적층 세라믹 반도체의 제조 공정에서 사용되는 연속 소성로의 체임버를 설계하였다. 소성과정에서 발생하는 이물질의 효과적인 배출을 위하여 사용되는 질소 기체의 흡배기구, 소성되는 재료의 아래와 위에 위치한 열선 등이 각각의 체임버에 들어가게 된다. 본 연구에서는, 흡배기구의 개수, 체임버 바닥과 아래 열선 사이의 간격 ($h_1$), 아래 열선과 소성 재료 사이의 간격 ($h_2$), 소성 재료와 위 열선과의 간격 ($h_3$), 열선의 온도, 열선의 개수 및 간격 등을 설계변수로 사용하였다. 체임버 내부에서 질소 기체가 난류가 아닌 층류를 가장 잘 형성하는 방향으로 흡배기구의 개수를 결정하였다. 재료의 이송 위치에서 온도를 섭씨 1,300도로 가장 균일하게 유지할 수 있는 방향으로 나머지 설계변수들 ($h_1$, $h_2$, $h_3$, 열선의 온도, 열선의 개수 및 간격 등)의 값을 결정하였다. 설계된 체임버를 제작하여 열전대를 사용하여 온도를 측정하여 보았다. 측정된 온도는 섭씨 1,300도에서 섭씨 ${\pm}2.2$ 도의 범위 내에서 온도를 균일하게 유지함을 확인하였다.
적층 세라믹 반도체의 제조 공정에서 사용되는 연속 소성로의 체임버를 설계하였다. 소성과정에서 발생하는 이물질의 효과적인 배출을 위하여 사용되는 질소 기체의 흡배기구, 소성되는 재료의 아래와 위에 위치한 열선 등이 각각의 체임버에 들어가게 된다. 본 연구에서는, 흡배기구의 개수, 체임버 바닥과 아래 열선 사이의 간격 ($h_1$), 아래 열선과 소성 재료 사이의 간격 ($h_2$), 소성 재료와 위 열선과의 간격 ($h_3$), 열선의 온도, 열선의 개수 및 간격 등을 설계변수로 사용하였다. 체임버 내부에서 질소 기체가 난류가 아닌 층류를 가장 잘 형성하는 방향으로 흡배기구의 개수를 결정하였다. 재료의 이송 위치에서 온도를 섭씨 1,300도로 가장 균일하게 유지할 수 있는 방향으로 나머지 설계변수들 ($h_1$, $h_2$, $h_3$, 열선의 온도, 열선의 개수 및 간격 등)의 값을 결정하였다. 설계된 체임버를 제작하여 열전대를 사용하여 온도를 측정하여 보았다. 측정된 온도는 섭씨 1,300도에서 섭씨 ${\pm}2.2$ 도의 범위 내에서 온도를 균일하게 유지함을 확인하였다.
Chambers in a continuous furnace were designed. A chamber consists of inlets and outlets of nitrogen gas which is used to discharge burned gas and heating pipes (HP) which are used to keep temperature of fired materials at $1,300^{\circ}C$. Design variables were numbers of inlets and outl...
Chambers in a continuous furnace were designed. A chamber consists of inlets and outlets of nitrogen gas which is used to discharge burned gas and heating pipes (HP) which are used to keep temperature of fired materials at $1,300^{\circ}C$. Design variables were numbers of inlets and outlets, distance between floor and lower HP ($h_1$), distance between lower HP and fired materials ($h_2$), distance between fired materials and upper HP ($h_3$), temperature of HP, numbers of HP and distance between HP. The numbers of inlets and outlets were determined so that nitrogen gas formed a laminar flow for efficient discharge. All other design variables were determined so that temperature of fired materials is as uniform as possible near $1,300^{\circ}C$. Chambers were produced and temperature was measured at 21 points using thermocouples. The largest deviation from $1,300^{\circ}C$ was less than ${\pm}2.2^{\circ}C$.
Chambers in a continuous furnace were designed. A chamber consists of inlets and outlets of nitrogen gas which is used to discharge burned gas and heating pipes (HP) which are used to keep temperature of fired materials at $1,300^{\circ}C$. Design variables were numbers of inlets and outlets, distance between floor and lower HP ($h_1$), distance between lower HP and fired materials ($h_2$), distance between fired materials and upper HP ($h_3$), temperature of HP, numbers of HP and distance between HP. The numbers of inlets and outlets were determined so that nitrogen gas formed a laminar flow for efficient discharge. All other design variables were determined so that temperature of fired materials is as uniform as possible near $1,300^{\circ}C$. Chambers were produced and temperature was measured at 21 points using thermocouples. The largest deviation from $1,300^{\circ}C$ was less than ${\pm}2.2^{\circ}C$.
