KR20230057174A - 세라믹 전자부품 - Google Patents
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Abstract
본 개시는 제1유전체층 및 내부전극을 포함하는 액티브부, 및 폭 방향으로 상기 액티브부의 양 측부에 배치되며 제2유전체층을 포함하는 마진부를 포함하는 바디; 및 상기 바디 상에 배치되며, 상기 내부전극과 연결되는 외부전극; 을 포함하며, 상기 제1 및 제2유전체층은 서로 다른 유전체 조성을 가지며, 상기 제1유전체층은 주석(Sn) 및 디스프로슘(Dy)을 포함하고, 상기 제2유전체층은 마그네슘(Mg)을 포함하는, 세라믹 전자부품에 관한 것이다.
Description
본 개시는 세라믹 전자부품, 예를 들면, 적층 세라믹 캐패시터(MLCC: Multi-Layered Ceramic Capacitor)에 관한 것이다.
최근 세라믹 전자부품의 소형화를 위한 유전체 및 내부전극의 박층화로 인해 신뢰성 열화 문제가 중요 이슈로 떠오르고 있다. 예를 들면, 중환원 및 고온단축 소성 조건을 적용함에 따라 소결 구동 차이에 의하여 액티브부와 마진부 사이의 미스매칭이 발생할 수 있으며, 또한 마진부의 치밀도 저하가 발생할 수 있다. 이러한 미스매칭 및 마진부의 치밀도 저하 현생이 발생할 경우, 가속수명의 감소 및 내습신뢰성 열화를 유발할 수 있다. 따라서, 마진부의 소결 거동을 제어할 수 있는 기술 및 조성이 필요한 상황이다.
본 개시의 여러 목적 중 하나는 마진부의 소결 미스매칭 최소화 및 치밀도 향상을 통하여 신뢰성을 개선할 수 있는 세라믹 전자부품을 제공하는 것이다.
본 개시를 통하여 제안하는 여러 해결 수단 중 하나는 액티브부의 유전체층은 주석(Sn) 및 디스프로슘(Dy)을 포함하고, 마진부의 유전체층은 마그네슘(Mg)을 포함하도록 하는 등, 양자의 조성을 다르게 적용하는 것이다.
예를 들면, 일례에 따른 세라믹 전자부품은 제1유전체층 및 내부전극을 포함하는 액티브부, 및 폭 방향으로 상기 액티브부의 양 측부에 배치되며 제2유전체층을 포함하는 마진부를 포함하는 바디; 및 상기 바디 상에 배치되며, 상기 내부전극과 연결되는 외부전극; 을 포함하며, 상기 제1 및 제2유전체층은 서로 다른 유전체 조성을 가지며, 상기 제1유전체층은 주석(Sn) 및 디스프로슘(Dy)을 포함하고, 상기 제2유전체층은 마그네슘(Mg)을 포함하는 것일 수 있다.
예를 들면, 일례에 따른 세라믹 전자부품은 제1유전체층 및 내부전극을 포함하는 액티브부, 및 폭 방향으로 상기 액티브부의 양 측부에 배치되며 제2유전체층을 포함하는 마진부를 포함하는 바디; 및 상기 바디 상에 배치되며, 상기 내부전극과 연결되는 외부전극; 을 포함하며, 상기 제1 및 제2유전체층은 각각 티탄산바륨계 재료를 주성분으로 포함하며, 상기 제1유전체층은 상기 티탄산바륨계 재료 100몰에 대하여 주석(Sn) 0.5몰 내지 1.5몰 및 디스프로슘(Dy) 0.6몰 내지 1.0몰을 포함하며, 상기 제2유전체층은 상기 티탄산바륨계 재료 100몰에 대하여 마그네슘(Mg) 1.5몰 내지 2.5몰을 포함하는 것일 수도 있다.
본 개시의 여러 효과 중 일 효과로서 마진부의 소결 미스매칭 최소화 및 치밀도 향상을 통하여 신뢰성을 개선할 수 있는 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 액티브부와 마진부의 조성을 동일하게 한 경우의 마진부의 미세구조를 나타내는 단면 SEM(Scanning Electron Microscope) 사진이다.
도 5는 액티브부와 마진부의 조성을 본 개시에 따라서 상이하게 한 경우의 마진부의 미세구조를 나타내는 단면 SEM 사진이다.
