커패시터(Capacitor)원리 및 MLCC 전기적 특성

커패시터(Capacitor)의 기본적인 용도에 대해 알아보고

커패시터의 여러 종류(MLCC, Film, Tantalum, Aluminum) 중에서 MLCC의 전기적 특성에 대해 알아보겠습니다.

 

1. 커패시터 용도

1) 디커플링(Decoupling), 바이패스(Bypass)

- 전원 라인 또는 신호 라인에 AC Noise를 제거하고 IC 동작을 안정시키는 역할

- Shunt Ground 연결

[▲그림1. Shunt Ground 연결되어 노이즈를 bypass 시키는 커패시터]

 

2) 교류 전압, 신호만 통과

- DC는 Block하고 AC만 Pass

- Series 연결

[▲그림2. DC Block 역할을 하는 커패시터]

 

3) 인덕터와 함께 사용하여 LPF, HPF, BPF, BSF 구현

- 인덕터는 저주파 대역을 통과시키고, 커패시터는 고주파 대역을 통과시키는 특성을 이용

[▲그림3. 인덕터와 조합되어 필터 역할을 하는 커패시터]

 

4) 교류 -> 직류 성분 변환

- 교류를 직류로 바꾸는 평활회로에서 맥류(리플)를 직류 성분으로 바꿔줌

[▲그림4. 평활회로]

 

5) RF 임피던스 매칭용

[▲그림5. RF 매칭에 사용되는 커패시터]

 

=> 1~5번 용도 모두 커패시터의 "전하의 충방전", "고주파 통과" 성질을 이용한 것입니다.

 

2. MLCC 구조

1) 적층세라믹콘덴서 (Multi Layer Ceramic Capacitor) 유전체와 내부 전극을 아래와 같이 수차례 적층 하여 소형이면서도 고용량의 커패시터를 구현

[▲그림6. MLCC 구조1]

 

2) MLCC 용량은 내부전극 넓이(W*(L-2G))에 비례하고, 내부전극 사이 거리(th)에 반비례

[▲그림7. MLCC 구조2]

 

3. MLCC 전기적 특성

1) 커패시터 등급

- 커패시터를 이루는 유전체에 따라 커패시턴스, 선형성, 안전성이 달라짐

- 이렇게 유전체에 따른 다른 특성을 Class별로 분류 (Class1, Class2, Class3)

- Class 1

• TiO2 (Titanium Oxide)를 유전체로 사용
• 온도 변화에 따른 용량 변화가 거의 없음
• DC 전압 인가에 따른 용량 변화가 없음
• 고주파에서 Q특성(품질계수)가 우수
• 고용량 제작이 힘들며 주로 100nF 이하의 저용량으로 제작
• RF 매칭용으로 많이 사용
• 3개의 문자 코드의 조합으로 표현(ex. C0G, P3K...)
• 예를 들어 P3K의 경우 "1.5(문자P)" X "-1000(문자3)" ± "250ppm/K" => -1500 ± 250ppm/K의 온도 변화율을 가짐

[▲그림8. Class1 등급표]

 

- Class 2

• BaTiO3 (Barium titanate Oxide)를 유전체로 사용
• 온도변화에 따른 용량변화가 큼
• DC 전압 인가에 따른 용량 변화가 큼
• Class 1 대비해서 고용량 구현 가능 (100nF 이상의 커패시턴스)
• 디커플링과 커플링 용도로 사용
• Class 1 처럼 문자 3개의 문자 코드로 표현되며
  예를 들어 X7R의 경우, -55℃ (문자X) ~ 125℃ (문자5)의 동작 온도 범위를 가지며 이때 최대 편차는 ±15% (문자R) 이다.

