알루미늄 판상에 글라스 세라믹 후막이 코팅된 절연금속기판의 제조 및 절연특성 Fabrication and Electrical Insulation Property of Thick Film Glass Ceramic Layers on Aluminum Plate for Insulated Metal Substrate원문보기
본 연구는 평판형 히터용 금속방열판상의 세라믹 절연층 제조, 즉 절연성 금속기판에 관한 것이다. 반도체나 디스플레이의 열처리 공정 등에 사용되는 평판형 히터를 제조함에 있어서, 온도 균일도를 높이기 위해 금속 방열판으로서 열전도율이 높고, 비교적 가벼우며, 가공성 좋은 알루미늄 합금 기판이 선호된다. 이 알루미늄 기판에 발열 회로 패턴을 형성하기 위해서는 금속 기판에 절연층으로서 고온 안정성이 우수한 세라믹 유전체막을 코팅하여야 한다. 금속 기판상에 세라믹 절연층을 형성함에 있어서 가장 빈번히 발생하는 첫 번째 문제는 금속과 세라믹의 이종재료 간의 큰 열팽창계수 차이와 약한 결합력에 의한 층간박리 및 균열발생이다. 두 번째 문제는 절연층의 소재 및 구조적 결함에 따른 절연파괴이다. 본 연구에서는 이러한 문제점 해소를 위해 금속소재 기판과 세라믹 절연층 사이에 완충층을 도입하여 이들 간의 기계적 매칭과 접합력 개선을 도모하였고, 다중코팅 방법을 적용하여 절연막의 품질과 내전압 특성을 개선하고자 하였다.
본 연구는 평판형 히터용 금속방열판상의 세라믹 절연층 제조, 즉 절연성 금속기판에 관한 것이다. 반도체나 디스플레이의 열처리 공정 등에 사용되는 평판형 히터를 제조함에 있어서, 온도 균일도를 높이기 위해 금속 방열판으로서 열전도율이 높고, 비교적 가벼우며, 가공성 좋은 알루미늄 합금 기판이 선호된다. 이 알루미늄 기판에 발열 회로 패턴을 형성하기 위해서는 금속 기판에 절연층으로서 고온 안정성이 우수한 세라믹 유전체막을 코팅하여야 한다. 금속 기판상에 세라믹 절연층을 형성함에 있어서 가장 빈번히 발생하는 첫 번째 문제는 금속과 세라믹의 이종재료 간의 큰 열팽창계수 차이와 약한 결합력에 의한 층간박리 및 균열발생이다. 두 번째 문제는 절연층의 소재 및 구조적 결함에 따른 절연파괴이다. 본 연구에서는 이러한 문제점 해소를 위해 금속소재 기판과 세라믹 절연층 사이에 완충층을 도입하여 이들 간의 기계적 매칭과 접합력 개선을 도모하였고, 다중코팅 방법을 적용하여 절연막의 품질과 내전압 특성을 개선하고자 하였다.
This paper presents the fabrication of ceramic insulation layer on metallic heat spreading substrate, i.e. an insulated metal substrate, for planar type heater. Aluminum alloy substrate is preferred as a heat spreading panel due to its high thermal conductivity, machinability and the light weight fo...
This paper presents the fabrication of ceramic insulation layer on metallic heat spreading substrate, i.e. an insulated metal substrate, for planar type heater. Aluminum alloy substrate is preferred as a heat spreading panel due to its high thermal conductivity, machinability and the light weight for the planar type heater which is used at the thermal treatment process of semiconductor device and display component manufacturing. An insulating layer made of ceramic dielectric film that is stable at high temperature has to be coated on the metallic substrate to form a heating element circuit. Two technical issues are raised at the forming of ceramic insulation layer on the metallic substrate; one is delamination and crack between metal and ceramic interface due to their large differences in thermal expansion coefficient, and the other is electrical breakdown due to intrinsic weakness in dielectric or structural defects. In this work, to overcome those problem, selected metal oxide buffer layers were introduced between metal and ceramic layer for mechanical matching, enhancing the adhesion strength, and multi-coating method was applied to improve the film quality and the dielectric breakdown property.
