KR20080005444A - 적층세라믹 전자부품 - Google Patents

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KR20080005444A
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가부시키가이샤 무라타 세이사쿠쇼
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Abstract

실장공정 등에 있어서 가해지는 열충격에 의해 발생하는 세라믹적층체의 크랙불량을 해소할 수 있으며, 신뢰성 높은 적층세라믹 전자부품을 얻는다.
적층방향의 최상부에 위치하는 내부전극(12)과 최하부에 위치하는 내부전극(12) 사이의 거리(d)의 각각 상하에서 10%의 범위(f)에 각각 위치하는 내부전극(12)의 연속성의 평균치가 적층방향의 중앙부분에 위치하는 내부전극(12)의 연속성의 평균치에 비하여, 5~20% 낮게 설정된 적층세라믹 전자부품이다. 연속성이란, 내부전극(12)의 한 방향 단면에 있어서의 길이(X)와 상기 단면내의 내부전극(12)이 가지는 구멍에 의해 형성되는 갭(g)의 총합(Y)에 의해 (X-Y)/X로 정의된다.
적층세라믹 전자부품, 내부전극, 세라믹적층체, 세라믹층

Description

적층세라믹 전자부품{MULTILAYER CERAMIC ELECTRONIC COMPONENT}
본 발명은 적층세라믹 전자부품, 상세하게는, 적층된 복수의 세라믹층의 사이에 내부전극이 배치된 적층세라믹 전자부품에 관한 것이다.
종래, 대표적인 적층세라믹 전자부품의 하나인 적층세라믹 커패시터는 도 3에 나타내는 단면구조를 가지고 있다. 이 적층세라믹 커패시터(20)는 복수의 세라믹층(21)으로 이루어지는 세라믹적층체(20a)내에, 세라믹층(21)을 사이에 두고 서로 대향하는 내부전극(22)이 배치되어 있다. 세라믹적층체(20a)의 양단부에는 각각 외부전극(23,23)이 형성되어 있으며, 이들 외부전극(23,23)에는 내부전극(22)이 교대로 인출(引出)되어 전기적으로 접속되어 있다.
상기 적층세라믹 커패시터(20)는 소형으로 큰 용량을 얻을 수 있어, 다양한 용도로 널리 이용되고 있다. 그리고, 더욱 소형·대용량화를 도모하기 위해, 내부전극(22)의 사이에 개재하는 세라믹층(21)의 두께를 작게 하거나, 내부전극(22)의 적층매수를 늘리거나 하기(즉, 박층·다층화함) 위한 연구, 개발이 행해지고 있다.
그러나, 박층·다층화가 진행되면, 소결시의 세라믹적층체(20a)의 수축변형에 의해, 내부전극(22)과 세라믹층(21)과의 계면에서 박리가 발생하고 세라믹층(21)에 크랙이 발생하여, 목표로 하는 특성을 확보할 수 없게 되는 문제점이 발 생하고 있다. 이와 같은 문제점은 도 3에 나타내는 구조를 가지는 적층세라믹 커패시터(20)에 한정되지 않고, 세라믹적층체 중에 세라믹층을 통하여 서로 대향하도록 내부전극이 배치된 구조를 가지는 적층타입의 배리스터, 서미스터, 압전소자, 다층기판 등에도 해당된다.
적층세라믹 전자부품에 있어서의 이와 같은 문제점을 해소하기 위해, 특허문헌 1에는, 크랙이 세라믹층(21)의 적층방향 중앙부분(세라믹적층체(20a)의 중심부분)에 접근할수록 많이 발생하는 것에 착목하여, 세라믹층(21)의 적층방향 중앙부에 접근할수록 내부전극(22)의 연속성이라 불리우는 수치가 낮아지도록 내부전극(22)의 재료를 조정함으로써, 세라믹층(21)의 적층방향 중앙부분에 발생하는 수축응력을 억제하는 것이 개시되어 있다.
상술과 같이, 적층세라믹 커패시터의 제조시에, 소결시의 수축변형에 의해 적층체에 발생하는 크랙은 특허문헌 1에 개시되어 있는 발명에 의해 억제할 수 있다. 그러나, 제품으로서 완성한 적층세라믹 커패시터에 관해서는, 내부전극의 재료와 세라믹층의 재료가 다르므로 양자의 열팽창 계수가 달라, 리플로우 솔더(reflow soldering)에 의한 회로기판에의 실장공정 등에 있어서, 열적인 스트레스(열충격)가 적층세라믹 커패시터에 가해지면, 열팽창 계수의 차이에 기초하는 응력이 세라믹적층체에 발생하여, 크랙이 발생한다.
