KR20020073089A - 세라믹 전자부품 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 목적은 Pb성분을 함유하지 않고, 세라믹 베이스부의 소결 촉진, 밀착 강도 향상 및 내습성 향상을 실현하면서, 또한 세라믹 베이스부의 이상 발열을 억제할 수 있는 도전성 페이스트를 사용하여 단자전극을 형성한 세라믹 전자부품을 제공하는데 있다.
본 발명의 구성에 따르면, 본 발명의 세라믹 전자부품은 세라믹 베이스부와, 도전성 페이스트를 사용하여 세라믹 베이스부상에 형성된 단자전극을 포함하는 세라믹 전자부품으로서, 도전성 페이스트는 도전성분과 유리분말과 유기 비이클(organic vehicle)을 함유하고, 유리분말은 결정화 유리를 함유하며, 결정화 유리는 B성분과 Bi성분과 Al성분과 알칼리토류 금속과 불가피 불순물로 이루어지는 산화물이고, 유리분말은 단자전극의 베이킹 형성시에 적어도 일부가 용융하여 세라믹 베이스부 내부에 침투하며, 침투 깊이는 세라믹 베이스부의 표면으로부터 150㎛이내인 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 중ㆍ고전압 영역에서 사용되는 세라믹 전자부품에 관한 것으로서, 특히 중ㆍ고전압 영역에서 사용되는 세라믹 커패시터에 관한 것이다.
종래부터 세라믹 전자부품은 유전체, 반도체, 압전체 등의 세라믹 재료로 이루어지는 세라믹 베이스부를 포함한다. 이들 세라믹 전자부품에 부수되는 전극이나 배선을 구성하는 재료로서 도전성 페이스트가 많이 사용되고 있다.
세라믹 전자부품의 전극형성에 사용되는 도전성 페이스트의 경우, 유리분말이 첨가되는 경우가 있다. 도전성 페이스트 중에 유리분말을 첨가하는 효과로서는, 일반적으로 전극 소성시에 연화, 유동하여 도전성분의 소결을 촉진시키는 것, 단자전극의 밀착강도를 향상시키는 것, 세라믹 베이스부를 유리로 코팅함으로써 내습성을 향상시키는 것, 또한 세라믹 전자부품이 세라믹 커패시터인 경우에, 단자전극과 세라믹 베이스부의 계면부에 생성되는 포어(pore)를 메움으로써 정전용량의 저하를 막는 것 등을 들 수 있다.
또한, 종래부터 세라믹 전자부품의 전극형성에 사용되는 도전성 페이스트는 Pb계 유리가 많이 사용되어 왔으나, 최근에는 환경문제를 고려하여 비Pb계 유리로의 대체가 요구되고 있다.
그러나, 종래의 비Pb계 유리, 예를 들면 Bi계 유리를 첨가한 도전성 페이스트를 사용하여 단자전극을 형성한 중ㆍ고전압 영역에서 사용되는 세라믹 전자부품, 특히 중ㆍ고전압 영역에서 사용되는 세라믹 커패시터는, Pb계 유리를 함유하는 종래의 도전성 페이스트를 사용하여 단자전극을 형성한 동일한 세라믹 전자부품과 비교하여 세라믹 베이스부의 발열온도가 높아진다는 문제가 있다. 이는 유리 중의 Bi성분이 고전압 및 고주파 부하시에 세라믹 베이스부에 확산되고, 세라믹이 환원되어 반도체화되기 때문에, 세라믹 베이스부의 tanδ가 상승하기 때문이라고 생각된다.
본 발명의 목적은 상술한 문제점을 해소하기 위하여 이루어진 것으로서, Pb성분을 함유하지 않고, 세라믹 베이스부의 소결 촉진, 밀착 강도 향상 및 내습성 향상을 실현하면서, 또한 세라믹 베이스부의 이상 발열을 억제할 수 있는 도전성 페이스트를 사용하여 단자전극을 형성한, 세라믹 전자부품을 제공하는데 있다.
도 1은 본 발명에 따른 한 실시형태의 세라믹 전자부품의 단면도이다.
