KR20010100006A

KR20010100006A - Ｂｃｚｔ 유전체를 포함하는 컨덴서

Info

Publication number: KR20010100006A
Application number: KR1020017008306A
Authority: KR
Inventors: 벤-흐시 레; 데트레프 헤닝스; 헤어베르트 슈라이네마허
Original assignee: 요트.게.아. 롤페즈; 코닌클리케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
Priority date: 1999-10-29
Filing date: 2000-08-18
Publication date: 2001-11-09
Also published as: WO2001033587A1; US6437970B1; EP1145261A1; TW480503B; JP2003526201A; DE19952134A1

Abstract

본 발명은, 유전체가 주로 기본재질로서 바륨-칼슘-망간-지르콘-티탄산염이 포함된 유전성 세라믹 처리물질을 포함하며, 상기 기본물질은 0 < a ≤0.25, c-0.5d ≤b ≤0.015, 0.001 ≤c ≤0.01, 0.005 ≤d ≤0.02, 0 < x ≤0.20, 1.001 ≤y ≤1.014, 0.0005 ≤z ≤0.03인과 같은 조성물을 가지며 다른 첨가물로서 양(z)이 0.0005 ≤z ≤0.03 몰/화학식단위인

Description

ＢＣＺＴ 유전체를 포함하는 컨덴서{CAPACITOR COMPRISING A BCZT DIELECTRIC}

다층컨덴서는 무엇보다도 프로세서, 특히 고성능마이크로프로세서의 전원공급의 완충 및 디커플링에 사용된다. 고성능 범위에서의 운전 중에 상기 전자 부품은 다량의 열을 발생시키므로 철저한 냉각에도 불구하고 고성능마이크로프로세서의 온도는 연속운전 상태에서 70℃ 내지 80℃이다. 사양 Y5V에 따른 종래 방식의 다층컨덴서는 80℃의 운전온도에서 자신의 정격용량의 단지 20% 만을 갖는다(△C80%). 따라서 마이크로프로세서의 제조에는 사양 X7R에 따른 컨덴서가 선호되는데, 그 이유는 이 컨덴서가 125℃의 운전온도에서 자신의 정격용량의 85%를 갖기 때문이다(△C < ±15%). 하지만 실온에서 X7R 컨덴서의 비용량(specific capacity)은 사양 Y5V에 다른 컨덴서보다 약 5배정도 낮고 이로 인해 X7R-컨덴서의 치수는 커져야 하는데, 예를 들어 1㎌ X7R-컨덴서의 치수는 적어도 부품치수 1206(길이 0.12인치, 너비 0.06인치)에 상응해야 한다. 따라서 현재까지는 용량이 5㎌를초과하는 경우 비싼 탄탈 컨덴서만이 사용될 수 있었다.

도핑(doping)된계열의 복수의 세라믹 층과 주로 니켈을 포함하는 복수의 전극층을 포함하는 세라믹 다층컨덴서는 WO 98/54737에 이미 개시된 바 있는데, 여기서 상기 세라믹 층과 전극층은 교호적으로 적층되어 있어, 이것들은 다층구조를 이루며 이 다층구조의 양측면에는 전기 커넥터가 장착되어 있고, 이 커넥터는 전극층과 접촉하며 이 다층구조의 경우 도핑된의 주성분은 일반적인 화학식{}을 갖는다. 상기 컨덴서는 고온의 직렬용으로 적합하다.

본 발명은, 유전체가 기본재질로서 주로 바륨-칼슘-망간-지르콘-티탄산염이 포함된 유전성 조성물(dielectric composition)을 포함하며, 비귀금속으로 이루어진 내측 전극과 세라믹 유전체가 포함된 컨덴서, 특히 다층컨덴서에 관한 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 콘덴서의 실시예에 대한 횡단면도.

본 발명의 과제는 유전체가 주로 기본재질로서 바륨-칼슘-망간-지르콘-티탄산염이 포함된 유전성 세라믹 처리물질을 포함하며, 세라믹 유전체와 적어도 두 개의 전극을 갖는 종래 방식의 컨덴서보다 치수가 작은 고온 직렬용 컨덴서를 제공하는 것이다.

상기 과제는 본 발명에 따라 세라믹 유전체와 적어도 두 개의 전극을 포함하는 컨덴서를 통해 해결되는데, 여기서 유전체는 주로 기본재질로서 바륨-칼슘-망간-지르콘-티탄산염이 포함된 유전성 세라믹 처리물질을 포함하며, 이 기본물질은 0 < a ≤0.25, c-0.5d ≤b ≤0.015, 0.001 ≤c ≤0.01, 0.005 ≤d ≤0.02, 0 <x ≤0.20, 1.001 ≤y ≤1.014, 0.0005 ≤z ≤0.03인과 같은 조성물을 가지며 다른 첨가물로서양(amount)(z)이 0.0005 ≤z ≤0.03몰/화학식단위(mol/formula unit)인를 포함한다.

