KR100556327B1 - 적층 세라믹 콘덴서 - Google Patents

Abstract

전자 회로의 소형화, 고밀도화에 따라, 적층 세라믹 콘덴서에 대해서는 유전체층의 적층수를 더욱 증가시키고 유전체층의 박층화를 진행시키고 있지만, 유전체층이 5㎛ 이하가 되면, CR 곱이 소망하는 값 이하로 저하해 버린다고 하는 문제가 있었다. 본 발명에 따른 적층 세라믹 콘덴서는, 유전체층과 내부 전극이 교대로 적층되어 있는 적층 세라믹 콘덴서에 있어서, 해당 유전체층 일층중에 하나의 세라믹 입자로 형성되어 있는 일층 일입자 부분의 비율을 20% 이상으로 하였다.

Description

적층 세라믹 콘덴서{MULTILAYER CERAMIC CAPACITOR}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 소성 패턴의 예를 나타내는 그래프,

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 유전체층의 단면에 있어서의 세라믹 입자의 배열을 나타내는 확대 설명도.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

10 : 내부 전극 12 : 유전체층

본 발명은 유전체층과 내부 전극과의 적층수가 많고, 상기 유전체층이 얇은 소형 대용량의 적층 세라믹 콘덴서에 관한 것이다.

적층 세라믹 콘덴서는 칩형상의 소체와, 상기 소체의 양단부에 형성된 한 쌍의 외부 전극으로 이루어진다. 이 소체는 유전체층과 내부 전극이 교대로 다수층 적층되어 이루어진다. 내부 전극 중, 인접하는 내부 전극은 유전체층을 통해 대향 하고, 각기 외부 전극과 전기적으로 접속되어 있다.

상기 소체는 세라믹 그린 시트와 도전 패턴을 교대로 적층시켜 형성한 칩형상의 적층체를 공기중에서 1200∼1300℃ 정도의 고온으로 소성시킴으로써 제조된다.

여기서, 세라믹 그린 시트는 유전율이 높은, 예컨대, BaTiO₃계의 세라믹 입자와 유기 바인더를 주성분으로 하는 것으로 이루어지고, 도전 패턴은, 예컨대, Pd 등의 분말을 주성분으로 하는 도전 페이스트로 이루어진다.

그런데, 도전 페이스트의 주성분으로 사용되고 있는 Pd 등이 고가인 귀금속이기 때문에, 적층 세라믹 콘덴서의 비용을 증가시키고 있었다. 따라서, 최근에는 Ni 등의 비금속(卑金屬)이 도전 페이스트의 주성분으로 사용되고 있다.

그러나, Ni 등의 비금속을 주성분으로 하는 도전 페이스트를 사용한 칩형상의 적층체를 종래와 같이 공기중에서 고온으로 소성시키면, Ni 등의 비금속이 산화하여, 내부 전극의 도전성이 손실되어 버리고, 또한, Ni 등의 비금속이 산화하지 않도록 비산화성 분위기 중에서 칩형상의 적층체를 고온으로 소성시키면, 유전체층이 환원되서 그 절연 저항이 저하하여, 소망하는 전기적 특성을 얻을 수 없게 되어 버린다.

따라서, Ni 등의 비금속을 내부 전극의 재료로 사용하는 경우, 유전체층의 재료로서 내환원성이 높은 재료를 이용함과 동시에, 환원성 분위기 중에서 소성시킨 후 산소를 조금 포함하는 분위기중에서, 소성 온도보다 낮은 600∼900℃ 정도의 온도로 열처리하여 유전체층을 재산화시켜서, 내부 전극의 산화를 방지하면서 유전체층의 절연 저항을 회복시켜 소망하는 전기적 특성을 얻을 수 있게 하고 있다.

그러나, 최근에 있어서 전자 회로의 소형화, 고밀도화의 추세에 따라 적층 세라믹 콘덴서에 대해서도 소형 대용량화가 요망되고 있고, 소형 대용량화를 위해 유전체층의 적층수가 더욱 증가되고, 유전체층의 박층화가 진행하고 있다.