<도면의 주요부분에 대한 간단한 설명>
1세라믹 전자부품2세라믹 베이스부
3단자전극
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 세라믹 전자부품은 세라믹 베이스부와, 도전성 페이스트를 사용하여 세라믹 베이스부상에 형성된 단자전극을 포함하는 세라믹 전자부품으로서, 도전성 페이스트는 도전성분과 유리분말과 유기 비이클(organic vehicle)을 함유하고, 유리분말은 결정화 유리를 함유하며, 결정화 유리는 B성분과 Bi성분과 Al성분과 알칼리토류 금속과 불가피 불순물로 이루어지는 산화물이고, 유리분말은 단자전극의 베이킹 형성시에 적어도 일부가 용융되어 세라믹 베이스부 내부에 침투하며, 침투 깊이는 세라믹 베이스부의 표면으로부터 150㎛이내인 것을 특징으로 한다.
또한, 결정화 유리 중의 불가피 불순물이란, 유리 제작시에 불가피적으로 혼입되는 불순물을 말한다. 구체적으로는, 유리원료를 용융시키는 도가니로부터의 불순물로서, 백금 도가니를 사용한 경우의 Pt, 석영 도가니를 사용한 경우의 Si를 들 수 있다. 또한, 얻어진 유리의 분쇄공정에서 혼입되는 불순물로서, SUS롤러로 거친분쇄한 경우의 Fe, 지르코니아볼로 미분쇄한 경우의 Zr을 들 수 있다.
또한, 본 발명의 세라믹 전자부품은 상술한 세라믹 전자부품으로, 도전성 페이스트에 함유되는 알칼리토류 금속은 Ca, Sr 및 Ba로 이루어지는 그룹에서 선택되는 적어도 하나인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 세라믹 전자부품은 상술한 세라믹 전자부품으로, 도전성 페이스트에 함유되는 결정화 유리의 함유량은 도전성분 100체적%에 대하여 1∼25체적%의 범위내인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 세라믹 전자부품은 상술한 세라믹 전자부품으로, 중ㆍ고전압 영역에서 사용되는 세라믹 커패시터인 것을 특징으로 한다.
<발명의 실시형태>
본 발명의 세라믹 전자부품은 단자전극 중에 B성분과 Bi성분과 Al성분과 알칼리토류 금속으로 이루어지는 결정화 유리를 함유하는 것을 요한다. 즉, 상술한 결정화 유리를 함유하는 도전성 페이스트를 사용하여 단자전극이 베이킹 형성되고 있는 것을 요한다. 또한, 단자전극의 베이킹 형성시에, 이와 같은 결정화 유리를 용융시켜, 세라믹 베이스부의 표면으로부터 150㎛이내까지 침투시키는 것을 요한다. 이와 같은 본 발명의 세라믹 전자부품은 Pb성분을 함유하지 않고, 세라믹 베이스부의 소결 촉진, 밀착 강도 향상 및 내습성 향상을 실현하면서, 또한 세라믹 베이스부의 이상 발열을 억제함으로써 세라믹 베이스부의 tanδ가 상승하는 것을 억제할 수 있다. 또한, 불가피 불순물로서, 그 외의 원소가 미량 함유되어도 된다.
또한, 본 발명에 있어서의 결정화 유리란, 유리 제작시는 비정질 유리이지만, 유리를 가열해 가면 적어도 일부가 결정화되는 유리를 가리킨다. 또한, 결정 용융 온도란, 유리 가열시에 결정화된 유리가 용융을 개시하는 온도를 가리킨다. 또한, 베이킹 온도란, 세라믹 베이스부에 도전성 페이스트를 도포한 후, 도전성분을 소결시킬 때의 온도를 가리키며, 세라믹 전자부품의 단자전극 형성용 도전성 페이스트인 경우, 일반적으로 도전성분의 융점보다 100∼200℃ 전후의 낮은 온도에서 베이킹을 행한다.
또한, 본 발명의 세라믹 전자부품의 단자전극 형성에 사용되는 도전성 페이스트에 함유하는 알칼리토류 금속성분으로서는, Ca, Sr 및 Ba에서 선택되는 1종 이상을 적절하게 사용할 수 있으나, 유리 제조상의 취급용이성 또는 환경에의 부하를 고려하면, Ca 또는 Sr을 사용하는 것이 보다 바람직하다.
