KR20020065408A - 티탄산바륨계 적층 세라믹 콘덴서의 내부응력 제어방법 - Google Patents

티탄산바륨계 적층 세라믹 콘덴서의 내부응력 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 티탄산바륨(BaTiO3)계 적층 세라믹 콘덴서(MLCCs:Multilayer Ceramic Capacitors)의 제조과정 중 발생되는 내부응력의 제어방법에 관한 것으로, 제조된 MLCCs를 압력 및 온도를 재차 부가하여 인장응력인 내부응력을 압축응력의 내부응력으로 전환시킴으로서 MLCCs의 수명과 신뢰성을 향상시킬 수 있는 것이다. 이러한 내부응력 제어방법은 재료상수가 다른 이종물질들간의 적층으로 제조된 다양한 적층소재에 적용될 수 있으므로 에너지 산업, 환경산업, 자동차 산업, 의학산업 등에 다양하게 응용될 수 있다.

Description

티탄산바륨계 적층 세라믹 콘덴서의 내부응력 제어방법{Control method internal stress BaTiO3 based Ni MLCCs}
본 발명은 티탄산바륨(BaTiO3)계 적층형 세라믹 콘덴서(MLCCs)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 제조된 MLCCs에 압력 및/또는 열을 가하여 MLCCs 내부의 잔류응력에 변화를 줌으로서 MLCCs의 특성을 향상시키는 내부응력 제어방법에 관한 것이다.
국제적으로 전자기기의 소형화, 고기능화에 따라서 적층 세라믹 콘덴서의 소형화 대용량화가 진행되고 있다. 이로서 다른 콘덴서로부터 세라믹콘덴서로의 전환이 예상되고, 용도의 확대도 크게 기대되고 있다. MLCCs는 약 6조원에 가까운 시장으로 년간 11.3%의 지속적인 성장을 하고 있으나 MLCCs를 비롯한 전자부품은 일본에 의해 주도되고 있는 실정이다. 국내에서는 전자부품 업체를 비롯하여 많은 연구소에서 신뢰성 향상과 소재개발을 위하여 많은 연구가 이루어지고 있는 실정이다.
동일 형상에서 얻어지는 정전용량을 증가시키기 위해서는 1층당의 유전체 두께를 얇게 하고 적층수를 증가시켜야 하며, 이러한 유전체의 박층화와 다층화는 정전용량을 증가시키지만, 반대로 절연저항, 내전압 또는 신뢰성을 저하시키는 등 문제를 유발한다.
또한 유전체 적층수가 증가함과 동시에 적층 세라믹 콘덴서중의 내부전극이 있는 부분과 마진부분의 밀도차가 커지고 그 결과로서 형상의 비뚤어짐이나 구조결함이 발생하게 되며, 구조결함이 발생하지 않았어도 내부응력으로서 내재하는 것이 예상된다. 이러한 적층 세라믹 콘덴서의 내부응력 측정은 X선 회절법(X-ray diffraction sin2Ψmethod), 일반적인 꺾임법(conventional bean-bending technique), 컴퓨터 이용법( computer simulation: FEA; Finite Element Analysis, BEA ; Boundary Element Analysis) 등의 방법으로 연구가 진행되어 왔다. 이러한 연구에 의해 측정되어진 적층 세라믹 콘덴서의 내부응력의 분포는 표1과 같이 보고되고 있다.
그러나 이러한 연구도 내부전극의 변화, 유전체 층의 다층화에 의해 응력해석에 많은 어려움을 겪고 있는 실정이다. 따라서 다층, 박막화시의 구조결함 억제 및 칩에 내재하는 내부응력 제어가 장래의 새로운 대용량화 및 극소형화의 열쇠를 쥐고 있는 상황이다.
본 발명은 상기한 MLCCs의 제조공정에서 내재되는 내부응력을 제어하여 사용중 혹은 다른 부품과의 조립과정에서 발생되는 균열 및 파괴를 방지하여 MLCCs의 수명 및 신뢰성 향상을 해결하기 위해 제안된 것으로써, 본 발명의 목적은 제조된 MLCCs를 압력 및/또는 열을 이용하여 후처리함으로써 MLCCs의 수명 및 신뢰성을 향상시키고 고용량화와 소형화를 이룰 수 있도록 하기 위한 내부응력 제어방법을 제공하는 것이다.