이와 같은 크랙은 도 3의 S-S선에 따른 단면을 나타내는 도 4에 있어서, 최상부 부근에 위치하는 내부전극(22)의 단변(短邊)방향 양단부분(24,24) 및 최하부 부근에 위치하는 내부전극(22)의 단변방향 양단부분(24,24)에 많이 발생한다.
[특허문헌 1] 일본국 특허공개 평11-31633호 공보
그래서, 본 발명의 목적은 실장공정 등에 있어서 가해지는 열충격에 의해 발생하는 세라믹적층체의 크랙불량을 해소할 수 있어, 신뢰성 높은 적층세라믹 전자부품을 제공하는 것에 있다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 적층세라믹 전자부품은,
적층된 복수의 세라믹층의 사이에 내부전극이 배치된 적층세라믹 전자부품에 있어서,
상기 내부전극의 한 방향 단면에 있어서의 길이(X)와 상기 단면내의 구멍(pore)에 의해 형성되는 갭의 총합(Y)에 기초하여 내부전극의 연속성을 (X-Y)/X로 정의하는 경우,
적층방향의 최상부에 위치하는 내부전극과 적층방향의 최하부에 위치하는 내부전극 사이의 거리의 각각 상하에서 10%의 범위내에 위치하는 내부전극의 연속성의 평균치가 그 외의 내부전극의 연속성의 평균치보다도 5~20% 낮게 설정되어 있는 것,
을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 적층세라믹 전자부품에 있어서는, 적층체내에서 최상부와 그 근방에 위치하는 내부전극 및 최하부와 그 근방에 위치하는 내부전극의 상기 연속성의 평균치가 적층체내의 중앙부분에 위치하는 내부전극의 상기 연속성의 평균치보다도 낮게 설정되어 있다. 즉, 적층체내에서 최상부와 그 근방에 위치하는 내부전극 및 최하부와 그 근방에 위치하는 내부전극의 전극재료 밀도가 낮게 되어 있다. 그러므로, 열충격이 가해져 적층체(세라믹층 및 내부전극)가 열팽창했을 때에, 내부전극의 전극재료 밀도가 낮은 부분이 변형되기 쉬워, 세라믹층에 가해지는 스트레스가 완화된다. 이것에 의해, 적층체의 최상부와 그 근방에 위치하는 내부전극 및 최하부와 그 근방에 위치하는 내부전극에 발생하는 응력, 특히 이들 내부전극의 단변방향의 양단부분에 발생하는 응력이 작아져, 열충격이 가해져도 이 부분에 크랙이 발생하는 것이 방지된다.
또한, 최상부에 위치하는 내부전극 및 최하부에 위치하는 내부전극과의 사이의 거리의 각각 상하에서 10%의 범위내에 위치하는 내부전극의 상기 연속성의 평균치와, 그 이외의 내부전극의 상기 연속성의 평균치의 차(差)가 5%미만일 때는 열충격이 가해졌을 때에 적층체에 크랙이 발생하게 되고, 20%를 넘으면 필요로 하는 전기특성을 얻을 수 없게 된다.
본 발명에 따른 적층세라믹 전자부품은 비용면에서 내부전극에 니켈 또는 니켈합금을 이용하는 것이 바람직하다.
또한, 세라믹층은 그 두께가 10㎛이하이며 그 적층매수가 100매 이상인 것이 바람직하다. 세라믹층은 그 두께가 얇아질수록, 열충격이 가해졌을 때의 내부전극과 세라믹층의 팽창율의 차에서 발생하는 응력의 영향이 커져, 적층체에 크랙이 발생하기 쉬워지는 경향이 있다. 이 경향은 세라믹층의 두께가 10㎛이하가 되면 현저해진다. 그러나, 이와 같은 경우에도, 내부전극의 상기 연속성을 제어함으로써, 적층체에 크랙이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 세라믹층은 그 적층매수가 100매 이상이 되면, 열충격이 가해졌을 때의 내부전극과 세라믹층의 팽창율의 차에서 발생하는 응력의 영향이 커져, 적층체에 크랙이 발생하기 쉬워지는 경향이 있다. 이 경향은 세라믹층의 적층매수가 100매 이상이 되면 현저해진다. 그러나, 이와 같은 경우에도, 내부전극의 상기 연속성을 제어함으로써, 적층체에 크랙이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
<발명의 효과>
본 발명에 의하면, 적층체내에서 최상부와 그 근방에 위치하는 내부전극 및 최하부와 그 근방에 위치하는 내부전극의 전극재료 밀도가 낮게 되어 있으므로, 열충격이 가해져 적층체가 열팽창했을 때에, 적층체의 최상부와 그 근방에 위치하는 내부전극 및 최하부와 그 근방에 위치하는 내부전극에 발생하는 응력, 특히 그들 내부전극의 단변방향의 양단부분에 발생하는 응력이 작아져, 이들 부위에 크랙이 발생하는 것을 방지할 수 있고, 따라서, 내열충격성을 가지며, 실장 후도 소망의 성능을 확실하게 발휘할 수 있는 신뢰성 높은 적층세라믹 전자부품을 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명이 적용되는 적층세라믹 커패시터의 종단면도이다.