또한, 본 발명의 세라믹 전자부품의 단자전극 형성에 사용되는 도전성 페이스트에 함유하는 결정화 유리의 함유량은 도전성분 100체적%에 대하여 1∼25체적%인 것이 바람직하다. 첨가량이 1체적%미만에서는 결정화 유리를 함유시킨 효과가 작고, 단자전극의 밀착강도를 확보하는 것이 어려워진다. 한편, 함유량이 25체적%를 넘으면, 세라믹 베이스부로의 유리의 침투비율이 증가하여, 중ㆍ고전압 영역에서 사용하면 세라믹 베이스부가 이상 발열함과 동시에, 유리가 단자전극의 표면에 편석(segregation)하여 솔더 웨팅(wetting) 불량이나 도금 불량을 발생시키는 경우가 있다.
또한, 본 발명의 세라믹 전자부품의 단자전극 형성에 사용되는 도전성 페이스트에 함유하는 도전성분으로서는, 특별히 한정은 하지 않으나, 예를 들면 Ag, Pd 등의 귀금속 분말 및 이들의 합금 분말이나, Ni, Cu 등의 비금속(卑金屬) 분말 및 이들의 합금 분말을 적절하게 조정하여 사용할 수 있다.
본 발명의 세라믹 전자부품의 하나의 실시형태로서 세라믹 커패시터를 예로 들어, 도 1에 기초하여 상세하게 설명한다. 세라믹 커패시터(1)는 세라믹 베이스부(2)와, 세라믹 베이스부(2)의 양 주면(主面)에 본 발명의 도전성 페이스트를 사용하여 형성된 한쌍의 단자전극(3, 3)과, 단자전극(3, 3)에 전기적으로 접합된 리드선(4, 4)과, 단자전극(3, 3)과 리드선(4, 4)을 전기적ㆍ기계적으로 접합시켜 이루어지는 솔더(5, 5)와, 세라믹 베이스부(2)와 단자전극(3, 3)과 솔더(5, 5)를 완전히 덮고, 리드선(4, 4)의 한 단부를 덮도록 형성되어 이루어지는 외장수지(6)로 이루어진다.
세라믹 베이스부(2)는 예를 들면 유전체, 자성체, 압전체, 절연체 등으로서 기능하는 재료로 이루어지는, 예를 들면 단판형 또는 적층형의 그린 세라믹 베이스부가 소성되어 이루어지지만, 본 발명의 세라믹 전자부품에 있어서의 세라믹 베이스부는 특별히 이들에 한정되는 것은 아니다.
단자전극(3, 3)은 상술한 본 발명의 도전성 페이스트로 이루어지며, 예를 들면 세라믹 베이스부(2)의 양 주면에 도포되어 건조된 후에 베이킹되어 이루어진다. 또한, 단자전극(3, 3)은 소성 전의 그린 세라믹 베이스부의 양 주면에 본 발명의 도전성 페이스트가 도포되어 전극막이 형성된 후에, 그린 세라믹 베이스부와 함께 동시에 소성되어도 되며, 형성방법에 대하여 특별히 한정되는 것은 아니다.
또한, 본 발명의 세라믹 전자부품은 도 1에 나타낸 세라믹 커패시터(1)의 형상에 한정되지 않으며, 예를 들면, 복수의 세라믹 그린시트가 적층된 세라믹 베이스부를 소성하여 이루어지는 세라믹 베이스부와, 그 세라믹 베이스부의 양 주면에 본 발명의 도전성 페이스트를 사용하여 형성된 한쌍의 단자전극을 포함하는 적층 세라믹 전자부품이어도 상관없다. 또한, 리드선이나 외장수지의 재료는 특별히 한정되지 않으며, 또한 이들을 포함하고 있지 않아도 상관없다.
<실시예>
도 1에 나타낸 세라믹 커패시터를 제작하여, 발열온도를 측정하였다. 우선, 표 1에 나타내는 각각의 조성이 되도록 출발원료인 알칼리토류 금속의 수산화물,Bi2O3, H3BO3, Al(OH)3, CaCO3, SrCO3및 BaCO3를 조합하여, 백금제 도가니에 넣고 900∼1300℃에서 1시간 유지하였다. 다음으로, 시료가 완전히 용융되었음을 확인하고, 노(furnace)로부터 꺼내 순수한 물 중에 투입하여 유리화시켰다. 얻어진 비즈(beads) 형상의 유리를 볼밀(ball mill)로 습식분쇄하여 표 1에 나타낸 조성비율로 이루어지는 시료 1∼9의 유리분말을 얻었다. 또한, 시료 1∼6의 유리분말에 대해서는 DTA곡선 및 고온 X선 회절법으로부터, 승온해 가면 결정화되는 결정화 유리인 것을 확인하고, 시료 7∼9의 유리분말에 대해서는 비정질 유리인 것을 확인하였다.
