KR20230057161A - 세라믹 전자부품 - Google Patents

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전희선
박희선
김태형
서정욱
이효주
안혁순
김진우
윤석현
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삼성전기주식회사
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Abstract

본 개시는 유전체층, 및 내부전극을 포함하는 바디; 및 상기 바디에 배치되며, 상기 내부전극과 연결되는 외부전극; 을 포함하며, 상기 유전체층 중 적어도 일부의 영역은 주석(Sn), 그리고 디스프로슘(Dy)을 포함하는 란탄계 회토류 원소(RE)를 포함하며, 상기 유전체층 중 적어도 일부의 영역에 있어서, 상기 주석(Sn) 및 상기 디스프로슘(Dy)의 몰비(Sn/Dy)가 0.15 내지 0.30인, 세라믹 전자부품에 관한 것이다.

Description

세라믹 전자부품{CERAMIC ELECTRONIC COMPONENT}
본 개시는 세라믹 전자부품, 예를 들면, 적층 세라믹 캐패시터(MLCC: Multi-Layered Ceramic Capacitor)에 관한 것이다.
세라믹 전자부품의 하나인 적층 세라믹 캐패시터는 액정 표시 장치(LCD: Liquid Crystal Display) 및 플라즈마 표시 장치 패널(PDP: Plasma Display Panel) 등의 영상 기기, 컴퓨터, 스마트폰 및 휴대폰 등 여러 전자제품의 인쇄회로기판에 장착되어 전기를 충전시키거나 또는 방전시키는 역할을 하는 칩 형태의 콘덴서이다.
이러한 적층 세라믹 캐패시터는 최근 트렌드에 맞춰 점점 소형화/고집적화 되어가고 있다. 차세대 제품을 위한 초고유전 특성을 만족시키면서 소형화/고집적화 되기 위하여서는 박층화가 요구되며, 따라서 유전체층에 고유전 특성을 구현할 수 있는 조성 재료를 적용하는 것이 날로 중요해지고 있다.
본 개시의 여러 목적 중 하나는 신뢰성이 우수한 세라믹 전자부품을 제공하는 것이다.
본 개시를 통하여 제안하는 여러 해결 수단 중 하나는 유전체층에 포함되는 주석(Sn) 및 디스프로슘(Dy)의 최적의 조성비를 적용하는 것이다.
예를 들면, 일례에 따른 세라믹 전자부품은 유전체층, 및 내부전극을 포함하는 바디; 및 상기 바디에 배치되며, 상기 내부전극과 연결되는 외부전극; 을 포함하며, 상기 유전체층 중 적어도 일부의 영역은 주석(Sn), 그리고 디스프로슘(Dy)을 포함하는 란탄계 회토류 원소(RE)를 포함하며, 상기 유전체층 중 적어도 일부의 영역에 있어서, 상기 주석(Sn) 및 상기 디스프로슘(Dy)의 몰비(Sn/Dy)가 0.15 내지 0.30인 것일 수 있다.
본 개시의 여러 효과 중 일 효과로서, 신뢰성이 우수한 세라믹 전자부품을 제공할 수 있다.
도 1은 일례에 따른 세라믹 전자부품의 개략적인 사시도다.
도 2는 도 1의 Ⅰ-Ⅰ' 단면도를 개략적으로 도시한 단면도다.
도 3은 도 1의 Ⅱ-Ⅱ' 단면도를 개략적으로 도시한 단면도다.
도 4는 도 1의 일례에 따른 세라믹 전자부품의 바디를 분해하여 개략적으로 도시한 분해 사시도다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 개시에 대해 설명한다. 도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장되거나 축소될 수 있다.
도면에서, 제1방향은 적층 방향 또는 두께 방향, 제2방향은 길이 방향, 제3방향은 폭 방향으로 정의될 수 있다.
도 1은 일례에 따른 세라믹 전자부품의 개략적인 사시도다.
도 2는 도 1의 Ⅰ-Ⅰ' 단면도를 개략적으로 도시한 단면도다.
도 3은 도 1의 Ⅱ-Ⅱ' 단면도를 개략적으로 도시한 단면도다.
도 4는 도 1의 일례에 따른 세라믹 전자부품의 바디를 분해하여 개략적으로 도시한 분해 사시도다.
도면을 참조하면, 일례에 따른 세라믹 전자부품(100)은 유전체층(111) 및 내부전극(121, 122)을 포함하는 바디(110), 및 바디(110)에 배치되며 내부전극(121, 122)과 연결되는 외부전극(131, 132)을 포함한다. 이때, 유전체층(111) 중 적어도 일부의 영역(P)은 주석(Sn), 그리고 디스프로슘(Dy)을 포함하는 란탄계 회토류 원소(RE)를 포함하며, 유전체층 중 적어도 일부의 영역(P)에 있어서, 주석(Sn) 및 디스프로슘(Dy)의 몰비(Sn/Dy)가 0.15 내지 0.30 정도일 수 있다. 또한, 주석(Sn) 및 란탄계 희토류 원소(RE)의 몰비(Sn/RE)가 0.15 내지 0.25 정도일 수 있다.
