KR20170135105A - Manufacturing method of sheet-type silicon nitride subststrate - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a method for manufacturing a sheet type silicon nitride substrate comprising the steps of: preparing ceramics raw materials including Si powder, Y_2O_3 powder and MgO powder; mixing the ceramics raw materials, a solvent, an organic binder, a dispersing agent and a plasticizer to form slurry; forming a sheet type molded product in a tape casting method using the slurry; laminating the molded products in a plurality of layers and performing compression to form a laminated sheet; degreasing the laminated sheet in an oxidizing atmosphere in order to minimize an amount of residual oxygen and carbon; nitriding the degreased laminated sheet; and sintering the nitrided laminated sheet. The present invention can manufacture the sheet type substrate with thin thickness at low costs using the tape casting method and perform degreasing treatment in the oxidizing atmosphere and performing nitriding treatment in an N_2 atmosphere to minimize the amount of residual oxygen and carbon, thereby enhancing mechanical properties, particularly fracture toughness, high temperature properties and thermal conductivity of a silicon nitride sintered body, obtaining high quality silicon nitride (Si_3N_4) sintered body via reaction sintering, and lowering shrinkage even after nitridation by the reaction sintering to manufacture elaborate shapes.

Description

시트형 질화규소 기판의 제조방법{Manufacturing method of sheet-type silicon nitride subststrate}[0001] The present invention relates to a sheet-type silicon nitride substrate,

본 발명은 시트형 질화규소 기판의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 테이프캐스팅을 이용하여 저비용으로 얇은 두께의 시트 형태로 제조할 수 있고, 산화 분위기에서 탈지 처리하고 N2 분위기에서 질화 처리함으로써 잔류 산소와 탄소의 양을 최소화할 수 있고, 이에 따라 질화규소 소결체의 기계적 특성, 특히 파괴인성 및 고온특성을 개선할 수 있고, 열전도도 특성도 개선할 수 있으며, 반응소결을 통해 고품위의 질화규소(Si3N4) 소결체를 얻을 수 있고, 반응소결에 의해 질화 반응 후에도 수축률이 작아 정교한 형상 제조가 가능한 시트형 질화규소 기판의 제조방법에 관한 것이다.The present invention is a sheet-like to the silicon nitride substrate according to the manufacturing method, and more particularly can be prepared using the tape casting of a sheet form of a thickness at a low cost, and the residual oxygen by degreasing in an oxidizing atmosphere, and nitriding treatment in N 2 atmosphere And the amount of carbon can be minimized, thereby improving the mechanical properties, particularly fracture toughness and high temperature characteristics of the silicon nitride sintered body, and improving the thermal conductivity characteristics. Also, by reaction sintering, high quality silicon nitride (Si 3 N 4 ) a sintered body can be obtained, and a shrinkage rate is low even after the nitridation reaction by reactive sintering, so that a precise shape can be produced.

높은 전기절연성·열전도율을 가지는 세라믹 소재는 디바이스의 발생열을 빠르게 전달하고 확산시키는 열매체로서의 기능이 우수하여 수송기기용 디바이스의 기판 소재, 고집적 전자회로용 기판 소재, 레이저 발진부 등의 방열 부품(heat sink), 반도체 제조 장치의 반응 용기 부품, 정밀 기계 부품 등으로 사용되어 왔다. 특히, 최근 산업 분야에서 중요성이 높아지고 있는 고출력용 파워디바이스용 세라믹 방열기판은 높은 절연성, 내전압성, 열전도도, 강도, 인성, 낮은 유전율이 요구되고, Si 칩 및 금속접합소재 대비 유사 열팽창계수 등이 요구되고 있으며, 이러한 요구에 알맞은 세라믹 소재로 질화알루미늄(AlN), 알루미나(Al2O3), 질화규소(Si3N4) 등이 연구되어 왔다.Ceramic materials with high electrical insulation and thermal conductivity have excellent functions as a heating medium for rapidly transmitting and diffusing generated heat of a device, and can be used as a substrate material for a transport device, a substrate material for a highly integrated electronic circuit, a heat sink for a laser oscillation part, Have been used as reaction vessel parts, precision machine parts, etc. of semiconductor manufacturing apparatuses. Particularly, ceramic heat sink plates for power devices with high output power, which have become increasingly important in recent industrial fields, are required to have high dielectric constant, withstand voltage, thermal conductivity, strength, toughness and low dielectric constant. has been required, the aluminum nitride (AlN), alumina (Al 2 O 3), silicon nitride, a ceramic material suitable for this requirement (Si 3 N 4), etc. have been studied.

질화알루미늄(AlN)은 높은 열전도도(100~270 W/mK)를 이유로 고출력 세라믹 방열기판 소재로 많은 연구가 되고 상용화로 이어졌으나, 낮은 강도(250~450 MPa)와 Si와의 열팽창계수 차이로 (4.5~4.6×10-6/K, Si: 2.6×10-6/K) 인한 내열피로 특성이 취약해 신뢰성 저하와 짧은 수명 등의 문제점을 가지고 있다. Aluminum nitride (AlN) has been widely studied and commercialized as a high power ceramic heat sink plate material due to its high thermal conductivity (100 ~ 270 W / mK). However, due to the difference in thermal expansion coefficient between Si and low strength (250 ~ 450 MPa) 4.5 to 4.6 × 10 -6 / K, and Si: 2.6 × 10 -6 / K), resulting in poor reliability and short life span.