도 6은 마진부의 마그네슘(Mg)의 함량이 본 개시에서 제안하는 범위보다 작은 경우의 마진부의 미세구조를 나타내는 단면 SEM 사진이다.
도 7은 마진부의 마그네슘(Mg)의 함량이 본 개시에서 제안하는 범위를 만족하는 경우의 마진부의 미세구조를 나타내는 단면 SEM 사진이다.
도 8은 마진부의 마그네슘(Mg)의 함량이 본 개시에서 제안하는 범위보다 많은 경우의 마진부의 미세구조를 나타내는 단면 SEM 사진이다.
도 2는 도 1의 Ⅰ-Ⅰ' 단면도를 개략적으로 도시한 단면도다.
도 3은 도 1의 Ⅱ-Ⅱ' 단면도를 개략적으로 도시한 단면도다.
도 4는 액티브부와 마진부의 조성을 동일하게 한 경우의 마진부의 미세구조를 나타내는 단면 SEM(Scanning Electron Microscope) 사진이다.
도 5는 액티브부와 마진부의 조성을 본 개시에 따라서 상이하게 한 경우의 마진부의 미세구조를 나타내는 단면 SEM 사진이다.
도 6은 마진부의 마그네슘(Mg)의 함량이 본 개시에서 제안하는 범위보다 작은 경우의 마진부의 미세구조를 나타내는 단면 SEM 사진이다.
도 7은 마진부의 마그네슘(Mg)의 함량이 본 개시에서 제안하는 범위를 만족하는 경우의 마진부의 미세구조를 나타내는 단면 SEM 사진이다.
도 8은 마진부의 마그네슘(Mg)의 함량이 본 개시에서 제안하는 범위보다 많은 경우의 마진부의 미세구조를 나타내는 단면 SEM 사진이다.
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.
도면을 참조하면, 일례에 따른 세라믹 전자부품(100)은 제1유전체층(111) 및 내부전극(121, 122)을 포함하는 액티브부(Ac), 및 폭 방향으로 액티브부(Ac)의 양 측부에 배치되며 제2유전체층(114, 115)을 포함하는 마진부(Ma)를 포함하는 바디(110), 및 바디(110) 상에 배치되며 내부전극(112, 113)과 연결되는 외부전극(131, 132)을 포함한다. 제1유전체층(111)과 제2유전체층(114, 115)은 각각 티탄산바륨계 재료를 주성분으로 포함할 수 있다. 다만, 제1유전체층(111)과 제2유전체층(114, 115)은 서로 다른 유전체 조성을 가질 수 있다. 예를 들면, 제1유전체층(111)은 주석(Sn) 및 디스프로슘(Dy)을 포함할 수 있으며, 제2유전체층(114, 115)은 마그네슘(Mg)을 포함할 수 있다.
한편, 최근에는 전자제품이 소형화 및 다기능화됨에 따라 칩 부품 또한 소형화 및 고기능화되는 추세이므로, 적층 세라믹 캐패시터도 크기가 작고, 용량이 큰 고용량 제품이 요구되고 있다. 적층 세라믹 캐패시터의 소형 및 고용량화를 위해서는 높은 유전특성과 우수한 내전압 특성을 갖는 유전체 재료의 확보가 필요하다. 이와 함께, 유전체의 박층화와 전극 유효면적의 극대화가 요구된다. 다만, 유전체의 박층화 및 마진부 단차에 의하여 국부적인 유전체 두께 감소 현상이 발생할 수 있으며, 이러한 현상으로 동반되는 내전압 저하 현상을 최소화할 수 있는 구조적 설계 변경이 필수적이다.
이에, 소형 및 고용량 적층 세라믹 캐패시터를 구현하되, 내전압 저하 현상을 막기 위하여, 마진부를 별도로 부착하는 것을 고려해볼 수 있다. 예를 들면, 적층 세라믹 캐패시터를 제조함에 있어서, 내부전극이 바디의 폭 방향으로 노출되도록 함으로써, 마진 없는 설계를 통해 내부전극 폭 방향 면적을 극대화하되, 이러한 칩 제작 후 소성 전 단계에서 칩의 폭 방향 전극 노출면에 마진부를 별도로 부착하여 완성하는 방법을 고려해볼 수 있다.
