(Ni electrode)Effect of alloying Ni inner electrodes

Effect of alloying Ni inner electrodes on the leakage current degradation of BaTiO3-based multilayer ceramic capacitors

 

Appl. Phys. Lett. 116, 132903 (2020)

Shoichiro Suzuki, Shinichi Yamaguchi, Akitaka Doi, et al

 

ABSTRACT

 

고용량 다층 세라믹 커패시터(MLCC)는 대부분 Ni 내부 전극과 BaTiO3계  유전체가 교대로 적층되는 전자 세라믹 부품이다. 스마트폰과 같은 휴대용 전자 기기에 유용하기 때문에, 더 작은 치수와 더 향상된 용량의 MLCC를 얻으려는 수요가 계속되고 있다. 다양한 원소와 Ni 내부 전극을 합금하여 MLCC의 누설 전류 저하에 미치는 영향을 조사했습니다. Fe, Cu, Zn, Sn를 선택하여 Ni에 합금화하여 BaTiO3와 같이 소성하였다. Ni-Cu 및 Ni-Sn 합금의 내부 전극을 사용한 MLCC의 누설 전류 저하 시간은 Ni 내부 전극을 사용한 MLCC보다 길었습니다. 특히 Ni-Sn 내부 전극을 사용한 MLC의 누설 전류 저하가 현저하게 억제되었습니다. 이러한 억제 효과는 BaTiO3계 유전체의 두께가 얇아질수록 증가했습니다. 이러한 Ni 내부 전극 조성의 최적화 방법은 MLCC를 더욱 소형화시키고  용량을 증가시킬수 있게 한다.

 

소형화된 대용량 다층 세라믹 커패시터는 스마트폰 등 모바일 기기 성능 향상에 중요한 역할을 하고 있다. 소형과 대용량 MLC를 구현하기 위해 구성품인 BaTiO3 계반 유전체의 두께를 매년 줄이고 있다. 다만 MLC의 정격 전압이 떨어지지 않으면 두께가 줄어들수록 BaTiO3 계 유전체에 걸리는 전기장의 강도는 높아진다. 예를 들어 정격전압이 6.3V로 일정할 경우 BaTiO3 계 유전체에 걸리는 전기장의 강도는 두께 2um에서 3.15V/um, 두께 1um에서 6.3V/um이다.

저렴한 비용으로 MLCC를 제공하기 위해 귀금속 대신 비금속인 Ni이 사용되어 지고 있다. BaTiO3계 유전체를 Ni 내부 전극 산화되지 않는 저산소 분압으로 소성합니다. 저산소 분압에서는 BaTiO3계 유전체에 산소공공이 생성됩니다. 고온과 높은 전계 바이어스에서 시간이 지날수록 MLCC의 누설 전류가 증가한다는 것은 잘 알려진 사실이다. 다양한 연구에 의해 이러한 누설 전류의 증가는 BaTiO3계 유전체의 산소공공이 양극에서 음극으로 전하 이동하기 때문에 발생한다는 것이 밝혀졌습니다.

산소공공의 전하이동을 억제하기 위해 결함 쌍극자 형성을 사용하는 일부 방법이 개발되었다: 희토류 금속과 같은 도너는 BaTiO3에 도핑되고, 도너에 의해 전하를 보상하기 위해 바륨 공공은 형성된다. 바륨공공은 산산공공과 결함 쌍극자를 형성하므로 결함 쌍극자가 전기장 바이어스에 의해 끊어지지 않는 한 산소공공의  마이그레이션이 억제됩니다.

 

위에서 설명한 것처럼 희토류 금속을 BaTiO3에 도핑함으로써 MLCC의 누설전류 저하가 억제되었다. 그러나 최근 몇 년간 여러 연구에서 MLC의 내부 전극에 대한 영향을 강조되었습니다. Polotai 등은 Ni 내부 전극을 Cr과 합금으로 만들면 MLCCS의 누설 전류가 증가한다고 하였습니다. Takeoka 등은 또한 Ni 내부 전극을 Cu로 교체하면 Cu MLCC의 유전 상수가 Ni MLCC보다 낮지만 MLCC의 평균 고장 시간(MTTF)이 증가했다고 보고했습니다.

여기서는 니켈 내부 전극과 다양한 원소를 합금화가 MLCC의 누설 전류 저하에 미치는 영향을 조사했습니다. Fe, Cu, Zn, Sn은 저렴한 원소이고, 이들의 산화물 형성의 Gibbs 표준 에너지는 NiO 형성의 표준 에너지에 비교적 가깝기 때문에 선택되었습니다. 이 원소들과  Ni의 혼합 펠릿을 준비하고 BaTiO3계 유전체 슬러리와 코팅한 후 동시 소성을 했습니다. 그 결과, BaTiO3 계 유전체와 동시소성하여 Ni과 합금화가 되는 원소를 선택하였다. 선택된 원소와 합금을 한 Ni로 내부 전극을 만들어 MLCC를 제작하고, 기존 내부전극과  누설 전류 저하를 비교하였다.

 

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