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문제 정의
- 그린시트의 밀도는 시트 무게와 부피를 측정하여 계산하였고, 소결체 밀도는 아르키메데스법을 이용하여 측정하였다. 그 린시트의 기계적 특성인 연신률과 인장강도를 측 정하기 위해 .복합만능시험기 (UTM; 3343, Instron, USA)를 이“하였다.
제안 방법
- Tape Caster를 사용하여 두께 100 um의 균일한 그린시트를 제조하였다. 공정변 화 및 바인더 함량 변화에 따른 시트특성을 파악 하기 위해 적층 압력을 5~50 MPa로 변화하고, 온도는 60 °C, 시간은 5분으로 고정하여 100 um 시 트 3장을 적층하였다. 적층체 내부에 존재하는 과 량의 유기물을 제거하기 위하여 500 °C까지 분당 1 °C/min 승온시켜 2시간 동안 유지하여 바인더 bum out 공정을 실시하였다.
- 복합만능시험기 (UTM; 3343, Instron, USA)를 이“하였다. 또한 그린시트의 공기통기량 을 측정하기 위해 용기의 내부를 진공펌프를 사용 하여 압력을 진공으로 하고 용기 입구에 그린시트 를 고정하여 일정 한 시간동안 통과되는 공기량을 측정하였다. 이때 100 um 두께의 균일한 그린시트 를 사용하여 각각 5번씩 측정하여 평균값을 적용 하였다.
- 본 연구에서는 lead free 조성으로 비교적 우수 한 기계적’강도 특성을 가지고 있어 주목받고 있 는 NEG사의 MLS-22 LTCC 파우더를 이용하여 그린시트를 제작하였다. 또한 바인더 함량 변화에 따른 시트의 물리적 특성을 고찰하여 공정변수에 미치는 상호관계를 파악하고자 시트 특성 변화에 따른 펀칭 후 비아 홀 형태를 관찰하였다.
- 세라믹 그린시트에 펀칭 공정을 통하여 150 um 크기의 비아 홀을 펀칭한 후 그린시트의 가공면을 관찰하기 위하여 홀의 크기 및 crack, burr, scrap 의 잔존 여부, 기타 변형 발생 여부 등을 관찰하였 다. 또한 비아 홀 크기 및 가공면을 관찰하기 위해 광학현미경 (Optical Microscope; Icamscope-G, Icamscope, Korea) 및 전자현미경 (FE-SEM; JSM ■-6700F, Jeol, Tokyojapan)을 사용하였다.
- 그 린시트의 기계적 특성인 연신률과 인장강도를 측 정하기 위해 .복합만능시험기 (UTM; 3343, Instron, USA)를 이“하였다. 또한 그린시트의 공기통기량 을 측정하기 위해 용기의 내부를 진공펌프를 사용 하여 압력을 진공으로 하고 용기 입구에 그린시트 를 고정하여 일정 한 시간동안 통과되는 공기량을 측정하였다.
- 본 연구에서는 NEG사의 MLS-22 LTCC 파우 더를 이용하여 그린시트를 제작시, 바인더 함량이 그린시트의 물리적 특성에 미치는 영향을 조사하 고 그에 따른 via hole의 변형 및 크기 변화를 정 량적으로 나타내었으며 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 본 연구에서는 lead free 조성으로 비교적 우수 한 기계적’강도 특성을 가지고 있어 주목받고 있 는 NEG사의 MLS-22 LTCC 파우더를 이용하여 그린시트를 제작하였다. 또한 바인더 함량 변화에 따른 시트의 물리적 특성을 고찰하여 공정변수에 미치는 상호관계를 파악하고자 시트 특성 변화에 따른 펀칭 후 비아 홀 형태를 관찰하였다.
- 입자에 미치는 최적의 분산제 양을 결정하기 위 해 점도 측정을 실시하였다. 분산제 함량을 분말에 대해 0.1 〜2.0 wt%의 범위로 조절하여 첨가한 슬러 리를 제조하여 Viscometer(DV U‘Brookfield, USA) 로 상온에서 전단속도(shear rate)가 93 sed'에서 점성거동을 관찰하여 최적의 분산제 조건을 찾고 자 하였다. 그림 1은 세라믹 시트를 제조하는 공정 을 나타내었다.
- 세라믹 그린시트에 펀칭 공정을 통하여 150 um 크기의 비아 홀을 펀칭한 후 그린시트의 가공면을 관찰하기 위하여 홀의 크기 및 crack, burr, scrap 의 잔존 여부, 기타 변형 발생 여부 등을 관찰하였 다. 또한 비아 홀 크기 및 가공면을 관찰하기 위해 광학현미경 (Optical Microscope; Icamscope-G, Icamscope, Korea) 및 전자현미경 (FE-SEM; JSM ■-6700F, Jeol, Tokyojapan)을 사용하였다.