| 시료 | 유리 프릿 조성 | |||||
| 조성 | 성상 | B2O3(mol%) | Bi2O3(mol%) | Al2O3(mol%) | MO(M=Ca, Sr, Ba)(mol%) | |
| 1 | B-Bi-Al-Ca-O | 결정화 | 30 | 28 | 7 | 35 |
| 2 | 35 | 5 | 30 | |||
| 3 | B-Bi-Al-Sr-O | 28 | 7 | 35 | ||
| 4 | 35 | 5 | 30 | |||
| 5 | B-Bi-Al-Ba-O | 28 | 7 | 35 | ||
| 6 | 35 | 5 | 30 | |||
| 7 | B-Bi-Al-Ca-O | 비정질 | 50 | 20 | 8 | 22 |
| 8 | B-Bi-Al-Sr-O | |||||
| 9 | B-Bi-Al-Ba-O |
이어서, 도전성분으로서 입자 직경 0.1∼5㎛의 Ag분말 33체적%와, 시료 1∼9의 유리분말 6체적%와, 비이클 61체적%를 혼합해서 3개의 롤 밀로 뒤섞어, 시료 1∼9의 도전성 페이스트를 얻었다. 또한, 비이클로서는 테르피네올(terpineol) 80중량%에 에틸 셀룰로우스를 20중량%의 비율로 용해시킨 것을 사용하였다.
이어서, 목표로 하는 정전용량이 1nF가 되는 BaTiO3로 이루어지는 세라믹 베이스부의 양 주면에 시료 1∼9의 도전성 페이스트를 3mmø의 패턴으로 스크린 인쇄하고, 공기중 800℃에서 2시간 소성해서 단자전극을 형성하여 각각 200개씩의 시료 1∼9의 시험 샘플을 얻었다.
그래서, 각각 100개씩의 시료 1∼9의 시험 샘플에 대하여 세라믹 베이스부의 표면으로부터의 유리의 침투 깊이를 측정하여, 이들을 표 2에 정리하였다. 또한, 유리의 침투 깊이는 X선 마이크로 아날라이저를 사용하여 가속 전압 15kV, 조사 전류 100nA, Dwell time(하나의 화소에서의 포착시간) 50ms의 조건에서 측정하였다.
이어서, 나머지 100개의 시료 1∼9의 시험 샘플의 단자전극에 리드선을 솔더로 솔더링하고, 외장수지를 사용하여 세라믹 베이스부와 단자전극과 리드선의 한 단부와 솔더를 피복하여 시료 1∼9의 세라믹 커패시터를 얻었다.
그래서, 시료 1∼9의 세라믹 커패시터에 대하여 AC전압 3kVp-p를 인가(印加)하고, 열전대를 사용해서 외장수지 표면의 온도를 측정하여, 실온 25℃와의 차(ΔT)를 구하고, 이것을 발열온도로 하여 표 2에 각각 정리하였다. 평가는 발열온도가 30℃이하인 시료를 본 발명의 범위내로 하여 ○표로 표시하고, 30℃를 넘는 시료를 본 발명의 범위외로 하여 ×표로 표시하였다.
| 시료 | 세라믹 표면으로부터의침투 깊이(㎛) | 발열온도 ΔT(℃) | 평가 |
| 1 | 35 | 23.1 | ○ |
| 2 | 173 | 37.5 | × |
| 3 | 64 | 21.5 | ○ |
| 4 | 178 | 36.9 | × |
| 5 | 114 | 24.5 | ○ |
| 6 | 189 | 38.3 | × |
| 7 | 205 | 38.5 | × |
| 8 | 243 | 39.6 | × |
| 9 | 250 | 40.5 | × |
표 2에서 알 수 있는 바와 같이, 결정화 유리이고, B성분, Bi성분 및 Al성분과, 알칼리토류 금속인 Ca, Sr 및 Ba로 이루어지는 그룹에서 선택되는 적어도 하나로 이루어지는, 시료 1∼6의 유리분말을 함유하는 시료 1∼6의 세라믹 커패시터 중, 침투 깊이가 150㎛이하인 시료 1, 3 및 5의 세라믹 커패시터는 발열온도(ΔT)가 21.5∼24.5℃로, 본 발명의 범위내가 되었다.
