임베디드 캐패시터용 저온소결 BaTiO₃연구 = Study of Low Temperature Co-fired BaTiO₃for Embedded Capacitor
저자
발행사항
아산 : 순선향대학교 대학원, 2009
학위논문사항
학위논문(석사)-- 순선향대학교 대학원 : 신소재공학과 2009. 2
발행연도
2009
작성언어
한국어
주제어
발행국(도시)
충청남도
형태사항
82 p. ; 26cm
일반주기명
지도교수 :이경호
소장기관
Since the high permittivity of ferroelectric BaTiO₃ ceramics has been discovered in 1943, BaTiO₃-based ceramics have been studied widely in the electronics in industry. The BaTiO₃-based ceramics have been used not only in single layer capacitors but also in multilayer capacitors.
MLC dielectrics which satisfy the EIA requirement of X7R on temperature coefficient of capacitance (TCC) has been developed successfully based on BaTiO₃. However, this kind of materials has a sintering temperature of above 1300℃.
In this study, Effective sintering aid for BaTiO₃ has been studied in order to use BaTiO₃ as an integrated decoupling capacitor in mobile communication system. Among the studied sintering additives, CuO-LiF mixture revealed as the most promising sintering aid for co-firing with a selected commercial low-k LTCC sheet. When 10 wt% of LiF and CuO was added to BT, its shrinkage rate and total shrinkage amount up to the co-firing temperature was almost same with the commercial low-k LTCC sheets. As the ratio of CuO increased, the permittivity of the doped BT was increased. However, TCC was become unstable with increasing CuO content. TCC of CuO-LiF doped BT could be controlled by controlling the grain size of BT. Chemical compatibility test revealed that there was no severe reaction between BT and Ag electrode.
본 연구에서는 LiF-CuO를 BaTiO₃(이하 BT라 칭함)에 첨가하였을 때 BT의 소결거동과 TCC에 미치는 영향을 알아보고자 하였으며, 또한 Ag전극과의 매칭성, 즉 이종소재간의 반응성 여부와 나아가 고밀도 다층의 LTCC 모듈에서 embedded capacitor layer로서 가능성을 확인하고자 하였다.
1. V₂O_(5)첨가의 경우, V₂O_(5)의 용융온도는 685℃로 낮아 저온에서 소결이 기대되었으나 순수 BT에 비해 오히려 수축온도가 증가하는 결과를 얻었다. 이는 V₂O_(5)가 용융되기 이전에 이미 BT와 반응하여 1150℃이상의 온도에서 액상이 형성되지 않고 있음을 말하여 준다. 반면에 CuO의 녹는점이 1201℃이지만 BT에 첨가하였을 때 수축온도를 줄일 수 있었다. 이것은 액상이 CuO와 BT 사이에 반응으로 형성되었기 때문이다. LiF 첨가는 BT의 소결온도를 크게 줄일 수 있었다. 그리고 특히 10wt%LiF 첨가하였을 때 상용하는 LTCC 시트와 비슷한 거동을 하고 있었다. 하지만 LTCC시트와 비슷한 수축온도를 가지지만 최종 수축률이 6% 정도 차이가 있었다. 이러한 수축개시온도 및 최종수축률의 차이는 두 소재의 동시소성 공정에서 휨(warpage), 박리(delamination), 균열(crack) 등의 결함들을 야기 시킨다.
2. BT에 LiF와 CuO를 1:1의 몰 비로 혼합하여 전체 중량비를 0.5~10%첨가 하였을 때 BT의 수축개시온도를 줄일 수 있었다. 첨가량이 증가할수록 BT의 수축 개시온도가 점차 감소되었고, 수축률은 증가하였다. 특히 10wt%LiF-CuO를 첨가 하였을 때는 현재 저유전율 기판으로 가장 많이 사용되고 있는 상용 NEG사의 MLS-22기판과 860℃의 온도까지 유사한 수축거동을 얻을 수 있었다. 하지만 유전특성 결과 유전율은 2400정도로 유전율의 상승효과가 있었지만 TCC가 X5R이나 X7R에서 벗어났다.
3. LiF-CuO가 첨가된 BT와 Ag 전극과의 반응성 여부는 두 소재를 혼합하여 860℃에서 20분간 반응시킨 후 XRD 측정 결과, 이차상은 생성되지 않았다. 또한 BT와 Ag전극의 접합부위에서 EDX 성분 분석 결과, 구성성분간의 상호확산은 거의 일어나지 않은 것으로 판단되었다.
4. BT에 10wt% (nLiF-mCuO)를 첨가하였을 때 CuO의 첨가량이 증가 할수록 측정온도구간(-55~125℃)에서 유전율(permittivity)의 증가를 가져왔다. 그러나 CuO함량의 증가는 상온이하의 온도범위에서는 정전용량 온도계수(TCC)를 증가시키고, 상온이상의 온도범위에서는 TCC를 감소시키는 경향을 보이며 TCC를 X5R의 요구범위에서 벗어나게 하였다. 정전용량 온도계수가 X5R 특성에 만족하는 경우는 LiF만이 단독으로 10.0% 첨가된 경우이다. 그러나 이 경우는 유전율이 600정도로 낮았다.
5. LiF 및 CuO가 동일한 비로 10.0% 첨가된 BT 시편에 대하여 소결온도, 소결시간, 승온속도를 달리한 결과 각각의 조건에서 증가된 결정립 크기를 얻을 수 있었다. BT에 첨가된 LiF-CuO가 BT와 반응할 시간이 많을수록 BT의 유전율을 올리는 반면 TCC를 불안정하게 만드는 것으로 생각이 된다. 특히 BT+10wt%(LiF-CuO)를 승온속도를 5℃/min으로 800℃에서 20분간 소결하였을 때 유전율은 1200이상의 값을 얻을 수 있었고, TCC는 X7R 요구특성을 만족하는 결과를 얻을 수 있었다.
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