NotebookLM- 고신뢰성 MLCC개발 by Kyocera

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【高信頼性MLCCの開発】劣化箇所を可視化した評価解析技術 | 技術紹介 | 電子部品 | 京セラ

 

 

이 자료는 교세라(Kyocera)가 고신뢰성 MLCC(적층 세라믹 칩 콘덴서)를 개발하기 위해 적용한 정밀한 평가 분석 기술, 특히 절연 열화(劣化)가 발생하는 지점을 가시화하고 원인을 규명하는 방법에 대해 상세히 설명하고 있습니다.

다음은 교세라의 결함 분석 및 평가 해석 기술에 대한 자세한 내용입니다.

1. 결함 분석의 필요성 및 목표

전자 기기의 소형화 및 고기능화 추세에 따라 MLCC 역시 소형화 및 박층화가 진행되고 있습니다. 이로 인해 MLCC는 고전계 강도 및 고온 등 혹독한 조건에서도 동작해야 하므로, 고신뢰성 MLCC의 개발이 필수적입니다.

고신뢰성 MLCC 개발을 위해 필수적인 세 가지 요소 기술(재료 기술, 프로세스 기술, 평가 해석 기술) 중, 교세라는 열화 위치를 가시화하는 평가 해석 기술에 중점을 두었습니다.

주요 목표:

• MLCC의 고온 고전계 환경 하에서의 수명을 결정하는 요인을 특정하고, 이를 가시화하는 것입니다.

• 이를 통해 더욱 정밀한 재료 설계로 이어지게 하여, 장수명의 고신뢰성 MLCC를 개발하는 것입니다.

2. 절연 파괴 직전의 열화 위치 가시화 기술

절연 파괴(絶縁破壊, Breakdown)가 발생한 후에는 그 위치를 쉽게 찾을 수 있지만, 크랙(Crack)이나 Ni 전극 용융 등 구조적인 파괴가 심하게 일어나기 때문에 열화 원인을 단정하기가 매우 어렵습니다. 따라서 구조 파괴가 일어나지 않은, 절연 파괴 직전의 열화 위치를 가시화하는 것이 중요한 핵심 과제였습니다.

A. HALT 시험을 통한 열화 샘플 제작

 

교세라는 실사용 환경보다 가혹한 조건에서 열화를 가속시킬 수 있는 **HALT 시험(Highly Accelerated Life Test)**을 활용했습니다.

 

• HALT 시험은 신뢰성 평가의 하나로, 수명 예측 및 열화 위치 평가에 이용됩니다.

• 열화 샘플은 전류 변화율이 급격히 상승하여 파괴에 이르기 직전의 포인트에서 HALT 시험을 의도적으로 중단하여 제작되었습니다. 이 방법으로 구조 파괴 없이 국소적으로 열화된 샘플을 얻을 수 있습니다.

B. 국소 열화층 특정 및 면 내 열화 위치 조사

1. 열화층 특정: 제작된 열화 샘플의 단자 전극을 깎아내어 내부 전극을 노출시킨 후, 저항값을 측정하여 절연 파괴 없이 국소적으로 열화된 층을 특정했습니다.

2. 면 내 조사 절차: MLCC 내부 면 내의 열화 위치를 조사하기 위해 다음 절차를 거쳤습니다:

    ◦ 가공: 열화 위치 근처까지 가공합니다.

    ◦ 검출: IR-OBIRCH (IR-오버크) 방법을 사용하여 저저항의 열화 위치를 검출합니다.

    ◦ 단면 가공 및 관찰: 검출된 열화 위치를 **FIB(Focused Ion Beam)**를 이용해 단면 가공하고, SEM(주사전자현미경) 또는 **TEM(투과전자현미경)**을 사용하여 열화 위치의 미세 구조 상태를 관찰하여 정상 부위와 비교 조사합니다.

 

3. 미세 구조 가시화 사례 및 수명과의 상관관계 분석

 

 

A. 단시간 고장 및 마모 고장 영역의 원인 규명

미세 구조 관찰을 통해 다음과 같은 열화 원인들이 밝혀졌습니다:

• 단시간 고장(短時間故障): 유전체 부위가 국소적으로 얇아진 것이 단시간 고장을 유발하는 사례가 있음이 판명되었습니다.

