KR102037368B1 - 확산 접합 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 확산 접합 장치 및 방법에 관한 것으로서, 피접합체가 접합될 수 있는 접합 공간이 형성되는 챔버; 상기 챔버 내부에 혼합가스를 투입할 수 있도록 형성되는 가스 유입부; 상기 혼합가스를 플라즈마 상태로 활성화시키거나 상기 피접합체를 유도가열 시킬 수 있도록 형성되는 플라즈마 생성부; 상기 플라즈마 생성부에 전류를 인가하는 제 1 전원부; 상기 혼합가스를 배출할 수 있도록 형성되는 가스 배출부; 상기 피접합체를 가압하고 전기가 통전될 수 있도록 상기 챔버의 상부 및 하부에 형성되는 가압부; 및 상기 가압부에 전류를 인가하는 제 2 전원부;를 포함할 수 있다.

Description

확산 접합 장치 및 방법{Diffusion bonding apparatus and Diffusion bonding method}
본 발명은 확산 접합 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 이종재료 혹은 동종재료 간의 용융시키지 않을 정도의 고온에서 모재가 큰 소성변형을 일으키지 않는 정도의 압력을 가하여 접합하는 확산 접합 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 고상 접합은 기존의 용융 용접과 달리 피접합체를 고체상태로 유지하면서 일체화하는 기술이다. 이 기술은 피접합체의 용융을 방지 또는 최대한 억제함으로써 피접합체가 가지고 있는 본래의 특성을 보존하고 접합부의 결함발생을 최소화하여 일체화된 부품의 특성을 극대화할 수 있는 기술이다. 복합재료 등 신금속소재의 개발과 첨단산업의 발달로 고상접합 기술이 크게 각광을 받고 발전하게 되었으며 이로 인해 기존의 용융 용접 기술로는 접합이 불가능한 소재, 복잡한 형상의 소재, 높은 품질 및 정밀성이 요구되는 소재 등의 접합이 가능하게 되었다.
이러한 고상 접합 기술로는 마찰열을 이용하는 마찰 접합, 삽입금속을 이용하는 브레이징(Brazing), 원자의 확산 현상을 응용한 확산 접합(Diffusion bonding) 등이 있다. 이 중에서 확산 접합은 피접합체를 용융시키지 않을 정도의 고온에서 피접합체가 큰 소성변형을 일으키지 않는 정도의 압력을 가함으로써 고상상태에서 접합하는 방법이다
이때 허용 소성변형의 정도에 따라 온도, 가압력 등을 조절하며, 대부분의 접합제품은 열변형 최소화를 위해 충분한 접합이 확보될 정도의 최소한의 온도, 가압력, 가열시간 등을 적용한다. 특히, 냉각용 수로가 설계된 금형과 같은 초정밀 제품은 0.1mm 정도의 열변형만 발생해도 불량으로 분류된다.
또한, 확산접합의 또 다른 주요 공정변수는 접합면의 표면 상태로써, 동일한 가압, 가열 조건에서도 표면 상태에 따라서 접합의 정도가 달라진다. 표면 상태로는 표면조도, 표면오염층 두께, 산화피막 두께 등이 있으며, 표면조도와 표면오염층은 표면 정밀 연마, 세정 등으로 표면 준비가 가능하지만, 산화피막은 가장 큰 문제가 되고 있다. 즉, 전단계에서 폴리싱 등을 통해 아무리 산화피막을 제거하더라도, 확산접합 공정 준비, 장입 과정에서 산화가 발생하거나, 심지어 가열유지 동안에도 산화가 발생한다. 따라서, 통상 확산접합은 고순도의 Ar, N2 등 불활성 가스나 진공분위기, 나아가 수소와 같은 환원성 분위기에서 확산접합을 실시하게 된다.
그러나, 이러한 종래의 확산접합은 소재에 따라 600~1000℃의 온도가 필요한 반면, 수소 환원반응은 그 보다 높은 800~1300℃가 요구되는 고온에서 장시간이 걸리는 반응이므로 산화피막을 완전히 제거하기는 실제 공정에서는 불가능하다. 따라서, 통상 주어진 시간에 확산접합을 위해 산화피막이 완전히 제거되지 않은 상태에서 고압을 가해 산화피막을 파괴시키면서 순수 금속표면 끼리 접촉을 시키는 원리를 이용하고 있다.
즉, 산화피막이 없는 순수 금속표면 끼리의 접합에 필요한 압력과 온도 이상이 필요하며, 초과 정도는 산화피막의 두께에 따라 적정 압력, 가열 온도, 시간 등이 모두 달리지게 된다. 또한, 대기 중의 산소나 수분에 의한 생기는 산화피막의 두께를 정확히 측정하는 것도 고가의 장비가 필요한 고난이도 기술이므로 현장에서는 산화층 두께의 정확한 파악 없이 작업을 하게 되는 문제점을 가지고 있다. 따라서, 공정 완료 후 출고된 제품의 접합의 정도 혹은 접합강도가 매번 달라지며 일부 제품에서는 심각한 접합불량의 원인이 되는 등의 많은 문제점들이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 챔버 내에서 Ar, N2, H2 등이 혼합 투입된 환원성 기체 분위기에서 플라즈마 클리닝을 우선 실시하여 산화피막을 완전 제거한 후, 확산접합을 수행하여, 단시간에 표면 클리닝이 가능하고, Ar으로 인한 표면 세정 및 접착 밀착력 향상을 더욱 개선시켜 표면 식각의 효과를 가질 수 있고, 플라즈마클리닝은 저온반응이며 환원시간도 1/2수준으로 짧아서 제품의 열변형을 최소화할 수 있는 효과를 가지고 있다.
