글쓴이 : SOONDORI
다음은, ‘다층 세라믹 커패시터 : 고장 메커니즘, 관점 및 과제 개요(2023년 2월, 포르투갈 베이라 인테리어 대학/CISE-전자카트로닉 시스템 연구 센터에서 발행)’ 논문의 일부. 요즘 전자장치에서 필수적으로 사용되는 MLCC의… 취약한 모습을 볼 수 있음.
* URL : https://www.mdpi.com/2079-9292/12/6/1297
전자제품에서 가장 흔히 사용되는 커패시터는 세라믹 커패시터이며, 이 중 가장 널리 사용되는 커패시터는 다층 세라믹 커패시터(MLCC)입니다. 컴퓨터와 휴대폰을 포함한 많은 전자 제품에 MLCC가 사용됩니다. 시중에서 판매되는 유전체는 세 가지 유형으로 구분할 수 있습니다.
* 註, Multi-Layer Ceramic Capacitors. 적층 세라믹 커패시터라고도 한다. 그 말이 그 말.
세라믹 기술 중 유전율이 가장 낮은 산화티타늄은 온도 보상 유전체라고도 하는 ‘클래스 I’ 유전체의 유전체로 사용됩니다. 이러한 커패시터는 체적 효율이 낮고 정전용량 값이 매우 작아(100 nF) 스너버 회로 및 소프트 스타트 회로를 포함한 여러 전자 시스템 회로에 유용합니다. 전압, 온도 및 시간에 따라 비교적 안정적일 뿐만 아니라 정전용량 손실 계수도 낮습니다.
클래스 II 유전체는 고유전율 재료라고도 하며, 고유전율 재료인 티탄산 바륨을 유전체로 사용합니다. 이러한 커패시터는 크기가 작고 정전용량 값이 높습니다. 손실 계수가 비교적 크고 정전용량은 전압, 온도 및 시간에 따라 불안정해지는 경향이 있습니다. 온도 범위에서 최대 정전용량 변화는 클래스 II 유전체를 설명하는 데 사용되는 3자리 영숫자 코드의 마지막 숫자에 의해 결정됩니다. 예를 들어, X5R, X7R 및 X8R의 정전용량에 대한 최대 온도 변화가 15%이므로 이러한 장치는 전력 전자 회로에 사용하는 것이 좋습니다. 두 클래스 모두 Al-caps와 비교했을 때 유전 저항이 높고 손실 계수가 낮지만 MK 커패시터와 비교했을 때 특성이 떨어집니다.
세 가지 등급 중 가장 높은 정전용량과 최대 체적 효율을 갖는 클래스 III 유전체는 배리어층 커패시터를 구성하는 데 사용됩니다. 그러나 온도, 전압, 주파수는 이러한 커패시터에 상당한 영향을 미칩니다. 또한, 클래스 III 세라믹 커패시터는 약 25V의 전압에서 작동합니다. 클래스 III 세라믹 커패시터는 유전 손실, 높은 절연 저항 및 안정성이 요구되지 않는 바이패스 커플링에 자주 사용됩니다.
따라서 유전율이 더 높고 파괴 전계가 더 작은 경향이 있는 클래스 II 및 클래스 III 커패시터는 저전압 응용 분야, 특히 상당한 정전 용량이 필요한 경우에 더 적합합니다. 유전 파괴 중 세라믹 커패시터의 고장은 장치를 쓸모없게 만드는데, 이는 이러한 장치의 또 다른 중요한 구성 요소입니다.
전력 소자의 경우, EPCOS의 새로운 세라믹 커패시터 기술인 Cer-aLinkTM이 이상적인 선택이 될 수 있습니다. 최근 연구에 따르면 이 기술은 낮은 손실, 인가 전압에 따른 정전용량 증가, 낮은 직렬 인덕턴스, 높은 정전용량 밀도 등의 유망한 특성으로 인해 전압원 인버터의 DC 링크에 특히 유용할 수 있는 것으로 나타났습니다.
