[논문]고압 적층 칩 캐패시터의 유전체 두께 및 내부전극 형상에 따른 AC, DC 절연 파괴 특성

윤중락; 김민기; 이석원

doi:10.4313/jkem.2008.21.12.1118

고압 적층 칩 캐패시터의 유전체 두께 및 내부전극 형상에 따른 AC, DC 절연 파괴 특성
The AC, DC Dielectric Breakdown Characteristics according to Dielectric Thickness and Inner Electrode Pattern of High Voltage Multilayer Ceramic Capacitor 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.21 no.12, 2008년, pp.1118 - 1123

윤중락 (삼화콘덴서공업(주) 부설연구소) , 김민기 (삼화콘덴서공업(주) 부설연구소) , 이석원 (호서대학교 시스템제어공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

High voltage multilayer ceramic capacitors (MLCCs) are classified into two classes-those for temperature compensation (class I) and high dielectric constant materials (class II). We manufactured high voltage MLCC with temperature coefficient characteristics of C0G and X7R and studied the characteristics of electric properties. Also we studied the characteristics of dielectric breakdown voltage (V) as the variation of thickness in the green sheet and how to pattern the internal electrodes. The dielectric breakdown by electric field was caused by defects in the dielectric materials and dielectric/electrode interface, so the dielectric thickness increased, the withstanding voltage per unit (E) thickness decreased. To overcome this problem, we selected the special design like as floating electrode and this design affected the increasing breakdown voltage(V) and realized the constant withstanding voltage per unit thickness(E). From these results, high voltage application of MLCCs can be expanded and the rated voltage can also be develop.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

또한, 기존의 보고에 따르면 유전체의 두께가 증가할수록 단위두께당 내전압(E)이 감소하고 원료 및 공정에 따라 최적의 유전체 두께가 있어 이를 고려한 설계가 진행되고 있다[4]. 따라서 본 논문에서도 내부전극 설계와 유전체 두께에 따른 절연파괴전압을 검토하고 이를 적용하여 고전압 캐패시터의 개발 가능성을 검토하고자 한다.
내환원 조성의 대표적인 조성으로는 C0G 특성은 CaZrO₃계 조성이 주로 적용되며 X7R의 경우 BaTiO₃ 계가 주로 적용된다. 본 논문에서는 기존의 연구 결과로부터 얻은 유전체 조성을 적용하여[2,3] 고압용 캐패시터로 적용시 유전체 두께에 따른 AC, DC 내전압 특성을 연구하고자 한다. 또한, 기존의 보고에 따르면 유전체의 두께가 증가할수록 단위두께당 내전압(E)이 감소하고 원료 및 공정에 따라 최적의 유전체 두께가 있어 이를 고려한 설계가 진행되고 있다[4].

