The effect of a $WO_3$ or $Ga_2O_3$ addition on the densification, phase evolution, optical reflectance, and elastic and dielectric properties of $Y_2O_3$-doped AlN ceramics sintered at $1800^{\circ}C$ for 3 h is investigated. The investigated compositions...
The effect of a $WO_3$ or $Ga_2O_3$ addition on the densification, phase evolution, optical reflectance, and elastic and dielectric properties of $Y_2O_3$-doped AlN ceramics sintered at $1800^{\circ}C$ for 3 h is investigated. The investigated compositions of the additives are 4.5 wt% $Y_2O_3$ (YA), 3.5 wt% $Y_2O_3$-1.0 wt% $Ga_2O_3$ (YGA), and 3.5 wt% $Y_2O_3$-1.0 wt% $WO_3$ (YWA). $YAlO_3$ and $Y_4Al_2O_9$ form as the secondary phases in all of the investigated compositions, whereas $W_2B$ appears additionally in the YWA. In the YGA, Ga is detected in the AlN grains, indicating that the dissolution of $Ga_2O_3$ into the AlN lattice occurs. The addition of $WO_3$ blackens the specimen more significantly than that of $Ga_2O_3$ does. In all of the investigated specimens, the linear shrinkage and the apparent density are above 20 percent and in the range of 3.34-3.37 $g/cm^3$, respectively. The elastic modulus, Poisson's ratio, the dielectric constant, and the dielectric loss are in the ranges of 335-368 GPa, 0.146-0.237, 8.60-8.63, $2.65-3.95{\times}10^{-3}$, respectively. The sinterability and the properties of $Y_2O_3$-doped AlN ceramics are not much altered by the addition of $WO_3$ or $Ga_2O_3$.
The effect of a $WO_3$ or $Ga_2O_3$ addition on the densification, phase evolution, optical reflectance, and elastic and dielectric properties of $Y_2O_3$-doped AlN ceramics sintered at $1800^{\circ}C$ for 3 h is investigated. The investigated compositions of the additives are 4.5 wt% $Y_2O_3$ (YA), 3.5 wt% $Y_2O_3$-1.0 wt% $Ga_2O_3$ (YGA), and 3.5 wt% $Y_2O_3$-1.0 wt% $WO_3$ (YWA). $YAlO_3$ and $Y_4Al_2O_9$ form as the secondary phases in all of the investigated compositions, whereas $W_2B$ appears additionally in the YWA. In the YGA, Ga is detected in the AlN grains, indicating that the dissolution of $Ga_2O_3$ into the AlN lattice occurs. The addition of $WO_3$ blackens the specimen more significantly than that of $Ga_2O_3$ does. In all of the investigated specimens, the linear shrinkage and the apparent density are above 20 percent and in the range of 3.34-3.37 $g/cm^3$, respectively. The elastic modulus, Poisson's ratio, the dielectric constant, and the dielectric loss are in the ranges of 335-368 GPa, 0.146-0.237, 8.60-8.63, $2.65-3.95{\times}10^{-3}$, respectively. The sinterability and the properties of $Y_2O_3$-doped AlN ceramics are not much altered by the addition of $WO_3$ or $Ga_2O_3$.
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문제 정의
Popova 등은 Y2O3-Ga2O3 2 성분계의 화합물로 Y3Ga5O12, Y4Ga2O9, Y3GaO6 및 YGaO3의 생성을 보고하였다.9) 첨가된 Ga2O3에 대해서는 이어지는 미세구조 관찰 및 EDS 분석결과 부분에서 고찰하도록 하겠다.
제안 방법
86 wt%) 분말, Y2O3(High Purity Chemical, 순도: 3N) 분말, WO3(High Purity Chemical, 순도: 3N) 분말, Ga2O3(High Purity Chemical, 순도: 3N) 분말을 사용하였다. 4.5 wt% Y2O3를 첨가한 조성(이하 YA로 표기), 3.5 wt% Y2O3-1.0 wt% WO3를 첨가한 조성(YWA) 및 3.5 wt% Y2O3-1.0 wt% Ga2O3를 첨가한 조성(YGA) 등 3가지 조성을 무수에탄올, 지르코니아 볼, 폴리에틸렌 용기를 사용하여 5 시간 볼밀링을 수행하였다. 건조된 혼합분말을 디스크형 금형을 이용하여 100 MPa의 압력으로 일축가압 후 200 MPa의 압력으로 냉간정수압 성형을 하였다.
