KR101070151B1 - 적층 세라믹 커패시터 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 의한 적층 세라믹 커패시터는, 내부전극 및 유전체층이 교대로 적층되어 형성된 유효층; 및 상기 유효층의 상면 및 하면에 유전체층이 적층되어 형성된 보호층;을 포함하며, 상기 보호층의 두께는 상기 유효층 내의 내부전극의 평균 두께와 유전체층의 평균 두께의 합의 10.0 내지 30.0배이다.
크랙, 절연파괴, 연결성

Description

적층 세라믹 커패시터{multilayer ceramic capacitor}
본 발명은 적층 세라믹 커패시터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 안정적으로 정전용량을 확보하면서 열충격에 의한 크랙 및 절연파괴를 방지할 수 있는 적층 세라믹 커패시터에 관한 것이다.
일반적으로 다층 세라믹 커패시터는 복수의 세라믹 유전체 시트와 이 복수의 세라믹 유전체 시트 사이에 삽입된 내부전극을 포함한다. 이러한 다층 세라믹 커패시터는 크기가 소형이면서도, 높은 정전 용량은 구현할 수 있고 기판 상에 용이하게 실장될 수 있어 다양한 전자장치의 용량성 부품으로 널리 사용되고 있다.
최근 전자제품이 소형화되고 다기능화됨에 따라 칩 부품도 소형화 및 고기능화되는 추세이므로, 다층 세라믹 커패시터도 그 크기가 작으면서 용량이 큰 고용량 제품이 요구되고 있다. 따라서, 근래에는 유전체층의 두께가 2um 이하이면서 적층수가 500층 이상인 적층 세라믹 커패시터가 제조되고 있다.
그런데, 이러한 세라믹 유전체층의 박막화와 고적층화로 내부전극층이 차지하는 부피의 비율이 증가하여 소성 및 리플로우 솔더 등에 의한 회로기판에의 실장 공정 등에서 가해지는 열충격에 의해 세라믹 적층체에 크랙(crack) 또는 절연파괴가 발생하는 문제가 있다.
구체적으로, 크랙은 세라믹층과 내부전극층을 형성하는 재료의 열팽창 계수의 차이에 의한 응력이 세라믹 적층체에 작용하여 발생하는 것이며, 특히 적층 세라믹 커패시터의 상부 및 하부의 양쪽 가장자리에 많이 발생하게 된다.
또한, 열변화에 따라서 유전체 최상부와 최하부에 응력이 발생되는데, 이때 전압이 인가되면 유전층의 절연파괴가 발생할 수 있다.
본 발명의 목적은, 정전용량을 안정적으로 확보하면서 열충격에 의한 세라믹 적층체의 크랙 및 절연파괴를 효과적으로 방지할 수 있는 적층 세라믹 커패시터를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 적층 세라믹 커패시터는, 내부전극 및 유전체층이 교대로 적층되어 형성된 유효층; 및 상기 유효층의 상면 및 하면에 유전체층이 적층되어 형성된 보호층;을 포함하며, 상기 보호층의 두께는 상기 유효층 내의 내부전극의 평균 두께와 유전체층의 평균 두께의 합의 10.0 내지 30.0배일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 적층 세라믹 커패시터의 내부전극은, 도전성 물질이 연속하여 형성된 복수의 연속구간; 및 이웃한 연속구간의 사이에 기공 또는 세라믹이 채워진 단절구간;을 포함하며, 상기 연속구간 및 단절구간을 포함하는 내부전극의 총길이를 A라 하고, 상기 연속구간의 길이의 총합을 B라고 하는 경우 하기 조건식 1을 만족할 수 있다.
[조건식 1] 0.92 ≤ B/A < 1
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 적층 세라믹 커패시터의 유효층 내의 유전체층의 두께는 5um 이하일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 적층 세라믹 커패시터의 유효층 내의 유전 체층의 적층수는 100 이상일 수 있다.
본 발명에 의한 적층 세라믹 커패시터는 보호층의 두께를 유효층의 유전체층 및 내부전극의 평균 두께의 합의 10 내지 30배가 되도록 형성함으로써 내부전극의 연결성이 높더라도 열충격으로 인한 크랙을 효과적으로 방지할 수 있다.