- 또한 그린시트의 공기통기량 을 측정하기 위해 용기의 내부를 진공펌프를 사용 하여 압력을 진공으로 하고 용기 입구에 그린시트 를 고정하여 일정 한 시간동안 통과되는 공기량을 측정하였다. 이때 100 um 두께의 균일한 그린시트 를 사용하여 각각 5번씩 측정하여 평균값을 적용 하였다.
- 입자에 미치는 최적의 분산제 양을 결정하기 위 해 점도 측정을 실시하였다. 분산제 함량을 분말에 대해 0.
- 공정변 화 및 바인더 함량 변화에 따른 시트특성을 파악 하기 위해 적층 압력을 5~50 MPa로 변화하고, 온도는 60 °C, 시간은 5분으로 고정하여 100 um 시 트 3장을 적층하였다. 적층체 내부에 존재하는 과 량의 유기물을 제거하기 위하여 500 °C까지 분당 1 °C/min 승온시켜 2시간 동안 유지하여 바인더 bum out 공정을 실시하였다. 그린시트의 밀도는 시트 무게와 부피를 측정하여 계산하였고, 소결체 밀도는 아르키메데스법을 이용하여 측정하였다.
- 각 유기물들은 MLS-22 분말 300 g에 대하여 첨가된 중량비를 나타낸다. 조성 A-D는 분말에 대하여 용 매의 양을 80 wt%, 분산제 양을 0.5 wt%로 하고, 가소제 PEG/DBP 비율을 0.5, 가소제/바인더 비율 을 0.5로 고정하고 바인더 함량을 8, 10, 12, 14 wt% 로 각각 2 wt%씩 증가시켰다.
대상 데이터
- 그린시트 제조를 위해 2.6 um의 LTCC 상용분말(MLS-22, NEG, Japan)을 주원료로 사용하였다. MLS-22 는 주조성이 AbO3-SiO2-CaO-TiO2이며, 파우더의 이론밀도는 3.
- 연성이 과다하거나 인장강도가 높아지면 비 아 홀 형성시 이물질 홉착, crack 및 burr 현상이 나타나게 되므로 바인더 함량비의 최적화는 증요 한 요소이다. 본 연구에서는 바인더 함량이 10 wt%일 때 양호한 via hole을 형성하였다.
- 0054이고 특히 곡강도가 280MPa이상으 로 우수하여 LTCC 기판용 소재로 그 적용성이 확 대되고 있다. 용매로는 건조과정에서 단일상과 같 이 증발하는 공비조성⑶을 이룰 수 있도록 Toluene 60 vol%와 Ethanol 40 vol%을 혼합하여 사용하였 다. 분산제는 SN-Dispersant(9228, San Nopco, Korea), 결합제는 PVB(Polyvinyl Butyral, Cekisui, Japan), 가소제로는 PEG와 DBP를 혼합하여 사용 하였다.
이론/모형
- 적층체 내부에 존재하는 과 량의 유기물을 제거하기 위하여 500 °C까지 분당 1 °C/min 승온시켜 2시간 동안 유지하여 바인더 bum out 공정을 실시하였다. 그린시트의 밀도는 시트 무게와 부피를 측정하여 계산하였고, 소결체 밀도는 아르키메데스법을 이용하여 측정하였다. 그 린시트의 기계적 특성인 연신률과 인장강도를 측 정하기 위해 .
성능/효과
- 1. 점도 측정을 통하여 분산제 함량이 0.5 wt% 일 때 가장 우수한 분산성을 나타내었다.
- 2. 바인더 함량이 12 wt%까지 증가할 때는 그 린밀도는 서서히 증가하였으나 그 이후에는 감소 하는 경향을 보였고, 소결밀도는 일정한 값을 보였 다. 또한 바인더 함량과 적층압력이 증가함에 따라 적층밀도는 증가하였다.
- 3. 바인더 함량이 증가함에 따라 연신율은 증가 하고 인장강도는 감소하였으며, 그린시트의 연성을 증가시켜 펀칭시 시트가 늘어나게 되어 비아 홀의 크기가 145 仰1에서 141.5 伽로 감소하는 경향을 보 였다.
