[논문]Glass Frit의 입도가 MLCC 외부전극 Paste의 소결거동에 미치는 영향

이규하; 전병준; 김창훈; 권영근; 박명준; 구현희; 엄지원; 김영태; 허강헌

doi:10.4191/kcers.2009.46.2.175

Glass Frit의 입도가 MLCC 외부전극 Paste의 소결거동에 미치는 영향
Effects of Glass Frit Size on the Sintering Behavior of Cu Termination Paste in MLCC 원문보기

한국세라믹학회지 = Journal of the Korean Ceramic Society, v.46 no.2 = no.321, 2009년, pp.175 - 180

이규하 (삼성전기 LCR 재료개발 그룹) , 전병준 (삼성전기 LCR 재료개발 그룹) , 김창훈 (삼성전기 LCR 재료개발 그룹) , 권영근 (삼성전기 LCR 재료개발 그룹) , 박명준 (삼성전기 LCR 재료개발 그룹) , 구현희 (삼성전기 LCR 재료개발 그룹) , 엄지원 (삼성전기 LCR 재료개발 그룹) , 김영태 (삼성전기 LCR 재료개발 그룹) , 허강헌 (삼성전기 LCR 개발팀)

Abstract ▼ AI-Helper

Multilayer ceramic capacitors (MLCCs) have continually been made smaller in size and larger in capacity in resent years. However, the end termination electrode is still thick in many MLCCs. In this study, we used small grain glass frit to embody thin film and highly densification in the end termination by improve sintering driving force with well-dispersion and rising surface energy. Pastes were fabricated using size changed glass frit, such as 0.1 ${\mu}m$, 0.5 ${\mu}m$, 1.0 ${\mu}m$, 4.0 ${\mu}m$. Fabricated pastes were applied 05A475KQ5 chip and fired various sintering temperatures to analyze sintering behavior of pastes. Consequently, small glass frit used pastes have many merits than larger, such as well-dispersion, improve cornercoverage and surface roughness, possibility of low temperature sintering. However, we confirmed that small glass frit used pastes have narrow sintering window by rapid completion of sintering densification.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 외부전극 페이스트의 구성 재료 중 하나인 Glass Frit 분말을 미립화 하는 것이 페이스트의 고른 분산과 입자 표면에너지 증가에 따른 소결 구동력의 향상 등의 효과로 인하여 외부전극 미세구조에 미치는 영향에 대해 연구하였다.^8-9)

가설 설정

둘째, Glass Frit의 Size가 작아지게 되면 작은 Glass frit 입자들이 Paste 내부에 고르게 분산되게 된다. 분산된 Glass frit은 655℃의 온도대에서 모세관 현상에 의하여 Cu 입자 사이사이로 확산하여 이동하며 외부전극 전 영역에 걸쳐 Cu 입자를 고르게 Wetting 시키게 된다.