한편, 질화규소(Si3N4)는 고강도(500~800 MPa), 고인성(5~8 MPa·m1/2), Si와의 열팽창계수 정합성(2.7~3.4×10-6/K)이 우수하고 질화알루미늄(AlN)에 필적할만한 높은 열전도도(70~170 W/mK)를 발현 가능한 소재로, 질화알루미늄(AlN) 대비 우수한 내열피로 특성을 나타내 차세대 고출력 파워디바이스용 소재로 적합하다.On the other hand, silicon nitride (Si 3 N 4 ) has high strength (500 to 800 MPa), high toughness (5 to 8 MPa · m 1/2 ) and excellent thermal expansion coefficient matching with Si (2.7 to 3.4 × 10 -6 / K) (70 to 170 W / mK) comparable to aluminum nitride (AlN), and exhibits excellent heat-resistant fatigue properties compared to aluminum nitride (AlN), making it suitable as a material for next-generation high-output power devices.

하지만, 질화규소(Si3N4)는 원료분말의 높은 비용으로 가격경쟁력이 낮아 아직까지 방열기판으로 상용화되지 않고 있다. However, silicon nitride (Si 3 N 4 ) is not yet commercially available as a radiator plate due to its low price competitiveness due to high cost of raw material powder.

대한민국 공개특허공보 제10-1988-0000329호Korean Patent Publication No. 10-1988-0000329

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 테이프캐스팅을 이용하여 저비용으로 얇은 두께의 시트 형태로 제조할 수 있고, 산화 분위기에서 탈지 처리하고 N2 분위기에서 질화 처리함으로써 잔류 산소와 탄소의 양을 최소화할 수 있고, 이에 따라 질화규소 소결체의 기계적 특성, 특히 파괴인성 및 고온특성을 개선할 수 있고, 열전도도 특성도 개선할 수 있으며, 반응소결을 통해 고품위의 질화규소(Si3N4) 소결체를 얻을 수 있고, 반응소결에 의해 질화 반응 후에도 수축률이 작아 정교한 형상 제조가 가능한 시트형 질화규소 기판의 제조방법을 제공함에 있다. A problem to be solved by the present invention is to reduce the amount of residual oxygen and carbon by minimizing the amount of residual oxygen and nitriding in an N 2 atmosphere by degreasing treatment in an oxidizing atmosphere, (Si 3 N 4 ) sintered body can be obtained through the reaction sintering, and the sintered body of silicon nitride (Si 3 N 4 ) can be obtained through the reaction sintering, and the sintered body of silicon nitride The present invention provides a method of manufacturing a sheet-like silicon nitride substrate which is capable of producing a sophisticated shape because the shrinkage rate is small even after the nitriding reaction by sintering.

본 발명은, Si 분말, Y2O3 분말 및 MgO 분말을 포함하는 세라믹스 원료를 준비하는 단계와, 상기 세라믹스 원료, 용매, 유기바인더, 분산제 및 가소제를 혼합하여 슬러리를 형성하는 단계와, 상기 슬러리를 사용하여 테이프캐스팅법으로 성형하여 시트 형태의 성형체를 형성하는 단계와, 상기 성형체를 복수 개의 층으로 적층하고 압착하여 적층시트를 형성하는 단계와, 잔류 산소와 탄소의 양을 최소화하기 위하여 산화 분위기에서 상기 적층시트를 탈지 처리하는 단계와, 탈지 처리된 적층시트를 질화 처리하는 단계 및 질화 처리된 적층시트를 소결하는 단계를 포함하는 시트형 질화규소 기판의 제조방법을 제공한다. The present invention provides a method for producing a ceramic slurry, comprising the steps of: preparing a ceramic raw material containing Si powder, Y 2 O 3 powder and MgO powder; mixing the ceramic raw material, solvent, organic binder, dispersant and plasticizer to form a slurry; A step of forming a molded article in the form of a sheet by using a tape casting method, a step of laminating the formed article to a plurality of layers and pressing to form a laminated sheet, A step of degreasing the laminated sheet, a step of nitriding the degreased laminated sheet, and a step of sintering the nitrided laminated sheet.

상기 Y2O3 분말은 상기 세라믹스 원료에 상기 Si 분말 100중량부에 대하여 0.1∼10중량부 함유되는 것이 바람직하다. The Y 2 O 3 powder is preferably contained in the ceramic raw material in an amount of 0.1 to 10 parts by weight based on 100 parts by weight of the Si powder.

상기 MgO 분말은 상기 세라믹스 원료에 상기 Si 분말 100중량부에 대하여 0.1∼7중량부 함유되는 것이 바람직하다.It is preferable that the MgO powder is contained in the ceramic raw material in an amount of 0.1 to 7 parts by weight based on 100 parts by weight of the Si powder.

상기 유기바인더는 상기 세라믹스 원료 100중량부에 대하여 5.5∼9.5중량부 혼합하는 것이 바람직하다. The organic binder is preferably mixed with 5.5 to 9.5 parts by weight based on 100 parts by weight of the ceramic raw material.

상기 유기바인더는 폴리비닐부티랄(Polyvinylbutyral)을 포함할 수 있다.The organic binder may comprise polyvinylbutyral.