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문제 정의
LHP와 UHP가 동일한 온도 (THP)와 간격 (dHP)을 가질 때, THP와 HP 사이 간격의 최적값을 결정하려고 한다. 재료이송 위치에서 온도가 섭씨 1,300도에 가장 가깝고 최대 및 최저 온도와의 차이가 최소가 되도록 THP와 dHP의 최적값을 결정하였다.
본 연구에서는 재료의 이송 위치에서 목표 온도 (섭씨 1,300도)를 균일하게 유지하는 RHK 소성로의 체임버를 설계하려고 한다. 체임버의 설계에서 고려된 설계 변수는, 흡기구와 배기구의 개수, Heating Pipes의 개수, 체임버의 치수 및 Heating Pipes 사이의 간격 등이다.
본 연구에서는 전산유체해석을 이용하여 소성공정에서 발생하는 이물질을 잘 배출하고 재료이송 위치에서 온도를 균일하게 유지할 수 있는 소성로 체임버의 설계를 하였다. 설계변수로는 흡기구와 배기구의 개수, 열원의 개수와 체임버의 높이, 열원의 온도와 열원 사이의 간격 등을 고려하였다.
가설 설정
계산 과정에서 재료이송 높이에서 온도가 섭씨 1,300도에 가깝도록 Heating Pipes의 온도를 조정하였다. LHP와 UHP는 동일한 온도를 갖는 것으로 가정하였다.
제안 방법
앞에서 결정된 바와 같이 흡기구가 3개인 경우에 LHP의 개수를 1~4개로 변화시키면서 재료이송 위치에서 온도를 계산하였다. LHP의 직경은 25mm이며, 계산 과정에서 재료이송 위치에서 온도가 섭씨 1,300도에 가깝도록 LHP의 온도를 조정하였다.
Lower Heating Pipes (LHP)가 2개일 때, 체임버 바닥과 LHP 사이의 거리 h1과 LHP와 재료이송 위치까지의 거리 h2의 최적값을 찾아보았다[Fig. 3]. 모두 3가지 h1값 (75, 90, 105 mm)에 대하여 소성로의 수직 방향 (Fig.
MLCC 제조 공정에서 발생하는 잔류응력에 대한 열구조 해석도 진행되었다. Lee와 Kim는 MLCC 제조공정의 소결 과정에서 수반되는 열에 의한 잔류응력이 결함과 불량 발생의 요인이 됨을 확인하고 공정 및 설계의 최적화 실현을 위한 잔류응력의 분포에 관한 결과를 확인하였다[4].
흡기구가 3개, LHP가 2~3개이고 UHP가 0~2개인 경우에 재료이송 위치에서 온도분포를 해석하였다. 계산 과정에서 재료이송 높이에서 온도가 섭씨 1,300도에 가깝도록 Heating Pipes의 온도를 조정하였다. LHP와 UHP는 동일한 온도를 갖는 것으로 가정하였다.
다음으로 UHP 개수가 2 또는 3인 3가지 경우들을 서로 비교해 보았다. 이 중에서 LHP가 2개이고 UHP가 2개인 경우가 최대 및 최소 온도의 차이가 가장 작음을 확인하였다.
본 과정을 통하여 온도 분포의 균일도를 잘 충족하는 소성로 체임버를 설계함으로써 고품질의 MLCC를 제조할 수 있게 되었다.
효과적인 이물질 배출을 위해서, 투입된 질소 기체가 체임버 내에서 난류가 아닌 층류를 형성하는 것이 중요하다. 상용프로그램인 ANSYS/FLUENT를 사용하여 흡기구와 배기구의 개수를 변화시키면서 유선을 관찰해보았다[Fig. 4].
상용프로그램인 ANSYS/ICEM CFD를 이용하여 모델링 및 격자를 생성하였으며 ANSYS/ FLUENT를 사용하여 유선 (Streamline) 및 온도 분포를 구하였다[6]. 재료이송 방향 (Fig.
체임버 내부의 재료이송 위치에서 재료 이송 방향으로 균일하게 위치한 1,000개의 노드에서 온도를 섭씨 1,300도로 균일하게 유지할 수 있도록 체임버를 설계하였다. 상용프로그램인 ANSYS/ICEM CFD를 이용하여 모델링 및 격자를 생성하였으며 ANSYS/FLUENT를 사용하여 온도 분포를 계산하였다[6].
설계된 체임버를 제작한 다음에 재료이송 위치에 위치한 21개의 장소에서 열전대로 온도를 측정하여 설계의 정확도를 검증하였다.
