KR20040069320A - 도전 페이스트용 동합금 분말 - Google Patents

Abstract

도전 페이스트용 동합금 분말을 제공하며, 상기 동합금 분말은, 80 내지 99.9mass%의 Cu와, Ta 및 W으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1 또는 2원소 0.1 내지 20mass%를 포함하며, 0.1 내지 1㎛의 평균입도 크기를 갖는 것을 특징으로 한다. 이 동합금 분말은 Cu 분말보다도 더 높은 소결개시온도, 더 큰 내산화성, 및 더 양호한 내열성을 구비한다.

Description

도전 페이스트용 동합금 분말{Copper Alloy Powder for Electroconductive Paste}

다층 세라믹 커패시터는 지금까지, 다음과 같이 제조되고 있다. 금속 분말 페이스트를 그 위에 인쇄하거나 스프레이(Spray)한 수많은 세라믹 유전체 시트를, 전극 구조를 갖도록 서로 겹쳐 적층한다. 이 적층하여 얻어진 적층체를 가압 부착하여 하나로 한 후, 외부 인출전극을 접속하도록 소결을 수행한다. 이와 같은 적층 세라믹 커패시터는 다음과 같은 특징: 유효 유전체(Effective Dielectrics)의 두께를 줄일 수 있기 때문에, 용량 용적비(Capacitance-volume Ratio)가 크고, 또한 내부 인덕턴스(Internal Inductance)가 작으며, 고주파 대역, 예컨대 GHz급 만큼의 높은 대역에서 사용할 수 있는 특징이 있다.

이 적층 세라믹 커패시터의 경우, 세라믹 유전체와 내부전극이 동시에 소성되기 때문에, 내부전극용 재료는 상기 세라믹의 소결온도보다 더 높은 융점을 갖고상기 세라믹과 반응하지 않아야 된다. 이러한 이유로, 내부전극용 재료로서 Pt 또는 Pd과 같은 귀금속(Noble Metal)이 사용되었다. 그러나, 이들 재료들은 고가라는 단점이 있었다. 이 단점을 해결하기 위하여, 유전체 세라믹의 소결온도를 900℃ 이상 1100℃ 미만으로 낮춤으로써 Ag-Pd합금을 전극재료로 이용하거나, 또는 값이 싼 비금속(Base Metal)을 이용한 내부전극이 실용화되고 있다. 최근에는, GHz급보다도 더 높은 고주파 대역에서 작동될 수 있는 적층 세라믹 커패시터가 요구되고 있다. 이러한 이유로, 내부전극용 재료로서 낮은 전기저항이 필수 사항이며, 현재는 Cu가 유력한 후보로 여겨지고 있다.

그러나, 그 저융점 때문에, Cu는, 내부전극의 균열, 박리(Delamination), 또는 유전체의 소성 불량 등이, Cu의 융점과 소결온도 사이의 큰 온도 차이에 의해 발생하기 쉽다는 문제가 있다. 또한 Cu는 대기 중의 산소에 의해 소결공정에서 용이하게 산화되어, 산화물의 혼합에 의해 내부전극이 소성 불량이 발생하며, 전기저항이 증가한다는 문제가 있다. 분위기를 환원성으로 함으로써 산화가 방지될 수 있지만, 세라믹 유전체가 환원되어, 유전체로서 양호한 성능을 발휘하는 것이 불가능하다.

따라서, Cu보다도 더 높은 온도에서 소성이 개시되고, 소성 중 분위기에 의해 산화되지 않는 금속 분말이 요구된다.

본 발명은 도전 페이스용 동합금 분말에 관한 것이다. 더 상세하게는, 상기 동합금 분말이 적층 세라믹 커패시터(Laminated Ceramic Capacitor)의 내부전극용 합금 분말로서 이용되는 경우에 최적인 도전 페이스트용 동합금 분말에 관한 것이다.

도 1은, 실시예 및 비교예의 소결개시온도를 개략적으로 도시한 그래프이다.

도 2는, 실시예 및 비교예의 중량 증가율(Weight Gain)을 개략적으로 도시한 그래프이다.