제안 방법

1 µm와 0.5 µm 품은 건식분쇄품을 다시 습식분쇄(attrition milling) 함으로써 제조하였고, 0.1 µm 품은 건식분쇄품을 플라즈마 열처리 함으로써 제조하였다.
Cu 분말은 1.0 µm와 0.3 µm 급 구형분말을 7:3의 비율로 혼합하였고, glass frit과 분산제, 수지는 Cu 대비 8.0, 0.5, 9.0 wt%로 각각 조절하였다.
Glass Frit Size가 MLCC 외부전극 Paste에 미치는 영향에 대한 실험을 진행하였다. 그 결과 Glass Frit Size가 작아질 수록 표면 Roughness 향상, 고른 분산에 의한 치밀도 향상, CornerCoverage 개선 효과, 저온 소성 가능의 장점이 있는 것으로 판단된다.
Glass Frit 분말의 입자 크기에 따른 영향을 관찰하기 위해 평균 입경 0.1, 0.5, 1.0, 4.0 µm의 분말을 제조한 후 이를 이용하여 페이스트를 제조하였다.
Table 3은 각각의 제법에 의하여 제조한 Glass Frit의 SEM (Tescan,VegaⅡLSM), 입도 (Horiba,LA-910), BET(Mountech,1208) 결과를 나타낸다. Plasma 제법 Glass Frit의 경우 작은 입자 Size에 의한 표면에너지 증대로 인하여 입자간 응집현상이 발생하여 입도 분석기로 입도 측정이 불가능하여 SEM 미세사진을 통한 입경 분석을 시행하였다. Glass Frit Size가 작아 질 수록 표면적이 증가하여 BET 값이 증가함을 확인 할 수 있다.
각 Paste를 간이 도포기를 이용하여 05A475KQ5 기종에 도포하였으며 이 칩을 전극 소성 profile 온도 별로 소성 중 칩을 급냉 시킨 후 용량 변화를 측정하였다. 미립의 Glass Frit을 사용시 용량이 구현되는 경향이 동일하였기 때문에 0.
미립의 Glass Frit을 사용시 용량이 구현되는 경향이 동일하였기 때문에 0.1 µm(P-4)와 4.0 µm(P-3) Glass Frit 사용 Paste의 용량 구현 경향을 비교 Plotting하였으며 이는 Fig. 3과 같다.
본 연구에서는 평균입경 (D50)이 0.1, 0.5, 1.0, 4.0 µm이 되도록 Glass Frit Flake를 분쇄하였는데, 평균입경 4 µm 품은 건식분쇄 (ball milling)로 제조하였다.
용량 구현과 마찬가지로 소결 거동 또한 미립의 Glass Frit(0.1, 0.5, 1.0 µm)를 사용시 동일한 소결 거동을 나타내어 0.1 µm(P-4)와 4.0 µm(P-3) Glass frit 사용 Paste 소결 거동 분석 data만을 비교하였다.
미립의 Glass 사용시 보다 초기 용량 구현 온도와 정상 용량 구현 온도가 상승하였음을 알 수 있다. 이와 같은 원인을 파악하기 위하여 각 칩 샘플들의 온도 별 미세구조를 분석하였다. 그 결과 미립의 Glass Frit을 사용시 약 655℃ 부근에서 Cu-Ni Alloy의 생성이 가능하지만 4.
제조된 페이스트를 사용하여 05A475 (1005, X5R, 4.7 µF) 칩에 외부 전극을 도포한 후 전극 소성 Profile 중 온도 별로 칩을 급냉 시킨 후 미세구조 및 전기적 특성의 평가를 통해 Glass Frit 입자 크기에 따른 외부전극 소결 기구를 분석하였다.
0 wt%로 각각 조절하였다. 페이스트 원재료를 칭량한 후 선 혼합 후 3-Roll Mill (Inoue, S7X16)을 이용하여 분산시켰으며 제조된 페이스트의 점도(Brookfield, HBDV-II+), 표면조도(Kosaka,ET4000A), 건조 후 막밀도 등을 평가 후 05A475KQ5 기종에 간이 도포기(Fito,자체제작)를 이용하여 도포하였다. 도포 조건은 Dipping 작업 시 175 µm, Blotting시 0 µm의 Paste를 깔고 작업을 진행하였다.

대상 데이터

본 연구에서 사용한 Glass Frit은 Si-B-Zn-Ba-Ca-O 계의 조성으로 620℃ 정도의 연화온도를 나타낸다. Glass Frit은 기본적으로는 원재료들을 조성비에 맞게 칭량한 후 1200℃정도의 고온에서 완전 용융시킨 후 상온으로 급냉 시킴으로써 Flake 형태로 제조하고, 이를 다시 분쇄하는 공정을 거쳐 원하는 입도로 조절한다.
제조된 Glass Frit를 이용하여 각각의 Paste를 제조하였으며 각 Paste들의 점도와 건조 막밀도는 Fig. 1과 같다. Paste의 제조 시 조성비중 Vehicle의 비율이 45%로써 고체인 Glass Frit과 Cu의 표면을 충분히 Well-Coating 할 수 있는 양의 Resin이 포함되어 있기 때문에 Glass Frit Size에 따른 Paste 점도 변화 양상은 거의 나타나지 않았다.