Y2O3를 첨가한 AlN 세라믹스의 생성상, 미세구조, 반사율 및 물성에 대한 WO3 및 Ga2O3의 첨가효과를 연구하였다. 소결조제의 총 첨가량을 4.
0 wt% Ga2O3를 첨가한 조성(YGA) 등 3가지 조성을 무수에탄올, 지르코니아 볼, 폴리에틸렌 용기를 사용하여 5 시간 볼밀링을 수행하였다. 건조된 혼합분말을 디스크형 금형을 이용하여 100 MPa의 압력으로 일축가압 후 200 MPa의 압력으로 냉간정수압 성형을 하였다. 디스크형 시편을 BN 용기에 넣고 흑연발열체 전기로에서 400℃에서 2 시간 가열한 후 1800℃에서 3 시간 소결하였다.
를 소결조제로 첨가한 연구는 아직 없는 것으로 조사되었다. 따라서 본 연구에서는 Y2O3를 4.5 wt% 첨가한 조성, 3.5 wt% Y2O3-1.0 wt% WO3 첨가 조성 및 3.5 wt% Y2O3-1.0 wt% Ga2O3 첨가 조성 등 3 가지 조성을 1800℃에서 3시간 소결하고, 분말 X-선 회절, 미세구조, 반사율, 탄성율, 포아슨비, 유전특성 등의 결과를 고찰하였다.
소결시편의 미세구조는 FE-SEM(Field emission scanning electron microscope, FESEM, Model SU-70, Hitachi, Tokyo, Japan)을 사용하여 관찰하였다. 또한, EDS(Energy dispersive X-ray spectroscopy, Model Pegasus XM4, EDAX Inc., Mahwah, NJ, USA)를 사용하여 생성상의 원소분석을 하였다. 분광광도계(Spectrophotometer, Model V650, JASCO International Co.
, Mahwah, NJ, USA)를 사용하여 생성상의 원소분석을 하였다. 분광광도계(Spectrophotometer, Model V650, JASCO International Co., Ltd., Tokyo, Japan)를 사용하여 소결시편의 표면반사율을 200 - 800 nm 파장영역에서 측정하였다. 탄성율과 포아슨비는 pulse-echo법(Model UT340, UTEX Scientific Instruments Inc.
소결체를 분쇄한 후 X-선회절분석기(Model X’ pert PRO MPD, PANalytical, Ea Almelo, The Netherlands)를 이용하여 분말 X-선 회절분석을 하였다. 소결시편의 미세구조는 FE-SEM(Field emission scanning electron microscope, FESEM, Model SU-70, Hitachi, Tokyo, Japan)을 사용하여 관찰하였다. 또한, EDS(Energy dispersive X-ray spectroscopy, Model Pegasus XM4, EDAX Inc.
소결체를 분쇄한 후 X-선회절분석기(Model X’ pert PRO MPD, PANalytical, Ea Almelo, The Netherlands)를 이용하여 분말 X-선 회절분석을 하였다.
대상 데이터
질소분위기 중 1800℃에서 3 시간 소결한 4.5 wt% Y2O3첨가 AlN 세라믹스(YA), 3.5 wt% Y2O3-1.0wt% WO3 첨가 AlN 세라믹스(YWA), 및 3.5wt% Y2O3-1.0wt% Ga2O3첨가 AlN 세라믹스(YGA)의 분말 X-선 회절분석 결과를 Fig. 1에 나타내었다. YA에서는 AlN의 회절피크 이외에 YAlO3 및 Y4Al2O9이 2차 상으로 관찰되었다.
무수에탄올을 사용하여 아르키메데스법으로 겉보기 밀도를 측정하였다. 소결체를 분쇄한 후 X-선회절분석기(Model X’ pert PRO MPD, PANalytical, Ea Almelo, The Netherlands)를 이용하여 분말 X-선 회절분석을 하였다.
, Tokyo, Japan)를 사용하여 소결시편의 표면반사율을 200 - 800 nm 파장영역에서 측정하였다. 탄성율과 포아슨비는 pulse-echo법(Model UT340, UTEX Scientific Instruments Inc., Mississauga, Ontario, Canada)으로 측정하였으며, Hakki-Coleman법으로 유전특성을 평가하였다.