제안 방법

C0G 유전체 조성은 (Ca_0.7Sr_0.3)(Zr_0.97Ti_0.03)O₃ 를 주조성으로 하고 전기적 특성 개선을 위하여 MnO₂, Al₂O₃를 첨가하였으며 소결온도 저하 및 절연저항 향상을 위하여 (Ba_0.4Ca_0.6)SiO₃ 유리프릿을 첨가하였다. 분말의 입도 (D₅₀)는 0.
절연파괴전압(V)은 단자간 표면방전을 방지하기 위하여 절연유속에서 행하였으며 내전압 측정기(TOS5101, Kikusui, Japan)로 측정하였다. DC 절연파괴 전압 측정시 100 V/sec로 전압을 승압하였으며 제한전류는 1 mA로 하였으며 AC 전압 측정은 60 Hz, 100 V/sec 조건으로 측정하였다.
유전체의 전기적 특성은 1270 ℃ 소결 온도에서 유전율 32, 품질계수 (Q) 2,600, 절연저항 2,000 GΩ 이상이고 온도특성은 -55 ～ 125 ℃ 온도범위에서 용량변화율이 ± 30 ppm/℃을 만족하였다. X7R 유전체 조성은 분말의 입도 (D₅₀)가 0.4 ㎛이고 수열합성법으로 제조된 BaTiO₃ 를 주조성으로 하고 전기적 특성 개선을 위하여 MgO, Y₂O₃, MnO₂, Er2O₃를 첨가하였다. 또한, 소결온도 저하 및 절연저항 향상을 위하여 (Ba_0.
고압용 적층 칩 캐패시터 제조는 일반적인 적층 칩 제조 공정을 적용하였으며 그린시트 제작을 위하여 톨루엔/에탄올 용매, 유전체 분말, PVB 바인더(Sekisui, BM-SZ)와 DOP (DC Chemical)를 첨가하여 바스켓 밀을 적용하여 슬러리를 제작하였다. 제작된 슬러리를 3 ㎛ 필터링한 후 닥터블레이드법을 적용하여 소결 후 10, 25, 50, 70 ㎛의 두께가 되도록 그린시트를 제작하였다.
4 ㎛이고 수열합성법으로 제조된 BaTiO₃ 를 주조성으로 하고 전기적 특성 개선을 위하여 MgO, Y₂O₃, MnO₂, Er2O₃를 첨가하였다. 또한, 소결온도 저하 및 절연저항 향상을 위하여 (Ba_0.4Ca_0.6)SiO₃ 유리프릿을 첨가하였다. 최종 분말의 입도 (D₅₀)는 0.
0 mm이 되도록 절단하였으며 바인더 탈지는 260 ℃에서 48시간 행하였다. 소결 조건은 소결온도 1270 ℃에서 2시간하였으며 산소분압은 N₂/H₂를 조절하여 Po2 = 10^-11 Mpa으로 하였으며 절연 저항 및 신뢰성 향상을 위하여 산소 분압 Po2 = 10^-7 Mpa에서 1000 ℃, 2시간 재열처리 하였다. 외부전극 형성은 Cu를 이용하였으며 환원분위기에서 800 ℃, 10분간 소성 한 후 Ni, Sn 도금하였다.
적층 칩 캐패시터의 미세구조를 확인하기 위하여 SEM 분석을 하였으며 정전용량, 손실은 LCR 측정기(HP4278A, HP,USA)로 1 V, 1 MHz 조건하에서 측정하였다. 절연파괴전압(V)은 단자간 표면방전을 방지하기 위하여 절연유속에서 행하였으며 내전압 측정기(TOS5101, Kikusui, Japan)로 측정하였다.
적층 칩 캐패시터의 미세구조를 확인하기 위하여 SEM 분석을 하였으며 정전용량, 손실은 LCR 측정기(HP4278A, HP,USA)로 1 V, 1 MHz 조건하에서 측정하였다. 절연파괴전압(V)은 단자간 표면방전을 방지하기 위하여 절연유속에서 행하였으며 내전압 측정기(TOS5101, Kikusui, Japan)로 측정하였다. DC 절연파괴 전압 측정시 100 V/sec로 전압을 승압하였으며 제한전류는 1 mA로 하였으며 AC 전압 측정은 60 Hz, 100 V/sec 조건으로 측정하였다.
고압용 적층 칩 캐패시터 제조는 일반적인 적층 칩 제조 공정을 적용하였으며 그린시트 제작을 위하여 톨루엔/에탄올 용매, 유전체 분말, PVB 바인더(Sekisui, BM-SZ)와 DOP (DC Chemical)를 첨가하여 바스켓 밀을 적용하여 슬러리를 제작하였다. 제작된 슬러리를 3 ㎛ 필터링한 후 닥터블레이드법을 적용하여 소결 후 10, 25, 50, 70 ㎛의 두께가 되도록 그린시트를 제작하였다. 내부전극으로 Ni을 인쇄하였으며 내부전극은 20층으로 하여 적층, 압착하였다.

대상 데이터

최종 분말의 입도 (D50)는 0.4 ～0.5 ㎛로 조절하였으며 분말의 비표면적은 4.5±0.5m2/g이다.

