[논문]우리나라 고용량 MLCC 기술 개발의 역사와 전망

홍정오; 김상혁; 허강헌

doi:10.4191/kcers.2009.46.2.161

[국내논문] 우리나라 고용량 MLCC 기술 개발의 역사와 전망
Development History and Trend of High-Capacitance Multi-layer Ceramic Capacitor in Korea 원문보기

한국세라믹학회지 = Journal of the Korean Ceramic Society, v.46 no.2 = no.321, 2009년, pp.161 - 169

홍정오 (삼성전기 주식회사 LCR 사업부) , 김상혁 (삼성전기 주식회사 LCR 사업부) , 허강헌 (삼성전기 주식회사 LCR 사업부)

Abstract ▼ AI-Helper

MLCC (Multi-layer Ceramic Capacitor) is the most important passive component in electronic devices such as HHP, PC and digital display. The development trend of MLCC is a miniaturization with increasing the capacitance. In this paper, a development history of the high capacitance MLCC in Korea was introduced, and the necessity of the finer $BaTiO_3$ was explained in the viewpoint of the issued electrical and dielectric properties of high capacitance MLCC. The bottleneck technologies to realize the high capacitance was shortly introduced, followed by the prediction of the development trend of MLCC in near future.

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문제 정의

따라서 고용량 MLCC 기술 개발 과정은 박층화를 위한 유전체/내부전극 재료 및 성형/인쇄 기술의 개발, 박층 인쇄 sheet를 결함없이 많이 쌓을 수 있는 적층 기술 개발 과정이라 할 수 있다. 본 고에서는 우리나라 고용량 MLCC 개발 과정, MLCC 개발의 기술적 issue 및 애로 사항 그리고 향후 MLCC 개발 trend 등을 간단히 소개하고자 한다.
이러한 제 특성들을 만족시키기 위해 원료인 BaTiO₃ 유전체 분말의 미립화가 필연적이다. 간단하게, 이러한 특성들과 유전체 분말 크기 사이의 상관 관계를 구체적인 실험 결과를 예시로 알아보자.
다음으로 고온 부하 신뢰성에 대하여 알아보자. MLCC는 전자회로에서 직류 전압이 걸린 환경에서, 그리고 주위 부품의 발열에 의해 상온보다 다소 온도가 높은 환경에서 동작하게 된다.
고온 부하 신뢰성이라 함은 MLCC가 최고 보증 온도에서 dc 전압이 걸린 상태로 커패시터로서의 절연 저항을 유지할 수 있는 내구성을 의미한다. MLCC에 걸리는 전계 강도를 유추해 보자. 유전체 층이 1 µm인 X5R MLCC에 보증 정격 전압인 6.
이상과 같이 고용량 MLCC 개발을 위해 MLCC에 요구되는 특성 면에서 BaTiO₃ powder가 미립화되어야 하는 이유를 간단히 알아보았다. 그러나, 미립 BaTiO₃ 파우더를 사용함으로써 필연적으로 비유전율은 감소한다.
각 단계별 고용량 MLCC 개발의 궤적은 유전체 파우더 및 내부 전극 금속의 미립화와 그 궤를 같이하고 있다. 다음 장에서 고용량 MLCC에 요구되는 특성을 알아보면서 유전체 파우더 미립화의 필연성에 대하여 알아보고자 한다.

제안 방법

3에 소결 전 유전체 green sheet의 두께와 MLCC의 short율 사이의 관계를 200 nm, 300 nm의 powder를 사용한 경우에 대해서 나타내었다. 각 두께의 sheet를 2012 크기로 100층 적층하여 소결 한 후 각각 100개 샘플을 채취, 용량, 유전손실 등 전기적 특성을 측정하여, short율을 구하였다. 각 파우더에 대해서 특정 sheet 두께 이하에서 short율이 급격히 증가하며, 임계 sheet 두께가 파우더 사이즈가 작아질수록 얇아짐을 알 수 있다.
이를 알아보고자 유전율 데이터를 이용, 300 nm, 150 nm 분말을 적용한 경우의 2012, 10 µF 제품 설계치를 도출, 유전체 층 두께를 산출하여 dc 전압을 8V로 하였을 때의 전계 강도를 도출하였다.

대상 데이터

Class II MLCC는 본 고에서 다루고자 하는 고유전율계 세라믹 커패시터다. 유전체 재료로 BaTiO₃, (Ba,Ca)(Ti,Zr)O₃와 같은 강유전체가 사용된다. 고유전율계 MLCC 규격은 Y5V, X5R, X7R과 같이 세자리 code로 나타내는데, 첫번째와 두번째 자리 code는 각각 보증하는 최저, 최고 온도를 세번째 code는 보증 온도 범위 내에서 정전용량 변화율의 허용한계를 나타낸다.
X5R, X7R 등의 고용량 MLCC는 BaTiO₃를 base로 하여 여기에 입성장 억제, 저온 소결, 내환원성 구현, 신뢰성 구현 등의 목적으로 다양한 첨가제를 소량 doping한 것을 기본 재료로 한다. 비유전율은 사용하는 BaTiO₃ 분말 입자의 크기에 의존하는데, 보통 2000~4000 정도다.
Fig. 4에 300 nm, 200 nm BaTiO3 분말을 사용, 3216 크기로, 소결 후 유전체 두께가3 µm가 되도록 20층 적층한 MLCC를 각각 제작한 후, 150℃에서 50 V의 전압을 인가하였을 때 시간에 따른 절연 저항의 변화를 나타내었다.