또한, 피접합체의 상측과 하측 및 측면에 상, 하 가압 전극의 통전에 의해 발열할 수 있는 발열체를 형성하여, 피접합체를 사방에서 가열하여, 보다 균일한 가열이 되어 피접합체의 확산 접합 시 열변형 또는 과잉 접합을 방지할 수 있고, 유도가열에 의한 피접합체의 표면가열과 통전방식에 의한 중심부 가열을 동시에 실시하여 균일한 접합과 두 방식 모두 급속가열이 가능하므로 빠른 접합을 달성할 수 있는 효과를 가질 수 있는 확산접합 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 사상에 따른 확산 접합 장치는, 피접합체가 접합될 수 있는 접합 공간이 형성되는 챔버; 상기 챔버 내부에 혼합가스를 투입할 수 있도록 형성되는 가스 유입부; 상기 혼합가스를 플라즈마 상태로 활성화시키거나 상기 피접합체를 유도가열 시킬 수 있도록 형성되는 플라즈마 생성부; 상기 플라즈마 생성부에 전류를 인가하는 제 1 전원부; 상기 혼합가스를 배출할 수 있도록 형성되는 가스 배출부; 상기 피접합체를 가압하고 전기가 통전될 수 있도록 상기 챔버의 상부 및 하부에 형성되는 가압부; 및 상기 가압부에 전류를 인가하는 제 2 전원부;를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 플라즈마 생성부는, 전류가 인가되어 상기 챔버 내에 플라즈마를 발생시킬 수 있도록 내부에 상기 피접합체의 주변을 2회 이상 권회되는 인덕션 코일; 및 상기 제 1 전원부에 연결되는 단자부;를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 플라즈마 생성부는, 전류가 인가되어 생성된 고주파 교류전류를 이용하여 상기 피접합체를 유도가열 시킬 수 있도록 내부에 상기 피접합체의 주변을 2회 이상 권회되는 유도 코일; 및 상기 제 1 전원부에 연결되는 단자부;를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 가압부는, 상기 피접합체의 일면을 가압하고, 전기가 통전될 수 있도록 형성되는 제 1 가압 전극; 상기 제 1 가압 전극의 통전에 의해 발열할 수 있도록 상기 제 1 가압 전극과 상기 피접합체 사이에 형성되는 제 1 발열체; 상기 피접합체의 타면을 가압 또는 지지하고, 전기가 통전되고 상기 제 1 가압 전극과 대향되도록 형성되는 제 2 가압 전극; 상기 제 2 가압 전극의 통전에 의해 발열할 수 있도록 상기 제 2 가압 전극과 상기 피접합체 사이에 형성되는 제 2 발열체;를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 제 1 발열체는, 상기 제 1 가압 전극의 통전에 의해 발열이 용이할 수 있도록, 탄소계 또는 그라파이트(graphite)계로 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 가압부는, 통전 시 과열을 방지할 수 있도록 내부에 냉매가 흐를 수 있도록 냉매 유로가 형성되는 제 1 냉각부;를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 플라즈마 생성부는, 상기 피접합체를 가열 시 과열을 방지할 수 있도록 내부에 냉매가 흐를 수 있도록 수냉 코일이 형성되는 제 2 냉각부;를 포함할 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 사상에 따른 확산 접합 방법은, 챔버 내부에 형성된 피접합체의 표면과 플라즈마를 반응시켜 상기 피접합체의 표면을 세정하는 플라즈마 클리닝 단계; 및 상기 피접합체의 중심부를 통전가열하고 상기 피접합체의 표면부를 유도가열하여, 상기 피접합체를 접합하는 확산접합 단계;를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 플라즈마 클리닝 단계는, 가스 유입부를 통하여 상기 챔버 내부에 혼합가스를 투입하는 가스 유입 단계; 플라즈마 생성부에 전류를 인가하여 상기 혼합가스를 플라즈마 상태로 활성화시켜 상기 피접합체를 세정하는 플라즈마 세정 단계; 및 가스 배출부를 통하여 상기 챔버 내부에 상기 혼합가스를 배출하는 가스 배출 단계;를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 확산 접합 단계는, 상기 챔버의 상부 및 하부에 형성되는 가압부를 이용하여 상기 피접합체를 가압하는 가압 단계; 상기 가압부에 전류가 인가되면, 상기 가압부에 형성된 제 1 가압 전극과 제 2 가압 전극을 통하여 상기 피접합체의 중심부가 통전가열 되는 제 1 가열 단계; 및 상기 플라즈마 생성부에 전류가 인가되면, 상기 피접합체의 주변부에 형성된 상기 플라즈마 생성부에 의하여 상기 피접합체의 표면부가 유도가열 되는 제 2 가열 단계;를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 피접합체의 접합이 중심부와 표면부에서 동시에 이루어지도록 상기 제 1 가열 단계와 상기 제 2 가열단계는 동시에 이루어질 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일부 실시예들에 따르면, 낮은 밀도의 플라즈마로서 상대적으로 낮은 전력원(power source)이 필요하므로 시스템 제작에도 용이하고, 단시간에 표면 클리닝이 가능하고, Ar으로 인한 표면 세정 및 접착 밀착력 향상을 더욱 개선시켜 표면 식각의 효과를 가질 수 있고, 플라즈마클리닝은 저온반응이며 환원시간도 1/2수준으로 짧아서 제품의 열변형을 최소화할 수 있는 효과를 가지고 있다.
