KR20150031759A - 고체 전해 캐패시터 - Google Patents

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신홍규
조재범
양완석
오현섭
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삼성전기주식회사
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Abstract

본 발명은 고체 전해 캐패시터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 내부 리드 프레임을 형성하지 않는 구조로써 정전 용량을 향상시키면서 동시에 등가직렬저항(ESR)을 감소시켜 저 ESR을 구현하고, 면저항 감소로 인해 접합력이 향상된 고체 전해 캐패시터에 관한 것이다.

Description

고체 전해 캐패시터 {Solid electrolytic capacitor}
본 발명은 고체 전해 캐패시터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 우수한 등가직렬저항(Equivalent Series Resistance, ESR) 특성을 가지며, 용량 및 접합력을 향상시킨 고체 전해 캐패시터에 관한 것이다.
고체 전해 캐패시터는 전기를 축적하는 기능 이외에 직류 전류를 차단하고 교류 전류를 통과시키려는 목적으로 사용되는 전자부품 중의 하나로서, 이러한 고체 전해 캐패시터 중 대표적으로 탄탈륨 캐패시터가 제작되고 있다.
탄탈륨(tantalum: Ta) 소재는 융점이 높고 연성 및 내부식성 등이 우수한 기계적 또는 물리적 특징으로 인해 전기, 전자, 기계 및 화공을 비롯하여 우주 및 군사 분야 등 산업 전반에 걸쳐 광범위하게 사용되는 금속이다.
이러한 탄탈륨 소재는 안정된 양극 산화 피막을 형성시킬 수 있는 특성으로 인해 소형 캐패시터의 양극 소재로 널리 이용되고 있으며, 최근 들어 전자 및 정보 통신과 같은 IT 산업의 급격한 발달로 인해 매년 그 사용량이 급격히 증가하는 실정이다.
캐패시터는 서로 절연된 2개의 평판 전극을 접근시켜 양극 사이에 유전체를 끼워 넣고 인력에 의해 전하를 대전하여 축적하는 부품으로, 두 개의 도체로 둘러싸인 공간에 전하와 전계를 가둬 정전 용량을 얻고자 할 때 이용된다.
상기 탄탈륨 소재를 이용하는 탄탈륨 캐패시터(Tantalum Capacitor)는 탄탈륨 파우더(Tantalum Powder)를 소결하여 굳혔을 때 나오는 빈 틈을 이용하는 구조로서, 탄탈 표면에 양극 산화법을 이용하여 산화 탄탈(Ta2O5)을 형성하고, 이 산화 탄탈을 유전체로 하여 그 위에 전해질인 이산화망간층(MnO2)을 형성하며, 상기 이산화망간층 위에 카본층 및 금속층을 형성하여 본체를 형성하며, 인쇄회로기판(PCB)의 실장을 위하여, 상기 본체에 양극 및 음극을 형성하고 몰딩부를 형성하여 완성하게 된다.
탄탈륨 캐패시터는 일반 산업 기기용은 물론 정격 전압 사용 범위가 낮은 응용회로에 사용되며, 특히 주파수 특성이 문제되는 회로나 휴대 통신 기기의 노이즈 감소를 위하여 많이 사용된다.
종래의 탄탈륨 캐패시터는 탄탈륨 소재와 전극을 연결하기 위하여, 내부 리드 프레임을 형성하거나 프레임 없이 단자를 외부로 추출하는 구조를 사용한다.
이때, 내부 리드 프레임을 사용하는 구조의 경우, 양극과 음극을 구성하는 리드 프레임에 의해 몰딩부 내 탄탈륨 소재가 차지하는 공간이 줄어들며, 정전 용량은 탄탈륨 소재의 체적에 비례하므로 이 경우 정전 용량 제한의 문제점이 있을 수 있다.
한편, 종래의 프레임 없이 단자를 외부로 추출하는 구조의 경우 측면에 위치하는 음극 리드 프레임과 탄탈륨 소재의 접속을 위한 솔더가 형성되는 용접 거리를 확보해야 하는 등의 이유로 인해 탄탈륨 소재의 내부 용적률이 작아져 정전 용량 향상에 한계가 있었으며, 접촉하는 재료가 다수 존재함에 따라 다수의 접촉 재료에 의한 접촉 저항이 상승하므로 캐패시터의 ESR이 높아지는 문제점이 있었다.