이에 반하여, 침투 깊이가 150㎛를 넘어 173∼189㎛인 시료 2, 4 및 6인 세라믹 커패시터는 발열온도가 36.9∼38.3℃로, 본 발명의 범위외가 되었다.
또한, B성분, Bi성분 및 Al성분과, 알칼리토류 금속인 Ca, Sr 및 Ba로 이루어지는 그룹에서 선택되는 적어도 하나로 이루어지지만, 비정질 유리인 시료 7∼9의 유리분말을 함유하는 시료 7∼9의 세라믹 커패시터는 모두 침투 깊이가 150㎛를 넘어 205∼250㎛이기 때문에, 발열온도는 38.5∼40.5℃로, 본 발명의 범위외가 되었다.
이상과 같이 본 발명의 세라믹 전자부품은 세라믹 베이스부와, 도전성 페이스트를 사용하여 세라믹 베이스부상에 형성된 단자전극을 포함하는 세라믹 전자부품으로서, 도전성 페이스트는 도전성분과 유리분말과 유기 비이클을 함유하고, 유리분말은 결정화 유리를 함유하며, 결정화 유리는 B성분과 Bi성분과 Al성분과 알칼리토류 금속과 불가피 불순물로 이루어지는 산화물이고, 유리분말은 단자전극의 베이킹 형성시에 적어도 일부가 용융되어 세라믹 베이스부 내부에 침투하며, 침투 깊이는 세라믹 베이스부의 표면으로부터 150㎛이내인 것을 특징으로 함으로써, 중ㆍ고전압 영역에서 사용한 경우라 할지라도, 세라믹 베이스부의 소결 촉진, 밀착 강도 향상 및 내습성 향상을 실현하면서, 또한 세라믹 베이스부의 이상 발열을 억제할 수 있고, 또한 단자전극 중에 Pb성분을 함유하지 않는 세라믹 전자부품을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 세라믹 전자부품의 단자전극 베이킹 형성에 사용되는 도전성 페이스트에 함유하는 결정화 유리의 함유량이 도전성분 100체적%에 대하여 1∼25체적%이면, 세라믹 베이스부의 소결 촉진, 밀착 강도 향상 및 내습성 향상을 실현하면서, 또한 세라믹 베이스부의 이상 발열을 억제할 수 있음과 동시에, 이 도전성 페이스트를 사용하여 단자전극을 형성한 경우에 유리가 단자전극의 표면에 편석하는 것 및 솔더 웨팅 불량이나 도금 불량을 억제하는 효과가 높아진다.
Claims (4)
- 세라믹 베이스부와, 도전성 페이스트를 사용하여 상기 세라믹 베이스부상에 형성된 단자전극을 포함하는 세라믹 전자부품으로서,상기 도전성 페이스트는 도전성분과 유리분말과 유기 비이클(organic vehicle)을 함유하고,상기 유리분말은 결정화 유리를 함유하며,상기 결정화 유리는 B성분과 Bi성분과 Al성분과 알칼리토류 금속과 불가피 불순물로 이루어지는 산화물이고,상기 유리분말은 상기 단자전극의 베이킹 형성시에 적어도 일부가 용융되어 상기 세라믹 베이스부 내부에 침투하며,상기 침투 깊이는 상기 세라믹 베이스부의 표면으로부터 150㎛이내인 것을 특징으로 하는 세라믹 전자부품.
- 제 1항에 있어서, 상기 도전성 페이스트에 함유하는 알칼리토류 금속은 Ca, Sr 및 Ba로 이루어지는 그룹에서 선택되는 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 세라믹 전자부품.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 도전성 페이스트에 함유하는 상기 결정화 유리의 함유량은 도전성분 100체적%에 대하여 1∼25체적%의 범위내인 것을 특징으로 하는 세라믹 전자부품.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 중ㆍ고전압 영역에서 사용되는 세라믹 커패시터인 것을 특징으로 하는 세라믹 전자부품.
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