This paper presents the fabrication of ceramic insulation layer on metallic heat spreading substrate, i.e. an insulated metal substrate, for planar type heater. Aluminum alloy substrate is preferred as a heat spreading panel due to its high thermal conductivity, machinability and the light weight for the planar type heater which is used at the thermal treatment process of semiconductor device and display component manufacturing. An insulating layer made of ceramic dielectric film that is stable at high temperature has to be coated on the metallic substrate to form a heating element circuit. Two technical issues are raised at the forming of ceramic insulation layer on the metallic substrate; one is delamination and crack between metal and ceramic interface due to their large differences in thermal expansion coefficient, and the other is electrical breakdown due to intrinsic weakness in dielectric or structural defects. In this work, to overcome those problem, selected metal oxide buffer layers were introduced between metal and ceramic layer for mechanical matching, enhancing the adhesion strength, and multi-coating method was applied to improve the film quality and the dielectric breakdown property.
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문제 정의
9 및 Fig. 11(a)와 같이 알루미늄 기판과 세라믹 절연층 사이에 버퍼층을 삽입하여 두 개의 이종소재간에 발생하는 스트레스를 완화시키고자 하였다. Fig.
본고는 반도체 디스플레이 제조시의 열처리 공정용 중대면적 평판히터(planar type heater)에 적용될 절연성 고방열 기판으로서, 1.5~8 mm 급의 후판형 알루미늄 합금 (aluminum alloy)으로 된 열확산 및 지지용 기판상에 저온소결용 글라스 세라믹(glass ceramic) 소재의 절연 유전체 층을 코팅 후 열처리하여 소결한 글라스 세라믹 기반의 IMS 의 제조에 관한 것이다. 여기서는 특히 금속-세라믹 이종소재 접합에 따른 층간 박리(delamination) 억제와 절연 내전압 특성 향상을 위한 소재 및 공정조건에 대해 연구하고 그 효과를 검토하고자 한다.
5~8 mm 급의 후판형 알루미늄 합금 (aluminum alloy)으로 된 열확산 및 지지용 기판상에 저온소결용 글라스 세라믹(glass ceramic) 소재의 절연 유전체 층을 코팅 후 열처리하여 소결한 글라스 세라믹 기반의 IMS 의 제조에 관한 것이다. 여기서는 특히 금속-세라믹 이종소재 접합에 따른 층간 박리(delamination) 억제와 절연 내전압 특성 향상을 위한 소재 및 공정조건에 대해 연구하고 그 효과를 검토하고자 한다.
51 ppm/℃로서 두 개의 이종소재간의 큰 CTE 차이는곧 이들 계면에서의 층간박리(delamination)을 유발하게 된다. 이에, 유리기지상(glass matrix phase)에 이것보다 CTE 가 큰 소재를 필러소재로 첨가하여 가능한 절연층의 CTE 를 증가시켜보고자 하였다. 코팅용 글라스의 필러 소재로는 일반적으로 알루미나(Al2O3 ) 또는 티타니아 (TiO2 )를 가장 널리 사용한다.
본 연구 에서는 100 um 이내의 다소 두꺼운 절연 유전체 후막 필름을 형성하고자 하므로, 페이스트의 점도 범위는 100,000 cps 내외가 적절하다고 본다. 이하 paste 제조공정은 위 Fig. 2의 공정도에 준하여 제조하였으며, 상세한 제조방법은 기존의 선행 연구에서도 언급된 바 10,11) 잘 알려진 기술로 간주되므로, 본 논문에서는 생략하고자 한다. 본 실험에서는 세라믹 solid 함량을 다소 고점도의 paste 조건을 고려하여 60-75 wt%로 batch formulation 을 설계하였다.
평판형 히터를 제조함에 있어서 온도분포의 균일성과 방열 성능을 향상시키고자 알루미늄 합금소재의 방열판에 절연성 글라스 세라믹을 코팅한 절연성 금속기판을 개발하고자 하였다. 글라스 세라믹 절연 유전체 코팅 방법에 있어서는 다중 코팅법에 의해 단일층 코팅에서 발생 하는 핀홀을 커버함으로써 내전압 특성이 개선되었고 절연체막의 표면 거칠기도 개선되었다.
제안 방법
5 mm, 히터 시제품용은 l× w = 250 × 250 mm2 , t = 8 mm로 하였다. 그 위에 도포할 절연 유전체는 알루미늄 기판의 융점(607℃) 보다 낮은 525~560℃에서 소결이 가능한 저온소성 glassceramic 절연 유전체 paste를 사용하여 screen printing 법으로 인쇄 후 85℃의 오븐에서 30분간 건조하였다. 스크린 인쇄법에 의해 절연 유전체막을 코팅함에 있어서 1 회 인쇄 시 약 8~12 um 의 소성 후 두께가 얻어지므로 1.