성능/효과

(1) C0G 특성의 원료가 X7R 원료보다 단위 두께당 내전압이 높으며 AC 전압 산포도 적음을 확인 할 수 있었다.
(2) 고압용 캐패시터 설계에 있어 전극간의 절연거리는 유전체 두께를 두껍게 하는 것보다는 전극 패턴 설계를 통하여 절연거리를 확보하는 것이 절연파괴전압을 증가시킬 수 있음을 확인하였다.
(3) AC용 고압 적층 칩 캐패시터 설계에 있어 X7R 원료에 비해 C0G 특성의 원료가 절연파괴전압이 우수함을 확인 할 수 있었으며 유전 손실이 적을수록 고전압에 유리함을 확인하였다.
3844 DC BDV(kV)로 C0G 특성에 비하여 AC 절연파괴 전압이 급격히 감소됨을 볼 수 있다. 또한, X7R 특성에서 DC 및 AC 절연파괴 전압 산포가 크게 나타남을 볼 수 있으며 이와 같은 결과는 C0G 특성에 비하여 상대적으로 큰 결정립 크기, 기공에 의한 것과 기공에 의한 유전율에 비해 상대적으로 큰 유전율에 전계가 집중되어 절연파괴 전압의 산포가 증가된 것으로 판단된다.
유전체의 전기적 특성은 1270 ℃ 소결 온도에서 유전율 2,700, 유전손실 (tanδ) 0.4 %, 절연저항 1,500 GΩ 이상의 전기적 특성을 나타냈으며 온도특성은 - 55 ～ 125 ℃ 온도범위에서 용량 변화율이 ± 15 ppm/℃을 만족하였다.
유전체의 전기적 특성은 1270 ℃ 소결 온도에서 유전율 32, 품질계수 (Q) 2,600, 절연저항 2,000 GΩ 이상이고 온도특성은 -55 ～ 125 ℃ 온도범위에서 용량변화율이 ± 30 ppm/℃을 만족하였다.
일반적으로 세라믹 캐패시터에서 AC 절연파괴는 열을 동반하는 열적 파괴가 주를 이루므로 C0G에 비하여 X7R 특성이 교류 전류가 적게 흘러 AC 절연파괴 전압이 높아야 하나 반대 경향을 보인다. 이와 같은 결과 AC 절연파괴에서도 전류에 의한 파괴보다는 유전재료의 특성이 더 크게 작용함을 보여주고 있다. X7R 특성에서 교류전류가 400 V ～ 1100 V구간에서 포화현상을 보이는 것은 전압에 따른 용량 변화값이 포화되었다는 것을 의미하며 AC 절연파괴 전압이 낮아지는 것은 고전계하에서 BaTiO₃의 결정 구조가 바뀌면서 응력의 분포의 불균일과 이에 따른 불균일한 전계에 의해 나타나는 결과로 판단된다.
3 kV보다 낮은 값을 나타남을 볼 수 있다. 이와 같은 결과에 앞에서도 설명하였듯이 강유전체 재료에 도메인 및 결정 구조 변화에 의한 것으로 예상되며 고용량이면서도 고압 특성을 가지는 고압용 적층 칩 캐패시터 제작을 위해서는 칩의 크기를 증가시키면서 floating 수를 같이 증가시켜야 함을 확인 할 수 있다.
floating수가 증가 할수록 유전체의 두께도 같이 증가하지만 그림 2의 결과와 달리 단위 두께당 내전압(E)은 감소하지 않고 일정한 값을 가지고 절연파괴 전압(V)은 어느 두께 이상에서 포화되는 그림 2의 결과에 달리 직선적으로 증가함을 볼 수 있다. 이와 같은 현상은 C0G, X7R 특성에서 동일하게 나타나며 C0G 특성에서 8 floating하는 경우 20 kV의 우수한 절연파괴 전압을 얻을 수 있음을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	적층 칩 캐패시터는 무엇으로 구성되어 있는가?	의료, 자동차, 통신분야의 SMPS 또는 pluse power단의 경우 높은 에너지 밀도를 가지면서도 표면실장화가 가능한 고압용 적층 칩 캐패시터가 요구되고 있다[1]. 적층 칩 캐패시터는 유전체, 내부전극, 외부전극으로 구성되며 기존에는 고압용의 경우 내부전극으로 고가의 귀금속인 Ag-Pd, Pd, Pt등을 적용하였으나 최근에는 저가의 Ni를 적용한 일반용 적층 칩 캐패시터를 개발, 양산하고 있으나 고압용 적층 칩 캐패시터에 대해서 연구 수준에 머물고 있다. Ni 산화반응식은 식 (1)로 표현되며 내부전극으로 사용하는 Ni의 산화 억제를 위해서는 환원 분위기에서 소결하여야 한다.
	기존에는 고압용 적층 칩 캐패시터의 내부전극으로 무엇을 사용하였는가?	의료, 자동차, 통신분야의 SMPS 또는 pluse power단의 경우 높은 에너지 밀도를 가지면서도 표면실장화가 가능한 고압용 적층 칩 캐패시터가 요구되고 있다[1]. 적층 칩 캐패시터는 유전체, 내부전극, 외부전극으로 구성되며 기존에는 고압용의 경우 내부전극으로 고가의 귀금속인 Ag-Pd, Pd, Pt등을 적용하였으나 최근에는 저가의 Ni를 적용한 일반용 적층 칩 캐패시터를 개발, 양산하고 있으나 고압용 적층 칩 캐패시터에 대해서 연구 수준에 머물고 있다. Ni 산화반응식은 식 (1)로 표현되며 내부전극으로 사용하는 Ni의 산화 억제를 위해서는 환원 분위기에서 소결하여야 한다.
	고압용 적층 칩 캐패시터는 온도 특성에 따라 어떻게 구분되는가?	따라서 환원 분위기에서도 절연저항을 유지하면서도 고전계하에서도 안정적 전기적 특성을 가지는 유전체 조성 및 소결 공정이 중요하다. 고압용 적층 칩 캐패시터는 온도 특성에 따라 C0G, X7R 특성으로 구분되며 C0G 특성은 -55 ～ 125 ℃ 온도범위에서 용량변화율은 ± 30 ppm/℃이고 X7R 특성은 용량변화율이 ± 15 % 이내이어야 한다. 내환원 조성의 대표적인 조성으로는 C0G 특성은 CaZrO3계 조성이 주로 적용되며 X7R의 경우 BaTiO3 계가 주로 적용된다.