다만, 사이드 마진부 형성용 유전체 조성을 세라믹 바디의 유전체 조성과 차별화하지 않고 세라믹 바디의 유전체 조성물을 그대로 사용하는 경우, 사이드 마진부 내에 유전체의 물리적 충진 밀도가 낮아 사이드 마진부의 치밀화 저하 현상의 발생할 수 있다. 또한, 소결 과정 중 사이드 마진부의 유전체와 내부 전극의 소결 구동 미스매칭 현상이 발생할 수 있다. 이러한 미스매칭 및 마진부의 치밀도 저하 현생이 발생할 경우, 가속수명의 감소 및 내습신뢰성 열화를 유발할 수 있다.
이에, 사이드 마진부 형성용 유전체 조성을 세라믹 바디의 유전체 조성과 상이하게 하여 신뢰성을 개선하는 것을 고려해볼 수 있다. 예를 들면, 마진부의 모재의 변경, 또는 바륨(Ba) 및 티타늄(Ti)의 몰비 조절의 방법을 고려해볼 수 있다. 다만, 마진부 모재 변경의 경우 비입성장계 모재를 사용하여 내전압 특성 및 신뢰성 특성을 향상시킬 수 있으나, 입성장은 억제하지만 치밀도가 떨어져 내습신뢰성이 열화될 수 있다. 또한, 몰비를 조절하는 방법의 경우 마진부의 치밀도를 확보할 수 있으나, 동일 소성조건에서 치밀도만 확보하고자 몰비를 조절하는 경우 그레인이 과입성장 하게 되어 마진 근접 액티브 유전체의 입성장을 유발할 수 있다. 또한, 소결거동의 미스매칭에 의한 칩 변형으로 특성이 열화될 수 있다.
반면, 본 개시의 일례에 따른 전자부품은 액티브부(Ac) 및 마진부(Ma)의 유전체 조성에 포함되는 원소의 조성을 상이하게 한다. 예를 들면, 제1유전체층(111)과 제2유전체층(114, 115)은 각각 티탄산바륨계 재료를 주성분으로 포함하되, 제1유전체층(111)은 주석(Sn) 및 디스프로슘(Dy)을 포함할 수 있으며, 제2유전체층(114, 115)은 마그네슘(Mg)을 포함할 수 있다.
보다 구체적으로, 그레인의 입성장을 억제하면서 액상 형성을 통한 치밀도 확보가 가능한 마그네슘(Mg)을 마진부(Ma)의 유전체 조성에 일정량으로 포함시킬 수 있다. 이때, 마그네슘(Mg)에 의해 입성장이 억제되면서 액티브부(Ac)의 유전체와의 소결구동력 차이가 발생해 미스매칭이 발생할 수 있기 때문에, 액티브부(Ac)의 경우 유전체에 치밀도를 확보하면서 그레인의 입성장을 억제하는 주석(Sn)을 액티브부(Ac)에 일정량 포함시킬 수 있다. 또한, 액티브부(Ac)의 모재의 A-사이트에 치환되어 산소 빔자리 결함을 감소시켜 신뢰성을 향상시킬 수 있는 디스프로슘(Dy)을 액티브부(Ac)에 일정량 포함시킬 수 있다.
한편, 마진부(Ma)에 마그네슘(Mg)이 소량 첨가될 경우 마진부(Ma)의 치밀도가 충분하지 않아 내습신뢰성 열화가 문제될 수 있다. 반대로, 마그네슘(Mg)이 과량 첨가될 경우에는 2차상 생성 및 액티브부(Ac)로의 확산 등에 의한 특성 열화를 초래할 수 있다. 따라서, 첨가되는 마그네슘(Mg)의 함량을 적절하게 조절하는 것이 필요할 수 있으며, 예를 들면, 마진부(Ma)의 제2유전체층(114, 115)은 티탄산바륨계 재료 100몰에 대하여 마그네슘(Mg) 1.5몰 내지 2.5몰을 포함할 수 있다.