한편, 차세대 초소형 고용량 제품 개발을 위해서는, 유전체층의 재료로, 첨가제가 고용된 ABO3로 표시되는 페로브스카이트(perovskite) 구조의 티탄산바륨계 재료에 적정 수준의 A-사이트 및/또는 B-사이트 치환 원소를 도입 및 고용하는 것이 중요해지고 있다. 특히, 높은 신뢰특성 구현을 위하여서는 제품을 구성하는 각 부분간의 첨가제 조합 및 농도 조절을 통하여 각 부위간 수축 거동 및 특성 구현에의 영향성을 미시적인 부분까지 컨트롤하는 것이 중요해지고 있다.
이에, 본 개시에서는 박층 고신뢰 특성을 확보하기 위하여 높은 함량의 도너(donor)를 도판트(dopant)로 적용하여 A-사이트의 고용 효율을 높인 조합을 유전체 조성의 하나의 예시로 적용하였다.
보다 구체적으로, 티탄산바륨의 A-사이트 치환 원소로 알려진 도너 원소인 희토류 원소들, 특히 대표적인 양쪽성 원소 및 +2 및/또는 +3가로의 원자가 변이가 가능한 원소이며 이를 통하여 산소 공공(oxygen vacancy) 개선에 도움을 주어 신뢰성 개선효과를 일으키는 디스프로슘(Dy) 원소의 경우, 고용 효율이 낮아 소결 후 그레인(grain)의 코어-쉘을 구분 짓는 경계 원소로도 유용하게 활용될 수 있다.
한편, 최근 개발되는 박층 고신뢰성 구현용 제품들의 경우 박층 내부전극의 끊김 방지 및 소결온도 매칭을 위하여 고온단축 소성공법의 적용이 고려되고 있다. 다만, 소결에 필요한 열량 전달이 부족할 경우, 디스프로슘(Dy) 고용 효율이 감소될 수 있으며, 불균일한 고용 특성은 최종 칩의 특성 또한 저하시킬 수 있다. 또한, 소결 시간을 늘려서 충분한 소결에 필요한 열량이 전달될 경우, 디스프로슘(Dy) 원소 또한 완전 고용이 이루어져 코어-쉘 구분이 어려울 수 있다.
이에, 차세대 박층 설계를 적용하는 제품에서는 첨가제 함량을 최소화한, 특히 A-사이트의 고용이 어려운 디스프로슘(Dy)의 함량이 적은 조성계가 고려될 수 있다. 다만, 이와 같이 디스프로슘(Dy)의 함량이 적어지는 경우에는 결과적으로는 박층 신뢰성의 개선에 한계가 있을 수 있다.
반면, 본 개시에서는 주석(Sn)을 포함하는 유전체 조성이 적용될 수 있다. 이 경우, A-사이트의 치환 효율을 향상시킬 수 있으며, 따라서 희토류의 함량 및 조성비를 변경할 수 있다. 이를 통하여, 주석(Sn) 및 디스프로슘(Dy) 함량 증가와 최적의 조성비를 적용하여 박층 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
즉, 본 개시에서는 유전체층(111)의 재료로 주석(Sn)을 포함하는 조성을 적용할 수 있으며, 따라서 A-사이트 치환 원소인 디스프로슘(Dy)의 함량을 증가시켜 신뢰성 개선을 유도할 수 있다. 또한, 적정 수준의 A-사이트 및 B-사이트 치환 효율 극대화 조합을 선정함으로써 우수한 신뢰특성 구현이 가능한 조성비를 제공할 수 있다.
이러한 관점에서, 일례에 따른 유전체 조성물은 티탄산바륨계 모재를 포함하며, 또한 주석(Sn), 그리고 디스프로슘(Dy)을 포함하는 란탄계 회토류 원소(RE)를 포함할 수 있다. 이때, 디스프로슘(Dy)의 티탄산바륨 격자내 고용한계 제어 및 효과적인 입계 균일 편석 유도가 가능하도록, 주석(Sn) 및 디스프로슘(Dy)의 몰비(Sn/Dy)는 0.15 내지 0.30 정도일 수 있다. 또한, 란탄계 희토류 원소(RE) 원소들에 대하여서도 실질적으로 동일한 범위내 비율로 티탄산바륨 격자내 고용한계 제어 및 효과적인 입계 균일 편석 유도가 가능하도록, 주석(Sn) 및 란탄계 희토류 원소(RE)의 몰비(Sn/RE)는 0.15 내지 0.25 정도일 수 있다. 한편, 티탄산바륨계 모재 100몰에 대하여, 주석(Sn)의 함량이 0.05몰 내지 0.16몰이며, 디스프로슘(Dy)의 함량이 0.20몰 내지 0.80몰 정도일 수 있다.
한편, 일례에 따른 유전체 조성물에 있어서, 란탄계 희토류 원소(RE)는 디스프로슘(Dy) 외에 추가로 터븀(Tb), 사마륨(Sm) 및 가돌리늄(Gd) 중 적어도 하나를 더 포함할 수도 있다. 이러한 희토류 원소는 ABO3　구조의 A-사이트를 치환하여 도너 역할을 수행함으로써 산소 공공의 농도를 줄여 신뢰성을 보다 향상시킬 수 있다. 또한, 희토류 원소는 결정립계에서 전자의 흐름을 막는 장벽으로 작용하여 누설 전류 증가를 억제하는 역할을 할 수 있다.