상기 분산제는 상기 세라믹스 원료 100중량부에 대하여 0.01∼2중량부 혼합하는 것이 바람직하다.The dispersant is preferably mixed in an amount of 0.01 to 2 parts by weight based on 100 parts by weight of the ceramic raw material.

상기 분산제는 공중합체(Copolymer) 계열의 분산제를 포함할 수 있다.The dispersing agent may include a copolymer dispersing agent.

상기 가소제는 상기 세라믹스 원료 100중량부에 대하여 0.1∼5중량부 혼합하는 것이 바람직하다.The plasticizer is preferably mixed in an amount of 0.1 to 5 parts by weight based on 100 parts by weight of the ceramic raw material.

상기 가소제는 디옥틸프탈레이트(Deoctyl phthalate)를 포함할 수 있다.The plasticizer may include dioctyl phthalate.

상기 탈지 처리는 잔류 산소와 탄소의 양을 최소화하기 위하여 300∼500℃에서 수행하는 것이 바람직하다. The degreasing treatment is preferably performed at 300 to 500 ° C to minimize the amount of residual oxygen and carbon.

상기 질화 처리는 1350∼1500℃에서 N2 분위기에서 수행하는 것이 바람직하다. The nitridation treatment is preferably performed in an N 2 atmosphere at 1350 to 1500 ° C.

상기 소결은 질화 처리된 결과물이 Si와 N2로 분해되는 것을 억제하기 위하여 상압보다 높은 압력에서 N2 분위기에서 수행하는 반응소결을 포함할 수 있다.The sintering may include a reaction sintering performed in an N 2 atmosphere at a pressure higher than normal pressure to suppress decomposition of the nitrided product into Si and N 2 .

상기 소결은 1800∼1950℃의 온도에서 수행하는 것이 바람직하다.The sintering is preferably performed at a temperature of 1800 to 1950 캜.

상기 Si 분말은 Si의 스크랩(scrap)을 사용하거나 Si 웨이퍼가 파쇄된 분말을 사용할 수 있다. The Si powder may be a scrap of Si or a powder in which a Si wafer is pulverized.

상기 Si 분말은 0.5∼20㎛의 평균 입경을 갖는 분말을 사용하는 것이 바람직하다. The Si powder preferably has a mean particle size of 0.5 to 20 mu m.

상기 시트 형태의 성형체는 10∼200㎛의 두께로 형성하고, 상기 적층시트는 0.5∼20㎜의 두께로 형성하는 것이 바람직하다.It is preferable that the molded article in the form of a sheet is formed to a thickness of 10 to 200 mu m and the laminated sheet is formed to a thickness of 0.5 to 20 mm.

상기 시트형 질화규소 기판의 제조방법은, 상기 적층시트를 탈지 처리하기 전에 원하는 크기로 절단하는 단계를 더 포함할 수 있다.The manufacturing method of the sheet-like silicon nitride substrate may further include a step of cutting the laminated sheet to a desired size before degreasing treatment.

본 발명에 의하면, 테이프캐스팅을 이용하여 저비용으로 얇은 두께의 시트 형태로 제조할 수 있다. According to the present invention, it is possible to produce a sheet having a thin thickness at low cost by using tape casting.

또한, 본 발명에 의하면, 산화 분위기에서 탈지 처리하고 N2 분위기에서 질화 처리함으로써 잔류 산소와 탄소의 양을 최소화할 수 있고, 이에 따라 질화규소 소결체의 기계적 특성, 특히 파괴인성 및 고온특성을 개선할 수 있고, 열전도도 특성도 개선할 수 있다. Further, according to the present invention, the amount of residual oxygen and carbon can be minimized by performing degreasing treatment in an oxidizing atmosphere and nitriding treatment in an N 2 atmosphere, thereby improving mechanical properties, particularly fracture toughness and high temperature characteristics, of the silicon nitride sintered body And the thermal conductivity characteristics can be improved.

또한, 본 발명에 의하면, 반응소결을 통해 고품위의 질화규소(Si3N4) 소결체를 얻을 수 있고, 반응소결에 의해 질화 반응 후에도 수축률이 작아 정교한 형상 제조가 가능하다. Further, according to the present invention, high-quality silicon nitride (Si 3 N 4 ) sintered body can be obtained through reaction sintering, and a shrinkage rate is small even after the nitridation reaction by reaction sintering, so that a precise shape can be produced.

또한, 본 발명에 의하면, 제조공정 부산물로 버려지는 Si의 스크랩(scrap)을 사용하거나 Si 웨이퍼가 파쇄된 분말을 사용함으로써 자원 재활용이 가능하고, 저비용으로 고순도의 시트형 질화규소 기판의 제조가 가능하며, 이에 따라 가격경쟁력을 확보할 수가 있다. Further, according to the present invention, it is possible to manufacture a sheet-type silicon nitride substrate of high purity which can be recycled and used at a low cost by using a scrap of Si discarded as a by-product of the manufacturing process or using a powder obtained by shattering a Si wafer, As a result, price competitiveness can be secured.

