1. 서 론

적층 세라믹 커패시터(multilayer ceramic capacitor, MLCC)는 가전 및 최첨단 가전기기에 전하를 저장하고 방전하는 부품으로 이용되고 있으며, 최근 자동차의 전력변환 시스템으로 시장 범위를 넓히고 있다^(1-4). 자동차용 MLCC는 고전압을 버텨야 하고, 고온에서도 안정된 전기적 특성과 신뢰성 ^(5,6)을 가져야 하므로 동작 온도가 -55°C에서 125°C인 X7R MLCC는 현재 전장 부품으로 주목을 받고 있다. MLCC는 고주파수에서 우수한 전기적 특성을 가져야 하므로 equivalent series resistance(ESR)의 값인 R이 낮아야 한다. 그 이유는 MLCC에 흐르는 전류가 I일 때 MLCC가 소비하는 전력(P)은 식(1)과 같기 때문이다.

ESR이 높은 MLCC는 리플에 의한 열 발생으로 열화와 파괴가 발생하기 쉽다. 자기 공진 주파수(self resonance frequency)에서 이론적으로 임피던스가 0 Ω이지만 정밀한 측정 장비를 이용하여도 수 mΩ으로 측정된다. 케이블 길이가 1 m인 일반적인 triaxial과 BNC 케이블의 저항은 0.5 Ω 근처 값을 가지므로 문제가 될 수 있다. 커패시턴스, 저항과 인덕턴스를 측정할 수 있는 LCR 미터는 측정 전 교정 작업에서 케이블 길이를 반영하지만, MLCC의 낮은 ESR을 정밀하게 측정하기 위해서는 측정 환경에 대한 연구가 필요하다.

본 연구에서는 측정 환경에 따른 X7R 630 V급 0.47 μF MLCC의 커패시턴스, ESR, dissipation factor(DF) 및 임피던스의 영향을 연구하였다. MLCC를 프로브 스테이션의 chuck 혹은 테스트 픽스처의 jig에 탑재하였고, 테스트 환경마다 케이블 길이를 변화시켰다. 측정 환경에 따른 630 V급 MLCC의 전기적 특성을 분석하였고, 그 이유를 연구하였다.

2. 본 론

0.47 μF 용량을 가지는 X7R 630 V급 MLCC를 2개를 선정하였고, 편의상 MLCC type1 ⁽⁷⁾와 MLCC type2 ⁽⁸⁾로 명명하였다. MLCC type1의 길이와 너비는 5.7 mm와 5.0 mm이고 MLCC type2의 길이와 너비는 5.7 mm와 6.3 mm이다. MLCC를 측정하기 위하여 케이블과 커넥터로 이루어진 테스트 픽스처와 LCR 미터 장비를 이용하였다. 연구에 이용된 케이블과 커넥터의 형태는 BNC이었다. 본 연구에서는 E4980A LCR 미터 장비와 세 종류의 측정 환경을 이용하였다. 첫 번째 환경은 케이블 길이가 2 m인 BNC 테스트 케이블(16048D)이며, MLCC를 프로브 스테이션 척에 탑재하여 측정하였다. 프로브 스테이션을 이용하는 경우 스테이지 위 절연 패드에 MLCC를 위치해놓고 프로브 팁으로 연결하였다. 이 방법은 MLCC에 hot chuck을 이용하여 온도를 가변하면서 쉽게 전기적 특성을 측정할 수 있지만, 프로브 스테이션 내 프로브 포지셔너, 내부 케이블 및 프로브 팁에 대한 기생 성분에 대한 고려가 필요하다.

두 번째 환경은 케이블 길이가 1 m인 테스트 픽스처(16334A)이며 트위저 형태의 컨택을 가지고 있다. 세 번째 환경은 케이블 길이가 0 m인 테스트 픽스처(16034E)이며 MLCC를 측정하기 위한 jig를 LCR 미터에 직결할 수 있는 것이다. 16334A와 16034E 테스트 픽스처들을 이용한 경우 프로브 스테이션이 필요가 없다. 추가로 테스트 픽스처 변경한 이후 매번 교정 작업을 수행하였으며 해당 케이블 길이를 입력하였다. MLCC 측정 시 오차를 줄이기 위해 LCR 미터의 auto level control(ALC) 기능을 활성화하였다. MLCC의 절연 상수 aging에 의한 영향을 억제하기 위해서 측정 전 MLCC를 Curie 온도 이상인 150°C에서 1시간 동안 열처리 후 상온에서 48시간 내외가 지난 후 측정을 수행하였다.