글라스 세라믹 절연 유전체 조성의 열팽창계수(CTE: coefficient of thermal expansion) 는 지름 5 mm 두께 1~2 mm의 파우더 펠렛을 560℃에서 30 분 소결한 시료를 thermomechanical analyzer (TMA Q400, TA Instrument)를 사용하여 상온에서 400℃까지 온도범위에서 10℃/min 의 승온속도로 가열하면서 측정하였다. 필러를 첨가한 글라스 세라믹 펠렛 시료는 알루미늄 기판에 loading 하여 CTE 용 시료와 같은 조건에서 열처리 후 글라스 세라믹이 알루미늄 기판에 용융 접착된 채로 다이아몬드 saw 로 커팅하고, 이것을 경면 연마한 다음 단면 이미지로부터 광학현미경으로 접촉각을 측정하였다.
알루미늄 기판에 스크린 인쇄법으로 소결한 글라스 세라믹 시료의 표면 미세구조는 FE-SEM (ZSM-7610F, Jeol)으로 관찰하였고, 소결 절연 유전체 막의 표면 거칠기는 surface profiler (DekTag, Veeco) 로 측정하였다. 글라스 세라믹 절연 유전체층이 코팅된 알루미늄 기판의 층간 단면에 대한 원소분석은 FE-SEM 에 연동 장착된 EDS (electron diffraction spectroscopy, Oxford Instrument)를 써서 elemental mapping image 를 얻었다.
2의 공정도에 준하여 제조하였으며, 상세한 제조방법은 기존의 선행 연구에서도 언급된 바 10,11) 잘 알려진 기술로 간주되므로, 본 논문에서는 생략하고자 한다. 본 실험에서는 세라믹 solid 함량을 다소 고점도의 paste 조건을 고려하여 60-75 wt%로 batch formulation 을 설계하였다. 그림 Fig.
본 연구에서의 평판형 히터용 절연막은 현재 고전력 소자용 기판 등에서 범용으로 요구되는 적어도 1.5 kV/ 200 um 기준 이상을 내전압 목표로 설계한 바, 글라스 세라믹 절연층을 후막 스크린 인쇄법으로 코팅할 경우 250메쉬(mesh)와 50 um 유막(emulsion)의 스크린을 마스크로사용하여 1 회 인쇄 시 약 8~12 um(소성 후) 두께의 절연 막이 형성된다. 물론 스크린 메쉬의 카운트를 더 낮게 하고 두께를 더 두텁게 하면 회당 더 두꺼운 막을 코팅할 수 있겠으나, 이 경우 코팅(lay- down)된 막의 표면이 굵은 메쉬 와이어의 영향으로 거칠게 되고 건조 균일도가 떨어져 표면 갈라짐 불량을 초래한다.
글라스 세라믹 절연 유전체 코팅 방법에 있어서는 다중 코팅법에 의해 단일층 코팅에서 발생 하는 핀홀을 커버함으로써 내전압 특성이 개선되었고 절연체막의 표면 거칠기도 개선되었다. 세라믹 절연 유전체가 코팅된 알루미늄 기판에서 발생하는 층간박리 및 균열발생을 억제하여 절연파괴 현상을 개선하기 위해 금속 기판과 세라믹 절연체층 사이에 완충층을 삽입하여 그 효과를 검토 해본 결과 다음과 같은 결론을 얻었다. 알루미늄합금 금속 기판과 글라스 세라믹 절연체 후막 사이에 알루미나와 실리카 박막 버퍼층을 코팅한 경우 그렇지 아니한 bare 알루미늄 기판을 사용한 절연기판에 비해 절연 층과 메탈기판간의 접합력이 향상되어 층간박리가 관찰 되지 않았다.