또한, 양극 와이어를 외부 단자로 직접 인출하여 연결함으로 인해서 접촉 면적이 작아져 면저항이 증가하고, 박리 현상이 증가하는 문제점이 있었다.
아래의 특허문헌 1은 프레임 없이 단자를 외부로 추출하는 구조의 탄탈륨 캐패시터에 관한 것이나, 낮은 ESR의 구현 및 면저항의 감소로 인한 접합력의 향상에는 한계가 있었다.
한국공개공보 제2010-0065596호
본 발명에 따른 일 실시형태의 목적은 내부 리드 프레임을 형성하지 않는 구조로써 정전 용량을 향상시키면서 동시에 등가직렬저항(ESR)을 감소시켜 저 ESR을 구현하고, 면저항 감소로 인해 접합력이 향상된 고체 전해 캐패시터를 제공하는 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 실시형태는,
탄탈륨 분말을 포함하며, 일 단부측에 탄탈륨 와이어가 형성된 캐패시터 본체; 상기 캐패시터 본체 하면에 형성되고, 절연층 및 상기 절연층의 상면 및 하면에 형성된 배선층을 포함하는 실장 기판; 상기 탄탈륨 와이어의 단부가 접속하며, 상기 실장 기판의 배선층과 연결되도록 형성된 측면 전극; 및 상기 캐패시터 본체 및 탄탈륨 와이어를 둘러싸도록 형성된 몰딩부;를 포함하며, 상기 실장 기판은 절연층 내부를 관통하며, 상기 절연층의 상면 및 하면에 형성된 배선층을 전기적으로 연결하는 비아 전극을 포함하는 고체 전해 캐패시터을 제공한다.
상기 실장 기판은 복수의 비아 전극을 포함하며, 상기 비아 전극은 직경이 50 내지 200㎛일 수 있다.
상기 절연층의 두께는 30 내지 50㎛ 일 수 있다.
상기 배선층의 두께는 4 내지 10㎛ 일 수 있다.
상기 탄탈륨 와이어는 상기 캐패시터 본체의 중앙부보다 낮은 하단부에 형성될 수 있다.
상기 캐패시터 본체와 상기 절연층 상면의 배선층 사이에는 전도성 페이스트가 형성되어 전기적으로 연결될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 일 실시형태는 탄탈륨 분말을 포함하며, 일 단부측에 탄탈륨 와이어가 형성된 캐패시터 본체; 상기 캐패시터 본체 하면에 형성되고, 절연층 및 상기 절연층의 상면 및 하면에 형성된 배선층을 포함하는 실장 기판; 상기 탄탈륨 와이어와 상기 절연층 상면의 배선층 사이에 형성되어 상기 탄탈륨 와이어와 상기 실장 기판을 전기적으로 접속시키는 전도성 페이스트; 및 상기 캐패시터 본체 및 탄탈륨 와이어를 둘러싸도록 형성된 몰딩부;를 포함하며, 상기 실장 기판은 절연층 내부를 관통하며, 상기 절연층의 상면 및 하면에 형성된 배성층을 전기적으로 연결하는 비아 전극을 포함하는 고체 전해 캐패시터를 제공한다.
상기 실장 기판은 복수의 비아 전극을 포함하며, 상기 비아 전극은 직경이 50 내지 200㎛일 수 있다.
상기 탄탈륨 와이어는 상기 캐패시터 본체의 중앙부보다 낮은 하단부에 형성될 수 있다.
상기 캐패시터 본체와 상기 절연층 상면의 배선층 사이에는 전도성 페이스트가 형성되어 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 전도성 페이스트는 은(Ag), 금(Au), 납(Pd), 니켈(Ni) 및 구리(Cu)로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 캐패시터 본체 또는 탄탈륨 와이어 중 적어도 하나와 접속하며, 상기 실장 기판의 배선층과 연결되도록 형성된 측면 전극을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 고체 전해 캐패시터는 내부 리드 프레임을 형성하지 않는 구조로써 정전 용량을 향상시키면서 동시에 등가직렬저항(ESR)을 감소시켜 저 ESR을 구현하고, 면저항 감소로 인해 접합력이 향상될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 고체 전해 캐패시터의 개략적인 구조를 내타낸 투명 사시도이다.
