제5장5절 외부전극 형성과 도금

1.외부전극

 

단자전극(외부전극)은, 제2장 제4절 그림1의 MLCC 구조 모델에서 볼 수 있었듯이, 내부 전극과 세라믹 유전체에서 내부에 축적된 전하를 외부로 배출하기 위한 전극이다. 구조도는 MLCC에 접하는 부분이 Cu 전극 또는 Ni 전극, 외측에 Ni 도금막, 그위에  Sn 도금막의 구조로 되어 있다. 단자 전극 형성의 프로세스를 그림1에 나타내었다. MLCC에 접하는 Cu전극은, Cu분체 입자, glass frit, 바인더 수지 및 용제로 이루어진  페이스트를 소성 후의 MLCC 칩에 도포한 후 건조시키고, 그 후 전극소성이라는 열처리를 해서 소결하여 형성한다. 이 Cu전극 페이스트의 도포, 전극소성에 앞서, 소성 후의 MLCC 칩을 바랠 연마하는 것이 일반적이다.

 

바랠 연마의 목적은, MLCC의 소성에서의 세라믹 유전체와 Ni 전극의 수축률 차이로 인하여 Ni 전극이 MLCC 내부에 약간 빨려 들어가는 경향이 있다. 따라서, 버랠 연마를 통해 칩 단면에 Ni 전극을 노출시키고 단자 전극 Cu와의 접합면적을 늘려서 전기적 도통을 확보하는 것이 목적이다. 또한, MLCC의 코너 부에 라운드를 만들어서 단자 전극이 코너 부에서 끊어지는 것을 방지하는 목적도 있다. 바인더 수지 및 용제가 Cu 분체 입자를 페이스트로 하기 위해 첨가되며, Glass frit는 Cu전극과 세라믹 유전체의 접합을 위해 첨가된다.

 

Cu전극은 금속, 세라믹 유전체는 산화물이라는 두 가지의 성질이 전혀 다른 물질을 전극소성이라는 열 처리를 한 것만으로는 접합 강도가 전혀 확보되지 않는다. 접합을 위해서는 유리성분이 필요하며, 이른바 "풀"의 역할을 한다. Glass frit는 전극소성시 연화 유동하여 세라믹 유전체 중에 확산하고 일부 반응하여 접합한다. 한편, 금속 Cu에 대해서는 표면을 젖게 할 뿐만 아니라, 소결한 Cu 입자의 공극에 들어가 앵커 효과에 의해서도  접합 강도를 높인다. Glass frit의 조성, 양, 입경은 접합 강도에 대하여 상당히 큰 영향을 주는 인자이다. 또한, 세라믹 유전체와 전자 전극의 접합 강도 이외에도 MLCC의 신뢰성에 관한 휨 강도나 열충격 크랙의 중요한 인자가 된다. 특히 frti의 조성, 양, 그리고 전극소성  조건은 상당히 중요한 인자이다.

 

단자 전극의 치밀도, 연속성은 상당히 중요하다. 단자 전극이 porous한 경우, 전극소성 후의 전기 도금 공정에서 Ni, Sn 도금막을 피복한 후에 단자 전극 중의 포어 내부에 도금액 성분이 잔존하기가 쉽다. 만약 도금액 성분이 잔존하면, 납땜 시의 열에 의해 도금액 성분이 분해 파열되어 spattering과 같은 불량이 발생하게 된다. 이 때, 땜납의 미세 소입자가 주위의 부품이나 기판에 튀어 오염을 일으킨다. 따라서, 단자 전극은 치밀하게 관리되어야 한다.

