KR20190109178A - 적층 세라믹 커패시터 어레이 - Google Patents

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Abstract

열 충격에 의한 파손을 최소화하면서 주문자 생산 방식에 적합한 적층 세라믹 커패시터 어레이가 개시된다. 상기 커패시터 어레이를 구성하는 적어도 하나 이상의 적층 세라믹 커패시터(MLCC)는 단일 몸체로 구성되어 양 외부전극이 상기 금속 단자에 솔더링에 의해 전기적으로 연결된다.

Description

적층 세라믹 커패시터 어레이{Multi-layer ceramic condenser array}
본 발명은 적층 세라믹 커패시터 어레이에 관한 것으로, 특히 열 충격이나 기계적 충격에 의한 파손을 최소화하면서 주문자 생산 방식에 적합한 적층 세라믹 커패시터 어레이에 관련한다.
유도 결합 플라즈마 발생장치에서, 높은 인덕턴스를 위해 여러 개의 유도 코일을 사용하게 되는데, 커패시터는 유도 코일 사이 또는 유도 코일과 장치의 RF 전원 사이에 개재되어, LC 공진회로를 구성함으로써, 회로의 임피던스 매칭 역할을 한다.
상기와 같은 회로에서는, 유도 코일을 통해 순간적으로 주파수 성분을 포함한 높은 전압이 발생하기 때문에, 가능한 높은 내전압을 보유하는 적층 세라믹 커패시터(이하, MLCC라 함)를 적용한다.
도 1은 종래의 적층 세라믹 커패시터 어레이의 연결 방식을 보여준다.
서로 대향하여 배치된 금속 단자(100, 102) 사이에 커패시터 어레이(110)가 배치되며, 금속 단자(100, 102)의 단부에는 각각 MLCC(100)와의 전기적 연결을 위해 접합부(102, 102a)이 돌출된다.
커패시터 어레이(110)를 구성하는 각 MLCC(111)는, 가령 3.0KVdc의 정격 전압(정전용량은, 가령 390㎊)을 구비하고 직렬로 3개 연결되면서 직렬 연결된 커패시터 어레이가 다시 병렬로 3개 연결된다고 가정한다.
따라서, 커패시터 어레이(110)는 총 9.0KVdc의 정격 전압을 구비하여 고전압 환경에서 유용하게 사용될 수 있다.
이와 같이, 높은 내전압 확보를 위해 다수의 MLCC를 직렬 연결하고, 높은 정전용량을 확보하기 위해 직렬 연결된 MLCC를 다수 개 병렬 연결하여 커패시터 어레이를 구성한다.
그런데 MLCC(111)의 직렬 연결을 위해서, 도 1과 같이, MLCC(111)의 외부전극을 솔더링 방식으로 결합하기 때문에, 이 과정에서 다음과 같은 문제점이 발생한다.
MLCC(111)의 바디는 세라믹 재질로 구성되는데, 이러한 세라믹 재질은 열 충격에 대해 민감하다. 즉, 각 MLCC(111)의 외부전극 부위를 상호 연결하기 위해 솔더링이 진행될 때 세라믹 바디와 전극의 접합 경계면에 열 충격이 전달되며, 이로 인해 미세 크랙이 야기될 수 있다.
이러한 미세 크랙을 가지는 MLCC는 주파수를 동반한 AC 전압 또는 펄스 파워 전압, 진동, 습도 그리고 온도 등 외부 환경에 장기간 노출되는 경우, 크랙 확대를 거쳐 결국 MLCC의 절연 파괴에 이르게 되는 위험성이 존재한다.
또한, 상기와 같은 MLCC 직렬 연결 방식은 각 MLCC의 외부전극을 상호 솔더링 하는 과정이 필요하기 때문에, 사용되는 MLCC의 개수에 비례하여 공정 비용이 증가하며, 솔더링을 경제성 있고 균일하게 제공하기 어렵다는 단점이 있다.
더욱이, 직렬 연결된 MLCC로부터 발생하는 열을 신속하게 방출하기 위해 히트싱크와 같은 방열 단자를 적용할 수 있는데, 각 MLCC의 외부전극이 솔더링에 의해 연결된 상태이기 때문에 방열단자를 부착하기 어렵다는 문제가 있다.
