제7장1절 소형대형화에 따른 문제

1. 소형 대용량화에 따른 문제

 

전자기기의 소형화, 고기능화에 따라서 적층세라믹콘덴서의 소형화 대용량화가 진행되고 있다.이로서  다른 콘덴서로부터 세라믹콘덴서로의 전환이 예상되고, 용도의 확대도 크게 기대되고 있다. 적층 세라믹 콘덴서의 정전용량은 식 1)에 표시한 것처럼 유전체의 유전율과 유전체 두께 유전체층수 및 1층당 유효면적으로 결정된다.

 

    C = ε0 * εr * n * S/d                 1)

   

    C : 정전용량, ε0 : 진공중의 유전율, εr : 비유전율, n : 적층수

    S : 유효면적, d : 유전체 두께

 

따라서 동일 형상에서 얻어지는 정전용량을 증가시키기 위해서는 1층 당의 유전체 두께를 얇게 하고 적층수를 증가시켜야한다. 따라서 박층화 다층화가 의욕적으로 진행되고 있다. 적층 세라믹콘덴서의 유전체층 두께의 추이를 표 1에 나타내었다. 10년 전에는 오늘날의 2~3㎛도 불가능하다고 생각했을 것이다. 유전체 입경을 고려한다면 5~6㎛ 정도가 한계라고 생각하는 연구자들이 많았다. 그간 재료기술 및 성형기술의 진보가 계속되어 후막 성형기술의 한계에 도달했다고 생각되나 현재도 박층화, 다층화에 대한 정열적인 연구가 계속되고 있다.

 

유전체층의 박층화는 얻을 수 있는 정전용량을 증가시켰지만, 절연저항, 내전압 또는  신뢰성을 저하시키는 등 문제를 유발한 것은 유감이다. 또 유전체 두께에 의해 온도특성이 변화하는 현상도 확인되었다.

 

일례로서 유전체 두께가 정전용량의 TCC에 미치는 영향을 그림 2에 나타내었다. 이들 과제에 대해  조성 및 미세구조 관점에서 정열적인 연구가 진행 중이다. 유전체 적층수가 증가함과 동시에 적층 세라믹 콘덴서중의 내부전극이 있는 부분과 마진부분의 밀도차가 커지고 그 결과로서 형상의 비뚤어짐이나 구조결함이 발생한다. 

 

다층화에 따른 DELAM 및 CRACK을 그림 3에 나타내었다. 또 구조결함이 발생하지 않았어도 잔류응력으로서 내재하는 것이 예상된다. 따라서 다층, 박막화시의 구조결함 억제 및 칩에 내재하는 잔류응력 제거가 장래의 새로운 대용량화의 열쇠를 쥐고 있다.

다층화시킨 MLCC의 층수와 수축율의 관계를, MLCC의 길이L, 폭W, 두께T의 각각에 대해서 그림4에 나타내었다. 다층화에 따라 T방향의 수축률이 작아지고, W, L방향으로의 수축율에 차이가 생기는 것을 알 수 있다. 층수를 변화시킨 MLCC의 연마면의 사진을 그림 5에 나타내었다. 이런 비등방적 수축은 내부응력의 원인으로 된다고 쉽게 예상할 수 있다.

2. 칩의 내부응력

 

MLCC의 소성후 발생하는 내부응력은 용량과 그 온도특성뿐만이 아니라 aging와 저항의 고온 가속수명 등에 영향을 준다. 이것은 내부응력이 결정이방성에 변화를 미치기 때문이라고 생각된다.  로드셀을 사용해서 시료에 응력을 가해 용량을 측정한 예가 보고되어 있다. 그 결과를 그림 6, 7에 나타내었다. 응력에 의해 용량은 상당히 변화하는 것이 확실하다. 특히 조성 B에서,  변화가 현저하였다.  응력에 따라서 결정이방성도 변화하지만 또 큐리점도 변화한다. 조성B는 온도특성이 F특성이고 큐리점을 실온근처로 shift한 것이므로 특히 영향이 크다. 또 입경이 용량aging에 미치는 영향에 대해서 이미 언급하였지만 입경에 따라 내부응력도 차이가 발생한다. 비커스 경도시험기를 사용해서 조성 A의 입경의 차이에 따른 내부응력을 측정했던 예가 있다. Okazaki 등의 방법에 따라서, 비이커스 압흔을 찍어서, 압흔의 크기와 균열 길이를 측정해서 KIC를 구해서, 다음식과 같이 내부응력의 값을 구한다.

