KR101508838B1 - 다층 세라믹 소자 및 이를 구비하는 실장 구조물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 다층 세라믹 소자에 관한 것으로, 본 발명의 실시예에 따른 다층 세라믹 소자는 내부에 내부 전극이 배치되는 소자 몸체 및 소자 몸체의 외부에서 내부 전극과 전기적으로 연결되도록 소자 몸체의 외부 단부를 덮는 외부 전극을 구비하되, 외부 전극은 소자 몸체를 덮는 내층 및 내층을 덮으며 외부에 노출되고 솔더 성분을 함유하는 전도성 수지로 이루어진 외층을 포함한다.

Description

다층 세라믹 소자 및 이를 구비하는 실장 구조물{MULTILAYER CERAMIC DEVICE AND MOUNSTING STRUCTURE WITH THE SAME}
본 발명은 다층 세라믹 소자 및 이를 구비하는 실장 구조물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 실장 공정시 납땜성 확보를 위한 별도의 도금 공정을 수행할 필요가 없는 구조의 다층 세라믹 소자 및 이를 구비하는 실장 구조물에 관한 것이다.
일반적인 박막형 다층 세라믹 콘덴서(Multilayer Ceramic Condensor:MLCC)와 같은 칩 부품은 소자 몸체, 내부 전극, 그리고 외부 전극 등으로 구성된다. 상기 소자 몸체는 소위 그린시트라 불리는 복수의 유전체 시트들의 적층물이고, 상기 내부 전극은 상기 유전체 시트들에 각각 제공된다. 그리고, 상기 외부 전극은 상기 내부 전극과 전기적으로 연결되도록 하면서, 상기 소자 몸체 외부 양단부를 덮는 구조를 갖는다.
상기와 같은 칩 부품은 회로 기판과 같은 전자 기기에 실장(mounting)하기 위해, 상기 외부 전극에 도금층을 형성하게 된다. 이러한 도금층은 납땜성을 확보하기 위한 것으로서, 상기 외부 전극에 대해 수행하게 된다. 그러나, 이러한 납땜성 확보를 위한 도금 공정 과정에서, 상기 칩 부품의 소자 몸체 내부로 사용되는 도금액이 부품 내부로 침투하여, 제품 신뢰성을 저하시키는 문제가 발생될 수 있다.
한국특허공개번호 2012-104785
발명이 해결하고자 하는 과제는 칩 실장시 납땜성 확보를 위한 도금층이 없는 구조를 갖는 다층 세라믹 소자 및 이를 구비하는 실장 구조물을 제공하는 것에 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 칩 실장시 납땜성 확보를 위해 수행되는 도금 공정시 도금액의 침투로 인한 신뢰성 저하 문제를 해결할 수 있는 다층 세라믹 소자 및 이를 구비하는 실장 구조물을 제공하는 것에 있다.
본 발명에 따른 다층 세라믹 소자는 내부에 내부 전극이 배치되는 소자 몸체 및 상기 소자 몸체의 외부에서 상기 내부 전극과 전기적으로 연결되도록, 상기 소자 몸체의 외부 단부를 덮는 외부 전극을 구비하되, 상기 외부 전극은 상기 소자 몸체를 덮는 내층 및 상기 내층을 덮으며 외부에 노출되고, 솔더(solder) 성분을 함유하는 전도성 수지로 이루어진 외층을 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 전도성 수지는 주석(Sn)에 비해 융점이 낮은 주석 계열의 합금을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 내층은 소성 전극이고, 상기 전도성 수지는 Sn-X계 합금을 포함하되, 상기 X는 상기 내층이 상기 솔더 성분으로 인해 용해되는 것을 방지하기 위한 금속을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 X는 구리(Cu), 니켈(Ni), 그리고 철(Fe) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 전도성 수지는 Sn-X계 합금을 포함하되, 상기 X는 상기 외층의 융점을 Sn의 융점에 비해 낮추기 위한 금속을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 X는 비스무스(Bi)를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 외부 전극은 상기 내층과 상기 외층으로 구성된 복층 구조를 가질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 내층은 구리(Cu)와 니켈(Ni), 그리고 이들 금속을 갖는 합금 또는 이들산화금속의 산화물을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 외층은 융점을 낮추는 물질 및 상기 내층의 용해를 방지하는 구리(Cu), 니켈(Ni), 그리고 철(Fe) 중 적어도 어느 하나를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 실장 구조물은 랜드 단자를 갖는 회로 기판 및 상기 회로 기판에 실장되는 다층 세라믹 소자를 포함하되, 상기 다층 세라믹 소자는 내부에 내부 전극이 배치되는 소자 몸체 및 상기 소자 몸체의 외부에서 상기 내부 전극과 전기적으로 연결되도록, 상기 소자 몸체의 외부 단부를 덮는 외부 전극을 구비하고, 상기 외부 전극은 상기 소자 몸체를 덮는 내층 및 상기 내층을 덮으며 외부에 노출되고 솔더(solder) 성분을 함유하는 전도성 수지로 이루어져, 상기 랜드 단자에 접합되는 외층을 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 전도성 수지는 주석(Sn)에 비해 융점이 낮은 주석 계열의 합금을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 다층 세라믹 소자는 외부 전자 기기와의 전기적 연결을 위한 외부 전극에 있어서, 외부 전극의 최외층이 소자의 실장을 위한 도금층을 대체할 수 있는 솔더(solder) 성분을 함유하는 전도성 수지로 이루어져, 별도의 도금 공정을 수행하지 않아도, 실장을 완료할 수 있는 구조를 가질 수 있다.