도 1에 실험예에 따른 공정도를 나타낸 도면이다.
도 2에 실험예 1에서 세라믹스 원료 대비 PVB(polyvinylbutyral) 첨가량에 따른 슬러리의 점성거동을 나타낸 그래프이다.
도 3은 실험예 1에서 세라믹스 원료 대비 PVB 첨가량에 따른 적층시트의 밀도를 나타낸 그래프이다.
도 4a는 실험예 1에서 세라믹스 원료 대비 PVB 첨가량을 5.5%로 하여 적층시트를 제조한 경우에 적층시트 표면의 광학현미경 사진이고, 도 4b는 세라믹스 원료 대비 PVB 첨가량을 7.5%로 하여 적층시트를 제조한 경우에 적층시트 표면의 광학현미경 사진이며, 도 4c는 세라믹스 원료 대비 PVB 첨가량을 9.5%로 하여 적층시트를 제조한 경우에 그린시트 표면의 광학현미경 사진이다.
도 5는 실험예 1에서 세라믹스 원료 대비 PVB 첨가량을 7.5%로 하여 제조된 적층시트를 열중량 분석하여 나타낸 도면이다.
도 6은 실험예 2에 따라 Y2O3 분말과 MgO 분말을 혼합하지 않고 적층시트를 제조한 경우로서 상기 적층시트를 각각 산화 분위기, 비활성 분위기에서 탈지 처리하고 잔류 산소량을 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 7은 실험예 2에 따라 Y2O3 분말과 MgO 분말을 혼합하지 않고 적층시트를 제조한 경우로서 상기 적층시트를 각각 산화 분위기, 비활성 분위기에서 탈지 처리하고 탄소량을 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 8은 실험예 3에 따라 400℃의 산화 분위기, 비활성 분위기에서 탈지하고, 1400℃, 1450℃의 온도에서 각각 질화 처리하여 시편 내 존재하는 잔류 산소량을 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 9는 실험예 3에 따라 400℃의 산화 분위기, 비활성 분위기에서 탈지하고, 1400℃, 1450℃의 온도에서 각각 질화 처리하여 시편 내 존재하는 탄소량을 측정하여 나타낸 그래프이다.
1 is a view showing a process according to an experimental example.
FIG. 2 is a graph showing the viscous behavior of the slurry according to the amount of PVB (polyvinylbutyral) added to the raw material of ceramics in Experimental Example 1. FIG.
3 is a graph showing the density of the laminated sheet according to the amount of PVB added to the raw material of ceramics in Experimental Example 1. FIG.
FIG. 4A is an optical microscope photograph of the surface of the laminated sheet when the laminated sheet is prepared by adjusting the addition amount of PVB relative to the raw material of the ceramics in Experimental Example 1 to 5.5%, FIG. 4B is a photograph showing the laminated sheet prepared by adjusting the amount of PVB added to the ceramic raw material to 7.5% And FIG. 4C is an optical microscope photograph of the surface of the green sheet when the laminated sheet is prepared with the amount of PVB added to the ceramic raw material being 9.5%.
5 is a graph showing a thermogravimetric analysis of a laminated sheet prepared by adjusting the amount of PVB added to the ceramic raw material to 7.5% in Experimental Example 1. FIG.
Fig. 6 is a graph showing a case where a laminated sheet is produced without mixing Y 2 O 3 powder and MgO powder according to Experimental Example 2, and the above laminated sheet is degreased in an oxidizing atmosphere and an inert atmosphere, respectively, and the residual oxygen amount is measured.
Fig. 7 is a graph showing a case where a laminated sheet was produced without mixing Y 2 O 3 powder and MgO powder according to Experimental Example 2, and the laminated sheet was degreased in an oxidizing atmosphere and an inert atmosphere, respectively, and the amount of carbon was measured.
8 is a graph showing the amount of residual oxygen present in a specimen by degreasing in an oxidizing atmosphere and an inert atmosphere at 400 DEG C according to Experimental Example 3 and nitriding treatment at temperatures of 1400 DEG C and 1450 DEG C, respectively.
9 is a graph showing the amount of carbon present in a specimen by degreasing in an oxidizing atmosphere and an inert atmosphere at 400 ° C according to Experimental Example 3 and nitriding at 1400 ° C and 1450 ° C, respectively.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, it should be understood that the following embodiments are provided so that those skilled in the art will be able to fully understand the present invention, and that various modifications may be made without departing from the scope of the present invention. It is not.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 시트형 질화규소(Si3N4) 기판의 제조방법은, Si 분말, Y2O3 분말 및 MgO 분말을 포함하는 세라믹스 원료를 준비하는 단계와, 상기 세라믹스 원료, 용매, 유기바인더, 분산제 및 가소제를 혼합하여 슬러리를 형성하는 단계와, 상기 슬러리를 사용하여 테이프캐스팅법으로 성형하여 시트 형태의 성형체를 형성하는 단계와, 상기 성형체를 복수 개의 층으로 적층하고 압착하여 적층시트를 형성하는 단계와, 잔류 산소와 탄소의 양을 최소화하기 위하여 산화 분위기에서 상기 적층시트를 탈지 처리하는 단계와, 탈지 처리된 적층시트를 질화 처리하는 단계 및 질화 처리된 적층시트를 소결하는 단계를 포함한다. A method of manufacturing a sheet-like silicon nitride (Si 3 N 4 ) substrate according to a preferred embodiment of the present invention includes the steps of preparing a raw material for ceramics including Si powder, Y 2 O 3 powder and MgO powder, A step of forming a slurry by mixing an organic binder, a dispersant and a plasticizer; and a step of forming a molded article in the form of a sheet by molding by means of a tape casting method using the slurry, a step of laminating the molded article into a plurality of layers, Degreasing the laminated sheet in an oxidizing atmosphere to minimize the amount of residual oxygen and carbon, nitriding the degreased laminated sheet, and sintering the nitrided laminated sheet. .

