제2장 적층 세라믹 콘덴서의 특성과 용도

서론

 

최근, 전자기기의 소형 경량화에 따라, 면 실장기판이 증가하고, 여기에 실장되어진 칩 부품의 소형, 박형화가 요구되어지고 있다. 전자부품의 하나인 콘덴서는 아날로그, 디지탈, 전자회로에 대량으로, 다종류, 다용도로 이용되고 있다. 적층 세라믹 콘덴서는 면 실장 가능한 칩 부품의 콘덴서로서 세라믹 재료개발이 진행되어 우수한 고주파 특성과 고 신뢰성 등의 특징에 의해, 휴대기기를 중심으로 사용되게 되었다. 그리고 전극재료의 니켈화, 전극 적층기술의 진보에 의해, 다층화, 저 cost화가 진행되어, 콘덴서용량의 대용량화가 가능하게 되었다.

이 때문에 적층 세라믹 콘덴서의 취득 용량의 범위는 탄탈, 알루미늄 전해콘덴서의 용량영역까지 도달하여, 이들의 콘덴서를 치환할 수 있게 되었다. 적층 세라믹 콘덴서는 앞으로 지속적으로 사용용도가 늘어나 신장이 기대되어지는 제품이다.

 

1. 적층세라믹 콘덴서의 특성

 

1. 1 적층세라믹 콘덴서의 주파수 특성에 대하여

 

종래 콘덴서 등가회로의 검토는 그림 1에 표시한 바와 같이 저항, 콘덴서, 인덕터의 직렬등가회로로 되어져 임피던스 값으로 실제의 콘덴서 값과 맞추는 것이 가능하다. 그림 1에 전기 요소의 임피던스 특성과 이들의 직렬접속에 있어서 임피던스 변화의 관계에 대하여 나타내었다. RLC 회로의 직렬접속의 경우 임피던스-주파수 특성은 R과 1/ωC과 ωL의 대소관계에 의해 특성이 결정되어진다. 각 전기요소의 임피던스특성을 합친 것이 직렬 RLC 회로의 특성으로 된다. 특성중에서 임피던스의 최소점은 용량성과 유도성 reactance 값이 같게 되어 reactance값이 상쇄되어져 저항성분으로 된다. 이 주파수가 RLC회로의 공진주파수가 된다. 공진주파수 보다도 낮은 주파수에서는 콘덴서의 거동, 높은 주파수에서는 인덕터의 거동을 나타낸다.

그러나, 실제 세라믹 강유전체로 제작되어진 콘덴서에는 유전 손실이 존재한다. 이 때문에 임피던스 값은 그림 1의 등가회로로 표현될 수 있으며, 저항성분의 주파수 의존성은 표현될 수 없다. 여기에서는 유전손실을 고려하여 집어넣은 등가회로에 대하여 그림 2에 표시하였다. 콘덴서용량은, 형상용량과 유전체의 손실을 고려한 등가회로로 되어있다. 점선으로 감싼 부분의 임피던스는 아래와 같은 의미로서 표현될 수 있다.

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-------- (1)

 

 

이 식에서, 회로 전체의 임피던스 Z는 아래와 같이 정리되어진다.

----- (2)

 

 

 

------ (3)

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식 (3)에서 실수부인 저항성분과 허수부인 reactance 성분을 정리하면 아래와 같이 된다

저항성분(실수부)

------- (4)

 

 

저항성분(허수부)

-------- (5)

 

 

 

이 식을 이용하여 유전체 재료의 유전손실을 고려한 경우의 계산 결과 예와 실제의 적층세라믹 콘덴서 실측치와의 비교 예를 그림 3에 표시하였다. 그림 3a는 비유전율을 일정하게하고 비유전손실을 변화시킨 계산 결과이다. 임피던스 Z는 변화하지 않지만 유전손실을 변화시키면 저항성분이 변화하고, 주파수의 의존성도 변화한다는 것을 알 수 있다. 실제 적층 세라믹 콘덴서 4.7㎌, B특성품에 대한 계산결과를 나타내었다. 공진 주파수보다도 낮은 주파수에서는 임피던스, 저항성분과도 잘 일치하고 있다.