또한, 액티브부(Ac)의 유전체 조성에 있어서, 주석(Sn)이 너무 적게 포함되는 경우에는 디스프로슘(Dy)이 상대적으로 B-사이트로도 치환되는 비율이 커지는바 신뢰성 향상 효과가 저하될 수 있다. 반대로, 주석(Sn)이 너무 많이 포함되는 경우에는 다른 원소들이 도핑될 수 있는 사이트 자체가 줄어들 수 있으며, 과량의 주석(Sn)으로 인하여 디스프로슘(Dy)의 치환 및 모재 내부로의 확산이 어려워져 신뢰성 개선 효과가 저하될 수 있다. 따라서, 적정 수준의 주석(Sn)과 디스프로슘(Dy)의 비율이 필요할 수 있으며, 예컨대, 액티브부(Ac)의 제1유전체층(111)은 티탄산바륨계 재료 100몰에 대하여 주석(Sn) 0.5몰 내지 1.5몰 및 디스프로슘(Dy) 0.6몰 내지 1.0몰을 포함할 수 있으며, 이때 몰비(Dy/Sn)는 0.6 내지 1.0 정도일 수 있다.
한편, 액티브부(Ac)의 제1유전체층(111)은 이트륨(Y), 터븀(Tb), 홀뮴(Ho), 에르븀(Er), 가돌리늄(Gd), 세륨(Ce), 사마륨(Sm), 란타넘(La), 네오디뮴(Nd) 및 프라세오디뮴(Pr) 중 적어도 하나의 부성분을 더 포함할 수 있다. 또한, 망간(Mn) 및 바나듐(V) 중 적어도 하나의 부성분을 더 포함할 수 있다. 또한, 실리콘(Si) 및 알루미늄(Al) 중 적어도 하나의 부성분을 더 포함할 수 있다. 이러한 부성분들을 통하여 신뢰성을 보다 효과적으로 개선할 수 있다. 이와 유사하게, 마진부(Ma)의 제2유전체층(114, 115)도 실리콘(Si) 및 알루미늄(Al) 중 적어도 하나의 부성분을 더 포함할 수 있다.
한편, 유전체층(111, 112, 113, 114, 115)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.
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 폭 방향을 기준으로 액티브부(Ac)의 양 측부에 배치되는 마진부(Ma)를 더 포함할 수 있다. 마진부(Ma)는 바디(110)의 제5면(5)을 제공하는 제2-1유전체층(114)과 제6면(6)을 제공하는 제2-2유전체층(115)을 포함할 수 있다. 마진부(Ma)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(Ma)는 기본적으로 물리적 또는 화학적 스트레스에 의한 내부전극(121, 122)의 손상을 방지하는 역할을 수행할 수 있다. 마진부(Ma)는 액티브부(Ac)와 별도로 제조되어 이에 부착될 수 있다. 예를 들면, 액티브부(Ac)의 폭 방향의 양 측면으로 내부전극(121, 122)이 노출되도록 적층체를 절단한 후 별도로 제조된 단일 유전체층 또는 2개 이상의 유전체층을 액티브부(Ac)의 폭 방향 양측면에 적층하여 형성할 수 있다.
바디(110)는 두께 방향을 기준으로 액티브부(Ac)의 상부 및 하부에 배치되는 커버부(Co)를 더 포함할 수 있다. 마진부(Ma)는 폭 방향을 기준으로 커버부(Co)의 양 측부에 연장 배치될 수 있다. 커버부(Co)는 상술한 제1유전체층(111)과 동일한 유전체 조성을 가지는 제3유전체층(112, 113)을 포함할 수 있다. 예를 들면, 커버부(Co)는 바디(110)의 제1면(1)을 제공하는 제3-1유전체층(112)과 바디(110)의 제2면(2)을 제공하는 제3-2유전체층(113)을 포함할 수 있다. 커버부(Co)는 기본적으로 물리적 또는 화학적 스트레스에 의한 내부전극(121, 122)의 손상을 방지하는 역할을 수행할 수 있다. 커버부(Co)는 단일 유전체층 또는 2개 이상의 유전체층을 액티브부(Ac)의 상하면에 각각 두께 방향으로 적층하여 형성할 수 있다. 커버부(Co)는 내부전극(121, 122)을 포함하지 않을 수 있다. 커버부(Co)의 두께는 특별히 한정할 필요는 없다. 다만, 세라믹 전자부품의 소형화 및 고용량화를 보다 용이하게 달성하기 위하여 커버부(Co)의 두께(tp)는 20㎛ 이하일 수 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.
