(2019)박층대용량화/고신뢰화를 향한 세라믹 구조설계

172회 전자세라믹 프로세스 연구회 발표자료 (2019.6.22)

발표자: 나카무라 토모유키 

 

 

 

발표순서는 입계제어 -> 입내제어 > 계면제어

 

 

MLCC 를 지탱하는 코어 기술과 제품 전개 

 

 

체적용량의 향상과 유전체 시트의 박층화: 03A106은 ????

 

 

절연파괴(BDV)와 절연열화(신뢰성 고장시간)과의 관계

 

 

절연저항 메카니즘 소개:

 

제조코스트를 낮추기 위해 귀금속 내부금속을 비금속 Ni로 변경하였으나 NI의 산화를 억제하기 위해 환원분위기하에서 소성해야 함. 이로인하여 세라믹 내부 산소공공(빈자리)가 발생하고 신뢰성시험시 즉, DC전계하에서 산소공공이 (+)전하를 갖으므로 음극으로 이동한다. 음극근방의 산소공공 농도가 높아져 최종적으로 절연파괴에 이른다.

 

IT 용 MLCC는 소형 대용량화가 필요하므로 유전체 시트의 박층화가 필요한데 전계강도가 증가한다.

전장용 또는 산업용MLCC는 고 신뢰성이 필요하다.  따라서 절연성을 확보하거나 유지하는 것이 최재의 과제이며 세라믹 미세구조의 제어가 매우 중요함

 

 

미세구조의 제어:

 - 입계: 입경을 작게하고 입계의 절연특성을 강화

 - 입내: Core-Shell구조 및 첨가물에 의한 입내의 절연특성 강화

 - 세라믹/전극 계면:  전기적 장벽에 의한 전자이동의 제어, 산소공공 축적상태의 제어

 

 

BaTiO3-Dy2O3-MgO-MnO-SiO2 조성으로 입경이 다른 유전체 층을 만들어 절연특성을 확인해봄

층당 입자수가 많아지면 즉 입경이 작아질수록 고장시간(수명)이 늘어난다. 한 입계당 동일 부하를 갖도록 하면 고장시간은 같아진다. 따라서 입계가 신뢰성에 아주 중요함

절연성이 열화된 유전체층을 STEM 및  EELS로 분석한 결과 산소공공이 존재

 

1층당 입자수가 큰 샘플일수록 절연성이 높다

 

입계의 J-E특성은 1층당 입자수가 증가할수록 절연성은 커진다

 

입계의 J-E특성은 온도의존성, 전압의존성과 함께 작아진다

입내의 절연성은 매우 낮다.

 

입내와 입계의 J-E특성의 비교

 - 입내는 온도의존성이 크고 입계는 온도의존성이 낮다

 - 고전계와 고온환경하에서는 절연특성에 대한 입계의 기여는 매우 크다

 

 

 

미세구조의 제어:

 - 입계: 입경을 작게하고 입계의 절연특성을 강화

 - 입내: Core-Shell구조 및 첨가물에 의한 입내의 절연특성 강화

 - 세라믹/전극 계면:  전기적 장벽에 의한 전자이동의 제어, 산소공공 축적상태의 제어

 

전형적인 그레인 구조: Core-shell구조

- 산소공공이 Dy2+와 만나 산소공공의 이동을 제어

 

희토류 원소의 신뢰성에의 첨가효과 :Dy가 장수명화에 효과적

 

희토류 원소의 산소결함과의 상호작용

 - 고용한 상태가 불안정할 수록  R-O거리의 완화에 의한 에너지 이득이 크다

 

균일한 Core-shell구조의 추구

   - 응결응집이 없는 균일한 BaTiO3/미립의 고분산 첨가제 ->균일한 Core-shell구조 ->고신뢰성

 

 

비유전율의 입경의존성 : 입경이 저하함에 따라 비유전율이 저하한다

 

 

Ca 도핑한 BCT와 BT의 신뢰성 시험결과 BCT가 수명이 길다

Ca 치환에 의해 수명이 길어짐 : Ca도핑시 격자수축 -> 산소공공 이동 억제

 

 

Ca도핑량이 증가하면 10%까지 수명도 늘어난다. 그이후 수명의 감소는 Ca고용이 완전하지 않기 떄문이라 추측됨

 

Ca도핑량을　증가하면 활성화에너지가 커진다. 격자수축때문.？？？.

 

 

미세구조의 제어:

 - 입계: 입경을 작게하고 입계의 절연특성을 강화

 - 입내: Core-Shell구조 및 첨가물에 의한 입내의 절연특성 강화

 - 세라믹/전극 계면:  전기적 장벽에 의한 전자이동의 제어, 산소공공 축적상태의 제어

 

세라믹 구조제어기술이 더욱 고도화 필요