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1.2 콘덴서 종류에 의한 주파수 특성차이에 대하여

 

적층세라믹 콘덴서와 탄탈 전해 콘덴서의 임피던스, R성분의 주파수 특성차이와 각 주파수에서의 전압, 전류파형을 그림 4에 나타내었다. 전해 콘덴서는 주파수가 높아지면 적층세라믹 콘덴서와 같이 임피던스가 저하되지 않는다. 이것은 1.1에서 서술한 바와 같이 주파수에 의존하지 않는 저항성분 Ro가 높기 때문이다. 전해 콘덴서는 편측 전극으로서 전해질을 사용하기 때문에 그 저항이 존재하고, 임피던스 값은 이 저항성분치보다도 저하되지 않는다.

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적층세라믹 콘덴서는 강유전체 재료를 사용하기 때문에 유전손실이 존재하고 주파수에 의존하는 저항성분이 된다. 이와 같이, 전해 콘덴서와 적층 세라믹 콘덴서의 저항성분의 내용에는 큰 차이가 있다. 이 점이 사용상 주의해야 할 점이다.

이상적인 콘덴서의 경우 전류와 전압파형은 90°의 위상차를 가지고 있다. 그림 4에 일정 전류를 흘렀을 때 각 콘덴서의 100KHz와 1MHz에 있어서 전류, 전압 파형을 나타내었다. 탄탈 전해 콘덴서의 경우는 100KHz, 1MHz에서 전류와 전압파형이 동위상이 되어있다. 이것은 임피던스의 내용이 저항성분으로만 되어 있기 때문으로 100KHz이상에서는 탄탈 전해 콘덴서는 저항과 같은 거동을 보여주며, 흐르는 전류는 전부 손실이 되어 열손실이 발생한다.

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이에 비해 적층 콘덴서는 100KHz에서는 90°도의 위상차를 가지고 있고, 콘덴서로서의 기능을 하고 있는 것을 알 수 있다. 그림 5에 적층콘덴서와 탄탈 전해 콘덴서의 ripple전류, 100KHz, 정현파에 의한 발열특성 비교를 나타내었다. 적층 콘덴서와 비교하여 탄탈 전해 콘덴서는 칩 온도 상승이 크다는 것을 알 수 있다. 열 손실 P는

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열손실 P=I2R

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이 되어, 100KHz에서의 저항성분에 의한 열손실의 차이로 인해 이와 같은 칩 온도의 상승특성에 차이가 나는 것이다. 또한, 그림 6에 임피던스, 저항성분-주파수 특성에 대하여 나타내었다. 적층 콘덴서 F특성품과 비교하였다. F특성에서는 그림 6b에 나타낸 것과 같이 온도특성 규격상에서는 1KHz에서 용량이 크게 변화하는 특성을 가지고 있다. 이 것에 대해 탄탈 전해 콘덴서의 용량-온도 특성은 작은 변화를 나타낸다. 그러나 그림 6a에 나타낸 것과 같이 주파수가 올라가면 100KHz이상에서는 전해질에 따른 저항의 온도특성에 의해 임피던스가 크게 변화한다. 온도에 따른 안정성이라는 관점에서는 100KHz에서 사용하는 경우를 고려할 때, 적층 세라믹 콘덴서 F특성품과 탄탈 전해 콘덴서는 같은 수준이라고 말할 수 있다.

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적층 세라믹 콘덴서는 전해 콘덴서와 비교하여 임피던스가 대단히 낮은 특징이 있다. 다음 항에서는 이 특성을 살리는 사용용도에 대하여 서술하겠다.

 

2. 용도와 콘덴서에 요구되는 특성

 

2.1 전원 by-pass콘덴서로의 적층 세라믹 콘덴서

 

콘덴서의 주된 용도인 전원 by-pass콘덴서는 전원라인의 안정화를 위해 이용되고 있다. LSI등 의 동작에 의한 전압변동과 노이즈에 대해, 콘덴서에 축적되어 있는 전하를 충방전함으로써 전류를 보충하고 전압변동을 억제하여 LSI의 오작동방지 역할을 한다. 전원 by-pass콘덴서로서 이용하는 경우 노이즈 흡수성에 대하여 트랜지스터를 사용한 평가회로에 의해, 주파수 1MHz에서의 스위칭에 따른 평가를 행하였다. 그 결과를 그림 7에 표시하였다.

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여기에서는 용량이 다른 각종콘덴서를 사용하여 평가하였다. 여기에 나타내었듯이 적층 세라믹 콘덴서가 다른 전해 콘덴서보다도 전압 변동이 작음을 알 수 있다. 이것은 임피던스-주파수 특성에 있어서 노이즈 주파수에서의 임피던스 값이 중요하며, 노이즈 흡수성은 임피던스가 작을수록 충방전이 쉬워 전압 변동을 억제할 수 있다. 용량이 아니라 억제하고 싶은 전압 변동의 주파수 대역에서 임피던스가 작은 것이 필요하며 적층 세라믹 콘덴서에 있어서 저 임피던스라는 특징이 전원 by-pass 콘덴서로서 우수한 특성을 발휘한다는 것을 나타내고 있다.