한편, 일례에 따른 유전체 조성물은, 망간(Mn), 알루미늄(Al), 바나듐(V) 및 마그네슘(Mg) 중 적어도 하나를 포함하는 억셉터 원소(AT)를 더 포함할 수 있다. 이러한 억셉터 원소(AT)는 ABO3 구조의 B-사이트를 치환하여 억셉터 역할을 수행함으로써 전자 농도를 줄이는 역할을 수행할 수 있다. 따라서, 희토류 원소의 A-사이트 고용에 의한 유전체층의 반도체화를 억제하는 역할을 수행할 수 있다. 또한, 유전체 조성물이 적용된 세라믹 전자부품의 소성 온도 저하 및 고온 내전압 특성을 향상시키는 역할을 수행할 수 있다.
또한, 일례에 따른 유전체 조성물은, 상술한 란탄계 희토류 원소(RE), 니오븀(Nb) 및 이트륨(Y) 중 적어도 하나를 포함하는 도너 원소(DN)를 더 포함할 수 있다. 이러한 도너 원소(DN)는 마찬가지로 ABO3　구조의 A-사이트를 치환하여 도너 역할을 수행함으로써 산소 공공의 농도를 줄여 신뢰성을 보다 향상시킬 수 있다. 또한, 마찬가지로 결정립계에서 전자의 흐름을 막는 장벽으로 작용하여 누설 전류 증가를 억제하는 역할을 할 수 있다.
이때, 적정 수준의 절연 저항 확보 등을 위하여, 도너 원소(DN) 및 억셉터 원소(AT)의 몰비(DN/AT)는 0.01 내지 0.50 정도일 수 있다.
따라서, 유전체층(111) 중 적어도 일부의 영역(P)은 주석(Sn), 그리고 디스프로슘(Dy)을 포함하는 란탄계 희토류 원소(RE)를 포함할 수 있다. 이때, 주석(Sn)과 디스프로슘(Dy)의 몰비(Sn/Dy)는 0.15 내지 0.30 정도일 수 있다. 또한, 주석(Sn)과 란탄계 희토류 원소(RE)의 몰비(Sn/RE)는 0.15 내지 0.25 정도일 수 있다. 한편, 티탄산바륨계 모재 100몰에 대하여, 주석(Sn)의 함량이 0.05몰 내지 0.16몰이며, 디스프로슘(Dy)의 함량이 0.20몰 내지 0.80몰 정도일 수 있다.
또한, 유전체층(111) 중 적어도 일부의 영역(P)에 있어서, 란탄계 희토류 원소(RE)는 디스프로슘(Dy) 외에 추가로 터븀(Tb), 사마륨(Sm) 및 가돌리늄(Gd) 중 적어도 하나를 더 포함할 수도 있다. 또한, 유전체층(111) 중 적어도 일부의 영역(P)에 있어서, 유전체층(111)을 형성하기 위한 유전체 조성물은, 망간(Mn), 알루미늄(Al), 바나듐(V) 및 마그네슘(Mg) 중 적어도 하나를 포함하는 억셉터 원소(AT)를 더 포함할 수 있다. 또한, 상술한 란탄계 희토류 원소(RE), 니오븀(Nb) 및 이트륨(Y) 중 적어도 하나를 포함하는 도너 원소(DN)를 더 포함할 수 있다. 이때, 도너 원소(DN) 및 억셉터 원소(AT)의 몰비(DN/AT)는 0.01 내지 0.50 정도일 수 있다.
한편, 유전체층(111) 중 적어도 일부의 영역(P)의 조성은 TEM(Transmission Electron Microscopy)-EDS(Energy Dispersive Spectrometer) 원소 분석을 통하여 측정할 수 있다. 예를 들면, 샘플 칩의 TEM 분석을 위하여 FIB(Focused Ion Beam) 샘플링 후에, TEM-EDS 맵핑을 통하여 포함되는 원소 종류 및 함량을 확인할 수 있다. 이후, 분석된 원소 중 티탄산바륨 등의 모재에 해당하는 비율을 확인하기 위하여, 해당 원소의 분석비를 티타늄(Ti)의 분석비로 나눠서, 모재의 몇 몰%에 해당하는 원소가 포함되어 있는지 확인할 수 있다.
한편, 유전체층(111) 중 적어도 일부 영역(P)은 후술하는 액티브부(Ac)에 배치될 수 있다.
이하, 일례에 따른 세라믹 전자부품(100)에 포함되는 각각의 구성에 대하여 보다 자세히 설명한다.
바디(110)의 구체적인 형상에 특별히 제한은 없지만, 육면체 형상이나 이와 유사한 형상으로 이루어질 수 있다. 소성 과정에서 바디(110)에 포함된 세라믹 분말의 수축으로 인하여, 바디(110)는 완전한 직선을 가진 육면체 형상은 아니지만 실질적으로 육면체 형상을 가질 수 있다. 필요에 따라서, 바디(110)의 각진 외형, 예컨대 모서리 부분은 연마 공정 등에 의하여 둥글게 연마될 수 있다.
바디(110)는 제1방향으로 서로 마주보는 제1면(1) 및 제2면(2), 제1면(1) 및 제2면(2)과 연결되고 제2방향으로 서로 마주보는 제3면(3) 및 제4면(4), 제1면(1) 및 제2면(2)과 연결되고 또한 제3면(3) 및 제4면(4)과 연결되며 제3방향으로 서로 마주보는 제5면(5) 및 제6면(6)을 가질 수 있다.
바디(110)는 유전체층(111) 및 내부전극(121, 122)이 교대로 적층되어 있을 수 있다. 바디(110)를 형성하는 복수의 유전체층(111)은 소성된 상태로서, 인접하는 유전체층(111) 사이의 경계는 주사전자현미경(SEM: Scanning Electron Microscope)를 이용하지 않고 확인하기 곤란할 정도로 일체화될 수 있다.