그 위에 도포할 절연 유전체는 알루미늄 기판의 융점(607℃) 보다 낮은 525~560℃에서 소결이 가능한 저온소성 glassceramic 절연 유전체 paste를 사용하여 screen printing 법으로 인쇄 후 85℃의 오븐에서 30분간 건조하였다. 스크린 인쇄법에 의해 절연 유전체막을 코팅함에 있어서 1 회 인쇄 시 약 8~12 um 의 소성 후 두께가 얻어지므로 1.5 kV 이상의 내전압을 얻기 위해서는 여러 번 코팅해야 되는데, 충분한 절연막 두께를 얻기 위하여 인쇄 및 건조 방법은 두 가지로 테스트하였다. 하나는 2-3 회의 인쇄와 건조를 반복한 다음 한번의 소성으로 두꺼운 절연막을 얻거나, 인쇄-건조- 소성 공정을 차례로 2-3 번 반복하는 방법으로 절연막을 형성하고, 접합력과 박리여부를 검토였다.
필러를 첨가한 글라스 세라믹 펠렛 시료는 알루미늄 기판에 loading 하여 CTE 용 시료와 같은 조건에서 열처리 후 글라스 세라믹이 알루미늄 기판에 용융 접착된 채로 다이아몬드 saw 로 커팅하고, 이것을 경면 연마한 다음 단면 이미지로부터 광학현미경으로 접촉각을 측정하였다. 알루미늄 기판에 스크린 인쇄법으로 소결한 글라스 세라믹 시료의 표면 미세구조는 FE-SEM (ZSM-7610F, Jeol)으로 관찰하였고, 소결 절연 유전체 막의 표면 거칠기는 surface profiler (DekTag, Veeco) 로 측정하였다. 글라스 세라믹 절연 유전체층이 코팅된 알루미늄 기판의 층간 단면에 대한 원소분석은 FE-SEM 에 연동 장착된 EDS (electron diffraction spectroscopy, Oxford Instrument)를 써서 elemental mapping image 를 얻었다.
위의 선행결과에 따라 절연층용 세라믹 조성을 15 wt% TiO2 가 첨가된 글라스 세라믹 복합체로 선정하여 후막 인쇄용(thick film screen printable) 절연 페이스트를 제조하였다. 아래 그림 Fig.
3은 제조된 페이스트의 교반 탈포(mixing and de-airing)후 모습과 페이스트의 점도(viscosity) 특성, 열처리 온도에 따른 열분해(thermolysis) 및 무게감량(weight loss) 거동 데이터이다. 점도 측정은 Brookfield 사의 DV-II+ Pro 장비를 사용하였고, 열분해 특성은 열중량 분석기(DTG-60H, Shimadzu) 장비를 사용하여 대기분위기에서 5℃/min의 승온 조건에서 측정하였다. 후막 스크린 인쇄용 paste 의 경우 통상 20,000-150,000 cps의 점도(viscosity)를 갖는 페이스트를 사용하게 되는데, 이것은 사용자의 도포 두께의 정도와 사용하는 스크린 메쉬(mesh)의 크기와 연관된다.
글라스 세라믹 절연 유전체 조성의 열팽창계수(CTE: coefficient of thermal expansion) 는 지름 5 mm 두께 1~2 mm의 파우더 펠렛을 560℃에서 30 분 소결한 시료를 thermomechanical analyzer (TMA Q400, TA Instrument)를 사용하여 상온에서 400℃까지 온도범위에서 10℃/min 의 승온속도로 가열하면서 측정하였다. 필러를 첨가한 글라스 세라믹 펠렛 시료는 알루미늄 기판에 loading 하여 CTE 용 시료와 같은 조건에서 열처리 후 글라스 세라믹이 알루미늄 기판에 용융 접착된 채로 다이아몬드 saw 로 커팅하고, 이것을 경면 연마한 다음 단면 이미지로부터 광학현미경으로 접촉각을 측정하였다. 알루미늄 기판에 스크린 인쇄법으로 소결한 글라스 세라믹 시료의 표면 미세구조는 FE-SEM (ZSM-7610F, Jeol)으로 관찰하였고, 소결 절연 유전체 막의 표면 거칠기는 surface profiler (DekTag, Veeco) 로 측정하였다.
5 kV 이상의 내전압을 얻기 위해서는 여러 번 코팅해야 되는데, 충분한 절연막 두께를 얻기 위하여 인쇄 및 건조 방법은 두 가지로 테스트하였다. 하나는 2-3 회의 인쇄와 건조를 반복한 다음 한번의 소성으로 두꺼운 절연막을 얻거나, 인쇄-건조- 소성 공정을 차례로 2-3 번 반복하는 방법으로 절연막을 형성하고, 접합력과 박리여부를 검토였다.
