KR920009176B1

KR920009176B1 - 다층 캐패시터 제조방법

Info

Publication number: KR920009176B1
Application number: KR1019840006154A
Authority: KR
Inventors: 레인데르트 데 비르드 빌렘; 데 비트 기즈스베르투스; 코르넬루스 스물데르스 헨리쿠스
Original assignee: 엔.브이.필립스 글로아이람펜파브 리켄; 아이. 엠. 레르너
Priority date: 1983-10-07
Filing date: 1984-10-05
Publication date: 1992-10-14
Also published as: JPH0658860B2; JPS6097612A; KR850003049A; EP0137566A2; EP0137566A3; NL8303447A; EP0137566B1; DE3469097D1; US4612689A

Abstract

내용 없음.

Description

다층 캐패시터 제조방법

제1도는 압축소결시스템의 개략도.

제2도는 압력 소결공정이 거쳐질 패킷 도시도.

제3도는 다층 세라믹 캐패시터의 부분 절단된 정면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 수압기 2 : 실린더

3 : 압력계 4, 6 : 다이

5 : 패킷 7 : 관로

8 : 가열코일 9, 10 : 전극

본 발명은 산화 세라믹 유전체 물질과 전극물질로 된 교번층으로 구성되어, 높아진 온도에서 압력인가의 결과로서 통합체로 형성되는 다층 캐패시터를 제조하는 방법에 관한 것이다.

전극물질과 세라믹 유전체 물질로 된 교번층의 구조를 갖는 상술한 형의 다층 캐패시터(소위, 모놀리식 세라믹 캐패시터)는 지금까지 다음과 같은 산업적 규모로 일반적으로 제조되어져 왔다.

접착제와 혼합된 잘게 연마한 산화 세라믹 유전체 분말의 주형 덩어리는 박편을 형성하도록 건조되어 실크 스크리닝으로 박편상에 제공된 금속 페이스트에 의해 전극을 갖추고 있는 박층내에 용착된다. 상기 박편은 적층 압착되어, 개별 캐패시터 본체로 절단된다. 세라믹 유전체 물질의 구성 성분 여하에 따라 상기 캐패시터 본체는 1200 내지 1400℃사이의 온도에서 소결된다. 소결하는 동안 세라믹 유전체 분말은 세라믹층의 초기밀도보다도 높은 밀도를 갖는 조밀한 다결정질 구조를 형성하도록 수축한다. 동시에 금속분말 입자는 유전체 층과 밀착되어 있는 어셈블리를 형성하는 금속 전극층을 형성하도록 소결된다. 그러나, 최대 치수는 상기 방식으로 제조된 모놀리식 세라믹 캐패시터의 캐패시턴스에 따라 부과된다. 캐패시터가 단위 체적당 고 캐패시턴스 값을 갖게 제조되어질때, 유전체층은 충분히 얇게 만들어 질 수 없고(특히, 약 25㎛보다 얇게 만들어지지 않음) 종래의 소결기법으로는 충분히 조밀하게 할 수 없다는 것을 알 수 있다.

전극물질과 유전체 물질간의 소결반응에서의 차이점 때문에 문제점을 일으킨다. 이는 서로 국부적으로 떨어지고(박리), 다공성이고 균열형태의 층으로 된다.

대안 방법으로서, 고른 고온 압축공정에 의해서 캐패시터 본체(소위, 미가공 제품)의 밀도를 증가시키는 것이 제안되어져 왔다. 고른 고온 압축 공정에서, 압력을 전달하는 매체는 가스나, 또는 고온압축될 제품이 꽂아 넣게 되는 세라믹 분말중 어느 하나로 할 수 있다. 전자의 방법(카.하, 헤드르틀씨에 의한 1975년 2월불. 아메르. 세르암. 소크(Bull. Amer. Ceram. Soc) 54의 201내지 207쪽에서 ＂주형함이 없이 고른 고온 압축하는 가스＂을 참조바람)은 고온 압축될 제품이 기밀 엔벨로프(gas tight envelope)(캐닝(canning))내에서 넣어져야만 되거나, 또는 압축없이 먼저 소결 처리가 가해질 필요성이 있는 결과로서, 이미 밀폐된 기공을 가지고 있어야만 되는 단점을 지니고 있다. 이는 비경제적이라는 사실말고도, 통상의 소결처리에 연관된 몇가지 단점을 초래케한다. 제2방법(게. 하, 로드리퀘즈씨에 의한 1971년 워싱턴시에서 개최된 제21차 전기 성분 회의 회보의 324-327쪽의 ＂고온 압축된 모놀리식 캐패시터＂를 참조)은 캐패시터 본체가 끼워지고 압력을 전달하는 세라믹 분말이 그 자체의 밀도가 증가하는 점에서 충분히 균일하게 되지 않는다는 단점을 가지고 있다. 그 결과 캐패시터의 불량품율을 높은(약 50%)것이다. 더욱이, 소결처리 종료후에 분리 캐패시터 본체는 분말의 분리되어지는 비경제적인 면이 있다.

