(Sintering)세라믹 전자부품 소성로

1. 머리말
 최근에는 대부분의 전자부품이 세라믹으로 만들어지며, 다른 가열방식(연소가열, 유도가열, 마이크로파 가열 등)도 있으나, 대부분 저항가열이 채용되고 있다.  이는, 다음과 같은 특징이 있기 때문이다.

    1) 사용온도 범위가 넓고, 고정밀도의 온도관리가 가능하다.
    2) 열효율이 높으므로, 에너지 절약 효과가 있다.
    3) 중성, 환원, 진공 등 로 분위기 제어가 용이하다.
    4) 폭발 및 화재 걱정이 적고, 안전성이 높다.

 또한, 일반적인 전자부품의 제조 플로우 차트는 다음과 같다.

 

        원료합성 → 가소 → 분쇄 → 조립 → 배합 → 성형 → 탈바인더 → 소성→ 가공 → 검사

 이러한 공정 중에서, 저항로가 사용되는 것은 주로 가소, 탈바인더, 소성이다. 여기에서는 그 각각에 대해서 소개해 보고자 한다.
 
2. 로의 종류
2.1 원료처리 및 가소로
 산화물(ferrite, 세라믹 콘덴서 원료)계, 질화물(窒化物)계(질화규소, 질화알루미늄 등)가 있고, 일반적으로는 ‘Sagger’라고 부르는 내화물용기에 처리원료를 넣고, 대판 위에 올려서 pusher식 터널로에서 상하 또는 주위 발열체에 의해서 복사 가열된다. 이 목적은 ①원료성분의 균일화, ②본 소성시, 소성 수축율의 조정 및 소결온도의 저하이다. 특히 질화물계에서는, 보통 질소분위기 중에서 소성되기 때문에, 가스 흡입에 의한 분위기 제어에 주의할 필요가 있다.

･ 로 형식: Pusher식 터널로, 엘리베이터식로
･ 소성온도 및 분위기:
     산화물계 – 900~1200℃   대기
     질화물계 – 1400~2100℃  N2
･ 사용발열체: 금속계(니크롬, 칸탈), 탄화규소(에레마),흑연(질화물계)
･ 포인트: 배기방법, 분위기 균일성
 
 
 3. 탈바인더로
 세라믹 전자부품에서는 바인더와 함께 가소제, 윤활재 등의 유기물이 첨가되어 있는 것이 일반적이다. 소결전에 이들을 제거하기 위해서, 이들의 열분해특성에 의해 가열온도, 시간이 결정되어 소정의 온도 곡선 및 분위기 안에서 처리된다. 보통, 이러한 처리에는 장시간(약 30~50시간)이 걸리므로, 박스형 유기식(流氣)로가 많이 사용되고 있으나, 최근 처리품에 따라서는 탈바인더 시간이 단축되어, 탈바인더로-소결로를 루프화하여 생산효율의 향상을 꾀하고 있다.

･ 로 형식: 유기식 박스형 로, 유기식 터널로
･ 사용온도: 300~600℃
･ 발열체: 금속계(니크롬, 칸탈), 시즈히터
･ 포인트: 온도 및 기류의 균일화(±3~5℃) 배기방법 및 배기처리

 3. 소결로
 세라믹 전자부품의 소결에서는, 그 부품마다 특유의 온도곡선이 있으나, 그림4는 기본적인 온도곡선과 소성과정에 있어서의 변화를 나타낸 것이다.
 일반적으로는, 처리조건의 안정성 및 생산성의 면에서 연속로(터널로)를 사용하는 경우가 많으나, 조건이 다양화 된 다품종 소량생산 및 처리품의 경박단소화에 의해 배치로를 사용하는 곳도 적지 않다. 연속로와 배치로는 기본적인 설계가 다르기 때문에 설비전력의 설정이나 로재의 선택 등을 할 경우에는, 충분한 조사를 통하여 선택할 필요가 있다.
 

 각각의 세라믹 전자부품에 대한 로의 구조, 구비해야 할 조건 등은 다음과 같다.

3.1 Ferrite
 자석이나 스피커 등에 사용되는 hard ferrrite와 모터 및 트랜스 코어로써 사용되는 soft ferrite가 있으나, 모두 주원료는 산화철이다. 일반적으로는 대량생산이 이루지므로 터널로형에서는, 로 길이가 25m 이상의 것이 많다.

[hard ferrite용]: 이 용도로는 가스 연소식도 많다.
･ 로 형식: 대판식이나 대차식 터널로, Roller hearth로
･ 사용온도 및 분위기: 1200~1400℃ 대기
･ 사용 발열체: 탄화규소(에레마), 금속계(니크롬, 칸탈)
･ 포인트: 온도분포, 양산효과

[soft ferrite]
･ 로 형식: 대판 Pusher 로, Roller hearth로
･ 사용온도 및 분위기: 1300~1400℃ N2 또는 대기
･ 사용 발열체: 탄화규소(에레마), MoSi2(칸탈 슈퍼)
･ 포인트: 온도분포, 분위기 컨트롤

3.2 세라믹 콘덴서
3.2.1 반도체 콘덴서
반도체는, 티탄산 스트론티움(SrTiO3)계의 원료가 사용되고 환원 분위기에서 소성된다. 고온에서의 강환원 분위기 소성이므로, 처리품으로부터의 휘발물에 의해 로재 및 도구재로의 침식이 문제가 되는 경우가 있으므로, 로재, 대판 재질의 선택에는 주의가 필요합니다.

