JP2022104860A - 積層型キャパシタ及びその実装基板 - Google Patents

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Abstract

Figure 2022104860000001
【課題】クラックを防止しながらESRを下げることができる積層型キャパシタ及びその実装基板を提供する。
【解決手段】
本発明は、複数の誘電体層と、上記誘電体層を間に挟んで交互に配置される複数の内部電極を含むキャパシタ本体と、上記キャパシタ本体上に上記内部電極と連結されるように配置される外部電極と、を含み、上記複数の内部電極と外部電極が連結される部分に少なくとも一つの金属間化合物層が形成され、上記金属間化合物層が形成される割合は、上記内部電極の全体個数に対し55%以上100%未満である積層型キャパシタ及びその実装基板を提供する。
【選択図】図3

Description

本発明は、積層型キャパシタ及びその実装基板に関するものである。
積層型キャパシタ(MLCC:Multi-Layer Ceramic Capacitor)は、受動素子部品の一つとして回路上で電気的信号を制御する役割を果たす。
かかる積層型キャパシタは、小型でありながらも高容量が保障され、実装が容易であるという利点を有する。
最近では、ITだけでなく、産業、電装の需要が拡大するにつれ、安定した電気的及び機械的特性、かつ高信頼性を有する製品開発が必要な傾向にある。
積層型キャパシタは実装後の温度変化、基板変形及び耐湿因子によってクラックが発生し、このようなクラックは、製品不良の原因になることがある。
かかる積層型キャパシタの高信頼性を確保するための方案として、機械的または熱的環境で発生する引張ストレス(stress)を吸収し、ストレスによって発生するクラック(crack)の発生を防止するために、外部電極に導電性樹脂層を適用する技術が開示されている。
かかる導電性樹脂層は、積層型キャパシタの外部電極の焼結電極層とめっき層との間を電気的及び機械的に接合させる役割を果たし、回路基板の実装中に工程温度による機械的及び熱的応力、そして基板の曲げ衝撃から積層型キャパシタを保護する役割をさらに果たす。
但し、かかる役割を果たすためには、導電性樹脂層の抵抗が低く、電極層とめっき層の接着力に優れ、工程において発生可能である外部電極の剥離現象を防止することができる必要がある。
しかし、従来の導電性樹脂層は抵抗が高く、導電性樹脂層のない製品に対しESR(等価直列抵抗:Equivalent Series Resistance)が高いという問題があった。
韓国公開特許第2011-0072398号公報 韓国公開特許第2016-0110123号公報
本発明の目的は、クラックを防止しながらESRを下げることができる積層型キャパシタ及びその実装基板を提供することである。
本発明の一側面は、複数の誘電体層と、上記誘電体層を間に挟んで交互に配置される複数の内部電極を含むキャパシタ本体と、及び上記キャパシタ本体上に上記内部電極と連結されるように配置される外部電極と、を含み、上記複数の内部電極と外部電極が連結される部分に少なくとも一つの金属間化合物層が形成され、上記金属間化合物層が形成される割合は、上記内部電極の全体個数に対し55%以上100%未満である積層型キャパシタを提供する。
本発明の一実施形態において、上記金属間化合物層が形成される割合は、上記内部電極の全体個数に対し55~99%であることができる。
本発明の一実施形態において、上記内部電極の平均厚さに対する上記金属間化合物層の平均厚さの割合が50%以上であってもよい。
本発明の一実施形態において、上記キャパシタ本体は、第1方向に互いに対向する第1及び第2面、上記第1方向に垂直の第2方向に互いに対向する第3及び第4面、上記第1及び第2方向に垂直の第3方向に互いに対向する第5及び第6面を含み、上記第3及び第4面において上記第1方向に配置された誘電体層間に複数の溝部が形成され、上記少なくとも一つの金属間化合物層が上記溝部内に配置されることができる。
本発明の一実施形態において、上記内部電極と上記外部電極の連結部分において上記外部電極が上記内部電極に拡散する部分の平均深さが30μm以上であってもよい。
本発明の一実施形態において、上記溝部の平均深さが30μm以上であってもよい。