적층수를 증가시키고 박층화시킴으로써 적층 세라믹 콘덴서의 정전 용량은 향상시킬 수 있지만, 절연 저항은 저하된다. 이것은 절연 저항 R이 R=ρ×d/S (R:저항, ρ:저항율, S:전극면적, d:유전체 두께)으로 기술되기 때문이다.

콘덴서의 특성중에 CR 곱이라는 것이 있다. 이것은 정전 용량 C와 절연 저항 R의 곱으로서, C=ε₀×ε_r×S/d (ε₀:진공 유전율, ε_r:비유전율)이므로, C×R=ρ×ε₀×ε_r로 되어 유전체 두께나 층수에는 관계없는 값이 된다.

그러나, 유전체 두께가 5㎛ 이하로 되면, 이 CR 곱은 일반적으로 저하하는 경향이 있다. 이것은 유전체 두께가 얇아짐에 따라, 절연 저항이 오믹층으로부터 벗어나기 때문이라고 생각된다. 즉, 세라믹 콘덴서의 박층화에서는 CR 곱이 저하된다고 하는 문제가 있었다.

본 발명의 목적은 유전체층을 박층화시키더라도, 소망하는 CR 곱을 얻을 수 있는 소형 대용량의 적층 세라믹 콘덴서를 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 적층 세라믹 콘덴서는, 유전체층과 내부 전극이 교대로 적층되어 있는 적층 세라믹 콘덴서에 있어서, 해당 유전체층 일층중에 하나의 세라믹 입자로 형성되어 있는 일층 일입자 부분의 비율이 20% 이상인 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 유전체층은 5㎛ 이상의 두께를 갖고 있더라도 좋지만, 5㎛ 이하의 두께를 갖고, 유전체층을 형성하는 세라믹 입자는 3.5㎛ 이상의 평균 입경을 갖는 것이 바람직하다. 5㎛ 이하로 한 것은, 유전체층이 5㎛ 이상의 두께가 되면 적층 세라믹 콘덴서의 CR 곱의 저하가 현저하게 되는 때문이다.

또한, 상기 내부 전극은 Ni 분말을 주성분으로 하는 도전성 페이스트를 소성시켜서 형성할 수 있지만, 이외의 비금속 분말을 주성분으로 하는 도전성 페이스트를 소성시켜 형성하여도 좋다. 또한, 상기 유전체층은, 예컨대, BaTiO₃ 계의 재료에 의해 형성될 수 있지만, 이외의 유전체 재료를 이용하여 형성되어도 좋다.

또, 일층 일입자의 비율은 다음과 같이 하여 구한다. 즉, 적층 세라믹 콘덴서를 내부 전극에 수직인 면으로 절단하고, 이 면에 대해 유전체층을 형성하고 있는 세라믹 입자의 입경을 측정하여 그 평균 입경을 산출하며, 내부 전극에 대하여 수직인 선을 평균 입경의 간격으로 빼어 하나의 입자가 걸쳐 있는 선의 수를 전체 선에 대한 비율로 구한다.

(실시예)

통상적인 방법으로, 세라믹 그린 시트를 제작하고, 얻어진 세라믹 그린 시트에 도전 패턴을 인쇄하며, 이 세라믹 그린 시트를 적층·압착시켜서, 이것을 도전 패턴마다 칩형상으로 재단함으로써 칩형상의 적층체를 형성한다.

여기서, 세라믹 그린 시트는 BaTiO₃계의 세라믹 분말을 이용하여 형성하며, 도전 패턴은 Ni 분말을 주성분으로 하는 도전성 페이스트를 이용하여 형성하였다. 또한, 세라믹 그린 시트는 소성후에 두께가 5㎛로 되는 것을 사용하였다.

이 칩형상의 적층체를, 도 1에 도시하는 바와 같이 공기중에서 600℃까지 승온시키면서 가열하여 결합해제시키고, 계속해서, 2.0 체적%의 H₂를 포함하는 질소 가스로 이루어진 비산화성 분위기로 바꿔서 1200∼1300℃까지 승온시키며, 그 온도에서 1∼5 시간 소성시킨다. 그 후, 600℃까지 승온시키고, 200ppm의 산소를 포함하는 질소 가스 분위기로 바꿔서 이 온도로 1 시간 열처리하여 유전체층을 재산화시킨다.

