(2012)전장용 세라믹 콘덴서의 개발동향과 재료 설계(車載用セラミックコンデンサの開発動向と材料設計)
Ceramics Japan 47(6), 417-421, 2012-06-01
Nakamura Tomoyuki
1. 서론
저항, 콘덴서, 인덕터는 비교적 수수한 존재로 생각되기 쉬운 수동부품이지만, 실제로는 최첨단 전자기기에 없어서는 안 될 것들이다. 특히, 최첨단 반도체 디바이스에 있어, 적층 세라믹 콘덴서는 매우 중요한 것이다. 이 콘덴서가 없다면, 정상적인 작동을 기대할 수 없다. 세라믹 콘덴서는 반도체 디바이스에 필요한 동력 공급의 서포트 및 오작동과 성능열화의 원인이 되는 노이즈 제거라는 중요한 역할을 담당하고 있다
한편, 저탄소 사회를 위해, 인간과 지구친화적인 환경성능을 추구하는 자동차를 지향하여, 전자화 및 전동화로의 대응이 진행되고 있다. 세라믹스가 가진 내열성을 살린 고신뢰 전자부품으로 자동차 전자제어화 및 기전일체화에 공헌해 갈 것으로 기대되고 있다. 전장용 세라믹 콘덴서는 민간제품용 범용품에 비해 신뢰성에 대한 요구가 매우 엄격하다.
구체적으로는 격렬한 진동 및 100°C을 넘는 고온 등 과혹한 사용 환경에 견딜 수 있는 고신뢰성, 장기간 사용에 견딜 수 있는 뛰어난 내구성, 만일 고장이 났을 때에도 인명을 보호할 수 있는안전성이 요구된다. 그 때문에, 신뢰성, 내구성, 안전성 확보를 위해 다양하게 고안된 콘덴서가 제안되고 있다. 본 글에서는, 전장용도의 세라믹 콘덴서 현황과 개발동향에 대하여, 재료 설계와 함께 소개 하도록 한다.
2. 전장용 세라믹 콘덴서
전장 어플리케이션 가운데, 엔터테이먼트 기기 및 정보기기 등에는 범용품으로 대응되는 경우가 많으나, 파워트레인계·안전계·제어계에는 전장용으로 특화된 콘덴서를 사용하는 것이 바람직하다. 일반 전자기기용 세라믹 콘덴서에서, 사용 온도 범위의 상한은 85°C 및 105°C로, X5R 규격 및 X6S 규격(EIA 규격/X5R: 온도범위 -55~85°C, 정전용량 변화율 ±15% 이내, X6S: 온도범위 -55~105°C, 정전용량 변화율 ±22% 이내)의 유전특성과 절연저항 유지가 요구되는데, 전장용으로는, 125°C 보증품인 X7R 규격 대응(EIA 규격: 온도범위 -55~125°C, 정전용량 변화율 ±15% 이내)이 주류이다
세라믹 콘덴서의 유전체 소자 두께를 얇게 하면 유전체 소자에 걸리는 전계 강도가 커진다. 정전용량 Up 때문에, 소자를 박층화하더라도 높은 신뢰성을 유지하기 위해서는, 내압이 높고, 절연저항의 열화를 억제할 수 있는 유전체 재료 설계가 필요하다.
유전체 재료에는 코어쉘 구조를 갖는 티탄산바륨계 재료가 사용되고 있다. 그림 1 과 같이 코어쉘 구조란 하나의 입자 내에서 강유전성을 나타내는 티탄산바륨 코어상과, 여기에 희토류 원소 등이 확산된 쉘상이 하나의 결정입내에 공존하고 있는 구조를 말한다. 희토류 원소는 코어상과 쉘상의 체적비를 조정하여 유전율의 온도의존성을 평탄화한다. 코어쉘 구조를 갖는 유전체재료는, 고신뢰성 재료이기도 하다 고온, 고전계 하에서의 절연저항의 열화는, 유전체재료의 결정격자 속에 존재하는 산소공공(void)이 고온, 고전계에 의해 이동하여, 전하의 치우침과 입계 전위장벽의 저하를 초래함으로써 일어나는 것으로 알려져 있다.