도 2는 도 1의 A-A'선 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 고체 전해 캐패시터의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 고체 전해 캐패시터의 단면도이다.
본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하고, 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었으며, 동일한 사상의 범위 내의 기능이 동일한 구성요소는 동일한 참조부호를 사용하여 설명한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 고체 전해 캐패시터의 개략적인 구조를 내타낸 투명 사시도이고, 도 2는 도 1의 A-A'선 단면도이고, 도 3 및 도 4는 본 발명의 각각 다른 일 실시형태에 따른 고체 전해 캐패시터의 단면도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 고체 전해 캐패시터(100)는 캐패시터 본체(10), 상기 캐패시터 본체 일단부에 형성된 탄탈륨 와이어(11), 상기 캐패시터 본체 및 탄탈륨 와이어를 둘러싸는 몰딩부(40) 및 상기 캐패시터 본체가 장착된 실장 기판(60)을 포함한다.
캐패시터 본체(10)는 탄탈륨 재질을 이용하며 소결에 의해 성형될 수 있다. 또한, 캐패시터 본체(10)는 직육면체 형태로 형성될 수 있으며, 캐패시터 본체(10) 일단부로 인출되는 양극의 극성을 가지는 탄탈륨 와이어(11)를 포함할 수 있다.
이러한 캐패시터 본체(10)는 일 예로서 탄탈륨 분말과 바인더를 일정 비율로 혼합하여 교반시키고, 혼합된 분말을 압축하여 직육면체로 성형한 후, 이를 고온 및 고진동 하에서 소결시켜 제작할 수 있다.
이때, 탄탈륨 와이어(11)는 상기 혼합 분말을 압축하기 전에 중심으로부터 편심되도록 상기 탄탈륨 분말과 바인더의 혼합물에 삽입하여 장착할 수 있다.
즉, 캐패시터 본체(10)는 바인더를 혼합한 탄탈륨 분말에 탄탈 와이어(11)를 삽입하여 원하는 크기의 탄탈륨 소자를 성형한 다음, 상기 탄탈륨 소자를 약 1000 내지 2000℃의 고진공(10-5 torr 이하) 분위기에서 30분 정도 소결하여 제작할 수 있다.
상기 캐패시터 본체(10)의 외표면은 음극화를 위하여 이산화망간(MnO2)의 음극층이 형성될수 있다. 또한, 상기 음극층 외부 표면에는 카본 및 은(Ag)이 도포되는 음극 보강층이 더 형성될 수 있다. 이때, 상기 카본은 캐패시터 본체(10) 표면의 접촉 저항을 감소시키기 위한 것이며, 상기 은(Ag)은 전기 전도도가 높은 재료로서 본 기술 분야에서 도전층을 형성하는데 대체로 많이 사용되나, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
여기서, 상기 캐패시터 본체(10)는 음극층 및 음극 보강층에 대한 도면 표시와 도면 부호 기재에 있어 본 발명이 채택하고 있는 고체 전해 캐패시터 제작 시 당업자가 도면 표시 없이도 충분히 이해될 수 있는 공지 기술에 해당된다고 판단되어 생략하였다.
몰딩부(40)는 탄탈륨 와이어(11)의 단부가 노출되게 한 상태에서 캐패시터 본체(10)를 둘러싸도록 수지를 몰딩하여 형성될 수 있다.
상기 캐패시터 본체(10)의 하면에는 실장 기판(60)이 형성되어 음극 전극 및 양극 전극과 전기적으로 접속시킬 수 있다.
상기 실장 기판(60)은 절연층(65) 및 절연층의 상면 및 하면에 형성된 배선층(61, 62)을 포함하며, 상기 절연층(65)의 상면 및 하면에 형성된 배선층(61, 62)은 절연층(65)을 관통하도록 형성된 비아 전극(68)에 의해서 전기적으로 연결될 수 있다.
