(Nano glass)저온소결을 통한 초고용량 MLCC 개발

Journal of the Korean Ceramic Society
Vol. 46, No. 2, pp. 146 ~154, 2009.

손성범†·김효섭·송순모·김영태·허강헌

 

1. 서론 

 

최근 전기/전자 제품의 소형화, 경량화 및 다기능화가 급속히 진행되면서 이에 사용되는 적층 세라믹 커패시터(Multi Layer Ceramic capacitor; MLCC)도 급격하게 소형, 고용량화 되어가고 있다. 이에 따라 적층 세라믹 커패시터에 사용되는 유전체층은 점차 박층, 고적층화 되고 있다. 최근에는 1005 size의 초고용량(4.7 μF 이상) MLCC 개발을 위해 1.5 μm 이하 두께의 BaTiO3 유전체층을 300층 이상 적층함으로써 용량 구현을 시도하고 있으며, 보다 소형의 초고용량 특성을 얻기 위해서는 1.0 μm 이하 초박층의 고용량 유전체층이 확보되어야 한다.1) 이처럼 초고용량 적층 세라믹 커패시터의 개발을 위해서는 ‘고유전율을 갖는 유전체의 개발’과 ‘초박층화 기술’이 필연적으로 요구되며, 동시에 ‘내부전극의 박층화(0.5 μm 이하) 및 연결성(coverage)의 향상’ 또한 시급하게 해결되어야 한다.

 

현재, 당사를 비롯한 일본의 여러 선진 업체들은 소형의 초고용량 MLCC를 개발하기 위하여 ‘고유전율의 유전체’ 적용을 통한 초고용량 MLCC 개발에 연구를 집중하 고 있다. 그러나 일반적으로 고유전율의 유전체를 사용하는 경우, DC voltage 인가에 따른 용량 감소율, 즉 DC bias특성이 현저히 저하되는 문제점을 보인다. 그러나, 내부전극의 박층화와 전극 연결성의 증진을 통하여 용량을 향상시키는 경우, 용량을 확보하면서도 DC-bias 특성이 크게 저하되지 않는 이점이 있다. 한편, note PC나 HHP 등과 같은 전기/전자제품들의 경우, 작동전압은 점점 낮아지며 다기능화로 인해 작동전류는 점차 높아지고 있다. 이로 인해 커패시터는 0.25~0.3 Vrms 크기 정도의 noise를 인식할 수 있어야 한다. 이처럼 작동전압이 저전압화되면, 직류전압 signal 대비 noise의 비가 커지므로, 커패시터에는 용량의 AC 전압특성이 매우 중요해진다. 즉, 용량의 AC 전압에 대한 의존성이 작아져야 한다. 이와 같은 커패시터의 개발을 위해서는 액상 및 여러 첨가제에 의한 유전체 미세구조의 제어가 큰 역할을 한다.

 

상기한 바와 같은 물성의 구현을 위해서는 가장 우선적으로 유전체의 소성온도를 낮추어야 한다. 일반적으로, Ni내부전극층은 세라믹 유전체의 소결온도에 비해 수백 ℃낮은 온도(약 900~950℃)에서 소결이 완료되므로, 소성온도가 지나치게 높을 경우 내부전극층과 유전체층 간의 소결 수축 불일치가 심화되어 층간 박리(delamination)가 야기되기 쉽다. 또한, 고온 열처리(소결)로 인해 Ni 전극층이급격하게 뭉침으로써 전극 연결성이 크게 저하된다. 따라서, 내부전극의 박층화 및 전극 연결성의 향상을 위해서는 Ni 내부전극층과 세라믹 유전체층을 가급적 저온(1100℃이하, 궁극적으로는 950℃ 전후)에서 소결하는 것이 필수적이다.2,3)

 

상기 목적을 달성하고자 당사에서는 고온 유동성이 우수한 borosilicate계 조성의 glass를 바탕으로 150 nm급 BaTiO3(BT)의 저온소결에 적합한 glass 개발을 시도한 바 있으며, 우수 조성군의 glass 분말들을 이용하여 저적층 간이칩(S-chip) 평가를 행함으로써, 1040 ~1060℃ 범위에서 적정 소성온도를 갖는 최적의 glass와 이에 적합한 유전체 조성물 등을 기 개발하였다.3) 그러나, 이와 동일한 조성으로 실제 MLCC를 두 차례 제작하여 소성한 결과, 약 80℃이상 소성온도가 상승하는 등 저온소결성이 재현되지 않았으며 전기적 물성 또한 S-chip 결과 대비 현저하게 저하되는 문제점이 확인되었다. 이러한 원인을 파악하기 위한 다각적인 연구/분석 결과, 저온소결성의 저하 및 제반 물성의 악화에 대한 원인으로서 ‘batch 조건’ 이 주요인자임을 실험적으로 파악할 수 있었다. 즉, slurry 제작시의 분쇄조건 및 이에 따른 비표면적의 차이가 소성온도 상승 및 전기적 물성 변화에 주요 원인임을 확인할 수 있었으며, 이에 따라 저온소결을 위해서는 기존의 양산조건과는 다른 batch 조건이 적용되어야 할 필요가 있음을 알게 되었다. 따라서 본 연구에서는 저온소결용 조성에 적합한 새로운 batch 조건을 모색하였으며, 이에 따라 초고용량MLCC(05A475)를 새로이 제작하여 소결특성, 전기적 특성 및 신뢰성 등을 평가하였다. 나아가 종래의 소결온도(1150℃ 이상)로 소성된 chip과의 제반 물성 비교/평가 등을 통하여 저온소결에 따른 초고용량 chip 개발의 가능성및 우수성을 검토하고자 하였다.