다음에, 소성 후의 이들 적층체를 연마하고, 이것을 1150∼1200℃로 가열하여 열 에칭한 다음, 연마면의 SEM 사진을 2000배로 촬영하였다. 그리고, 내부 전극에 대해 평행하게 직경법을 이용해서, 200개 입자의 입경을 측정하여, 그 평균치를 구하였다. 결과는 표 1에 나타낸 바와 같다.

다음에, 상기 현미경 사진에, 내부 전극에 직각으로, 앞서 구한 입경(평균치)의 간격으로 100개의 선을 긋고, 그 선 위에 1개의 입자밖에 없는 선의 수를 세 어서, 전체 선의 수, 즉, 100개의 선에 대한 이 수의 비율을 일층 일입자가 차지하는 비율로서 구하였다. 또, 일층 일입자란, 도 2에서 참조부호(A, B)로 도시한 바와 같이, 내부 전극(10, 10)간의 유전체층(12)이 한개의 세라믹 입자(A, B)로 이루어진 것을 말한다.

다음에, 상기 소성에 의해 소결된 적층쌍의 양단부에 외부 전극을 접합시켜, 적층 세라믹 콘덴서를 형성하였다. 그리고, 항온조에서 20℃로 유지하여, LCR 측정계로 정전 용량을 측정하였다. 측정 조건은 1kHz, 1Vrms 이다. 정전 용량의 측정 후, DC 50V를 1분간 인가하여 절연 저항을 측정하였다. 정전 용량과 절연 저항의 곱을 계산하여, CR 곱(μF·MΩ)을 산출하였다. 결과를 표 1에 나타낸다.

시료번호	세라믹 입자의 평균 직경(㎛)	일층 일입자 비율(%)	CR 곱(㎌·㏁)
1	1.2	0	3000
2	2.0	0	3200
3	2.9	3	6000
4	3.2	10	8500
5	3.5	20	15000
6	3.5	35	15500
7	3.5	45	16800
8	4.0	53	18700
9	4.2	60	20000
10	5.0	100	17000

표 1에 나타낸 결과로부터, 일층 일입자의 비율이 20% 이상이면, 15000㎌·㏁ 이상의 CR 곱이 달성됨을 알 수 있다.

본 발명에 의하면, 유전체층을 형성하고 있는 세라믹 입자의 표면적이 적어지기 때문에, 소성 단계에서의 환원성이 억제된다. 또한, 박층화에 의해 재산화 단계에서 산소가 내부 전극-세라믹 입자의 계면에 확산된 후, 더욱 입계(粒界)로 확산되기 쉽게 되어, 오옴 저항 특성이 유지된 것으로 생각된다. 즉, 박층화에 있어서, 유효하다고 할 수 있다.

따라서, 유전체층이 얇더라도, 통상의 CR 곱이 저하하는 영역에서도, CR 곱의 저하가 없는 소형 대용량의 적층 세라믹 콘덴서를 얻을 수 있다고 하는 효과가 있다.

Claims (5)

1. 유전체층과 내부 전극이 교대로 적층되어 있는 적층 세라믹 콘덴서에 있어서,

   상기 유전체층 일층중에 하나의 세라믹 입자로 형성되어 있는 일층 일입자 부분의 비율이 20 % 이상인 것을 특징으로 하는 적층 세라믹 콘덴서.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 유전체층은 5㎛ 이하의 두께를 갖고, 상기 유전체층을 형성하고 있는 세라믹 입자는 3.5㎛ 이상의 평균 입경을 갖는 것을 특징으로 하는 적층 세라믹 콘덴서.
3. 제 1 항 또는 2 항에 있어서,

   상기 내부 전극은 Ni 분말을 주성분으로 하는 도전성 페이스트를 소성시켜서 이루어지는 것을 특징으로 하는 적층 세라믹 콘덴서.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 유전체층은 BaTiO₃계의 세라믹 입자로 이루어지는 것을 특징으로 하는 적층 세라믹 콘덴서.
5. 제 3 항에 있어서,

   상기 유전체층은 BaTiO₃계의 세라믹 입자로 이루어지는 것을 특징으로 하는 적층 세라믹 콘덴서.

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