유전체층(111)은 세라믹 파우더, 유기 용제 및 유기 바인더를 포함하는 세라믹 그린시트의 소성에 의하여 형성될 수 있다. 세라믹 파우더는 높은 유전율을 갖는 물질로서, 티탄산바륨(BaTiO3)계 재료, 티탄산스트론튬(SrTiO3)계 재료 등을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 상술한 티탄산바륨계 재료를 사용할 수 있다.
유전체층(111)의 두께(td)는 특별히 한정할 필요는 없으나, 일반적으로 유전체층(111)을 0.6㎛ 미만의 두께로 얇게 형성하는 경우, 특히 유전체층(111)의 두께가 0.4㎛ 이하인 경우에는 신뢰성이 저하될 우려가 있었다. 반면, 본 개시에서는 유전체층(111)의 두께가 0.4㎛ 이하인 경우에도 상술한 바와 같이 우수한 신뢰성을 확보할 수 있다. 따라서, 유전체층(111)의 두께가 0.4㎛ 이하인 경우에 본 개시에 따른 신뢰성 향상 효과가 보다 현저해질 수 있으며, 세라믹 전자부품의 소형화 및 고용량화를 보다 용이하게 달성할 수 있다.
유전체층(111)의 두께(td)는 내부전극(121, 122) 사이에 배치되는 유전체층(111)의 평균 두께를 의미할 수 있다. 유전체층(111)의 평균 두께는 바디(110)의 길이 및 두께 방향 단면을 1만 배율의 주사전자현미경으로 이미지를 스캔하여 측정할 수 있다. 보다 구체적으로, 스캔된 이미지에서 하나의 유전체층을 길이 방향으로 등간격인 30개의 지점에서 그 두께를 측정하여 평균값을 측정할 수 있다. 등간격인 30개의 지점은 액티브부(Ac)에서 지정될 수 있다. 또한, 이러한 평균값 측정을 10개의 유전체층(111)으로 확장하여 평균값을 측정하면, 유전체층(111)의 평균 두께를 더욱 일반화할 수 있다.
바디(110)는 유전체층(111)을 사이에 두고 서로 마주보도록 배치되는 복수의 제1내부전극(121) 및 제2내부전극(122)을 포함하여 용량이 형성되는 액티브부(Ac)를 포함할 수 있다. 액티브부(Ac)는 캐패시터의 용량 형성에 기여하는 부분으로서, 유전체층(111)을 사이에 두고 복수의 제1내부전극(121) 및 제2내부전극(122)을 반복적으로 적층하여 형성될 수 있다.
바디(110)는 두께 방향을 기준으로 액티브부(Ac)의 상부 및 하부에 배치되는 커버부(112, 113)를 더 포함할 수 있다. 커버부(112, 113)는 액티브부(Ac)의 상부에 배치되는 상부 커버부(112) 및 액티브부(Ac)의 하부에 배치되는 하부 커버부(113)를 포함할 수 있다. 상부 커버부(112) 및 하부 커버부(113)는 단일 유전체층 또는 2개 이상의 유전체층을 액티브부(Ac)의 상하면에 각각 두께 방향으로 적층하여 형성할 수 있으며, 기본적으로 물리적 또는 화학적 스트레스에 의한 내부전극의 손상을 방지하는 역할을 수행할 수 있다. 커버부(112, 113)는 내부전극을 포함하지 않으며, 유전체층(111)과 동일한 재료를 포함할 수 있다. 예를 들면, 커버부(112, 113)는 세라믹 재료를 포함할 수 있으며, 예를 들어 상술한 티탄산바륨계 재료를 포함할 수 있다. 커버부(112, 113)의 두께는 특별히 한정할 필요는 없다. 다만, 세라믹 전자부품의 소형화 및 고용량화를 보다 용이하게 달성하기 위하여 커버부(112, 113)의 두께(tp)는 20㎛ 이하일 수 있다.
바디(110)는 액티브부(Ac)의 측면에 배치되는 마진부(114, 115)를 더 포함할 수 있다. 마진부(114, 115)는 바디(110)의 제5면(5)에 배치된 마진부(114)와 제6면(6)에 배치된 마진부(115)를 포함할 수 있다. 예를 들면, 마진부(114, 115)는 바디(110)의 폭 방향 양 측면에 배치될 수 있다. 마진부(114, 115)는 바디(110)를 폭-두께 방향으로 자른 단면에서 내부전극(121, 122)의 양 끝과 바디(110)의 경계면 사이의 영역을 의미할 수 있다. 마진부(114, 115)는 기본적으로 물리적 또는 화학적 스트레스에 의한 내부전극(121, 122)의 손상을 방지하는 역할을 수행할 수 있다. 마진부(114, 115)는 유전체층(111)과 동일 또는 상이한 재료를 포함할 수 있다. 예를 들면, 마진부(114, 115)는 세라믹 그린시트 상에 마진부가 형성될 곳을 제외하고 도전성 페이스트를 도포하여 내부전극을 형성함으로써 형성된 것일 수 있다. 또는, 내부전극(121, 122)에 의한 단차를 억제하기 위하여, 적층 후 내부전극(121, 122)이 바디(110)의 제5면(5) 및 제6면(6)으로 노출되도록 절단한 후, 단일 유전체층 또는 2개 이상의 유전체층을 액티브부(Ac)의 폭 방향 양측면에 적층하여 마진부(114, 115)를 형성할 수도 있다.