또한, 티탄산 바륨계 재료에 희토류 원소를 첨가함으로써, 고온, 고전계에서의 산소공공의 이동이 억제되어, 신뢰성이 향상된다고 알려져 있다. 코어쉘 구조의 유전체재료에서, 쉘상으로 확산시키는 희토류 원소의 종류을 변화시켰을 때의 고온, 고전계 하에서의 누설전류의 유지변화는 그림 2 와 같다. 희토류 원소의 종류에 따라 수명시간이 달라지고 있다. 희토류 원소의 종류에 따라 쉘상으로의 확산 상태가 다르기 때문에, 신뢰성에 차이가 나는 것으로 해석되고 있다. 이와 같이, 코어쉘 구조의 유전체재료에서는, 희토류 원소의 확산상태 제어가 유전체재료 설계에서 상당히 중요하며, 이것을 적정화시킨 고신뢰성 재료가 전장용으로 사용되고 있다.
3. 전장용 세라믹 콘덴서의 개발 동향
3.1 열적·기계적 충격 대책
세라믹 콘덴서는 세라믹과 금속만으로 구성되어 있으므로 화학적으로 안정하며, 다른 콘덴서에 비해, 다양한 면에서 신뢰성이 높다. 그러나, 세라믹스이기 때문에 충격에 약하다는 약점이 있다. 예를 들면, 진동이 가해지면, 프린트기판이 굽어져, 표면에 실장된 세라믹 콘덴서에 응력이 가해진다. 이 때 응력이 집중되는 금속전극과 세라믹 접속부에서 크랙이 발생할 우려가 있다(그림3). 이 크랙에 의해, 단자간 단락(쇼트)이 발생하고, 대전류가 흐르게 되면 고장난 소자가 발열하여,
최악의 경우에는 발화에까지 이른다. 이렇게 되면 인명 사고를 초래 할 수도 있다. 그 때문에, 격렬한 진동에 의해 세라믹 콘덴서 본체에 크랙이 발생했을 때에도 단자간의 단락을 방지하는 기능을 도입한 구조가 고안되고 있다(그림 4)
일반적인 세라믹 콘덴서(그림 4(a))에서는, 세라믹 양 끝의 Cu 전극에 직접 Sn/Ni 도금되어 있는 것에 비해, 그림 4(b)의 구조는 세라믹의 양 끝에 있는 전극을 각각 도전성 수지로 싼 다음에, 그 표면에 Sn/Ni 을 도금하고 있는 것이 특징이다. 이렇게 함으로써, 단자에 응력이 가해졌을 때, 크랙이 발생하기 전에 도전성 수지와 금속전극이 박리되도록 하고 있다
두 번째는, 콘덴서 양끝의 내부전극이 겹쳐져 있지 않은 부분(L 갭)의 치수를 길게 만든 구조를 갖는 품종이다(그림 4(c)). 즉, 크랙이 발생하기 쉬운 부분은, 전극이 겹쳐지지 않도록 하고 있다. 이로 인해 크랙이 발생했을 때에 단락에 이르는 것을 방지하고 있다.