(기타 생략)
2. MLCC 및 제조 공정
MLCC의 정확한 구조와 제조 절차는 그림 6에 개략적으로 표시되어 있습니다 . MLCC는 내부 전극과 함께 여러 개의 유전체 층을 번갈아 쌓아서 구성됩니다. 내부 전극은 표면 설치를 위해 외부 단자에 연결됩니다. 값비싼 Pd 대신 Ni 및 Fe와 같은 기본 금속이 내부 전극 재료로 점점 더 많이 사용됩니다. 외부 종단은 Cu 또는 Ag, Ni 도금 및 Sn 도금 층으로 구성됩니다. MLCC 정전용량은 식 (1)과 같이 표현할 수 있습니다. 칩 크기와 유전체 재료를 선택할 때 유전체 층의 두께와 적층 층의 수는 높은 정전용량을 갖는 MLCC에 대한 중요한 설계 고려 사항입니다.
이 공정은 일반적으로 MLCC를 만드는 데 사용됩니다. 첫째, 볼링 공정은 유전체 층에 사용되는 미세 세라믹 분말을 바인더, 용매 및 도펀트와 소결 보조제와 같은 첨가제와 균일하게 혼합하는 데 사용됩니다. MLCC의 신뢰성과 성능을 개선하기 위해 시작 재료의 조성을 엄격하게 제어합니다. 조합의 슬러리와 같은 모양은 이를 쉽게 다루고 가공할 수 있게 합니다.
테이프 캐스팅 방법을 사용하여 슬러리를 얇고 연속적인 필름으로 주조합니다. 건조하고 동일한 크기의 시트로 절단한 후 그린 시트에 금속 페이스트를 스크린 인쇄합니다. 필요한 수의 그린 시트를 내부 전극을 사용하여 쌓은 다음 스택을 압축하여 압력을 가하여 적층물을 만듭니다. 적층된 시트는 칩에 적합한 비트로 절단됩니다. 적재 및 절단에는 매우 높은 기계적 및 정렬 정밀도가 필요합니다. 절단 후 칩의 바인더를 태워 버리고 칩을 소결합니다.
칩은 유전체층과 내부 전극의 다층 구조를 가지고 있기 때문에 소결 온도와 환경을 제어하는 것은 소결 공정 중 수축과 파손을 방지하는 데 필수적입니다.칩에서 내부 전극을 병렬로 연결하기 위해 텀블링, 디핑 및 소성 작업을 사용하여 종단 처리합니다.MLCC 칩의 제조는 품질을 보장하기 위해 전기적 테스트 후 완료됩니다.
고용량 MLCC의 제조는 문제가 많습니다.더 얇고 매끄러운 내부 전극층과 유전체층을 위해 미세한 원료 분말(300nm 미만)이 필요합니다.결과적으로 금속 내부 전극과 유전체층을 위한 작은 입자를 제조하는 것에 대한 많은 연구가 있었습니다.기능성 세라믹 소자는 최근 몇 년 동안 크기가 작아지고 더 얇아지고, 더 미세화되고, 더 통합되어서 기존 기술을 사용하여 빠른 프로토타입과 저비용 제조를 구현하는 것이 어려워졌습니다.
다중 재료 3D 프린팅은 시간이 많이 소요되는 절차나 값비싼 도구가 필요 없이 다양한 재료 구성 요소를 통합하는 3D 부품을 즉시 생성할 수 있는 독특한 능력으로 인해 기능성 세라믹 장치 설계에 더 큰 복잡성과 더 많은 창의적 자유를 제공하는 새로운 기술입니다. 그러나 스트립 라인, 마이크로스트립 라인, 비아는 일반적으로 두 가지 이상의 재료로 구성된 복합 구조를 가진 기능성 세라믹 소자에 존재합니다. 공간 분해능과 프린팅 속도 향상 외에도, 원자재, 프린팅 전략, 그리고 소결 공정과 관련된 수많은 문제들이 여전히 해결되어야 합니다. 기능성 세라믹 소자는 현재 다중 재료 3D 프린팅을 통해 개발되고 있으며, 이는 상당한 연구 동기와 응용 가능성을 가지고 있습니다. 몇 가지 널리 사용되는 3D 프린팅 공정은 그림 7 에 나와 있습니다 .
