제2장1절 구조와 재료

제2장 MLCC의 구조/재료

 

제1절 구조/재료

 

제1항 MLCC의 구조

 

휴대단말기, PC, 디지털 가전 5G 인프라나 자동차에 탑재되는 전자기기의 소형화, 고성능화가 급격히 진전되고 있음에 따라 전자부품 중에서도 사용되는 수가 많은 MLCC에서는 소형화 저배화, 대용량화, 고신뢰성화에 대응한 기술개발이 활발히 이루어지고 있다.

 

1.1 MLCC 기본구조
그림 1에 MLCC의 8분의 1단면도를 나타낸다. MLCC는 유전체 세라믹스와 내부전극이 층상으로 번갈아 복수매 적층되어 양단으로 인출된 내부전극과 접속하도록 외부전극이 형성된 구조로 되어 있다. 용도에 따라 MLCC 유전체 세라믹스에는 티타늄산바륨계 티타늄산계 및 지르콘산계 재료가 사용된다. 내부 전극 재료에는 Pd, Pd/Ag, Ni, Cu가 사용되고 외부 전극 재료에는 Ag, Cu, Cu/Ni 등이 사용된다.

그림1 MLCC의 기본 구조

1.2 고용량화를 위한 구조 검토
 MLCC의 정전용량은 식 1로 표시된다.

C:  정전 용량, ε0: 진공 유전율, εr 유전체 세라믹스의 비유전율,
A: 내부 전극의 유효 면적, N: 적층수, tD:  유전체 세라믹스층의 두께,

 

이 식 (1)부터 정전용량을 크게 하기 위해서는,
  ① 유전체 세라믹스의 비유전율을 크게 하다
  ② 내부 전극의 유효 면적을 크게 하다
  ③ 적층수를 크게 하다
  ④ 유전체 세라믹스층의 두께를 얇게 하다

 

것이 유효하다

 

그림에 MLCC의 단면도를 나타낸다. 내부전극층의 두께를 tE로 하여 정전용량을 발현하는 칩의 유효부피V를 AxNx(tD+tE)라고 가정하면 유효부피당 정전용량값(=C/V)은 유전체 세라믹스층의 두께 tD의 제곱에 반비례한다. 게다가 유전체 세라믹스층의 박층화에 의해 유효두께[Nx(tD+tE)]당 적층수를 늘릴 수 있으므로 유전체 세라믹스층의 박층화가 MLCC의 고용량화에는 특히 효과적이다. 최근의 MLCC 고용량화는 유전체 세라믹스층의 박층화, 고적층화에 의해 실현되어 왔다.

 

그림 1 MLCC의 단면도

 

 

 

정전용량을 발현하고 있는 것은 유효부이다. MLCC는 형식에 따라 외형치수가 기정되어 있기 때문에 내부전극층의 두께tE가 같으면 유효부의 부피V를 크게 할수록 고용량화가 용이해진다.즉, 구조면에서 고용량화를 도모하려면 유효부 이외의 외부전극, 마진부를 최대한 작게 하고, 내부전극의 유효면적 A를 크게 하는 것이 요구된다.

그러나 MLCC를 안전하게 사용받기 위해서는 검사나 기판 실장 시 기계적 응력을 견딜 만한 기계적 강도가 필요하다.실장 후의 장기 신뢰성, 그 중에서도 내습성을 확보하기 위해서는 외부와 내부 전극 사이에는 최소한의 거리를 확보할 필요가 있다.기술이 진보하지 않으면 MLCC의 외형 치수에 대한 유효 부피의 비율은 형식의 소형화에 따라 확실히 작아지고 소형 고용량화는 곤란하다.

 

하지만 MLCC의 외관으로 볼 수는 없지만 MLCC 관계자의 끈질긴 노력으로 MLCC의 소형 고용량화가 진전됨에 따라 예를 들어 1005형식의 최첨단 제품에서는 폭방향 마진부의 길이는 약 10년 전인 2009년에는 80um이었던 것이 현재는 30um 까지 축소화되고 있다. 그 사이에 MLCC의 사이즈 구성 비율은 소형화가 확대되고 사용 수량의 톱형식은 1005에서 0603으로, 최소형식도 0402에서 0201로 이행하고 있다.

최근 10년간 MLCC의 소형화 기술의 진화는 거듭 고용량화를 기대케 하는 것이다. 이를 위해서는 MLCC 제조 프로세스에서의 기계정밀도의 향상에 더해, 마진부/내부전극의 계면, 유전체 세라믹스/내부전극의 계면, 유전체 세라믹스/외부전극의 계면 등의 강화·치밀화 및 외부전극의 박화 등의 기술혁신이 필요하다고 생각한다.