 

단자 전극의 전극소성은 승온, 최고 온도에서의 유지, 강온의 1사이클이 45~90분이라는 짧은 시간에 처리된다. 탑 온도는 Glass의 연화점 온도에 따라 다르지만 600~800℃정도이다. 전극소성에 시간을 들이면 glass 성분의 유전체 소지로의 확산이 너무 많이 진행되어, 단자 전극의 접합 강도가 저하할 뿐만 아니라, 납땜 시의 열충격 크랙이나 휨 강도에 악영향을 미치므로 주의가 필요하다. 전극 소성 시의 분위기는 4Cu + O2 = 2Cu2O의 반응이 일어나지 않는 산소 분압 하에서 이루어져야 한다. 산소 분압과 온도의 관계를 그림2에 나타내었다. Ni과 비교하여 훨씬 높은 산소 분압이 가능하지만, 환원성의 분위기이므로 glass frit의 조성에는 배려가 필요하다. 즉, PbO-B2O3-SiO2계와 같은 내환원성이 낮은 글래스 조성은 부적합하다. 승온시는 물론, 강온시에 온도에 따라 산소 분압을 변화시켜 제어하는 번잡함때문에, 도중에 다소 산화를 허용하고 마지막에는 수소 환원하는 전극소성 방법도 가능하다.

Ni 단자 전극의 경우에는 Cu 단자 전극과는 다소 양상이 다르다. MLCC의 그린칩 또는 탈지 후 가볍게 소결하여 강도를 높힌 칩에 Ni전극 페이스트를 도포한다. 이 경우에는 glass frit를 사용하지 않고 일체 소성이 이루어진다. Ni 단자 전극과 세라믹 유전체의 접합 강도를 확보하기 위하여, 단자 전극용 Ni 페이스트 중에 유전체 재료 분말체가 공재로서 포함된다. 단자 전극 표면에의 Ni 도금 피막의 상태가 나쁜 경우에는, Ni 단자 전극을 2층 구조로 하여 안쪽을 공재 rich, 바깥쪽을 공재less 또는 공재 free 상태로 하는 경우도 있다.

 

2. 도금

 

단자 전극을 전극소성한 후, Cu 또는 Ni 단자 전극 표면에는 납땜 가능하도록 전기 도금 처리를 실시한다. 안쪽에 Ni 도금, 바깥쪽에 Sn 도금이 성막된다. Sn 도금막은 땜납이 젖어 번지기 쉽게 하기 위한 층이며, Ni 도금 막은 땜납이 Cu 전극을 용해 침식하는 것을 막기 위한 내열층이다. 전기 Ni 도금의 도금 액 종류는 와트 욕, 설파민 욕, 우드욕 등이 대표적이며 와트 욕과 설파민욕이 MLCC의 Ni 도금용으로 사용된다. 와트욕은 전자 부품의 단자 전극의 Ni 도금으로 가장 일반적이며 역사가 깊다. 설파민욕은 도금 피막의 응력이 낮고 유연성이 좋아서 최근 MLCC의 Ni 도금에도 이용되고 있다.

 

Sn 도금의 도금액으로는 황산욕과 유기산욕으로 분류된다. 황산욕으로는 광택이 있고 경도가 높은 Sn 피막이 성막된다. 이에 비하여 무광택 유기산욕에서는 납땜에 적합한 Sn 피막이 성막된다. Ni 도금, Sn 도금 모두 바렐 도금, 즉 MLCC와 미디어를 바렐 중에서 회전시키며 전기 도금을 진행하는 방법이 생산성에 뛰어나 채용되고 있다.  Sn 도금 피막의 경우에는 위스커가 발생하기 쉽고, 이는 쇼트의 원인이 될수 있어, 신뢰성을 저하시키는 요인이 된다. 위스커 방지를 위해 전기 도금 후에 열처리 등의 후 처리를 진행하여 Sn 피막을 안정화시키는 것이 중요하다. 또한, Sn 피막의 품질에 산포가 크면, 납땜 시에 툼스톤 현상 또는 맨하탄 현상이라 불리는 현상이 발생하는 경우가 있다. 모식도를 그림3에 나타내었다. 이 현상은 납땜 시에 칩의 좌우 전극에 작용하는 장력 밸런스가 무너져, 한쪽편이 떠서 회전함으로써 발생한다. 좌우의 랜드면적, 랜드형상, 땜납 도포량, 납땜 시의 온도 프로파일, 탑재 위치의 랜드에서 벗어남 등이 주된 요인이다. 특히, 중량이 작은 소형 칩에서 발생하기 쉬우므로, Sn 도금 피막에 대한 땜납의 젖음성도 그 균일성이 중요하다.