전 세계 수동 부품 업계의 선두 기업 중 하나인 Samsung ELECTRO-MECHANICS(SEMCO)는 다양한 종류의 다중기판 세라믹 커패시터(MLCC)를 제공하고 있습니다. 기존 텔레콤, 산업 및 소비자 전자제품 시장 외에 Samsung은 무결점 기술이 필요한 자동차 산업 부문에서도 기반을 다졌습니다. 이러한 까다로운 산업 부문에서 SEMCO는 엄격한 테스트를 성공적으로 통과하고 인포테인먼트, 에어백, 제동 시스템, 변속 시스템, 배터리, 본체 및 섀시 등 모든 차량 부품에 통합 가능한 AECO-200 적격 MLCC를 제공하고 있습니다.
다중기판 세라믹 커패시터(MLCC)는 적층 세라믹 기판으로 구성된 블록 형태로 제공됩니다. 이 구조가 단순하게 보일 수 있지만, 점점 더 까다로워지는 업계 품질 및 성능 요구를 충족시키기 위해서는 고급 기술 및 재료뿐 아니라 복잡한 일련의 작업이 요구됩니다. 여기에서는 MLCC 제조 주기의 필수 단계를 먼저 살펴보겠습니다.
배치 생성
배치라고 부르는 첫 번째 단계는 부품 제조를 위해 원자재를 준비하는 과정입니다. 세라믹 파우더와 바인더 및 솔벤트를 슬러리와 혼합합니다. Samsung은 이 단계에서 세라믹을 직접 제조합니다. 덕분에 생산 공정 및 품질을 완전히 제어할 수 있으며, 높은 가치의 용량도 확보할 수 있습니다. 그런 후 필름에 슬러리를 코팅하여 얇고 균일한 세라믹 판을 얻습니다. 금속성 니켈 페이스트 형태의 내부 전극을 이 세라믹 판에 인쇄합니다. 그런 후 니켈 스트립을 적층하여 다중기판 부품을 만듭니다. 중합층 수만큼 전극이 축적되고, 사용되는 유전체 유형에 따라 제조 부품의 접전용량 값이 정의됩니다. 축적된 층을 절단하여 원하는 칩 형태를 만듭니다. 라미네이팅, 파이어링, 텀블링과 같은 몇 가지 추가 단계를 거친 후 내부 및 외부 전극 간 전도가 양호하도록 소결이 적용됩니다. 마지막으로 부품의 각 단자를 구리로 디핑하여 외부 전극을 형성합니다.
지금까지의 MLCC 제조 주기는 어느 정도 표준화된 공정이라고 말할 수 있습니다. Samsung 공정과 기존 공정 간의 차이가 있다면 취약한 세라믹이 파괴되지 않도록 보호하기 때문에 Samsung 부품의 안전성과 신뢰성이 더 높다는 것입니다. 실제로 모든 부품에 에폭시 및 구리 레진을 사용한 2차 디핑이 적용됩니다. 이 단계를 통해 Samsung은 인쇄 회로 기판에 대한 기계적 스트레스 및 열 충격으로 인한 파괴 등의 잠재적 위험을 방지하고 있습니다. 마지막으로 부품이 산화되지 않도록 보호하고 용접성을 향상시키기 위해 니켈 및 주석 도금을 커패시터에 코팅합니다.
소프트 금속 단말처리 방식의 MLCC: 모든 SEMCO 클래스 II 자동차 등급 MLCC의 표준: PN 시리즈
다중기판 세라믹 커패시터는 열 충격이 가해지거나 잘못된 취급으로 인해 인쇄 회로 기판(PCB)이 과도하게 휘었을 때 크랙에 취약할 수 있습니다. 이러한 과도한 휨 문제에 대처하기 위해 SEMCO는 모든 클래스 II 자동차 등급 MLCC의 외부 단말처리에 에폭시 및 구리 금속 레진을 사용합니다. 이렇게 유연한 단말처리를 통해 기판의 기계적 스트레스가 세라믹 부품으로 전달되지 않도록 방지함으로써 굴곡 크랙 문제를 완화합니다. 이렇게 해서 SEMCO는 표준 PN 시리즈 MLCC에 대해 최대 3mm까지 굽힘 강도를 보장합니다.
