제4장4절 최신 절연 열화 해석 기술

1. 서론 

최근, Ni 내부 전극 MLCC는 소형화와 대용량화가 진행되어, 스마트폰이나 태플릿 등의 통신 단말에 다수 탑재되었다. 앞으로, 통신 방식이 4G/LTE에서 5G로 이행되고 통신 단말에 탑재되는 MLCC의 원수가 더욱 증가하게 될 것으로 예상된다. 한편, 차량, 산업 기기, 기지국 용도로도 MLCC의 수요는 증가할 것으로 예측된다. 한편 전장,산업기기, 기지국용에도 있어서도 MLCC의 수요는 커질 것으로 예측된다. 이러한 시장 동향의 상황 속에서 MLCC가 사용되는 전자 기기는, 고온이나 고전압에 노출되었으며 MLCC는 기존보다 높은 품질과 신뢰성이 요구된다. 많은 연구자와 기업의 노력으로 내환원 유전체 재료가 활발하게 개발되어 왔다. MLCC의 고성능화와 고신뢰성화를 목표로 계속해서 연구 개발이 진행되고 있다.

 

절연 열화 현상에 관한 연구는 예전부터 이루어져 왔으며 현재에는 실험뿐만 아니라 제 1 원리 계산을 사용된 시뮬레이션에 따른 검토 또한 이루어져, 지금까지 제창된 산소 공동에 기인하는 절연 열화 메커니즘이 더욱 지지를 얻게 되었다. MLCC의 신뢰성 평가에는 고온부하 가속시험 (HALT)이 보편적으로 이용된다. HALT 수명을 연장하기 위하여 유전체 자기 구조에 대하여 심도 깊은 연구로서 차조노 등에 의한 주파수 응답 애널라이저 (FRA)를 이용한 연구가 있다.  FRA를 사용한 복소 인피던스 측정을 진행하여, MLCC의 각 구조 (코어, 셸, 입계, 인터페이스)의 용량 성분C와 저항 성분 R을 해석하여 각 요소의 기능이나 역할을 분명하게 한다. 산소 공공이 영향을 미치는 절연 열화 현상을 조사하기 위하여, Yang등은 TEM-EELS를 사용하여, BaTiO3계 재료에서의 Ti3+/Ti4+의 가수변화를 상세히 조사하였다. 그 밖에, 산소 공공의 이동을 열 자극 탈분극 전류(TSDC)측정하여 조사한 연구가 보고되어, 절연 열화 현상에 대하여 더욱 깊이 있는 이해가 가능해졌다.

 

MLCC 개발 단계 초기에는 여러 요인으로 인하여 HALT 수명에 산포가 발생하는 경우가 있다. 물론, 개발 현장에서의 의견이며, 산포의 요인을 해석하고 그 산포를 저감하기 위한 대책이 진행되고 있다. 또한, 일정 기준을 넘는 것은 양산화되어 제품이 된다. HALT 수명은 크게 나누면 다음의 두 가지 요인에 지배된다. 첫 번째는 산소 공공이 미치는 유전체 재료의 내인적 요인이며, 다른 하나는 제조 공정에 관한 외인적 요인이다. 각각의 요인에 대하여 절연 열화를 야기하는 원인을 조사/규명하여 각 제조 공정에 피드백 하는 것이 중요하다.

 

2. 고장 해석

 

필자 등은 그림1에 나타낸 MLCC 고장 해석법을 통하여 고장 각 부위를 관찰하였다. 해석 순서는 아래와 같다.

  ①   프로브를 사용한 저항 측정이나 화학적 수법을 통하여 고장 층을 특정한다.

  ②   고장층 부근의 Ni 내부전극을 용해하는 등의 방법으로 MLCC를 박리한다.

  ③   고장 각 부위를 포함하는 쪽의 MLCC에서 서모그래피나 IR-OBIRCH 를 통하여 정전 용량 형성면 내의 고장 부위를

         특정한다

   ④   특정된 고장 부위를 FIB-SEM을 사용하여 단면 가공한 후 미세 구조를 관찰한다.

