X7R 및 X7S는 산업 및 자동차 시장에서 일반적으로 사용되는 MLCC입니다. X7R이 더 인기 있는 선택이지만 MLCC를 선택할 때 TCC와 DC 바이어스를 모두 고려하는 것이 중요합니다.
산업 및 자동차 시장에서 가장 일반적인 MLCC(다층 세라믹 커패시터) 에는 X7R로 널리 알려진 TCC(온도 정전 용량 계수)가 포함되어 있습니다. 'X'는 -55°C를 의미하고 '7'은 +125°C를 의미하며 'R'은 이 온도 범위에서 ±15% 허용 오차를 의미합니다.
| TCC | 온도 범위 | 용인 |
|---|---|---|
| X7R | -55~125°C | ±15% |
| X7S | -55~125°C | ±22% |
±15%라는 더 좁은 정전용량 변화 공차 범위 때문에 많은 설계 엔지니어들이 X7S 대신 X7R 제품을 선택하게 됩니다. 하지만 MLCC를 선택할 때는 TCC뿐만 아니라 DC 바이어스, 즉 DC 전압 인가 시 정전용량 변화도 고려하는 것이 중요합니다. Samsung Electro-Mechanics Co(SEMCO)는 TCC 및 DC 바이어스 파라미터 모두에서 강력한 성능을 제공하는 MLCC 솔루션에 중점을 두고 있습니다. 일부 X7R 제품은 X7S보다 더 나은 DC 바이어스를 제공하지만 그 반대도 사실이며 특정 X7S MLCC는 뚜렷한 이점을 제공합니다.
그렇다면 왜 더 많은 회사가 X7S MLCC를 지정하지 않는 것일까요? 그 대답은 단순히 인식 부족으로 보입니다.
현대 자동차 및 산업 전자 장치에서는 더 높은 통합과 기능 증가가 일반적인 추세이며, 두 가지 모두 점점 더 많은 정전용량을 요구하는 경향이 있습니다. 여기서 X7S 특성을 갖춘 TCC의 MLCC는 X7R 특성을 갖춘 TCC의 MLCC보다 더 높은 유효 정전용량을 제공할 수 있습니다(동일한 공칭 정전용량 등급 기준). 그 이유는 TCC가 정전용량에 영향을 미치는 하나의 요소일 뿐이기 때문입니다. 또 다른 주요 영향 요인은 DC 바이어스입니다.
DC 바이어스란 DC 전압이 단자 전체에 적용될 때 정전용량의 변화입니다. MLCC는 DC 전압 바이어싱을 처리해야 하므로 이 현상에도 취약합니다. DC 전압이 상승하면 정전용량 값이 떨어지며, 이는 다양한 유형의 회로에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다.
OEM이 더 높은 정전용량 값을 갖는 MLCC를 개발할 수 있는 방법에는 여러 가지가 있으며, 그 중 대부분은 일반적으로 세라믹 재료의 개선과 관련됩니다. 예를 들어, 입자 크기가 작을수록 층이 더 얇아지고, 입자 처리를 추가하면 균질성과 신뢰성이 향상됩니다. 또한 재료 도핑이 향상되면 유전체 상수(εr)가 증가할 수 있습니다. 이러한 모든 요인으로 인해 정전용량 값이 더 높아질 수 있으며, 1206 패키지 크기에 10μF/50V를 포함하는 주목할 만한 결과가 나타납니다.
소형 케이스 크기에 고밀도 고효율 솔루션을 원하는 모든 설계 엔지니어는 이 MLCC의 이점을 누릴 수 있습니다. 전력 공급 장치 우회 회로, 가전 제품 및 통신 장비 등 높은 전기 정밀도, 안정성 및 신뢰성이 필요한 응용 분야에서 유리합니다.
더 깊이 파고들면, 상대 유전체 상수(때때로 상대 허용률이라고도 함)는 전기장의 작용하에서 주어진 양의 물질에 저장된 유도 분극화의 형태로 전위 에너지의 양을 측정한 것입니다. 그러나 세라믹 재료의 비유전율을 높이면 특이한 부작용이 있습니다. 바로 인가된 DC 전압, TCC 및 시간과 같은 작동 조건이 변화함에 따라 비유전율의 변화가 더 높아질 것으로 예상된다는 점입니다. 간단히 말해서, 정전용량 안정성을 확보하는 일은 이러한 사용 조건에서 최고의 성능을 이끌어 낼 수 있는 MLCC 특성의 적절한 균형을 달성하는 데 달려 있습니다.
모든 Class II MLCC 공식(X7R 및 X7S 포함)은 적용된 DC 전압(DC 바이어스), TCC 및 시간(노후화)에 따라 정전용량 값이 다릅니다. 예를 들어 후자는 세라믹 입자가 시간이 지남에 따라 방향을 바꾸는 능력을 잃기 때문에 발생합니다. 이는 주로 에너지 측면에서 더 안정적인 상태를 찾기 위한 도메인이 필요함에 따라 발생합니다. 이러한 도메인 안정화는 상대 유전율의 감소로 이어지며 이는 정전용량의 손실로 직접적으로 이어집니다.