[▲그림9. Class2 등급표]

- Class 3

• 아래 그림처럼 barrier layer 구조이며 적층형 구조가 아니다 보니 MLCC 타입이 아님
• 도핑된 강유전체로 구성되어 100uF의 높은 용량으로 제작 가능
• 온도, 전압에 대한 선형성과 안정성이 매우 낮음
• 현재는 IEC에서 표준으로 관리하지 않음

[▲그림10. Class3 구조]

 

- Class에 따라 특성이 다르므로 상황에 맞게 선택 필요

 

2) 온도 특성

- 위 Class에서 3개의 문자 코드가 의미하듯 온도에 따른 용량 변화가 있음

- Class 1 (C0G, U2J 등등)은 온도 변화에 따른 용량 변화가 거의 없어 "온도 보상계"

- Class 2 (X5R, X7R 등등)은 온도 변화에 따른 용량 변화가 크며 "고 유전율계"

- 동작 온도 (Operation temperature)은 퀴리 온도인 약 130도를 넘지 못함

[▲그림11. 커패시터 온도 특성]

 

3) DC bias

- 온도 특성과 마찬가지로 Class1은 DC Bias에 따른 변화가 작고, Class2는 DC Bias에 따른 용량 변화가 크다 

- DC 전압이 없으면 자발적인 분극 (Spontaneous polarization)이 자유롭게 발생하다가 DC 전압이 외부에서 인가되면

자발적 분극이 제한되면서 결과적으로는 커패시턴스가 낮아짐

[▲그림11. 커패시터 온도 특성]

 

4) Capacitor Aging

- 퀴리 온도 (약 130°C) 이하에서 부하 없이 방치되면 시간이 지남에 따라 180°의 도메인 벽이 에너지 안정적인 형태인 90° 도메인 형태로 재배치되면서 유전율이 낮아짐

- 이것도 마찬가지로 Class2 가 Class1 보다 시간 경과 따른 용량 변화가 크다.

- 시간 경과로 커패시턴스가 작아진 커패시터에 다시 퀴리 온도 이상으로 가열한 뒤 식히면 커패시턴스를 회복함

(회복하고 시간이 지나면 또 커패시턴스가 줄어듬..)

- MLCC가 SMD 타입이다보니 SMD때 가열되면서 커패시턴스를 회복한다  

Class2의 온도, DC Bias, Aging에 따른 커패시턴스 변화는 Class2를 이루는 주 유전물질이 BaTiO3 (Barium titanate Oxide) 이기 때문이며, BaTiO3와 같은 강유전체(ferroelectroics)의 특성에 대해 다음글에 자세히 알아 보겠습니다.

 

5) 정격 전압 (Rated Voltage)

- 커패시터 인가 가능한 최대 전압

- DC Bias에 대한 변화율이 클수록 정격 전압은 낮다

- 정격 전압 내에서는 절연 파괴가 일어나지 않는다 

 

4) 파괴 전압 (BDV)

- 절연 파괴(breakdown) 전압은 전기장이 세져서 (원래는 못 흐르지만) 커패시터 내부 유전체에 전류가 흐르는 전압으로 한번 파괴되면 기존의 커패시터 성질을 회복할 수가 없다

 

5) 절연 저항

- 이상적인 커패시터는 DC기준으론 무한대의 저항을 가진 것처럼 보인다. 하지만 실제로는 완벽한 절연체는 존재할 수없고 아주 작은 누설 전류가 흐르게 된다. 커패시터 양단에 걸린 전압에 이 누설 전류를 나눠주면 커패시터가 가지는 절연 저항을 알 수 있다.

- 파괴 전압에 이르면 높은 절연 저항이 파괴되면서 커패시터의 성질을 잃게되고 Short 되버린다.

- 커패시터 등가회로는 아래 그림12와 같고 절연 저항은 Rp(병렬 저항)라고 볼 수 있다.

[▲그림12. 커패시터 등가회로]

 

6) ESR, ESL

ESR, ESL 관련하여 하기 무라타 사이트에 자세히 설명되어 있으며 요점 부분만 정리하여 공유드립니다.

www.murata.com/en-global/products/emc/emifil/knowhow/basic/chapter06-p6

- 제일 처음 설명드린 것처럼 커패시터가 노이즈 제거용인 Bypass로 동작할때 ESR과 ESL이 중요한 Factor이다. 왜냐면 노이즈가 나오는 주파수 대역에서 Bypass용 커패시터의 임피던스가 낮아야 노이즈가 해당 커패시터를 타고 Ground로 빠지기 때문이다. 이때 주파수에 따른 임피던스 값은 ESR과, ESL에 크게 영향 받는다. 