(기타 생략)
4. MLCC 고장 메커니즘, 테스트 전략 및 고장 진단
가장 흔한 고장 원인은 소자의 엔드캡에서 시작되는 세라믹 균열의 확산으로 인한 단락입니다. MLCC 고장은 PCB 제조 과정에서 PCB 조립 장비에서 발생하는 기계적 응력이나 납땜 공정에서 발생하는 열 응력으로 인해 자주 발생하며, 잘못된 솔더 필렛 프로파일을 사용하면 이러한 응력이 더욱 심화될 수 있습니다. PCB에 MLCC를 배치하는 경우, 기판 가장자리에 가까운 부품이 PCB 디패널링(de-paneling) 과정에서 과도한 기계적 응력을 받을 수 있으므로 신뢰성에 영향을 미칠 수 있습니다. 그림 8은 MLCC 고장의 가장 흔한 원인을 보여줍니다.
따라서 디패널링 절차, 부품 장착 또는 PCB 장착 방법으로 인해 과도한 기계적 응력이 발생하지 않는지 확인하는 것이 중요합니다. 이는 다양한 연결 및 PCB 부품에도 해당됩니다. 자동차 및 항공우주 애플리케이션용 MLCC는 커패시터 엔드 캡에 더 부드러운 수지 소재를 사용하여 제작되어 실제 세라믹 소자 영역에 가해지는 기계적 응력을 줄여 균열로 인해 고장날 가능성이 줄어듭니다. 이러한 부품의 기능은 그림 9a , b에 나와 있으며, 이를 사용하면 제조 중에 균열이 발생할 가능성과 작동 중 소자가 온도 사이클링 및 주변 진동에 취약해질 가능성이 어떻게 줄어드는지도 보여줍니다.
환경 응력 테스트 후 MLCC는 균열이 있는지 자주 검사합니다. 커패시터는 종종 미세 단면을 거쳐 균열을 식별합니다. 그러나 이 분석 방법 자체로 소자 균열이 발생할 가능성이 있습니다. 고해상도 CT X선 부품 분석은 MLCC의 균열을 더 정확하게 평가할 수 있지만 절차가 더 느리고 비용이 더 많이 들 수 있습니다. MLCC를 사용할 경우 일정한 DC 바이어스에 자주 노출되어 전기화학적 마이그레이션을 유발할 수 있으며 부품 상호 연결에 은이 있는 경우 단락 고장 모드가 발생할 수 있습니다.
ROHS를 준수하는 COTS 부품을 도입하면 이러한 우주 응용 분야에 은이 존재할 가능성이 높아집니다. 습도가 높은 환경에서 작동하면 이러한 영향이 증폭됩니다. 컨포멀 코팅이 있는 PCB를 사용하면 영향을 줄이는 데 도움이 될 수 있지만 이것이 보장되는 것은 아닙니다. 또한 갇힌 플럭스 잔류물의 존재로 인해 전기 마이그레이션이 부품 아래에서 발생할 수 있으며 이 경우 부품의 시각적 검사(예: 고온 다습 스트레스 테스트의 일부)로는 오류를 찾을 수 없습니다.
(기타 생략)
4.1. 습도가 전기적 특성 저하에 미치는 영향
공기 습도가 너무 높으면 커패시터 쉘 표면에 수막이 형성되어 커패시터 표면 절연 저항이 감소합니다. 반밀봉 커패시터의 경우, 수분이 커패시터 매질 내부로 침투하여 절연 저항과 절연 전력을 저하시킬 수 있습니다. 결과적으로 고온 다습한 환경은 커패시터 특성에 상당한 악영향을 미칩니다. 건조 및 제습 후 커패시터의 전기적 특성은 개선될 수 있지만, 물 분자 전기분해의 영향을 완전히 제거할 수는 없습니다.