물론 대부분의 설계 엔지니어는 DC 바이어스가 클래스 II MLCC의 유효 정전 용량을 크게 감소시킨다는 것을 이미 알고 있습니다. 명확히 하자면, X7S와 X7R 제제는 모두 EIA 클래스 II 재료에 해당하는 '온도 안정성' 세라믹입니다. TCC 및 노화와 함께 이 세 가지 요소는 서로 의존하므로 하나를 개선하면 다른 요소 중 하나 또는 둘 모두에 영향을 미칩니다. TCC와 DC 바이어스를 동시에 향상시키는 것은 전체 세라믹 파우더 시스템이 향후 개선될 때만 발생한다는 것이 폭넓은 합의입니다.
다만 좋은 소식이라면 SEMCO에서 현재 X7S MLCC의 DC 바이어스가 X7R 제품보다 더 우수할 수 있다고 밝힌 것입니다. 이를 입증하기 위해 SEMCO는 SEMCO X7S MLCC와 다른 제조사 X7R 기기의 DC 바이어스 성능 특성을 측정하는 일련의 실험을 진행했습니다. 사양 측면에서 보면 둘 다 0402 패키지/케이스 크기의 1μF 10% 6.3V MLCC였습니다.
측정 결과, SEMCO X7S MLCC는 4V에서 약 -30.7%의 정전용량 변화율을 나타냈습니다. 이에 비해 다른 공급업체의 X7R MLCC는 4V에서 약 -50.6%라는 눈에 띄게 더 큰 정전용량 변화율을 보여주었습니다. 이미 언급한 바와 같이 DC 바이어스의 개선으로 인해 TCC에 약간의 영향이 있습니다. 4V 및 85°C에서 SEMCO X7S MLCC의 정전용량 변화율은 -6%로, 이는 다른 제조사의 MLCC가 4V, 85°C에서 +6%를 보인 것과 비교됩니다.
그래프에서 볼 수 있듯이 SEMCO X7S 1μF MLCC는 X7R의 0.52μF에 비해 4V, 85°C에서 0.59μF의 정전용량을 제공하여 전반적으로 더 나은 성능을 유지합니다.
시장은 ±15%라는 X7R 공차 대역에 매우 익숙하므로 MLCC 세부 사항에 대한 심층 분석 없이는 선호 기술을 대체하기가 어렵습니다. 그러나 앞서 언급한 측정에서 알 수 있듯이 실제 작동 조건을 고려하면(TCC와 DC 바이어스를 비교) X7S MLCC는 더 높은 잔류 정전 용량을 나타낼 수 있습니다. 이 문서에서 살펴본 요소는 DC 바이어스가 점점 더 눈에 띄고 유효 정전 용량을 줄이기 위해 작용하는 높은 정전 용량 값에 해당되는 경우가 많습니다. 또한 설계 엔지니어가 빠듯하게 계산된 마진으로 매 추가 nF를 확보하기 위해 노력하는 경우이기도 합니다.
앞으로 진전
자동차, 산업 또는 기타 시장에 종사하는 모든 전자 또는 전자 부품 엔지니어는 고용량 MLCC 요구 사항에 대해 X7S를 자세히 살펴보는 방식으로 이익을 누릴 수 있습니다. SEMCO가 제시한 결과는 X7S MLCC가 때때로 유사한 X7R 대응 제품보다 눈에 띄게 더 나은 DC 바이어스를 제공할 수 있음을 보여줍니다. TCC를 고려할 때에도 X7S MLCC는 전반적으로 최고의 성능을 발휘하는 경우가 많습니다.
공급업체가 현대 전자 산업에서 점점 더 높아지는 엔지니어의 요구를 충족시키려고 함에 따라 MLCC 설계에는 많은 개발이 진행 중입니다. 새로운 재료에 대한 연구와 TCC 및 DC 바이어스와 같은 파라미터의 영향은 올바른 MLCC 선택이 특정 응용 분야에 크게 좌우된다는 것을 의미합니다. X7R 및 X7S MLCC는 프로젝트 목표에 따라 최적의 솔루션을 제공할 수 있습니다. 경쟁업체에 이점을 넘기는 것을 피하고자 하는 설계자에게 가장 중요한 메시지는, 새로운 프로젝트에 대해 과거 MLCC 선택 내용을 유지하지 말고 모든 옵션을 고려하라는 것입니다. 이렇게 하여 얻을 수 있는 이득은 예상보다 상당히 유의미할 수 있습니다.
작성자: Benjamin Blume, 유럽 응용 분야 엔지니어링 팀장(Samsung Electro-Mechanics)
작성자: Hank Kang, 수동 부품 제품 관리자(Samsung Electro-Mechanics)
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