본 발명의 목적은 상기에서 언급한 단점을 극복하여 증가된 캐패시턴스 값과 고품질을 갖는 다층 캐패시터로 된 다층 캐패시터를 제조하는 경제적인 방법을 제공하는데 있다. 본 발명에 따라서, 다음의 단계, 즉, -유기접착제와 산화 세라믹 분말의 혼합물로 이루어진 유전체 박편을 형성하는 단계와, - 전극을 형성하도록 전기적 전도성 물질의 패턴을 포함하는 층과 교번적으로 상기 박편을 적층하는 단계와, - 산화 세라믹분말의 기압소결온도 이하(대기한 중에서 측정된 바와같은 소결온도 이하 즉, 1기압에서의 소결온도이하)의 이미 결정된 온도로 스택(stack)을 가열하고, 동시에 유니트를 형성하기 위하여 적층하는 방향으로 단축 압력을 인가함으로써 스택을 압축 소결하는 단계와, -압력을 풀어주고 냉가하는 단계와, 상기 유니트를 분리 캐패시터 본체로 절단하는 단계로 특징된 다층 캐패시터를 제조하는 방법이 제공된다.

본 발명에 따른 방법의 주요 양태는 특히 0.2 내지 5Kbar의 고압력 스택에 인가될 수 있다는 것이다. 이에 의해, 한편으로는 가스 압축 방법의 단점(기밀 엔빌로프 필요성)이 회피하는 반면, 다른 한편으로는 개별 캐패시터 본체가 완전히 분말내에 꽃아넣어지는 경우에서 보다도 상술한 방법으로 보다 고르게 압축된 캐패시터 본체가 적충된 박편으로부터 얻어질 수 있다는 것이 의외를 발견되었다.

본 발명에 따른 방법에서, 스택은 되도록 0.5 내지 5Kbar의 압력하 50내지 100℃사이의 온도로 소결하기전에 압축(박층으로)된다. 상기 장점은 박편스택이 결함 패커(상호 결합 패커) 또는 웨이퍼로서 압축장치의 다이(die) 사이에 놓여질 수 있다는 것이다.

상기 박층 공정후, 유기 접착제는 분리 단계동안 불에 쬐어질 수 있다. 그러나, 본 발명에 따른 방법의 양호한 실시예에서는 유기접착제가 이미 결정된(압축소결) 온도로 가열하는 동안, 박편으로부터 불에 쬐어지는 것을 특징으로 하고 있다.

단축 압축 소결 공정후에, 그 결과로된 콤팩트(compact) 유니트는 개개의 캐패시터 칩으로 절단된다. 상술한(가상) 고른 고온 압축 공정에서, 웨이퍼의 이용은 불가능한데 이것은 분말내에 웨이퍼를 꽂아넣은 것이 고른 압축 분배를 보장할 수 없기 때문이다. 고르지 않은 압축분배의 결과로서, 분말속에 꽂아넣어진 웨이퍼의 고른 고온 압축동안 웨이퍼에는 균열 구조가 생겨난다.

상술되지 않는 본 발명에 따른 방법의 주요 양태는 비교적 큰 힘이 가해진 단축 압축 때문에 소결 공정동안 층 사이에서 공동이 형성될 수가 없다는 것이다. 이 결과로서, 박리(어떤 지역에서 세라믹 층이 전극층을 통하여 그 다음 세라믹층과 접착되지 않는 현상)가 방지된다. 박리는 품질의 손상을 가져오며, 신뢰할 수 없다는 다층 캐패시터를 만들게 된다.

이와 연관되어 압력과 온도를 동시에 인가하여 만든 다층 캐패시터의 제조는 본질적으로 영국 특허 제1,272,490호에서 공지되어 있다. 그러나, 이 특허에서의 방법은 유리 프리트(glass frit)로 만들어지고 유기체 접착제의 20%를 함유하고 있는 유전체 박편이 스택부터 시작한다. 금속막은 상기 박편상에 제공된다. 가열처리(약 725℃까지) 동안, 접착제는 열이 가해지고 유리 프리트는 연하게 된다. 서로에 관하여 위치된 박편을 유지시키기 위하여 다이에 의해 스택상에 저압(수십 bar)이 가해진다. 연해진 점성의 유연 유리 프리트는 상기 저압력으로 금속막과 융합되어, 온도를 상승시킨 후 유리덩어리는 결정화된다. 유리 세라믹 유전체층은 약 1250의 (비교적 낮은)비유전율을 가져 형성된다. 이 경우에, 하나의 (모놀리식)유니트를 형성하기 위해 세라믹층과 금속층의 스택에 대하여 비교적 고압으로 압축-소결하는 것에는 관련시키지 않는다.