또한, 피접합체의 상측과 하측 및 측면에 상, 하 가압 전극의 통전에 의해 발열할 수 있는 발열체를 형성하여, 피접합체를 사방에서 가열함으로써, 보다 균일한 가열이 되어 피접합체의 확산 접합 시 열변형 또는 과잉 접합을 방지할 수 있는 효과를 갖는 것이다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 확산 접합 장치를 나타내는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 확산 접합 방법의 플라즈마 세정 단계를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 확산 접합 방법의 가스 유입 단계를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 확산 접합 방법의 가스 배출 단계를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 확산 접합 방법의 가압 단계를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 확산 접합 방법의 제 1 가열 단계를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 확산 접합 방법의 제 2 가열 단계를 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 여러 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려 이들 실시예들은 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이다.
이하, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들을 개략적으로 도시하는 도면들을 참조하여 설명한다. 도면들에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차(tolerance)에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명 사상의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 확산 접합 장치를 나타내는 단면도이다.
먼저, 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예들에 따른 확산 접합 장치(100)는, 크게 챔버(10), 가스 유입부(20), 플라즈마 생성부(30), 제 1 전원부(40), 가스 배출부(50), 가압부(60) 및 제 2 전원부(70)를 포함할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 챔버(10)는 피접합체(1)가 접합될 수 있는 접합 공간이 형성되는 것으로, 내측에 제 1 가압 전극(61), 제 2 가압 전극(63), 제 1 발열체(62), 제 2 발열체(64) 및 플라즈마 생성부(30)를 수용하고, 피접합체(1)가 접합될 수 있는 상기 접합 공간이 형성되는 적절한 강도와 내구성을 갖는 구조체일 수 있다.
또한, 챔버(10)는 피접합체(1)가 접합될 수 있는 접합 공간에 진공을 형성할 수 있는 진공 챔버로서, 상기 접합 공간에 진공 환경, 수소 환경, 질소 환경 또는 수소와 질소의 혼합 환경 등 다양한 환원성 분위기 조성이 가능할 수 있다. 따라서, 챔버(10)의 상기 접합 공간 내에서 피접합체(1)의 더욱 빠른 고상 접합 반응이 일어나도록 유도할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 가스 유입부(20)는 챔버(10) 내부에 혼합가스(G)를 투입할 수 있도록 형성되는 것으로, 상술한 바와 같이 상기 접합 공간에 진공 환경, 수소 환경, 질소 환경 또는 수소와 질소의 혼합 환경 등 다양한 환원성 분위기를 조성하기 위한 가스를 유입할 수 있는 유입부(20)를 포함할 수 있으며, 도시되지 않았지만, 혼합가스(G)가 유입되는 유입구, 혼합가스(G)의 유입을 조절하는 유입밸브, 혼합가스(G)를 제공하는 혼합가스 제공 장치를 더 포함할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 플라즈마 생성부(30)는 혼합가스(G)를 플라즈마(P) 상태로 활성화시키거나, 또는, 피접합체(1)를 유도가열 시킬 수 있도록 형성될 수 있다.
구체적으로, 유도가열 조건은 0.1 ~ 300kHz, 0.2 ~ 200kW, 10 ~ 20V이고, 저압 RF 플라즈마 발생에 필요한 조건은 35 ~ 200kHz, 7 ~ 50kW, 10 ~ 20V로서 유도가열 주파수와 저압 RF 플라즈마 발생에 필요한 주파수가 비슷한 영역대를 포함하고 있다.
상기의 고주파 발진 전원으로 RF 플라즈마를 발생시켜 플라즈마 클리닝을 달성하고, 확산 접합 단계에서는 동일한 고주파 발진 전원을 이용하여 유도가열 방식으로 분당 300 ~ 400℃의 표면 급속가열을 실시할 수 있다.
일예로, 플라즈마 생성부(30)는 전류가 인가되어 상기 챔버(10) 내에 플라즈마(P)를 발생시킬 수 있도록 내부에 피접합체(1)의 주변을 2회 이상 권회되는 인덕션 코일 및 제 1 전원부(40)에 연결되는 단자부를 포함할 수 있으며, 제 1 전원부(40)는 플라즈마 생성부(30)에 전류를 인가할 수 있다.
