90년대 중반부터 이동통신제품과 인터넷의 대중화에 의한 노트북 PC등 휴대용 멀티미디어제품의 수요 급증은 전자 제품의 소형화 및 복합화를 유도하였으며, 이러한 제품의 추세에 대응하기 위하여 세라믹 부품은 벌크 단품에서 적층형으로 급속하게 바뀌고 있다. 이러한 정보기기의 좀 더 낳은 생산성과 효율을 얻기 위해 소형화, 경량화 및 고기능화의 요구에 대응되는 공정으로서 부품의 표면실장기술이 80년대에 실용화되었고, 이에 따른 칩 부품의 수요도 급격히 증가하고 있다. 대표적인 칩부품중의 하나인 MLCC(Multi Layer Ceramic Capacotor)는 전자제품의 소형경량화 및 대량생산과 더불어 필수적이 수소동자로써 지금까지 그 성장세는 휴대폰과 컴퓨터생산의 빠른 증가에 EK라 매년 약 15% 정도로 증가하고 있으며, 앞으로 그 수요는 더욱더 등가 할 것이다. EH한 고용량 영역까지 용량대를 확장함으로써, 탄탈 및 알루미늄 전해콘덴서의 영역까지도 확대 형성될 것으로 예상되고 있다. 본 강연에서는 MLCC의 제조기술 동향과 시장에 대한 전망에 대해 소개함으로써, 하루가 다르게 발전하고 있는 전자산업의 고용량화, 초소형화, 특수품, 복합화 등의 적층부품 전반의 현황 및 발전방향 파악하는데 조금이라도 도움이 되고자 한다.
본 연구에서는 Bias Temperature Stress (BTS) 측정을 통한 다층세라믹커패시터(Multi-Layer Ceramic Capacitor, MLCC) 소자 분석에 대한 연구를 진행하였다. BTS 분석은 소자 내부에 존재하는 Na+, K+ 등의 mobile charge 검출을 위한 방법으로 positive bias와 negative bias stress에 따른 C-V 특성 곡선으로부터 mobile charge의 정량적 해석이 가능하다. 실험 결과 positive bias stress 후의 C-V 특성 곡선이 stress 전 C-V 특성 곡선과 비교해 negative bias 영역으로 0.0376 V 만큼 shift 하였다. 또한 수식(QM = $Cox{\cdot}{\triangle}V$)으로부터 $1.7{\times}1,011$개의 mobile charge가 존재함을 확인하였다. 본 연구는 MLCC 소자 내의 금속 오염물 존재 여부에 따른 소자의 전기적 특성 변화 분석을 위해 진행되었으며, BTS 분석은 반도체 소자 뿐 아니라 본 연구에서와 같이 커패시터 소자의 결함 여부 판단에도 이용 가능함을 확인하였다.
최근 초고속 이더넷(ethernet)의 데이터 및 동작주파수 속도가 증가하고 있으며, 이에 따라 EMI(electromagnetic interference)가 증가하고 있다. 이러한 EMI의 발생은 주변 전자기기들에 영향을 미쳐 오동작 원인이 될 가능성이 높다. 본 연구에서는 고속 이더넷 스위치 EMI 발생의 주요 원인인 DC-DC SMPS (switching mode power supply)에서 발생하는 EMI 저감을 위해 EMI 필터를 적용하였다. EMI 필터소자는 소형화, 양산화에 장점을 가지며, 내전압(dielectric voltage) 특성이 우수한 MLCC (multi-layer ceramic capacitor)를 사용하였다. MLCC 필터는 X-커패시터 및 X, Y-커패시터로 구성되어 있다. X-커패시터는 10 nF 및 100 nF 용량의 2개의 MLCC와 1개의 마일러 콘덴서(mylar capacitor)로 구성하였다. Y-커패시터는 용량 27 nF의 6개의 MLCC를 사용하여 구성하였다. X-커패시터만을 EMI 필터로 적용한 경우, 전도성(conductive) EMI는 150 kHz ~ 30 MHz의 주파수 대역에서 EMI 전계강도가 허용 한계치를 초과함을 알 수 있었다. 또한 방사성(radiative) EMI도 특정 주파수에서 EMI 전계 강도가 높고, 허용 마진폭도 매우 적음을 알 수 있었다. 반면 X, Y-커패시터를 적용하였을 경우, 전 주파수 대역에서 전도성 EMI가 크게 감소하였으며, 방사선 EMI도 충분한 마진이 확보됨을 알 수 있었다. 또한 X, Y-커패시터의 전기적인 신뢰성을 평가하기 위하여 절연 저항(insulation resistance) 및 내전압 성능을 측정하였으며, 절연 저항 및 내저항 성능이 모두 전기적 신뢰성 기준을 만족함을 알 수 있었다. 결론적으로 MLCC 필터를 X, Y-커패시터로 사용하여 전도성 및 방사성 EMI 노이즈가 효과적으로 감소되었고, 우수한 전기적인 신뢰성도 확보됨을 알 수 있었다.
