적층세라믹콘덴서(MLCC)는 '전자산업의 쌀'로 알려져 있다. 이들의 애플리케이션 환경은 가전제품에서 5G 통신 기지국, 자동차 전자제품, AI 서버, 항공우주 및 기타 여러 분야로 확장되었습니다. 그러나 다양한 애플리케이션 시나리오에는 MLCC에 대한 성능 요구 사항이 크게 다릅니다. 예를 들어, 자동차용-등급 MLCC는 -55도에서 +125도까지의 넓은 온도 범위에서 안정적인 정전 용량을 유지해야 하며, CPU, GPU, HBM과 같은 고성능 칩은 전력이 계속 증가함에 따라 MLCC는 안정적인 전력 공급 및 에너지 저장을 위해 제한된 공간에서 더 큰 정전 용량을 제공해야 합니다. 온도 특성, 커패시턴스 범위, 유전 안정성 및 노화 특성과 같은 핵심 매개 변수는 본질적으로 세라믹 유전체 분말의 고유 결정 구조 및 분극 메커니즘과 관련됩니다.
MLCC는 유전체 재료(온도 특성)의 차이에 따라 주로 클래스 I 온도 보상 유전체와 클래스 II 고유전율 강유전성 유전체라는 두 가지 주요 범주로 나뉩니다.- 전자는 온도 안정성과 저손실을 추구하는 반면, 후자는 높은 유전율과 높은 정전용량 밀도를 추구합니다.
클래스 I 온도-보상 유전체
클래스 I 유전체는 일반적으로 TiO2를 주성분으로 사용하며 이는 낮은 유전 상수와 극히 낮은 유전 손실을 제공하여 정전 용량 온도 안정성과 주파수 안정성을 보장합니다. 온도 곡선을 조정하고 미세 구조를 안정화하기 위해 소량의 CaTiO₃ 또는 SrTiO₃ 등도 첨가되어 "확장된" 온도-보상 세라믹을 형성합니다.
이러한 유형의 유전체 물질은 강유전성 영역 전환이나 이동이 없는 상유전체 상태에 있기 때문에 유전 반응은 주로 전자 및 이온 변위 분극에서 비롯되며 강유전체의 자발 분극 특성을 갖지 않습니다. 따라서 이러한 유형의 유전체의 유전 상수는 온도, 주파수, DC 바이어스 및 시간에 따라 거의 변하지 않으며 거의 이상적인 선형 유전 응답, 우수한 온도 안정성 및 노화 현상이 없습니다. 예를 들어, 공통 클래스 I 유전체 C0G(NP0)의 온도 계수는 0 ±30ppm/도입니다. 커패시턴스는 온도에 따라 거의 변하지 않으며 거의 무시할 수 있습니다. 물론 이러한 유형의 유전체는 유전 상수가 상대적으로 낮습니다. C0G- 유형 재료의 비유전율은 일반적으로 6~200이므로 Class I MLCC는 큰 정전용량을 달성하기 어렵습니다. 따라서 클래스 I 유전체 MLCC는 정전 용량 정확도 및 안정성에 대한 엄격한 요구 사항이 있지만 정전 용량 수요가 상대적으로 낮은 시나리오에서 널리 사용됩니다.
01 RF 및 마이크로파 회로
5G 기지국 전력 증폭기 모듈 및 밀리미터파 대역(24~100GHz)을 위한 필터링 및 정합 회로와 같은 고주파수 시나리오에서는 삽입 손실이 매우 낮고 위상 잡음이 최소화되어야 합니다. 클래스 I 유전체는 신호 전송의 안정성과 무결성을 보장할 수 있습니다.
02 발진 및 타이밍 회로
수정 발진기, LC 공진 회로, 클록 회로, 탱크 커패시터 등은 발진 주파수가 주변 온도에 따라 표류하지 않고 정확한 타이밍 및 주파수 제어가 가능하도록 매우 높은 정전용량 안정성이 필요합니다.
03 고급-테스트 및 측정 장비
고정밀 기기,-의료 테스트 장비, 레이더 및 내비게이션 시스템 등은 측정 정확도와 시스템 안정성에 대한 요구 사항이 매우 높습니다. 클래스 I 유전체의 극히 낮은 온도 드리프트 특성은 고급-정밀 장비의 엄격한 요구 사항을 충족할 수 있습니다.
04 군사 및 항공우주전자
이를 위해서는 극한 온도 범위에서 매개변수 일관성이 유지되는 높은 신뢰성이 필요합니다.