본 연구에서는 전산유체해석을 이용하여 소성공정에서 발생하는 이물질을 잘 배출하고 재료이송 위치에서 온도를 균일하게 유지할 수 있는 소성로 체임버의 설계를 하였다. 설계변수로는 흡기구와 배기구의 개수, 열원의 개수와 체임버의 높이, 열원의 온도와 열원 사이의 간격 등을 고려하였다.
소성구간에 위치한 체임버 내부의 온도를 섭씨 1,300도로 가장 균일하게 유지시켜줄 수 있도록 체임버 내부의 Heating Pipes (HP)의 개수와 체임버 높이를 설계하였다.
앞에서 결정된 바와 같이 흡기구가 3개인 경우에 LHP의 개수를 1~4개로 변화시키면서 재료이송 위치에서 온도를 계산하였다. LHP의 직경은 25mm이며, 계산 과정에서 재료이송 위치에서 온도가 섭씨 1,300도에 가깝도록 LHP의 온도를 조정하였다.
상용프로그램인 ANSYS/ICEM CFD를 이용하여 모델링 및 격자를 생성하였으며 ANSYS/ FLUENT를 사용하여 유선 (Streamline) 및 온도 분포를 구하였다[6]. 재료이송 방향 (Fig. 1의 x-축 방향)으로 한 개 체임버의 길이는 275 mm이며, 재료이송 위치에서 재료이송 방향으로 균일하게 위치한 1,000개의 노드에서 온도를 계산하였다.
와 HP 사이 간격의 최적값을 결정하려고 한다. 재료이송 위치에서 온도가 섭씨 1,300도에 가장 가깝고 최대 및 최저 온도와의 차이가 최소가 되도록 THP와 dHP의 최적값을 결정하였다. 모두 6가지 경우를 고려하였다; dHP=55.
10]. 재료이송 위치에서의 온도가 섭씨 1,300도가 되어야 하므로 h3 값이 변화할 때 UHP의 온도를 함께 변화시키면서 재료이송 위치의 온도가 섭씨 1,300도가 되도록 하였다.
19의 설계 결과를 이용하여 MLCC 소성로의 체임버들을 제작하였다. 제작한 MLCC 소성로의 재료이송위치에서의 온도를 측정하기 위해 소성구간에 속하는 4개의 체임버에 재료이송 방향 (x-축 방향)으로 7개의 위치에 재료이송과 수직한 방향 (y-축 방향)으로 각각 3개 씩의 열전대를 설치하였다[Fig. 20]. 총 21개의 열전대를 설치하였다.
체임버 내부의 재료이송 위치에서 재료 이송 방향으로 균일하게 위치한 1,000개의 노드에서 온도를 섭씨 1,300도로 균일하게 유지할 수 있도록 체임버를 설계하였다. 상용프로그램인 ANSYS/ICEM CFD를 이용하여 모델링 및 격자를 생성하였으며 ANSYS/FLUENT를 사용하여 온도 분포를 계산하였다[6].
체임버의 설계에서 고려된 설계 변수는, 흡기구와 배기구의 개수, Heating Pipes의 개수, 체임버의 치수 및 Heating Pipes 사이의 간격 등이다. 체임버의 치수로는, 체임버 바닥과 Lower Heating Pipes (LHP)사이의 거리, LHP와 재료이송 위치 사이의 거리, 재료이송 위치와 Upper Heating Pipes (UHP) 사이의 거리 등을 고려하였다.
흡기구가 3개, LHP가 2~3개이고 UHP가 0~2개인 경우에 재료이송 위치에서 온도분포를 해석하였다. 계산 과정에서 재료이송 높이에서 온도가 섭씨 1,300도에 가깝도록 Heating Pipes의 온도를 조정하였다.
대상 데이터
설계의 정확도를 검증하기 위하여 소성로의 네 개 체임버에 모두 21개의 열전대를 설치하여 온도를 측정하였다. 21개의 열전대에서 측정된 온도는 모두 섭씨 1,300.
21에는 열전대가 장착된 소성로의 모습을 나타내었다. 열전대는 우진일렉트로나이트에서 제작하여 한국산업기술시험원에서 교정을 받은 제품을 사용하였다.
20]. 총 21개의 열전대를 설치하였다. Fig.
성능/효과
설계의 정확도를 검증하기 위하여 소성로의 네 개 체임버에 모두 21개의 열전대를 설치하여 온도를 측정하였다. 21개의 열전대에서 측정된 온도는 모두 섭씨 1,300.0±2.2도의 범위에 들어갔으며 설계의 정확도를 확인할 수 있었다.