･ 로 형식: 대판 Pusher식
･ 사용온도 및 분위기: 1100~1450℃  N2+H2(3~20% dry)
･ 사용 발열체: Mo, W, MoSi2
･ 포인트: 온도분포, 분위기 균일성, 내장 로재의 선택, 안전대책
     (폭발 등에 대해서)

3.2 적층 칩 콘덴서(MLCC)
최근 휴대전화나 컴퓨터의 급속한 보급으로 인해, 콘덴서의 소형화가 한층 더 진행되고 있으며, 적층 칩화로 인해 수백층도 적층되어 쌀 알갱이 보다 작은 것이 제조되고 있다. 또한 전극재도 파라듐-은의 합금이었던 것이, 니켈로 바뀌었기 때문에 로 형식도 크게 변화하였다. 즉 대기소성이 환원 분위기 소성이 되어 출입구에서의 외기차단기구, 마스플로우 컨트롤러에 의해 정밀유량조정, 특수한 가스 도입 시스템 등의 채용에 의해, 고도의 온도 및 분위기 조정이 가능해졌다. 분위기는 승온에서 소결 zone까지는 질소 베이스로 소량의 수소첨가, 거기에 순수로 버블링시켜 수분량의 조절로 약환원 분위기로 만들고, 소결후의 재산화 zone에서는 미량의 산소 퍼센트(ppm)의 컨트롤이 행해진다. 
 한대의 터널로에서 여러 종류의 분위기 zone을 형성하기 때문에, 고도의 분위기 제어가 가능하게끔 되어 있다.

･ 로 형식: 대판 Pusher식, 엘리베이터식, 박스형
･ 사용온도: 1250~1400℃
･ 분위기: N2+H2(0.5~5%)  N2+O2(10~100ppm) D.P(노점) 20~50℃
･ 사용발열체: MoSi2(칸탈 슈퍼), 탄화규소(에레마), 금속계(칸탈, 니크롬)
･ 포인트: 온도분포, 분위기 균일성, 가스 도입 및 배기조절에 의한 분위기 분리
 
3.3 압전소자
착화용, 압전 액츄에이터, 필터에 사용되고 있는 압전 세라믹스는 PZT에 대표되는 것처럼 납, 아연, 중금속류를 포함한 2성분, 3성분계로 되어 있다. 일반적으로는 소성분위기에 납의 증기압이 필요하여, 처리품은 납증기와 반응하기 어려운 기밀성의 용기(일반적으로는, 재결정 알루미나)를 사용한다. 그래도 로내장제는 납증기의 영향을 받아 침식 하게 되므로, 내장재나 매플은 고순도의 알루미나 재질을 사용할 필요가 있다. 이것들의 수명은 짧아, 보통 1~3년 정도이다. 

･ 로 형식: 대판 Pusher로
･ 사용온도 및 분위기: 1200~1350℃  대기
･ 사용 발열체: 탄화규소(에레마)
･ 포인트: 연증기 대책(매플, 내장재)  배기구 위치
 
또한, PTC 서미스터(Positive Temperature Coeffient Thermistor)는, 특수한 용도의 히터에 사용된다. 이 주원료는, 티탄산 바륨(BaTiO3)이지만 압전재와 마찬가지로, 산화연(PbO)을 많이 포함하고 있어, 로로써는 압전소자소성로와 같은 배려가 필요하다.

3.4 형광물질
형광물질은 컬러 브라운관 및 형광등의 내면에 발광용으로 도포되는 세라믹의 미결정 분말로, 그 성분에 따라 소성조건이 달라진다. 즉, 색의 삼원색(R-적색, G-녹색, B-청색)의 3종류가 있으며, 특히 R(적색)은, 알카리류의 휘발물이기 때문에 로재나 발열체가 매우 수명이 짧은 경우가 있다. 또한 생성되는 황화물이기 때문에, 로 틀(케이싱)을 스테인레스망으로 하는 경우가 있다.

･ 로 형식: 대판 Pusher식, 박스형
･ 로내온도: 900~1600℃ 
･ 분위기: 대기       녹색, 청색은 중성 또는 환원성
･ 사용 발열체: 탄화규소(에레마), MoSi2 (칸탈 슈퍼)
･ 포인트: 알카리 가스 대책(로 내장제, 대판, 도가니 등), 스포링 대책(대판, 도가니)

3.4 IC 패키지(다층기판)
IC 패키지는, 시트 성형체(알루미나)에 인쇄되는 도체(Mo, W)가 적층된 것을, 고온의 환원 분위기에서 동시소결 하는 것으로, 그림9가 heat pattern의 일례이다. 일반적으로는 탈바인더 소결의 일련으로, 탈바인더부는 휘발한 바인더가 배기 도중에 tar 등이 회수되는 구조로 되어 있다.
 승온대는 잔류 카본 등을 제거하기 위해서(N2+H2), 가스에 수증기를 가하기 때문에 함습기를 통과시켜, 그 수온으로 가스중의 수분을 조절한다.
 소결대에서는, 1600℃ 고온의 환원 분위기이므로, 내장제로는 고순도의 알루미나재질이나 mullite 등이 사용된다. 발열체는, 몰리브덴 또는 텅스텐의 와이어로 로 내벽에 헹거 등을 사용하여 고정된다. 로 외벽은 기밀구조로, 출입구에는 외기차단문이 필요하다. (이중문)

･ 로 형식: 대판 Pusher식    ･ 로내온도: 1550~1600℃
･ 분위기: N2+H2(10~50%)  D.P(노점) 25~50℃
･ 사용 발열체: 몰리브덴, 텅스텐, 탄화규소(에레마)
･ 포인트: 온도분포, 분위기 균일성, 배기처리, 안전대책(폭발)