대상 데이터
본 실험에서 적용할 세라믹 절연 유전체 조성의 기지상(matrix phase)은 융점이 607~649℃로 비교적 낮은 알루미늄합금(Al 5052)을 금속기판으로 사용하므로 세라믹 절연 유전체의 코팅온도가 알루미늄 금속기판의 변형이나 변색이 적은 560℃ 이하의 열처리 온도에서 절연층의 소결 및 기판과의 접합이 이루어져야 되는 것이 필요하다. Al 5052 알루미늄 기판의 열팽창계수(이하 CTE)가 25.
선택된 티타니아 분말은 순도 99.6%, 평균입경 1 um 급으로 벌크특성이 CTE 는 9 ppm/℃, 열전도도는 4.8 W/mK, 비저항이 1012 Ω·cm 이상으로 절연성이 양호한 소재이다.
본 연구에 사용된 알루미늄 합금(Al 5052, 이하 알루미늄) 기판의 융점이 607~649℃ 범위이므로 여기에 코팅하여 열처리할 세라믹 절연막의 열처리 온도는 이보다 적어도 40℃이상 낮은 560℃이하의 소결온도를 갖는 세라믹 조성을 선정하여야 절연막의 소결 시 알루미늄 기판의 변형과 변색을 억제할 수 있다. 실험에 적용된 저온소결 세라믹 절연체 조성은 글라스 세라믹(glass-ceramic) 기반의 유리상(glass phase)의 기지상(matrix phase) 에 절연 체의 소결거동이나 열팽창계수, 접촉각 등 물리적 특성 튜닝을 위한 소정의 필러(filler) 소재로서 티타니아(TiO2 ) 를 5-20 wt% 첨가한 세라믹 복합체이다. 기지상인 글라스의 조성은 SiO2-K2O-P2O5-Al2O3 의 주성분과 MnO-B2O3 등 소량의 첨가제로 구성되며, 1,500℃ 이상의 고온에서 용융 및 콜드롤칭(melt and cold-roll quenching)법으로 제조한 글라스 리본(glass ribbon) 조각을 볼밀(ball mill) 로 분쇄하여 1~5 um 분포의 글라스 프릿(frit)으로 만든다.
코팅용 글라스의 필러 소재로는 일반적으로 알루미나(Al2O3 ) 또는 티타니아 (TiO2 )를 가장 널리 사용한다. 알루미나 필러의 경우 열전도도는 20 W/mK 로서 높으나 CTE 가 7 ppm/℃이고, 첨가 시 글라스 세라믹의 소결온도를 더욱 상승시키게 되어 560℃이하 저온 소결의 경우 접합력이 약화되므로, 이것보다 CTE 가 높고 저온에서 용이한 티타니아를 필러 소재로 선택하였다. 선택된 티타니아 분말은 순도 99.
기지상인 글라스의 조성은 SiO2-K2O-P2O5-Al2O3 의 주성분과 MnO-B2O3 등 소량의 첨가제로 구성되며, 1,500℃ 이상의 고온에서 용융 및 콜드롤칭(melt and cold-roll quenching)법으로 제조한 글라스 리본(glass ribbon) 조각을 볼밀(ball mill) 로 분쇄하여 1~5 um 분포의 글라스 프릿(frit)으로 만든다. 여기에 필러 소재로서 상용으로 구입한 1~2 um 급의 산화물 조성, 여기서는 TiO2 의 비정형 구상분말을 첨가하여 글라스 세라믹 복합체를 만든다.
우선 금속소재의 열확산 기판으로서 경량이면서 열전도도가 우수하며 가공이 용이한 알루미늄 합금 (Al 5052-H32) 기판을 사용하였고 시료의 크기는 선행 연구 및 분석용은 l × w = 25 × 25 mm2 , t = 1.5 mm, 히터 시제품용은 l× w = 250 × 250 mm2 , t = 8 mm로 하였다.