세 번째는, 2 소자 직렬구조이다(그림 4(d)). 내부의 전극 배치를 강구하여, 하나의 소자 내에 직렬 접속된 2 개의 콘덴서를 도입한 구조이다. 즉, 2 개의 콘덴서가 옆으로 나란히 있는 형태로 되어 있다. 이렇게 해두면, 어느 한 쪽 단자에서 크랙이 발생하더라도, 다른 한 쪽의 콘덴서가 무사하다면 콘덴서 전체가 단락되는 사태를 피할 수 있다
이 외 금속단자를 부착함으로써 크랙 발생 그 자체를 억제한 구조도 고안되어 있다(그림 5). 특히, 대형 사이즈인 세라믹 콘덴서의 경우, 심한 온도변화에 따른 기판의 팽창신축 응력을 받기 쉬우므로, 장시간 열 충격에 노출되는 조건 하에서는, 크랙 대책이 필수불가결하다. 또한 진동 및 기계적 충격에 의해 발생하는 크랙의 대책도 필요하다. 그래서, 탄성작용을 갖는 금속단자를 부착함으로써, 콘덴서 소체로의 충격을 경감시키고 있다
3.2 스페이스 절약을 위한 고온보증화
최근, 기존에 비해 고온조건 하에서의 작동보증이 더욱 요구되고 있다. 이는 자동차의 거주공간 확대 및 전자화 증가에 따른 ECU 탑재 스페이스 삭감에 동반하여, 엔진룸과 기아박스와 같은, 차체 중에서도 특히 고온이 되는 장소에 전자회로를 직접 실장하는 기전일체화 움직임이 진행되고 있기 때문이다. 본 글에서는, 150°C 사용까지 견딜 수 있는 X8R 규격(EIA 규격: 온도범위 -55~150°C, 정전용량 변화율 ±15% 이내)의 세라믹 콘덴서에 요구되는 정전용량의 온도 안정화 및신뢰성 향상에 대하여 서술하도록 한다
티탄산바륨은 125°C부근에 상유전=강유전 상전이가 존재하며, 상유전상 영역에서는, 급격하게 유전율이 저하된다. 이 상전이온도(큐리점)를 고온화할 수 있으면, 보다 온도 특성이 뛰어난 유전체재료의 실현이 가능해진다. 그림 6 은 CaO 을 첨가했을 경우의 티탄산바륨 유전율의 온도의존성을 나타낸 것이다. CaO 첨가에 의해 온도의존성 피크가 브로드화되어, 큐리점이 상승하는 것을 알 수 있다. 이 샘플의 조성은 순수한 티탄산바륨이 아닌, 내환원성 부여를 위한 MnO 및 소결조제로서 작용하는 SiO2 을 첨가한 조성에다가 CaO 을 첨가한 것이다.
또한, 정전 용량 변화를 억제하기 위해 Dy2O3 및 MgO 을 첨가했을 경우의 유전율 변화율의 온도의존성을 그림 7 에 나타냈다. 이들 원소를 첨가함에 따라 코어쉘 구조가 형성되는데, 이로 인해 유전율 변화가 억제되고 있는 것을 알 수 있다. 특히 큐리점의 유전율 피크가 더욱 브로드화됨과 동시에, 큐리점 이상의 영역에서 유전율 저하가 억제되고 있다는 점이 중요하다. 그림 7 로부터 알 수 있듯이, 조성 적정화에 의해, X8R 특성을 만족시키고 있다. CaO 첨가에 따른 온도특성의 변화 메커니즘은 명확하지 않다. 추정하기로는, CaO 을 첨가함에 의해 입내와 입계의 격자 체적이 수축하는데, 그 수축 정도가 입내와 입계에서 달라, 입계가 입내에 미치는 응력 크기가 변하기 때문인 것으로 추측되고 있다. 일반적으로, 고온, 고전계 하에서의 절연저항의 저하억제에 입계가 크게 기여하고 있는 것으로 알려져 있다 .
한편, 신뢰성을 더욱 향상시키기 위해서는, 입내의 절연저항 저하를 억제하는 것도 중요하다. 그림 8 은 티탄산바륨에 CaO 을 첨가했을 경우의 신뢰성 시험 결과이다. CaO 을 첨가함에 따라 절연저항 저하에 필요한 시간이 몇 배나 길어지는 것을 알 수 있다. 다양한 CaO 첨가량 샘플의 평균 고장 시간으로 아레니우스 도표(Arrhenius plot)를 작성하여, CaO 첨가량과 활성화 에너지의 관계를 조사했다. 그 결과, CaO 첨가량이 증가함과 동시에 활성화 에너지가 증가하는 것을 알 수 있었다. 이것은 CaO 첨가량이 증가하면 산소공공의 이동도가 저하되든지, 혹은 산소공공의 양이 적어진다는 것을 나타내고 있다. 이와 같이, 예를 들어, 입내에 CaO 을 첨가함으로써, 입내 절연저항의 열화를 제어하는 것이 가능해지며, 기존의 티탄산바륨보다 고신뢰성인 유전체 세라믹 소자를 얻을 수 있게 된다. 이런 식으로, 150°C까지 사용 가능한 세라믹 콘덴서를 얻고 있다.
