세라믹 축전기

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1. 개요

세라믹 축전기는 전기 연구 초기에 유전체로 사용되기 시작했으며, 1920년대에 최초의 세라믹 축전기가 개발되었다. 초기에는 디스크 형태였으며, 이후 라디오 수신기에 널리 사용되었다. 1961년에는 여러 개의 디스크를 적층하여 소형화된 적층 세라믹 축전기(MLCC)가 개발되어 전자 기기 소형화에 기여했다. MLCC는 현재 가장 널리 사용되는 세라믹 축전기 형태이며, 1종, 2종, 3종으로 분류된다. MLCC는 구조, 제조 공정, 시장 점유율, 기술 동향, 응용 분야, 전기적 특성, 기계적 취약성, 마이크로포니, 표기법 등 다양한 특징을 가진다.

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세라믹 축전기
기본 정보
세라믹 축전기의 기호
종류	고정 축전기
유전체	세라믹
극성	없음
상세 정보
정전용량 범위	1 pF ~ 100 µF
전압 범위	16 V ~ 100 kV
허용오차	0.1% ~ 20%
온도 계수	±30 ppm/°C ~ ±15 %
유전 손실	0.1% ~ 5%
절연 저항	10 GΩ
응용 분야	회로 전자기기 전원 공급 장치

2. 역사

다양한 세라믹 축전기: 좌우에 고정 리드형 디스크 축전기, 중앙에 적층 세라믹칩 축전기(MLCC)

제2차 세계 대전 이후 급성장하는 방송 산업은 결정학, 상전이 및 세라믹 재료의 화학적, 기계적 최적화에 대한 더 깊은 이해를 가져왔다. 서로 다른 기본 재료의 복잡한 혼합을 통해 세라믹 축전기의 전기적 특성을 정확하게 조정할 수 있었다. 세라믹 축전기의 전기적 특성을 구분하기 위해 표준화에서는 여러 가지 다른 응용 분류(클래스 1, 클래스 2, 클래스 3)를 정의했다. 전쟁 중과 그 이후 미국과 유럽 시장에서 별도로 개발되었기 때문에 이러한 등급의 정의가 달랐다는 점(EIA 대 IEC)은 주목할 만하며, 최근(2010년 이후)에 IEC 표준화에 대한 전 세계적인 조화가 이루어졌다.

세라믹 관형 축전기, 1950년대와 1970년대의 일반적인 세라믹 축전기 스타일

성형이 용이한 세라믹 재료는 고전압, 고주파(RF) 및 전력 응용 분야를 위한 특수하고 대형 세라믹 축전기의 개발을 용이하게 했다.

1950년대 반도체 기술의 발전과 함께, 도핑된 강유전체 세라믹을 사용하는 배리어 층 축전기가 개발되었으나, 이 재료는 다층을 생산하는 데 적합하지 않아 Y5V 클래스 2 축전기에 의해 대체되었다.

MLCC는 더 작은 케이스에 더 큰 정전 용량 값이 필요한 응용 분야로 응용 범위를 확장했다. 이러한 세라믹 칩 축전기는 1980년대 전자 장치를 쓰루홀 실장에서 표면 실장 기술로 전환하는 원동력이었다. 비분극 세라믹 축전기로 분극 전해 축전기를 대체할 수 있어 실장이 간소화되었다.

1993년, TDK Corporation은 팔라듐 함유 전극을 훨씬 저렴한 니켈 전극으로 대체하는 데 성공하여 생산 비용을 크게 절감하고 MLCC의 대량 생산을 가능하게 했다.^[4]

년 현재 매년 10¹²개가 넘는 MLCC가 생산되고 있다.^[1] 세라믹 칩 축전기 스타일과 함께 세라믹 디스크 축전기는 전자파 간섭 억제 응용 분야에서 안전 축전기로 자주 사용된다. 이 외에도 고전압 또는 고주파 송신기 응용 분야를 위한 대형 세라믹 전력 축전기도 있다.

반강유전체 세라믹을 사용한 새로운 세라믹 재료 개발이 이루어졌다. 이 재료는 비선형 반강유전체/강유전체 상전이를 가지고 있어 더 높은 체적 효율로 에너지 저장량을 증가시킬 수 있다. 이들은 에너지 저장(예: 뇌관)에 사용된다.^[5]

2. 1. 초기 세라믹 축전기 개발

전기 연구 초기부터 유리, 자기(도자기), 종이, 운모와 같은 비전도성 물질이 절연체로 사용되었다. 수십 년 후, 이러한 물질들은 최초의 축전기의 유전체로도 적합하다는 것이 밝혀졌다.^[1]

초기 마르코니의 무선 송신 장치에는 자기 축전기가 사용되었고, 수신기에는 더 작은 운모 축전기가 공진 회로에 사용되었다. 1909년 윌리엄 두빌리어(William Dubilier)가 운모 유전체 축전기를 발명했으며, 제2차 세계 대전 이전까지 미국에서는 운모가 축전기의 가장 일반적인 유전체였다.^[1]

1920년대 중반, 독일에서는 운모 부족과 자기(특수 세라믹)에 대한 경험을 바탕으로 세라믹을 유전체로 사용하는 최초의 축전기가 개발되었다. 파라전기성 이산화티타늄(루타일)이 최초의 세라믹 유전체로 사용되었으며, 1926년 소량 생산되기 시작하여 1940년대에는 생산량이 증가했다. 초기 세라믹 축전기는 양면에 금속 박막을 입히고 주석 도금된 와이어로 접촉하는 디스크 형태였으며, 1930년대부터 1950년대까지 진공관 장비(예: 라디오 수신기)에 광범위하게 사용되었다.

티탄산바륨이라는 강유전체 세라믹 물질은 이산화티타늄이나 운모보다 약 10배 높은 1,000 정도의 유전율을 가지고 있어 전자 응용 분야에서 훨씬 더 중요한 역할을 하기 시작했다.^[1]^[2] 높은 유전율은 훨씬 더 높은 정전 용량 값을 가져왔지만, 이는 비교적 불안정한 전기적 매개변수와 관련이 있었다. 따라서 이러한 세라믹 축전기는 안정성이 덜 중요한 응용 분야에서 일반적으로 사용되는 운모 축전기를 대체할 수 있었다. 운모 축전기에 비해 더 작은 크기, 낮은 생산 비용 및 운모 공급에 대한 의존성이 없다는 점은 이러한 축전기의 채택을 가속화했다.

1950년대부터 1970년대까지 라디오 응용 분야에서 사용된 세라믹 축전기의 일반적인 스타일은 내부와 외부 표면에 주석이나 은으로 코팅된 세라믹 튜브 형태였다.

1961년, 아폴로 계획 중에 한 미국 회사가 여러 디스크를 적층하여 일체형 블록을 만드는 기술을 개척했다. 이 "적층 세라믹 축전기(MLCC)"는 소형이었고 고정전용량 축전기를 제공했다.^[3]

2. 2. 강유전체 세라믹과 MLCC의 등장

MLCC( multi-layer ceramic capacitor^영어)는 단자 표면을 통해 접촉되는 여러 개의 개별 축전기가 병렬로 쌓여 있는 구조이다. 모든 적층 세라믹 축전기 칩의 시작 재료는 정밀하게 결정된 첨가제에 의해 수정된 상유전성 또는 강유전성 원료의 미세하게 분쇄된 과립의 혼합물이다.^[71] 이러한 분말 물질들은 균일하게 혼합되어 있다. 혼합물의 성분과 분말 입자의 크기는 최소 10nm 정도로, 이는 제조사의 전문성을 반영한다.

2. 3. MLCC 기술 발전과 시장 확대

MLCC(Multi-layer Ceramic Capacitor)는 단자 표면을 통해 접촉되는 여러 개의 개별 축전기가 병렬로 쌓여 있는 구조이다. 모든 적층 세라믹 축전기 칩의 시작 재료는 정밀하게 결정된 첨가제에 의해 수정된 상유전성 또는 강유전성 원료의 미세하게 분쇄된 과립의 혼합물이다.^[71] 이러한 분말 물질들은 균일하게 혼합되어 있다. 혼합물의 성분과 분말 입자의 크기는 최소 10nm 정도로, 이는 제조사의 전문성을 반영한다.