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2.2 DC/DC 컨버터의 입출력 콘덴서로서의 적층 세라믹 콘덴서

 

DC/DC컨버터의 기술개발 동향은 보다 소형화, 보다 고효율화로 진행되고 있다. 소형화를 위해 스위칭 주파수의 고주파화가 진행되고 있다. 고주파화에 이용되어지는 코일과 콘덴서의 값을 낮게 할 수 있기 때문에 소형화가 가능하다. 전자기기에 있어서 사용전압은 종류가 많아지고 있다. 액정표시에 사용되는 전압, 센서에 사용되는 전압, CPU코어 전압 등, 그 종류는 앞으로도 증가되는 방향으로 진행 되어 이것들의 전압을 공급하기 위해 단일전압으로부터 각 전압을 승압,강압하는 전압변환이 필요하게 된다. 또한, 배터리 수명의 장수명와, 저소비 전력화 등으로부터 고효율의 전압변환이 필요하게 된다. 스위칭을 함으로써 효율을 높이려는 컨버터의 소형화는 금후에도 계속 진행되어질 것이다.

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그림 8에 DC/DC 컨버터의 강압 type의 입력, 출력 콘덴서의 필요한 용량과 ESR(등가직렬저항)의 일반적인 계산식을 나타내었다. 입력콘덴서로서 필요한 특성은 스위칭에 의한 ripple전류에 의해 발열하지 않는 것이 필요하다. 최대 ripple전류를 허용하면서 스위칭에 의한 전압변동을 입출력 측에 나오게 하지 않는 것이 필요하다. 그림 5에서 나타낸 것과 같이 콘덴서는 전류에 의해 발열을 일으킨다. 이 칩의 온도상승을 억제할 수 있는 콘덴서를 선택하는 것이 우선 필요하다. 게다가 입력 측으로부터 나오는 허용할 수 있는 전압변동을 콘덴서의 용량에 기인하는 전압변동과 ESR에 기인하는 전압변동으로 배분하는 콘덴서를 선택할 필요가 있다. 이 때문에 선택되어진 콘덴서는 콘덴서가 가지고 있는 용량 ,ESR, 그리고 흐르는 전류치에 의한 발열을 허용할 필요가 있다.

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탄탈 전해 콘덴서를 선택하는 경우에는 그림 5에 나타낸 것과 같이 칩의 온도상승이 대단히 크게 된다. 이 때문에 허용 ripple전류가 높고 ESR이 낮은 콘덴서를 선택하면 용량과 정격전압이 높아지게 되어 필요이상의 용량, 정격전압의 콘덴서를 선택하게 된다. 적층 세라믹 콘덴서의 경우에는 ESR이 아주 작기 때문에 온도상승도 작고, 이 때문에 필요한 용량에 따라 콘덴서를 선택할 수 있다. 출력 콘덴서는 정상적인 부하와 과도한 부하 양쪽을 만족시킬 필요가 있다. Ripple전류는 코일에 흐르는 전류치로 되어 입력 콘덴서의 Ripple전류 치보다도 작게 된다. 허용할 수 있는 출력 전압변동을 용량에 기인하는 전압과 ESR에 기인하는 전압으로 나누어, 이것을 양쪽을 만족하는 콘덴서를 선택할 필요가 있다. 출력콘덴서에서는 또한 과도적인 전압변동에 대하여 전압 drop을 규정하여 필요용량을 계산한다. 그림 9에 DC/DC 컨버터에서의 적층 세라믹 콘덴서(MLCC)와 탄탈 전해 콘덴서를 비교한 예를 나타내었다. 정상상태일 때의 출력 ripple전류치는 작게 됨에도 불구하고 전체 용량치는 낮게 되어있다. 이것은 ESR치의 차이에 의한 것이다.

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이상과 같이 적층 세라믹 콘덴서는 갖고 있는 저항성분이 대단히 작기 때문에 DC/DC 컨버터의 입출력 콘덴서로서는 최적이며 스위칭 주파수의 고주파화에 의해 앞으로도 더욱 사용되어 지는 기기가 증가할 것이다.

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적층세라믹콘덴서의 개발과 재료기술 및 고신뢰성화, 기술정보협회, 2000