7(b)으로부터, h1 = 90mm인 경우에 LHP를 통과한 이후 수직방향의 온도가 가장 섭씨 1,300도에 가깝게 유지됨을 알 수 있었다. 또한 h1 = 90mm일 때, 체임버 바닥으로부터 200mm 높이에 이르러 온도가 섭씨 1,300도에 도달함을 확인할 수 있었다 (즉,h2 = 110mm). 이상을 고려하여 h1 = 90 및 h2 = 110mm로 결정하였다
4]. 배기구 개수도 변화시켜 보았으나, 모든 경우에 유선이 층류를 형성하는 것을 알 수 있었다. 따라서 흡기구의 개수는 3개, 배기구의 개수는 1개로 결정하였다.
0mm 근방일 때 최소가 되고 재료이송 위치에서 최대 및 최소 온도와의 차이가 제일 작아 가장 경제적임을 알 수 있다. 이상의 결과를 바탕으로 dHP가 65.0mm일 때가 가장 최적의 경우임을 알 수 있었다.
0mm 이상 증가하면 HP의 온도 (THP)가 증가함을 알 수 있다. 즉 HP의 온도는 dHP가 65.0mm 근방일 때 최소가 되고 재료이송 위치에서 최대 및 최소 온도와의 차이가 제일 작아 가장 경제적임을 알 수 있다. 이상의 결과를 바탕으로 dHP가 65.
2도의 범위에 모두 들어감을 확인할 수 있었다. 즉, 실험을 통해서 측정한 온도가 재료이송 위치에서 설계된 온도와 매우 잘 일치함을 확인할 수 있었다
측정된 결과를 살펴보면 측정온도가 섭씨 1300.0±2.2도의 범위에 모두 들어감을 확인할 수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
본 논문에서 소성로 체임버의 설계변수로는 무엇을 고려하였는가?
본 연구에서는 전산유체해석을 이용하여 소성공정에서 발생하는 이물질을 잘 배출하고 재료이송 위치에서 온도를 균일하게 유지할 수 있는 소성로 체임버의 설계를 하였다. 설계변수로는 흡기구와 배기구의 개수, 열원의 개수와 체임버의 높이, 열원의 온도와 열원 사이의 간격 등을 고려하였다.
적층 세라믹 반도체는 연속 소성로에서 어떤 공정을 거치는가?
IT 산업의 급속한 발전에 따라 세라믹 칩의 활용 분야가 확대되고 있다. 적층 세라믹 반도체 (MLCC,Multi-Layer Ceramic Capacitors)는 연속 소성로에서 탈바인더, 소성 및 냉각 공정을 거치게 된다[1].
RHK 소성로에서는 소성이 어떻게 이루어지는가?
2]. 소성하려는 재료를 좌측에서 넣어주면 가열 (Preheating), 소성(Firing) 및 냉각 (Cooling) 구간을 통과하여 연속적으로 소성이 이루어지게 된다. 이를 위해 모든 체임버는 그 전후의 다른 체임버와 칸막이 등으로 구분되어 있지 않다.
참고문헌 (7)
Jung-Rag Yoon, "Technology and Market Trend of the Multilayer Chip Capacitor," Electronic Part EP & C, pp.58-65, 2006
Giho Jeong, Changhwan Park and Jeonghoon Park, "The Numerical Analysis of Radiative Heat Transfer in the High-Temperature Kiln", Proceedings of KSME 2006 Autumn Annual Meeting, The Korean Society of Mechanical Engineers, pp.1978-1982, 2006
Min-Young Hwang, Jong-Woo Lee, Yong-Gyun Kim, Sang-hun Jeon, Youn-Han Chang and Chung-Hwan Jeon, "A Study of Furnace Modeling and Heat Analysis," Proceedings of KSME 2008 Spring Annual Meeting, The Korean Society of Mechanical Engineers, pp.366-370, 2008
E.K. Lee and C.W. Kim, "Thermo-Mechanical Analysis of MLCC for Residual Stress," Proceedings of KSPE Spring Conference, Korean Society for Precision Engineering, pp.197-198, 2009
D.S. Yoon, Y-S. Lee, Y. Lee, H.J. Cho, S.W. Sung, K.W. Oh, J. Cha and G. Lim, "Precise Temperature Control and Rapid Thermal Cycling in a Micromachined DNA Polymerase Chain Reaction Chip," Journal of Micromechanics and Microengineering, Vol. 12, pp.813-823, 2002 DOI: http://dx.doi.org/10.1088/0960-1317/12/6/312
Kwangju Lee, Kyung-Seok Jeong and Sung Mun Park, "Improvement of the Uniformity of Temperature Distribution inside Semiconductor Test Equipment Chamber," Journal of the Korea Academia-Industrial Cooperation Society, Vol.11, No.10, pp.3626-3632, 2010 DOI: http://dx.doi.org/10.5762/KAIS.2010.11.10.3626
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