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칩 배리스터의 최신 기술 동향

자료집필/제공: 국제테크노정보연구소
관련자료안내: 전자회로의 노이즈 대책기술

서 론

오늘날, 휴대전화나 노트북 PC, 휴대용 MD player나 CD player 등, 소형 휴대 전자기기가 널리 보급되고 있는 가운데, 기기의 소형화, 구동전압의 저전압화, 고기능화가 더욱 가속되고 있다. 한편, 기기의 취급 상황은 엄격해지고 있으며, 특히 정전기 방전(ESD: Electro-Static Discharge)에 의한 오동작이나 고장에 대한 대책이 필수가 되고 있다. 그 때문에 정전기 방전에 의한 장해로부터 기기를 보호하기 위한 소형, 고성능의 보호 디바이스 요구가 높아지고 있다.
이전에 이와 같은 용도에는 제어 다이오드가 사용되었는데. 제어 다이오드에는 다음과 같은 결점이 있다.
① 정전기 방전에 대해 비교적 약하다.
② 정전기 방전에 대한 응답성이 충분하지 않다.
③ 방향성이 있기 때문에 대책으로 기판 패턴의 변경이 필요하게 되는 경우가 있다.
④ 소형화되지 않았다.
적층 칩 배리스터는 제어 다이오드에 비해 한층 사용하기 쉽고, 더욱 고성능의 정전기 대책용 디바이스로서 용도가 확대되고 있다.

칩 배리스터의 특징

적층 배리스터는 오랜 세월에 걸쳐 칩 콘덴서 등의 적층 부품에 의해 축적된 기술과 칩 배리스터 독자적인 세라믹 반도체 재료 기술의 융합에 의해 탄생되었다. 여기서는 TDK사의 적층 칩 배리스터 AVR-M 시리즈의 특징을 소개한다.
① 배리스터 세계최초의 0603 형상을 새로이 추가하여 1005, 1608, 2012 형상 및 1410 형상 2소자 어레이 제품을 시리즈화하고 있다.
② 적층 내부전극 구조에 의해 배리스터 전압의 저전압화를 실현했다.
③ 제어 다이오드의 응답성을 상회하는 뛰어난 정전기 방전 흡수특성을 가진다.
④ 극성이 없고 부품 배치가 용이하기 때문에 대책에 필요로 하는 시간을 단축할 있다.
⑤ 단자전극은 니켈 배리어/주석도금에 의해 납내열성, 납땜성이 뛰어나다. 무연납(Pb less solder)에도 대응하고 있다.
⑥ 독자적인 재료조성에 의해 정전기 방전 흡수후에도 전류-전압 특성의 극성차가 생기지 않는다.
⑦ 세라믹 콘덴서의 JIS-B특성과 동등한 정전용량-온도특성
⑧ (제어 다이오드＋콘덴서), (콘덴서＋저항)나(코일＋콘덴서)의 복합 사용에 비해 실장면적, 실장 코스트를 저감할 수 있다.

배리스터의 전류-전압 특성

배리스터(Varistor)란, 배리어블(Variable:가변)과 레지스터(Resistor:저항)에서 유래한 합성어이다. 소자의 저항치가 전압에 의해 변화하기 때문에 붙여진 명칭이다. 그 외에 VDR(Voltage Dependent Resistor:전압 의존성 저항)이나 해외에서는 MOV(Metal Oxide Varistor: 금속 산화물 배리스터), 넓은 의미로는 TVS(Transient Voltage Suppressor: 이상전압 억압기)라고 부르는 경우도 있다.
그 특성은, 전류와 전압의 관계가 옴의 법칙에 따르지 않고, 저항치가 전압에 따라 급격하게 변화하는 특성을 가진다. 적층 칩 배리스터의 전류-전압 특성의 대표적인 예를 그림 1에 나타낸다. 특성은 배리스터 전압으로 불리는 전압 부근을 경계로 급격하게 전류가 흐른다(저항치가 저하한다).

피보호회로와 병렬로 배리스터를 접속한다. 배리스터 전압을 오버하는 이상전압이 인가되면 배리스터의 저항치가 저하하고, 배리스터에 서지전류로서 바이패스한다. 이에 따라 피보호회로에 이상전압이 가해지는 것을 방지한다.
일반적으로 이 상승의 전압을 측정전류 1mA로 규정하고, 배리스터 전압이라 부른다. 이것은 제어 다이오드의 역방향 전압에 상당한다.
제어 다이오드의 전류-전압 특성은 순방향과 역방향에서 크게 다르다는 사실은 널리 알려져 있으며, 이와 같은 극성이 있기 때문에 2소자를 접속함으로써 쌍방향성으로 하고 있다.
그런데, 배리스터의 전류-전압 특성은 순방향과 역방향에서 거의 대칭이며, 즉 극성이 없고 뛰어난 전류-전압의 비직선성을 가지고 있다. 제어 다이오드의 전류-전압 특성과 비교하면 배리스터가 캐소드 코먼의 제어 다이오드에 상당한다.
칩 배리스터의 등가회로를 그림 2에 나타낸다. 배리스터는 이상전압을 흡수하는 동작시 이외는 고저항을 나타내어, 콘덴서로서 기능한다. 정전용량의 온도특성은 JIS의 B특성 세라믹 콘덴서와 같은 정도이다.