성능/효과
Ueno는 산소함량이 1 wt%인 AlN 출발원료에 Y2O3를 첨가하고 1800℃에서 2 시간 소결한 AlN 세라믹스의 2차 상을분석하였으며, Y2O3의 첨가량이 증가함에 따라서 YAG, YAP, YAM의 순서로 화합물이 생성된다고 보고하였다.1) 또한, YAG는 Y2O3의 첨가량이 1 wt%에서 최대로 생성되며 이후 감소한다고 하였다. YAP는 1.
3에 나타내었다. 450 nm 이상의 파장영역에서 YA의 반사율이 약 25%인데 비해서 YWA는 10% 이하, 그리고 YGA는 약 17%이었고, 모두 평탄한 곡선을 나타내었으며, 이는 시편의 색상이 무채색임을 의미한다. 소결 후 시편의 색상은 각각 옅은 회색, 검은색, 그리고 짙은 회색으로 반사율 결과와 일치하는 결과를 나타내었다.
Ga 및 GaN의 산화반응식 (2) 및 (3)의 Gibbs 자유에너지 값은 각각 −274.7 및 −465.7 kJ/mol로 상기 AlN의 산화반응에 대한 Gibbs 자유에너지 값보다 다소 높은 값을 나타내었으며, 따라서 Ga2O3는 1800℃의 소결과정에서 AlN의 일부를 산화시키는 것으로 판단된다.
디스크형 시편의 직경방향 선수축율, 겉보기 밀도 및 물성을 Table 1에 나내었다. YA, YWA, YGA의 선축율은 각각 20.8, 20.6, 20.2%로 YA보다 YWA 및 YGA의 선수축율이 조금 낮았지만 유의성이 있는 수준은 아니며, 모두 20% 이상을 나타내었다. 한편, Watari등은 AlN의 소결조제에 대해서 금속의 산화반응(아래의 식 (2))에 대한 표준 Gibbs 자유에너지 값 및 금속질화물의 산화반응(아래의 식 (3))에 대한 표준 Gibbs 자유에너지 값을 계산하고, 이들 값과 AlN의 산화반응(아래의 식(4))에 대한 표준 Gibbs 자유에너지 값과 비교하여, 선택된 소결조제가 소결 중에 AlN의 산화에 영향을 미치는지에 대하여 보고하였다.
YGA를 EDS로 분석한 결과에서는, 결정 및 결정립계에서 모두 Ga가 검출되었다. Al2O3가 AlN의 격자로 고용되는 결과에 대해서는 많은 연구가 있어왔으며, Ga가 결정립(grain)에서 검출된 본 연구 결과에 의하면 Ga2O3도 AlN의 격자에 고용되는 것으로 보인다.
또한, 겉보기 밀도는 각각 3.34, 3.38, 3.37 g/cm3으로 AlN의 밀도 3.26 g/cm3보다 높은 값을 나타내었는데, 이는 2차 상으로 생성된 YAP14) 및 YAM15)의 밀도가 각각 5.351, 4.518 g/cm3으로 높기 때문인 것으로 생각된다. 탄성율은 YA가 362 GPa, YWA가 368 GPa, YGA가 335 GPa을 나타내었다.
Ga2O3 및 Y2O3를 첨가한 조성에서는 결정립에서 Ga가 검출되었으며 이는 Ga2O3가 AlN 격자내로 고용되었음을 의미한다. 모든 조성의 선수축율은 20% 이상이었으며, 밀도는 3.34-3.37 g/cm3이었다. 또한, 탄성율, 포아슨비, 유전상수, 유전 손실은 각각 335-368 GPa, 0.
이러한 부분산화의 결과는 공융액상 형성에 기여하여 Y2O3 단독으로 소결조제로 사용된 경우보다는 치밀화에 유리할 것으로 판단된다. 본 연구에서 제조한 시편들의 선수축율이 모두 20%가 넘는다는 결과로부터, Y2O3와 함께 첨가된 WO3 및 Ga2O3는 최소한 치밀화를 방해하지는 않는 것으로 판단된다.
YGA의 유전손실이 상대적으로 큰 것은 식 (1)로 나타낸 것과 같은 AlN 격자내로의 Ga2O3의 고용에 의해 생성된 격자결함에 의한 것으로 생각된다. 선수축율 , 겉보기밀도 및 물성의 측정결과를 살펴보면, WO3 및 Ga2O3의 첨가가 치밀화 및 물성을 저해하지 않는 것으로 나타났다. 열전도 물성의 경우 소량의 금속원소가 AlN 격자에 고용되어도 그 물성의 저하가 나타난다고 보고3)되어 있다.
