(2013)Introduction of Small Size MLCC to Aero-Space Application and its technology

13.09.25

Yuji Yamada

 

Abstract

무라타는 이전에 IT용으로 사용되었던 박층 기술을 사용하여 우주용 소형 고용량 다층 세라믹 커패시터를 개발했다. 현재 자동차용 MLCC에서 선별하여 품질인증된 0.1uF에서 22uF까지의 5개의 제품을 출시하였다. 무라타는 소형과 고용량 다층 세라믹 커패시터 실현을 위해 박층 세라믹 시트 기술과 균일하고 정제된 내부 전극(Ni) 기술, 산소공공 제어 기술 등을 활용했다. 본 논문에서는 소형 고용량 다층 세라믹 커패시터의 제품 소개와 함께 기술을 소개하고자 합니다.

 

 

1. 서론

 

무라타는 일본항공과 JAXA에서 POL(Point Of Load) DCDC 컨버터까지 소형 고용량 제품 개발 의뢰를 받았다.(그림 1)

 

유전체 두께가 얇기 때문에 시험 조건 및 가속 계수를 분석하고 검증해야 했습니다. 세라믹의 유전체 두께는 3마이크로미터까지 줄었습니다. 최종적으로 5개 항목은 2012년 6월 PL DC/DC 컨버터용으로 개발된 JAXA-QTS-2040/M105(표 1)로 S-레벨을 보증받았습니다.

 

 

부품들은 자동차용 제품에서 선별되어 우주용 제품으로, 솔더 코팅, 정격 전압 감소를 검토되었다. 그림 2는 항공우주 사용과 IT용 단위 체적 당 용량을 나타낸다. 항공우주 사용은 2000년에 IT 수준에 도달한 것과 같다.

 

 

2. 미세구조의 기술

  그림3에 우주용 MLCC 프로세스를 나타내었다

 

세라믹 파우더 믹싱 공정부터 측정 공정까지 자동차 등급 제품에 대한 공정이 적용됩니다. 그 다음, 핫 솔더 디핑에서 그룹 A 검사까지, 항공우주용 제품에 대한 프로세스가 추가됩니다. 소형·고용량 MLCC 생산을 위한 미세소재 제어 기술이 필요한데,  첫 번째 기술은 내부 전극의 정교함과 균일성입니다. 두 번째 기술은 충분한 양의 입자와 고밀도 세라믹 시트를 만드는 것입니다. 세 번째 기술은 움직이는 산소공공을 제어하는 기술입니다.(그림 4). 이 세 가지 기술은 다음에서 설명합니다.

 

2.1 내부 전극 기술
Fig.5는 초기 고장을 일으킨 샘플을 분석 결과입니다. 응집된 내부 전극과 보이드로 인한 유전체 파괴로 인해 고장이 발생한 것으로 판단된다. 그림 6은 인쇄된 전극의 조도를 나타낸다. 이러한 불규칙성은 내부 전극의 국소적 두께편차를 유발할 수 있습니다. 불규칙성은 과거의 인쇄 공정의 절반 이하로 줄어들 수 있습니다. (어떻게????)

 

2.2 세라믹 시트 기술
그림 7은 고장 시간과 입자수 사이의 관계를 보여준다. 입자의 수가 적을 때 고장 시간이 짧아집니다. 이것은 Core -shell 구조로 인해 발생합니다. 부피 저항률은 core, shell 및 grain boundary에 의해 결정된다. Shell 및 Grain boundary가 얇고 충분히 생성되지 않으면 IR이 감소합니다(그림 8 참조).

 

따라서 미세 세라믹 입자크기를 조절하고  세라믹 시트를 고밀도화하여  유전체 시트당 입자수를늘리고 있습니다.(그림9)

 

2.3 산소공공 제어 기술

그림.10에 마모 고장 메커니즘을 나타내었다. 낮은 산소분위기에서 Ni 전극과 세라믹을 소성하면 산소공공이 발생한다. 산소공공은 양전하를 띠기 때문에 산소공공은 직류 전압 조건에서 점차 음극으로 이동한다.
일정 에너지 레벨이 초과되면 쇼트키 방출로 전자가 공급되고 절연 저항성이 악화돼 결국 마모 고장에 이른다.

 

 

그림 11은 음극 발광에 의한 고온 부하 테스트 전후의 산소 공공을 보여줍니다. 우리는 공공이 음극 쪽으로 이동했음을 확인했습니다.

 

그림 12는 산소공공의 움직임을 억제하기 위한 이미지 다이어그램입니다. 소성 중에는 산소공공이 발생하는데,  희토류를 도핑하여 세라믹 구조의 Ba site를 치환시켜 바륨 공공을 만듭니다. 산소공공이 바륨공공에 합류하고 이로 인해 산소공공 이동이 억제됩니다. 그러나 매우 오래 작동하거나 고온 및 고전압 조건에서 사용되면  산소공공이 음극 쪽으로 이동할 수 있습니다.

 

3.결론
지금까지 요약하자면, 가장 먼저 필요한 것은 균일성입니다. 원료 시트 내부 전극, 고밀도 시트, 세라믹 입자에 필요한 기술입니다. 두 번째로 세라믹의 입계와 특성을 조절하는 기술입니다. 셋째, 내부 응력과 하소 반응 과정을 조절할 수 있습니다. 넷째, 불량률을 ppb 이하 순으로 관리하기 위해서는 이물질에 의한 오염방지를 위한 프로세스 기술이 필요하다. 다섯 번째, 높은 유전 상수를 갖는 물질의 개발입니다. 이뿐만 아니라 위의 기술이 소형, 대용량, 고신뢰 캐패시터 달성을 위한 주요 기술이다.