한편, MLCC에서, 솔더링 과정 중 열 충격이나 회로기판의 휨 발생에 의한 기계적 충격으로 외부전극에 인접한 부분에서 내부전극을 가로지르는 크랙이 형성될 수 있다. 이때, 직렬 연결되는 각 MLCC는 사이즈가 정해져 있기 때문에, 형성되는 크랙이 내부전극을 가로지를 수밖에 없으며, 그 결과 MLCC에 높은 전압이 인가되면 크랙 라인을 따라 아크(arc)가 발생하면서 전기적인 쇼트가 발생한다.
따라서, 본 발명의 목적은 외부전극 간에 솔더링 공정을 진행하지 않아 바디에 열 충격을 적게 제공할 수 있는 적층 세라믹 커패시터 어레이를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 MLCC의 길이를 자유롭게 조절함으로써 열 충격이나 기계적 충격에 의해 크랙이 발생하더라도 내부전극 간에 전기적 쇼트가 발생하지 않도록 한 적층 세라믹 커패시터 어레이를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 주문자가 사용이 편리하고 경제성 있고 신뢰성 있게 장착이 가능한 적층 세라믹 커패시터 어레이를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 주문자 생산 방식에 적합한 적층 세라믹 커패시터 어레이를 제공하는 것이다.
상기의 목적은, 서로 대향하여 배치된 금속 단자 사이에 배치되는 커패시터 어레이로서, 상기 커패시터 어레이는 단일 몸체를 구비한 적층 세라믹 커패시터(MLCC)로 구성되고, 상기 MLCC는 내부에서 회로상으로 다수의 단위 MLCC가 직렬로 연결되어 구성되며, 상기 MLCC의 양 외부전극은 상기 금속 단자에 솔더링에 의해 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 적층 세라믹 커패시터 어레이에 의해 달성된다.
상기의 목적은, 서로 대향하여 배치된 금속 단자 사이에 배치되는 커패시터 어레이로서, 상기 커패시터 어레이는 단일 몸체를 구비한 적층 세라믹 커패시터(MLCC)가 적어도 둘 이상 병렬로 배열되어 구성되고, 상기 MLCC는 내부에서 회로상으로 다수의 단위 MLCC가 직렬로 연결되어 구성되며, 상기 단위 MLCC는 각각 동일한 정격전압 및 정전용량을 구비하거나, 동일한 정격전압과 서로 다른 정전용량을 구비하고, 상기 MLCC의 양 외부전극은 상기 금속 단자에 솔더링에 의해 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 적층 세라믹 커패시터 어레이에 의해 달성된다.
바람직하게, 상기 각 금속 단자의 대향하는 단부에는 상기 MLCC의 외부전극이 삽입되는 수납 홈이 형성된 접합부가 절곡되어 형성될 수 있다.
바람직하게, 상기 커패시터 어레이에는, 상기 커패시터 어레이를 상하로 관통하는 관통구멍이 적어도 하나 이상 형성되어 상하방향으로 공급되어 상기 관통구멍을 통과하는 바람에 의해 상기 커패시터 어레이가 냉각될 수 있다.
바람직하게, 상기 MLCC는 내부에 다수의 내부전극을 구비하고, 단부가 외부전극과 인접하되 전기적으로 연결되지 않는 내부전극의 수평 마진이 상기 외부전극의 밴드 폭보다 클 수 있다.
바람직하게, 상기 MLCC는 서로 일정한 간격으로 이격되어 배치될 수 있다.
본 발명에 의하면, 커패시터 어레이를 구성하는 MLCC가 단일체로 구성되어 외부전극 간의 솔더링 공정이 필요하지 않음으로써, 세라믹 바디에 솔더링에 의한 열 충격이 인가되지 않아 세라믹 바디에 미세 크랙이 생기지 않는다.
또한, 양 외부전극에 인접하여 열 충격에 의한 크랙이 발생하더라도 서로 다른 극성의 내부전극 간에 아크 방전이 일어나지 않기 때문에 전기적인 쇼트가 발생하지 않는다.