도1은 MLCCs의 각 표면의 광학 현미경 사진과 내부응력 측정을 위한 압입(indentation) 위치 및 후처리 공정에서 압력을 가하는 방법에 대한 도식도.
도2는 본 발명에 사용되는 후처리 공정을 위한 실험장비의 도식도.
도3은 본 발명에 의한 후처리 공정전과 900℃에서 후처리 공정후 압력(L 및 W 방향)과 전극에 대한 방향성에 대해 0.5 N의 압입하중으로 측정된 균열길이의 변화를 나타낸 그래프((A)x면, (B)y면, (C)z면)
도4는 본 발명에 의한 후처리 공정전과 900℃에서 후처리 공정후 압력방향성(L 및 W 방향)에 대한 균열길이의 차이(Δℓ)를 나타낸 그래프((A) x면, (B)y면,
(C)z면).
도5는 본 발명에 의한 후처리 공정전과 900℃에서 W 방향으로 후처리 공정후 x면에서 전극으로부터 거리에 따른 균열의 변화를 나타내는 광학 현미경 사진((A-1,2,3) 후처리 공정전, (B-1,2,3) 후처리 공정후).
도6은 본 발명에 의한 900℃에서 W 방향으로 후처리 공정에 의한 각 면에서 균열길이변화를 전극으로부터 거리에 따라 나타내는 광학 현미경 사진((A와 A-1) x면, (B와 B-1) y면, (C와 C-1) z면).
도7은 본 발명에 의한 후처리 공정에서 W 방향으로 압력을 가한 경우 각 방향에 대해 시간 변화에 따른 균열 길이 변화를 나타낸 그래프((A) x면, (B) y면, (C)z면).
도8은 본 발명에 의한 후처리 공정에서 W 방향으로 압력을 가한 경우 온도변화에 따른 각 방향에서 균열길이 변화를 나타내는 그래프((A) x면, (B) y면, (C) z면).
도9는 본 발명에 의한 후처리 공정에서 L 방향으로 압력을 가한 후 온도변화에 따른 각 방향에서 균열길이 변화를 나타낸 그래프((A) x면, (B) y면, (C) z면).
도10은 본 발명에 의한 후처리 공정 전과 900℃에서 W 방향으로 후처리 공정 후의 내부응력 변화를 나타낸 그래프((A-1,2,3) 후처리 공정 전, (B-1,2,3) 후처리 공정 후. 1, 2, 3은 각면 x, y, z면을 나타냄).
본 발명에서는 제조된 MLCCs를 후처리하여 MLCCs의 내부응력을 제어한다.
후처리 방법은 제조된 MLCCs에 압력을 가하거나, 열을 가하거나 또는 압력 및 열을 가한 후 일정시간 유지하고 냉각하는 단계로 이루어진다.
이하, 본 발명에서는 제조된 MLCCs에 압력 및 열을 가하여 후처리함으로써 내부응력을 제어하고 이를 통해 MLCCs의 수명 및 신뢰성을 향상시키는 경우에 대하여 실시예를 통하여 보다 구체적으로 설명 한다.
<실시예1>
상용화되고 있는 MLCCs 시편(삼성전기, 기종;3216, 특성;X7R, 유전체층(actives layer);330층, 유전체와 전극 두께;3㎛-2㎛)을 아래와 같은 조건하에서 미세 압입시험법(micro indentation method)을 이용하여 MLCCs의 파괴인성을 구하고 그 결과로부터 MLCCs의 내부 잔류응력을 평가하였다. 압입시험법은 경도측정기를 사용하여 시편의 표면을 압침으로 누르고 그 결과 생겨난 균열의 길이를 측정함으로서 파괴인성을 구하는 방법으로, 매우 간단하고 1㎤정도의 작은 시편으로도 많은 실험치를 얻을 수 있다는 장점이 있으나, 압입 후 부식에 의한 균열의 전파가 발생하기 이전에 균열을 측정하여야 하고 압침이 시료표면과 수직으로 눌려져야한다는 등의 주의 사항이 있다.