본 발명에 따른 다층 세라믹 소자는 외부 전극의 외층을 수지 전극층으로 구성함으로써, 외부 회로 기판에 실장되는 과정과 실장 이후에 다층 세라믹 소자가 외부 요인으로 인해 받게 되는 응력을 완화시키는 효과도 기대할 수 있다.
본 발명에 따른 다층 세라믹 소자는 외부 전극의 최외층이 납땜성을 가질 수 있도록 솔더(solder) 성분을 함유하면서도, 상기 솔더 성분으로 인한 외부 전극의 내층이 손상되는 것을 방지할 수 있는 구조를 가질 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 다층 세라믹 소자를 보여주는 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 다층 세라믹 소자가 실장된 전자 기기의 일 형태를 보여주는 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면들과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다. 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공될 수 있다. 명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다
본 명세서에서 사용된 용어들은 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 단계는 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprise)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
또한, 본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라, 허용 오차 또는 세부 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 식각 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 다층 세라믹 소자 및 이를 구비하는 실장 구조물에 대해 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 다층 세라믹 소자를 보여주는 도면이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 다층 세라믹 소자(100)는 소자 몸체(device body:110), 내부 전극(internal electrode:120), 그리고 외부 전극(external electrode:130)을 포함할 수 있다.
상기 소자 몸체(110)는 복수의 시트들이 적층된 다층 구조를 가질 수 있다. 상기 시트들로는 소위 그린 시트(green sheet)라 불리는 유전체 시트들이 사용되며, 상기 유전체 시트들이 적층되어 유전체층(116)을 구성할 수 있다. 상기 유전체 시트들의 적층물은 대체로 육면체 형상을 가지게 되며, 이에 따라, 상기 소자 몸체(110)는 두 개의 측면들(112)과 상기 측면들(112)을 연결하는 네 개의 둘레면들(114)을 가질 수 있다.
상기 내부 전극(120)은 상기 소자 몸체(110)의 길이 방향에 대체로 평행하게 배치될 수 있다. 상기 내부 전극(120)은 상기 시트들 각각에 형성된 회로 패턴일 수 있다. 상기 내부 전극(120)은 상기 소자 몸체(110) 내에서 제1 전극(122)과 제2 전극(124)이 교대로 적층되는 형태로 배치될 수 있다. 상기 내부 전극(120)은 상기 외부 전극(130)에 접촉된 금속 패턴일 수 있다. 상기 내부 전극(120)은 상기 시트들 각각에 형성되며, 상기 측면(112)으로부터 상기 소자 몸체(110) 내부로 연장된 구조를 가질 수 있다. 선택적으로, 상기 내부 전극(120)은 플로팅 패턴(floating pattern)을 더 포함할 수 있다. 상기 소자 몸체(110) 내에서 상기 외부 전극(130)에 접촉되지 않고, 상기 측면들(112) 사이에 배치될 수 있다.