본 발명은, 상술한 상황에 예의 주시한 것이며, 주로 Cu를 포함하는 합금으로 형성되며, 순 Cu에 비하여 소결개시온도(Starting Temperature for Sintering)를 올리는 것이 가능하고 내산화성을 향상시키는 도전 페이스트용 동합금 분말을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은, 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 도전 페이스트용 동합금 분말을 제공하는데, 상기 도전 페이스트용 동합금 분말은, 80 내지 99.9mass%의 Cu와, Ta 및 W으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1 또는 2원소 0.1 내지 20mass%를 포함하며, 0.1 내지 1㎛의 평균입도 크기를 갖는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서는 Cu의 소결개시온도를 높이고, 고온경도를 증가시키며, 전기저항을 그다지 증가시키지 않는 원소가 첨가된다. 또한 본 발명에서는, 합금화에 의한 Cu의 활성 감소와 부동태의 형성으로, 내산화성이 개선될 수 있다.

첨가될 원소로서, Cu의 소결개시온도의 상승에 효과가 있고, 전기저항을 거의 증가시키지 않는 적은 금속으로서 Ta 및 W으로 이루어진 그룹을 선정하였다. 이들 원소의 함유량이 0.1mass% 미만이면, 소결개시온도의 상승 효과가 작고, 따라서 내산화성 개선에 대한 효과가 적다. 함유량이 20mass%를 초과하면, 전기저항의 증가가 현저하며, 따라서 지금까지 사용된 Ni보다도 전기저항이 높게 된다. 따라서, 이들 원소들의 함유량은 0.1 내지 20mass%의 범위로 한정하였다. 보다 바람직하게는, 상기 도전 페이스트용 동합금 분말이 80 내지 99.5mass%의 Cu와, Ta 및 W로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1 또는 2원소 0.5 내지 20mass%를 포함한다. 나머지 성분은 특별히 규정하지 않는다.

또한 본 발명의 합금 분말의 평균입도 크기는 균일한 막(Film) 두께를 형성하는 도전 페이스트에 적절한 입도 크기로서, 0.1 내지 1㎛의 범위이다. 입도 크기가 0.1㎛ 미만이면, 스크린 인쇄(Screen Printing) 등이 어렵게 된다. 입도 크기가 1㎛를 초과하면 막 두께에서 편차가 발생된다. 따라서, 상기 입도 크기는 1㎛ 이하로 한정하였다.

본 발명의 동합금 분말의 형상은 구형이 바람직하다. 이것은 페이스트에서 동합금 분말의 분산성(Dispersibility)과 페이스트의 유동성(Fluidity)이 우수하기 때문이다. 또한 본 발명의 합금 분말은 소결될 분말의 특성으로서, 250℃ 이상의 산화개시온도(Starting Temperature for Oxidation)와, 500℃ 이상의 소결개시온도를 갖는 것이 바람직하다.

화학기상반응(Chemical Vapor Deposition Reaction)에 의해 균일한 구형의 입도 크기를 갖는 동합금 분말을 용이하게 제조하는 것이 가능하다. 예컨대, Cu의 염화물과 합금원소의 염화물을 각각 가열하여 증발시키고, 이들 증기를 혼합하여 수소가스에 의해 환원한다. 합금의 조성 및 분말의 입도 크기는, 반응조건(온도, 반응시간 등)을 변화시켜 제어될 수 있다. 화학기상반응에서는 다른 금속원소들이 원자 레벨로 혼합되기 때문에 균일한 조성의 합금을 얻을 수 있다.

도전 페이스트는 종래의 방법으로 제조될 수 있다. 예컨대, 도전 페이스트는 동합금 분말 100질량부에 대하여, 에틸셀룰로스(Ethyl Cellulose)와 같은 바인더 1 내지 5질량부와, 테르피네올(Terpineol)와 같은 용매 5~ 20질량부를 혼합하여 제조할 수 있다.

본 발명에 의하면, 고주파 대역에서 양호한 동작 특성을 나타내며, 작은 전기저항, 높은 소결개시온도, 개선된 내산화성을 구비하는, 도전 페이스트용 동합금분말을 다층 세라믹 커패시터를 위한 도전 페이스트용 금속으로서 저렴하게 제공할 수 있다.

합금 성분 및 평균입도 크기가 다른 여러 동합금 분말을 몇번의 시도를 거쳐 만들고, 각 동합금 분말의 소결개시온도, 전기저항 및 승온시의 중량증가율을 측정하였다. 그 측정결과를 표 1, 도 1, 도 2에 도시한다.