도 2는 내부전극의 연속성의 정의를 설명하기 위한 도면으로, (a)는 평면도, (b)는 T-T선을 따라 존재하는 갭을 나타내는 단면도이다.
도 3은 종래의 적층세라믹 커패시터의 종단면도이다.
도 4는 도 3의 S-S선에 따른 단면도이다.
이하, 본 발명에 따른 적층세라믹 전자부품의 실시예에 대하여 첨부도면을 참조하여 설명한다.
(제1실시예)
본 발명의 제1실시예인 적층세라믹 전자부품은 적층세라믹 커패시터이며, 그 종단면구조를 도 1에 나타낸다. 이 적층세라믹 커패시터(10)는 세라믹층(11)으로 이루어지는 세라믹적층체(10a)내에, 세라믹층(11)을 사이에 두고 서로 대향하는, 예를 들면, Ni 또는 Ni합금으로 이루어지는 내부전극(12,12)을 배치한 것이다.
세라믹적층체(10a)의 양단부에는, 각각 외부전극(13,13)이 형성되어 있으며, 이들 외부전극(13,13)에는 내부전극(12)이 교대로 인출되어 전기적으로 접속되어 있다.
세라믹층(11)은 모두 유전체세라믹재료를 닥터블레이드법이나 인상법(pulling method) 등의 수법으로 성형한 세라믹그린시트로 이루어지며, 상기 시트의 표면에 형성된 내부전극(12)과 함께 적층 및 압착되어 소성되며, 적층체(10a)로 되어 있다.
내부전극(12)은 도 2a에 나타내는 바와 같은 직사각형 형상을 이루며, 상기 세라믹그린시트상에 도전페이스트를 인쇄하여 형성되어 있다. 내부전극(12)은 금속입자가 연속하여 똑같이 세라믹층(11) 위에 분포함으로써 형성되어 있는 것이 아니라, 미시적으로 보았을 때에는 다수의 구멍이 분포하고 있다. 그래서, 내부전극(12)의 연속성이라 불리우는 수치를 다음과 같이 정의한다.
즉, 내부전극(12)의 연속성은 도 2a, 도 2b에 나타내는 바와 같이, 내부전극(12)의 장변(長邊)방향의 중앙에 따른 T-T선 단면에 있어서의 길이(X)와 상기 단면내에 내부전극(12)이 가지는 구멍에 의해 형성되는 갭(g)의 총합(Y)에 의해, (X-Y)/X로 정의한다. 이와 같이 정의된 연속성의 값은 내부전극(12)을 형성하는 도전페이스트 중의 금속(예를 들면, Ni 또는 Ni합금)의 고형분 비(比)나 내부전극(12)의 두께, 금속입경을 변화시킴으로써 제어할 수 있다.
본 제1실시예에서는, 상기 연속성을 내부전극(12)을 형성하는 도전페이스트 중의 금속함유량에 기초하여 제어하고 있다. 그리고, 본 제1실시예에서는, 최상부에 위치하는 내부전극(12)과 최하부에 위치하는 내부전극(12) 사이의 거리(d)의 각각 상하에서 10%의 범위(f)에 각각 위치하는 내부전극(12)의 상기 연속성의 평균치가 그 이외의(적층방향의 중앙부분에 위치하는) 내부전극(12)의 상기 연속성의 평균치에 비하여, 5~20% 낮게 설정되어 있다. 이 수치는 다음과 같은 열충격시험의 결과에 기초한 것이다.
즉, 열충격시험에 이용한 적층세라믹 커패시터(10)의 시료 1~7의 공통사양으로서, 세라믹적층체(10a)의 치수, 세라믹층(11)의 두께, 내부전극(12)의 적층매수, 정전용량, 세라믹적층체(10a)의 적층방향 중앙부분에 위치하는 내부전극(12)의 금속콘텐트(고형분 비) 및 그 연속성의 평균치의 각 수치를 각각 다음과 같은 값으로 하였다.