또한, 히트 싱크와 같은 방열 단자를 각 MLCC의 외면에 부착하기 용이하기 때문에 열 방출 문제를 쉽게 해결할 수 있다.
또한, 각 MLCC의 외부전극 간에 솔더링 공정이 필요하지 않기 때문에 공정 비용이 증가하지 않고, 커패시터 어레이를 경제성 있고 균일하게 제공할 수 있다.
또한, 커패시터 어레이가 주문자 생산방식으로 제작될 수 있는데, 주문자가 원하는 개수와 규격에 맞추어 커패시터 어레이를 설계하고 각 MLCC의 정격전압 및 정전용량을 결정할 수 있어 커패시터 어레이의 설계의 마진이 커지게 된다.
도 1은 종래의 적층 세라믹 커패시터 어레이의 연결 방식을 보여준다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 적층 세라믹 커패시터 어레이의 연결 방식을 보여준다.
도 3(a)은 도 2의 하나의 MLCC의 단면도이고 3(b)은 등가 회로도이다.
도 4는 본 발명에 적용되는 MLCC의 변형의 한 예를 보여주는 단면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 다양한 커패시터 어레이를 보여준다.
도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 커패시터 어레이를 보여준다.
본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 본 발명에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다. 또한, 본 발명에서 사용되는 기술적인 용어가 본 발명의 사상을 정확하게 표현하지 못하는 잘못된 기술적 용어일 때에는, 당업자가 올바르게 이해할 수 있는 기술적 용어로 대체되어 이해되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에서 사용되는 일반적인 용어는 사전에 정의되어 있는 바에 따라, 또는 전후 문맥상에 따라 해석되어야 하며, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 적층 세라믹 커패시터 어레이의 연결 방식을 보여주며, 도 3(a)은 도 2의 하나의 MLCC의 단면도이고 3(b)은 등가 회로도이다.
서로 대향하여 배치된 금속 단자(200, 210) 사이에 커패시터 어레이(240)가 배치되며, 금속 단자(200, 210)의 단부에는 접합부(210, 212)가 절곡되어 형성되고, 접합부(210, 212)에는 각 MLCC(220, 230)의 외부전극이 삽입되는 수납 홈(201, 211)이 형성될 수 있다.
따라서, 종래에는 도 1과 같이 다수의 MLCC를 직렬로 배열하고 각 MLCC의 외부전극 사이를 솔더링으로 연결하여 사용하였으나, 본 발명에서는 MLCC를 직렬로 연결할 필요 없이 금속 단자(200, 210)의 접합부(202, 212) 사이에 하나 또는 다수의 MLCC를 병렬로 배열하여 사용할 수 있다.
이 실시 예에서, 커패시터 어레이(240)는 같은 정격전압과 다른 정전용량을 갖는 2개의 MLCC(220, 230)가 병렬로 구성되지만, 후술하는 것처럼, 같은 정격전압과 정전용량을 가질 수 있다.
각 MLCC(220, 230)는, 도 3(a)과 같이, 외부전극(221, 221) 사이에서 길이방향으로 연장하는 내부전극(224, 225, 226, 227)을 구비하는데, 일점쇄선으로 구분한 것처럼 3개의 커패시터 모듈 C1, C2, C3가 회로상으로 직렬 연결된 것과 같으며, 도 3(b)과 같은 등가 회로를 갖는다.
도 1과 같이, 3.0KVdc의 정격 전압을 갖는 각 커패시터(111)를 직렬로 솔더링 하여 연결함으로써 9.0KVdc의 정격 전압을 갖는 종래의 커패시터 어레이(110)와 비교할 때, MLCC(220, 230) 자체가 9.0KVdc의 정격 전압을 구비함으로써 커패시터 어레이(240)는 9.0KVdc의 정격 전압을 갖는다.
여기서, 각 MLCC(220, 230) 내부에서 회로상으로 직렬 연결되는 각 커패시터 모듈 C1, C2, C3에는 정격 전압의 1/3씩 분배된다.