이런 종류의 유전성 세라믹 처리물질은 1200℃의 낮은 소결온도(sintering temperature)를 특징으로 한다. 이런 처리물질의 입자는 미세하므로 상기 처리물질은 매우 얇은 유전성 층의 제작에 적합하다. 이런 재질로 이루어진 유전체를 포함하는 컨덴서는 100V/㎛ 미만의 매우 높은 파괴전압을 가지며 컨덴서가 직류에서 사용되는 경우 수명이 길다. 따라서 이런 유전성 세라믹 조성물이 포함된 컨덴서는 작은 치수로도 큰 용량을 가질 뿐 아니라 동시에 수명도 길다.

본 발명에서 전극은 니켈 또는 니켈함유성 합금을 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명은 이하에서 도면에 의거하여 더욱 자세히 설명될 것이다.

바람직한 실시예의 경우 본 발명에 따른 컨덴서는 다층컨덴서이다. 본 발명에 따른 세라믹 다층컨덴서는 두께가 5㎛ 이하인 복수의 산화 유전층과 유전체에서 층상으로 서로 겹겹이 배열되고 유전체의 두 개의 대향 끝면으로 교호적으로 뻗어 있는 복수의 내측 전극(2)을 포함하는 세라믹 유전체(1)를 포함한다. 세라믹 유전체의 끝면에는 상응하는 내측 금속 전극과 연결되는 금속 접촉전극(3)이 외측 터미널로서 형성되어 있다.

제조는 세라믹 컨덴서에 적용되는 통상적인 제조기술에 따라 이루어지는데, 여기서 원하는 형태나 치수, 추구되는 정확도나 적용분야에 따라 수 많은 제조변형이 가능하다.

세라믹 유전체에 사용되는 재질은 기본재질로서 바륨-칼슘-망간-지르콘-티탄산염이 포함된 유전성 세라믹 처리물질인데, 이 기본재질은 0 < a ≤0.25, c-0.5d ≤b ≤0.015, 0.001 ≤c ≤0.01, 0.005 ≤d ≤0.002, 0 <x ≤0.20, 1.001 ≤y ≤1.014, 0.0005 ≤z ≤0.03인과 같은 조성물을 가지며 다른 첨가물로서 양(z)이 0.0005 ≤z ≤0.03몰/화학식단위인를 포함한다.

전극의 재질 선택에는 별다른 제약이 없으므로 한 종류의 금속이나 또는 일반적으로 사용되는 두 종류 또는 여러 종류의 금속의 조합을 사용할 수 있다. 상기 전극은 백금, 팔라듐, 금 또는 은과 같은 귀금속을 포함할 수 있다. 상기 전극은 크롬, 지르코늄, 바나듐, 아연, 구리, 주석, 납, 망간, 몰리브덴, 텅스텐, 티탄 또는 알미늄을 포함할 수 있다. 바람직하게는 상기 전극은 니켈, 철, 코발트 및 이것들의 합금에서 선택된 비귀금속을 포함한다.

유전성 세라믹 처리물질의 제조는 예를 들어 혼합산화물방식, 준석출방식(co-precipitation method)), 스프레이건조법, 졸/겔 방식, 열수방식(hydrothermal method) 또는 알콕사이드 방식과 같은 일반적인 분말제조 방법에 따라 이루어진다. 이 중에서도 예를 들어 탄산염, 수산화물,옥살산염(oxalates) 또는 아세트산염(acetates)과 같은 열분해가 가능한 결합물 또는 초기산화물이 혼합되고 분쇄되는 혼합산화물방식이 선호된다. 그 다음 과정에서 초기분말이 1000℃ 내지 1400℃에서 하소된다(calcine).

녹색 바디로 성형하기 위해 마찬가지로 모든 일반적인 방법이 사용될 수 있다. 세라믹 다층컨덴서의 경우에는 성형을 위해 하소된 분말에서 우선 서스펜션이 제조되는데, 이 서스펜션은 분말외에도 다른 구성요소로서 용매, 결합제 및 경우에 따라서는 연화제 및 해교제(dispersing agent)를 포함한다. 상기 용매는 예를 들어 물, 알코올, 톨루올, 크실올 또는 트리클로르에틸렌일 수 있다. 결합제로는 일반적으로 폴리비닐알코올, 폴리비닐부틸알 또는 폴리메틸메트아크릴레이트와 같은 유기성 폴리머가 사용된다. 연화제로서 글리세린, 폴리글리콜 또는 프탈레이트가 사용될 수 있다. 이외에도 알킬아릴폴리에테르알코올, 폴리에틸렌글리콜에틸에테르 또는 옥틸페녹시에탄올과 같은 해교제가 상기 서스펜션에 첨가될 수 있다.