상기 외부 전극(130)은 상기 소자 몸체(110)의 양단부를 덮을 수 있다. 상기 외부 전극(130)은 전면부(131a) 및 밴드부(131b)로 이루어지며, 상기 전면부(131a)는 상기 측면(112)을 덮고, 상기 밴드부(131b)는 상기 전면부(131a)로부터 연장되어 상기 둘레면(114)의 일부를 덮을 수 있다. 상기 밴드부(131b)는 상기 다층 세라믹 소자(100)를 회로 기판과 같은 외부 기기(미도시됨)에 접합시키기 위한 접합 부분일 수 있다.
상기 외부 전극(130)은 다층 구조(multilayer structure)를 가질 수 있다. 일 예로서, 상기 외부 전극(130)은 내층(132)과 외층(134)으로 이루어질 수 있다. 상기 내층(132)은 상기 소자 몸체(110)를 직접 덮는 층이고, 상기 외층(134)은 상기 내층(132)을 덮으면서, 표면이 외부에 노출되는 최외층일 수 있다. 이에 따라, 상기 외부 전극(130)은 상기 내층(132)과 상기 외층(134)으로 구성된 복층 구조(doublelayer structure)를 가질 수 있다.
상기 내층(132)은 소성 전극으로 사용될 수 있다. 예컨대, 상기 내층(132)은 구리(Cu), 은(Ag), 그리고 니켈(Ni) 등의 도전성 금속 분말을 함유하는 도전성 페이스트를 상기 소자 몸체(110)의 양단부에 도포법 또는 침지법 등을 사용하여 도전층을 형성시킨 후, 이를 소결시켜 형성된 전극층일 수 있다.
상기 외층(134)은 솔더(solder) 성분을 함유하는 전도성 수지로 이루어진 전극층일 수 있다. 상기 솔더 성분으로는 주석계 합금을 포함하는 수지(resin) 재질로 이루어질 수 있다. 상기 수지로는 에폭시 수지, 페놀 수지 등과 같은 다양한 수지가 사용될 수 있다. 상기 주석계 합금으로는 Sn-X계 합금으로서, 상기 X가 구리(Cu), 니켈(Ni), 그리고 철(Fe) 중 적어도 하나를 포함하고 있어야 한다. 이와 같은 금속들은 상기 내층(132)이 상기 솔더 성분으로 인해 용해되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 상기 Sn-X계 합금은 융점을 Sn의 융점에 비해 낮추기 위한 금속이 사용될 수 있다. 이러한 기능을 위한 상기 X 금속으로는 비스무스(Bi)가 사용될 수 있다.
상기와 같은 구조의 외부 전극(130)은 상기 외층(134)이 솔더 성분을 함유하는 전도성 수지로 이루어져, 실장시의 납땜성을 확보할 수 있는 도금층으로서의 기능을 수행할 수 있다. 이에 더하여, 상기 외층(134)은 수지 경화시, 솔더 성분과 금속 성분의 합금화를 통해 안정된 전도성을 확보할 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 다층 세라믹 소자가 실장된 전자 기기의 일 형태를 보여주는 도면이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 실장 구조물(200)은 칩 타입 전자 부품을 특정 회로 기판에 실장시킨 구조를 갖는 전자 기기일 수 있다. 일 예로서, 본 발명의 실시예에 따른 실장 구조물(200)은 도 1의 다층 세라믹 소자(100)를 필렛(fillet)을 이용하여 회로 기판(150)에 실장시킨 구조를 가질 수 있다.
상기 다층 세라믹 소자(100)는 적층형 콘덴서일 수 있으며, 교대로 적층된 제1 내부 전극(122)과 제2 내부 전극(124)이 내재된 유전체층(116)를 갖는 소자 몸체(110) 및 상기 소자 몸체(110)의 양단부에 각각 형성되어, 상기 제1 및 제2 내부 전극들(122, 124)로 이루어진 내부 전극(120)에 전기적으로 연결되는 외부 전극(130)을 구비할 수 있다.
상기 내부 전극(120)은 니켈(Ni), 납(Pd), 은(Ag), 그리고 구리(Cu) 등과 같은 도전성 재료를 포함하는 전도성 페이스트를 스크린 인쇄 방식으로 유전체 시트(112)에 프린팅 및 소결시켜 형성된 회로 패턴일 수 있다. 상기 제1 및 제2 내부 전극들(122, 124)은 적어도 유전체 시트(112)의 두께에 상응하는 유전체층(116)을 개재하여 적층 방향으로 교대로 배치하게 될 수 있다.