예컨대, 플라즈마 생성부(30)는 챔버(10) 내에서 피접합체(1)가 가압되는 방향을 중심축으로 둘러싸는 코일(31)이 형성될 수 있으며, 코일(31)은 제 1 전원부(40)에서 전류를 인가 받아 저압 분위기 상태의 혼합가스(G)를 플라즈마(P) 상태로 활성화시킬 수 있는 인덕션 코일을 포함할 수 있다.
더욱 구체적으로, 플라즈마 생성부(30)는 고주파를 이용하여 10mtorr ~ 200torr의 저압 분위기 상태의 혼합가스(G)를 플라즈마(P) 상태로 활성화시켜서 제품표면과 반응시킬 수 있다. 플라즈마(P) 상태는 전자구름, 이온, 라디칼 등으로 분리된 고도로 활성화 상태로, 반응성이 높은 이온, 라디칼들이 빠르게 표면 이물질과 결합하여 이들을 제거할 수 있다.
본 발명에 따른 확산 접합 장치(100)의 플라즈마 생성부(30)는 200torr 이하의 저압 영역에서 사용하므로 상온 ~ 400℃의 상대적으로 저온 분위기에서 1 ~ 3시간 정도의 단시간에 피접합체의 표면 클리닝이 가능하다.
또한, 본 발명에서는 피접합체의 표면층에만 영향을 미치는 플라즈마세정 공정이므로 저밀도 플라즈마가 사용되며 주로 사용하는 10mtorr ~ 200torr의 저압 영역에서는 상대적으로 낮은 플라즈마 밀도와 400℃ 이하의 저온 플라즈마가 형성될 수 있으며, 또한, 낮은 밀도의 플라즈마는 35 ~ 200kHz 영역의 중주파에 가까운 RF 고주파와 7 ~ 50kW의 수준의 상대적으로 낮은 전력원(power source)이 필요하므로 시스템 제작에도 용이한 효과를 가질 수 있다.
다른 예로, 플라즈마 생성부(30)는 전류가 인가되어 생성된 고주파 교류전류를 이용하여 피접합체(1)를 유도가열 시킬 수 있도록 내부에 피접합체(1)의 주변을 2회 이상 권회되는 유도 코일 및 제 1 전원부에 연결되는 단자부를 포함할 수 있다.
예컨대, 플라즈마 생성부(30)는 챔버(10) 내에서 피접합체(1)가 가압되는 방향을 중심축으로 둘러싸는 코일(31)이 형성될 수 있으며, 코일(31)은 제 1 전원부(40)에서 전류를 인가 받아 피접합체(1)에 전류의 흐름을 유도하고 이에 따른 저항에 의하여 발생되는 열로 피접합체(1)를 가열하는 유도 코일을 포함할 수 있다.
더욱 구체적으로, 플라즈마 생성부(30)에 형성된 상기 유도 코일에 전류가 인가되면 페러데이의 법칙에 의하여 피접합체(1)에 전압이 유도고, 유도된 전압에 의해 피접합체(1)에서 전자의 흐름이 발생된다. 피접합체(1)에 유도된 전류의 흐름은 상기 유도 코일에 흐르는 전류의 반대 방향으로 흐르게 되면, 전자의 흐름을 방해하려는 저항이 발생되고, 이 저항에 의해 열이 발생하게 되어 피접합체(1)를 유도가열 시킬 수 있다.
이때, 상기 유도가열은 소재에 유도된 전류의 흐름에 의해 피접합체의 표면부에서 자체적으로 발열을 일으키고, 이 열은 전도열에 의해 피접합체의 내부까지 전달될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 가스 배출부(50)는 혼합가스(G)를 배출할 수 있도록 형성되는 것으로, 혼합가스(G) 또는 활성화된 플라즈마(P)를 챔버(1) 외부로 배출 할 수 있도록 형성될 수 있으며, 가스를 배출할 수 있는 가스 배출부(50)를 포함할 수 있으며, 도시되지 않았지만, 혼합가스(G) 또는 플라즈마(P)가 배출되는 배출구, 혼합가스(G) 또는 플라즈마(P)의 배출을 조절하는 배출밸브, 혼합가스(G) 또는 플라즈마(P)를 처리하는 혼합가스 처리 장치를 더 포함할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 가압부(60)는, 피접합체(1)를 가압하고 전기가 통전될 수 있도록 챔버(10)의 상부 및 하부에 형성되는 것으로, 제 1 가압 전극(61), 제 2 가압 전극(63), 제 1 발열체(62), 제 2 발열체(64)를 포함할 수 있으며, 제 2 전원부(70)는 가압부(60)에 전류를 인가하도록 형성될 수 있다.
제 1 가압 전극(61)은 피접합체(1)의 일면을 가압하고, 전기가 통전될 수 있도록 형성될 수 있다. 또한, 제 2 가압 전극(63)은 피접합체(1)의 타면을 가압 또는 지지하고, 전기가 통전되고 상기 제 1 가압 전극(61)과 대향되도록 형성될 수 있다.