내부전극(121, 122)은 유전체층(111)과 교대로 적층될 수 있다. 내부전극(121, 122)은 복수의 제1내부전극(121) 및 제2내부전극(122)을 포함할 수 있다. 복수의 제1내부전극(121) 및 복수의 제2내부전극(122)은 유전체층(111)을 사이에 두고 서로 마주보도록 번갈아 배치될 수 있으며, 바디(110)의 제3면(3) 및 제4면(4)으로 각각 노출될 수 있다. 예를 들면, 복수의 제1내부전극(121)은 각각 제4면(4)과 이격되며 제3면(3)을 통해 노출될 수 있다. 또한, 복수의 제2내부전극(122)은 각각 제3면(3)과 이격되며 제4면(4)을 통해 노출될 수 있다. 복수의 제1내부전극(121) 및 제2내부전극(122)은 그 사이에 배치된 유전체층(111)에 의해 서로 전기적으로 분리될 수 있다.
내부전극(121, 122)은 도전성 금속을 포함하는 도전성 페이스트에 의하여 형성될 수 있다. 예를 들면, 유전체층(111)을 형성하는 세라믹 그린시트 상에 스크린 인쇄법, 그라비아 인쇄법 등과 같은 인쇄법을 통하여 도전성 페이스트를 인쇄하여 결과적으로 내부전극(121, 122)을 인쇄할 수 있다. 내부전극(121, 122)이 인쇄된 세라믹 그린시트를 번갈아가며 적층하고 소성하면 바디(110)의 액티브부(Ac)를 형성할 수 있다. 도전성 금속은, 이에 제한되는 것은 아니나, 니켈(Ni), 구리(Cu), 팔라듐(Pd), 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt), 주석(Sn), 텅스텐(W), 티타늄(Ti), 및/또는 이를 포함하는 합금 등을 포함할 수 있다.
내부전극(121, 122)의 두께(te)는 특별히 한정할 필요는 없으나, 일반적으로 내부전극(121, 122)을 0.6㎛ 미만의 두께로 얇게 형성하는 경우, 특히 내부전극(121, 122)의 두께가 0.4㎛ 이하인 경우에는 신뢰성이 저하될 우려가 있었다. 반면, 본 개시에서는 내부전극(121, 122)의 두께가 0.4㎛ 이하인 경우에도 상술한 바와 같이 우수한 신뢰성을 확보할 수 있다. 따라서, 내부전극(121, 122)의 두께가 0.4㎛ 이하인 경우에 본 개시에 따른 신뢰성 향상 효과가 보다 현저해질 수 있으며, 세라믹 전자부품의 소형화 및 고용량화를 보다 용이하게 달성할 수 있다.
내부전극(121, 122)의 두께(te)는 내부전극(121, 122)의 평균 두께를 의미할 수 있다. 내부전극(121, 122)의 평균 두께는 바디(110)의 길이 및 두께 방향 단면을 1만 배율의 주사전자현미경으로 이미지를 스캔하여 측정할 수 있다. 보다 구체적으로, 스캔된 이미지에서 하나의 내부전극을 길이 방향으로 등간격인 30개의 지점에서 그 두께를 측정하여 평균값을 측정할 수 있다. 등간격인 30개의 지점은 액티브부(Ac)에서 지정될 수 있다. 또한, 이러한 평균값 측정을 10개의 내부전극으로 확장하여 평균값을 측정하면, 내부전극의 평균 두께를 더욱 일반화할 수 있다.
외부전극(131, 132)은 바디(110)의 제3면(3) 및 제4면(4)에 배치되어 제1면(1), 제2면(2), 제5면(5) 및 제6면(6)으로 각각 일부가 연장될 수 있다. 외부전극(131, 132)은 복수의 제1내부전극(121) 및 제2내부전극(122)과 각각 연결된 제1외부전극(131) 및 제2외부전극(132)을 포함할 수 있다. 제1외부전극(131)은 바디(110)의 제3면(3)에 배치되어 바디(110)의 제1면(1), 제2면(2), 제5면(5) 및 제6면(6)으로 각각 일부가 연장될 수 있다. 제2외부전극(132)은 바디(110)의 제4면(4)에 배치되어 바디(110)의 제1면(1), 제2면(2), 제5면(5) 및 제6면(6)으로 각각 일부가 연장될 수 있다. 도면에서는 세라믹 전자부품(100)이 2개의 외부전극(131, 132)을 갖는 구조를 설명하고 있지만, 외부전극(131, 132)의 개수나 형상 등은 내부전극(121, 122)의 형태나 기타 다른 목적에 따라 바뀔 수 있다.
외부전극(131, 132)은 금속 등과 같이 전기 전도성을 갖는 것이라면 어떠한 물질을 사용하여 형성될 수 있고, 전기적 특성, 구조적 안정성 등을 고려하여 구체적인 물질이 결정될 수 있으며, 나아가 다층 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 외부전극(131, 132)은 바디(110)에 배치되는 전극층(131a, 132a) 및 전극층(131a, 132a) 상에 형성된 도금층(131b, 132b)을 포함할 수 있다.