MLCCs 시편을 1㎛까지 연마하고 연마중 발생하는 표면 잔류응력의 제거를 위해 10㎚ 크기의 실리카(SiO2) 콜로이드 졸(colloid sol)로 다시 연마하였다. 준비된 시편을 다이아몬드(diamond) 압자를 갖는 비이커스 (Vikers) 경도기인 미세경도시험기(micro hardness tester: Mitutoyo, AVK-C2, Japan)를 사용하여 0.5 N, 10s 동안 압입하여 시편의 각 면(x, y면-전극에 수평면, z면-전극에 수직면)에 대하여 전극으로부터의 거리를 달리 하면서 그에 따른 압흔의 크기와 균열 길이변화를 광학 현미경(EPIPHON, Nikon, Japan)과 주사 전자현미경(SEM, S270, Jitachi, Japan)을 사용하여 측정하고 자세한 측정위치에 대한 것은 도1에 나타내었다.
이때 나타나는 압흔의 크기와 균열 길이로써 제조공정중 발생하는 내부 잔류응력의 존재를 예상할 수 있다. 이러한 변화는 Ni 전극과 유전체 층의 열팽창 차이에 의해서 발생할 수 있고 MLCCs의 소결시 각 방향간의 수축율의 차이 등에 의해서 발생되어진다.
상기한 바와 같이 측정된 균열 길이로부터 하기 식(1)(Lawn과 Fuller의 식)을 이용하여 파괴인성 값을 구한 다음, 균열길이의 비등방성의 증가가 나타나도록 압입하중(0.5~2N)의 변화를 주어 MLCCs 시편의 각 면과 방향에 따른 잔류응역을 하기 식(2)에 의해 산출하고, 그 결과를 도10 및 표2에 나타내었다.
식(1)
····· (1)
Vicker's indenter
식(2)
····· (2)
도10 및 표2에서 알 수 있는 바와 같이, MLCCs의 내부전극에 수평면(x 및 y면)에서는 내부전극에 수평한 방향(x 및 y방향)으로 압축응력(x면: ≒-45 MPa, y면; ≒-3 MPa), 수직한 방향(z방향)으로 인장응력(≒177 MPa, ≒281 MPa)이 나타났다. 그러나 내부전극에 수직면(z면)에서는 내부전극에 수평한 방향(y방향)으로 인장응력(≒118 MPa), 수직한 방향(z방향)으로 압축응력(≒-13 MPa)이 나타났다. MLCCs의 잔류응력은 적층면 (x, y, z면)뿐만 아니라 전극으로부터의 거리 및 내부전극에 대한 방향에 따른 이방성을 나타냄을 알 수 있었다.
또한 상기 표2에서는 본 실시예1에서 사용한 MLCCs와 특성에서 차이를 나타내는 Y5V MLCCs 시험편에 대한 내부응력 측정 결과도 함께 나타내고 있는데, 각각에서 X7R 특성의 MLCCs와 유사한 경향 및 내부응력을 나타냄을 알 수 있다.
이러한 결과로부터 MLCCs는 전극방향으로 압축응력과 수직방향으로 인장응력이 존재하고 있음을 알 수 있고 또한 적층방향과도 관계가 있음을 알 수 있었다. 이러한 응력의 발생은 열/고유 응력요소와 또는 제조공정중 야기되는 비고유 응력 요소에 의해서 발생한다.
이러한 MLCCs 내에 존재하게 되는 인장응력은 후속공정인 끝마무리 공정(end-terminating) 및 접합공정(soldering process) 중 MLCCs에 균열을 발생시키거나 혹은 수명단축을 가져올 수 있다.
<실시예2>
상기 <실시예1>과 동일한 특성을 갖는 MLCCs 시편의 내부 잔류응력을 상기 <실시예1>과 같은 방법으로 측정한 후 MLCCs 시편을 도2와 같은 통전활성 소결장치(ELTEL CO., LTD, Korea)의 흑연 몰드(graphite mold)에 압력인가 방향 (L방향－길이 방향; x방향, W방향－폭 방향; y방향)에 따라 장입시키고, 여기에 시편의 파괴를 방지하기 위해 압축 펀치(punch)와 시편 사이에 지르코니아(ZrO2) 분말을 충진(packing)한 후 900℃, 30MPa의 압력을 인가하였다.