MLCC는 반도체 트랜지스터보다 예민하게 DC bias에 의하여 전기적 특성이 변하는 aging을 가지고 있으므로 유의해야 한다 ⁽³⁾. MLCC의 연속된 측정 과정 중 높은 DC 바이어스가 인가된 이후 측정한 전기적 데이터에는 이러한 aging 효과를 고려해야 한다. 이것의 메커니즘은 DC 전계가 MLCC에 인가되면 트랩된 전하에 의한 grain boundary 내부에 형성되는 전계에 의한 유전율이 저하 혹은 BaTiO의 90° domain switching에 의한 유전용량 열화 현상으로 보고되고 있다 [3,9-11]. 본 연구에서 전체 측정 과정 중 DC 바이어스 aging 영향을 억제하기 위하여 MLCC에 인가되는 DC와 AC 전압의 합을 2.5 V 이내로 유지하였다. MLCC type1과 type2의 DC 전압에 의한 커패시턴스와 ESR을 측정하였다. 이때 주파수, AC 전압 및 온도는 각각 1 kHz, 1 V 및 25°C이었다. 이 조건은 전압과 주파수에 따라 특성의 변화가 큰 MLCC에 대하여 정격전압이 10 V 이상이고 용량이 10 μF 이하인 MLCC에 통용되는 JIS C 5101-1, 1998 기준이다. 본 연구에서 DC 바이어스 aging을 피하고자 DC 전압을 0 V에서 1.5 V까지 가변하였기 때문에 DC 전압에 의한 커패시턴스의 큰 폭 감소를 측정하지 못하였다. DC 전압이 0 V에서 1.5 V까지 변화하였을 때 세 테스트 픽스처를 이용한 경우 MLCC type1과 type2 모두 커패시턴스 변화율이 1% 이내였다. DC 전압이 1.5 V일 때 프로브 스테이션, 16334A 및 16034E 테스트 픽스처를 이용한 경우의 MLCC type1의 ESR는 각각 4.7 Ω, 7.2 Ω 및 4.4 Ω이었다. 동일 조건에서 MLCC type2의 ESR는 각각 4.9 Ω, 5.4 Ω 및 4.2 Ω이었다. 두 MLCC 모두 케이블 길이가 0 m이며, LCR 미터에 직결하여 사용하는 테스트 픽스처인 16034E가 가장 낮은 ESR 측정을 할 수 있었다. 즉, LCR 미터의 케이블 길이를 입력하여 진행하는 교정 작업을 수행하더라도 케이블 길이가 짧을수록 정확한 측정이 가능하였다.

두 MLCC를 AC 전압에 따른 커패시턴스, ESR와 DF를 측정하였다. 이때 주파수, DC 전압과 온도는 1 kHz, 0 V 및 25°C로 고정하였다. 두 MLCC 모두 AC 전압이 증가하면 커패시턴스가 증가하는데 그 이유는 MLCC내 grain의 쌍극자가 높은 DC 전계에 의하여 일렬로 배열되어 커패시턴스가 감소하는 것과 반대되는 메커니즘 때문이다. 하지만 AC 전압이 0에서 2 V까지 증가 시 MLCC type1과 type2는 각각 커패시턴스 변화율은 각각 4와 3% 이내로 적었다. 또한, 테스트 픽스처에 따른 AC 전압 대비 커패시턴스 변화율은 의미 있는 차이를 보이지 않았다. 그림 1은 MLCC type1과 type2의 AC 전압에 따른 측정된 상온 ESR이다. MLCC의 ESR은 AC 전압에 의하여 증가하는데 그 이유는 AC 전압이 증가할수록 절연체 내 쌍극자가 선형적보다 적게 polarization되기 때문이다. 두 MLCC 모두 트위저형인 16334A 테스트 픽스처가 높은 ESR를 측정하였고, LCR 미터에 직결하는 16034E 테스트 픽스처가 낮은 ESR을 측정하였다. AC 전압이 1 V일 때 프로브 스테이션, 16334A 및 16034E 테스트 픽스처를 이용한 경우의 MLCC type1의 ESR는 각각 4.3 Ω, 6.9 Ω 및 4.1 Ω이었다. 동일 조건에서 MLCC type2의 ESR는 각각 4.9 Ω, 5.3 Ω 및 3.8 Ω이었다. 트위저형 테스트 픽스처를 이용한 경우 DC, AC 전압 변화 시 MLCC의 ESR이 높게 측정된 이유는 테스트 픽스처의 트위저 컨택과 MLCC 전극 사이의 연결이 불완전하기 때문이다. 그림 2는 MLCC type1과 type2의 AC 전압에 따른 측정된 상온 DF이다. MLCC의 DF는 식(2)에 결정되기 때문에 ESR이 증가하면 DF 역시 증가하게 된다.

