[논문]MLCC 제조공정에서 발생하는 잔류응력에 대한 열.구조 연성해석

MLCC 제조공정에서 발생하는 잔류응력에 대한 열.구조 연성해석
Thermo-Mechanical Analysis of MLCC for Residual stress 원문보기

이은규 (건국대학교 기계설계학과) , 김창완 (건국대학교 기계설계학과)

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본 논문은 MLCC 제조 공정의 소결 과정에서 수반되는 열에 의한 잔류응력의 발생과 분포를 확인하기 위한 유한요소해석법(FEM)을 이용한 열-구조 연성 수치해석 연구이다.
본 연구에서는 MLCC 제조공정의 소결 과정에서 수반되는 열에 의한 잔류응력의 발생과 분포를 확인하기 위하여 유한요소해석법을 이용하여 열-구조 연성 수치 해석을 수행하였다. 이를 통하여 발생된 잔류응력의 분포와 각 방향에 따른 수직 및 평면 응력의 압축과 인장 등의 경향을 파악 함으로서 결함과 불량의 발생을 억제하고 공정 및 설계의 최적화 실현을 위한 제품 생산 공정조건에 따른 잔류 응력 발생과 분포를 고찰 하였다.
본 연구에서는 MLCC 제조공정의 소결 과정에서 수반되는 열에 의한 잔류응력의 발생과 분포를 확인하기 위하여 유한요소해석법을 이용하여 열-구조 연성 수치 해석을 수행하였다. 이를 통하여 발생된 잔류응력의 분포와 각 방향에 따른 수직 및 평면 응력의 압축과 인장 등의 경향을 파악 함으로서 결함과 불량의 발생을 억제하고 공정 및 설계의 최적화 실현을 위한 제품 생산 공정조건에 따른 잔류 응력 발생과 분포를 고찰 하였다.

따라서 이러한 공정 과정을 수치해석 모델에 적용하기 위한 시뮬레이션의 적용이 필요하다. 실제 공정의 소결온도인 약 1250 ℃ 이전까지 각 층은 입자 상태로서 존재 하며 각 재료는 성형되기 이전이므로 열에 의한 응력이나 변형 등의 조건은 적용되지 않는다고 가정하고, 최초 적용온도(Initial temperature)를 소결온도(1250℃)로 적용하고 상온 20℃까지 냉각되는 과정을 통한 열 해석을 실시 하였다.
열전달 수치해석 과정 후의 조건을 구조해석 최초 적용 조건(Initial condition)으로 연계하여 변형(Deformation)과 응력(stress)에 대한 수치해석을 실시 하였다. 이 과정에서 경계조건(Boundary condition)은 1/4 모델의 대칭 면(Symmetry) 조건을 제외한 다른 구속조건은 주어지지 않으며 외력에 의한 하중 및 압력 등의 조건 또한 적용되지 않는다.

해석모델의 생성에는 현재 제품으로 상용화 되어있는 X7R/0201 MLCC 모델을 참고하여 모델링을 하고 수치해석을 위해 유한요소해석법을 사용하였다. 실제 수치해석 과정에는 모델의 대칭성을 고려하여 1/4 모델을 사용 하였으며, 모델링에 사용된 치수 및 형상은 Table 2 와 Fig.

각 방향성분 별 응력의 발생과 분포 중, 수직응력의 발생 분포를 살펴보면 내부 전극 층의 말단부에서 응력이 집중 발생된 모습을 보이며 인장응력은 폭(width)방향의 여유면과 맞닿은 영역에서, 그리고 압축응력은 그 영역의 길이 (length)방향의 말단에 각각 최대 발생을 보이고 있음을 확인 할 수 있다. 평면응력의 압축응력은 주로 전극의 내부말단부에 집중분포하며 1/2 의 적층이 이루어진 영역에서 서로 다른 압축과 인장의 분포 방향을 보인다.
이상의 과정에 따라서 열전달 및 구조해석의 연성해석을 실시 하였으며 선행된 열전달 수치해석으로부터 얻은 조건을 구조해석에 적용 함으로서 공정 후 잔류응력의 분포와 발생을 확인 할 수 있었다.

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