세라믹적층체의 치수: 1.6㎜×0.8㎜×0.8㎜
세라믹층의 두께: 3.0㎛
세라믹층의 적층매수: 180매
내부전극 두께: 0.68㎛
내부전극의 금속입경: 0.2㎛
정전용량: 1㎌(목표치)
적층방향 중앙부분의 내부전극의 금속콘텐트: 48%
적층방향 중앙부분의 내부전극의 연속성의 평균치: 70%
그리고, 상기 공통사양을 가지며, 상기 거리(d)의 10%의 범위(f)에 각각 위치하고 있는 내부전극(12)의 상기 연속성의 평균치가 70.0%(시료 1), 67.9%(시료 2), 66.5%(시료 3), 63.0%(시료 4), 60.0%(시료 5), 56.0%(시료 6), 52.5%(시료 7)의 시료 1~7을 각각 50개 제작하였다. 이들 시료 1~7의 각각에 대하여, 325℃의 솔더 바스(solder bath)에 시료를 2초간 침지하고, 그 후, 50배의 현미경으로 크랙발생의 유무를 확인하는 열충격시험을 실시하였다. 그 결과를 다음의 표 1에 나타낸다.
Figure 112007084069323-PCT00001
상기 표 1에 있어서, 시료번호에 ※를 붙인 시료 1, 2, 7은 본 제1실시예에 대한 비교예이다. 또한, 상기 표 1에 있어서, 시료 1~7의 각각의 정전용량은 각 시료 50개에 대한 평균치이다.
상기 표 1에서 알 수 있듯이, 상기 거리(d)의 10%의 범위(f)에 각각 위치하고 있는 내부전극(12)의 상기 연속성의 평균치가 66.5%이며, 적층방향 중앙부분에 위치하는 내부전극(12)의 상기 연속성과의 차가 5%인 시료 3에서는, 열충격시험에 있어서의 크랙발생 개수는 제로였다.
또한, 내부전극(12)의 연속성의 평균치가 63.0%이며 연속성 차가 10%인 시료 4, 내부전극(12)의 연속성의 평균치가 60.0%이며 연속성 차가 14%인 시료 5, 내부전극(12)의 연속성의 평균치가 56.0%이며 연속성 차가 20%인 시료 6도, 열충격시험에 있어서의 크랙발생 개수는 제로였다.
이에 대하여, 내부전극(12)의 연속성의 평균치가 70.0%이며 연속성 차가 0%인 시료 1에서는, 시료 50개 중, 5개에 크랙이 발생하였다. 또한, 내부전극(12)의 평균치가 67.9%이며 연속성 차가 3%인 시료 2에서는, 시료 50개 중, 2개에 크랙이 발생하였다. 또한, 내부전극(12)의 연속성의 평균치가 52.5%이며 연속성 차가 25%인 시료 7에서는, 크랙이 발생한 것은 없었지만, 필요로 하는 정전용량을 얻을 수 없었다.
상기 열충격시험의 결과로부터, 도 1에 나타낸 구조를 가지는 적층세라믹 커패시터(10)에 있어서, 적층체의 최상부에 위치하는 내부전극(12)과 최하부에 위치하는 내부전극(12) 사이의 거리(d)의 10%의 범위(f)내에 각각 위치하는 내부전극(12)의 상기 연속성의 평균치가 그 이외의 내부전극(12)의 상기 연속성의 평균치에 비하여, 5~20% 낮아지도록 한 적층세라믹 커패시터(10)에서는, 실장시 등에 열충격이 가해져도, 적층체에 크랙이 발생하는 것을 해소할 수 있었다.
(제2실시예)
본 제2실시예에서는, 도 1에 나타낸 구조를 가지는 적층세라믹 커패시터(10)에 있어서, 내부전극(12)의 상기 연속성을 내부전극(12)의 두께를 변화시킴으로써 제어하고 있다. 그리고, 본 제2실시예에 있어서도, 상기 제1실시예와 마찬가지로, 최상부에 위치하는 내부전극(12)과 최하부에 위치하는 내부전극(12) 사이의 거리(d)의 각각 상하에서 10%의 범위(f)에 각각 위치하고 있는 내부전극(12)의 두께를 변화시켜서, 상기 연속성의 평균치가 적층방향의 중앙부분에 위치하는 내부전극(12)의 상기 연속성의 평균치에 비하여, 5~20% 낮아지도록 설정하고 있다.
본 제2실시예에 대해서도, 다음과 같은 공통사양을 가짐과 동시에, 제1실시예와 동일한 내부전극(12)의 연속성을 가지는 시료 1~7을 시작(試作)하고, 제1실시예와 동일한 열충격시험을 실시하였다. 그 결과를 표 2에 나타낸다.