3. MLCC의 종류 및 특성

MLCC(Multi-layer Ceramic Capacitor, 적층 세라믹 축전기)는 여러 개의 개별 축전기가 병렬로 쌓여 양쪽 단자 표면을 통해 연결되는 구조이다. 모든 MLCC 칩은 정밀하게 제어된 첨가제를 섞은 상유전성 또는 강유전성 원료를 미세하게 분쇄한 과립 혼합물로 만들어진다.^[71] 분말 혼합물의 조성과 크기(최소 10nm)는 제조사의 기술력을 나타낸다.

세라믹 축전기에 사용되는 다양한 세라믹 재료(상유전성 또는 강유전성)는 축전기의 전기적 특성을 결정한다. 이산화티타늄 기반의 상유전성 물질 혼합물은 정전용량 값이 안정적이고 선형적으로 동작하며 고주파 손실이 적지만, 유전율이 낮아 정전용량 값이 상대적으로 작다. 더 높은 정전용량 값을 얻기 위해 티탄산바륨과 산화물을 혼합한 강유전성 재료를 사용한다. 이 재료는 유전율이 높지만, 온도에 따라 정전용량 값이 비선형적으로 변하고 고주파 손실이 크다.

이러한 특성 차이로 인해 세라믹 축전기는 "적용 등급"으로 분류된다. IEC와 EIA(현재는 운영 중단)는 서로 다른 표준을 사용하여 적용 등급을 정의한다.^[6]

세라믹 축전기 적용 등급의 상이한 정의
IEC/EN 60384-1 및 IEC/EN 60384-8/9/21/22 관련 정의	EIA RS-198 관련 정의
1종 세라믹 축전기 공진 회로 응용 분야에 높은 안정성과 낮은 손실을 제공한다.	1종 세라믹 축전기 공진 회로 응용 분야에 높은 안정성과 낮은 손실을 제공한다.
2종 세라믹 축전기 평활, 바이패스, 결합 및 디커플링 응용 분야에 높은 체적 효율을 제공한다.	2종 세라믹 축전기 정전용량 변화가 -15%~+15% 미만이고 온도 범위가 -55 °C~+125 °C를 초과하는 높은 체적 효율을 제공하며, 평활, 바이패스, 결합 및 디커플링 응용 분야에 사용된다.
3종 세라믹 축전기 더 이상 표준화되지 않은 배리어 층 축전기이다.	3종 세라믹 축전기 EIA 2종보다 높은 체적 효율을 제공하며, 10 °C~55 °C의 낮은 온도 범위에서 정전용량이 일반적으로 -22%~+56% 변한다. EIA 2종 Y5U/Y5V 또는 Z5U/Z5V 축전기로 대체할 수 있다.
–	4종 세라믹 축전기 더 이상 표준화되지 않은 배리어 층 축전기이다.

두 표준의 등급 정의 차이는 제조업체 데이터 시트 해석에 혼란을 야기하기도 했다.^[7]^[8] EIA는 2011년에 운영을 중단했지만, 이전 부문들은 국제 표준화 기구를 지원하고 있다. 이 문서에서는 IEC 표준 정의를 우선적으로 사용하며, 필요한 경우 EIA 표준 정의와 비교한다.

MLCC는 사용 목적에 따라 1종, 2종, 3종으로 나뉘며, 각 종류는 특정한 전기적 특성을 가진다.

3. 1. 1종 세라믹 축전기

1종 세라믹 축전기는 정확하고 온도 보상이 가능한 축전기이다. 전압, 온도, 그리고 어느 정도 주파수에 대해 가장 안정적인 특성을 제공하며, 손실이 가장 낮아 안정성이 필수적이거나 정확하게 정의된 온도 계수가 필요한 공진 회로 응용 분야(예: 회로의 온도 효과 보상)에 특히 적합하다.^[9]^[10]

1종 세라믹 축전기의 기본 재료는 이산화티타늄(TiO₂)과 같은 파라전기성 물질의 미세하게 분쇄된 과립의 혼합물로 구성되며, 축전기의 원하는 선형 특성을 달성하는 데 필요한 아연, 지르코늄, 니오브, 마그네슘, 탄탈럼, 코발트 및 스트론튬의 첨가제로 변형된다.^[9]^[10] 1종 축전기의 일반적인 정전용량 온도 거동은 TiO₂와 같은 기본 파라전기성 물질에 따라 달라지며, 화학적 조성의 첨가제는 원하는 온도 특성을 정확하게 조정하는 데 사용된다.

1종 세라믹 축전기는 세라믹 축전기 중에서 부피 효율이 가장 낮다. 이는 파라전기성 물질의 비교적 낮은 유전율(6~200) 때문이며, 따라서 1종 축전기는 정전 용량 값이 낮은 범위에 있다.

1종 세라믹 축전기용 세라믹 재료
화학식	상대 유전율 ε	온도 계수 α (10⁻⁶/K)
MgNb₂O₆	21	−70
ZnNb₂O₆	25	−56
MgTa₂O₆	28	18
ZnTa₂O₆	38	9
(ZnMg)TiO₃	32	5
(ZrSn)TiO₄	37	0
Ba₂Ti₉O₂₀	40	2

1종 축전기는 일반적으로 온도에 따라 상당히 선형적인 온도 계수를 가지며, 손실 계수가 약 0.15%로 매우 낮은 전기적 손실을 가진다. 유의미한 에이징 과정을 거치지 않으며 정전 용량 값은 인가 전압과 거의 무관하다. 이러한 특성으로 인해 고 Q 필터, 공진 회로 및 발진기(예: 위상 고정 루프 회로)에 적용할 수 있다.

EIA RS-198 표준은 온도 계수를 나타내는 3자리 코드로 1종 세라믹 축전기를 코드화한다. 첫 번째 문자는 온도에 따른 정전 용량 변화의 유효숫자(온도 계수 α)를 ppm/K 단위로 나타내며, 두 번째 문자는 온도 계수의 배수를, 세 번째 문자는 ppm/K 단위의 최대 허용 오차를 나타낸다. 모든 등급은 25~85 °C이다.

1종 세라믹 축전기
EIA-RS-198에 따른 온도 계수 α의 문자 코드
온도 계수 α (10⁻⁶/K) 문자 코드	온도 계수의 배수 숫자 코드	온도 계수의 허용 오차 (ppm/K) 문자 코드
C: 0.0	0: −1	G: ±30
B: 0.3	1: −10	H: ±60
L: 0.8	2: −100	J: ±120
A: 0.9	3: −1000	K: ±250
M: 1.0	5: +1	L: ±500
P: 1.5	6: +10	M: ±1000
R: 2.2	7: +100	N: ±2500
S: 3.3	8: +1000
T: 4.7
V: 5.6
U: 7.5

EIA 코드 외에도 1종 세라믹 축전기의 정전 용량 온도 의존성의 온도 계수는 "NP0", "N220" 등의 세라믹 이름으로 일반적으로 표현된다. 이러한 이름에는 온도 계수(α)가 포함된다. IEC/EN 60384-8/21 표준에서는 온도 계수와 허용 오차가 해당 EIA 코드가 추가된 2자리 문자 코드로 대체된다.

1종 세라믹 축전기
세라믹 이름, 온도 계수 α, α 허용 오차 및 α에 대한 문자 코드
IEC/EN 60384-8/21 및 EIA-RS-198 참조
세라믹 이름	온도 계수 α (10⁻⁶/K)	α-허용오차 (10⁻⁶/K)	하위 분류	IEC/ EN- 문자 코드	EIA 문자 코드
P100	100	±30	1B	AG	M7G
NP0	0	±30	1B	CG	C0G
N33	−33	±30	1B	HG	H2G
N75	−75	±30	1B	LG	L2G
N150	−150	±60	1B	PH	P2H
N220	−220	±60	1B	RH	R2H
N330	−330	±60	1B	SH	S2H
N470	−470	±60	1B	TH	T2H
N750	−750	±120	1B	UJ	U2J
N1000	−1000	±250	1F	QK	Q3K
N1500	−1500	±250	1F	VK	P3K

예를 들어, EIA 코드 "C0G"를 가진 "NP0" 축전기는 ±30 ppm/K의 허용 오차로 0 드리프트를 갖는 반면, 코드 "P3K"를 가진 "N1500"은 ±250 ppm/°C의 최대 허용 오차로 −1500 ppm/K 드리프트를 갖는다. IEC 및 EIA 축전기 코드는 산업용 축전기 코드이며 군용 축전기 코드와 동일하지 않다.