- 최적의 분산제 양은 분체 계면에 분산제가 입자 표면에 완벽하게 흡착되어 layer를 형성함으로써 Steric Hinderance 현상으로 인해 입자와 입자 사 이의 거리가 멀어져 낮은 점도를 갖는다. 그러나 분산제가 과다하게 첨가되면 분체 표면에 분자사 슬을 형성하여 분체의 응집현상으로 인해 높은 점 도를 갖으며, 이로 인해 분산성을 떨어뜨리게 된다 [6, 7], 그림 2.에서 분산제의 함량 0.5 wt%일 때 가 장 낮은 점도를 나타냄으로써 최적의 분산 조건을 찾을 수 있었다.
- 바인더 함량이 증가함에 따라 입자간 가교역할을 하여 점도가 증가하였으 며 또한 이들 유기물들을 완전히 용해시킬 수 있 는 유기용매의 함량은 상대적으로 줄어들게 되어 점도는 계속 상승하였다. 또한 모든 슬러리에서 전 단속도가 높아짐에 따라 점도는 낮아지는 것을 확 인할 수 있었다. 이는 슬러리 내의 입자간 상호 작 용에 의해서 형성된 응집구조가 파괴되고 또한 이 때 응집체 사이에서 부동화된 분산매가 유출되어 유동성이 증가하게 된 것이다[8].
- 바인더 함량이 12 wt%까지 증가할 때는 그 린밀도는 서서히 증가하였으나 그 이후에는 감소 하는 경향을 보였고, 소결밀도는 일정한 값을 보였 다. 또한 바인더 함량과 적층압력이 증가함에 따라 적층밀도는 증가하였다.
- 바인더 함량이 8 wt%인 적층체에 5 MPa의 압력을 인가하였을때는 de-lamination으로 인해 측정이 불가능하였다. 바 인더 함량과 적층압력이 증가함에 따라 적층밀도 는 전체적으로 증가하는 경향을 나타내었다. 적층 압력이 증가함에 따라 입자들의 충진밀도도 높아 지게 되어 밀도값은 전체적으로 증가하는 경향을 보인 것으로 사료된다.
- 있다. 바인더 함량이 12 wt%까지 증가하다 서서히 감소하는 경향을 보였다. 일반적으로 과다 한 유기물 첨가는 입자간의 거리를 증가시켜 시트 의 충진 밀도가 감소함으로써 밀도는 다시 저하되 는 것으로 알려져 있다[9].
- 그림 11은 세라믹 시트에 비아 홀을 펀칭한 후 바인더 함량 변화에 따른 비아 홀 크기 변화를 측 정하였다. 바인더 함량이 증가할수록 비아 홀 크기 가 감소하는 경향을 보였다. 이러한 현상은 바인더 함량 증가에 따른 그린시트 연성의 증가로 인해 펀칭공정에서 핀이 시트에 홀을 천공할 때 시트가 늘어나게 되어 비아 홀 사이즈가 적어지는 것으로 사료된다.
- 그림 7은 바인더 함량 증가에 따른 그린시트 내 부의 공기투과량을 측정한 통기성을 보여주고 있 다. 바인더 함량이 증가함에 따라 그린시트의 통 기성은 감소하는 경향을 보였다. 이러한 현상은 그 림 8에서와 같이 바인더 함량이 증가할수록 시트 내부 세라믹 입자사이의 갭을 바인더가 채우고 있 기 때문에 공기 투과량이 작아지게 된다.
- 그림 3에서 바인더 함량 증가에 따른 슬러리의 점성거 동을 고찰하였다. 바인더 함량이 증가함에 따라 입자간 가교역할을 하여 점도가 증가하였으 며 또한 이들 유기물들을 완전히 용해시킬 수 있 는 유기용매의 함량은 상대적으로 줄어들게 되어 점도는 계속 상승하였다. 또한 모든 슬러리에서 전 단속도가 높아짐에 따라 점도는 낮아지는 것을 확 인할 수 있었다.
- 본 연구에서는 바인더 함량이 12 wt% 이상에서 입자간 거리가 증가하여 그린시트 밀도값이 감소 하는 경향을 보였다. 그러나 소결밀도에는 큰 영향 을 미치지 않는 것을 확인할 수 있다.
- 이는 슬러리 내의 입자간 상호 작 용에 의해서 형성된 응집구조가 파괴되고 또한 이 때 응집체 사이에서 부동화된 분산매가 유출되어 유동성이 증가하게 된 것이다[8]. 이러한 점성을 가진 슬러리의 유동특성을 의가소성(shear thinning) 거동이라 하며, 이 특성을 나타내는 슬러리는 성형 도중에 큰 전단변형이 없어져 점도가 상승하여 성 형체의 형상을 유지함으로서 그린시트 성형시에 유리하몌5I, 본 실험의 모든 조성에서 의가소성 거동이 나타났다.
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