상기 Y2O3 분말은 상기 세라믹스 원료에 상기 Si 분말 100중량부에 대하여 0.1∼10중량부 함유되는 것이 바람직하다. The Y 2 O 3 powder is preferably contained in the ceramic raw material in an amount of 0.1 to 10 parts by weight based on 100 parts by weight of the Si powder.

상기 MgO 분말은 상기 세라믹스 원료에 상기 Si 분말 100중량부에 대하여 0.1∼7중량부 함유되는 것이 바람직하다.It is preferable that the MgO powder is contained in the ceramic raw material in an amount of 0.1 to 7 parts by weight based on 100 parts by weight of the Si powder.

상기 유기바인더는 상기 세라믹스 원료 100중량부에 대하여 5.5∼9.5중량부 혼합하는 것이 바람직하다. The organic binder is preferably mixed with 5.5 to 9.5 parts by weight based on 100 parts by weight of the ceramic raw material.

상기 유기바인더는 폴리비닐부티랄(Polyvinylbutyral)을 포함할 수 있다.The organic binder may comprise polyvinylbutyral.

상기 분산제는 상기 세라믹스 원료 100중량부에 대하여 0.01∼2중량부 혼합하는 것이 바람직하다.The dispersant is preferably mixed in an amount of 0.01 to 2 parts by weight based on 100 parts by weight of the ceramic raw material.

상기 분산제는 공중합체(Copolymer) 계열의 분산제를 포함할 수 있다.The dispersing agent may include a copolymer dispersing agent.

상기 가소제는 상기 세라믹스 원료 100중량부에 대하여 0.1∼5중량부 혼합하는 것이 바람직하다.The plasticizer is preferably mixed in an amount of 0.1 to 5 parts by weight based on 100 parts by weight of the ceramic raw material.

상기 가소제는 디옥틸프탈레이트(Deoctyl phthalate)를 포함할 수 있다.The plasticizer may include dioctyl phthalate.

상기 탈지 처리는 잔류 산소와 탄소의 양을 최소화하기 위하여 300∼500℃에서 수행하는 것이 바람직하다. The degreasing treatment is preferably performed at 300 to 500 ° C to minimize the amount of residual oxygen and carbon.

상기 질화 처리는 1350∼1500℃에서 N2 분위기에서 수행하는 것이 바람직하다. The nitridation treatment is preferably performed in an N 2 atmosphere at 1350 to 1500 ° C.

상기 소결은 질화 처리된 결과물이 Si와 N2로 분해되는 것을 억제하기 위하여 상압보다 높은 압력에서 N2 분위기에서 수행하는 반응소결을 포함할 수 있다.The sintering may include a reaction sintering performed in an N 2 atmosphere at a pressure higher than normal pressure to suppress decomposition of the nitrided product into Si and N 2 .

상기 소결은 1800∼1950℃의 온도에서 수행하는 것이 바람직하다.The sintering is preferably performed at a temperature of 1800 to 1950 캜.

상기 Si 분말은 Si의 스크랩(scrap)을 사용하거나 Si 웨이퍼가 파쇄된 분말을 사용할 수 있다. The Si powder may be a scrap of Si or a powder in which a Si wafer is pulverized.

상기 Si 분말은 0.5∼20㎛의 평균 입경을 갖는 분말을 사용하는 것이 바람직하다. The Si powder preferably has a mean particle size of 0.5 to 20 mu m.

상기 시트 형태의 성형체는 10∼200㎛의 두께로 형성하고, 상기 적층시트는 0.5∼20㎜의 두께로 형성하는 것이 바람직하다.It is preferable that the molded article in the form of a sheet is formed to a thickness of 10 to 200 mu m and the laminated sheet is formed to a thickness of 0.5 to 20 mm.

상기 시트형 질화규소 기판의 제조방법은, 상기 적층시트를 탈지 처리하기 전에 원하는 크기로 절단하는 단계를 더 포함할 수 있다.The manufacturing method of the sheet-like silicon nitride substrate may further include a step of cutting the laminated sheet to a desired size before degreasing treatment.

이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 시트형 질화규소 기판의 제조방법을 더욱 구체적으로 설명한다. Hereinafter, a method for manufacturing a sheet-like silicon nitride substrate according to a preferred embodiment of the present invention will be described in more detail.

질화규소(Si3N4)는 고강도(500~800 MPa), 고인성(5~8 MPa·m1/2), Si와의 열팽창계수 정합성(2.7~3.4×10-6/K)이 우수하고 질화알루미늄(AlN)에 필적할만한 높은 열전도도(70~170 W/mK)를 발현 가능한 소재로, 질화알루미늄(AlN) 대비 우수한 내열피로 특성을 나타내 차세대 고출력 파워디바이스용 소재로 적합하다.Silicon Nitride (Si 3 N 4 ) is excellent in high strength (500 to 800 MPa), toughness (5 to 8 MPa · m 1/2 ) and thermal expansion coefficient matching with Si (2.7 to 3.4 × 10 -6 / K) It is capable of exhibiting a high thermal conductivity (70 ~ 170 W / mK) comparable to aluminum (AlN). It exhibits excellent heat-resistant fatigue characteristics compared to aluminum nitride (AlN) and is suitable for materials for next generation high-output power devices.