따라서, 내부전극의 연결성을 높게 형성하여 안정적인 정전용량을 확보하고, 절연파괴 전압을 높일 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부호를 사용한다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 '연결'되어 있다고 할 때, 이는 '직접적으로 연결'되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 '간접적으로 연결'되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 ' 포함'한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 적층 세라믹 커패시터의 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 적층 세라믹 커패시터는, 커패시터 본체(1) 및 외부전극(2)을 포함할 수 있다.
상기 커패시터 본체(1)는 그 내부에 복수의 유전체층이 적층되고, 상기 복수의 유전체층 사이에 내부전극이 삽입될 수 있다. 이때, 유전체층은 티탄산바륨(Ba2TiO3)를 이용하여 형성될 수 있으며, 내부전극은 니켈(Ni), 텅스텐(W), 또는 코발트(Co) 등을 이용하여 형성될 수 있다.
상기 외부전극(2)은 상기 커패시터 본체(1)의 양측면에 형성될 수 있다. 상기 외부전극(2)은 상기 커패시터 본체(1)의 외표면에 노출된 내부전극과 전기적으로 연결되도록 형성됨으로써 외부단자 역할을 할 수 있다. 이때, 상기 외부전극(2)은 구리(Cu)를 이용하여 형성될 수 있다.
도 2는 도 1의 I-I'를 따라 절단한 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 적층 세라믹 커패시터는, 내부전극(12) 및 유전체층(14)이 교대로 적층되어 형성된 유효층(10), 및 상기 유효층(10)의 상면 및 하면에 복수의 유전체층이 적층되어 형성된 보호층(20)을 포함할 수 있다.
우선 도 2를 참조하여 내부전극의 연결성에 대하여 정의하면 다음과 같다.
적층 세라믹 커패시터의 내부에 형성되는 내부전극(12)은 일반적으로 중간에 끊긴 영역이 없이 완전하게 연결되어있지 않다. 내부전극(12)을 형성하는 공정은 세라믹 그린시트의 일면에 니켈(Ni) 등의 금속분말이 포함된 도전성 페이스트를 이용하여 인쇄하는 방법으로 이루어지기 때문에 내부에 다소 빈공간이 남게 된다.
따라서, 적층 세라믹 커패시터를 일정 방향으로 자른 단면에서 보았을 때 내부전극(12)은 완전하게 이어져 있지 않고 중간중간에 기공(16)이 존재하게 된다.
도 2를 참조하여 기공을 포함한 내부전극(12)의 길이를 A라고 하고, 기공(16)을 제외한 내부전극 부분들의 길이의 합을 B라고 한다면, 내부전극의 연결성은 B/A로 정의할 수 있다.
내부전극의 연결성에 따른 정전용량, 절연파괴 전압 및 열충격으로 인한 크랙의 발생 가능성의 관계는 다음과 같다.
내부전극의 연결성이 높은 경우 중간에 끊어진 부분이 거의 없이 내부전극이 형성된 것이므로 연결성이 낮은 경우보다 큰 정전용량을 확보할 수 있다. 또한, 내부전극 사이의 유전체층의 두께가 균일해지므로 절연파괴 전압이 높아진다. 하지만, 내부전극을 형성하는 물질(예를 들어, 니켈(Ni)등의 금속물질일 수 있다.)과 세라믹의 열팽창 계수의 차이로 인하여 발생하는 단차 때문에 열충격을 받을 경우 크랙이 발생하기 쉽다.
반면에, 내부전극의 연결성이 낮은 경우 정전용량이 감소하고 내부전극 사이의 유전체층의 두께가 균일하지 않아 절연파괴 전압이 낮아지는 문제점이 있지만, 내부전극을 형성하는 물질과 세라믹의 열팽창 계수의 차이로 인하여 발생하는 단차를 완화하는 효과가 있어 열충격으로 인한 크랙을 방지할 수 있다.
도 3은 내부전극의 연결성에 따른 정전용량 및 절연파괴 전압의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 3을 참조하면, 내부전극의 연결성이 증가할수록 정전용량 및 절연파괴 전압이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 특히, 내부전극의 연결성이 0.92 이상이 되는 경우 정전용량 및 절연파괴 전압은 최대치의 90% 이상이 되어 안정적이게 된다.
다만, 이렇게 내부전극의 연결성을 높게 형성할 경우 열충격으로 인한 크랙이 발생하게 되는 문제점이 있으므로 이를 해결할 필요가 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명에서는 상기 보호층(20)의 두께(t1)에 대한 유효층 유전체층(14)의 평균 두께(t2)와 내부전극(12)의 평균 두께(t3)의 합의 비를 조절한다.