도 4는 액티브부와 마진부의 조성을 동일하게 한 경우의 마진부의 미세구조를 나타내는 단면 SEM(Scanning Electron Microscope) 사진이다.
도 5는 액티브부와 마진부의 조성을 본 개시에 따라서 상이하게 한 경우의 마진부의 미세구조를 나타내는 단면 SEM 사진이다.
도면을 참조하면, 액티브부와 마진부의 조성을 동일하게 한 경우, 그리고 본 개시에 따라 조성을 다르게 한 경우의 마진부의 치밀도를 확인하기 위해 SEM 분석을 진행하였으며, 이를 이용하여 치밀화 수치를 측정하였다.
구체적으로, 각각의 샘플 칩을 폭-두께 방향으로 단면 1/2지점까지 연마하여 분석 위치를 노출했고, 이온밀링을 통해 연마과정에서의 불순물을 제거한 후 측정을 진행했다. 이렇게 준비된 시편을 SEM 분석을 진행했으며, 가속전압 3kV, WD 3.6㎜의 조건으로 진행했다. 칩의 중간부분에 위치한 마진부 영역을 측정했으며, 액티브 영역의 유전체층/내부전극이 약 20층이 보이며 마진부 끝부분까지 포함할 수 있게 이미지를 측정했다. 이와 함께 치밀화 수치를 측정하였으며, 치밀화 수치는 시그마스캔 프로그램을 이용하여 측정을 진행하였다.
측정 결과, 도 4에서와 같이 액티브부의 유전체층(111')과 마진부의 유전체층(115')의 조성을 동일하게 한 경우, 치밀도가 대략 97.4% 정도였으나, 도 5에서와 같이 본 개시에 따라서 액티브부의 유전체층(111)과 마진부의 유전체층(115)의 조성을 상이하게 한 경우, 치밀도가 대략 99.8% 정도로 우수하였다.
도 6은 마진부의 마그네슘(Mg)의 함량이 본 개시에서 제안하는 범위보다 작은 경우의 마진부의 미세구조를 나타내는 단면 SEM 사진이다.
도 7은 마진부의 마그네슘(Mg)의 함량이 본 개시에서 제안하는 범위를 만족하는 경우의 마진부의 미세구조를 나타내는 단면 SEM 사진이다.
도 8은 마진부의 마그네슘(Mg)의 함량이 본 개시에서 제안하는 범위보다 많은 경우의 마진부의 미세구조를 나타내는 단면 SEM 사진이다.
도면을 참조하면, 액티브부와 마진부의 조성을 본 개시에서 제안하는 바와 같이 상이하게 하되, 마진부의 유전체층에 포함되는 마그네슘(Mg)의 함량을 다르게하여 마진부의 미세조직을 확인하기 위해 SEM 분석을 진행하였다. SEM 분석을 위한 시편 준비 등은 상술한 바와 같다.
도 6에서와 같이, 마그네슘(Mg)의 함량이 1.5몰% 미만으로 소량 첨가되는 경우에는 마진부의 치밀도가 충분하지 않을 수 있으며, 이 경우 내습 신뢰성의 열화가 문제될 수 있다. 또한, 도 8에서와 같이, 마그네슘(Mg)의 함량이 2.5몰% 초과로 과량 첨가되는 경우에는 2차상 생성 및 액티브부의 유전체층으로의 확산 등이 발생할 수 있으며, 이에 의하여 특성 열화가 초래될 수 있다. 반면, 도 7에서와 같이, 마그네슘(Mg)의 함량이 1.5몰% 내지 2.5몰% 정도인 경우에는 그레인의 입성장을 억제하면서 충분한 치밀도 확보가 가능함을 알 수 있다.
실험예
티탄산바륨계 모재를 주성분으로 포함하며, 주석(Sn), 디스프로슘(Dy) 등을 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 적층체를 얻었다. 그 후, 폭 방향으로 내부전극이 노출되도록 적층체를 칩 단위로 절단하여, 마진이 없는 그린 칩을 제작하였다.
또한, 티탄산바륨계 모재를 주성분으로 포함하며, 마그네슘(Mg) 등을 포함하는 유전체 조성물을 준비한 후, 성형 시트를 제조하였다. 그 후, 성형 시트를 마진부의 크기에 맞게 5㎝ x 5㎝ 정도로 절단하였다.