따라서, 이 실시 예에 의한 커패시터 어레이(240)는 2개의 MLCC(220, 230)로 구성되는데, 각 MLCC(220, 230)가 종래의 커패시터 어레이 자체와 동일한 정격전압을 구비하면서, 단일 몸체로 구성되어 외부전극 간의 솔더링 공정이 필요하지 않다.
그 결과, 세라믹 바디에 솔더링에 의한 열 충격이 인가되지 않아 세라믹 바디에 미세 크랙이 생기지 않으며, 또한 각 MLCC의 외부전극을 상호 솔더링 과정이 필요 없기 때문에 공정 비용이 증가하지 않는다.
또한, 커패시터 어레이(240)는 주문자 생산방식으로 제작될 수 있는데, 주문자가 원하는 개수와 규격에 맞추어 커패시터 어레이(240)를 설계하고 각 MLCC의 정격전압 및 정전용량을 결정할 수 있어 커패시터 어레이의 설계의 마진이 커지게 된다.
또한, 히트 싱크와 같은 방열 단자를 각 MLCC(220, 230)의 외면에 부착하기 용이하기 때문에 열 방출 문제를 쉽게 해결할 수 있다.
여기서, 외부전극은 솔더링에 의해 수납 홈(201, 211)에 고정할 수 있는데, 솔더링시 외부전극에 인가되는 열은 수용 홈(201, 211)을 구성하는 금속 단자(200, 210)를 통하여 방출되기 때문에 종래와 비교하여 MLCC(220, 230)에 가해지는 열 충격을 최소화할 수 있고 신뢰성 있는 솔더링이 용이하다.
도 4는 본 발명에 적용되는 MLCC의 변형의 한 예를 보여주는 단면도이다.
도 3을 보면, 솔더링 과정 중 열 충격이나 회로기판의 휨 발생에 의한 기계적 충격으로 외부전극(221)에 인접한 부분에서 내부전극(225, 227)을 가로지르는 크랙(228)이 형성될 수 있다.
이와 같이 형성되는 크랙(228)은 내부전극(225, 227)을 가로지르는데, MLCC(220)에 높은 전압이 인가되면 크랙(228) 라인을 따라 아크가 발생하면서 내부전극(225, 227) 간에 전기적인 쇼트가 발생한다.
이 실시 예에 의하면, 내부전극(225)의 수평 마진, 즉 내부전극(225)과 외부전극(221) 간의 거리 M이 증가함으로써, 동일한 크랙(228)이 발생하더라도 내부전극(225, 227) 간에 아크 방전이 일어나지 않기 때문에 전기적인 쇼트가 발생하지 않는다.
내부전극(225)의 수평 마진은 외부전극(221)의 밴드 폭보다 1.2배 이상일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
내부전극(225)의 수평 마진을 증가하는 방법은, MLCC(230, 240)의 길이를 길게 하거나 내부전극(225)의 길이를 짧게 하는 방법이 있을 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 다양한 커패시터 어레이를 보여준다.
도 5(a)를 참조하면, 커패시터 어레이가 하나의 MLCC로 구성되는데, 이 경우 한 번의 절단 공정으로 MLCC를 구성할 수 있어 제조공정을 간소화할 수 있으며, 적용되는 MLCC의 정격전압과 정전용량의 설계가 쉽다.
도 5(b)에서, 커패시터 어레이가 동일한 크기와 규격(정격전압과 정전용량)을 갖는 병렬 연결된 한 쌍의 MLCC로 구성된다. 이러한 구성에 의하면, 동일한 크기와 규격을 갖는 다수의 MLCC를 제작하고 이들을 쌍으로 구성하여 커패시터 어레이를 형성할 수 있어 제조공정이 간단하다.
도 5(c)는 커패시터 어레이가 동일한 크기와 규격을 갖는 병렬 연결된 다수의 MLCC로 구성된다. 이러한 구성에 의하면, 동일한 크기와 규격을 갖는 다수의 MLCC를 제작하고 이들을 필요한 개수로 구성하여 커패시터 어레이를 형성할 수 있어 커패시터 어레이의 설계가 쉽다.
도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 커패시터 어레이를 보여준다.
이 실시 예에서, 커패시터 어레이(250)는 표면과 이면을 관통하는 다수의 관통구멍(251)을 구비한다.