선호되는 방법인 호일주조방법에 따라 상기 서스펜션에서 녹색의 세라믹 호일이 제조된다. 상기 호일주조방법에서 서스펜션은 움직이는 캐리어표면에 주조된다. 용매가 증발된 후에는 바인더 시스템에 따라 다소 유연한 호일이 남게 되는데, 이것은 절단 후 실크-스크린(silk-screening) 방식에 따라 내측 전극의 주형에서 금속 페이스트로 프린트되고 적층된다. 상기 적층물에서 각각의 다층컨덴서를 절단한다. 이것은 우선 약한 환원성 대기에서 1100℃ 내지 1400℃의 온도로 소결되고 그 다음 약한 산화성 대기에서 600℃ 내지 1100℃의 온도로 템퍼링(tempering)된다. 약한 환원성 대기로는 0.5 Vol% 내지 2 Vol%의 수소가 첨가된 수증기 포화 질소가 사용되며 약한 산화성 대기로는 5 ppm 내지 100 ppm의 산소가 포함된 질소가 사용된다.

외측 전극을 형성하기 위해 컨덴서의 끝면에 예를 들어 니켈을 포함하는 금속 페이스트를 도포하고 버닝시킨다(burning). 하지만 외측 전극은 예를 들어 금으로 이루어진 금속층의 증착(vapor-deposition)을 통해서도 형성될 수 있다.

본 발명에 따른 컨덴서의 특성화를 위해 이미 알려진 방식에 따라 25℃에서 용량(C)과 손실율(loss factor)( tan∂)이 측정된다. 수명은 105℃ 및 27V/㎛에서 가속화된 수명시험(ALT)을 통해 측정된다. 이를 위해 CrNi 및 Au(50㎚)로 이루어진 전극과 접촉하는 지름 5mm, 층두께가 0.05mm인 시험펠릿(test pellet)이 제조되고, 105℃로 가열되는데, 이때 27V/㎛의 전압이 공급된다. 여기에서 전류를 측정하는데, 이 전류를 통해 절연저항을 계산할 수 있다. 시험 개시 후 초기에는 절연저항이 높다. 시간이 경과함에 따라 절연저항은 높은 수준으로 일정하게 유지된다. 일정한 특징적 일산기간(degradation period)이 경과한 후에 비로소 절연저항이 낮아지기 시작한다. 누설전류는 지금까지의 측정시간에 비해 단기간에 급격하게 증가한다. 수명은 누설전류가 10제곱만큼 증가한 시간으로 정의된다.

(실시예 1)

다층컨덴서의 제조를 위해 우선 슬러리(slurry)가 준비되어야 한다. 이를 위해 표 1에 따른가 포함된 화학식으로 정의되는 고순도및의 중량을 저울로측정하고, 폴리프로필렌병에서 젖은 상태로 분쇄하고, 건조시킨 후 강옥 도가니에서 1000℃로 4시간 동안 하소시킨다.

	a	b	c	d	x	y	z
14	0.2	0.001	0.006	0.01	0.04	1.009	0.015
15	0.2	0.001	0.006	0.003	0.04	1.009	0.015
16	0.2	0.001	0.001	0.01	0.04	1.009	0.015
17	0.2	0.001	0.006	0.022	0.04	1.009	0.015
18	0.2	0.001	0.006	0.01	0.04	1.016	0.015
19	0.2	0.001	0.006	0.01	0.04	1.003	0.015
20	0.2	0.001	0.006	0.01	0.04	1.009	0.005
21	0.2	0.001	0.006	0.01	0.04	1.009	0.03

그 다음 평균입자의 크기가 0.5㎛가 되도록 분말을 분쇄한다. 그 다음 분말을 용매, 해교제 및 결합제와 함께 슬러리가 되도록 젓는다.

상기 슬러리는 닥터 블레이드법(Doctor blade method)에 따라 캐리어호일에 주조된다. 이렇게 형성된 녹색 세라믹호일은 건조되고 절단된 후에 전극층을 위해 니켈 페이스트로 프린트된다. 이렇게 프린트된 호일은 적층되고 녹색 플레이트로 압축되며 이 압축된 플레이트는 절단된 후에 4시간 동안 1200℃에서 수소함유성의 습기있는 환원성 대기에서 Po₂= 1.183 ×10^-10Pa의 산소분압으로 소결된다. 접촉을 위해 컨덴서의 측면은 은 페이스트로 칠해진다. 유전 특성에 대한 측정값은 표 2에 기술되어 있다.