전극층(131a, 132a)은, 예를 들면, 도전성 금속 및 글라스를 포함한 소성(firing) 전극이거나, 도전성 금속 및 수지를 포함한 수지계 전극일 수 있다. 또한, 전극층(131a, 132a)은 바디(110) 상에 소성 전극 및 수지계 전극이 순차적으로 형성된 형태일 수도 있다. 또한, 전극층(131a, 132a)은 바디(110) 상에 도전성 금속을 포함한 시트를 전사하는 방식으로 형성되거나, 소성 전극 상에 도전성 금속을 포함한 시트를 전사하는 방식으로 형성된 것일 수도 있다. 전극층(131a, 132a)에 포함되는 도전성 금속으로 전기 전도성이 우수한 재료를 사용할 수 있으며 특별히 한정하지 않는다. 예를 들어, 도전성 금속은 구리(Cu),　니켈(Ni), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag), 납(Pb) 및/또는 이를 포함하는 합금 등을 포함할 수 있다.
도금층(131b, 132b)은 실장 특성을 향상시키는 역할을 수행한다. 도금층(131b, 132b)의 종류는 특별히 한정하지 않으며, 니켈(Ni), 주석(Sn), 팔라듐(Pd) 및/또는 이를 포함하는 합금 등을 포함하는 도금층일 수 있고, 복수의 층으로 형성될 수도 있다. 도금층(131b, 132b)은, 예를 들면, 니켈(Ni) 도금층 또는 주석(Sn) 도금층일 수 있으며, 전극층(131a, 132a) 상에 니켈(Ni) 도금층 및 주석(Sn) 도금층이 순차적으로 형성된 형태일 수도 있다. 또한, 도금층(131b, 132b)은 복수의 니켈(Ni) 도금층 및/또는 복수의 주석(Sn) 도금층을 포함할 수도 있다.
세라믹 전자부품(100)의 사이즈는 특별히 한정할 필요는 없다. 다만, 소형화 및 고용량화를 동시에 달성하기 위해서는 유전체층(111) 및 내부전극(121, 122)의 두께를 얇게 하여 적층수를 증가시켜야 하기 때문에, 1005 (길이Х폭, 1.0㎜Х0.5㎜) 이하의 사이즈를 가지는 세라믹 전자부품(100)에서 본 개시에 따른 신뢰성 효과가 보다 현저해질 수 있다. 따라서, 제조 오차, 외부전극(131, 132) 크기 등을 고려하면 세라믹 전자부품(100)의 길이가 1.1㎜ 이하이고, 폭이 0.55㎜ 이하인 경우, 신뢰성 향상 효과가 보다 현저해질 수 있다. 여기서, 세라믹 전자부품(100)의 길이는 길이 방향에서의 크기를 의미하며, 세라믹 전자부품(100)의 폭은 폭 방향에서의 크기를 의미할 수 있다.
실험예
티탄산바륨계 모재를 주성분으로 포함하며, 희토류 원소 등의 부성분을 포함하는 유전체 조성물을 준비한 후, 유전체 조성물을 포함하는 세라믹 그린시트 상에 니켈(Ni)을 포함하는 내부전극용 도전성 페이스트를 도포하여 내부전극 패턴을 형성하였다. 그 후, 내부전극 패턴이 형성된 세라믹 그린시트를 적층하여 얻은 적층체를 칩 단위로 절단한 후 소성하여 샘플 칩을 제작하였다.
한편, 각각의 샘플은 티탄산바륨계 모재 100몰에 대하여 아래 [표 1]의 함량(단위: 몰)으로 각각의 성분을 포함하였다. 각각의 샘플 칩에 있어서, 유전체층 및 내부전극의 두께는 각각 0.4㎛ 이하이며, 칩 사이즈는 1005 사이즈 이하였다. 각각의 샘플 칩의 중앙부 유전체층에서 그레인 사이즈는 600㎚ 이하였으며, 유전체 그레인 바운더리 내에는 란탄계 원소가 추가로 존재하였고, 유전체 그레인 내에는 실리콘(Si), 마그네슘(Mg), 주석(Sn) 등의 원소가 존재하였다.
한편, 아래 [표 1]에서 유전체층의 조성은 상술한 TEM-EDS 원소 분석을 통하여 측정하였다. 구체적으로, 샘플 칩의 TEM 분석을 위하여 FIB 샘플링 후에, TEM-EDS 맵핑을 통하여 포함되는 원소 종류 및 함량을 측정하였다. 이후, 분석된 원소 중 티탄산바륨 등의 모재에 해당하는 비율을 측정하기 위하여, 해당 원소의 분석비를 티타늄(Ti)의 분석비로 나눠서, 모재의 몇 몰%에 해당하는 원소가 포함되어 있는지 측정하였다.
또한, 아래 [표 1]에서 신뢰성은 고온 절연 저항 측정기를 사용하여 측정하였으며, 제품의 정격전압 * 1.5, 그리고 정격온도 + 20℃에 해당하는 조건(예컨대, X5R, 6.3V 목표 기종의 경우는, 105℃ 및 9.45V 정도의 조건)에서, 24hr 전압 인가시 불합격(fail)율을 측정하여, 10% 이내인 경우를 신뢰성 양호(O)로 표기하였으며, 그렇지 않은 경우를 신뢰성 미달(X)로 표기하였다. 한편, 24hr 평가 이후 최종 절연저항이 10^4Ω 이하 수준으로 확인되는 경우에는, 불합격율과 상관없이 신뢰성 미달(X)로 표기하였다.