통전활성 소결장치(Plasma Activated Sintering:PAS)장치는 시험편에 직접 펄스형 직류(DC pulse)를 인가하여 줄(joule)열을 발생시키고 이 줄 열에 의한 가열과 기계적 압력을 MLCCs에 인가할 수 있다. 짧은 시간에 후처리 공정이 이루어짐으로 입성장을 억제할 수 있고 공정상의 제어가 용이하며, 일방향 압축 펀치와 전원 공급 장치, 진공 및 냉각 장치, 조작 장치 등으로 이루어져 있다.
이때 Ni전극의 산화를 방지하기 위해 Ar 가스로 10분간 정화(purgation)한후 진공상태(0.1torr)에서 후처리 공정을 시행하였다.
또한, MLCCs의 후처리 공정에 있어 온도의 영향을 알아보기 위해 600℃, 30MPa에서 시편을 준비하여 압입에 의해 발생하는 균열의 변화를 측정하였고 후처리 공정 시간(1min∼4min)을 변화시켜 공정 시간의 영향을 조사하였다.
제조 공정시 수축율은 길이방향과 폭방향이 두께방향에 비해 큼으로 길이와 폭방향으로의 응력인가는 수축율 차이에 의해 발생되는 내부응력 제어를 기대 할 수 있다. 준비되어진 시험편에 일정하중(0.5N)을 인가하여 각면(x,y 면-전극에 수평면, z면-전극에 수직면)에 대하여 전극으로부터 거리를 달리하여 MLCCs의 마진부분에 행하고, 압입에 의한 균열의 길이를 조사하여 후처리 공정을 통한 내부응력의 제어를 측정한다.
후처리 공정 전/후의 균열길이와 압력인가 방향에 따른 균열길이의 변화를 도3에 나타내었다. 이때 온도는 900℃로 고정하였으며, 최고온도에서 유지시간은 1분으로 하였다. 길이(x 방향)와 폭(y 방향) 방향으로 후처리 공정을 하였을 때가 후처리 공정 전에 비해 균열길이가 감소하였음을 알 수 있다. 이러한 후처리 공정을 통해 MLCCs내의 균열길이 변화를 표3에서 압력인가 방향 및 각 온도(900℃ 및 600℃)에 대해 측정한 결과를 나타내었다. 또한 응력인가 방향에 따른 균열길이 변화는 큰 변화를 나타내지는 않았지만 x면에서 폭방향 응력인가가 후처리 공정에 매우 효과적임을 알 수 있다.
후처리 공정 전/후의 균열길이의 차이를 도4에 나타내었다. 후처리 공정을 통해 수평/수직 균열길이의 차이가 줄었음을 알 수 있었고 이는 MLCCs내 존재하는 내부응력의 방향성이 제거되었음을 나타낸다. 특히 x면에 대한 폭 방향으로의 후처리 공정은 이러한 방향에 따른 균열길이가 완전히 없어지는 특징을 나타내고 있으며, 전반적으로 폭 방향의 후처리 공정이 균열길이 차이를 줄일 수 있는데 효과적임을 알 수 있다.
후처리 공정 전/후의 균열길이의 변화를 광학현미경 사진으로 도5 및 도6에서 나타내고 있다. 도5에서는 후처리 공정 전과 900℃에서 1분간 폭 방향으로 후처리 공정을 행한 후 내부전극으로부터의 거리에 따른 균열전파 양상을 나타내고 있다. 여기서 후처리 공정 후 균열의 전파가 확연히 줄었음을 볼 수 있으며, 이러한 균열전화의 억제는 내부전극으로부터의 거리에는 영향을 받지 않고 있음을 알 수 있다. 또한 도6에서는 도5의 조건으로 후처리 공정을 진행한 후 각 면에서의 균열전파 양상을 비교한 것이다. 표3에서도 예측된 것과 같이 x면에서 가장 효과적인 균열억제 효과를 거둘 수 있음을 알 수 있다. 역시 내부전극의 거리에 따른 균열억제 효과는 나타내지 않고 있음을 알 수 있다.