본 논문은 MLCC (Multi-Layer Ceramic Capacitor) 시험용 전원 장치의 설계에 대해 기술 하였다. 개발된 전원 장치의 정격 출력 전압과 전류는 600V / 2A이며 경부하에서 중부하까지 200mV이하의 고 정밀도를 가진다. 전원 장치의 토플로지는 2-스위치 플라이백 컨버터를 인터리브시켜 고 전력/고 시스템 주파수가 가능하도록 구성했다. 출력 필터와 시스템 제어기를 설계하여 전압 리플과 노이즈를 감쇠시키고 시스템 안정도를 높였다. 특히 16bit AD변환기를 이용하여 제어 변수를 받아, DSP(TI사(社) TMS320F28335)로 정전압(CC) / 정전류(CV) 모드 제어를 보다 정밀하게 하였다. 최종적으로 시뮬레이션과 실험을 통해 고 정밀 전압의 전원 장치 설계의 타당성을 확인 하였다.
폐 적층세라믹콘덴서(MLCC)로부터 Ni을 회수하기 위하여 침출실험을 수행하였다. 침출용매로 $HNO_3,\;HCl\;H_2SO_4$을 사용하여 시간의 변화, 반응온도의 변화, 시료 입도와 광액농도의 변화가 Ni의 침출율에 미치는 영향과 최적 침출 조건을 조사하였다. 그 결과 HCl, $H_2SO_4$을 침출용매로 사용했을 때 Ni 침출의 최적 조건은 산농도 5M, 반응온도 $90^{\circ}C$나타났으며, $HNO_3$을 침출용매로 사용했을 때 최적 침출 조건 산농도 1M, 반응온도 $70^{\circ}C$에서 광액농도 500ml당 20g일때 Ni 침출율이 98%로 최대였다.
Multi-layer ceramic capacitor (MLCC)는 '전자산업의 쌀'이라고 일컬어 질만큼, 전자부품내에서 매우 중요하고 핵심적인 역할을 하며, 그 응용분야 또한 매우 광범위하다. 이러한 MLCC는 그 사용처에 따라, 초고용량 MLCC, 고전압용 MLCC, 저가제품용 MLCC, 그리고 고용량용 MLCC 등등으로 나뉘어진다. 이 중 최근 각광 받고 있는 스마트폰, 태플릿PC 등의 전자제품군에 사용되는 초고용량 MLCC의 경우, 높은 유전상수 값을 지닌 BaTiO3 기반의 물질이 일반적으로 사용되어지고 있으며, 또한 더 높은 용량(capacitance)을 얻기 위하여 해마다 유전체층의 두께가 점점 줄어들고 있고, 이러한 얇은 유전체층을 만들어 내기위해 유전체층의 결정립 크기도 수 마이크로미터에서 수백, 수십 나노미터 사이즈로 점점 작아지고 있는 상황이다. 하지만 점점 줄어들고 있는 유전체층의 두께와 결정립 크기의 추세와는 상관없이, 전기회로에서 요구되는 인가전압은 줄어들지 않고 일정하게 유지되고 있기 때문에, 유전체층의 내전압 특성은 전자제품의 높은 신뢰성을 위해서 날이 갈수록 중요시 되고 있다. 특히, 수백 나노미터 이하의 결정립 크기를 갖는 BaTiO3 유전체층의 내전압 특성은, 다양한 내전압 특성 메커니즘이 연구되어진 수 마이크로미터 대역의 결정립 크기를 갖는 BaTiO3 유전체층과는 다르게, MLCC 제조공정상의 한계와 BaTiO3의 결정립 성장이라는 어려움 때문에, 그 연구가 전무하다 할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 수십 나노미터 결정립 크기를 갖는 BaTiO3 막을 만들어낼 수 있는 에어로졸 데포지션 공정을 이용하여 수십 나노미터 결정립 크기를 갖는 BaTiO3 막을 제조 하였으며, 이 막을 다양한 온도 조건에서 후속 열처리를 통한 결정립 성장을 통해 수십에서 수백 나노미터의 다양한 결정립 크기를 갖는 BaTiO3 막의 내전압 특성을 분석하였다.