범용 자동차용 MLCC, PN 시리즈
커패시터에 저장되는 에너지가 매우 크기 때문에 내부 단락이 일어나면 온도가 크게 증가하여 폭발로 이어질 수 있습니다. 그러면 부품만 파괴되어 증거가 사라지는 것이 아니라 주변 부품, 회로 기판, 인접 회로 기판 어셈블리까지 손상을 줄 수 있으며,심각한 경우 화재를 유발할 수도 있습니다[1]. 유연한 단말처리는 크랙을 방지하고 단락까지 일어나지 않게 하는 효과가 얼마나 좋을까요? 자동차에서 다른 것보다 위험 발생 가능성이 높은 적용 분야가 있을까요? 이러한 질문에 답변하기 위해 자동차 제조업체들은 각자 고유한 품질 및 안전 표준을 만들었습니다. 자동차 제조업체들에서 개발된 여러 표준들 중에 Volkswagen 그룹에서 VW 80808 표준을 제정하여 만든 "파손안전 전략(Failsafe Strategy)"이라고 부르는 통합 보안 전략이 있습니다.
파손안전 MLCC
일반적인 MLCC와 달리 소프트 방식으로 단말처리된 MLCC는 회로 기판의 심각한 왜곡으로 인해 발생하는 내부의 기계적 스트레스를 줄임으로써 칩 내부의 단락을 방지합니다.
하지만 표준 자동차 등급 MLCC가 필요한 안전성을 보장할 수 있을까요?
SEMCO에서 보장하는 굽힘 강도(3 mm)는 확실히 자동차 적용 분야의 요건을 충족시켜 주며, 업계에서 적용되는 표준(동급 제품의 2 mm)보다 더 높습니다. 하지만 이보다 더 엄격한 안정성이 요구되는 적용 분야에서는 사용하기에 충분하지 않습니다. 바로 이러한 이유로 VW 80808 표준은 AEC-Q200 표준보다 더 엄격한 테스트를 필요로 합니다. VW 표준은 또한 필요한 안정성 정도에 따라 적용 분야를 분류하고 있습니다.
VW 80808 표준에 따르면, 특히 배터리 전압에 직접 배치되는 MLCC(터미널 15, 30) 또는 전력 손실 중 시스템 작동을 심각하게 변경할 수 있는 MLCC의 경우, 2.5 W 이상의 전력 손실을 일으킬 수 있는 단락에 대해 안정성 정책을 적용해야 합니다.
첫 번째 옵션은 커패시터를 직렬 및 직교 방식으로 배치하는 것입니다. 이 솔루션은 전기 시스템의 전압 값에 관계없이 구현될 수 있습니다. 이러한 일련의 커패시터는 한 부품에 대한 2개 커패시터 직렬 배치를 통해 단락을 견뎌냅니다. 따라서 두 부품 중 하나가 손상되어도 MLCC가 백업 커패시터로 작동합니다.
12 V 전압의 경우 다른 솔루션이 제안됩니다. 이러한 솔루션은 유연한 금속성 단말처리에만 적용할 수 있습니다.
시리즈 구조 설계의 파손안전 기능: XP 시리즈
이전 솔루션과 동일한 원칙을 따르는 이러한 이중 안정성 다중기판 시리즈 커패시터 개념을 플로팅 또는 플렉스세이프 전극 개념이라고도 부릅니다. 부품 내부 전극은 단축되어 있으며 위 레이어의 카운터 전극은 단말처리 시 비전도성 연결을 사용하는 플로팅 전극이 됩니다. 세라믹 연결부가 절단될 경우에도 카운터 전극에 전기 연결이 설정될 수 없습니다. 따라서 단절이 일어나도 커패시터의 단락으로 이어지지 않으며, 대신 접전용량 값 변화가 일어납니다. 이 값은 줄어든 활성 표면으로 인해 어떤 경우에도 제한된 상태로 유지됩니다.
시리즈 모드 설계 MLCC: XP 시리즈
오픈 모드 설계: WP 시리즈
WP 시리즈는 내부 전극이 단축되고 부품에 포함되는 방식으로 설계되었습니다. 크랙 발생 시에는 동일 전위의 전극만 위험 영역에 연결되기 때문에 단락 가능성이 최소화됩니다. 하지만 유효 지역이 감소하기 때문에 사용 가능한 용량이 상대적으로 제한됩니다.