실시예
내부전극 연결성(B/A)
정전용량
(uF)		 유전체층의
두께비
(t1/(t2+t3))
열충격 크랙
발생 개수
1 0.98 10.2 40 11/200
2 0.98 10.2 35 7/200
3 0.98 10.2 32 2/200
4 0.98 10.3 29 0/200
5 0.98 10.3 15 0/200
6 0.98 10.3 10 0/200
7 0.98 10.3 8 5/200
표 1은 내부전극의 연결성은 0.98로 일정하게 하고 상기 보호층(20)의 두께(t1)에 대한 유효층 내의 유전체층(14)의 평균 두께(t2)와 내부전극(12)의 평균 두께(t3)의 합의 비(t1/(t2+t3))를 변화시켜가면서 정전용량 및 열충격 크랙의 발생 개수를 측정한 결과를 나타내는 표이다.
이때, 내부전극(12)을 형성하기 위한 도전성 페이스트로써 니켈(Ni)분말은 입자크기가 0.1~0.2um인 것을 사용하였으며, 니켈 분말의 함량은 40~50%로 제작하였다. 또한, 열충격 시험은 320℃의 납조에 2초동안 침지시키는 방식으로 이루어졌다.
표 1을 참조하면, 유전체층의 두께비(t1/(t2+t3))가 10 내지 30인 실시예에서 다른 실시예에 비하여 열충격으로 인한 크랙의 발생 개수가 현저히 줄어드는 것을 확인할 수 있다.
표 1의 실시예는 모두 내부전극의 연결성이 0.98인 경우이므로 유전체층의 두께비(t1/(t2+t3))를 10 내지 30으로 조절한다면 내부전극의 연결성이 높더라도 열충격으로 인한 크랙을 효과적으로 방지할 수 있음을 알 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 적층 세라믹 커패시터는, 보호층(20)의 두께(t1)를 유효층 내의 유전체층(14)의 평균 두께(t2)와 내부전극(12)의 평균 두께(t3)의 합의 10 내지 30배가 되도록 형성함으로써 열충격으로 인한 크랙의 발생을 효과적으로 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 적층 세라믹 커패시터는, 내부전극의 연결성을 0.92 이상이 되도록 형성함으로써 안정적으로 정전용량을 확보하고 높은 절연파괴 전압을 얻을 수 있다.
본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명에 따른 구성요소를 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것이 명백할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 적층 세라믹 커패시터의 사시도,
도 2는 도 1의 I-I'를 따라 절단한 단면도,
도 3은 내부전극의 연결성에 따른 정전용량 및 절연파괴 전압의 변화를 나타낸 그래프이다.
<도면의 주요 부분에 대한 간단한 설명>
1: 커패시터 본체 2: 외부전극
10: 유효층 12: 내부전극
14: 유전체층 16: 기공
20: 보호층

Claims (4)

  1. 내부전극 및 유전체층이 교대로 적층되어 형성된 유효층; 및
    상기 유효층의 상면 및 하면에 유전체층이 적층되어 형성된 보호층;
    을 포함하며,
    상기 보호층의 두께는 상기 유효층 내의 내부전극의 평균 두께와 유전체층의 평균 두께의 합의 10.0 내지 30.0배인 적층 세라믹 커패시터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 내부전극은, 도전성 물질이 연속하여 형성된 복수의 연속구간; 및 이웃한 연속구간의 사이에 기공 또는 세라믹이 채워진 단절구간;을 포함하며,
    상기 연속구간 및 단절구간을 포함하는 내부전극의 총길이를 A라 하고, 상기 연속구간의 길이의 총합을 B라고 하는 경우 하기 조건식 1을 만족하는 것을 특징으로 하는 적층 세라믹 커패시터.
    [조건식 1] 0.92 ≤ B/A < 1
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 유효층 내의 유전체층의 두께는 5um 이하인 것을 특징으로 하는 적층 세라믹 커패시터.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 유효층 내의 유전체층의 적층수는 100 이상인 것을 특징으로 하는 적층 세라믹 커패시터.
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