성능/효과

Glass Frit Size가 MLCC 외부전극 Paste에 미치는 영향에 대한 실험을 진행하였다. 그 결과 Glass Frit Size가 작아질 수록 표면 Roughness 향상, 고른 분산에 의한 치밀도 향상, CornerCoverage 개선 효과, 저온 소성 가능의 장점이 있는 것으로 판단된다. 하지만 미립의 Glass Frit을 사용시 저온에서 외부전극의 소결 치밀화가 급속히 이루어지기 때문에 외부전극 소성 Window가 매우 좁아짐을 알 수 있다.
그 결과 미립의 Glass Frit을 사용시 약 655℃ 부근에서 Cu-Ni Alloy의 생성이 가능하지만 4.0 µm Glass Frit을 사용시 700℃ 부근에서부터 Cu-Ni Alloy의 생성이 이루어지기 때문에 용량 구현 경향성이 달라짐을 알 수 있었다.
이와 같이 미립의 Glass Frit을 사용하여 Paste를 제조하였을 경우 낮은 온도에서의 외부전극 치밀도 구현이 가능함을 확인하였다. 하지만 외부전극 Paste의 치밀도가 구현된 상태에서 지나치게 과 소결이 진행되게 되면 Cu 입자들이 지속적으로 수축함에 따라 내부에서 기공을 채우고 있던 Glass들이 표면으로 밀려나오게 됨을 확인 할 수 있었다.
조도 분석 결과 Glass Frit Size가 작을 수록 분산성이 좋아짐을 확인 할 수 있었다. 하지만 Plasma법 Glass Frit의 경우 Nano Size의 미립 입자로 표면에너지가 향상되어 응집현상이 발생한 것으로 생각되며 이는 분산성을 떨어뜨리는 요인인 것으로 생각된다.
첫째, 미세조직 분석한 결과 본 Paste에 분산된 Glass frit 은 0.1 µm~4.0 µm의 영역대에서는 Size에 따른 표면에너지 향상이 Glass Frit Ts(glass transition temperature) 물성에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 판단된다.
이와 같이 미립의 Glass Frit을 사용하여 Paste를 제조하였을 경우 낮은 온도에서의 외부전극 치밀도 구현이 가능함을 확인하였다. 하지만 외부전극 Paste의 치밀도가 구현된 상태에서 지나치게 과 소결이 진행되게 되면 Cu 입자들이 지속적으로 수축함에 따라 내부에서 기공을 채우고 있던 Glass들이 표면으로 밀려나오게 됨을 확인 할 수 있었다. 이러한 소결 중의 Glass용출은 공정 중 칩 붙음 불량을 유발하기 때문에 Glass Frit을 미립화 하기 위하여는 적정 전극 소성 조건의 설정이 필요할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	적층 세라믹 캐패시터가 초소형화, 초고용량화를 통해 시장을 선도해 나가기 위해 어떤 기술이 점차 중요해지고 있는가?	대표적인 수동 전자부품인 적층 세라믹 캐패시터(Multilayer Ceramic Capacitor, MLCC)가 초소형화, 초고용량화를 통해 시장을 선도해 나가기 위해서는 캐패시터를 이루는 유전체와 내부전극의 박층화 기술 뿐만 아니라 외부전극의 박층화와 편평도 기술이 점차 중요해지고 있다.1)최근 개발이 이루어지고 있는 0603 사이즈 (0.
	본 논문에서 Glass Frit Size가 MLCC 외부전극 Paste에 미치는 영향에 대한 실험을 진행한 결과는?	Glass Frit Size가 MLCC 외부전극 Paste에 미치는 영향에 대한 실험을 진행하였다. 그 결과 Glass Frit Size가 작아질 수록 표면 Roughness 향상, 고른 분산에 의한 치밀도 향상, CornerCoverage 개선 효과, 저온 소성 가능의 장점이 있는 것으로 판단된다. 하지만 미립의 Glass Frit을 사용시 저온에서 외부전극의 소결 치밀화가 급속히 이루어지기 때문에 외부전극 소성 Window가 매우 좁아짐을 알 수 있다. 그렇기 때문에 Glass Frit을 미립화 하기 위해서는 적정 전극 소성 조건의 설정이 추가적으로 필요할 것으로 판단된다.
	최근 개발이 이루어지고 있는 0603 사이즈의 1µF 용량 적층 세라믹 캐패시터나 1005 사이즈의 10µF 용량 적층 세라믹 캐패시터의 경우 어떤 외부전극이 요구되는가?	0×0.5 mm2)의10 µF용량 MLCC의 경우 제품 설계 시 10 µm 내외 두께의 치밀한 미세구조를 갖는 외부전극이 요구되고 있는 실정이다. 그러나 기존 공정 또는 공법으로 외부전극을 박층화하는 경우 이에 따른 치밀도 감소를 우려하지 않을 수 없기 때문에 외부전극 박층화와 치밀도 확보의 두 가지 요소를 모두 만족시킬 수 있는 재료 또는 공법의 개발이 필요하고, 전극을 구현하는 페이스트 재료의 측면에서 원재료 분말의 미립화 등에 대한 기본적인 연구가 필요하다.

참고문헌 (9)

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상세보기
Takahiko Sakaue, Yoshiaki Uwazumi, Takuya Sasaki and Takao Hayashi, “Development of Copper Powder for MLCC Electrode,” CARTS., 79-85 (2001).
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S.J. Kang, “Sintering”; Vol.1, pp.181-245, Science Culture press, Seoul, 2006.

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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