1종 축전기에는 서로 다른 온도 계수 α를 가진 축전기가 포함된다. 특히 α ±0•10⁻⁶/K 및 30 ppm의 α 허용 오차를 가진 NP0/CG/C0G 축전기는 기술적으로 매우 중요하다. 이러한 축전기는 −55~+125 °C의 온도 범위 내에서 ±0.54%의 정전 용량 변화 dC/C를 갖는다. 이를 통해 넓은 온도 범위(예: 공진 회로)에서 정확한 주파수 응답을 가능하게 한다. 특수한 온도 거동을 가진 다른 재료는 발진기 회로의 코일과 같이 병렬로 연결된 구성 요소의 반대 온도 작동을 보상하는 데 사용된다. 1종 축전기는 정격 정전 용량의 허용 오차가 매우 작다.

3. 2. 2종 세라믹 축전기

2종 세라믹 축전기는 강유전성 물질을 사용하여 1종 축전기보다 높은 체적 효율을 가지지만, 정확도와 안정성은 낮다. 세라믹 유전체는 온도 범위에 따라 정전용량이 비선형적으로 변하며, 인가 전압에 따라서도 값이 달라진다.^[9] 이러한 특성 때문에 정밀한 값보다는 최소 정전 용량 값이 중요한 바이패스, 결합, 디커플링(Decoupling) 또는 주파수 분리 회로 등에 적합하며, 마이크로포니 현상이 나타날 수 있다.

2종 축전기는 티탄산바륨()^[11]과 같은 강유전성 물질에 알루미늄 실리케이트, 규산마그네슘, 산화알루미늄 등의 첨가제^[12]를 혼합하여 만든다. 이 세라믹 재료는 유전율(200~14,000)이 매우 높아 작은 크기에서도 큰 정전 용량을 얻을 수 있지만, 전기장 세기에 대한 유전율이 비선형적이어서 전압 증가에 따라 정전 용량이 크게 변하고, 온도 안정성과 시간 경과에 따른 성능 저하도 발생한다.^[9]

2종 축전기는 온도 범위에 따른 정전용량 변화량으로 분류되며, EIA RS-198 표준의 3자리 코드(예: X7R, Z5U)가 널리 사용된다. IEC/EN 60384-9/22 표준은 2자리 코드를 사용하는데, EIA 코드와 대부분 호환되지만 약간의 차이가 있을 수 있다.

2종 세라믹 축전기
일부 온도 범위 및 고유 정전용량 변화에 대한 EIA RS-198 관련 코드 시스템
문자 코드 저온	숫자 코드 고온	문자 코드 온도 범위에 따른 정전용량 변화
X = −55 °C (−67 °F)	4 = +65 °C (+149 °F)	P = ±10%
Y = −30 °C (−22 °F)	5 = +85 °C (+185 °F)	R = ±15%
Z = +10 °C (+50 °F)	6 = +105 °C (+221 °F)	L = ±15%, 125 °C 이상 +15%/-40%^[13]
	7 = +125 °C (+257 °F)	S = ±22%
	8 = +150 °C (+302 °F)	T = +22%/-33%
	9 = +200 °C (+392 °F)	U = +22%/-56%
		V = +22%/-82%

일부 온도 범위 및 고유 정전용량 변화에 대한 IEC/EN 60384-9/22 관련 코드 시스템
정전용량 변화 코드	U = 0에서 최대 정전용량 변화 ΔC/C₀	U = U_N에서 최대 정전용량 변화 ΔC/C₀	온도 범위 코드	온도 범위
2B	±10%	+10%/-15%	1	−55 … +125 °C
2C	±20%	+20%/-30%	2	−55 … +85 °C
2D	+20%/-30%	+20%/-40%	3	−40 … +85 °C
2E	+22%/-56%	+22%/-70%	4	−25 … +85 °C
2F	+30%/-80%	+30%/-90%	5	(−10 … +70) °C
2R	±15%	−	6	+10 … +85 °C
2X	±15%	+15%/-25%	–	–

일반적으로 사용되는 2종 세라믹 축전기 재료와 EIA 및 IEC/EN 코드는 다음과 같다.

'''X8R''': (-55/+150°C, ΔC/C₀ = ±15%), IEC/EN 코드 없음
'''X7R''': (-55/+125°C, ΔC/C₀ = ±15%), IEC/EN 코드 '''2X1'''
'''X6R''': (-55/+105°C, ΔC/C₀ = ±15%)
'''X5R''': (-55/+85°C, ΔC/C₀ = ±15%)
'''X7S''': (-55/+125°C, ΔC/C₀ = ±22%), '''2C1'''과 유사 (ΔC/C₀ = ±20%)
'''Z5U''': (+10/+85°C, ΔC/C₀ = +22%/-56%), IEC/EN 코드 '''2E6'''
'''Y5V''': (-30/+85°C, ΔC/C₀ = +22%/-82%), '''2F4'''와 유사 (ΔC/C₀ = +30%/-80%)

온도에 따른 정전용량의 일반적인 허용오차를 보여주는 2종 세라믹 축전기(색상 영역)

군용 등급의 2종 유전체는 온도 특성(TC)만 규정하고 온도-전압 특성(TVC)은 규정하지 않는다. BX 유형은 X7R과 유사하게 온도에 따라 15% 이내 변화, 최대 정격 전압에서 +15%/-25% 이내 변화를 보이며, BR 유형은 TVC 한계가 +15%/-40%이다.

3. 3. 3종 세라믹 축전기

3등급 유전체층 또는 반도체 세라믹 축전기는 최대 50,000에 달하는 매우 높은 유전율을 가지므로 2등급 축전기보다 더 나은 체적 효율을 제공한다. 그러나 이러한 축전기는 정확도와 안정성이 낮은 등 전기적 특성이 좋지 않다. 유전체는 온도 범위에 따라 매우 높은 비선형 정전용량 변화를 특징으로 한다. 정전용량 값은 또한 인가된 전압에 따라 달라진다. 또한 손실이 매우 크고 시간이 지남에 따라 노화된다.^[14]^[15]

유전체층 세라믹 축전기는 티탄산바륨(Barium titanate|바륨 티타네이트^영어)과 같은 도핑된 강유전체 재료로 만들어진다. 1980년대 중반 이 세라믹 기술이 발전함에 따라 최대 100 μF 값의 유전체층 축전기가 출시되었으며, 당시에는 더 작은 전해 콘덴서를 대체할 수 있을 것으로 보였다.

이 재료로 다층 축전기를 제작할 수 없기 때문에 시장에서는 리드형 단층 타입만 제공된다.^[14]^[15]

다층 세라믹 축전기의 발전으로 더 작은 패키지에서 우수한 성능을 구현할 수 있게 됨에 따라, 유전체층 축전기 기술은 현재 구식으로 간주되며 IEC에서 더 이상 표준화되지 않는다.

4. MLCC의 구조 및 제조 공정

'''적층 세라믹 축전기'''(multi-layer ceramic capacitor^영어, '''MLCC''')는 여러 개의 개별 축전기가 병렬로 쌓여 양쪽 단자를 통해 연결되는 구조이다. 모든 MLCC는 정밀하게 배합된 첨가제를 섞은 상유전성 또는 강유전성 원료를 미세하게 분쇄한 혼합물로 만들어진다.^[71] 이 분말 재료는 균일하게 혼합되며, 혼합물 성분과 분말 입자 크기(최소 10nm)는 제조사의 전문성을 나타낸다.

MLCC는 리드(lead)가 없어 리드가 있는 부품보다 일반적으로 작다. 또한, PCB에 관통 구멍(through-hole)이 필요 없이 실장할 수 있으며, 기계로 처리하도록 설계되어 표면 실장 부품인 MLCC는 일반적으로 더 저렴하다.

MLCC는 호환성을 위해 표준화된 형태와 크기로 제조된다. 초기에는 미국의 EIA 표준에 따라 인치 단위로 표준화되었으나, 국제적으로 통용되는 코드("0603" 등)가 사용된다. JEDEC(IEC/EN)은 미터법 코드를 고안했다. 다음은 다층 세라믹 칩 커패시터의 일반적인 크기에 대한 EIA 코드, 미터법 환산값, mm 단위 치수를 나타낸 표이다. (높이 "H"는 층수 및 정전 용량에 따라 다르므로 일반적으로 표시되지 않으며, 보통 너비 W를 초과하지 않는다.)