本発明の一実施形態において、上記外部電極は、上記キャパシタ本体上に配置され、上記金属間化合物層と接触する電極層と、上記電極層上に配置され、複数の金属粒子、上記複数の金属粒子を囲んで上記電極層と接触する導電性連結部及びベース樹脂を含む導電性樹脂層と、を含むことができる。
本発明の一実施形態において、上記内部電極はニッケルを含み、上記金属間化合物層は、ニッケル-銅(Ni-Cu)を含むことができる。
本発明の一実施形態において、上記導電性樹脂層の金属粒子が銅、ニッケル、銀、銀がコーティングされた銅、及びスズがコーティングされた銅の少なくとも一つを含むことができる。
本発明の一実施形態において、上記導電性樹脂層の金属粒子が球状、フレーク(flake)状、及び球状とフレーク(flake)状の混合状のいずれか一つであることができる。
本発明の一実施形態において、上記外部電極は、上記導電性樹脂層上に配置されるめっき層をさらに含むことができる。
本発明の一実施形態において、上記めっき層は、上記導電性樹脂層上に順に積層して形成されるニッケルめっき層及びスズめっき層を含むことができる。
本発明の他の側面は、一面に複数の電極パッドを有する基板と、上記基板に実装され、上記電極パッドに外部電極が接続される積層型キャパシタと、を含む積層型キャパシタの実装基板を提供する。
本発明の実施形態によると、積層型キャパシタのクラックを防止しながらESRを下げることができる効果がある。
本発明の一実施形態に係る積層型キャパシタを概略的に示す斜視図である。 (a)及び(b)は図1の第1及び第2内部電極を示す平面図である。 図1のI-I'線に沿った断面図である。 内部電極の厚さに対する内部電極と外部電極の連結部の厚さの割合を説明するためのSEM写真である。 本発明の一実施形態の積層型キャパシタ及び基板の実装構造を概略的に示す斜視図である。
以下、添付の図面を参照して、本発明の好ましい実施形態を説明する。しかし、本発明の実施形態は、いくつかの他の形態に変形することができ、本発明の範囲が以下説明する実施形態に限定されるものではない。また、本発明の実施形態は、当該技術分野で平均的な知識を有する者に本発明をより完全に説明するために提供されるものである。したがって、図面における要素の形状及び大きさなどはより明確な説明のために拡大縮小表示(又は強調表示や簡略化表示)がされることがあり、図面上の同一の符号で示される要素は同一の要素である。
また、明細書全体において、ある構成要素を「含む」というのは、特に反対される記載がない限り、他の構成要素を除外するのではなく、他の構成要素をさらに含むことができることを意味する。
以下、本発明の実施形態を明確に説明するために、キャパシタ本体の方向を定義すると、図面に示されるX、Y、及びZはそれぞれ、キャパシタ本体の長さ方向、幅方向、及び厚さ方向を示す。
また、本実施形態において、Z方向は、誘電体層が積層される積層方向と同一の概念として用いることができる。
図1は、本発明の一実施形態に係る積層型キャパシタを概略的に示す斜視図であり、図2の(a)及び(b)は、図1の第1及び第2内部電極を示す平面図であり、図3は、図1のI-I'線に沿った断面図である。
図1~図3を参照すると、本実施形態に係る積層型キャパシタ100は、キャパシタ本体110と、第1及び第2外部電極130、140を含む。
キャパシタ本体110は、複数の誘電体層111と、誘電体層111を間に挟んでZ方向に交互に配置される複数の第1内部電極121及び第2内部電極122を含む。
キャパシタ本体110は、複数の誘電体層111をZ方向に積層してから焼成したものであり、キャパシタ本体110の互いに隣接する誘電体層111間の境界は、走査電子顕微鏡(SEM:Scanning Electron Microscope)を利用せずには確認しにくいほど一体化することができる。
このとき、キャパシタ本体110は、おおよそ六面体形状であることができるが、本発明がこれに限定されるものではない。また、キャパシタ本体110の形状、寸法、及び誘電体層111の積層数が本実施形態の図面に示されたものに限定されるものではない。
