제5장2절 내부전극인쇄

1. 내부 전극 인쇄의 개발 트렌드

유전체 그린시트의 박층화와  마찬가지로, 내부 전극의 박층화는 MLCC의 소형대용량화를 향한,  필요한 기술이다. 특히, 유전체의 박층화는 전압, 신뢰성 저하를 동반하는 데 비해, 내부 전극의 박층화는 소자 특성의 악화를 동반하지 않는다고 할 수 있다.  내부 저항의 증가는 우려되나, 다른 콘덴서에 비해, 등가직렬저항(ESR)이 낮기 때문에 현시점에서는 문제시 되고 있지 않다. 그러나, 내부 전극의 박층화는 소성 시의 내부 전극의 불연속화, 구상화를 야기하기 쉽기 때문에 기술적 난이도가 높다.

 

MLCC의 내부 전극은 이전부터 팔라듐(Pd) 등의 귀금속이 사용되어 왔으나, 최근에는 니켈 등의 비금속(Base metal)의 사용이 주류가 되고 있다. 내부 전극 재료인 Ni 분말을 유기 바인더 등과 함께 용매 중에 분산, 혼련하여 얻어지는 페이스트를 스크린 인쇄 등으로 유전체 그린 시트 상에 패턴 인쇄한다. 소성 과정에서는 세라믹 재료와 금속 재료의 소결 온도 차이로부터 유전체의 치밀화 온도대에서는 내부 전극은 과소결(Over-Sintering)되고 표면 에너지를 구동력으로 자발적인 구상화에 따른 막의 불연속이 발생한다. 내부 전극 인쇄 막 중의 공극이나 표면의 요철은 소결 중의 내부 전극에 자유 표면을 주므로 구상화를 조장하는 원인 중 하나이다. 따라서, 유전체 그린 시트의 박층화와 동일하게, 내부 전극의 박층화에서도 더욱 고품위의 균일성이 필요하므로 입경이 균일한 작은 입경의 분말이나, 이를 분산성좋게 배치하기 위한 분산제나 유기 바인더, 용매가 사용되는 경향이 있다. 또한, 유전체 그린 시트와 달리 내부 전극에서는 패턴 정밀도가 요구되기 때문에, 인쇄 막의 전사 밀도 개선이나, Sheet에 용제가 스며드는 것을  억제한다던지, 인쇄해상도의 개선 등도 중요한 개발 요소이다.

 

2. 스크린 인쇄 공법

 

일렉트로닉스에서의 패터닝 기술에는 포토리소그라피 등의 반도체 프로세스를 사용한 고정밀, 고품질의 수법부터,  각종 형상의 판을 사용한 판식 인쇄법이나 잉크제트 인쇄법의 주문형 인쇄법 등이 있다. MLCC의 패터닝 수법으로는 필요 정밀도와 재료 효율과 생산성, 설비 비용의 관점에서 스크리닝 인쇄 기술이 많이 사용되고 있으며 여기서는 스크리닝 인쇄에 관한 내용을 상세히 설명한다.

 

스크린 인쇄는 실크나 나일론과 같은 고분자 섬유나 스테인리스 등의 금속 섬유를 짜서 형성하는 메쉬에, 감광성 폴리머인 유제나 유제 필름을 도포하고 부착하여 노광 등에 따라 네가티브 패턴을 형성한 판을 사용하는 인쇄 수법이다. 인쇄 판 위에 세팅한 도료를 스키지라 부르는 평판에서, 개구(開口)된 포지티브 패턴 부분부터 인쇄 판의 하면으로 세팅한 기재로 압출시켜 전사한다.

 

스크린 인쇄의 인쇄 품질에는 도포물인 도료(페이스트), 스크린 판, 인쇄 조건, 기재가 연관되어 있다. MLCC의 페이스트는, Ni 등의 내부 전극 재료를 구성하는 금속 입자와, 유전체 층과 내부 전극 층의 소결 미스매치를 개선하기 위한 공재라 부르는 유전체 미입자와 같은 무기 분말을 더하여, 내부 전극 인쇄 막에 성형성, 가소성을 부여하기 위한 유기 폴리머 등의 바인더나, 분체 표면에 습윤성, 입체 장해를 부여하기 위한 계면 활성제, 분산제, 인쇄성을 부여하기 위한 틱소트로픽제 등의 각종 첨가제와, 각종 용매 성분으로 구성된다.

 

일련의 인쇄 동작에서 페이스트는 다양한 응력 하에서 진행된다. 예를 들어, 스퀴지에 의해, 메쉬나 개구 부분부터 눌려 나올 때의 페이스트는 좁은 공극을 강제적으로 유동하게 되므로, 높은 전단 응력이 부여된다. 한편, 기재에 전사된 후의 페이스트는 직전의 높은 전단 응력에서 급속하게 해방되어, 완화를 동반하며 정지 상태로 이동한다. 판 박리 등의 서로 다른 전단 응력 하의 현상에서도 인쇄 불량이 없도록 구성 부재나 분산 상태에 따라 페이스트의 점도 특성을 제어하고 인쇄 품질에 따른 최적화가 도모된다.