• 마모 고장 영역(摩耗故障域): 자기(磁器) 내부의 입자 크기가 불균일함이 확인되었습니다 (흰색 화살표 부분). 이는 자기 내부의 불균일성이 수명에 편차를 발생시키는 요인임을 시사합니다.

B. 유전체 내 미세 구조와 수명의 상관관계

교세라는 소성 온도가 다른 두 종류의 MLCC(Lot A, Lot B)를 비교하여 소성 온도가 미세 구조에 변화를 가져오고 이것이 수명에 기여했다고 추정했습니다.

1. 조대 입자(粗大粒子)와 최소 입자 수 분석:

• SEM 관찰 결과: 절연 파괴 직전의 열화 위치를 SEM으로 관찰한 결과, Lot A와 B 모두 정상 부위에서는 조대 입자가 확인되지 않았지만, 열화 위치에서는 사진의 흰색 화살표와 같이 0.3 μm 이상의 조대 입자가 다수 존재함이 확인되었습니다.

• 상관관계 분석: 단순히 조대 입자의 수만으로는 수명과의 명확한 상관관계를 설명할 수 없었기 때문에, 유전체 1층당 입자 수를 새로운 지표로 검토했습니다.

• 핵심 발견: 유전체 층 간의 단위 두께당 최소 입자 수와 HALT 수명(170∘C, 45V) 간의 상관관계를 조사한 결과, 최소 입자 수가 증가하여 정상 위치에 가까워질수록 수명이 길어지는 대체로 양호한 상관관계가 확인되었습니다.

• 결론: 이 가시화 결과는 국소적인 입자 수의 감소가 열화를 가속화하고 수명을 저하시키는 중요한 인자 중 하나임을 명확히 밝혔습니다.

 

2. 첨가 원소의 확산 상태 분석 (TEM-EDX):

• 단순히 입자 수 외에 다른 요인도 수명에 영향을 줄 수 있다는 흥미로운 결과에 따라, 교세라는 열화 위치의 조대 입자에 대해 TEM-EDX를 이용한 원소 조성 분포를 조사했습니다.

• 분석 대상 원소: Dy(디스프로슘)는 해당 시제품의 첨가 원소 중 하나로, 산소 공공 이동 억제에 효과가 있다고 알려져 있습니다.

• TEM-EDX 결과: 입자 수가 5개인 샘플을 추출하여 분석한 결과, Lot A와 Lot B 모두 입계 근방에서는 Dy가 고농도로 존재했습니다.

    ◦ Lot A: 입계에서 수십 nm 떨어진 입자 내부에서도 Dy의 확산이 확인되었습니다.

    ◦ Lot B: 입계에서 50 nm 떨어진 위치에서는 Dy의 확산이 거의 보이지 않았습니다.

• 시사점: 이는 유전체 층 내의 최소 입자 수가 수명에 기여하는 것 외에도, 열화 위치의 조대 입자 내 희토류 원소(Dy)의 확산 고용 상태, 즉 셸(Shell) 상태의 차이도 수명에 영향을 미치는 요소임을 시사합니다.

 

4. 결론 및 향후 계획

교세라는 고신뢰성 MLCC 개발을 위해 다음과 같은 평가 분석 기술 성과를 달성했습니다:

1. 가시화 기법 확립: 절연 파괴를 일으키지 않고 열화 위치를 유지한 상태로 가시화하는 기법을 확립했습니다.

2. 마모 고장 요인 확인: 마모 고장의 요인으로 유전체 내부의 불균일성을 확인했습니다.

3. 수명과의 상관성 규명:

    ◦ 유전체 두께당 입자 수로 규격화했을 때 수명과의 상관성이 있음을 확인했습니다.

    ◦ 더불어, 큰 입자 내부의 첨가 원소 확산 상태 또한 수명에 기여함을 시사했습니다.

이러한 분석 결과를 바탕으로 실제로 조대 입자의 저감 개선을 수행한 결과, 마모 고장 부위의 수명이 연장되는 것이 확인되었습니다.

교세라는 이처럼 지금까지 볼 수 없었던 현상을 가시화하는 평가 분석 기술을 활용하여, 고신뢰성 유전체 재료 설계에 효율적으로 적용함으로써 더욱 고품질의 MLCC 개발을 지속적으로 추진할 계획입니