 

제2항 MLCC의 재료

 

소형·고용량화에 가장 효과적인 방법인 유전체 세라믹스층의 박층화는 유전체 세라믹스층의 단위 두께당 전계의 증대를 수반하여 단순히 유전체 세라믹스층의 두께를 얇게 하는 것만으로는 제품의 신뢰성, 내압의 악화로 이어지는 MLCC에서 유전체 세라믹스층의 박층화를 진전시키기 위해서는 유전체 재료 자체의 성능이 우수할 뿐인 것이다.
내부 전극 재료, 외부 전극 재료와의 적정한 매칭이 요구된다. 여기에서는 MLCC에 이용되는 유전체 재료, 내부 전극 재료, 외부 전극 재료에 대해 간단히 설명한다.

 

2.1 유전체 재료
MLCC의 유전체 재료는 용량의 온도 특성에 따라 온도 보상용과 고유전율계로 대별된다

 

2.1.1 온도보상계
온도보상용 MLCC는 유전손실이 작고 온도나 전압·시간에 따른 정전용량 변화가 작기 때문에 안정성을 구할 수 있는 용도에 적합하다. 예를 들어 COG 특성은 기준온도 25℃)의 정전용량에 대하여 -55℃에서 125℃의 용량변화율이 ±30ppm/℃로 규정되어 있으나 고유전율계에 비해 정전용량이 작다. 고주파신호를 취급하는 필터회로, 공진회로, 발신회로 등에 많이 사용된다. 유전체 재료에는 티타늄산계 및 지르콘산계의 페롭스카이트 구조의 상유전체 재료를 주원료로 한다.

 

2.1.2 고유전율계
고유전율계 MLCC에는 주로 X5R, X7R, X7S 특성 등이 있어 온도보상용에 비해 온도나 전압·시간에 따른 정전용량의 변화가 커지지만 소형이고 고용량을 얻을 수 있다. 온도보상용만큼 유전손실이나 정전용량의 안정성을 요구하지 않는 평활회로, 디커핑회로, 바이패스 회로 등에 많이 사용된다. 유전체 재료에는 강유전체인 티타늄산바륨계 유전체 세라믹스를 주원료로 한다.

 

2.2 내부 전극 재료
1990년경까지는 대기소성의 MLCC가 주류였으며 내부전극재료에는 고가의 귀금속인 Pd(융점 1555℃에서 비저항 105nΩ cm)나, Pd와 Ag(융점 962℃, 비저항 16nΩ cm)의 합금인 Pd/Ag가 사용되고 있었다. 내환원성 유전체 재료의 개발 실용화로 MLCC의 내부 전극 재료에는 비금속인 Ni(융점 1455°C, 비저항 69nΩcm)가 사용되고 있으며, 고주파 영역에서 저손실이 요구되는 일부 온도보상용 MLCC에서는 내부 전극 재료에 비금속이며 Ni보다 비저항이 작은 Cu(융점 1085℃로 비저항 17nΩcm)가 사용되고 있다.

MLCC업계에서 내환원성 유전체재료의 개발 실용화는 내부전극재료를 고가이고 가격변동이 큰 귀금속에서 비교적 저렴한 비금속으로 전환할 수 있도록 하여 큰 비용절감에 더해 고적층설계가 가능하도록 한 이후의 박층화기술 실현에 따라 MLCC의 사용수량은 급격히 증가했다.

 

내부 전극 재료에 있어서, Ni 분말의 미립화, 단분산화 및 균일화의 기술은 확실히 진보하고 있다.그러나 재료·프로세스 양면에서 유전체 세라믹스층에 비해 박층화에 대한 대응 속도가 느리다. 내부 전극의 박층화에 관해서는 재료·프로세스 양면에 새로운 기술혁신이 필요하다. 유전체 재료와 함께 전극 형성 기술이 향후 고용량화의 진전을 가속화하는 열쇠가 될 것으로 생각한다.

 

2.3 외부 전극 재료
MLCC의 통상적인 외부 전극 구조를 그림 3(a)에 나타낸다. 앞서 기술한 바와 같이 외부 전극에는 내부 전극을 전기적으로 묶는 역할이 있다. 외부전극은 하지전극의 표면에 납땜을 방지하고 땜납 젖음성을 높이는 도금을 한 구조이다. 내부전극재료에 Ni가 사용되는 MLCC의 외부전극의 하지전극재료에는 Cu나 Ni 및 그 합금인 Cu/Ni가 사용되고 있다. 최근에는 그림(b)과 같이 하지전극과 도금 사이에 휨 등의 응력을 완화하는 도전성수지를 삽입한 수지외부전극도 제품화되어 있다.

 

그림 3 외부전극의 비교도면

 

 

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