하지만, 질화규소(Si3N4)는 원료분말의 높은 비용으로 가격경쟁력이 낮아 아직까지 방열기판으로 상용화되지 않고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 반도체 공정용 치구나 웨이퍼를 제조할 때, 제조공정 부산물로 얻어지는 고순도 Si 분말로서 Si의 스크랩(scrap)을 사용하거나 Si 웨이퍼가 파쇄된 분말을 출발원료로 사용할 수 있다. However, silicon nitride (Si 3 N 4 ) is not yet commercially available as a radiator plate due to its low price competitiveness due to high cost of raw material powder. In order to solve such a problem, a scrap of Si may be used as a high-purity Si powder obtained as a by-product of the manufacturing process, or a powder obtained by shattering a Si wafer may be used as a starting material when manufacturing the teeth or wafers for semiconductor processing.

고순도의 시트형 질화규소 기판을 제조하기 위하여 Si 분말, Y2O3 분말 및 MgO 분말을 포함하는 세라믹스 원료를 준비한다. A raw material for ceramics including Si powder, Y 2 O 3 powder and MgO powder is prepared for producing a high purity sheet-like silicon nitride substrate.

상기 Si 분말은 Si의 스크랩(scrap)을 사용하거나 Si 웨이퍼가 파쇄된 분말을 사용할 수 있다. 제조공정 부산물로 버려지는 Si의 스크랩(scrap)을 사용하거나 Si 웨이퍼가 파쇄된 분말을 사용함으로써 자원 재활용이 가능하고, 저비용으로 고순도의 시트형 질화규소 기판의 제조가 가능하며, 가격경쟁력을 확보할 수가 있다. 상기 Si 분말은 0.5∼20㎛의 평균 입경을 갖는 분말을 사용하는 것이 바람직하다. The Si powder may be a scrap of Si or a powder in which a Si wafer is pulverized. It is possible to recycle the resource by using scrap of Si discarded as a by-product of the manufacturing process or by using the crushed powder of the Si wafer, and it is possible to manufacture a sheet silicon nitride substrate of high purity at a low cost and to secure price competitiveness . The Si powder preferably has a mean particle size of 0.5 to 20 mu m.

상기 Y2O3 분말은 상기 세라믹스 원료에 상기 Si 분말 100중량부에 대하여 0.1∼10중량부 함유되는 것이 바람직하다. 상기 Y2O3 분말은 0.5∼20㎛의 평균 입경을 갖는 분말을 사용하는 것이 바람직하다. The Y 2 O 3 powder is preferably contained in the ceramic raw material in an amount of 0.1 to 10 parts by weight based on 100 parts by weight of the Si powder. The Y 2 O 3 powder is preferably a powder having an average particle diameter of 0.5 to 20 μm.

상기 MgO 분말은 상기 세라믹스 원료에 상기 Si 분말 100중량부에 대하여 0.1∼7중량부 함유되는 것이 바람직하다. 상기 MgO 분말은 0.5∼20㎛의 평균 입경을 갖는 분말을 사용하는 것이 바람직하다. It is preferable that the MgO powder is contained in the ceramic raw material in an amount of 0.1 to 7 parts by weight based on 100 parts by weight of the Si powder. The MgO powder is preferably a powder having an average particle diameter of 0.5 to 20 mu m.

상기 세라믹스 원료, 용매, 유기바인더, 분산제 및 가소제를 혼합하여 슬러리를 형성한다. The ceramic raw material, the solvent, the organic binder, the dispersant, and the plasticizer are mixed to form a slurry.

상기 유기바인더는 상기 세라믹스 원료 100중량부에 대하여 5.5∼9.5중량부 혼합하는 것이 바람직하다. 상기 유기바인더로는 에틸셀룰로오스(ethyl cellulose), 메틸셀룰로오스, 니트로셀룰로오스, 카르복시셀룰로오스와 같은 셀룰로오스 유도체를 사용할 수 있으며, 또한 폴리비닐알콜, 아크릴산에스테르, 메타크릴산에스테르, 폴리비닐부티랄과 같은 수지도 사용 가능하고, 셀룰로오스 유도체와 상기 수지의 혼합물을 사용할 수도 있으며, 유기 바인더로서 그 외에도 일반적으로 잘 알려진 물질을 사용할 수 있다. 후술하는 바와 같이 테이프캐스팅법(Tape casting method)으로 시트 형태의 성형체를 형성하는 것을 고려할 때, 상기 유기바인더로 폴리비닐부티랄(Polyvinylbutyral)을 사용하는 것이 가장 바람직하다. The organic binder is preferably mixed with 5.5 to 9.5 parts by weight based on 100 parts by weight of the ceramic raw material. Examples of the organic binder include cellulose derivatives such as ethyl cellulose, methyl cellulose, nitrocellulose, and carboxy cellulose, and resins such as polyvinyl alcohol, acrylic ester, methacrylic ester, and polyvinyl butyral And a mixture of the cellulose derivative and the resin may be used. As the organic binder, other generally known materials may be used. It is most preferable to use polyvinylbutyral as the organic binder in consideration of forming a sheet-shaped molded article by a tape casting method as described later.