450 nm 이상의 파장영역에서 YA의 반사율이 약 25%인데 비해서 YWA는 10% 이하, 그리고 YGA는 약 17%이었고, 모두 평탄한 곡선을 나타내었으며, 이는 시편의 색상이 무채색임을 의미한다. 소결 후 시편의 색상은 각각 옅은 회색, 검은색, 그리고 짙은 회색으로 반사율 결과와 일치하는 결과를 나타내었다. W가 2차상으로 생성된 시편의 색상이 검은색으로 보고3,4)된 것과 유사하게 W2B가 2차 상으로 생성된 본 연구에서도 같은 결과를 얻을 수 있었다.
따라서 WO3도 본 연구의 소결과정에서 AlN을 일부 산화시켰을 것으로 보인다. 이러한 부분산화의 결과는 공융액상 형성에 기여하여 Y2O3 단독으로 소결조제로 사용된 경우보다는 치밀화에 유리할 것으로 판단된다. 본 연구에서 제조한 시편들의 선수축율이 모두 20%가 넘는다는 결과로부터, Y2O3와 함께 첨가된 WO3 및 Ga2O3는 최소한 치밀화를 방해하지는 않는 것으로 판단된다.
후속연구
한편, Makihara등은 W를 내부 회로 도체로 사용한 AlN 다층회로기판을 BN 용기에서 소결한 경우 W2B가 생성되는 것으로 보고하였으며, 이는 BN이 W 회로 내부로 확산되어 W2B가 생성된 것이라고 하였다.6) 본 연구에서는 BN 재질의 소결용기를 사용하였는데, 동 용기에 있는 B 성분이 WO3와 반응하여 W2B를 생성한 것은 확실하지만, 그 구체적인 반응경로에 대해서는 향후 추가 연구가 필요하다.
수십 nm 크기의 매우 작은 입자가 생성된 결과로부터, 기상반응에 의해서 W2B가 생성되었거나 혹은 용융-재석출(dissolution-reprecipitation) 과정을 통해 생성되었을 가능성을 고려해 볼 수 있다. 현재로서는, 안정한 BN 화합물이 휘발된후 WO3와 반응하였을 가능성 보다는, 앞서 언급한 대로 BN이 Al-W-Y-O-N계 액상 형성에 기여한 후 동 액상으로부터 W2B가 석출 되었을 가능성이 더 높은 것으로 생각되나, 구체적인 반응경로에 대해서는 향후 추가연구가 필요하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
반도체 칩에서 직접회로패키징용 재료에는 검은색상이나 불투명한 재료를 사용이 요구되는 이유는?
한편, 반도체 칩에서의 광전도오류(photoconductive error) 발생을 막고 다층 패키지의 내부 회로를 보이지 않게 하기 위해서 집적회로 패키징용 재료에는 검은 색상이나 불투명한 재료가 요구된다. Kasori등은 3 wt% Y2O3를 소결 조제로 사용하고 0.
질화알루미늄이 기판재료나 패키징재료로 응용되는 이유는?
질화알루미늄(AlN)은 높은 열전도도와 함께 전기적, 유전적 특성이 우수하고 실리콘과 열팽창계수가 유사하기 때문에 기판재료나 패키징재료로 응용되고 있다.1) 또한, 최근 고출력분야의 부품에 대한 수요가 증가하면서 AlN은 전자산업계에서 많은 주목을 받고 있다.
치밀한 AlN 소결체를 얻기 위한 방법은?
AlN은 공유결합성이 높아서 높은 소결온도가 요구되며, 치밀한 AlN 소결체를 얻기 위해서는 다음의 3가지 방법이 제안되고 있다.1) 즉, (i) 외부에서 응력을 가하여 치밀화하는 열간 가압(hot press)법, (ii) 비표면적이 높은 AlN 분말을 사용하여 확산속도를 높이는 방법, (iii) AlN 분말의 표면에 존재하는 산화물(Al2O3)과 첨가된 소결조제 간의 반응에 의하여 생성되는 액상에 의한 액상소결법 등이다. Komeya등은 1981년 AlN의 소결조제에 대해서 선구적인 연구를 보고한 바 있다.
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