오픈 모드 설계 MLCC: WP 시리즈
굽힘 강도가 5 mm로 더 높은 Softterm MLCC: PJ 시리즈
더 엄격한 안전 규정이 요구되고 위험이 더 큰 적용 분야를 위해 PJ 시리즈의 소프트 단말처리 MLCC는 최대 5 mm까지 굽힘 강도를 보장합니다.
"소프트 단말처리"는 일반적으로 5 mm에 해당하는 굽힘 강도와 관련이 있습니다. 반면에 SEMCO는 두 시리즈를 PN 시리즈(3 mm)와 PJ 시리즈(5 mm)로 구분하고 있습니다.
소프트 단말처리 MLCC, PJ 시리즈
PJ 시리즈의 MLCC는 VW 80808의 엄격한 열 및 기계적 테스트를 통과해야 합니다[2].
또한 더 나은 기계적 내성 및 위험 수준이 높은 적용 분야에서 사용 가능한 용량 외에도 PJ 시리즈는 PN 시리즈에 비해 다른 이점을 갖고 있습니다. 소형 및 중형 용량 값의 경우, 동일 전위의 추가 레이어가 상단 및 하단에 배치됩니다. 그 결과 단락 위험이 감소하고 부품의 전체 구조에 더 나은 기계적 안정성을 제공합니다.
자동차 시장 추세 및 Samsung의 제안
미래의 이동 기술은 전기화되고, 자율화되고, 공유되고, 연결될 뿐만 아니라 정기적으로 업데이트되는 특성을 갖습니다[3]. 이를 위해서는 매우 많은 수의 커패시터는 물론 동시에 매우 높은 성능의 커패시터가 요구됩니다. 이러한 모든 적용 분야를 충족시키기 위해 특히 점점 더 많은 전자 제어 장치(ECU)가 필요합니다. 따라서 자동차 제조사들은 차량 내 동일한 공간에 점점 더 많은 수의 부품을 배치해야 합니다. 그 결과 현재 자동차 업계에서 중요한 추세가 바로 높은 접전용량 값을 갖는 소형 커패시터에 대한 요구입니다. 이를 위해서는 이러한 종류의 커패시터에 필요한 세밀한 세라믹 파우더 제조를 비롯한 제조 기술의 정밀 노하우가 필요합니다. Samsung은 업계에서 이러한 기술을 이용할 수 있는 몇 안되는 제조업체들 중 하나입니다.
따라서 Samsung은 공간 문제의 해결뿐만 아니라 소형 커패시터가 유연한 단말처리 구조에 완벽하게 어울리기 때문에 커패시터를 소형화할 것을 제안합니다. 미세 세라믹 파우더를 사용함으로써 더 얇은 두께의 층형 구조를 조금 더 수월하게 달성할 수 있습니다.
일반적으로 Samsung은 고객이 선택할 수 있는 다양한 제품 옵션을 지원하며, Arrow는 이러한 Samsung 제품의 검색 및 판매를 위한 도구를 제공합니다.
SAMSUNG ELECTRO-MECHANICS 제품 정보
2019년 6월부터 Samsung ELECTRO-MECHANICS에서 애플리케이션 엔지니어로 근무 중인 Mokhtar Marzouk은 EMEA 지역의 수동 부품에 관한 기술 및 상업 개발 관리자입니다. 그는 또한 EMEA 주요 Automotive Tier1 고객사에서 승인 활동을 주도하고 있습니다.
그는 독일 에를랑겐 뉘른베르크 대학에서 전기공학, 전자기기 및 정보 기술 석사 학위를 취득했습니다.
출처:
[1] Keimasi, M., Azarian, M. H., & Pecht, M.(2007). Isothermal aging effects on flex cracking of multilayer ceramic capacitors with standard and flexible terminations. Microelectronics Reliability, 47(12), 2215‑2225. https://doi.org/10.1016/j.microrel.2006.12.005
[2] VW 80808-2, appendix A “Qualification of MLCCs with soft termination
[3] Five trends transforming the Automotive Industry, PWC
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