클래스 II 고-유전율 강유전체 유전체
클래스 II 유전체는 강력한 강유전성 세라믹으로, 주성분은 티탄산바륨(BaTiO₃)입니다. 실온에서 티탄산바륨은 정방정계 강유전성 구조를 나타내며 자연 분극을 나타냅니다. 외부 전기장이 없더라도 결정 내부의 전기 쌍극자는 어느 정도 규칙적인 배열을 나타내며 유전율은 1500 이상에 도달할 수 있습니다. 그러나 순수한 BaTiO₃는 유전율이 약 130도 부근에서 비정상적으로 높은 퀴리 피크를 갖습니다. 이 온도 지점에서 강유전체-에서-상유전성 구조 상전이가 발생합니다. 퀴리점 양쪽에서는 유전율이 급격하게 변화하여 온도와 인가된 DC 전압에 따라 용량이 급격하게 변동하고 노화 효과가 있습니다. 따라서 BaTiO₃의 퀴리 온도를 조절하고 유전체-온도 스펙트럼을 넓히기 위해서는 코어-쉘 구조를 구축하거나 도핑 변형과 같은 조치가 필요합니다.
01 코어-쉘 구조 구성
즉, 나노티탄산바륨 분말의 표면을 다양한 도핑 원소(Mg, Mn, Y, Dy 및 기타 희토류 원소)로 코팅함으로써 소결 후 화학적 조성이 불균일한-입자를 형성하게 됩니다. 코어는 순수한 티탄산바륨으로, 높은 강유전성을 유지하고 높은 정전용량을 제공합니다. 쉘은 다양한 퀴리 온도와 유전 온도 특성을 지닌 도핑-개질 고용체입니다. 궁극적으로 코어-쉘 비율을 조정함으로써 유전체 성능과 온도 안정성이 균형을 이룹니다.
02 도핑수정
희토류 원소(예: Y, Dy, Ho) 및 일부 알칼리 금속 원소(예: Sr)는 A-사이트(Ba-사이트), B-사이트(Ti-사이트) 또는 양쪽성 도핑에 사용되어 격자 구조를 조절하고, 공여체 또는 수용체 효과를 생성하고, 단위 셀 매개변수와 이온 간 상호 작용을 변경할 수 있습니다. 이는 유전 상수를 최적화하고, 유전 손실을 감소시키며, 유전 피크를 억제 및 넓히거나 퀴리 온도를 더 낮거나 높은 온도로 이동시켜 더 넓은 온도 범위에서 유전 상수를 상대적으로 안정적으로 유지하고 온도 안정성을 향상시킵니다.
티탄산바륨의 도핑 변형
다양한 도핑 전략 및 분말 제형에 따라 클래스 II 유전체에는 X5R, X7R, Y5V, Z5U 및 기타 유형이 추가로 포함됩니다.
(1) X5R: X5R- 유형 MLCC는 수정 비용이 저렴하며 온도-안정 작동 범위를 넓히기 위해 주로 "코어{4}}쉘" 구조를 구성하는 데 의존합니다. 수정 요구 사항은 -55도 ~ 85도의 작동 온도 범위에서 ±15% 이내의 온도 계수를 유지하는 것입니다. 이 작동 온도 범위는 대부분의 민간 시나리오를 포괄하기에 충분하므로 가전제품(휴대폰, 컴퓨터)의 주류 모델입니다.
(2) X7R: 수정 메커니즘은 X5R과 유사하지만 도핑 정밀도에 대한 요구 사항은 상대적으로 엄격합니다. 따라서 온도 상한이 더 높으며 -55도 ~ 125도의 작동 온도 범위에서 ±15% 이내의 온도 계수를 유지할 수 있습니다. 이는 컴퓨터, 자동차 전자 장치, 산업 제어 및 적당한 온도 안정성 요구 사항이 있고 상대적으로 큰 정전 용량이 필요한 기타 시나리오에 널리 사용됩니다.
(3) Y5V/Z5U: Y5V 및 Z5U 분말은 클래스 II 유전체 중에서 가장 높은 정전 용량 밀도를 갖지만 온도에 따라 정전 용량이 매우 눈에 띄게 변동합니다. 그중 Y5V의 작동 온도 범위는 -30도 ~ +85도이고 온도 계수는 +22%/-82%입니다. Z5U의 작동 온도 범위는 +10도에서 +85도이고 온도 계수는 +22%/-56%입니다. 정전 용량 변동 및 노화 저하에 전혀 영향을 받지 않는 버퍼링 및 에너지 저장 시나리오에서만 사용할 수 있으며 신호 회로 및 정밀 제어 루프에서는 엄격히 금지됩니다.