다층 세라믹 칩 커패시터의 치수 코드와 해당 치수
도면	EIA 인치 코드	치수 L × W (인치)	IEC/EN 미터법 코드	치수 L × W (mm)	EIA 인치 코드	치수 L×W (인치)	IEC/EN 미터법 코드	치수 L × W (mm)
다층 세라믹 칩 커패시터의 치수 L×W×H	01005	0.016 × 0.0079	0402	0.4 × 0.2	1806	0.18 × 0.063	4516	4.5 × 1.6
	015015	0.016 × 0.016	0404	0.4 × 0.4	1808	0.18 × 0.079	4520	4.5 × 2.0
	0201	0.024 × 0.012	0603	0.6 × 0.3	1812	0.18 × 0.13	4532	4.5 × 3.2
	0202	0.02 × 0.02	0505	0.5 × 0.5	1825	0.18 × 0.25	4564	4.5 × 6.4
	0302	0.03 × 0.02	0805	0.8 × 0.5	2010	0.20 × 0.098	5025	5.0 × 2.5
	0303	0.03 × 0.03	0808	0.8 × 0.8	2020	0.20 × 0.20	5050	5.08 × 5.08
	0504	0.05 × 0.04	1310	1.3 × 1.0	2220	0.225 × 0.197	5750	5.7 × 5.0
	0402	0.039 × 0.020	1005	1.0 × 0.5	2225	0.225 × 0.25	5664/5764	5.7 × 6.4
	0603	0.063 × 0.031	1608	1.6 × 0.8	2512	0.25 × 0.13	6432	6.4 × 3.2
	0805	0.079 × 0.049	2012	2.0 × 1.25	2520	0.25 × 0.197	6450	6.4 × 5.0
	1008	0.098 × 0.079	2520	2.5 × 2.0	2920	0.29 × 0.197	7450	7.4 × 5.0
	1111	0.11 × 0.11	2828	2.8 × 2.8	3333	0.33 × 0.33	8484	8.38 × 8.38
	1206	0.126 × 0.063	3216	3.2 × 1.6	3640	0.36 × 0.40	9210	9.2 × 10.16
	1210	0.126 × 0.10	3225	3.2 × 2.5	4040	0.4 × 0.4	100100	10.2 × 10.2
	1410	0.14 × 0.10	3625	3.6 × 2.5	5550	0.55 × 0.5	140127	14.0 × 12.7
	1515	0.15 × 0.15	3838	3.81 × 3.81	8060	0.8 × 0.6	203153	20.3 × 15.3

초기 MLCC 전극은 은과 팔라듐 같은 귀금속으로 만들어져 1200°C~1400°C의 고온 소결을 견딜 수 있었다. 이 '귀금속 전극'(NME) 커패시터는 전기적 특성이 우수했다. 1990년대 후반, 귀금속 가격 급등으로 구리, 니켈 등 저렴한 금속을 사용한 '베이스 금속 전극'(BME) 커패시터가 개발되었다.^[21] BME 커패시터는 커패시턴스 수축이 크고 손실 계수가 증가하는 등 전기적 특성이 좋지 않았다. BME는 주로 정확도가 중요하지 않은 저렴한 애플리케이션(2종 커패시터)에 사용되었고, NME는 사양 준수가 중요하고 비용이 덜 중요한 1종 커패시터에 사용된다.

2종 X7R MLCC 칩의 NME 및 BME 금속화가 커패시턴스 전압 의존성에 미치는 영향

MLCC '''제조 공정'''은 다음과 같다. 먼저, 분말 현탁액에서 얇은 세라믹 포일을 주조하고, 같은 크기 시트로 절단 후 금속 페이스트(전극) 층을 스크린 인쇄한다. 자동화 공정에서 시트를 필요한 층수만큼 쌓고 압력으로 고화시킨다. 층의 크기와 수는 상대 유전율과 함께 정전 용량 값을 결정한다. 전극은 인접 층에서 약간 오프셋된 교번 배열로 쌓여 오프셋 측면(좌, 우)에서 연결된다. 층층이 쌓인 것을 압축 후 개별 부품으로 절단한다. (예: "0201"(0.5mm × 0.3mm) 크기, 500개 이상 층 스택은 높은 기계적 정밀도 필요)^[71]

절단 후 스택에서 결합제를 태우고, 1200°C~1450°C에서 소결하여 결정질 구조를 만든다. 연소는 유전 특성을 생성하며, 이후 세척 및 양 끝면 금속화 과정을 거친다. 금속화는 양단과 내부 전극을 병렬 연결하여 단자를 생성한다. 마지막으로, 각 콘덴서는 전기적 테스트를 거쳐 테이프 릴에 포장된다.^[16]^[17]

4. 1. 구조

세라믹 축전기는 미세하게 분쇄된 파라전기 또는 강유전성 재료의 과립과, 원하는 특성을 얻기 위해 적절히 혼합된 다른 재료들의 혼합물로 구성된다. 이러한 분말 혼합물에서 세라믹은 고온에서 소결된다. 세라믹은 유전체를 형성하고 금속 전극을 위한 운반체 역할을 한다. 오늘날(2013년) 저전압 축전기의 경우 0.5 마이크로미터^[3] 정도인 유전체 층의 최소 두께는 세라믹 분말의 입자 크기에 의해 하한이 제한된다. 고전압 축전기의 유전체 두께는 원하는 축전기의 유전 강도에 따라 결정된다.

축전기의 전극은 금속화에 의해 세라믹 층에 증착된다. MLCC의 경우 교대로 금속화된 세라믹 층을 서로 위에 쌓는다. 본체 양쪽의 뛰어난 전극 금속화는 접촉 단자에 연결된다. 래커 또는 세라믹 코팅은 축전기를 습기 및 기타 주변 환경의 영향으로부터 보호한다.

세라믹 축전기는 다양한 모양과 스타일로 제공된다. 가장 일반적인 몇 가지는 다음과 같다.

다층 세라믹칩 축전기(MLCC), 직사각형 블록, 표면 실장용
세라믹 디스크 축전기, 단일층 디스크, 수지 코팅, 스루홀 리드 포함
피드스루 세라믹 축전기, 고주파 회로에서 바이패스 목적으로 사용된다. 관 모양, 내부 금속화는 리드와 접촉하고, 외부 금속화는 납땜용
세라믹 전력 축전기, 고전압 어플리케이션을 위한 다양한 모양의 더 큰 세라믹 본체

MLCC는 리드(lead)가 없으므로, 일반적으로 리드가 있는 동종 부품보다 작다. PCB에 관통 구멍(through-hole)이 필요 없어 실장이 가능하며, 사람 손으로 다루기보다는 기계로 취급하도록 설계되었다. 그 결과, MLCC와 같은 표면 실장 부품은 일반적으로 더 저렴하다.

MLCC는 호환성 있는 취급을 위해 표준화된 형태와 크기로 제조된다. 초기 표준화는 미국의 EIA 표준이 주도했기 때문에 MLCC 칩의 치수는 인치 단위로 EIA에 의해 표준화되었다. 0.06인치 길이와 0.03인치 너비의 직사각형 칩은 "0603"으로 코드화된다. 이 코드는 국제적으로 통용된다. JEDEC(IEC/EN)은 두 번째 미터법 코드를 고안했다. 다층 세라믹 칩 커패시터의 일반적인 크기에 대한 EIA 코드와 미터법 환산값, 그리고 mm 단위의 치수는 다음 표에 나와 있다. 표에는 높이 "H"의 측정값이 누락되어 있다. 이는 MLCC 칩의 높이는 층수, 따라서 정전 용량에 따라 다르기 때문에 일반적으로 표시되지 않는다. 그러나 일반적으로 높이 H는 너비 W를 초과하지 않는다.