本実施形態では、説明の便宜のために、キャパシタ本体110のZ方向に互いに対向する両面を第1及び第2面1、2と、第1及び第2面1、2と連結され、X方向に互いに対向する両面を第3及び第4面3、4と、第1及び第2面1、2と連結され、第3及び第4面3、4と連結され、且つY方向に互いに対向する両面を第5及び第6面5、6と定義する。
また、本実施形態において、積層型キャパシタ100の実装面は、キャパシタ本体110の第1面1であることができる。
誘電体層111は、高誘電率のセラミック材料を含むことができ、例えば、チタン酸バリウム(BaTiO)系またはチタン酸ストロンチウム(SrTiO)系セラミック粉末などを含むことができるが、十分な静電容量を得ることができる限り、本発明がこれに限定されるものではない。
また、誘電体層111には、上記セラミック粉末とともに、セラミック添加剤、有機溶剤、可塑剤、結合剤、及び分散剤などがさらに添加されることができる。
上記セラミック添加剤は、例えば、遷移金属酸化物または遷移金属炭化物、希土類元素、マグネシウム(Mg)またはアルミニウム(Al)などを用いることができる。
かかるキャパシタ本体110は、キャパシタの容量形成に寄与する部分としての活性領域と、上下マージン部としてZ方向に上記活性領域の上下面にそれぞれ形成される上部及び下部カバー112、113と、を含むことができる。
上部及び下部カバー112、113は、内部電極を含まないことを除いては、誘電体層111と同一の材質及び構成を有することができる。
かかる上部及び下部カバー112、113は、単一の誘電体層または2つ以上の誘電体層を、上記活性領域の上下面にそれぞれZ方向に積層して形成することができ、基本的に物理的または化学的ストレスによる第1及び第2内部電極121、122の損傷を防止する役割を果たすことができる。
第1及び第2内部電極121、122は、互いに異なる極性が印加される電極であって、誘電体層111を間に挟んでZ方向に沿って交互に配置され、一端がキャパシタ本体110の第3及び第4面3、4を介してそれぞれ露出することができる。
このとき、第1及び第2内部電極121、122は、中間に配置された誘電体層111によって互いに電気的に絶縁することができる。
このように、キャパシタ本体110の第3及び第4面3、4を介して交互に露出する第1及び第2内部電極121、122の端部は、後述するキャパシタ本体110の第3及び第4面3、4に配置される第1及び第2外部電極130、140とそれぞれ接続して電気的に連結されることができる。
上記のような構成により、第1及び第2外部電極130、140に所定の電圧が印加されると、第1及び第2内部電極121、122の間に電荷が蓄積される。
このとき、積層型キャパシタ100の静電容量は、キャパシタ本体110の上記活性領域においてZ方向に沿って互いに重なる第1及び第2内部電極121、122の重なり面積と比例するようになる。
また、第1及び第2内部電極121、122を形成する材料は、特に制限されず、例えば、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、パラジウム-銀(Pd-Ag)合金などの貴金属材料、及びニッケル(Ni)、銅(Cu)のうち1つ以上の物質からなる導電性ペーストを用いて形成することができる。
このとき、上記導電性ペーストの印刷方法は、スクリーン印刷法またはグラビア印刷法などを用いることができるが、本発明がこれに限定されるものではない。
第1及び第2外部電極130、140は、互いに異なる極性の電圧が提供され、キャパシタ本体110のX方向の両端部に配置され、第1及び第2内部電極121、122の露出する部分とそれぞれ接続されて電気的に連結されることができる。
第1外部電極130は、第1接続部及び第1バンド部を含むことができる。
上記第1接続部は、キャパシタ本体110の第3面3に形成されて第1内部電極121の露出する部分と接続される部分であり、上記第1バンド部は、上記第1接続部からキャパシタ本体110の第1面1の一部まで延長される部分である。
このとき、上記第1バンド部は固着強度の向上などのためにキャパシタ本体110の第5及び第6面5、6の一部及び第2面2の一部までさらに延長されることができる。
第2外部電極140は、第2接続部及び第2バンド部を含むことができる。
上記第2接続部は、キャパシタ本体110の第4面4に形成されて第2内部電極122の露出する部分と接続される部分であり、上記第2バンド部は、上記第2接続部からキャパシタ本体110の第1面1の一部まで延長される部分である。