세라믹적층체의 치수: 1.6㎜×0.8㎜×0.8㎜
세라믹층의 두께: 3.0㎛
세라믹층의 적층매수: 180매
내부전극의 금속입경: 0.2㎛
정전용량: 1㎌(목표치)
적층방향 중앙부분의 내부전극의 두께: 0.68㎛
적층방향 중앙부분의 내부전극의 연속성의 평균치: 70%
Figure 112007084069323-PCT00002
상기 표 2의 열충격시험의 결과로부터도 명백하듯이, 본 제2실시예인 적층세라믹 커패시터(10)도, 상기 제1실시예와 동일한 결과를 얻을 수 있었다.
(제3실시예)
본 제3실시예에서는, 도 1에 나타낸 구조를 가지는 적층세라믹 커패시터(10)에 있어서, 내부전극(12)의 연속성을 내부전극(12)을 구성하는 금속(Ni 또는 Ni합금)의 금속입경을 변화시킴으로써 제어하고 있다. 그리고, 본 제3실시예에 있어서도, 상기 제1실시예와 마찬가지로, 최상부에 위치하는 내부전극(12)과 최하부에 위치하는 내부전극(12) 사이의 거리(d)의 상하에서 각각 10%의 범위(f)에 각각 위치하고 있는 내부전극(12)의 금속입경을 변화시켜서, 그 연속성의 평균치가 적층방향 중앙부분에 위치하는 내부전극(12)의 상기 연속성의 평균치에 비하여, 5~20% 낮아지도록 설정하고 있다.
본 제3실시예에 대해서도, 다음과 같은 공통사양을 가짐과 동시에, 제1실시예와 동일한 내부전극(12)의 연속성을 가지는 시료 1~7을 시작하고, 제1실시예와 동일한 열충격시험을 실시하였다. 그 결과를 표 3에 나타낸다.
세라믹적층체의 치수: 1.6㎜×0.8㎜×0.8㎜
세라믹층의 두께: 3.0㎛
세라믹층의 적층매수: 180매
내부전극의 두께: 0.68㎛
정전용량: 1㎌(목표치)
적층방향 중앙부분의 내부전극의 금속입경: 0.2㎛
적층방향 중앙부분의 내부전극의 연속성의 평균치: 70%
Figure 112007084069323-PCT00003
상기 표 3의 열충격시험의 결과로부터도 명백하듯이, 본 제3실시예인 적층세라믹 커패시터(10)도, 제1실시예와 동일한 결과를 얻을 수 있었다.
(다른 실시예)
또한, 본 발명에 따른 적층세라믹 전자부품은 상기 실시예에 한정하는 것은 아니며, 그 요지의 범위내에서 다양하게 변경할 수 있다.
예를 들면, 상기 각 실시예에서는, 적층세라믹 커패시터를 예로 들어 설명했지만, 본 발명은 적층 배리스터, 서미스터, 압전소자, 다층기판 등에도 적용할 수 있다. 또한, 적층세라믹 전자부품의 치수, 목표로 하는 정전용량치, 세라믹층의 재료나 조성, 내부전극의 구성재료 등에 관해서는, 다양한 응용, 변형을 가할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 적층된 복수의 세라믹층의 사이에 내부전극이 배치된 적층세라믹 전자부품에 유용하며, 특히, 신뢰성이 향상하는 점에서 우수하다.

Claims (3)

  1. 적층된 복수의 세라믹층의 사이에 내부전극이 배치된 적층세라믹 전자부품에 있어서,
    상기 내부전극의 한 방향 단면에 있어서의 길이(X)와 상기 단면내의 구멍(pore)에 의해 형성되는 갭의 총합(Y)에 기초하여 내부전극의 연속성을 (X-Y)/X로 정의하는 경우,
    적층방향의 최상부에 위치하는 내부전극과 적층방향의 최하부에 위치하는 내부전극 사이의 거리의 각각 상하에서 10%의 범위내에 위치하는 내부전극의 연속성의 평균치가 그 이외의 내부전극의 연속성의 평균치보다도 5~20% 낮게 설정되어 있는 것,
    을 특징으로 하는 적층세라믹 전자부품.
  2. 제1항에 있어서, 상기 내부전극이 니켈 또는 니켈합금으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 적층세라믹 전자부품.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 세라믹층의 두께가 10㎛이하이며 그 적층매수가 100매 이상인 것을 특징으로 하는 적층세라믹 전자부품.
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