종래에 내부 리드 프레임을 형성하는 구조가 아닌 상기 실장 기판(60) 상에 캐패시터 본체(10)를 장착함으로써 탄탈륨 소재의 내부 용적률이 증가되고 정전 용량을 향상시킬 수 있으며, 상기 비아 전극(68)을 통해 전류가 내부로 직접 흐르게 되어 보다 저 ESR을 구현할 수 있다.
이때, 상기 절연층(65)은 유리 섬유(Fiber-glass) 또는 에폭시(epoxy)수지 등을 포함하여 형성될 수 있으나 이에 특별히 제한되지는 않으며, 절연층(65)의 두께는 30 내지 50㎛ 일 수 있다.
상기 절연층(65)의 상면 및 하면에 형성되는 배선층(61, 62)은 구리(Cu), 니켈(Ni), 금(Au) 등의 전도성 금속을 포함할 수 있으며, 물리적 증착 방법(Physical Vapor Deposition, PVD) 등의 공정으로 박막층을 형성한 후, 에칭 공정(Etching process)으로 형성할 수 있다. 상기 절연층(65)의 상면에 형성되는 배선층(61)은 양극 및 음극의 내부전극을 이루며, 절연층(65)의 하면에 형성되는 배선층(62)은 양극 및 음극의 외부전극이 될 수 있다. 상기 배선층(61, 62)의 두께는 4 내지 10㎛ 일 수 있다.
상기 절연층(65) 내부에는 절연층(65)을 관통하여 절연층(65) 상면의 내부전극 배선층(61)과 하면의 외부전극 배선층(62)을 연결하는 복수의 비아 전극(68)을 포함할 수 있다.
상기 비아 전극(68)은 펀칭 공정(punching process) 또는 레이저 가공(laser drilling process)를 통하여 절연층(65)에 내부 홀을 형성하고 구리(Cu) 또는 은(Ag) 등의 전도성 페이스트를 충진하여 제조할 수 있으며, 상기 비아 전극의 직경은 50 내지 200 ㎛일 수 있다.
상기 음극부의 캐패시터 본체(10)는 전도성 페이스트 층(70)에 의해서 절연층(65) 상면의 내부전극 배선층(61)에 결합되어 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 전도성 페이스트 층(70)는 은(Ag), 금(Au), 납(Pd), 니켈(Ni), 구리(Cu) 등을 포함하는 점성이 있는 전도성 페이스트로 구성될 수 있으며, 상기 음극부의 캐패시터 본체(10)의 하면 일부분에 도포되어 대략 30 내지 300℃의 온도에서 경화시켜 형성할 수 있다.
상기 양극부의 탄탈륨 와이어(11)는 상기 실장 기판(60)의 배선층(61, 62)과 연결되도록 형성된 측면 전극(90)에 접속될 수 있다.(도 2 참조) 상기 탄탈륨 와이어(11)는 면저항을 낮추고 결합력을 향상시키기 위해서 상기 캐패시터 본체(10)의 중앙부보다 낮은 하단부에 형성될 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 일 실시형태에 따르면 상기 탄탈륨 와이어(11)는 전도성 페이스트(71)에 의해서 상기 절연층(65)의 상면에 형성된 내부전극 배선층(61)과 직접 연결될 수 있다. (도 3 참조)
이와 같이 전도성 페이스트(71)에 의해 탄탈륨 와이어(11)와 내부전극 배선층(61)을 전기적으로 접속시킴으로 인해서 모든 전극이 내부로만 통하는 구조가 가능하여 보다 저 ESR을 구현할 수 있으며, 측면 전극의 형성이 불필요함에 따라 공정 단순화에 기인할 수 있다. 또한, 전극과의 접촉 면적이 커짐으로 인해서 면저항이 감소되고 접합력이 향상될 수 있다.
상기 전도성 페이스트(71)는 상기 음극부의 캐패시터 본체(10)를 내부전극 배선층(61)에 연결하는 전도성 페이스트 층(70)과 동일한 전도성 금속을 포함할 수 있으며 예를 들면, 은(Ag), 금(Au), 납(Pd), 니켈(Ni), 구리(Cu) 등 일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시형태는 상기 탄탈륨 와이어(11)와 내부전극 배선층(61)을 전도성 페이스트(71)에 의해 연결시키고, 상기 음극부의 캐패시터 본체(10) 또는 양극부의 탄탈륨 와이어(11) 중 적어도 하나와 접속하며, 상기 실장 기판(60)의 배선층(61, 62)과 연결되도록 형성된 측면 전극(90)을 더 포함할 수 있다.(도 4 참조)
이에 따르면, 전류 통로(path)가 음극 및 양극의 비아 전극, 측면 전극 방향의 4 방향으로 증가되어 ESR을 더욱 저감시킬 수 있다.