성능/효과
그 중에서도 전자소자나 부품의 패키지 기판으로 사용되는 IMS 에 사용되는 유전체 소재는 기본적으로 소자 회로에서의 전기적 단락(electrical short)을방지하기 위해 높은 유전강도(dielectric strength) 즉 내전압 특성이 요구된다. 2,3) 높은 유전강도의 유전체는 IMS 에서의 절연층의 두께를 더욱 박형화 할 수 있게 할 뿐 아니라 원천적으로 금속소재 보다 상대적으로 열전도도가 낮은 세라믹 소재의 경우 박형일수록 소자 방열(heat transfer) 특성이 향상 되어 패키지의 열저항(thermal resistance)이 낮아지게 된다. 따라서 전자소자용 IMS 는 작동 시 발생 하는 높은 열에 의한 성능저하를 방지하고 소자의 수명과 신뢰성을 제고하기 위해서는 가능한 높은 열전도도의 유전체 소재의 적용이 필요하다.
알루미늄합금 금속 기판과 글라스 세라믹 절연체 후막 사이에 알루미나와 실리카 박막 버퍼층을 코팅한 경우 그렇지 아니한 bare 알루미늄 기판을 사용한 절연기판에 비해 절연 층과 메탈기판간의 접합력이 향상되어 층간박리가 관찰 되지 않았다. 내전압 특성의 경우 단순히 글라스 세라믹 절연층을 사용할 경우 정규화한 내전압 값이 가장 높았으며, 알루미나 박막 버퍼층 삽입이나 알루미늄을 양극산화 처리한 경우 다소 큰 내전압 특성 감소가 관찰되었으나 실리카의 경우 감소가 적었다. 따라서 내전압과 기판 접합력의 관점에서 본다면 실리카 버퍼층의 적용이나 양극산화막 처리가 금속-세라믹 접합 절연기판의 제조에 적합한 것으로 볼 수 있다.
위의 Table 2는 본 연구에서 검토한 IMS의 제조 조건에 따른 내전압, 절연막 표면 거칠기 및 접합력 시험 결과를 요약 정리한 것이다. 내전압의 경우 절연막의 두께 의존도가 있으므로 표에는 별도로 단위 두께치로 정규화한 값을 제시하여 비교분석에 용이하게 하였으며, 이것으로부터 내전압은 글라스 세라믹 자체 또는 실리카 버퍼 층이 포함된 절연막이 알루미나 버퍼층이나 양극산화막을 포함하는 절연막보다 다소 높은 절연특성을 보였다. 이것은 실리카나 실리카를 포함하는 글라스가 통상 다른 결정질, 여기서는 알루미나(7.
후막 스크린 인쇄용 paste 의 경우 통상 20,000-150,000 cps의 점도(viscosity)를 갖는 페이스트를 사용하게 되는데, 이것은 사용자의 도포 두께의 정도와 사용하는 스크린 메쉬(mesh)의 크기와 연관된다. 본 연구 에서는 100 um 이내의 다소 두꺼운 절연 유전체 후막 필름을 형성하고자 하므로, 페이스트의 점도 범위는 100,000 cps 내외가 적절하다고 본다. 이하 paste 제조공정은 위 Fig.
본 연구에 사용된 알루미늄 합금(Al 5052, 이하 알루미늄) 기판의 융점이 607~649℃ 범위이므로 여기에 코팅하여 열처리할 세라믹 절연막의 열처리 온도는 이보다 적어도 40℃이상 낮은 560℃이하의 소결온도를 갖는 세라믹 조성을 선정하여야 절연막의 소결 시 알루미늄 기판의 변형과 변색을 억제할 수 있다. 실험에 적용된 저온소결 세라믹 절연체 조성은 글라스 세라믹(glass-ceramic) 기반의 유리상(glass phase)의 기지상(matrix phase) 에 절연 체의 소결거동이나 열팽창계수, 접촉각 등 물리적 특성 튜닝을 위한 소정의 필러(filler) 소재로서 티타니아(TiO2 ) 를 5-20 wt% 첨가한 세라믹 복합체이다.
11의 (a)는 알루미늄 기판 표면을 양극산화법(anodizing)으로 알루미늄 산화막 즉 알루미나 (Al2O3 )막을 형성한 것이다. 스퍼터링법에 의한 알루미나와 실리카 박막의 두께는 각각 240 nm와 330 nm 이고, 실리카 박막이 알루미나 박막보다 다소 거친 표면이 얻어짐이 관찰되었다. 반면 양극산화법에 의한 알루미나 막은 약 7 um의 균일한 후막이 형성되었다.