このとき、上記第2バンド部は固着強度の向上などのためにキャパシタ本体110の第5及び第6面5、6の一部及び第2面2の一部までさらに延長されることができる。
そして、第1内部電極121と第1外部電極130が連結される部分に第1金属間化合物層135が形成され、第2内部電極122と第2外部電極140が連結される部分に第2金属間化合物層145が形成される。
また、第1内部電極121はニッケルを含むことができ、このとき、第1金属間化合物層135はニッケル-銅(Ni-Cu)を含むことができる。
第2内部電極122はニッケルを含むことができ、このとき、第2金属間化合物層145はニッケル-銅(Ni-Cu)を含むことができる。
そして、第1金属間化合物層135が形成される割合は、第1内部電極121の全体個数に対し55%以上100%未満であり、さらに好ましくは55~99%である。第2金属間化合物層145が形成される割合は、第2内部電極122の全体個数に対し55%以上100%未満であり、さらに好ましくは55~99%である。
また、キャパシタ本体110は、第3及び第4面3、4においてZ方向に配置された誘電体層111間に複数の第1及び第2溝部がそれぞれ形成されることができ、第1及び第2金属間化合物層135、145が第1及び第2溝部内にそれぞれ配置されることができる。
また、第1内部電極121と第1外部電極130の連結部分において、第1外部電極130が第1内部電極121に拡散する部分の深さは30μm以上であってもよく、第2内部電極122と第2外部電極140の連結部分において、第2外部電極が第2内部電極に拡散する部分の深さは30μm以上であってもよい。
すなわち、上記第1及び第2溝部のX方向への深さがそれぞれ30μm以上であってもよく、これは第1及び第2金属間化合物層135、145のX方向への長さがそれぞれ30μm以上であることを意味する。
そして、内部電極と外部電極が接続する部分の端面において、外部電極のCuが内部電極のNiに拡散される深さが30μm以上の場合、積層型キャパシタのESRを安定して確保することができる。
ここで、第1溝部の「深さ」及び第2溝部の「深さ」は、複数の第1溝部の平均深さ及び複数の第2溝部の平均深さをそれぞれ示すものであることができる。
そして、第1外部電極130は、第1導電性樹脂層132及びキャパシタ本体110上に配置され、第1金属間化合物層135と接続する第1電極層131を含む。
第1導電性樹脂層132は、複数の金属粒子、上記複数の金属粒子を囲む導電性連結部及びベース樹脂を含むことができる。
上記金属粒子は、銅、ニッケル、銀、銀がコーティングされた銅、及びスズがコーティングされた銅の少なくとも一つであることができる。
また、上記金属粒子は、球状、フレーク(flake)状、及び球状とフレーク(flake)状の混合状のいずれか一つであることができる。
そして、第1導電性樹脂層132は、第1電極層131上に配置され、第1電極層131は、第1導電性樹脂層132の上記導電性連結部と接触する。
また、第1外部電極130は、第1導電性樹脂層132上に配置される第1めっき層をさらに含むことができる。
上記第1めっき層は、第1導電性樹脂層132上に順に積層して形成される第1ニッケルめっき層133及び第1スズめっき層134を含むことができる。
第2外部電極140は、第2導電性樹脂層142及びキャパシタ本体110上に配置され、第2金属間化合物層145と接続する第2電極層141を含む。
第2導電性樹脂層142は、複数の金属粒子、上記複数の金属粒子を囲む導電性連結部及びベース樹脂を含むことができる。
上記金属粒子は、銅、ニッケル、銀、銀がコーティングされた銅、及びスズがコーティングされた銅の少なくとも一つであることができる。
また、上記金属粒子は、球状、フレーク(flake)状、及び球状とフレーク(flake)状の混合状のいずれか一つであることができる。
そして、第2導電性樹脂層142は、第2電極層141上に配置され、第2電極層141は、第2導電性樹脂層142の上記導電性連結部と接触する。
また、第2外部電極140は、第2導電性樹脂層142上に配置される第2めっき層をさらに含むことができる。