다층 세라믹 칩 커패시터의 치수 코드와 해당 치수
EIA 인치 코드	치수 L × W (인치)	IEC/EN 미터법 코드	치수 L × W (mm)	EIA 인치 코드	치수 L×W (인치)	IEC/EN 미터법 코드	치수 L × W (mm)
01005	0.016 × 0.0079	0402	0.4 × 0.2	1806	0.18 × 0.063	4516	4.5 × 1.6
015015	0.016 × 0.016	0404	0.4 × 0.4	1808	0.18 × 0.079	4520	4.5 × 2.0
0201	0.024 × 0.012	0603	0.6 × 0.3	1812	0.18 × 0.13	4532	4.5 × 3.2
0202	0.02 × 0.02	0505	0.5 × 0.5	1825	0.18 × 0.25	4564	4.5 × 6.4
0302	0.03 × 0.02	0805	0.8 × 0.5	2010	0.20 × 0.098	5025	5.0 × 2.5
0303	0.03 × 0.03	0808	0.8 × 0.8	2020	0.20 × 0.20	5050	5.08 × 5.08
0504	0.05 × 0.04	1310	1.3 × 1.0	2220	0.225 × 0.197	5750	5.7 × 5.0
0402	0.039 × 0.020	1005	1.0 × 0.5	2225	0.225 × 0.25	5664/5764	5.7 × 6.4
0603	0.063 × 0.031	1608	1.6 × 0.8	2512	0.25 × 0.13	6432	6.4 × 3.2
0805	0.079 × 0.049	2012	2.0 × 1.25	2520	0.25 × 0.197	6450	6.4 × 5.0
1008	0.098 × 0.079	2520	2.5 × 2.0	2920	0.29 × 0.197	7450	7.4 × 5.0
1111	0.11 × 0.11	2828	2.8 × 2.8	3333	0.33 × 0.33	8484	8.38 × 8.38
1206	0.126 × 0.063	3216	3.2 × 1.6	3640	0.36 × 0.40	9210	9.2 × 10.16
1210	0.126 × 0.10	3225	3.2 × 2.5	4040	0.4 × 0.4	100100	10.2 × 10.2
1410	0.14 × 0.10	3625	3.6 × 2.5	5550	0.55 × 0.5	140127	14.0 × 12.7
1515	0.15 × 0.15	3838	3.81 × 3.81	8060	0.8 × 0.6	203153	20.3 × 15.3

초기 MLCC 전극은 은과 팔라듐과 같은 귀금속으로 제작되었는데, 이는 1200~1400 °C의 높은 소결 온도에서도 산화되지 않고 견딜 수 있었다. 이러한 '귀금속 전극'(NME) 커패시터는 매우 우수한 전기적 특성을 제공했다.

그러나 1990년대 후반 귀금속 가격의 급등으로 제조 비용이 크게 증가했다. 이러한 압력으로 인해 구리와 니켈과 같은 저렴한 금속을 사용하는 커패시터가 개발되었다.^[21] 이러한 '베이스 금속 전극'(BME) 커패시터는 전기적 특성이 좋지 않아 고전압에서 커패시턴스 수축이 더 크고 손실 계수가 증가했다.

BME의 단점은 주로 정확도가 중요하지 않고 전원 공급 장치와 같은 저렴한 애플리케이션에 사용되는 2종 커패시터에는 허용될 수 있었다. NME는 사양 준수가 중요하고 비용이 덜 중요한 1종 커패시터에 여전히 사용된다.

4. 2. 제조 공정

적절한 결합제를 사용하여 분말 현탁액으로부터 얇은 세라믹 포일을 주조한다. 포일 롤을 같은 크기의 시트로 절단하고, 전극이 될 금속 페이스트 층을 스크린 인쇄한다. 자동화된 공정에서 이러한 시트를 필요한 층수만큼 쌓고 압력으로 고화시킨다. 상대 유전율 외에도 층의 크기와 수는 나중에 정전 용량 값을 결정한다. 전극은 인접한 층에서 약간 오프셋된 교번 배열로 쌓여 나중에 오프셋 측면(왼쪽 하나, 오른쪽 하나)에서 각각 연결될 수 있다. 층층이 쌓인 것을 압축한 다음 개별 부품으로 절단한다. 예를 들어, "0201"(0.5mm × 0.3mm) 크기의 500개 이상의 층으로 구성된 스택을 생산하려면 높은 기계적 정밀도가 필요하다.^[71]

절단 후, 스택에서 결합제를 태운다. 그런 다음 1200°C~1450°C의 온도에서 소결하여 최종적으로 주로 결정질 구조를 생성한다. 이 연소 과정은 원하는 유전 특성을 만든다. 연소 후 세척하고 양쪽 끝면을 금속화한다. 금속화를 통해 양단과 내부 전극이 병렬로 연결되고 콘덴서에 단자가 생긴다. 마지막으로 각 콘덴서는 기능 및 적절한 성능을 보장하기 위해 전기적으로 테스트되고 테이프 릴에 포장된다.^[16]^[17]

5. MLCC 시장 및 기술 동향

'''적층 세라믹 축전기'''(multi-layer ceramic capacitor^영어, '''MLCC''')는 여러 개의 개별 축전기가 병렬로 쌓여 단자 표면을 통해 접촉되는 구조이다. 모든 MLCC 칩의 시작 재료는 정밀하게 결정된 첨가제에 의해 수정된 상유전성 또는 강유전성 원료의 미세하게 분쇄된 과립의 혼합물이다.^[71] 분말 물질들은 균일하게 혼합되며, 혼합물의 성분과 분말 입자의 크기는 최소 10 nm 정도로, 이는 제조사의 전문성을 반영한다.

MLCC의 정전용량(C) 공식은 다음과 같다.

$C=\varepsilon \cdot { {n \cdot A} \over {d} }$

여기서 ε은 유전율, A는 전극 표면적, n은 층 수, d는 전극 간 거리를 나타낸다.

5. 1. 시장 점유율

2019년 기준 전세계 MLCC 시장 점유율은 다음과 같다.^[72]

순위	기업명	국적	시장 점유율(%)
1	무라타 제작소	일본	40
2	삼성전기	대한민국	22
3	다이요유덴	일본	12
4	TDK	일본	8
5	야교	대만	3
6	기타		15

5. 2. 기술 동향

최근 수십 년 동안 디지털 전자기기가 소형화되면서 집적 논리 회로 주변 부품들도 함께 작아지고 있다. '''적층 세라믹 축전기'''(MLCC)의 소형화는 유전체 두께를 줄이고 층 수를 늘리는 방식으로 이루어지는데, 이 두 가지 방법 모두 상당한 노력과 전문성을 필요로 한다.^[71]

유전체를 더 얇게 하거나 전극 면적을 넓히거나, 혹은 더 높은 유전율을 가진 유전체 재료를 사용하면 정전용량을 증가시킬 수 있다.

1995년에는 유전체의 최소 두께가 4 μm였으나, 2005년에는 일부 제조업체들이 1 μm 두께의 층을 가진 MLCC 칩을 생산했다. 최소 두께는 약 0.5 μm 수준이다.^[1] 유전체 내 전계 강도는 35 V/μm로 증가했다.^[18]

축전기 크기 감소는 분말 입자 크기를 줄여 세라믹 층을 더 얇게 만들고, 제조 공정을 더욱 정밀하게 제어하여 더 많은 층을 적층함으로써 가능해졌다.

1995년과 2005년 사이에 1206 크기의 Y5V MLCC 축전기의 정전용량은 4.7 μF에서 100 μF로 증가했다.^[19] 2013년 기준으로, 많은 제조업체들이 0805 크기의 칩에서 100 μF의 정전용량을 가진 2종 MLCC 축전기를 제공할 수 있게 되었다.^[20]

공진 주파수 영역에서 커패시터는 잡음이나 전자기 간섭에 대한 최고의 디커플링 특성을 보인다. 커패시터의 공진 주파수는 부품의 인덕턴스에 의해 결정되며, 등가 직렬 인덕턴스(ESL)로 요약된다. 인덕턴스가 작을수록 공진 주파수는 높아진다.

특히 디지털 신호 처리에서 스위칭 주파수가 계속 증가함에 따라, 고주파 디커플링 또는 필터 커패시터에 대한 수요가 증가하고 있다. MLCC 칩의 ESL을 줄이기 위해, 적층 전극을 연결 단자를 사용하여 세로 방향으로 연결하면 전하 캐리어가 전극을 따라 흐르는 거리가 줄어들어 부품의 인덕턴스가 감소한다.^[22]

예를 들어, 0805 패키지의 0.1 μF X7R MLCC는 16 MHz에서 공진하지만, 긴 쪽에 리드가 있는 동일한 커패시터( ''0508'')는 22 MHz의 공진 주파수를 갖는다.