 

KIC ∝ 2(c/π)1/2 σi     (2)

 

KIC: 파괴인성치 c : 비이커스 균열길이

σi : 내부응력

 

결과를 그림 8에 표시하였다.

입경이 클수록 내부응력은 커지는 경향이 보여진다. 그래서 입경, 결정이방성 및 내부응력은 상호 영향을 미치고 있다는 것을 알 수 있다.또 비커스 균열길이의 이방성으로부터 잔류응력을 예상하는 방법도 제안되고 있다. 연마한 Ni 내부전극 MLCC의 마진부분에 비커스 경도계를 이용해서 다이아몬드형의 압흔을 누르면 압흔의 각에서 발생한 균열이 비등방적으로 된다.

그림 9에 나타내었듯이  T방향의 마진부에서는 W방향으로 발생한 균열이 길고 T방향에 발생한균열은 짧다고 보고되었다. 균열이 길게 발생하는 것으로부터 그 균열과 수직방향으로 인장력이  작용하고 있다는 것을 예상할 수 있다. 이 균열길이를 이용하여 응력을 예상하는 데 있어 균열 길이가 비등방적이므로 두께방향과 단자방향에 각각 나누어 응력의 예상을 하고 있다. 그 결과 그림 10에 나타난 것처럼 부호가  반대로 되는 것이다. 또 폭 방향의 마진부분에 압흔을 누른 경우는 균열은 T방향으로 길고 W방향으로 짧게 된다. 즉 MLCC내부의 위치에 따라 응력의 크기 및 힘의 방향이 다를 것으로 예상된다.

층수가 다른 Ni MLCC를 사용해서 두께방향의 마진부에서의 압흔의 균열의 이방성(두께방향의 균열길이와 폭방향의 균열길이의 비)에 대해서 조사한 결과, 그림11에 나타낸 것 처럼 층수가 많을 수록 이방성은 커지고, 응력이 커진다고 생각된다.

다음으로 용량 aging에 미치는 내부응력의 영향을 조사한 예에 대해 서술하겠다. 조성A의 시료의 마진부분을 갈아 내어 내부응력을 완화시켜 제거한 시료를 제작하였다. 무전계 하 및 전계 하에서의 용량 aging에 미치는 마진의 삭제 영향을 표 1에 나타내었다. 

 

무전계 하에서는 거의 차이는 관찰되지 않았다. 한편 전계 하에서는 마진부분을 연마하면 용량변화가 작아진다. 소성 후의 칩 콘덴서의 마진부분을 연마하여 제거함으로써 응력이 완화된다고 생각한다. 이 응력이 클 수록 용량경시변화가 커진다고 생각된다.  그렇지만 마진 연마에 의한 내부응력의 변화 및 그것에 따른 결정 이방성의 변화를 정량화할 수는 없다.

 

 응력에 따라 용량이 변화하는 것을 나타냈지만, 용량 aging에 의해 내부응력에도 변화가 발생한다. aging 시험 전후의 칩에 대해서 상기와 동일한 방법으로 내부응력을 예상할 수 있다. 결과를 그림 12, 13에 나타내었다. 상하 마진부에서는 변화는 확인되지 않지만, 좌우마진부에서는 aging 시험 후에 각형 칩의 폭 방향의 잔류 압축응력이 완화되고 있다. 역으로 말하면 내부응력이 aging의 원인이라고도 할 수 있다. 따라서 용량 aging 특성을 개선하기 위해서는 내부응력을 작게 할 필요가 있다.

이상의 결과를 종합하면 온도, 입경, 응력이 용량aging에 미치는 영향에는 결정 이방성의 변화에 기인하는 부분이 있다고 생각되며, 또 결정이방성의 영향은 매우 크다고 생각된다. 그러나 용량 aging을 결정이방성의 변화만으로 설명할 수는 없다. 앞서 말한 것처럼 온도의 영향에는 결정이방성의 변화뿐만이 아니라 열의 영향이 포함되어 있다. 또 입경의 영향에는 체적의 영향도 있다. 게다가 입계의 영향도 존재한다. 유전체 재료중의 첨가성분인 MnO량을 증가시키면 용량 aging가 악화되지만, MnO첨가에 의해 결정이방성은 변화하지 않는다는 결과도 있다.