 

스크린 판은 구성 재료가 되는 메쉬의 재질이나 선경, 해상도, 두께, 인장 각도나 유제의 재질과 두께 차이에 더하여, 스퀴지를 누룰 때의 변형량에 영향받는 스크린 텐션이나 틀 사이즈 등이 인쇄 품질에 영향을 미친다. 또한, 통상적으로 스퀴지가 한 방향으로 반복해서 누르는 형태로 인쇄가 진행되기 때문에, 인쇄 횟수의 증가에 따라 판의 휨이나 유제의 마찰, 빠짐, 스퀴지의 마찰이 발생한다. 이러한 상태 변화는, 인쇄 품질에 큰 영향을 주기 때문에, 양산 공정에서의 관리 항목 중 하나이다.

 

인쇄 조건에는 스퀴지의 유입량에 관계되는 인압이나 스퀴지 속도, 스퀴지의 재질이나 형상, 인쇄판과 기재 간의 클리어런스, 기재에 전사되어  건조될 때까지의 체류 시간이나 건조 조건 등이 있다. 스퀴지의 마찰이나 팽윤, 열화에 따른 경도 변화나 판 상의 페이스트 양과 건조 조건에 따른 실질적인 유동 상태의 변화 등은 인쇄 품질의 산포 요인이 되기 때문에 주의가 필요하다.

 

 

3.스크린 인쇄판

 

내부 전극의 박층화을 위해서는 인쇄 막의 두께가 얇게 하는 것이 요구된다. 인쇄 막의 박층화에는, 기재에 대한 페이스트 전사량을 삭감하는 것과, 전사된 페이스트 중의 분말 농도를 줄이는 것을 생각할 수 있다. 스크린 인쇄 공법에서는 페이스트 중의 분말 농도를 낮추더라도, 박층화는 가능하지만, 점도를  낮아지거나 틱소트로픽성의 부적합이 동반되므로 번짐 등 인쇄성의  악화가 우려된다.

 

인쇄판에서 전사량을 삭감하기 위하여, 메쉬의 고세밀화, 두께 저하가 이루어진다. 메쉬의 고 세밀화에는 더욱 얇은 선경의 선재가 필요하지만, 강도가 저하되기 때문에 메쉬의 제작이나 인장이 어렵고 이외에  사용 시 수명 저하가 문제로 된다. 두께 저하에 관해서는, 얇은 선재 사용 이외에도 메쉬를 짜서 가압하는 캘린더 처리를 강화하는 수법이 사용된다. 캘린더 처리란, 메쉬 두께을 얇게 할 뿐 아니라 선재를 편평하게 하여 개구율을 저감하는 효과가 있으며 어느 쪽이던 다 페이스트의 투과 부피를 삭감하는데 도움이 된다.  또한, 패턴을 그리기 위한 유제막의 두께의 박층화도, 전사량 삭감에 효과적이다. 다만, 패턴 엣지의 선명성이나 결함에 대한 내구성 등을 고려하여, 두께를 측정할 필요가 있다.

 

스크린 판의 과거로부터 진화로서, 메쉬와 유제부의 사진과, 인쇄막의 평면 사진을 그림1에 나타내었다. 동일 사이즈의 인쇄 막이어도 해상도의 개선이 확인된다.

 

 

4. 최신기술 수준

 

앞서 기술한대로 내부 전극의 박층화를 위하여 더욱 높은 품위의 균일성이 요구되기 때문에 입경이 균일한 작은 입경의 분말이나, 이를 고분산으로 배치하는 것이 필요하다. 서로 다른 입경의 니켈 분말 SEM상 및 이를 이용한 인쇄막의 표면 AFM상을 그림 2, 3에 나타내었다. 소입경화에 따라, 더욱 강해지는 응집력에 대하여, 적절한 분산 프로세스와 분산제, 바인더 등의 페이스트 조성을 조정함으로써 입자경에 맞는 인쇄 막의 균일화, 평활도를 실현할 수 있게 되었다. 또한, 이를 활용하여 제작한 MLCC의  미소결체(green body)의 단면을 그림4에 나타내었다. 소입경화, 입도 분포의 양호함에 따라 입자 자체의 균일성의 양호함에 더하여 입자간 간격의 균일성도 큰 폭으로 개선된 것을 확인 할 수 있었다.

 

MLCC 소결체의 단면을 그림5에 나타내었다. 니켈 입자의 소입경화에 따라 내부 전극의 연속성이 향상된 것을 알수 있었다. 유전체 그린 시트 및 내부 전극의 박층화에 관해서 각종 분말을 통한 도공 시트, 인쇄막, 성형체, 소결체에 이르기까지 균일성을 유지하는 것이 중요한 요소 중 하나가 된다. 앞 공정의 불균일성은 그 후 공정의 불균일성을 조장하게 되는 경우가 많으며, 반대로 불균일한 것이 프로세스 도중에 균일화 되는 일은 매우 어렵다. 내부 전극의 인쇄 공정 이후의 형성, 탈바인더, 소성 공정에서도 프로세스 기술에 따라 불균일성을 제거하여 그림6에 나타내었듯 초박층으로 고연속의 내부 전극 구조를 보유하는 MLCC 제작이 가능해진다.