Sn RE(또는, DN) AT 몰비 신뢰성
Dy Tb Sm Gd Mn Al V Mg Sn/Dy Sn/RE DN/AT
1 0.1 0.1 - - - 0.24 0.24 0.1 0.467 1.00 1.00 0.09 X
2 0.1 0.2 - - - 0.24 0.24 0.1 0.467 0.50 0.50 0.17 X
3 0.1 0.3 - - - 0.24 0.24 0.1 0.467 0.33 0.33 0.26 X
4 0.1 0.4 - - - 0.24 0.24 0.1 0.467 0.25 0.25 0.35 O
5 0.1 0.6 - - - 0.24 0.36 0.1 0.5 0.17 0.17 0.46 O
6 0.1 0.8 - - - 0.24 0.36 0.1 0.5 0.13 0.13 0.62 X
7 0.1 1.4 - - - 0.24 0.36 0.1 0.5 0.07 0.07 1.08 X
8 0.15 0.6 - - - 0.24 0.24 0.1 0.5 0.25 0.25 0.49 O
9 0.04 0.6 - - - 0.24 0.36 0.1 0.5 0.07 0.07 0.48 X
10 0.05 0.6 - - - 0.24 0.36 0.1 0.5 0.08 0.08 0.48 X
11 0.2 0.6 - - - 0.24 0.36 0.1 0.5 0.33 0.33 0.43 X
12 0.3 0.6 - - - 0.24 0.36 0.1 0.5 5.00 0.50 0.40 X
13 0.1 0.6 0.03 - - 0.24 0.36 0.1 0.5 0.17 0.16 0.48 O
14 0.1 0.6 0.05 - - 0.24 0.36 0.1 0.5 0.17 0.15 0.50 O
15 0.1 0.6 - 0.01 - 0.24 0.36 0.1 0.5 0.17 0.16 0.47 O
16 0.1 0.6 - 0.03 - 0.24 0.36 0.1 0.5 0.17 0.16 0.48 O
17 0.1 0.6 - 0.05 - 0.24 0.36 0.1 0.5 0.17 0.15 0.50 O
18 0.1 0.6 - - 0.01 0.24 0.36 0.1 0.5 0.17 0.16 0.47 O
19 0.1 0.6 - - 0.03 0.24 0.36 0.1 0.5 0.17 0.16 0.48 O
20 0.1 0.6 - - 0.05 0.24 0.36 0.1 0.5 0.17 0.15 0.50 O
21 0.09 0.6 - - - 0.24 0.36 0.1 0.5 0.15 0.15 0.47 O
22 0.18 0.6 0.2 - - 0.24 0.36 0.1 0.5 0.30 0.23 0.58 O
23 0.25 0.21 - - - 0.05 2.16 1.06 0 1.19 1.19 0.06 X
24 0.1 0.3 - - - 0.1 2.4 1.2 0 0.33 0.33 0.08 X
25 0.1 0.4 - - - 0.1 2.4 1.2 0 0.25 0.25 0.11 O
26 0.1 0.6 - - - 0.1 2.4 1.2 0 0.17 0.17 0.16 O
27 0.1 0.4 0.01 - - 0.1 2.4 1.2 0 0.25 0.24 0.11 O
28 0.1 0.4 - 0.01 - 0.1 2.4 1.2 0 0.25 0.24 0.11 O
29 0.1 0.4 - - 0.01 0.1 2.4 1.2 0 0.25 0.24 0.11 O
30 0.1 0.4 - - - 0.1 2.4 1.2 0.1 0.25 0.25 0.10 O
[표 1]을 참조하면, 샘플 칩 1~3, 6~7, 23-24에서와 같이 디스프로슘(Dy)의 함량이 부족하거나 과다하여 Sn/Dy 및 Sn/RE의 몰비가 본 개시에서 제안하는 범위를 만족하지 못하는 경우 신뢰성 특성이 저하되는 것을 알 수 있다.
또한, 샘플 칩 9~10에서와 같이 주석(Sn)이 부족하여 Sn/Dy 및 Sn/RE의 몰비가 본 개시에서 제안하는 범위를 만족하지 못하는 경우 희토류 고용 불안정으로 신뢰성 특성이 저하되는 것을 알 수 있다.
또한, 샘플 칩 11~12에서와 같이 주석(Sn)이 과다하여 Sn/Dy 및 Sn/RE의 몰비가 본 개시에서 제안하는 범위를 만족하지 못하는 경우 소성 온도가 증가하여 IR 스플리트(split)가 증가하며 신뢰성 특성이 저하되는 것을 알 수 있다.
반면, 샘플 칩 4~5, 8, 21, 25-26, 30에서와 Sn/Dy 및 Sn/RE의 몰비가 본 개시에서 제안하는 범위를 만족하지 못하는 경우 신뢰성이 우수한 것을 알 수 있다.
또한, 샘플 칩 13~20, 22, 27-29에서와 같이 란탄계 희토류 원소(RE)를 추가하면서 본 개시에서 제안하는 조성을 만족하는 경우 A-사이트 치환효율 증가 원소 도입 등으로 신뢰성 특성이 보다 우수한 것을 알 수 있다.
본 개시에서 세라믹 전자부품으로 적층 세라믹 커패시터를 예를 들어 설명하였지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 다른 종류의 세라믹 전자부품, 예를 들면, 인덕터, 압전체 소자, 바리스터, 서미스터 등에도 본 개시가 적용될 수 있다.