이하 본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 더욱 상세히 설명될 것이다.

제1도에서 도시된 바와같은 압축 소결 시스템은 본 발명에 따른 방법을 실행하는데 사용될 수 있다. 원칙적으로 이것으로 수냉식 헤드를 갖춘 실린더(2)를 갖는 수압기(1)로 구성한 압력 시스템이다.

본 발명에 적용되는 압력의 범위는 200bar 내지 5Kbar이다. 압력은 압력계(3)로 판독될 수 있다. 압력은 내화성(즉, 고온에서 견딜 수 있는 능력) 물질 예를들어, Al₂O₃또는 SiC로 이루어진(n)(상부) 다이(4)를 통하여 전달된다.

압축된 패킷(5)(제2도를 참조)은 내화성 물질로 이루어진 하부 다이(6)상에 놓여진다. 패킷에 압력을 가하는 다이 표면은 가능한 한 정확하게 평행으로 위치되는 것이 안전하게 된다. 다이(4, 6)는 가열코일(8)을 갖는 관로(Kube furnace)(7)내에 수용된다. 관로의 내부관은 세라믹 물질로 만들어진다. 수압 시스템(1,2)은 압력 조성 제어력을 제공하고, 반면에 밀폐된 엔빌로프는 서로 다른 가스 상태하에서 가동력을 제공한다. 유전체 세라믹 박편의 제조시에, 압축 소결후에 입자의 크기가 1㎛보다 작은 덩어리 크기를 갖도록 약간 도핑된 바륨 티탄산염이 사용된다.

Nb₂O₅의 중량 1.2%와 C0₃O₄의 중량 0.3%로 이루어진(약간 도핑된) 바륨 티탄산염 분말에 의해서, 3000의 비유전율 Er은 성취될 수 있고 캐패시터는 -55℃ 내지 125℃의 온도 범위에서 15%보다 작으너 캐패시턴스

의 온도계수를 갖는 캐패시터가 얻어질 수 있다. 여기서, C_r는 특정온도 T에서의 캐패시턴스의 온도계수를 뜻하고, C₂₅는 25℃에서의 캐패시턴스의 온도계수를 뜻한다. 이것에 의해 소위 X7R규정(필립스 데이타 핸드북 제68 및 69페이지 참조)을 만족시킨다. 분말은 유기접착제 (예를들어, 폴리비닐알콜)와 혼합한다. 수십 미크론 두께 특히, 20 내지 50㎛인 시트는 그와같이 얻게된 주형 덩어리에서 뽑아낸다. 건조후에, 박현은 적당한 크기로 절단된다. 접착제에 금속분말을 포함하는 전극물질이 패턴은 실크스크리닝법에 의해 박편상에 제공된다. 제2도에 도시된 바와같이, 각각의 시트는 적층되어 패커(5)를 형성하는데 각각의 최종 패캐시터 본체에서 전극패턴(9,10)은 2개의 인접한 전극패턴이 서로 부분적으로 겹쳐질때마다 한 측면과 대향 측면에 대해 교번적으로 계속한다. 층의 양호한 접착을 얻기 위해서, 패커(5)는 비교적 저온(예를들어, 70 내지 80℃)에서 비교적 고압력(예를들어 3Kbar)을 패커에 가함으로써 먼저 박충된다. 접착제는 열에 쬠으로서 박편에서 제거된다. 세라믹 다층 캐패시터를 제조하는 종래의 소결 과정에서 접착제를 열에 쬐는 것은 패킷이 개개의 캐패시터 본체로 절단되어진 후 따로 실행된다.

본 발명에 따른 방법으로, 접착제를 열에 쬐는 것은 피크(peak) 온도로까지 완성 패킷의 가열동안, 압축 소결장치내에 유리하게 일어날 수 있다. 압축 소결 공정을 받게 되는 패킷(5)은 다이와 패킷의 상부 및 하부 측면 사이에 제각기 반(anti) 부착층을 갖는 압축 시스템의 다이(4, 6) 사이에서 놓여지고, 반 부착층으로 인하여 패킷이 소결 공정동안 다이표면에 부착되는 것이 방지된다. 예를들어, ZrO₂분말과 보보니트라이드(bovonitride)는 이러한 목적에 특히 유용하다.

압축 소결 온도내에 놓여진 패킷(5)을 가진 로(7)의 가열은 예를들어 90분 동안 일어난다. 산화 세라믹 유전체물질의 성분여하에 따라서, 압축 소결 온도는 약 900 내지 1200℃ 사이이다. 이것은 압축 소결온도가 통상의 소결 온도보다도 약 200℃ 정도 낮은 것을 의미한다. 압축 소결온도가 도달되었을 때, 단축 압축이 가해진다. 본 실험에서, 압축 소결온도는 압축이 약 500bar 이었을 때, 약 1080℃였다. 조절 온도와 압축여하에 따라, 약 120분간의 소결시간이 필요하다. 어셈블리는 이때 실온으로 냉각된다.