여러 개의 개별 커패시터를 공통 하우징에 내장하여 커패시터 어레이를 형성하는 방법도 있다. 이들을 병렬로 연결하면 ESL과 부품의 ESR 값이 감소한다.

6. 응용 분야

표준 다층 세라믹 커패시터(축전기)는 내부에 여러 층의 전극이 쌓여 있고, 이 전극들은 두 개의 외부 단자에 연결되어 있다. 반면 X2Y 세라믹 칩 커패시터는 4단자 장치로, 표준 2단자 MLCC와 비슷하게 구성되지만, 칩에 추가적인 차폐 전극 세트가 통합되어 있다. 이 차폐 전극은 각 전극을 둘러싸고, 두 개의 추가적인 측면 단자와 저저항으로 연결된다. X2Y 구조는 라인 간 및 라인 대 접지 필터링을 동시에 제공하는 3노드 커패시턴스 회로를 만든다.^[23]^[24]^[25]

X2Y 세라믹 커패시터는 2개 이상의 기존 장치를 대체할 수 있어, 디지털 회로에서 공급 전압의 고주파 필터링이나 노이즈 억제에 적합하다. 또한 DC 모터, 자동차, 오디오, 센서 등 다양한 분야에서 엄격한 EMC 요구 사항을 충족하는 데 유용하다.^[26]^[27]

X2Y 풋프린트는 실장 인덕턴스를 낮추는데,^[28] 이는 수백 MHz 이상의 클럭 속도를 가진 고속 디지털 회로에 특히 중요하다. 기존에는 여러 개의 MLCC 칩을 병렬로 연결하여 디커플링을 구현했지만, X2Y 커패시터를 사용하면 PCB에서 최대 5개의 세라믹 커패시터를 대체할 수 있다.^[29] 하지만 특허 문제로 인해 상대적으로 가격이 비싸다. X2Y 커패시터의 대안으로는 3단자 커패시터가 있다.^[30]

제거용 커패시터는 주파수가 증가함에 따라 전기 임피던스가 감소하여 간섭을 줄이는 데 효과적이다. 고주파에서 전기 잡음 및 과도 현상에 대해 단락 회로처럼 작용하여, 장비와 기계가 전자기 및 무선 주파수 간섭과 과도 현상을 주고받는 것을 방지한다. X 커패시터는 대칭형 간섭을, Y 커패시터는 비대칭형 간섭을 흡수한다.^[35]^[36]^[37]

EMI/RFI 제거 커패시터는 남아 있는 간섭이나 전기 잡음이 EMC 지침 EN 50081의 한계를 넘지 않도록 설계되었다.^[38] 이들은 10년 이상 주전원 전압에 직접 연결되어 과전압 및 과도 현상에 노출되므로, 다음과 같은 국제 안전 표준의 안전 및 불연성 요구 사항을 준수해야 한다.

유럽: EN 60384-14
미국: UL 1414, UL 1283
캐나다: CSA C22.2, No.1, CSA C22.2, No.8
중국: CQC (GB/T 14472-1998)

지정된 모든 요구 사항을 충족하는 RFI 커패시터에는 여러 국가 안전 표준 기관의 인증 마크가 인쇄되어 있다. 또한, 전력선 응용 분야에서는 코팅 및 커패시터 본체에 사용되는 에폭시 수지의 불연성에 대한 특별한 요구 사항이 있다. 안전 승인을 위해 X 및 Y 전력선 등급 커패시터는 파괴 시험을 거치며, 큰 과전압 서지에도 고장 안전 방식으로 고장 나야 한다.

EMI/RFI 제거용 세라믹 커패시터는 대부분 리드형이었지만,^[39]^[40] 표면 실장 기술이 중요해지면서, 최근에는 여러 제조업체의 MLCC 칩이 승인을 받고 표준 요구 사항을 충족한다.^[39]^[41]^[42]^[43]^[44]

전력 세라믹 축전기는 대부분 200볼트암페어보다 훨씬 높은 사양으로 지정된다. 세라믹 원료의 높은 가소성과 유전 강도는 다양한 응용 분야에 대한 솔루션을 제공하며, 다양한 스타일을 가진다. 이러한 전력 축전기는 수십 년 동안 시장에 출시되었으며, 높은 안정성과 낮은 손실을 가진 1종 또는 높은 체적 효율을 가진 2종으로 생산된다.

1종 전력 세라믹 축전기는 송신소의 공진 회로 응용 분야에 사용된다. 2종 전력 세라믹 축전기는 차단기, 전력 분배선, 고전압 전원 공급 장치, 유도로, 전압 배가 회로 등에 사용된다. 전력 세라믹 축전기는 2 kV에서 최대 100 kV의 높은 정격 전압으로 공급될 수 있다.^[45]

이러한 전력 세라믹 축전기는 크기가 매우 클 수 있으며, 고전력 응용 분야에서 많은 열을 발생시킬 수 있다. 따라서 일부 특수 스타일은 수냉식 파이프를 갖추고 있다.

다층 세라믹 커패시터는 비용, 신뢰성, 크기 경쟁력이 높아짐에 따라 바이패스 또는 고주파 스위칭 모드 전원 공급 장치와 같은 응용 분야에서 탄탈륨 및 저정전용량 알루미늄 전해 커패시터를 대체하고 있다. 낮은 ESR(등가 직렬 저항) 덕분에 더 낮은 정격 정전용량 값을 사용할 수 있는 경우가 많다.^[65]^[66]^[67]^[68]^[69]

7. 전기적 특성

세라믹 축전기는 주파수에 따라 정전용량이 변하는 특성을 보인다. 2종 세라믹 및 플라스틱 필름 축전기는 주파수가 증가함에 따라 유전 강도가 감소하여 정전용량 값도 감소한다. 이러한 현상은 유전 완화와 관련이 있으며, 전기 쌍극자의 시간 상수가 유전율의 주파수 의존성을 유발한다.

세라믹 X7R 및 Y5V 2종류 축전기의 주파수에 따른 정전용량 변화(비교를 위한 NP0 1종류 곡선)

2종 세라믹 축전기는 인가 전압에 따라 정전용량이 변하는 특성을 보인다. 강유전체 재료는 인가 전압이 높을수록 유전율이 낮아져 정전용량이 감소한다. 이러한 특성은 저왜곡 필터나 아날로그 응용 분야에서 비선형성의 원인이 되며, 오디오 응용 분야에서는 고조파 왜곡을 유발할 수 있다.

NME 금속화를 사용한 세라믹 축전기보다 BME 금속화를 사용한 축전기에서 정전용량의 전압 의존성이 더 크게 나타난다.^[48]^[49]^[50]^[51]

세라믹 축전기의 내전압은 정격 전압(U_R)으로 지정되며, 이는 상한 온도 한계까지 지속적으로 인가할 수 있는 최대 직류 전압이다.

IEC 60384-8/21/9/22 관련 시험 전압 (안전 구조 시험)
종류	정격 전압	시험 전압
적층 세라믹칩 축전기(MLCC)	U_R ≤ 100 V	2.5 U_R
	100 V < U_R ≤ 200 V	1.5 U_R + 100 V
	200 V < U_R ≤ 500 V	1.3 U_R + 100 V
	500 V < U_R	1.3 U_R
단층 세라믹 축전기	U_R ≤ 500 V	2.5 U_R
단층 세라믹 축전기	U_R > 500 V	1.5 U_R + 500 V

축전기의 주파수에 따른 교류 저항은 임피던스( $Z$ )라고 하며, 교류 회로에서 전압과 전류의 복소수 비율이다. 임피던스는 크기와 위상을 모두 가지며, 축전기가 교류를 통과시키는 능력의 척도이다.

고주파수 이상에서의 축전기의 간략화된 직렬 등가 회로(위); 전기 리액턴스 X_ESL 및 X_C와 저항 ESR, 그리고 예시로 임피던스 Z와 손실 계수 tan δ의 벡터 다이어그램

실제 축전기는 이상적인 축전기(

C

), 인덕턴스(

L

), 저항(

R

)을 포함하는 직렬 등가 회로로 나타낼 수 있다. 임피던스(

Z

)는 다음과 같이 계산된다.