4.2. 은 이온 이동의 결과
대부분의 무기 유전체 커패시터는 은 전극을 주요 재료로 사용합니다. 가열된 반밀폐형 커패시터에 침투하는 물 분자는 투과성이 있기 때문에 전기분해를 일으킵니다. 은 이온이 수산화 이온과 결합하여 양극에서 수산화은을 형성하면 산화라는 과정이 발생합니다. 수산화은이 음극에서 수소 이온과 상호 작용하면(환원이라고 하는 반응) 은과 물이 생성됩니다. 전극 반응을 통해 양극의 은 이온이 음극으로 반복적으로 감소하여 불연속적인 금속 은 입자가 생성됩니다. 이 입자들은 물 층으로 연결된 나무 모양 배열로 양극 쪽으로 늘어납니다. 누설 전류는 은 이온이 무기 매체 내부와 표면으로 이동하면서 증가합니다. 심각한 경우 두 은 전극 사이에 완전한 단락이 발생하여 커패시터가 파괴될 수 있습니다.
결론적으로, 은 이온 이동은 개방형 무기 유전체 커패시터의 전기적 특성을 저하시킬 수 있으며 유전 파괴 전계 강도의 감소를 유발할 수도 있으며, 이는 커패시터가 고장나게 합니다. 은 이온 이동으로 인해 은 전극을 사용하는 저주파 세라믹 모노리식 커패시터는 다른 종류의 세라믹 유전체 커패시터보다 훨씬 더 자주 고장이 발생한다는 점에 유의해야 합니다. 은 이온이 이동함에 따라 채널이 응축되어 단락이 자주 발생합니다.
4.3. 고온 환경에서 세라믹 커패시터의 고장 메커니즘
반밀폐형 세라믹 커패시터를 고습 환경에서 사용할 경우, 절연 파괴는 정기적이고 심각한 문제입니다. 표면 아크 절연 파괴와 유전체 절연 파괴는 발생할 수 있는 두 가지 절연 파괴 형태입니다. 절연 파괴는 발생 시기에 따라 초기 절연 파괴 또는 기존 절연 파괴로 분류할 수 있습니다. 커패시터 유전체 재료 결함은 초기 고장 및 제조 공정을 통해 드러납니다. 이러한 결함은 세라믹 유전체의 유전 강도를 크게 낮춥니다. 커패시터는 고습 환경에서 전기장의 영향으로 인해 저항 총 전력 또는 초기 작동 단계에서 전기적 고장이 발생합니다. 셀의 전기화학적 분해는 가장 일반적인 노화 유형입니다. 전해 노화 파괴는 세라믹 커패시터에서 은의 이동으로 인해 매우 흔한 문제가 되었습니다. 은의 이동으로 인해 전도성 수지상 결정이 형성되어 국소 누설 전류가 증가할 수 있으므로, 커패시터가 열적 고장으로 인해 소손되거나 파열될 수 있습니다.
열 파괴가 발생하는 가장 일반적인 기하 구조는 관형 또는 디스크형 소형 세라믹 유전체 커패시터입니다.파괴 중에 국부적인 가열이 강하고, 더 얇은 관 벽이나 더 작은 세라믹 본체는 타거나 깨질 가능성이 더 높기 때문입니다. 이산화티타늄 환원 공정이 주로 이산화티타늄으로 만들어진 세라믹 매질에서 일어나는 경우, 티타늄 이온도 응력 하에서 4가에서 3가로 변할 수 있습니다. 시간이 지남에 따라 커패시터의 유전 강도가 크게 감소하여 커패시터 고장이 발생할 수 있습니다. 따라서 이산화티타늄이 없는 세라믹 유전체 커패시터에 비해 이러한 세라믹 커패시터는 더 심각한 전해 파괴를 겪습니다.