주파수, AC 전압과 온도가 1 kHz, 1 V 및 25°C일 때 16034E 테스트 픽스처를 이용한 경우 MLCC type1과 type2의 DF는 각각 0.021와 0.016이었다. 동일 AC 전압 조건에서 16034E 테스트 픽스처를 이용한 경우 MLCC type1과 type2의 DF는 각각 0.012와 0.012이었다. 트위저형 테스트 픽스처를 이용한 경우 다른 조건을 이용한 경우보다 높은 ESR를 가지므로 두 630 V급 MLCC 모두 가장 높은 DF를 가졌다.

마지막으로 주파수에 따른 두 MLCC의 커패시턴스, ESR와 임피던스(Z)를 측정하였다. MLCC의 임피던스와 자기 공진 주파수(self-resonant frequency, SRF)는 아래 식(3)과 식(4)을 통하여 결정된다.

위 식에서 ESL은 MLCC의 equivalent series inductance이고, L은 그 값을 의미한다. 이때 DC와 AC 전압은 각각 0 V와 0.05 V이었다. 본 연구에 이용한 LCR 미터는 20 Hz부터 2 MHz까지 측정할 수 있지만, 두 MLCC 모두 2 MHz 근처에서 공진이 일어나서 완벽하게 자기 공진 주파수를 측정하기 어려웠다. 그림 3은 주파수에 따른 두 630 V급 MLCC의 측정된 상온 임피던스이다. MLCC의 임피던스는 ESR, 커패시턴스와 ESL에 의해 결정된다. 16334A 테스트 픽스처를 이용한 경우 ESR이 높으므로 자기 공진 주파수 근처에서 임피던스가 높아 자기 공진 특성의 확인이 어려웠다. 본 연구에서는 16034E 테스트 픽스처를 이용한 경우 두 MLCC의 자기 공진 주파수에서 임피던스를 0.1 Ω 내외로 측정할 수 있었다. 자기 공진 특성을 정확히 측정하려면 측정 환경의 기생 성분을 줄여야 하고, 동작 주파수 범위가 넓은 LCR 미터 혹은 임피던스 분석기를 이용하면 정확성이 개선된다. LCR 미터에 직결하는 16034E 테스트 픽스처를 이용한 경우 두 630 V급 MLCC의 주파수에 따른 임피던스 특성은 의미 있는 차이는 없었다.

추가로 MLCC 측정 시 전력인가와 측정 기능이 결합한 source measure unit(SMU)을 이용하는 경우 MLCC에 전력 인가 직후 MLCC에서 SMU로 방전되는 전류로 인하여 SMU에 손상이 발생할 수 있어서 보호 모듈 연결이 필요하다. 전력인가와 측정 기능이 분리된 전원 공급기와 측정 장비를 이용하여 MLCC의 전기적 특성을 측정하는 경우 단선 케이블에 쉽게 저항이나 다이오드를 연결하여 전원 공급기를 보호할 수 있으나 측정 장비가 SMU보다 낮은 전류 해상도를 가지므로 이에 대한 고려가 필요하다. 하지만 측정 과정 중 발생할 수 있는 다이오드의 역시 순방향 항복에 주의해야 하며, 다이오드의 커패시턴스를 고려해야 한다. 실리콘 pn 접합 다이오드의 확산 커패시턴스는 열 전압(V)에 반비례하고 정공 및 전자 전류(I, I)와 캐리어 수명시간(τ, τ)에 비례한다 ⁽¹²⁾. 또한, DC 전압이 MLCC에 인가한 경우 MLCC에 충전된 전하를 방전 후 측정 기기를 이용해야 한다.

3. 결 론

테스트 픽스처에 의한 자동차용 630 V급 MLCC의 전기적 특성의 변화를 연구하였다. AC 전압과 주파수가 각각 1 V와 1 kHz일 때 MLCC type1의 프로브 스테이션, 트위저형 테스트 픽스처 및 측정 장비에 직결하여 사용하는 테스트 픽스처를 이용한 경우 ESR는 각각 4.3 Ω, 6.9 Ω 및 4.1 Ω이었다. 동일 조건에서 MLCC type2의 ESR는 각각 4.9 Ω, 5.3 Ω 및 3.8 Ω이었다. 630 V급 MLCC 두 종류 모두 케이블 길이가 0 m이며, LCR 미터에 직결하여 사용하는 테스트 픽스처가 가장 낮은 ESR 측정을 할 수 있었다. 기생 성분에 의한 ESR 증가는 MLCC의 DF를 증가시켰으며, ESR와 ESL 영역 경계의 자기 공진 주파수를 추출하기 어렵게 하였다. 트위저 형태의 테스트 픽스처는 트위저 컨택과 MLCC 전극 사이에서 기생 저항이 ESR를 증가시킨 주요 이유이다. 시장이 확대되고 있는 자동차용 부품의 스너버 커패시터와 DC 링크 커패시터로 유망한 630 V급 MLCC의 정확한 평가를 위해서 측정 시스템의 기생 성분을 줄이는 연구가 필요하다.