더욱 구체적으로, 제 1 가압 전극(61) 및 제 2 가압 전극(63)은, 제 2 전원부(70)에서 인가되는 전류가 가압 전극(61, 63)으로 통전이 용이하도록 구리(Cu)계 합금으로 형성될 수 있다. 예컨대, 제 1 가압 전극(61) 및 제 2 가압 전극(63)은, 높은 전도성의 구리계 합금으로 형성되어, 낮은 저항으로 인해 발열체(62, 64)로 전류를 흘리는 역할만 할 뿐 제 1 가압 전극(61) 및 제 2 가압 전극(63) 자체는 발열을 하지 않을 수 있다.
또한, 제 1 가압 전극(61) 및 제 2 가압 전극(63)은, 발열체(62, 64)로 전류를 흘리는 역할 이외에도, 피접합체(1)의 확산접합 시 피접합체(1)가 용이하게 접합될 수 있도록, 피접합체(1)를 가압하는 역할도 할 수 있다. 예컨대, 피접합체(1)의 특성에 따라 제 1 가압 전극(61)이 피접합체(1)의 일면만을 가압할 수도 있고, 높은 가압력이 필요한 경우에는 제 1 가압 전극(61)이 피접합체(1)의 일면을 가압하는 동시에 제 2 가압 전극(63)이 피접합체(1)의 타면을 가압할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 제 1 발열체(62)는 제 1 가압 전극(61)의 통전에 의해 발열할 수 있도록 상기 제 1 가압 전극(61)과 상기 피접합체(1) 사이에 형성될 수 있다. 또한, 제 2 발열체(64)는 제 2 가압 전극(63)의 통전에 의해 발열할 수 있도록 제 2 가압 전극(63)과 상기 피접합체(1) 사이에 형성될 수 있다.
이때, 피접합체(1)를 사방에서 동시에 가열할 수 있도록, 피접합체(1)는 제 1 발열체(62) 및 제 2 발열체(64)와 물리적으로 접촉되도록 형성되어 피접합체(1)의 중심부를 가열할 수 있으며, 상술한 바와 같이, 플라즈마 생성부(30)에 형성된 상기 유도 코일로 피접합체(1)의 표면부를 가열할 수 있다.
따라서, 피접합체(1)의 상면에는 제 1 발열체(62)가 형성되고, 피접합체(1)의 하면에는 제 2 발열체(64)가 형성되고, 피접합체(1)의 양측면을 둘러싸는 형상으로 상기 유도 코일이 형성되어, 피접합체(1)를 사방에서 동시에 가열하여 확산접합을 할 수 있다.
더욱 구체적으로, 제 1 발열체(62) 또는 제 2 발열체(64)는 제 1 가압 전극(61) 또는 제 2 가압 전극(63)의 통전에 의해 발열이 용이할 수 있도록, 탄소계 또는 그라파이트(graphite)계로 이루어질 수 있으며, 예컨대, 상기 제 1 발열체(62) 또는 제 2 발열체(64)는 비저항이 0.05 내지 0.15Ωㅇcm인 탄소계 또는 그라파이트(graphite)계로 이루어질 수 있다.
도 1 에 도시된 바와 같이, 가압부(60)는 통전 시 과열을 방지할 수 있도록 내부에 냉매가 흐를 수 있도록 냉매 유로(65)가 형성되는 제 1 냉각부를 포함할 수 있다. 따라서, 제 1 발열체(62), 제 2 발열체(64)와 접촉하고 있는 제 1 가압 전극(61), 제 2 가압 전극(63)이 과도하게 과열되는 것을 방지하여, 상기 가압 전극(61, 63)을 보호할 수 있는 효과를 가지고 있다.
또한, 플라즈마 생성부(30)는, 피접합체(1)를 가열 시 과열을 방지할 수 있도록 내부에 냉매가 흐를 수 있도록 수냉 코일(34)이 형성되는 제 2 냉각부를 포함할 수 있다. 따라서, 챔버(10) 내부의 온도를 제어할 수 있으며, 피접합체(1)의 온도를 조절하고, 또한, 수냉 코일(34)이 형성되는 상기 제 2 냉각부가 과도하게 과열되는 것을 방지하여, 상기 제 2 냉각부를 보호할 수 있는 효과를 가지고 있다.
도시되지 않았지만, 제 1 발열체(62), 제 2 발열체(64) 및 플라즈마 생성부(30) 중 적어도 어느 하나 이상의 온도를 센싱하는 센싱부를 더 포함할 수 있다.
상기 센싱부에서 센싱된 온도를 근거로 제 1 가압 전극(61)과 제 2 가압 전극(63) 사이에 흐르는 전류의 양을 조절할 수 있다. 더욱 구체적으로, 상기 센싱부는, 제 1 발열체(62), 제 2 발열체(64) 및 플라즈마 생성부(30) 중 적어도 어느 하나 이상의 표면 온도를 측정할 수 있는 적외선 온도 측정계일 수 있다.