3.3 파워트레인계의 전동화
하이브리드 자동차(HEV) 및 전기자동차(EV), 연료전지차(FCEV), 플러그인 하이브리드(PHEV)의 출현으로 자동차의 전동화가 진행되어, 콘덴서 고전압 용도가 넓어지고 있다. 현황 가솔린 차에서는, 200V 을 넘는 용도가 거의 없으나, 향후, 200V 이상에 대응하는 콘덴서의 수요가 증가할 것으로 보인다.
이들 용도에, 위에서 서술한 전장용 세라믹 콘덴서를 적용할 수 있는데, 모터 구동용 인버터 등의 평활 용도 콘덴서에 있어서는, 고전압 하에서 큰 정전용량이 필요하기 때문에, 대형 타입의 콘덴서가 개발되고 있다. 그림 9 에 대상 영역과 외관의 한 예를 나타냈다. 열적·기계적 충격에 대한 높은 접합성 때문에, 여기에서도 특수한 금속단자 구조가 채용되어 있다 모터 구동 인버터 등의 용도에서, 콘덴서에 요구되는 성능은, 직류 전압 인가 시의 실효적인 일정용량을 확보하는 것과, 큰 허용 리플전류를 실현하는 것이다. 후자에 관해서는, 그림 10 과 같이, 발열량을 방열량 이하로 억제할 필요가 있다. 그러나, 기존의 티탄산바륨을 사용하는 세라믹 콘덴서에서는, 이 두 가지의 요구를 균형있게 대응하기가 어려웠었다. 직류 전압 인가 시의 용량 저하가 커지거나, 유전 손실에 의한 발열이 커져버리거나 한다. 그래서 전용 세라믹 재료를 개발함으로써, 두 가지 특성의 양립을 실현했다 . DC 바이어스 인가 시의 용량 저하와 유전손실에 의한 발열을 억제하기 위해, 그림 11 의 개념도와 같이, 유전율을 저하시키는 한편 손실이 작은 상유전상을 이용하는 것이 고려되고 있다.
티탄산바륨의 상유전상을 이용하기 위해, 희토류 원소와 Mg 을 다량 첨가하는 방법이 강구되었다. 희토류 원소의 종류에 따라, 티탄산바륨으로의 고용되기 쉬운 정도가 다른데, Gd 등의 효과적인 원소가 존재한다. 그림 12 은 본 재료를 이용한 세라믹 콘덴서와 다른 이종 콘덴서의 자기(自己) 발열특성을 비교한 것으로, 세라믹 재료의 저손실화로 인해, 다른 것들보다 뛰어난 발열특성이 얻어지고 있다. 덧붙여, 본 재료는 고온, 고전계 하에서의 신뢰성 향상에 효과적인 희토류 원소를 많이 포함하고 있기 때문에, 신뢰성에도 뛰어나다. 향후, 이른바 파워 일렉트로닉스 분야에 있어서는, 본 재료와 같이, 유전율 및 손실을 낮게 억제하여, 실효용량과 발열특성이 뛰어난 재료가 점점 더 필요해질 것으로 생각된다.
4. 미래를 위하여
지금까지 전장용 콘덴서에 대하여 서술해 보았다. 자동차에 이용되는 다양한 파트의 전동화·전자화는 더욱 가속화되어, 콘덴서의 수요는 증가할 것이다. 콘덴서에 대한 요구사양이 더욱 엄격해져, 한층 더 업그레이드된 대용량화·고온보증화·고전압/대전류 대응, 그리고 격렬한 열적·기계적 충격에 견딜 수 있어야 한다
세라믹 콘덴서에서는, 유전체 세라믹뿐만 아니라, 내부전극 재료 및 외부전극 재료 등의 다른 재료도 중요하며, 이들을 콘덴서로 만드는 가공 프로세스 역시 매우 중요하다. 이들을 검토해 감으로써, 보다 고성능인 세라믹 콘덴서가 개발되어, 시장 needs 에 대응해 갈 것으로 기대된다