참고문헌 (6)

K. Kubota, S. Nishiyama, and K. Malhotra, "Ceramic Capacitors Aid High-Voltage Designs", Power Electronics Technology, p. 14, 2004
J. R. Yoon, M. K. Kim, and T. S. Chung, "Fabrication and analysis of multilayer ceramic capacitors for medium and high voltage", J. of KIEEME(in Korean), Vol. 18, No. 8, p. 685, 2005

원문보기 상세보기
J. R. Yoon, M. K. Kim, T. S. Chung, B. C. Woo, and S. W. Lee, "The electrical properties of high voltage multilayer chip capacitor with X7R by addition of $Er_{2}O_{3}$ and glass frit", J. of KIEEME(in Korean), Vol. 21, No. 5, p. 440, 2008

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Lundstorm, M., et al. "Measurement of the dielectirc strength of titanium dioxides ceramics", 12th IEEE Plused Power Conference, Vol. 2, p. 1489, 1999
Galed H. Maher, James M. Wilson, and Samir G. Maher, "Effect of Dielectric Thickness on the dc and ac Dielectric Breakdown Field for Low Fired C0G and X7R Capacitors", CARTS Asia 2005, Taipei, p. 95, 2005
Y. Zhou and N. Yoshimura, "Short-time DC breakdown phenomena in $BaTiO_{3}$ -based multilayer ceramic capacitors," Jpn. J. Appl. Phys., Vol. 38, p. 1412, 1999

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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