상기 용매로는 유기바인더를 용해시키고 상기 세라믹스 원료를 분산시켜 점도를 조절하기 위하여 유기용매를 사용할 수 있으며, 상기 유기용매로서 유기 바인더를 녹일 수 있는 물질이 사용 가능한데, 예컨대, 터피놀(Terpineol), 디하이드로 터피놀(Dihydro terpineol; DHT), 디하이드로 터피놀 아세테이트(Dihydro terpineol acetate; DHTA), 부틸카비톨아세테이트(Butyl Carbitol Acetate; BCA), 에틸렌글리콜, 에틸렌, 이소부틸알콜, 메틸에틸케톤, 부틸카비톨, 텍사놀(texanol)(2,2,4-트리메틸-1,3-펜탄디올모노이소부티레이트), 에틸벤젠, 이소프로필벤젠, 시클로헥사논, 시클로펜타논, 디메틸설폭사이드, 디에틸프탈레이트, 톨루엔, 이들의 혼합물 등이 그 예이다. 상기 용매는 상기 세라믹스 원료 100중량부에 대하여 60∼100중량부 혼합하는 것이 바람직하다. 상기 용매의 함량이 60중량부 미만이면 슬러리의 점도가 높아 테이프캐스팅을 수행하는데 어려움이 있고 코팅 두께를 조절하는데도 어려움이 있을 수 있으며, 상기 용매의 함량이 100중량부를 초과하면 슬러리의 점도가 너무 묽게 되어 건조하는데 시간이 오래 걸리고 코팅 두께를 조절하는데도 어려움이 있을 수 있다. As the solvent, an organic solvent may be used to dissolve the organic binder and disperse the ceramic raw material to adjust the viscosity. As the organic solvent, a material capable of dissolving the organic binder may be used. For example, terpineol, Dihydro terpineol (DHT), dihydro terpineol acetate (DHTA), butyl carbitol acetate (BCA), ethylene glycol, ethylene, isobutyl alcohol, methyl ethyl ketone, butyl Carbitol, texanol (2,2,4-trimethyl-1,3-pentanediol monoisobutyrate), ethylbenzene, isopropylbenzene, cyclohexanone, cyclopentanone, dimethylsulfoxide, diethyl phthalate , Toluene, mixtures thereof, and the like. It is preferable that the solvent is mixed in an amount of 60 to 100 parts by weight based on 100 parts by weight of the ceramic raw material. If the content of the solvent is less than 60 parts by weight, the viscosity of the slurry may be too high to perform tape casting and it may be difficult to control the thickness of the coating. If the content of the solvent exceeds 100 parts by weight, It takes a long time to dry and it may be difficult to control the coating thickness.

상기 분산제는 상기 세라믹스 원료 100중량부에 대하여 0.01∼2중량부 혼합하는 것이 바람직하다. 상기 분산제는 공중합체(Copolymer) 계열의 분산제를 포함할 수 있다.The dispersant is preferably mixed in an amount of 0.01 to 2 parts by weight based on 100 parts by weight of the ceramic raw material. The dispersing agent may include a copolymer dispersing agent.

상기 가소제는 상기 세라믹스 원료 100중량부에 대하여 0.1∼5중량부 혼합하는 것이 바람직하다. 상기 가소제는 디옥틸프탈레이트(Deoctyl phthalate)를 포함할 수 있다. The plasticizer is preferably mixed in an amount of 0.1 to 5 parts by weight based on 100 parts by weight of the ceramic raw material. The plasticizer may include dioctyl phthalate.

상기 혼합은 3D 믹서(3D Mixer), 볼 밀링(Ball Milling), 밀링 미디어(Milling Media), 제트 밀(Jet mill) 등과 같은 다양한 방법을 사용할 수 있다. 이하 볼 밀링법에 의한 혼합 공정을 예로 들어 구체적으로 설명한다. 세라믹스 원료, 용매, 유기바인더, 분산제 및 가소제를 포함하는 원료가 담긴 볼밀링기(ball milling machine)를 이용하여 일정 속도로 회전시켜 기계적으로 분쇄하면서 균일하게 혼합한다. 볼 밀링에 사용되는 볼은 지르코니아와 같은 세라믹으로 이루어진 볼을 사용할 수 있으며, 볼은 모두 같은 크기의 것일 수도 있고 2가지 이상의 크기를 갖는 볼을 함께 사용할 수도 있다. 볼의 크기, 밀링 시간, 볼 밀링기의 분당 회전속도 등을 조절하여 목표하는 입자의 크기로 분쇄하면서 혼합한다. 예를 들면, 입자의 크기를 고려하여 볼의 크기는 1∼50㎜ 정도의 범위로 설정하고, 볼 밀링기의 회전속도는 100∼500rpm 정도의 범위로 설정할 수 있다. 볼 밀링은 목표하는 입자의 크기 등을 고려하여 1∼48시간 동안 실시한다. 볼 밀링에 의해 세라믹스 원료는 미세한 크기의 입자로 분쇄되면서 균일하게 혼합되게 된다. Various mixing methods such as a 3D mixer, ball milling, milling media, and a jet mill may be used. Hereinafter, the mixing process by the ball milling method will be specifically described as an example. The mixture is uniformly mixed while being mechanically pulverized by rotating at a constant speed using a ball milling machine containing raw materials including raw materials for ceramics, a solvent, an organic binder, a dispersant and a plasticizer. The ball used for ball milling may be a ball made of a ceramic such as zirconia. The balls may be all the same size or may be used together with balls having two or more sizes. The size of the balls, the milling time, and the rotation speed per minute of the ball miller are controlled so as to be mixed with the desired particle size while pulverizing. For example, the size of the balls may be set in the range of about 1 to 50 mm in consideration of the size of the particles, and the rotational speed of the ball miller may be set in the range of about 100 to 500 rpm. The ball milling is carried out for 1 to 48 hours in consideration of the target particle size and the like. By ball milling, the ceramic raw material is homogeneously mixed while being crushed into fine sized particles.