적층 배리스터의 구조

구조를 그림 3에 나타낸다. 적층 칩 배리스터는 산화아연을 주성분으로 하는 반도체 세라믹스와 내부전극 및 단자전극으로 구성된다.
배리스터 특성은 내부전극간에 존재하는 다수의 결정 입자의 기능에 의한다. 결정 입자는 반도체의 pn 접합이 2개 접속된 구조와 유사하다. 내부 전극간의 거리는 설계에 따라 수십 미크론에서 수백 미크론이다. 이와 같이 적층구조로 내부전극간의 거리를 박층화함으로써 저전압화를 실현했다.
종래의 리드 타입 배리스터에서는 제품화가 곤란했던 저 배리스터 전압품도 제품화되고 있으며, AVR-M 시리즈는 8~39V까지의 배리스터 전압을 시리즈화하고 있다.
단자전극은 도금처리를 하고 있기 때문에 납땜성이 양호하고, 무연납에도 대응하고 있다.

제품 시리즈 소개

적층 배리스터 AVR-M 시리즈의 특성을 1에 나타낸다. 제품의 형상을 그림 4에 나타낸다.
정전용량에 대해서는 배리스터 전압이 높아질수록 작아진다. 신호파형의 둔화 등, 정전용량이 문제가 되는 회로에는 저 정전용량 타입이 적합하다. 1005, 1608 타입에서는 정전용량이 15pF(참고치)로 매우 작은 제품도 있어, 고주파 신호회로에 있어서 정전기 방전대책에 적합하다.
정전기 방전대책의 보호능력에 관해서 배리스터 전압의 높낮이 차이는 현저하지 않으며, 정전용량치를 고려하여 선택해도 좋다.

적층 배리스터 그 자체의 내 ESD 시험결과

적층 배리스터 그 자체의 내 정전기 시험 결과의 일례를 그림 5에 나타낸다.
IEC61000-4-2 규격에 준거하여 방전전압별, 또 회수별로 시험을 했다. 이 정전기 방전 시험은 인체에 대전한 정전기가 전자기기에 방전되는 현상을 상정한 것으로 인체 모델(HBM: Human Body Model)이라 불리고 있다.
30kV까지의 전압별 인가에 있어서 배리스터 전압의 변화는 거의 없다. 배리스터 특성의 열화가 없고, 뛰어난 내 정전기 특성을 가지고 있음을 알 수 있다. 더구나, 한계시험으로 30kV에서 100회 인가시험을 한 후에도 열화는 인정되지 않았다.

IC의 보호시험 결과

적층 배리스터 그 자체의 시험에 추가하여, 정전기로부터의 보호능력을 확인하기 위해 IC 회로에 병렬로 배리스터를 삽입하여 정전기 시험을 한 결과를 그림 6에 나타낸다. 인가 개소로서 게이트와 그라운드간에 배리스터를 넣어 거기에 정전기 방전을 했다. 정전기 방전시험후의 IC 전원 임피던스를 플롯했다. 정전기 방전 20kV 이상에 견디는 것을 확인할 수 있었다(이 회사의 기술조건에 의한 것이므로 실제의 사용상황이나 피보호 소자의 특성에 따라 변한다).
정전기 방전시험의 원파형과 정전기 방전 흡수 파형을 그림 7에 나타낸다.
험난한 정전기 방전에 충분한 응답을 나타내고 있다는 것을 알 수 있다.

적층 배리스터의 사용 사례

적층 배리스터에 의한 정전기 방전대책은 피보호 소자에 병렬로 배리스터를 삽입함으로써 하게 된다.
용도에 대해 표 2에 정리했다. 용도는 휴대전화, 휴대 AV 기기, 노트북 PC, 하드디스크, DVD-ROM 등의 PC 주변기기, 각종 제어용 기기로 다방면에 걸쳐 있다.

사용 개소는 정전기의 인가를 예상할 수 있는 입출력 단자 및 주변회로, IC 회로의 전원부나 리셋 회로이며, 오동작이나 정전기 파괴를 방지하는 것이다. 또 전지팩 등의 단자 부분이 노출된 세트에서 정전기 방전 대책으로 유효하다.
어플리케이션 회로 예를 그림 8에 나타낸다.
1005 타입에서는 고밀도 실장, 박형화에 대응하고 있으며, 종래 부품으로 대책이 어려웠던 회로에도 적용할 수 있어, 보다 효과적인 정전기 방전대책을 실시할 수 있다.
게다가, 신제품으로 0603 형상이 추가되어 휴대전화나 휴대 AV 기기 등의 소형기기에 대한 대책에 더욱 유효하도록 되어 있다.

적층 배리스터의 선정 방법

사용하는 전압이 정격전압을 넘지 않도록 유의한다.
정격전압 상태에 있어서도 소자에 미소한 전류가 흐른다. 이 전류를 통상 누설전류라고 한다. 전류-전압 특성의 커브에서 분명히 알 수 있듯이, 배리스터 전압에 대해 사용하는 전압의 비율에 따라 누설전류가 변한다. 누설전류를 작게 하기 위해서는 더 높은 배리스터 전압을 선정한다.
사용회로의 신호 주파수에 따라 칩 배리스터의 정전용량에 의해 신호파형의 둔화가 발생하는 경우가 있다. 정전용량은 배리스터 전압과 반비례하고 있기 때문에 정전용량을 작게 하려는 경우는 더 높은 배리스터 전압을 선정하는 방법 및 저 정전용량 타입을 선정하는 방법이 있다.
향후, 한층 더 중요해지고 있는 정전기 방전대책에 적층 칩 배리스터 AVR-M 시리즈가 도움이 되었으면 한다.