상기 제1 내부 전극(122)의 단부는 상기 소자 몸체(110)의 긴 방향의 일 단면으로 연장되고, 상기 제2 내부 전극(124)의 단부를 상기 소자 몸체(110)의 다른 단면으로 연장될 수 있다. 상기 제1 및 제2 내부 전극들(122, 124) 사이의 상기 소자 몸체(110) 내 영역은 상기 다층 세라믹 소자(100)를 실질적으로 발생시키는 부분일 수 있다.
외부 전극(130)은 상기 다층 세라믹 소자(110)를 외부 전자 기기와의 전기적 연결을 위한 단자 전극으로 사용되는 부분으로서, 상기 소자 몸체(110)의 단부를 덮을 수 있도록 형성된 소성 전극층인 내층(132)과 상기 소성 전극층(132)을 덮는 수지 전극층인 외층(134)으로 이루어질 수 잇다. 상기 내층(132)은 구리(Cu) 및 니켈(Ni) 등의 도전성 금속 분말 및 글래스 프릿(glass frit)을 함유한 전극 페이스트를 침지법 등으로 소자 몸체(110)의 양 단부에 형성될 수 있다.
한편, 상기 외층(134)은 제1 솔더 성분, 도전성 금속, 그리고 수지 성분을 함유하는 수지 페이스트를 열경화시켜 형성된 것일 수 있다. 그리고, 수지 성분의 열경화 온도를 솔더 성분의 융점 이상으로 하여, 외층(134)을 열경화할 때, 솔더 성분과 구리(Cu) 및 니켈(Ni) 등 도전성 금속의 합금화를 통해 안정된 유전성을 확보할 수 있다.
상기 회로 기판(150)은 랜드 전극(151)을 가지고 있다. 상기 랜드 전극(151) 상에 Pb free 솔더 페이스트(140)를 인쇄한 후, 상기 다층 세라믹 소자(100)의 외부 전극(130)을 랜드 전극(151) 상에 배치시켜 가열 처리함으로써, 상기 다층 세라믹 소자(100)가 상기 회로 기판(150)에 실장될 수 있다. 이때, 상기 다층 세라믹 소자(110)와 상기 회로 기판(150)은 가열을 통해 필렛이 형성됨에 따라, 외부 전극(130)의 외층(134)에 함유된 솔더 성분과 랜드 전극(151) 상의 Pb free 솔더 페이스트(140)가 일체화되어 고착될 수 있다. 상기 Pb free 솔더 페이스트(140)로는 제2 솔더 성분으로서 96.5Sn-3.0Ag-0.5Cu가 사용될 수 있다. 이에 따라, 상기 다층 세라믹 소자(100)의 외부 전극(130)과 상기 회로 기판(150)의 랜드 전극(151)과의 전기적인 접속이 이루어질 수 있다. 여기서, 상기 외부 전극(130)의 외층(134)인 수지 전극층을 구성하는 솔더 성분으로는 Sn-Bi-Cu, Sn-Ag-Cu-Bi, Sn-Ag-Cu-Ni-Ge, Sn-Ag-Cu, 그리고 Sn-Cu-Ni-Ge 등이 사용될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 다층 세라믹 소자(100)는 소자 몸체(110)의 양단부를 덮는 외부 전극(130)을 포함하되, 상기 외부 전극(130)은 소성 전극인 내층(132)과 상기 내층(132)을 덮으면서 솔더 성분을 함유하는 전도성 수지로 이루어져 납땜성을 갖는 외층(134)을 구비할 수 있다. 이 경우, 상기 외부 전극(130)의 외층(134)이 상기 소자(100)를 외부 전자 기기에 실장하기 위한 최외곽 도금층을 대체할 수 있어, 실장을 위한 별도의 도금 공정을 수행할 필요가 없다. 이에 따라, 본 발명에 따른 다층 세라믹 소자는 외부 전자 기기와의 전기적 연결을 위한 외부 전극에 있어서, 외부 전극의 최외층이 소자의 실장을 위한 도금층을 대체할 수 있는 솔더(solder) 성분을 함유하는 전도성 수지로 이루어져, 별도의 도금 공정을 수행하지 않아도, 실장을 완료할 수 있는 구조를 가질 수 있다. 또한, 외부 전극의 외층을 수지 전극층(140)으로 구성함으로써, 외부 회로 기판에 실장되는 과정 및 실장 후에 다층 세라믹 소자가 외부 요인으로 인해 받게 되는 응력을 완화시키는 효과도 기대할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 다층 세라믹 소자(100)는 외부 전극(130)의 외층(134)이 실장 공정시 도금층의 기능을 수행하되, 이를 위해 사용되는 솔더 성분으로 인해 상기 내층(132)이 용해되는 것을 방지할 수 있도록, 주석 계열의 합금을 함유하는 전도성 수지로 이루어질 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 다층 세라믹 소자는 외부 전극의 최외층이 납땜성을 가질 수 있도록 솔더(solder) 성분을 함유하면서도, 상기 솔더 성분으로 인한 외부 전극의 내층이 손상되는 것을 방지할 수 있는 구조를 가질 수 있다.