:

Z=\sqrt{ESR^2 + (X_\mathrm{C} + (-X_\mathrm{L}))^2}

여기서 정전용량 리액턴스(정전용량)는

:

X_C= -\frac{1}{\omega C}

이고, 인덕턴스 리액턴스(인덕턴스)는

:

X_L=\omega L_{\mathrm{ESL}}

이다.

공진의 경우, 두 리액턴스 저항이 같아(

X_C = X_L

) 임피던스는

ESR

에 의해서만 결정된다.

세라믹 축전기의 데이터 시트에는 임피던스 크기

Z

만 지정된다. 일반적인 임피던스 곡선은 주파수가 증가함에 따라 임피던스가 감소하여 공진점에서 최솟값을 갖는다. 공진 주파수 이상에서는 ESL로 인해 임피던스가 다시 증가한다.

세라믹 축전기의 손실은 오믹 AC 손실로, 라인 손실과 유전 손실(유전 분극)로 구성된다. 이러한 손실은 주파수, 온도, 경과 시간 등에 따라 달라진다.

축전기의 저항 손실은 등가 직렬 저항(ESR), 손실 계수(DF, tan δ) 또는 품질 계수(Q)로 지정될 수 있다. 2종 축전기는 주로 손실 계수(tan δ)로 지정되며, 이는 다음과 같이 근사할 수 있다.

:tan δ = ESR ⋅ ωC

1종 축전기는 손실 계수와 품질 계수(Q)로 지정되며, Q 계수는 손실 계수의 역수이다.

IEC 60384-8/-21/-9/-22에 따른 1종 및 2종 세라믹 축전기의 최대 손실 계수(tan δ)는 다음과 같다.

1종 세라믹 축전기의 손실 계수 tan δ
C_R ≥ 50 pF
세라믹의 온도 계수	최대 손실 계수
100 ≥ α > −750	tan δ ≤ 15 • 10⁻⁴
−750 ≥ α > −1500	tan δ ≤ 20 • 10⁻⁴
−1500 ≥ α > −3300	tan δ ≤ 30 • 10⁻⁴
−3300 ≥ α > −5600	tan δ ≤ 40 • 10⁻⁴
≤ −5600	tan δ ≤ 50 • 10⁻⁴
정전 용량 값 < 50 pF의 경우 손실 계수가 더 클 수 있다.

2종 세라믹 축전기의 손실 계수 tan δ
C_R ≥ 50 pF
축전기의 정격 전압	최대 손실 계수
≥ 10 V	tan δ ≤ 350 • 10⁻⁴
정전 용량 값 < 50 pF의 경우 손실 계수가 더 클 수 있다.

전기 공진은 세라믹 축전기의 허수부 임피던스와 어드미턴스가 상쇄될 때 발생하며, 이 주파수를 자체 공진 주파수라고 한다. 자체 공진 주파수는 다음과 같이 계산된다.

: $\omega = \frac{1}{\sqrt{LC}}$

정전용량(C)과 인덕턴스(L)가 작을수록 공진 주파수는 높아진다. 자체 공진 주파수는 축전기를 용량성 부품으로 사용할 수 있는 최고 주파수이다.

NP0/C0G 및 X7R 세라믹 축전기의 자체 공진 주파수 예시는 다음과 같다.^[52]

\|	10 pF	100 pF	1 nF	10 nF	100 nF	1 μF
C0G (Class 1)	1550 MHz	460 MHz	160 MHz	55 MHz
X7R (Class 2)			190 MHz	56 MHz	22 MHz	10 MHz

NP0(클래스 1) 세라믹 축전기와 비교한 다양한 클래스 2 세라믹 축전기의 에이징

강유전체 2종 세라믹 축전기는 시간이 지남에 따라 정전용량이 감소하는 "에이징(aging)" 현상이 발생한다. 에이징은 유전체 내 분극 영역의 열화로 인해 발생하며, 로그 법칙을 따른다. X7R 세라믹 축전기의 일반적인 에이징은 10배 단위당 약 2.5%이다.^[55]

1종 축전기는 강유전성 에이징을 겪지 않지만, 환경적 영향으로 인해 장기간에 걸쳐 작은 정전용량 감소가 발생할 수 있다.

세라믹 축전기의 절연 저항은 무한하지 않으므로 DC 누설 전류가 발생하며, 이는 자가 방전에 기여한다. 절연 저항은 MΩ 단위로 표시되며, 자가 방전 상수는 초 단위로 표시된다. 절연 저항 및 자가 방전 시간은 온도에 따라 달라진다.

납땜으로 인한 응력은 세라믹 축전기의 전기적 특성을 변화시킬 수 있다. 특히, 강유전체 2종 세라믹 축전기는 납땜 온도가 퀴리 온도보다 높으면 에이징 과정이 다시 시작된다.^[2]

8. 기타

=== 기계적 취약성 ===

세라믹은 재료 특성상 부서지기 쉬워, 표면 실장형 적층 세라믹 콘덴서(MLCC)는 회로 기판의 휨이나 열팽창 등 기계적 응력에 의해 균열이 발생하기 쉽다. 이는 스루홀 부품보다 더 취약한 부분이다.^[31]^[32]

기계적 응력으로 인한 균열은 자동화된 조립 라인이나 회로의 고전류 등에 의해 발생할 수 있다. 또한, 회로 기판에 가해지는 진동이나 충격은 MLCC와 솔더 접합부에 거의 흡수되지 않고 전달되어 콘덴서에 균열, 즉 "플렉스 균열"을 유발할 수 있다. 특히, 접합부에 과도한 솔더는 콘덴서에 가해지는 힘을 증폭시키기 때문에 바람직하지 않다.^[31]^[32]

MLCC 칩의 기계적 응력 저항 능력은 "기판 굽힘 시험"을 통해 평가된다. MLCC 칩의 굽힘 강도는 세라믹 재료, 칩 크기, 콘덴서의 물리적 구조에 따라 달라진다. 예를 들어, 별도의 완화 조치가 없는 경우, NP0/C0G 클래스 1 세라믹 MLCC 칩은 일반적으로 2mm의 굽힘 강도를 가지는 반면, X7R, Y5V 클래스 2 세라믹 칩은 약 1mm의 굽힘 강도를 가진다. 또한, 0402 크기와 같이 더 작은 칩은 모든 유형의 세라믹에서 더 큰 굽힘 강도를 보인다.

굽힘 강도를 향상시키기 위해 특수 설계 방식이 적용되기도 한다. 예를 들어, "개방 모드 설계"(OMD)는 단자 부근에서 세라믹이 파손될 때 반대 극성을 가진 전극이 접촉하여 내부 단락이 발생하는 것을 방지하기 위해 전극의 겹치는 표면을 줄이는 방식이다.

표준 MLCC 칩, 기계적 응력으로 인해 세라믹이 파손되면 단락 회로가 발생할 수 있음

"플로팅 전극 설계"(FED) 또는 "다층 직렬 콘덴서"(MLSC)라고 불리는 구조 역시 콘덴서 본체의 일부가 파손되어도 정전 용량만 감소하는 특징을 가진다. 하지만, 이러한 특수 설계 방식은 동일한 정전 용량 값을 가진 표준 MLCC에 비해 크기가 더 커진다는 단점이 있다.

표준 MLCC와 동일한 부피를 유지하면서 굽힘 강도를 향상시키는 방법으로는 "유연 단자"(FT-Cap) 또는 "소프트 단자"라고 불리는 기술이 있다. 이 기술은 전극과 단자 사이에 전도성 폴리머로 이루어진 유연한 중간층을 도입하여 굽힘력을 흡수하고 세라믹 파손을 방지한다.^[34]

=== 마이크로포니 ===

2종 세라믹 축전기는 강유전체 세라믹을 사용하여 압전 효과를 나타내는데, 이는 마이크로포니 현상(microphonics) 또는 오디오 응용 분야에서 끽끽거리는 소리로 나타난다.^[57] 마이크로포니는 전자 부품이 기계적 진동을 전기 신호로 변환하는 현상으로, 원치 않는 잡음을 발생시킨다.^[58] 이러한 효과를 피하기 위해 민감한 전자 프리앰프에는 일반적으로 1종 세라믹 및 필름 축전기가 사용된다.^[58]

역 마이크로포니 효과는 축전기 판 사이의 변화하는 전기장이 물리적 힘을 발생시켜 스피커처럼 움직이게 하는 현상이다.^[58] 고전류 임펄스 부하 또는 높은 리플 전류는 축전기에서 들리는 소리를 발생시킬 수 있으며, 이는 축전기를 방전시키고 유전체에 스트레스를 가한다.^[59]^[60]^[61]

=== 표기법 ===

세라믹 축전기의 정전용량은 온도에 따라 변하며, 다양한 유전체 종류에 따라 온도 의존성에 큰 차이를 보인다. 1종 세라믹 축전기는 온도 계수를 섭씨 1도당 백만분율(ppm)로, 2종 축전기는 전체 온도 범위에 걸쳐 백분율(%)로 표시한다.