본 개시에서 측부, 측면 등의 표현은 편의상 도면을 기준으로 좌/우 방향 또는 그 방향에서의 면을 의미하는 것으로 사용하였고, 상측, 상부, 상면 등의 표현은 편의상 도면을 기준으로 위 방향 또는 그 방향에서의 면을 의미하는 것으로 사용하였으며, 하측, 하부, 하면 등은 편의상 아래 방향 또는 그 방향에서의 면을 의미하는 것으로 사용하였다. 더불어, 측부, 상측, 상부, 하측, 또는 하부에 위치한다는 것은 대상 구성요소가 기준이 되는 구성요소와 해당 방향으로 직접 접촉하는 것뿐만 아니라, 해당 방향으로 위치하되 직접 접촉하지는 않는 경우도 포함하는 개념으로 사용하였다. 다만, 이는 설명의 편의상 방향을 정의한 것으로, 특허청구범위의 권리범위가 이러한 방향에 대한 기재에 의하여 특별히 한정되는 것이 아니며, 상/하의 개념 등은 언제든지 바뀔 수 있다.
본 개시에서 연결된다는 의미는 직접 연결된 것뿐만 아니라, 접착제 층 등을 통하여 간접적으로 연결된 것을 포함하는 개념이다. 또한, 전기적으로 연결된다는 의미는 물리적으로 연결된 경우와 연결되지 않은 경우를 모두 포함하는 개념이다. 또한, 제1, 제2 등의 표현은 한 구성요소와 다른 구성요소를 구분 짓기 위해 사용되는 것으로, 해당 구성요소들의 순서 및/또는 중요도 등을 한정하지 않는다. 경우에 따라서는 권리범위를 벗어나지 않으면서, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수도 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수도 있다.
본 개시에서 사용된 일례 라는 표현은 서로 동일한 실시 예를 의미하지 않으며, 각각 서로 다른 고유한 특징을 강조하여 설명하기 위해서 제공된 것이다. 그러나, 상기 제시된 일례들은 다른 일례의 특징과 결합되어 구현되는 것을 배제하지 않는다. 예를 들어, 특정한 일례에서 설명된 사항이 다른 일례에서 설명되어 있지 않더라도, 다른 일례에서 그 사항과 반대되거나 모순되는 설명이 없는 한, 다른 일례에 관련된 설명으로 이해될 수 있다.
본 개시에서 사용된 용어는 단지 일례를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 개시를 한정하려는 의도가 아니다. 이때, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

Claims (11)

  1. 유전체층, 및 내부전극을 포함하는 바디; 및
    상기 바디에 배치되며, 상기 내부전극과 연결되는 외부전극; 을 포함하며,
    상기 유전체층 중 적어도 일부의 영역은 주석(Sn), 그리고 디스프로슘(Dy)을 포함하는 란탄계 회토류 원소(RE)를 포함하며,
    상기 유전체층 중 적어도 일부의 영역에 있어서, 상기 주석(Sn) 및 상기 디스프로슘(Dy)의 몰비(Sn/Dy)가 0.15 내지 0.30인,
    세라믹 전자부품.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 유전체층 중 적어도 일부의 영역에 있어서, 상기 주석(Sn) 및 상기 란탄계 회토류 원소(RE)의 몰비(Sn/RE)가 0.15 내지 0.25인,
    세라믹 전자부품.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 유전체층은 티탄산바륨계 재료를 주성분으로 포함하는,
    세라믹 전자부품.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 유전체층 중 적어도 일부의 영역에 있어서, 상기 티탄산바륨계 재료 100몰에 대하여, 상기 주석(Sn)의 함량이 0.05몰 내지 0.16몰이며, 상기 디스프로슘(Dy)의 함량이 0.20몰 내지 0.80몰인,
    세라믹 전자부품.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 란탄계 회토류 원소(RE)는 상기 디스프로슘(Dy) 외에 추가로 터븀(Tb), 사마륨(Sm) 및 가돌리늄(Gd) 중 적어도 하나를 더 포함하는,
    세라믹 전자부품.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 유전체층 중 적어도 일부의 영역은 망간(Mn), 알루미늄(Al), 바나듐(V) 및 마그네슘(Mg) 중 적어도 하나를 포함하는 억셉터 원소(AT)를 더 포함하는,
    세라믹 전자부품.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 유전체층 중 적어도 일부의 영역은 상기 란탄계 희토류 원소(RE), 니오븀(Nb) 및 이트륨(Y) 중 적어도 하나를 포함하는 도너 원소(DN)를 더 포함하는,
    세라믹 전자부품.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 유전체층 중 적어도 일부의 영역에 있어서, 상기 도너 원소(DN) 및 상기 억셉터 원소(AT)의 몰비(DN/AT)가 0.01 내지 0.50인,
    세라믹 전자부품.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 바디는 상기 유전체층을 사이에 두고 서로 마주보도록 배치되는 복수의 상기 내부전극을 포함하여 용량이 형성되는　액티브부를 포함하며,
    상기 유전체층 중 적어도 일부의 영역은 상기 액티브부 내에 배치되는,
    세라믹 전자부품.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 외부전극은 상기 바디의 길이 방향의 양 단부에 각각 배치되는 제1 및 제2외부전극을 포함하며,
    상기 내부전극은 상기 바디의 두께 방향으로 교대로 적층되며 상기 제1 및 제2외부전극과 각각 연결되는 복수의 제1 및 제2내부전극을 포함하는,
    세라믹 전자부품.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 유전체층은 두께가 0.4㎛ 이하이며,
    상기 내부전극은 두께가 0.4㎛ 이하인,
    세라믹 전자부품.
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