예컨대, 제 1 발열체(62) 또는 제 2 발열체(64)는, 직접 전류를 흘려야 하므로 전류손실이 발생할 수 있는 열전대보다는 적외선 온도 측정계를 이용하여, 제 1 발열체(62) 또는 제 2 발열체(64)의 표면온도를 측정함으로써, 상기 표면온도에 따라 전원부(70)에서 가압 전극(61, 63)으로 인가되는 전류의 양을 제어하여 가열제어를 실시할 수 있다.
아울러, 상술한 냉매 유로(65) 또는 상기 센싱부는, 본 발명의 일 실시예에 따른 확산 접합 장치(100)에 반드시 포함되지 않고, 피접합체(1)의 재질에 따른 작업 조건에 따라, 확산 접합 장치(100)에 선택적으로 적용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예들에 따른 확산 접합 방법은, 플라즈마 클리닝 단계(S10), 확산 접합 단계(S20)를 포함할 수 있다.
도 2 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 확산 접합 방법의 플라즈마 클리닝 단계(S10)를 나타내는 도면이다.
플라즈마 클리닝 단계(S10)는 챔버(10) 내부에 형성된 피접합체(1)의 표면과 플라즈마를 반응시켜 피접합체(1)의 표면을 세정하는 단계로서, 플라즈마 클리닝 단계(S10)에서는 고주파를 이용하여 저압분위기 상태의 혼합가스(G)를 플라즈마(P) 상태로 활성화시켜서 제품표면과 반응시킬 수 있으며, 반응성이 높은 이온, 라디칼들이 빠르게 표면 이물질과 결합하여 이들을 제거하는 단계이다.
예컨대, 플라즈마 클리닝 단계(S10)는 10mtorr ~ 200torr의 진공 영역까지 반응로를 진공 배기한 후, Ar과 수소가 혼합된 분위기에 고주파를 가하여 여기상태인 플라즈마를 형성시키며 플라즈마 이온들의 충돌에 의해 시료가 약 400℃ 이하의 온도까지 가열될 수 있다.
혼합가스(G)는 Ar, N2, H2를 포함할 수 있으며, 수소이온(H2)은 환원성 분위기를 조성하는 원소로써 추가적인 산화를 억제할 뿐만 아니라, Ar, N2 이온들과 함께 확산접합을 억제하는 탄소 및 산소 불순물, 산화피막 등을 제거할 수 있다.
Ar은 질소나 수소에 비하여 질량이 크기 때문에 플라즈마 내에서 Ar 이온이 가속되면 운동 에너지가 질소나 수소에 비하여 더 크므로 표면에 충돌할 때 미세 유막 제거, 미세 조도 형성 등, 표면의 물리적, 화학적인 변화를 유도함으로써 표면 세정 및 접착 밀착력 향상을 더욱 개선시켜 표면을 식각할 수 있는 효과를 가질 수 있으며, 통상 800℃이상의 고온이 필요한 통상의 수소가스 환원반응 대비, 저온반응이며 환원시간이 짧아서 제품의 열변형을 최소화할 수 있는 효과를 가질 수 있다.
플라즈마 클리닝 단계(S10)는, 가스 유입 단계(S11), 플라즈마 세정 단계(S12), 가스 배출 단계(S13)를 포함할 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 가스 유입 단계(S11)는 가스 유입부(20)를 통하여 챔버(10) 내부에 혼합가스(G)를 투입하는 단계로서, 예컨대, 가스 유입 단계(S11)는 혼합가스 제공 장치(미도시)에서 혼합가스(G)가 공급되어 유입부(20)를 통하여 챔버(10) 내부에 수소 환경, 질소 환경 또는 수소와 질소의 혼합 환경 등 다양한 환원성 분위기를 조성하기 위한 혼합가스(G)를 공급할 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 플라즈마 세정 단계(S12)는 플라즈마 생성부(30)에 전류를 인가하여 혼합가스(G)를 플라즈마(P) 상태로 활성화시켜 피접합체(1)를 세정하는 단계이다.
플라즈마 세정 단계(S12)는 플라즈마 생성부(30)에서 고주파를 이용하여 저압 분위기 상태의 혼합가스(G)를 플라즈마(P) 상태로 활성화시켜서 제품표면과 반응시킬 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 가스 배출 단계(S13)는 가스 배출부(50)를 통하여 챔버(10) 내부에 혼합가스(G)를 배출하는 단계로서, 예컨대, 가스 배출 단계(S13)는 혼합가스(G) 또는 활성화된 플라즈마(P)를 챔버(1) 외부로 배출 할 수 있는 가스 배출부(50)를 통하여 챔버(10)의 외부로 혼합가스(G) 또는 활성화된 플라즈마(P)를 배출할 수 있다.
도 5 내지 도 7는 본 발명의 일 실시예에 따른 확산 접합 방법의 확산 접합 단계(S20)를 나타내는 도면이다.
확산 접합 단계(S20)는 피접합체(1)의 중심부를 통전가열하고 피접합체의 표면부를 유도가열하여, 피접합체(1)를 접합하는 단계이다.