上記第2めっき層は、第2導電性樹脂層142上に順に積層して形成される第2ニッケルめっき層143及び第2スズめっき層144を含むことができる。
通常の積層型キャパシタは、ニッケルを含む内部電極と銅を含む外部電極とからなり、電極焼成時の内部電極と外部電極の連結部分にNi-Cu IMC(Intermetallic Compound、金属間化合物)が形成され、積層型キャパシタの電気的特性である容量、DF、ESRなどを実現する。
このとき、外部電極と内部電極との間の連結性によって積層型キャパシタの容量、DF、ESRの指標が変わることがある。
特に、積層型キャパシタのサイズが小さく、容量帯が低いほど、電極の面積が薄く、内部電極の層数が少なくなり、これによって内部電極と外部電極の接触性がさらに低下するおそれがある。
また、電装用積層型キャパシタの場合、曲げ強度を確保するために1次電極に銅電極、2次電極にエポキシ-銅電極などを塗布するが、このような2次電極は導電率が低く、内部電極と外部電極との間の連結性がさらに低くなるおそれがある。
本発明の一実施形態では、電極連結性が低い小型低容量帯の製品、特に電装用の小型チップサイズとしてX方向の長さ×Y方向の幅が1.0mm×0.5mm以下のサイズを有する製品で内部電極と外部電極との連結性程度を数値化し、これによって電気的特性であるESRの予測有効性について記述する。
下記実験は、電極焼成炉のWetter条件変更(水分供給)によって酸化及び還元雰囲気を調整した後、積層型キャパシタのIMC形成程度をESRと関連づけて、ESR予測に有効なIMC形成の好ましい数値を決定したものである。
Figure 2022104860000002
本試験は、小型サイズ(X方向の長さ×Y方向の幅が1.0mm×0.5mm以下)の条件別サンプルについて、x1500断面センター部のSEM形状においてCu-NiのIMC形成個数を3つ以上カウントして測定する。このとき、ESRは容量帯別に計測器を用いて、表1に示すように周波数に合わせてそれぞれ測定する。
Figure 2022104860000003
表2を参照すると、内部電極と外部電極が接続する部分の断面SEM x1500 3ポイント(point)で内部電極の個数に対する内部電極と外部電極が連結される個数の割合、すなわち、金属間化合物層が形成される割合(全体内部電極に対する全体金属間化合物層の割合)が55%以上である#3~11において積層型キャパシタのESRを安定して確保することができることが分かる。
Figure 2022104860000004
表3及び図4を参照すると、内部電極と外部電極が接続する部分の断面SEM x3000 3ポイント(point)で内部電極と外部電極との間の連結された部分の平均厚さが50%以上である場合、積層型キャパシタのESRを安定して確保することができることが分かる。
本明細書において、「厚さ」という用語は、該当する構成要素を表面に対して垂直方向に測定した値であり、「平均厚さ」は、所定個数の地点で測定された厚さに対する平均値を意味することができる。
例えば、図3のY軸は、積層型キャパシタの中心を通過する。しかし、平均厚さの測定は、このような例に限定されるものではなく、通常の技術者は必要に応じて測定地点の数、測定地点間の間隔などを選択することができる。
例えば、内部電極の厚さを測定する際、3ヶ所、5ヶ所、または10ヶ所の測定ポイントを設定することができる。
また、それぞれの測定ポイントにおいて、走査電子顕微鏡(SEM)の映像などを用いて、厚さを測定することができるが、測定方法がこれに限定されるものではない。
図5は、本発明の一実施形態の積層型キャパシタ及び基板の実装構造を概略的に示す斜視図である。
図5を参照すると、本実施形態に係る積層型キャパシタの実装基板は、積層型キャパシタ100が実装される基板210と、基板210の上面に互いに離隔するように配置される第1及び第2電極パッド221、222と、を含む。
積層型キャパシタ100は、第1及び第2外部電極130、140が、第1及び第2電極パッド221、222上に、それぞれ接触するように位置した状態で接続されて基板210に実装される。
このとき、第1外部電極130は、はんだ231によって第1電極パッド221と接合されて電気的及び物理的に連結することができ、第2外部電極140は、はんだ232によって第2電極パッド222と接合されて電気的及び物理的に連結することができる。