이상의 상세한 설명은 본 발명을 예시하는 것이다. 또한 전술한 내용은 본 발명의 바람직한 실시 형태를 나타내고 설명하는 것에 불과하며, 본 발명은 본 명세서에 개시된 발명의 개념의 범위, 저술한 개시 내용과 균등한 범위 및/또는 당업계의 기술 또는 지식의 범위 내에서 변경 또는 수정이 가능하다. 전술한 실시예는 본 발명을 실시하는데 있어 최선의 상태를 설명하기 위한 것이며, 본 발명과 같은 다른 발명을 이용하는데 당업계에 알려진 다른 상태로의 실시, 그리고 발명의 구체적인 적용 분야 및 용도에서 요구되는 다양한 변경도 가능하다. 따라서, 이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니다. 또한 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
100 : 다층 세라믹 소자
110 : 소자 몸체
112 : 측면
114 : 둘레면
120 : 내부 전극
130 : 외부 전극
132 : 내층
134 : 외층
140 : 솔더 페이스트
150 : 회로 기판
151 : 랜드 전극

Claims (11)

  1. 내부에 내부 전극이 배치되는 소자 몸체; 및
    상기 소자 몸체의 외부에서 상기 내부 전극과 전기적으로 연결되도록, 상기 소자 몸체의 외부 단부를 덮는 외부 전극을 구비하되,
    상기 외부 전극은:
    상기 소자 몸체를 덮는 내층; 및
    상기 내층을 덮으며 외부에 노출되는, 그리고 솔더(solder) 성분을 함유하는 전도성 수지로 이루어진 외층을 포함하며,
    상기 솔더 성분을 함유하는 전도성 수지는 Sn-X계 합금을 포함하되,
    상기 X는 주석(Sn)에 비해 융점이 낮은 비스무스(Bi)이거나, 혹은 상기 내층이 상기 솔더 성분으로 인해 용해되는 것을 방지하기 위한 구리(Cu), 니켈(Ni) 및 철(Fe) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 다층 세라믹 소자.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 외부 전극은 상기 내층과 상기 외층으로 구성된 복층 구조를 갖는 다층 세라믹 소자.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 내층은 구리(Cu)와 니켈(Ni), 그리고 이들 금속을 갖는 합금 또는 이들산화금속의 산화물을 포함하는 다층 세라믹 소자.
  9. 삭제
  10. 랜드 단자를 갖는 회로 기판; 및
    상기 회로 기판에 실장되는 다층 세라믹 소자를 포함하되,
    상기 다층 세라믹 소자는:
    내부에 내부 전극이 배치되는 소자 몸체; 및
    상기 소자 몸체의 외부에서 상기 내부 전극과 전기적으로 연결되도록, 상기 소자 몸체의 외부 단부를 덮는 외부 전극을 구비하고,
    상기 외부 전극은:
    상기 소자 몸체를 덮는 내층; 및
    상기 내층을 덮으며 외부에 노출되는, 그리고 솔더(solder) 성분을 함유하는 전도성 수지로 이루어져, 상기 랜드 단자에 접합되는 외층을 포함하며,
    상기 솔더 성분을 함유하는 전도성 수지는 Sn-X계 합금을 포함하되,
    상기 X는 주석(Sn)에 비해 융점이 낮은 비스무스(Bi)이거나, 혹은 상기 내층이 상기 솔더 성분으로 인해 용해되는 것을 방지하기 위한 구리(Cu), 니켈(Ni) 및 철(Fe) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 실장 구조물.
  11. 삭제
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