일부 자주 사용되는 축전기의 온도 계수
축전기 종류, 유전체 재료	온도 계수 C/C₀	사용 온도 범위
1종 세라믹 축전기 파라전기성 NP0	±30 ppm/K (±0.5%)	−55…+125 °C
2종 세라믹 축전기, 강유전성 X7R	±15%	−55…+125 °C
2종 세라믹 축전기, 강유전성 Y5V	+22% / −82%	−30…+85 °C

대부분의 다른 전자 부품과 마찬가지로, 세라믹 축전기에도 공간이 허락한다면 제조업체, 종류, 전기적 및 열적 특성, 제조 연월일을 나타내는 인쇄 마크가 있다. 이상적인 경우, 축전기 크기가 충분히 크다면 다음과 같은 표시가 되어 있다.

제조업체 이름 또는 상표
제조업체의 형식 명칭
정격 정전 용량
정격 정전 용량 허용 오차
정격 전압 및 전원의 종류(AC 또는 DC)
기후 범주 또는 정격 온도
제조 연월(또는 주)
안전 기준 인증 마크(안전 EMI/RFI 억제용 축전기의 경우)

더 작은 축전기는 제한된 공간에 모든 관련 정보를 표시하기 위해 약어 표기법을 사용한다. 가장 일반적으로 사용되는 형식은 XYZ J/K/M VOLTS V이며, 여기서 XYZ는 정전 용량(XY × 10^Z pF로 계산), 문자 J, K 또는 M은 허용 오차(각각 ±5%, ±10%, ±20%)를 나타내고, VOLTS V는 작동 전압을 나타낸다.

본체에 '''105K 330V'''라고 표기된 축전기는 정격 용량이 10 × 10⁵ pF = 1 μF (K = ±10%), 정격 전압이 330V임을 의미한다.
'''473M 100V'''라고 표기된 축전기는 정격 용량이 47 × 10³ pF = 47 nF (M = ±20%), 정격 전압이 100V임을 의미한다.

IEC 60062에 따라 축전 용량(마이크로패럿), 허용오차, 제조일자를 짧은 코드로 식별할 수 있다. 정격 용량(마이크로패럿)의 약칭 표기 예시는 다음과 같다.

μ47 = 0.47 μF
4μ7 = 4.7 μF
47μ = 47 μF

제조일자는 종종 국제 표준에 따라 인쇄된다.

방식 1: 연도/주차 코드를 사용하는 방식으로, "1208"은 "2012년 8주차"를 의미한다.
방식 2: 연도 코드/월 코드를 사용하는 방식으로,

연도 코드: "R" = 2003, "S"= 2004, "T" = 2005, "U" = 2006, "V" = 2007, "W" = 2008, "X" = 2009, "A" = 2010, "B" = 2011, "C" = 2012, "D" = 2013 등

월 코드: "1"부터 "9"까지는 1월부터 9월까지, "O" = 10월, "N" = 11월, "D" = 12월

"X5"는 "2009년 5월"을 의미한다.

MLCC 칩과 같이 매우 작은 축전기의 경우 표시가 불가능하다. 이 경우 제조업체의 추적성만이 종류 식별을 보장할 수 있다.

8. 1. 기계적 취약성

세라믹은 재료 특성상 부서지기 쉬우므로, 표면 실장형 적층 세라믹 콘덴서(MLCC)는 회로 기판의 휨이나 열팽창 등 기계적 응력에 의해 균열이 발생하기 쉽다. 이는 스루홀 부품보다 더 취약한 부분이다.^[31]^[32]

기계적 응력으로 인한 균열은 자동화된 조립 라인이나 회로의 고전류 등에 의해 발생할 수 있다. 또한, 회로 기판에 가해지는 진동이나 충격은 MLCC와 솔더 접합부에 거의 흡수되지 않고 전달되어 콘덴서에 균열, 즉 "플렉스 균열"을 유발할 수 있다. 특히, 접합부에 과도한 솔더는 콘덴서에 가해지는 힘을 증폭시키기 때문에 바람직하지 않다.^[31]^[32]

MLCC 칩의 기계적 응력 저항 능력은 "기판 굽힘 시험"을 통해 평가된다. 이 시험은 납땜된 MLCC가 부착된 회로 기판을 펀치로 1~3mm 구부려 MLCC에 단락 회로가 발생하거나 정전 용량 값이 크게 변하는지를 확인하는 방식으로 진행된다.

MLCC 칩의 굽힘 강도는 세라믹 재료, 칩 크기, 콘덴서의 물리적 구조에 따라 달라진다. 예를 들어, 별도의 완화 조치가 없는 경우, NP0/C0G 클래스 1 세라믹 MLCC 칩은 일반적으로 2mm의 굽힘 강도를 가지는 반면, X7R, Y5V 클래스 2 세라믹 칩은 약 1mm의 굽힘 강도를 가진다. 또한, 0402 크기와 같이 더 작은 칩은 모든 유형의 세라믹에서 더 큰 굽힘 강도를 보인다.

굽힘 강도를 향상시키기 위해 특수 설계 방식이 적용되기도 한다. 예를 들어, "개방 모드 설계"(OMD)는 단자 부근에서 세라믹이 파손될 때 반대 극성을 가진 전극이 접촉하여 내부 단락이 발생하는 것을 방지하기 위해 전극의 겹치는 표면을 줄이는 방식이다. 이 경우, 파손이 발생하더라도 정전 용량 값만 약간 감소한다.

"플로팅 전극 설계"(FED) 또는 "다층 직렬 콘덴서"(MLSC)라고 불리는 구조 역시 콘덴서 본체의 일부가 파손되어도 정전 용량만 감소하는 특징을 가진다. 이 구조는 단자에 전기적으로 연결되지 않은 플로팅 전극을 사용하여 파손 시 단락을 방지한다.

하지만, 이러한 특수 설계 방식은 동일한 정전 용량 값을 가진 표준 MLCC에 비해 크기가 더 커진다는 단점이 있다.

표준 MLCC와 동일한 부피를 유지하면서 굽힘 강도를 향상시키는 방법으로는 "유연 단자"(FT-Cap) 또는 "소프트 단자"라고 불리는 기술이 있다. 이 기술은 전극과 단자 사이에 전도성 폴리머로 이루어진 유연한 중간층을 도입하여 굽힘력을 흡수하고 세라믹 파손을 방지한다.^[34]

8. 2. 마이크로포니

2종 세라믹 축전기는 강유전체 세라믹을 사용하여 압전 효과를 나타내는데, 이는 마이크로포니 현상(microphonics) 또는 오디오 응용 분야에서 끽끽거리는 소리로 나타난다.^[57] 마이크로포니는 전자 부품이 기계적 진동을 전기 신호로 변환하는 현상으로, 원치 않는 잡음을 발생시킨다.^[58] 이러한 효과를 피하기 위해 민감한 전자 프리앰프에는 일반적으로 1종 세라믹 및 필름 축전기가 사용된다.^[58]

역 마이크로포니 효과는 축전기 판 사이의 변화하는 전기장이 물리적 힘을 발생시켜 스피커처럼 움직이게 하는 현상이다.^[58] 고전류 임펄스 부하 또는 높은 리플 전류는 축전기에서 들리는 소리를 발생시킬 수 있으며, 이는 축전기를 방전시키고 유전체에 스트레스를 가한다.^[59]^[60]^[61]

8. 3. 표기법

C/C₀사용 온도 범위1종 세라믹 축전기
파라전기성 NP0±30 ppm/K (±0.5%)−55…+125 °C2종 세라믹 축전기,
강유전성 X7R±15%−55…+125 °C2종 세라믹 축전기,
강유전성 Y5V+22% / −82%−30…+85 °C