소결개시온도에 관해서는, 동합금 분말의 압분체(Compact)를 동합금 분말을 압축하여 만들고, 이 압분체의 온도를 올렸을 때 압분체의 높이(시료 높이)와 온도와의 관계를 조사하였다. 상기 압분체의 높이가 감소하여 초기 높이의 99.5%에 도달하는 온도를 소결개시온도로 하였다. 중량증가율은, 온도 상승이 공기 중에서 일정 속도로 일어난 때의 중량증가율을 열중량 측정(Thermal Gravimetry)에 의해 구하였다. 상기 중량증가율이 0.2%에 도달하는 온도를 산화개시온도로 간주하였다. 주사현미경사진(Scanning Electron Micrograph)의 상분석(Image Analysis)에 의해 결정된 입도분포에서 50% 입도 크기를, 상기 평균입도크기로 간주하였다.

	No.	조성 mass%	평균입도 크기㎛	산화개시온도℃	소결개시온도℃	전기저항μΩ·cm
		Cu					Ta	W
실시예	1	99.9	0.1	-	0.5	250	500	1.8
	2	99.5	0.5	-	0.7	300	700	1.9
	3	99	1	-	0.4	310	750	2
	4	95	5	-	0.3	310	750	2.2
	5	90	10	-	0.1	310	750	2.3
	6	99.9	-	0.1	0.6	260	550	1.8
	7	99.5	-	0.5	0.8	305	710	1.9
	8	99	-	1	1.0	310	760	2
	9	95	-	5	0.5	315	760	2.1
	10	90	-	10	0.4	315	760	2.2
	11	99.8	0.1	0.1	0.3	265	560	1.9
	12	99	0.5	0.5	0.7	320	730	2
	13	98	1	1	0.6	325	730	2.2
	14	90	5	5	0.8	325	730	2.3
	15	80	10	10	0.2	325	730	2.5
비교예	1	70	30	-	0.3	320	750	7.2
	2	60	40	-	0.2	320	750	8.3
	3	70	-	30	0.4	325	760	6.9
	4	60	-	40	0.6	325	760	7.5
	5	70	15	15	0.7	320	760	10.5
	6	60	20	20	0.5	325	760	12.4
	7	100	-	-	0.5	150	200	1.7

표 1은, 본 발명의 실시예 No. 1 내지 No. 15와, 비교예 No. 1 내지 No. 7을 나타낸다. 본 발명의 각 실시예에서, 소결개시온도는 비교예 No. 7(순 Cu)보다도 높고, 산화에 의한 중량증가가 거의 일어나지 않으며, 그리고 전기저항의 증가는 허용되는 범위이다. 이에 비하여, 전기저항은 비교예 No. 1 내지 No. 6의 각각에서너무 높다.

도 1은, 표 1에 도시된 실시예 No. 3(99mass% Cu, 1mass% Ta) 및 비교예 No. 7(순 Cu)에 대한 온도와 시료 높이와의 관계를 개략적으로 도시한다. 분명히, 실시예 No. 3에서 소결개시온도가 순수한 Cu의 경우보다도 더 높다. 도 2는 실시예 No. 3 및 비교예 No. 7의 온도 상승과 관련된 동합금의 중량 변화를 개략적으로 도시한그래프이다. 실시예 No. 3의 중량변화는 작고, 실시예 No. 3가 산화가 어렵다는 것을 알 수 있다.

또한 유전체 시트와, 본 발명의 동합금 분말의 시트들이 증착된 시트들은 다수개로 적층되었고, 소결에 의하여 다층 세라믹 커패시터가 제조되었다. 이에 따라 얻어진 상기 다층 세라믹 커패시터는 균열과 박리와 같은 결함이 없었다.

본 발명의 동합금 분말은 낮은 전기저항과 높은 소결개시온도를 가지며, 내산화성이 우수하므로, 다층 세라믹 커패시터의 내부전극용으로서 최적이다.

Claims (3)

1. 도전 페이스트(Conductive Paste)용 동합금 분말에 있어서,

   80 내지 99.9mass%의 Cu와, Ta 및 W으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1 또는 2원소 0.1 내지 20mass%를 포함하며, 0.1 내지 1㎛의 평균입도 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 도전 페이스트용 동합금 분말.
2. 제1항에 있어서,

   상기 동합금 분말은, 99.5mass% 이하의 Cu와, Ta 및 W로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1 또는 2원소 0.5mass% 이상을 포함하는 도전 페이스트용 동합금 분말.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 분말의 입자 형상이 구형인 도전 페이스트용 동합금 분말.