ここで、積層型キャパシタ100は、上述した本発明の一実施形態に係る積層型キャパシタであって、以下詳細な説明は、重複を避けるために省略する。
以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明の権利範囲はこれに限定されず、特許請求の範囲に記載された本発明の技術的思想から逸脱しない範囲内で多様な修正及び変形が可能であるということは、当技術分野の通常の知識を有する者には明らかである。
100 積層型キャパシタ
110 キャパシタ本体
111 誘電体層
112、113 上部及び下部カバー
121、122 第1及び第2内部電極
130、140 第1及び第2外部電極
131 第1電極層
141 第2電極層
132 第1導電性樹脂層
142 第2導電性樹脂層
133 第1ニッケルめっき層
143 第2ニッケルめっき層
134 第1スズめっき層
144 第2スズめっき層
135、145 第1及び第2金属間化合物層
210 基板
221、222 第1及び第2電極パッド
231、232 はんだ

Claims (13)

  1. 複数の誘電体層と、前記複数の誘電体層を間に挟んで交互に配置される複数の内部電極を含むキャパシタ本体と、
    前記キャパシタ本体上に前記複数の内部電極と連結されるように配置される外部電極と、を含み、
    前記複数の内部電極と外部電極が連結される部分に少なくとも一つの金属間化合物層が形成され、
    前記金属間化合物層が形成される割合は、前記複数の内部電極の全体個数に対し55%以上100%未満である、積層型キャパシタ。
  2. 前記金属間化合物層が形成される割合は、前記複数の内部電極の全体個数に対して55~99%である、請求項1に記載の積層型キャパシタ。
  3. 前記複数の内部電極の平均厚さに対する前記金属間化合物層の平均厚さの割合が50%以上である、請求項1に記載の積層型キャパシタ。
  4. 前記キャパシタ本体は、第1方向に互いに対向する第1及び第2面、前記第1方向に垂直の第2方向に互いに対向する第3及び第4面、前記第1方向及び前記第2方向に垂直の第3方向に互いに対向する第5及び第6面を含み、
    前記第3及び第4面において、前記第1方向に配置された誘電体層間に複数の溝部が形成され、
    前記少なくとも一つの金属間化合物層が前記複数の溝部内に配置される、請求項1に記載の積層型キャパシタ。
  5. 前記複数の溝部の平均深さが30μm以上である、請求項4に記載の積層型キャパシタ。
  6. 前記複数の内部電極と前記外部電極の連結部分において、前記外部電極が前記複数の内部電極に拡散する部分の平均深さが30μm以上である、請求項1に記載の積層型キャパシタ。
  7. 前記外部電極は、
    前記キャパシタ本体上に配置され、前記金属間化合物層と接触する電極層と、
    前記電極層上に配置され、複数の金属粒子、前記複数の金属粒子を囲んで前記電極層と接触する導電性連結部及びベース樹脂を含む導電性樹脂層と、を含む、請求項1に記載の積層型キャパシタ。
  8. 前記導電性樹脂層の金属粒子が銅、ニッケル、銀、銀がコーティングされた銅、及びスズがコーティングされた銅の少なくとも一つを含む、請求項7に記載の積層型キャパシタ。
  9. 前記導電性樹脂層の金属粒子が球状、フレーク(flake)状、及び球状とフレーク(flake)状の混合状のいずれか一つである、請求項7に記載の積層型キャパシタ。
  10. 前記外部電極は、前記導電性樹脂層上に配置されるめっき層をさらに含む、請求項7に記載の積層型キャパシタ。
  11. 前記めっき層は、前記導電性樹脂層上に順に積層して形成されるニッケルめっき層及びスズめっき層を含む、請求項10に記載の積層型キャパシタ。
  12. 前記複数の内部電極は、ニッケルを含み、前記金属間化合物層は、ニッケル-銅(Ni-Cu)を含む、請求項1に記載の積層型キャパシタ。
  13. 一面に複数の電極パッドを有する基板と、
    前記基板に実装され、前記複数の電極パッドに外部電極が接続される請求項1~12のいずれか一項に記載の積層型キャパシタと、を含む、積層型キャパシタの実装基板。
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