플라즈마 클리닝 단계(S10)가 완료된 후에는 피접합체(1)의 확산접합을 실시하게 된다. 이때, 본 발명에서는 두 금속의 고온접합을 비저항이 0.1Ωㅇcm 수준으로 발열이 용이한 탄소계(혹은 graphite계) 발열체(62, 64)를 상부 및 하부 펀치로 사용하고 피접합체(1)를 접촉한 후 압력을 가하면서 직접 전기를 가해 발열체 펀치를 발열시키는 단계이다.
구체적으로, 확산 접합 단계(S20)는 가압 단계(S21), 제 1 가열 단계(S22), 제 2 가열 단계(S23)를 포함할 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 가압 단계(S21)는 챔버(10)의 상부 및 하부에 형성되는 가압부(60)를 이용하여 피접합체(1)를 가압하는 단계로서, 예컨대, 가압 단계(S21)는 챔버(10)의 상부에 형성되는 제 1 가압 전극(61)은 피접합체(1)의 일면을 가압하고, 챔버(10)의 하부에 제 1 가압 전극(61)과 대향되도록 형성되는 제 2 가압 전극(63)은 피접합체(1)의 타면을 가압 또는 지지할 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 제 1 가열 단계(S22)는 가압부(60)에 전류가 인가되면, 가압부(60)에 형성된 제 1 가압 전극(61)과 제 2 가압 전극(63)을 통하여 피접합체(1)의 중심부가 통전가열 되는 단계로서, 예컨대, 제 1 가열 단계(S22)는 제 1 가압 전극(61)과 제 2 가압 전극(63)에 형성되는 제 1 발열체(62) 및 제 2 발열체(64)에 피접합체(1)가 물리적으로 접촉되어 통전되어 피접합체(1)의 중심부가 가열될 수 있다.
상기 통전가열은 피접합체(1)의 발열은 비저항값이 약 1,000,000배 높은 탄소계 펀치(105Ωㅇcm)에서 일어나는 저항가열일 수 있으며, 피접합체(1)가 동종 혹은 이종 금속소재는 거의 자체발열이 이루어지지 않을 수 있다. 대신, 가압이 되고 있는 상태이므로 전도에 의해 제 1 발열체(62) 또는 제 2 발열체(64)에서 피접합체(1)로 열전달이 되어 두 금속의 접합부가 가열될 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 제 2 가열 단계(S23)는 플라즈마 생성부(30)에 전류가 인가되면, 피접합체(1)의 주변부에 형성된 플라즈마 생성부(30)에 의하여 피접합체(1)의 표면부가 유도가열 되는 단계로서, 제 2 가열 단계(S23)는 피접합체(1)를 둘러싸도록 형성된 유도 코일에 전류가 인가되면, 피접합체(1)에 표면부부터 전류의 흐름을 유도하고 이에 따른 저항에 의하여 발생되는 열로 피접합체(1)를 가열할 수 있다.
상기 유도 코일은 플라즈마 클리닝 단계(S10)에 사용되었던 상기 인덕션 코일을 이용하여 피접합체(1)에 유도가열을 실시한다. 이때, 고주파는 피접합체(1)의 표면부를 가열할 수 있다.
이때, 피접합체(1)의 접합이 중심부와 표면부에서 동시에 이루어지도록 제 1 가열 단계(S22)와 제 2 가열 단계(S23)는 동시에 이루어질 수 있다.
즉, 중심부가 우선적으로 가열되는 상기 통전가열과 표면부가 우선적으로 가열되는 상기 유도가열을 동시에 적용하여, 피접합체(1)의 접합의 시작이 중심부와 표면부에서 동시에 개시되도록 하여 보다 균일한 접합이 되도록 하는 효과를 가질 수 있다.