To check the possibility for microwave sintering of MLCC(multi layer ceramic capacitor) the tape cast-ed BaTiO3 thick films in zirconia insulation box were sintered by the domestic microwave oven. Microwave sintered samples had higher density lower porosity than coventionally sintered ones. but they didn't show Z5U electrical properties due to short sintering time about 15 minutes.
기능이 극대화된 초소형 전자기기를 제조하기 위해 사용되는 적층형 소자들 중, 적층 세라믹 콘덴서(MLCC: Multi Layer Ceramic Capacitor)는 휴대전화, 노트북 등에 전자회로의 평활, 안정화, 노이즈 제거, 커플링 등 다양한 용도로 사용되고 있다. 적층형 세라믹 콘덴서는 생산과정에서 압축소결된 미세 다층구조의 적층형 소자 바(bar)를 하나 하나의 칩으로 절단하여야 한다. 현재 적용되고 있는 cutting, dicing 등의 방법을 대신하여 수율의 향상을 도모하기 위해 진동절삭법을 적용하여 그 특성을 조사하였다. 유연 힌지구조를 이용한 진동 절단 구조를 설계하고 해석하여 적층형 세라믹 콘덴서의 절단에 알맞은 진동절단기구를 제안한다. 또한, 설계결과를 바탕으로 제작된 진동절단 기구의 절단가공 특성을 조사하여 기존 절단법과의 성능비교를 통해 힌지 구조를 이용한 진동 절단의 타당성을 검증하였다.
MLCC(Multi-Layer Ceramic Capacitor)의 유전체 층에 사용되는 BaTiO3는 유전 특성의 온도안정성을 향상시키기 위해 첨가제로서 희토류 및 Mg를 사용한다. 이러한 첨가제는 소결 중 입자성장 및 치밀화 거동, 결국 유전 특성에 지대한 영향을 주게 되므로 조성에 따른 미세구조 발현 양상을 살펴보는 것이 중요하다. 본 연구는 95BaTiO3-1Dy2O3-2MgO-2SiO2(mol%)의 조성에서 온도 변화에 따른 결정구조, 입자성장 및 밀도 변화를 관찰하고 이러한 변화가 유전 상수에 미치는 영향을 관찰하였다. 1200~1300℃의 온도범위에서 소결 온도가 증가함에 따라, 평균 입도는 눈에 띄게 커지는 반면 밀도의 변화는 미미하여 입자크기가 주요한 미세구조적 요소임을 밝혔다. 본 실험에서 관찰된 입자크기의 온도의존성은 기존 입자성장 이론에서 설명한 온도 변화에 따른 입자성장 거동의 변화양상과 잘 부합하였으며, 이러한 이해는 향후 희토류가 첨가된 BaTiO3에서 유전 특성 향상을 위한 소결 미세구조 제어에 유용하게 활용될 수 있을 것이다.
For the Y5V characteristic MLCC which is very prone to crack, it is important to to find out the basic cause of the crack. After finding out the crack origin, the materials and processes should be developed to remove the crack. The microstructures of the cracks were investigated using the fractographic method for the various types of cracks such as an exterior crack, a cyclic thermal shock crack, and an piezo-electric crack. It was found out that the crack origin was the pore at the end of the Ni inner electrode after bake-out. Even though the three dimensional crack shapes were different, the crack origins were seemed to be similar. The exterior crack could grow from the origin with the aids of residual and applied stress. FEM (finite element method) analysis was used to calculate the stress distribution of residual and applied stress. And the concept of fracture mechanics was applied for the explanation of the crack initiation and propagation from the stresses concentration.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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