100 : 고체 전해 캐패시터 62 : 외부전극 배선층
10 : 캐패시터 본체 65 : 절연층
11 : 탄탈륨 와이어 68 : 비아 전극
40 : 몰딩부 70 : 전도성 페이스트 층
60 : 실장 기판 71 : 전도성 페이스트
61 : 내부전극 배선층 90 : 측면 전극

Claims (12)

  1. 탄탈 분말을 포함하며, 일 단부측에 탄탈 와이어가 형성된 캐패시터 본체;
    상기 캐패시터 본체 하면에 형성되고, 절연층 및 상기 절연층의 상면 및 하면에 형성된 배선층을 포함하는 실장 기판;
    상기 탄탈 와이어의 단부가 접속하며, 상기 실장 기판의 배선층과 연결되도록 형성된 측면 전극;
    상기 캐패시터 본체 및 탄탈 와이어를 둘러싸도록 형성된 몰딩부;를 포함하며,
    상기 실장 기판은 절연층 내부를 관통하며, 상기 절연층의 상면 및 하면에 형성된 배선층을 전기적으로 연결하는 비아 전극을 포함하는 고체 전해 캐패시터.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 실장 기판은 복수의 비아 전극을 포함하며, 상기 비아 전극은 직경이 50 내지 200㎛인 고체 전해 캐패시터.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 절연층의 두께는 30 내지 50 ㎛ 인 고체 전해 캐패시터.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 배선층의 두께는 4 내지 10㎛ 인 고체 전해 캐패시터.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 탄탈 와이어는 상기 캐패시터 본체의 중앙부보다 낮은 하단부에 형성되는 고체 전해 캐패시터.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 캐패시터 본체와 상기 절연층 상면의 배선층 사이에는 전도성 페이스트가 형성되어 전기적으로 연결되는 고체 전해 캐패시터.
  7. 탄탈 분말을 포함하며, 일 단부측에 탄탈 와이어가 형성된 캐패시터 본체;
    상기 캐패시터 본체 하면에 형성되고, 절연층 및 상기 절연층의 상면 및 하면에 형성된 배선층을 포함하는 실장 기판;
    상기 탄탈 와이어와 상기 절연층 상면의 배선층 사이에 형성되어 상기 탄탈 와이어와 상기 실장 기판을 전기적으로 접속시키는 전도성 페이스트; 및
    상기 캐패시터 본체 및 탄탈 와이어를 둘러싸도록 형성된 몰딩부;를 포함하며,
    상기 실장 기판은 절연층 내부를 관통하며, 상기 절연층의 상면 및 하면에 형성된 배성층을 전기적으로 연결하는 비아 전극을 포함하는 고체 전해 캐패시터.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 실장 기판은 복수의 비아 전극을 포함하며, 상기 비아 전극은 직경이 50 내지 200㎛인 고체 전해 캐패시터.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 탄탈 와이어는 상기 캐패시터 본체의 중앙부보다 낮은 하단부에 형성되는 고체 전해 캐패시터.
  10. 제 7항에 있어서,
    상기 캐패시터 본체와 상기 절연층 상면의 배선층 사이에는 전도성 페이스트가 형성되어 전기적으로 연결되는 고체 전해 캐패시터.
  11. 제 7항 또는 제 10항에 있어서,
    상기 전도성 페이스트는 은(Ag), 금(Au), 납(Pd), 니켈(Ni) 및 구리(Cu)로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 고체 전해 캐패시터.
  12. 제 7항에 있어서,
    상기 캐패시터 본체 또는 탄탈 와이어 중 적어도 하나와 접속하며, 상기 실장 기판의 배선층과 연결되도록 형성된 측면 전극을 더 포함하는 고체 전해 캐패시터.
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