또한, 두 가지 가열법 모두 급속가열 방식이므로 가열시간, 즉, 접합시간을 최소화할 수 있어 미접합 불량과 열변형을 최소화시키는 효과를 가질 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
1: 피접합체
10: 챔버
20: 가스 유입부
30: 플라즈마 생성부
31: 코일
34: 수냉 코일
40: 제 1 전원부
50: 가스 배출부
60: 가압부
61: 제 1 가압 전극
62: 제 1 발열체
63: 제 2 가압 전극
64: 제 2 발열체
70: 제 2 전원부
G: 혼합가스
P: 플라즈마
100: 확산 접합 장치

Claims (11)

  1. 피접합체가 접합될 수 있는 접합 공간이 형성되는 챔버;
    상기 챔버 내부에 혼합가스를 투입할 수 있도록 형성되는 가스 유입부;
    상기 혼합가스를 플라즈마 상태로 활성화시키거나 상기 피접합체를 유도가열 시킬 수 있도록 형성되는 플라즈마 생성부;
    상기 플라즈마 생성부에 전류를 인가하는 제 1 전원부;
    상기 혼합가스를 배출할 수 있도록 형성되는 가스 배출부;
    상기 피접합체를 가압하고 전기가 통전될 수 있도록 상기 챔버의 상부 및 하부에 형성되는 가압부; 및
    상기 가압부에 전류를 인가하는 제 2 전원부;
    를 포함하고,
    상기 플라즈마 생성부는,
    상기 피접합체가 가압되는 방향을 중심축으로 둘러싸는 코일;
    상기 제 1 전원부에 연결되는 단자부;
    를 포함하고,
    상기 코일은,
    상기 피접합체의 표면을 세정하기 위하여, 상기 제 1 전원부에서 전류를 인가 받아 상기 챔버 내에 플라즈마를 발생시킬 수 있도록 형성되는 인덕션 코일; 및
    상기 피접합체를 유도 가열시키기 위하여, 상기 제 1 전원부에서 전류를 인가 받아 생성된 고주파 교류전류를 이용하여 상기 피접합체에 전압이 유도될 수 있도록 형성되는 유도 코일;
    을 포함하고,
    상기 인덕션 코일과 상기 유도 코일은 하나의 코일로 형성되어, 상기 인덕션 코일을 이용하여 상기 피접합체를 유도 가열하는, 확산 접합 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 가압부는,
    상기 피접합체의 일면을 가압하고, 전기가 통전될 수 있도록 형성되는 제 1 가압 전극;
    상기 제 1 가압 전극의 통전에 의해 발열할 수 있도록 상기 제 1 가압 전극과 상기 피접합체 사이에 형성되는 제 1 발열체;
    상기 피접합체의 타면을 가압 또는 지지하고, 전기가 통전되고 상기 제 1 가압 전극과 대향되도록 형성되는 제 2 가압 전극;
    상기 제 2 가압 전극의 통전에 의해 발열할 수 있도록 상기 제 2 가압 전극과 상기 피접합체 사이에 형성되는 제 2 발열체;
    를 포함하는, 확산 접합 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 발열체는,
    상기 제 1 가압 전극의 통전에 의해 발열이 용이할 수 있도록, 탄소계 또는 그라파이트(graphite)계로 이루어지는, 확산 접합 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 가압부는,
    통전 시 과열을 방지할 수 있도록 내부에 냉매가 흐를 수 있도록 냉매 유로가 형성되는 제 1 냉각부;
    를 포함하는, 확산 접합 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 플라즈마 생성부는,
    상기 피접합체를 가열 시 과열을 방지할 수 있도록 내부에 냉매가 흐를 수 있도록 수냉 코일이 형성되는 제 2 냉각부;
    를 포함하는, 확산 접합 장치.
  8. 챔버 내부에 형성된 피접합체의 표면과 플라즈마를 반응시켜 상기 피접합체의 표면을 세정하는 플라즈마 클리닝 단계; 및
    상기 피접합체의 중심부를 통전가열하고 상기 피접합체의 표면부를 유도가열하여, 상기 피접합체를 접합하는 확산접합 단계;
    를 포함하고,
    상기 플라즈마 클리닝 단계는,
    가스 유입부를 통하여 상기 챔버 내부에 혼합가스를 투입하는 가스 유입 단계;
    상기 피접합체의 주변부에 형성된 코일에 전류를 인가하여 상기 혼합가스를 플라즈마 상태로 활성화시켜 상기 피접합체를 세정하는 플라즈마 세정 단계; 및
    가스 배출부를 통하여 상기 챔버 내부에 상기 혼합가스를 배출하는 가스 배출 단계;
    를 포함하고,
    상기 확산 접합 단계는,
    상기 챔버의 상부 및 하부에 형성되는 가압부를 이용하여 상기 피접합체를 가압하는 가압 단계;
    상기 가압부에 전류가 인가되면, 상기 가압부에 형성된 제 1 가압 전극과 제 2 가압 전극을 통하여 상기 피접합체의 중심부가 통전가열 되는 제 1 가열 단계; 및
    상기 피접합체의 주변부에 형성된 상기 코일에 전류를 인가하여 생성된 고주파 교류전류를 이용하여 상기 피접합체에 전압이 유도되어 상기 피접합체의 표면부가 유도가열 되는 제 2 가열 단계;
    를 포함하고,
    상기 코일은,
    상기 플라즈마 클리닝 단계에서, 상기 피접합체의 표면을 세정하기 위하여, 상기 챔버 내에 플라즈마를 발생시킬 수 있도록 형성되는 인덕션 코일; 및
    상기 확산 접합 단계에서, 상기 피접합체를 유도 가열시키기 위하여, 고주파 교류전류를 이용하여 상기 피접합체에 전압이 유도될 수 있도록 형성되는 유도 코일;
    을 포함하고,
    상기 인덕션 코일과 상기 유도 코일은 하나의 코일로 형성되어, 상기 플라즈마 클리닝 단계에 사용되었던 상기 인덕션 코일을 이용하여 상기 피접합체를 유도 가열하는, 확산 접합 방법.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 피접합체의 접합이 중심부와 표면부에서 동시에 이루어지도록 상기 제 1 가열 단계와 상기 제 2 가열단계는 동시에 이루어지는 것인, 확산 접합 방법.
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