- 실제 커패시터는 그림12 처럼 기생저항(ESR), 기생인덕턴스(ESL)이 존재하고 이는 주파수가 높아질수록 이상적인 커패시터와 다른 임피던스를 보임

- 그림13의 빨간색 선처럼 커패시터는 주파수가 높아질수록 임피던스가 낮아져야 한다.

그런데 실제 커패시터의 임피던스는 초록선과 같이 특정 주파수 기점으로 V자형으로 반등하며, 이는 실제 커패시터의 경우 ESL(기생인덕턴스)가 존재하기 때문이다. ESL이 커패시터와 공진주파수(SRF)를 만들고 이 공진주파수 전후로 임피던스의 성질이 달라진다.

[▲그림13. 주파수에 따른 실제 커패시터와 이상적인 커패시터의 임피던스 차이]

 

- 공진주파수보다 낮은 주파수에서는 커패시터가 주도하여 주파수가 높아질수록 임피던스는 내려가고, 공진주파수보다 높은 주파수에서는 ESL이 임피던스 성질을 주도하여 주파수에 비례하여 임피던스가 올라간다.

- 공진주파수라는게 커패시터와 기생인덕터의 리액턴스 합이 0인 부분이여서 임피던스도 0일꺼라 생각하지만 실제 커패시터는 공진주파수에서 임피던스 값을 가진다. 이는 ESR(기생저항) 때문이다. 따라서 공진주파수에서 임피던스값이 ESR 저항값이다.

[▲그림14. 주파수에 따른 실제 커패시터의 임피던스]

 

- ESL은 변함없고 커패시턴스만 커지면 그림15의 주황색 방향으로 쉬프트 하게 된다.

(Cap값의 변화는 즉 상수값만 바뀌는 것이므로 로그 주파수 그래프상에서는 기울기 변화없이 아래로 쉬프트만 하는 것이다.)

이때 ESL 인덕턴스가 변하지 않으므로 인덕터가 주도하는 영역의 모양은 변화없다.

[▲그림15. MLCC 용량에 따른 주파수별 임피던스 변화]

 

- 커패시턴스는 변함없고 ESL 인덕턴스만 높아지는 경우를 생각해보자. 커패시터가 주도하는 좌측 영역은 변함없고 인덕턴스와 관계있는 상승선만 아래 주황색과 같이 우측으로 움직인다.

[▲그림16. ESL 인덕턴스 용량에 따른 주파수별 임피던스 변화]

 

- 임피던스가 낮아야 Bypass에 유리하므로 일반적으론 커패시턴스는 크고 ESL과 ESR은 작은 커패시터가 좋다.

- 아래 그림17과 같이 높은 커패시턴스에 높은 ESL로 공진주파수 대역을 최대한 낮추고 이 공진주파수에서 임피던스값이 낮아지는 특성을 이용하여  저주파 노이즈 제거하는 특수한 방법도 있다.

[▲그림17. 높은 용량의 커패시턴스에더 ESL 인덕턴스에 따른 임피던스 변화]

 

3. 결론

- 커패시터는 DC성분을 통과시키지 못하는 성질을 가지고 있으며, 이를 이용하여 Bypass, DC block, LC필터, 임피던스 매칭용 등 다양하게 사용되고 있다.

- MLCC는 Class1, Class2로 등급이 나눠지며 Class1이 Class2보다 용량이 작은 것 이외에 모든면에서 (신뢰성, 안정성, 편차) 우세하다.

- 온도, DC Bias에 따른 커패시턴스 변화량이 작을수록 좋다.

- 정격 전압, 파괴 전합, 절연 저항은 높을수록 신뢰성이 높다.

- Bypass로 사용하는 커패시터는 낮은 임피던스를 위해 일반적으로 정전용량은 높을수록 ESL와 ESR는 낮을수록 좋다.