후처리 공정 시간 변화에 따른 균열 길이 변화를 도7과 표4에서 나타내었다. 표4에서는 후처리 공정 전/후에 따른 변화를 나타내고 있다. 후처리 공정 시간에 따른 균열길이의 변화는 x면에서 x방향을 제외하고는 발견되지 않고 있으나, 후처리 공정 전보다는 확연히 균열길이가 줄어들었음을 알 수 있다.
폭 방향 및 길이 방향으로 후처리 공정을 실시할 경우 온도에 따른 균열길이 변화를 도8 및 도9에서 나타내었으며, 앞의 표3에서도 이러한 온도에 따른 균열길이 측정결과를 나타내었다. 실험적 오차를 고려할 경우 900℃와 600℃에서의 온도에 따른 균열길이의 변화는 x면을 제외하고는 관찰되지 않고 있다.
따라서 후처리 공정에 있어서 균열억제에 미치는 온도의 영향 및 압력을 가하는 방향성의 영향, 그리고 최고온도에서의 유지시간의 영향은 발견되지 않고 있으므로, 시험편의 특성 및 성분, 기하학적 구조 등에 영향을 받지 않고 다양한 형태 및 소재에서 내부응력 완화를 위해 본 발명에서 제안된 방법이 응용될 수 있을 것이다. 900℃에서 폭 방향으로 1분간 후처리 공정 후의 내부응력의 변화와 후처리 공전 전의 내부응력과 비교하여 도10에 나타내었다. 후처리 공정에 의해 x, y, z면에서의 인장응력이 압축응력으로 바뀌었음을 알 수 있다.
후처리 공정을 통한 내부응력의 변화는 다음과 같이 나타났다. MLCCs의 내부전극에 수평면(x 및 y면)에서는 내부전극에 수직한 방향(z방향)으로 압축응력 (≒ -221MPa, ≒-328MPa)이 나타났고 내부전극에 수직면(z면)에서는 내부전극에 수평한 방향(y방향)으로 압축응력(≒-126 MPa)이 나타남으로써 내부 잔류응력의 변화를 확인 할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 제조된 BaTiO3계 MLCCs를 압력 및 온도의 적절한 제어를 통해 MLCCs의 내부응력을 제어할 수 있으며, 적층과정에서 형성되는 내부응력의 불균일성을 제거할 수 있으므로 MLCCs의 수명 및 신뢰성 향상이 가능하다.
또한 본 발명은 향후 필수적으로 요구되는 MLCCs의 고용량화와 소형화가 가능하다.
뿐만 아니라 본 발명은 MLCCs에 국한되지 않고 전자재료, 박막재료, 층상재료 등의 다양한 분야에서 응력해석 및 내부응력 제어에 응용될 수 있다.

Claims (6)

  1. MLCCs 시편에 압력을 인가한 상태에서 가열한 다음 최종온도로 유지한 후 냉각시키는 것을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 티탄산바륨계 적층 세라믹 콘덴서의 내부응력 제어방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기의 압력 인가는 MLCCs 시편의 길이 방향, 폭 방향, 길이 및 폭 방향 중 선택된 하나인 것을 특징으로 하는 티탄산바륨계 적층 세라믹 콘덴서의 내부응력 제어방법.
  3. 제1항 내지 제2항 중 어느 한 항에 있어서, MLCCs 시편에 인가되는 압력의 범위는 30MPa 이하인 것을 특징으로 하는 티탄산바륨계 적층 세라믹 콘덴서의 내부응력 제어방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 가열온도는 900℃ 이하인 것을 특징으로 하는 티탄산바륨계 적층 세라믹 콘덴서의 내부응력 제어방법.
  5. 제1항 또는 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 최종온도에서 유지시간은 1시간 이내인 것을 특징으로 하는 티탄산바륨계 적층 세라믹 콘덴서의 내부응력 제어방법.
  6. MLCCs 시편에 압력을 인가한 상태에서 가열한 다음 최종온도로 유지하여 시편 내부의 인장응력을 압축응력으로 변화시키는 것을 특징으로 하는 티탄산바륨계 적층 세라믹 콘덴서의 내부응력 제어방법.
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