時のフィルムへの熱損傷が少ない銅系合金材料を選定した。
フィルムの融点以上の高融点金属を溶射する場合には、粒子サイズの微細化と均一化や粒子が持つ熱量が重要な検討課題となる。しかしながら溶射により飛散する金属粒子は、完全溶融粒子や固液共存状態の粒子あるいは凝固した粒子などが混在しやすく、粒子サイズも溶射条件で大きく異なる。このため、前項で選定した高融点金属の溶射条件を詳細に検討し、フィルムに熱的な損傷を与えずに緻密な層を形成できる溶射条件を最適化した。図2に溶射電極部の断面写真を示す。

MMX-EC, MML-EC形の特性と特長

溶射金属層の形成技術開発により鉛フリーはんだによる実装が可能でRoHS規制に適合し、ヒートサイクル性や耐湿性にも優れた性能をもつチップフィルムコンデンサMMX-EC形、MML-EC形を開発した。図3にMMX-EC形の外観写真と製品概要を示す。

開発品のリフロー耐熱性は従来品と比較して大幅に向上しており、ピーク温度260℃での実装が可能(図4)である。また耐湿性も良好な高信頼性製品である。図4にリフロー条件の例を示し、図5に耐湿性試験データ、図6にヒートサイクル試験データを示す。

まとめ

本開発品は業界をリードする高耐熱性と高信頼性を持つチップフィルムコンデンサであり、液晶モニター、カーナビゲーション、アミューズメント等の液晶バックライトのインバータ回路や優れた周波数特性と温度特性を利用した時定数回路、車載やセキュリティー関連機器への適用も可能な製品である。
日立エーアイシーでは、今後も環境と電子電気機器の性能向上に貢献する製品開発を積極的に進めていく。

日立エーアイシー株式会社コンデンサ事業部　飯田　和幸