이후, 칩의 변형을 최소화한 조건으로 일정 온도와 압력을 가하여 칩의 양면에 상기 성형 시트를 부착하여 0603 사이즈 (가로x세로x높이 : 0.6mm x 0.3mm x 0.3mm)의 세라믹 캐패시터 시편을 다양하게 제작하였다. 제조된 시편들 각각의 액티브부 및 마진부의 유전체 조성에 있어서, 본 개시와 관련된 주요 조성의 함량 및 몰비는 아래 [표 1]에 나타내었다. 주요 조성의 함량은 티탄산바륨계 모재 100몰에 대한 몰 함량일 수 있다.
이후, 제작이 완료된 시편들을 400℃ 이하, 질소 분위기에서 가소 공정을 거쳐 소성온도 1200℃ 이하, 수소농도 0.5% H2 이하 조건에서 소성 후, 가속수명평가 내습신뢰성을 평가하였다.
한편, 시편들의 유전체 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.
한편, 가속수명평가 및 내습신뢰성은 제품에 요구되는 신뢰성을 확인하기 위한 평가항목으로, 각 제품에 요구되는 온도, 전압, 습도 하에서 제품의 고장률을 평가하였다. 가속수명평가의 경우 기종에 요구되는 온도 및 전압에서의 수명을 단기간 내에 평가하기 위해 가속수명식을 통해 산출한 가혹한 평가 조건을 적용하여 고장률을 평가하였으며, 내습신뢰성의 경우 요구되는 온도, 전압, 습도에서의 고장률을 평가하였다. 가속수명평가의 측정 조건은 세 단계로 각각 85℃/6.3V/1h, 85℃/7.56V/2.5h, 105℃/7.56V/2.5h의 조건으로 진행하였으며, 내습신뢰성의 측정 조건은 85℃/RH85%/6.3V/1h 의 조건으로 진행하였다. 이때, 시편 샘플 400개 중 하나라도 불량이 발생하는 경우를 X, 그렇지 않은 경우를 O로 표시하였다.
| 구분 | 액티브부 | 마진부 | 가속수명평가 | 내습신뢰성 | ||
| Sn 함량 | Dy 함량 | Dy/Sn | Mg 함량 | |||
| 1 | 0.5 | 0.6 | 1.2 | 2 | X | X |
| 2 | 0.5 | 0.8 | 1.6 | 2 | X | X |
| 3 | 1 | 0.6 | 0.6 | 1 | O | X |
| 4 | 1 | 0.8 | 0.8 | 1 | X | X |
| 5 | 1 | 1 | 1 | 1 | O | X |
| 6 | 1 | 0.6 | 0.6 | 2 | O | O |
| 7 | 1 | 0.8 | 0.8 | 2 | O | O |
| 8 | 1 | 1 | 1 | 2 | O | O |
| 9 | 1.5 | 0.6 | 0.4 | 2 | X | O |
| 10 | 1.5 | 0.8 | 0.53 | 2 | X | X |
| 11 | 0.25 | 0.8 | 3.2 | 2 | X | X |
| 12 | 2 | 0.8 | 0.4 | 2 | X | X |
| 13 | 1 | 0.5 | 0.5 | 2 | X | X |
| 14 | 1 | 1.2 | 1.2 | 2 | X | O |
[표 1]을 참조하면, 실험예 6-8에서와 같이, 액티브부의 유전체층이 주석(Sn)을 0.5몰% 내지 1.5몰% 포함하고, 디스프로슘(Dy)을 0.6몰% 내지 1.0몰% 포함하며, 이들의 몰비가 0.6 내지 1.0을 만족하는 경우, 그리고 마진부의 유전체층이 마그네슘(Mg)을 1.5몰% 내지 2.5몰% 포함하는 경우, 가속수명평가 및 내습신뢰성 평가 결과가 특히 우수하다는 것을 알 수 있다. 반면, 이러한 조건 중 적어도 일부를 만족하지 못하는 나머지 실험예들의 경우는, 가속수명평가 및/또는 내습신뢰성 평가에서 적어도 하나의 불량이 발생할 수 있음을 알 수 있다.