압력소결 및 실온으로서의 냉각후에 얻어진 통합체는 개개의 세라믹 캐패시터 칩을 얻기 위하여 조각조각 잘라낸다. 각각 칩 5A(제3도를 참조)중에서, 각각의 전극(10.9)이 종단되는 측면(11,12)은 헤드 접점을 형성하기 위하여 경화된다. 그 결과로된 캐패시터는 다음과 같은 특성을 갖고 있다.

규격 1210 및 1812은 다층 캐패시터의 표준화 규격에 속하며, 이들은 국제 전기공학 위원회(IEC)에 의해 추천되었다.

여기서 N : 유전체층의 수

n : 샘플수

d : 유전체 두께

c : 캐패시턴스

Tanδ : 손실율(탄젠트 손실각)

Riso : 절연저항

Vo : 파괴전압

단축 압축 소결된 샘플은 고르게 고온 압축된 샘플보다 고 캐패시턴스 값을 갖는 다는 것을 주지해야 한다. 이러한 차이는 주로 기하학적 요인에 기인하는 것으로 생각된다. 고른 고온 압축은 모든 측면적으로 일어난다. 이는 전극 표면과 전극간의 상호 간격 모두다 보다 작게 되어진다는 것을 의미한다. 단축 압축 소결 공정에서, 표면축소는 세라믹 물질이 인가된 압축 방향으로만 소결하기 때문에 전혀 일어나지 않는다.

상기의 결과로, 소결 축소는 단지 전극공간의 감소상태로 나타낸다. 따라서, 동일한 2개의 미가공 제품중 하나가 단축으로 압축 소결되고 다른 하나가 고르게 고온 압축된다면, 전자의 것은 후자의 것보다 약 두배정도인 캐패시턴스를 가질 수 있다.

만일, 17㎛의 두께를 갖는 유전체층이 상기 실시예에서와 같이 사용되지 않고 보다 작은 두께를 갖는다면 1㎌ 영역까지의 캐패시턴스 값을 갖는 다층 세라믹 캐패시터는 본 발명에 따른 방법에 의해 1812 규격내로 실현될 수 있다. 사실상, 본 발명에 따른 방법에 의해 다수의 이들층의 스택 구조가 콤팩트 유니트를 형성할 수가 있다.

만일, 바륨 티탄산염이 세라믹 유전체 물질로서 사용되고, 이 물질이 산화 대기중에서 소결되어져야 한다면, 본 발명에 따른 방법에 의해 Ag-Pd가 Pd가 전극물질로서 사용될 수 있다. 이것은 가격에서 경제적인 잇점이 있다는 것을 의미한다.

요약하면, 본 발명에 따른 방법은 거의 기공이 없는 최대 20㎛의 두께의 유전체층(밀도는 이론적인 밀도의 99% 이상임)을 갖는 다층 세라믹 캐패시터로 된다고 말할 수 있다. 지금까지 상기는 다른 방법으로는 실현될 수 없었던 것이다.

Claims

산화 세라믹 유전체 물질과 전극물질로된 고번층으로 구성되어, 높아진 온도에서 압력인가의 결과로서 통합체로 형성되는 다층 캐패시터(5A)를 제조하는 방법에 있어서, 유기 접착제와 산화 세라믹 분말의 혼합물로 이루어진 유전체 박편을 형성하는 단계와 전극(9,10)을 형성하도록 전기적 전도성 물질의 패턴을 포함하는 층과 교번적으로 상기 박편을 적층하는 단계와, 산화 세라믹 분말의 기압 소결 온도 이하의 이미 결정된 온도로 스택(5)를 가열함과 동시에 통합체를 형성하기 위하여 적층하는 방향으로 단축 압력을 가함으로써 스택을 압축-소결하는 단계와, 압력을 풀어주고 냉각하는 단계와 유니트를 개개의 캐패시터 본체(5A)로 절단하는 단계를 특징으로 하는 다층 캐패시터 제조방법.
제1항에 있어서, 소결하기전에 상기 스택은 0.5 내지 5Kbar의 압력하에 50 내지 100℃의 온도로 박층으로 되는 것을 특징으로 하는 다층 캐패시터 제조방법.
제1항 또는 또 제2항에 있어서, 상기 소결온도는 900℃ 내지 1200℃인 것을 특징으로 하는 다층 캐패시터 제조방법.
제3항에 있어서, 상기 소결온도 여하에 따라서, 단축압력은 200bar 내지 5Kbar인 것을 특징으로 하는 다층 캐패시터 제조방법.