성능/효과

각 두께의 sheet를 2012 크기로 100층 적층하여 소결 한 후 각각 100개 샘플을 채취, 용량, 유전손실 등 전기적 특성을 측정하여, short율을 구하였다. 각 파우더에 대해서 특정 sheet 두께 이하에서 short율이 급격히 증가하며, 임계 sheet 두께가 파우더 사이즈가 작아질수록 얇아짐을 알 수 있다. 이 결과는 유전체 분말 크기에 따른 내부전극과 유전체 계면 사이의 roughness 변화에서 그 원인을 찾을 수 있다.
5에 ●로 표시하였다. 미립 분말을 사용하므로써 유전체 층을 박층화하더라도, 약 15%의 dc-bias 특성 개선 효과를 얻을 수 있음을 알 수 있다.
MLCC에서 유전체 못지 않게 중요한 것이 Ni 내부 전극이다. 고용량화에 따라 적층수가 증가하므로써, Ni 전극이 MLCC 칩에서 차지하는 부피가 현저히 증가하였다. 한정된 두께에서 더 많은 수의 유전체층을 쌓기 위해 Ni 전극은 박층화되어야 한다.
10에 나타내었다. 유전체가 수축하는 온도 전(1000℃ 이하)에 이미 Ni 입자들이 소결되어 국부적으로 뭉침에 따라 Ni 전극층 연결성이 악화되다가, 1000℃ 이상에서 유전체가 수축할 때 전체적으로 연결되는 과정을 통해 Ni 전극 층이 형성됨을 알 수 있다. Ni 전극 형성 mechanism을 고려하면, 내부 전극 연결성을 향상시키기 위해^{, 1)} 유전체 수축 전 Ni 뭉침을 지연시키고^{, 2)} Ni 전극 층의 초기 충진율을 높여야 하며,³⁾ Ni 전극이 뭉치기 시작하여 유전체 수축이 시작되기 전까지의 시간을 짧게 즉 급속 승온해야 한다.
Ni 전극의 초기 충진율을 높이려면, 보다 미립의 Ni powder를 적용해야 한다. 실제 300 nm급, 200 nm급 Ni 분말을 적용했을 때, Ni층의 충진율 및 소결 후 Ni 전극 층의 coverage를 비교한 결과, 200nm급 Ni 파우더를 적용했을 때 동일 Ni 막 두께에서 충진율이 높아져, 그 결과로서 소결 후 Ni 층의 coverage가 약 20% 정도 향상되는 결과를 얻었다. 그러나, Ni 파우더가 미립화될수록 분산 및 소결 수축 제어가 더욱 어려워지는데, 이를 기술적으로 극복하기 위한 분산 기술 등이 꾸준히 개발되어 왔다.

후속연구

고온 부하 신뢰성을 확보하기 위해 유전체 한 층당 최소 4~5개의 입자가 존재해야 한다고 말하여진다.⁴⁾ 따라서 고용량 구현을 위해 유전체를 박층화할 때, 신뢰성 확보를 위해 더욱더 작은 분말을 사용하는 것이 필수불가결하다 할 것이다.
현재의 원료 합성 방법으로 고성능의 나노 입자를 대량으로 합성하기는 어렵다. 따라서 향후 초고용량 MLCC 개발에는 그 밑바탕이 되는 입자 합성의 원천기술 확보가 더욱더 중요해지리라 예상된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	적층형 세라믹 커패시터란 무엇인가?	적층형 세라믹 커패시터(Multi-layer Ceramic Capacitor, 이후 MLCC)는 휴대폰, 개인용 PC, digital display 등 set의 전자 회로에서 수동부품의 60%를 차지하고 있는 대표적인 수동소자다. MLCC는 IC 등 능동 소자의 전원 공급 회로에서 noise를 분리하는 기능(decoupling), signal에서 dc 성분을 제거하는 기능, signal의 평탄화 기능 등 그 역할이, 대표적인 능동 소자인 반도체에 버금 갈 정도로 중요하여 산업의 쌀이라 불리기도 한다.
	MLCC의 구성은 어떻게 되는가?	MLCC는 단위 커패시터를 적층한 수만큼 병렬 연결함으로써 주어진 부피에서 용량을 최대화한 구조라 할 수 있다. MLCC는 유전체 층, 내부전극 층, 외부전극 및 도금 층으로 구성된다. 초기 MLCC에는 내부전극으로 Pd이나 Pd/Ag와 같은 귀금속이 사용되었으나, MLCC가 고적층화되면서 현재는 저가인 Ni 등의 base metal이 사용되고 있다.
	유전체 박층화에 따른 short 증가를 억제하기 위해 유전체 분말의 미립화가 필수적인 이유는?	이 결과는 유전체 분말 크기에 따른 내부전극과 유전체 계면 사이의 roughness 변화에서 그 원인을 찾을 수 있다. 즉 유전체 분말 입자가 클수록 유전체 sheet 표면의 조도가 증가하고, 이에 따라 내부전극 paste를 인쇄할 때, 내부전극이 침투할 수 있는 깊이가 깊어지고, 적층, 소결 과정에서 금속 내부 전극끼리 서로 연결돼 단락될 확률이 높아진다. 따라서 유전체 박층화에 따른 short 증가를 억제하기 위해 유전체 분말의 미립화는 필수적이다.

참고문헌 (10)

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K. Hidaka, T. Shikida, and S. Ogama, “Recent Technologies and Applications of Multilayer Ceramic Devices(in Japanese),” pp. 3-13, Ed. by T. Yamamoto, CMC Pub. Co., 2006.

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