	C(㎌)25℃	tan∂%	I.R.MΩ	B.V.V/㎛	수명27V/㎛
14	23.5	7	2 ×10³	110	50
15	24.6	8	1 ×10³	20	12
16	24.1	8.4	8 ×10³	50	5
17	17.6	5.6	5 ×10³	115	50
18	16.5	4.3	5 ×10³	130	50
19	25.6	10.1	1 ×10³	70	38
20	22.5	8.6	2 ×10³	100	50
21	26.5	9.2	2 ×10³	43	7

(실시예 2)

유전 특성을 측정하기 위해 세라믹 펠릿도 표 3에 따른 조성에 따라 제조된다.

	a	b	c	d	x	y	z
1	0.2	0.01	0.006	0.01	0.04	1.01	0
2	0.2	0.01	0.006	0.01	0.04	1.01	0.03
3	0.2	0.01	0.012	0.01	0.04	1.009	0.015
4	0.2	0.01	0.001	0.01	0.04	1.009	0.015
5	0.2	0.01	0.006	0.01	0.04	1.0	0.015
6	0.2	0.01	0.006	0.01	0.04	1.016	0.015
7	0.2	0.01	0.006	0.022	0.04	1.09	0.015
8	0.2	0.01	0.006	0.003	0.04	1.009	0.015
9	0.2	0.016	0.006	0.01	0.04	1.009	0.015
10	0.2	0.002	0.006	0.01	0.04	1.009	0.015
11	0.1	0.01	0.006	0.01	0.04	1.009	0.015
12	0.2	0.01	0.006	0.01	0.013	1.009	0.015
13	0.2	0.01	0.006	0.01	0.04	1.009	0.015

하소된 분말은 지름 7mm의 원판으로 압착되며 실시예 1의 조건으로 소결된다. 유전 특성 시험의 결과는 표 4에 요약되어 있다.

	K25℃	tan∂%	I.R.MΩ	밀도g/cm³	G.S.㎛
1	4500	0.4	1 ×10³	5.56	1
2	11000	1.5	1 ×10³	5.91	5
3	12000	3.5	1 ×10³	5.92	3
4	10000	1.0	1 ×10³	5.90	3
5	4000	0.3	1 ×10³	5.5	1
6	7500	0.4	2 ×10³	5.90	1.5
7	6300	0.5	3 ×10³	5.91	1.5
8	11000	1.0	4 ×10³	5.91	3
9	5700	0.4	5 ×10³	5.92	1.5
10	14500	1.1	1 ×10³	5.91	5
11	10300	2.1	2 ×10³	5.90	1.5
12	7600	0.7	3 ×10³	5.83	2.5
13	10500	0.7	5 ×10³	5.92	2

상술한 바와 같이, 본 발명에 의해, 유전체는 주로 기본재질로서 바륨-칼슘-망간-지르콘-티탄산염이 포함된 유전성 세라믹 처리물질을 포함하며, 세라믹 유전체와 적어도 두 개의 전극을 갖는 종래 방식의 컨덴서보다 치수가 작은 고온 직렬용 컨덴서를 제공할 수 있다.

Claims

세라믹 유전체와 적어도 두 개의 전극을 포함하는 컨덴서로서.

유전체는 주로 기본재질로서 바륨-칼슘-망간-지르콘-티탄산염이 포함된 유전성 세라믹 처리물질을 포함하며, 상기 기본물질은 0 < a ≤0.25, c-0.5d ≤b ≤0.015, 0.001 ≤c ≤0.01, 0.005 ≤d ≤0.02, 0 < x ≤0.20, 1.001 ≤y ≤1.014, 0.0005 ≤z ≤0.03인과 같은 조성물(composition)을 가지며 다른 첨가물로서 양(z)이 0.0005 ≤z ≤0.03 몰/화학식단위(mol/formula unit)인를 포함하는, 컨덴서.
제 1항에 있어서, 상기 전극은 니켈 또는 니켈함유성 합금을 포함하는 것을 특징으로 하는, 컨덴서.
세라믹 분말로서,

0 < a ≤0.25, c-0.5d ≤b ≤0.015, 0.001 ≤c ≤0.01, 0.005 ≤d ≤0.02, 0 < x ≤0.20, 1.001 ≤y ≤1.014인과 같은 조성물을 갖는, 세라믹 분말.
제 3항에 있어서, 상기 분말은 다른 첨가물로서 양(z)이 0.0005 ≤z ≤0.03몰/화학식단위인를 포함하는 것을 특징으로 하는, 분말.