3 eV) 절연파괴전압이 높으며, 양극산화법에 의한 산화 알루미늄(Al-O) 막의 경우 결정성이 낮고 나노구조의 기공(pore)이 다수 존재하는데 기인하기 때문인 것으로 판단된다. 절연막의 표면 거칠기는 알루 미나 박막이나 양극산화막 버퍼층을 포함하는 경우 평탄도가 크게 개선됨을 확인하였다. 절연막의 접합력은 barealuminum 기판 사용시의 전면적인 박리 때보다 양극산화막 버퍼층 적용 시 다소 개선되었으나 내부 미소 균열이발견되어 여전히 추가 개선의 여지가 있고, 알루미나나 실리카 박막 버퍼층이 도입된 절연막은 3M tape peel test 에서 박리나 균열 불량이 관찰되지 않았다.
후속연구
그러나 양극산화막 버퍼층 시료의 경우 단면 미세 구조 관찰을 위해 커팅 및 경면연마된 시료에서 산화막 부근에서 절연막의 균열 박리현상이 관찰되었다. 이것이 시료 준비과정에서의 가공 스트레스에 의한 균열인지 열처리 후 층간의 잔류 응력 해소에 의한 것인지는 좀 더심도 있는 후속 연구가 필요한 것으로 판단되나, 균열 거동으로 봐서는 stress-induced delamination으로 보여진다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
IMS는 어떻게 제조되는가?
1) 뿐만 아니라 IMS 는 고열전도성(high thermal conductivity) 의 금속기판을 사용하기에 높은 열에너지(heat energy)를 발생하는 전자부품, 즉 고전력 LED 패키지, 전력반도체 소자, 고주파 통신, 태양광 발전용 기판 등에서 새로운 수요가 증가되고 있는 추세이다. 2) IMS 는 일반적으로 금속재 기판의 한쪽 또는 양면을 절연 유전체 소재인 에폭시, 폴리이미드, 테플론 등과 같은 고분자 소재나 알루미나, 질화보론, 질화알루미늄 등과 같은 무기질(inorganic)인 세라믹 소재로 코팅이나 접합공정을 거쳐 제조하게 된다.
금속 기판과 세라믹 절연체층 사이에 완충층을 삽입했을 때 어떤 효과를 나타냈는가?
세라믹 절연 유전체가 코팅된 알루미늄 기판에서 발생하는 층간박리 및 균열발생을 억제하여 절연파괴 현상을 개선하기 위해 금속 기판과 세라믹 절연체층 사이에 완충층을 삽입하여 그 효과를 검토 해본 결과 다음과 같은 결론을 얻었다. 알루미늄합금 금속 기판과 글라스 세라믹 절연체 후막 사이에 알루미나와 실리카 박막 버퍼층을 코팅한 경우 그렇지 아니한 bare 알루미늄 기판을 사용한 절연기판에 비해 절연 층과 메탈기판간의 접합력이 향상되어 층간박리가 관찰 되지 않았다. 내전압 특성의 경우 단순히 글라스 세라믹 절연층을 사용할 경우 정규화한 내전압 값이 가장 높았으며, 알루미나 박막 버퍼층 삽입이나 알루미늄을 양극산화 처리한 경우 다소 큰 내전압 특성 감소가 관찰되었으나 실리카의 경우 감소가 적었다. 따라서 내전압과 기판 접합력의 관점에서 본다면 실리카 버퍼층의 적용이나 양극산화막 처리가 금속-세라믹 접합 절연기판의 제조에 적합한 것으로 볼 수 있다.
디스플레이 제조 산업에서 유전체 소재로 코팅된 절연성 금속기판의 기능은 무엇인가?
절연성(electrically insulating)의 유전체 소재 (dielectric material)로 코팅된 절연성 금속기판(insulated metal substrate, 이하 IMS)는 디스플레이 제조 산업에서의 열처리 공정, 열분해 공정용 오븐 등에서 내부식성, 내오염성, 내열성및 기계적 내구성을 제공하는 중요한 내외장재이다. 1) 뿐만 아니라 IMS 는 고열전도성(high thermal conductivity) 의 금속기판을 사용하기에 높은 열에너지(heat energy)를 발생하는 전자부품, 즉 고전력 LED 패키지, 전력반도체 소자, 고주파 통신, 태양광 발전용 기판 등에서 새로운 수요가 증가되고 있는 추세이다.
참고문헌 (11)
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