4.4. 전극 재료의 개선
세라믹 커패시터는 전통적으로 은 전극을 사용해 왔습니다. 은 이온 이동과 그에 따른 티타늄을 함유한 세라믹 유전체의 빠른 노화가 세라믹 커패시터 고장의 주요 원인입니다. 일부 제조업체는 세라믹 커패시터를 제작할 때 은 전극 대신 니켈 전극을 사용하여 무전해 니켈로 세라믹 기판을 도금했습니다. 니켈은 은보다 화학적으로 안정하고 전기적으로 이동성이 낮기 때문에 세라믹 커패시터의 성능과 신뢰성이 향상됩니다. 은 전극을 광범위하게 사용하고 세라믹 재료를 900°C에서 소결하기 때문에, 모놀리식 저주파 세라믹 유전체 커패시터(전극으로 은 사용)는 상당한 기공을 가지며, 이는 세라믹 재료가 치밀한 세라믹 매질을 형성하는 것을 방해합니다. 공용매인 산화바륨의 우수한 침투력 또는 고온에서 은과의 “상호 융합” 능력에 따라, 이는 거시적으로 눈에 띄는 “은의 도자 흡수” 현상을 초래합니다.
4.5. 적층 세라믹 커패시터의 파손
유전체의 취성은 적층 세라믹 커패시터의 가장 빈번한 고장 메커니즘인 파단을 결정합니다. 회로 기판에 직접 융착되는 적층 세라믹 커패시터는 기계적 응력을 흡수하지 못할 수 있습니다. 리드형 세라믹 커패시터는 핀을 통해 기계적 응력을 흡수할 수 있습니다. 결과적으로, 적층 세라믹 커패시터 파단의 주요 원인은 열팽창 계수 변화 또는 회로 기판 굽힘으로 인한 기계적 응력입니다.
4.6. 적층 세라믹 커패시터의 파괴 분석
적층 세라믹 커패시터가 기계적으로 파손되면 두 개 이상의 전극 사이에 아크 방전이 발생하고 파손 시 전극 절연 분리가 파괴 전압보다 낮아져 적층 세라믹 커패시터가 완전히 고장납니다. 기계적 응력을 줄이는 것이 적층 세라믹 커패시터를 기계적 파손으로부터 보호하는 주요 방법입니다. 이는 회로 기판의 굽힘을 최소화하고, 세라믹 칩 커패시터가 기판에 가하는 응력을 줄이고, 적층 세라믹 커패시터와 회로 기판 사이의 열팽창 계수 차이를 줄임으로써 달성할 수 있습니다.
작은 패키지 크기의 커패시터를 선택하면 적층 세라믹 커패시터와 회로 기판 사이의 열팽창 계수 차이로 인해 발생하는 기계적 응력을 줄일 수 있습니다. 예를 들어 알루미늄 회로 기판의 경우 가장 작은 상자를 사용해야 합니다. 이 문제는 다중 병렬 연결, 적층, 핀 패키지의 세라믹 커패시터, 또는 이러한 방법의 조합을 통해 해결할 수 있습니다.
4.7. 적층 세라믹 커패시터의 전극 단자 용융
적층 세라믹 커패시터를 웨이브 솔더링할 때 전극 단자가 녹아내릴 수 있습니다.여기서 주요 요인은 웨이브 솔더링에 사용되는 적층 세라믹 커패시터와 고온 솔더 사이의 매우 장시간 접촉입니다.현재 두 가지 유형의 적층 세라믹 커패시터가 있습니다.웨이브 솔더링이 가능한 것과 매우 메스꺼운 현상인 리플로 솔더링이 가능한 것입니다].적층 세라믹 커패시터에 대한 적절한 예방 조치는 적층 세라믹 커패시터의 전극 단자가 다양한 용접 기술에서 견딜 수 있는 고온 솔더의 시간적 특성에 대해 자세히 설명합니다.답은 간단합니다.실제로 사용할 때 웨이브 솔더링 기술에 맞는 적층 세라믹 커패시터를 사용하거나 웨이브 솔더링을 가능한 한 적게 사용하십시오.
(기타 생략)
빈티지 튜너의 필수품인 세라믹 커패시터로 큰돈을 번, 일본 소-부-장의 대표 주자격인 일본 무라타(Murata)는… MLCC 분야에서도 잘나가고 있음. 최근에는 10uF MLCC를 소개하기도. 잘만 하면, 고질병이 있는 전해커패시터를 완전히 대체하시겠다? 그러니까, 지금 판매하는 것의 가격을 1/1000 정도로 크게 낮출 수만 있다면.
“응? 그렇게는 안 되요?”