본 개시에서 세라믹 전자부품으로 적층 세라믹 캐패시터를 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 (13)
- 제1유전체층 및 내부전극을 포함하는 액티브부, 및 폭 방향으로 상기 액티브부의 양 측부에 배치되며 제2유전체층을 포함하는 마진부를 포함하는 바디; 및
상기 바디 상에 배치되며, 상기 내부전극과 연결되는 외부전극; 을 포함하며,
상기 제1 및 제2유전체층은 서로 다른 유전체 조성을 가지며,
상기 제1유전체층은 주석(Sn) 및 디스프로슘(Dy)을 포함하고,
상기 제2유전체층은 마그네슘(Mg)을 포함하는,
세라믹 전자부품.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제1유전체층은 티탄산바륨계 재료를 주성분으로 포함하는,
세라믹 전자부품.
- 제 2 항에 있어서,
상기 제1유전체층은 상기 티탄산바륨계 재료 100몰에 대하여 상기 주석(Sn) 0.5몰 내지 1.5몰 및 상기 디스프로슘(Dy) 0.6몰 내지 1.0몰을 포함하는,
세라믹 전자부품.
- 제 3 항에 있어서,
상기 디스프로슘(Dy) 및 상기 주석(Sn)의 몰비(Dy/Sn)가 0.6 내지 1.0인,
세라믹 전자부품.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제2유전체층은 티탄산바륨계 재료를 주성분으로 포함하는,
세라믹 전자부품.
- 제 5 항에 있어서,
상기 제2유전체층은 상기 티탄산바륨계 재료 100몰에 대하여 상기 마그네슘(Mg) 1.5몰 내지 2.5몰을 포함하는,
세라믹 전자부품.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제1유전체층은 이트륨(Y), 터븀(Tb), 홀뮴(Ho), 에르븀(Er), 가돌리늄(Gd), 세륨(Ce), 사마륨(Sm), 란타넘(La), 네오디뮴(Nd) 및 프라세오디뮴(Pr) 중 적어도 하나를 더 포함하는,
세라믹 전자부품.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제1유전체층은 망간(Mn) 및 바나듐(V) 중 적어도 하나를 더 포함하는,
세라믹 전자부품.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제1 및 제2유전체층은 각각 실리콘(Si) 및 알루미늄(Al) 중 적어도 하나를 더 포함하는,
세라믹 전자부품.
- 제 1 항에 있어서,
상기 바디는 두께 방향으로 상기 액티브부의 상부 및 하부에 배치되며 제3유전체층을 포함하는 커버부를 더 포함하며,
상기 마진부는 폭 방향으로 상기 커버부의 양 측부에 연장 배치되며,
상기 제1 및 제3유전체층은 서로 동일한 유전체 조성을 가지는,
세라믹 전자부품.
- 제 1 항에 있어서,
상기 외부전극은 길이 방향으로 상기 바디의 양 단부에 각각 배치되는 제1 및 제2외부전극을 포함하며,
상기 내부전극은 두께 방향으로 교대로 적층되며 상기 제1 및 제2외부전극과 각각 연결되는 복수의 제1 및 제2내부전극을 포함하는,
세라믹 전자부품.
- 제1유전체층 및 내부전극을 포함하는 액티브부, 및 폭 방향으로 상기 액티브부의 양 측부에 배치되며 제2유전체층을 포함하는 마진부를 포함하는 바디; 및
상기 바디 상에 배치되며, 상기 내부전극과 연결되는 외부전극; 을 포함하며,
상기 제1 및 제2유전체층은 각각 티탄산바륨계 재료를 주성분으로 포함하며,
상기 제1유전체층은 상기 티탄산바륨계 재료 100몰에 대하여 주석(Sn) 0.5몰 내지 1.5몰 및 디스프로슘(Dy) 0.6몰 내지 1.0몰을 포함하며,
상기 제2유전체층은 상기 티탄산바륨계 재료 100몰에 대하여 마그네슘(Mg) 1.5몰 내지 2.5몰을 포함하는,
세라믹 전자부품.
- 제 12 항에 있어서,
상기 디스프로슘(Dy) 및 상기 주석(Sn)의 몰비(Dy/Sn)가 0.6 내지 1.0인,
세라믹 전자부품.
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