유전체 층이 1μm이하의 소형 대용량 MLCC 개발품에서, 유전체 층을 Ni 내부 전극이 관통하는 모드의 쇼트가 발견되었다. 그림2에 0603형(JIS) MLCC내에 존재하는 쇼트 부위 부근의 FIB-SEM에 따른 연속 사진을 나타낸다. 이들 사진은 일정한 간격으로 FIB 가공한 후, SEM 관찰을 반복하여 얻은 결과이다. 그림 3은 각각의 연속 사진을 재구성하여 얻은 3D 이미지이다. 일련의 조작에 따라 고장 부위의 주변도 포함한 입체적인 구조 정보를 얻을 수 있으며, 크기나 형상뿐 아니라 고장에 이르는 공정을 축소할 수 있다.

3.열화 부위 해석

 

고장 해석 기술을 사용하여 절연 열화 부위를 특정할 수 있다. 이를 위해서는 고온 혹은 고전압을 인가하여 절연 저항이 있는 값 이하 상태의 MLCC를 준비해야 한다. 앞서 기술한 프로세스보다 절연 열화한 유전체 층을 특정한 후에 정전 용량 형성면 내의 절연 열화 부위를 특정한다. 다음으로, 스캐닝 확대 저항 현미경(SSRM)을 사용하여, 절연 열화 부위에서의 적층 방향 단면의 절연 저항 분포 이미지를 취득하였다. 이하의 내용이 그 사례이다.

 

먼저 HALT 시험을 실시하여 누설 전류가 급격히 상향하기 직전에 인가 전압을 강제적으로 차단하여 평가용 MLCC로 하였다. 다음으로 온도와 전압의 조건을 조정하며 단계적으로 절연 저항을 저하시키는 조작을 반복했다. 이 때, 전압 인가 방향은 HALT와 동일한 방향으로 삼았다. MLCC의 절연 저항은 실온, 20V, 60s의 조건으로 HALT와 동일한 전압 인가 방향의 경우, 3.4Ω, 역방향으로 한 경우에는 8.2MΩ이었다. 다음으로 SSRM측정을 위한 시료 가공을 진행하였다. 외부 전극을 연마로 제거한 후, 저항 저하된 층을 특정하였다. 저 저항 부위는 특정한 내부 전극에 접하는 유전체 층 중 한 곳이다. 적층면 내에 절연 열화 부위를 특정하므로 저 저항 층 부근의 유전체 층을 박리하였다. 박리 후의 MLCC 면 내를 IR-OBIRCH로 측정한 결과, 스팟 상의 신호가 구해졌다. 그 신호의 중심 부근을 FIB로 가공하여 SSRM용 시료로 삼았다. 여기에 연마 가공을 하여 SSRM 측정에 사용하였다. SSRM 측정 조건은 인가 전압을 -4V(본 측정에서는 탐침측을 +로 하였다), 온도는 실온, 압력을 1×10-4Pa로 하였다. 저 저항 부위에서의 MLCC 단면의 SSRM 상을 그림 4로 나타낸다. 상부 Ni 내부 전극이 HALT시의 애노드, 하부 Ni 내부 전극이 캐소드에 해당한다.  밝은 영역이 될수록 절연 저항이 높고, 어두운 영역일수록 절연 저항이 낮다는 것을 나타낸다. 그림 4와 같이, 대항하는 Ni 내부 전극에 끼인 유전체 층에서 명확하게 저 저항이 되는 전도 패스가 확인되었다. 전도 패스 내부의 위치 별 저항값은 애노드 부근과 비교하여 캐소드 부근 쪽이 더 낮다. 이것은 절연 열화가 캐소드에서 애노드로 진행한 것을 의미한다. SSRM상은 실온에서 취득되므로 주된 캐리어로서 전자를 생각 할 수 있다. 기존 보고에 따르면 HALT 중의 고온 고전압 하에서는 산소 공동이 애노드 측에서 캐소드 측으로 이동하여 축적됨으로써 절연 열화가 발생하는 것으로 알려져 있다. 이번에 구한 SSRM상은, 산소 공공이 절연 열화를 야기하는 부위에서의 전계 방향의 절연 저항 분포로서 처음으로 가시화 된 것으로 보인다. 추후, 본 기술의 개선 개량을 통하여 각종 MLCC에서의 절연 열화 부위의 분석/해석을 통해 절연 열화 매커니즘을 더욱 깊이 있게 이해할 수 있을 것으로 기대된다.

참고문헌