이 구조에 의하면, 커패시터 어레이(250)를 기준으로 상부에서 하부로 향하는 바람이 관통구멍(251)을 통하여 통과할 수 있어 커패시터 어레이(250)로부터 발생하는 열이 대기 중으로 쉽게 방출되도록 한다.
관통구멍(251)은 커패시터 어레이(250)의 소성 이전이나 소성 이후에 형성할 수 있는데, 공정상의 편리성과 비용 측면에서 고려할 때 소성 이전 공정에서 구성하는 것이 바람직하다.
즉, 커패시터 어레이(250)를 구성하는 각각의 그린 시트 상에 관통구멍(251)에 대응되는 구멍을 사전에 형성한 후 압착하고 소성하는 방법이 적용되거나, 커패시터 어레이(250)를 구성하는 각각의 그린시트를 압축한 후 관통구멍(251)에 대응하는 공간을 금형 프레스나 레이저 펀칭하는 방법이 적용될 수 있다.
관통구멍(251)은 세라믹 본체의 내부에 형성되는 내부전극을 피하여 형성되는 것은 당연하며, 형성되는 개수는 특별히 한정되지 않는다.
이상에서는 본 발명의 실시 예를 중심으로 설명하였지만, 당업자의 수준에서 다양한 변경을 가할 수 있음은 물론이다. 따라서, 본 발명의 권리범위는 상기한 실시 예에 한정되어 해석될 수 없으며, 이하에 기재되는 청구범위에 의해 해석되어야 한다.
200, 210: 금속 단자
201, 211: 수납 홈
202, 212: 접합부
220, 230: MLCC
240: 커패시터 어레이

Claims (6)

  1. 서로 대향하여 배치된 금속 단자 사이에 배치되는 커패시터 어레이로서,
    상기 커패시터 어레이는 단일 몸체를 구비한 적층 세라믹 커패시터(MLCC)로 구성되고,
    상기 MLCC는 내부에서 회로상으로 다수의 단위 MLCC가 직렬로 연결되어 구성되며,
    상기 MLCC의 양 외부전극은 상기 금속 단자에 솔더링에 의해 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 적층 세라믹 커패시터 어레이.
  2. 서로 대향하여 배치된 금속 단자 사이에 배치되는 커패시터 어레이로서,
    상기 커패시터 어레이는 단일 몸체를 구비한 적층 세라믹 커패시터(MLCC)가 적어도 둘 이상 병렬로 배열되어 구성되고,
    상기 MLCC는 내부에서 회로상으로 다수의 단위 MLCC가 직렬로 연결되어 구성되며,
    상기 단위 MLCC는 각각 동일한 정격전압 및 정전용량을 구비하거나, 동일한 정격전압과 서로 다른 정전용량을 구비하고,
    상기 MLCC의 양 외부전극은 상기 금속 단자에 솔더링에 의해 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 적층 세라믹 커패시터 어레이.
  3. 청구항 1 또는 2에서,
    상기 각 금속 단자의 대향하는 단부에는 상기 MLCC의 외부전극이 삽입되는 수납 홈이 형성된 접합부가 절곡되어 형성되는 것을 특징으로 하는 적층 세라믹 커패시터 어레이.
  4. 청구항 1에서,
    상기 커패시터 어레이에는, 상기 커패시터 어레이를 상하로 관통하는 관통구멍이 적어도 하나 이상 형성되어 상하방향으로 공급되어 상기 관통구멍을 통과하는 바람에 의해 상기 커패시터 어레이가 냉각되는 것을 특징으로 하는 적층 세라믹 커패시터 어레이.
  5. 청구항 1 또는 2에서,
    상기 MLCC는 내부에 다수의 내부전극을 구비하고,
    단부가 외부전극과 인접하되 전기적으로 연결되지 않는 내부전극의 수평 마진이 상기 외부전극의 밴드 폭보다 큰 것을 특징으로 하는 적층 세라믹 커패시터 어레이.
  6. 청구항 2에서,
    상기 MLCC는 서로 일정한 간격으로 이격되어 배치되는 것을 특징으로 하는 적층 세라믹 커패시터 어레이.
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