상기 슬러리를 사용하여 테이프캐스팅법으로 성형하여 시트 형태의 성형체(그린시트(green sheet))를 형성한다. 테이프캐스팅법(tape casting method)은 미세한 세라믹스 분말을 수계 또는 비수계 용매와 바인더, 가소제, 분산제 등을 적정비로 혼합하여 세라믹스 슬러리를 제조한 후, 일정한 댐 높이로 셋팅된 닥터블레이드에 슬러리를 붓고, 움직이는 기판 필름에 상기 슬러리가 도포되게 하면서 기판 필름에 도포되는 슬러리의 두께를 블레이드에 제어한 다음, 용매를 휘발시키고 상기 기판 필름에서 떼어내어 테이프형 성형체를 얻는 방법이다. 상기 기판 필름은 스테인레스 스틸 테이프, 기름 종이 테이프, 폴리에스테르와 같은 고분자 테이프 등이 사용될 수 있다. 예컨대, 300㎛의 댐 높이로 셋팅된 닥터블레이드에 슬러리를 붓고, 소정 속도(예컨대, 2.0 m/min)로 기판 필름을 이동시키면서 슬러리가 도포되게 하면서 블레이드로 필름 기판에 도포되는 슬러리의 두께를 제어하고, 건조 공정과 기판 필름을 떼어내는 공정을 통해 시트 형태의 성형체를 얻을 수 있다. 성형체를 제조하기 위한 방법 중에서 테이프캐스팅 공정은 얇은 두께의 시트 형태로 제조하기 위한 저비용 공정이다. 상기 시트 형태의 성형체는 Si 분말 등의 입자 크기, 후술하는 적층시트의 두께 등을 고려하여 10∼200㎛의 두께로 형성하는 것이 바람직하다. The above slurry is used to form a molded body (green sheet) in the form of a sheet by a tape casting method. The tape casting method is a method in which a ceramic slurry is prepared by mixing an aqueous or non-aqueous solvent with a binder, a plasticizer, a dispersant, and the like in an appropriate ratio, and then the slurry is poured into a doctor blade set at a predetermined dam height, The slurry is applied to a moving substrate film while controlling the thickness of the slurry to be applied to the substrate film on the blade, and then the solvent is volatilized and removed from the substrate film to obtain a tape-shaped molded article. The substrate film may be a stainless steel tape, oil paper tape, polymer tape such as polyester, or the like. For example, the slurry is poured into a doctor blade set at a dam height of 300 mu m and the slurry is applied while moving the substrate film at a predetermined speed (for example, 2.0 m / min) while controlling the thickness of the slurry applied to the film substrate with the blade And a step of removing the substrate film from the drying step. Among the methods for producing a molded article, the tape casting process is a low-cost process for manufacturing into a thin sheet form. The sheet-shaped formed article is preferably formed to a thickness of 10 to 200 mu m in consideration of the particle size of Si powder or the like, the thickness of a laminated sheet to be described later, and the like.

상기 성형체를 복수 개의 층으로 적층하고 압착하여 적층시트를 형성한다. 상기 적층시트는 0.5∼20㎜의 두께로 형성하는 것이 바람직하다. 예컨대, 적층기(Stacking Machine)의 테이블 온도를 40℃로 하고, 시트 형태의 성형체를 여러 장 겹친 후, 10초 동안 12 ton의 압력을 주고, 더욱 밀착시켜 성형밀도를 높이기 위해 WIP(Warm Isostatic Press) 장비로 70℃, 20MPa의 조건에서 10분간 압착하여 적층시트를 제조할 수 있다. 후술하는 탈지 처리하기 전에 상기 적층시트를 원하는 크기로 절단할 수도 있다. The formed body is laminated by a plurality of layers and pressed to form a laminated sheet. The laminated sheet is preferably formed to a thickness of 0.5 to 20 mm. For example, the table temperature of the stacking machine is set at 40 占 폚, and a plurality of sheet-shaped molded articles are stacked. Then, a pressure of 12 tons is applied for 10 seconds, and WIP (Warm Isostatic Press ) Equipment at 70 DEG C and 20 MPa for 10 minutes to produce a laminated sheet. The laminated sheet may be cut to a desired size before the degreasing treatment described later.

잔류 산소와 탄소의 양을 최소화하기 위하여 산화 분위기에서 상기 적층시트를 탈지 처리한다. 상기 탈지 처리는 잔류 산소와 탄소의 양을 최소화하기 위하여 300∼500℃에서 수행하는 것이 바람직하다. 테이프캐스팅법을 통해 높은 밀도의 질화규소 소결체를 얻기 위해서는 유기바인더, 분산제 및 가소제와 같은 유기물을 첨가하여, 균일하고 고충진된 적층시트를 제조하는데, 이 적층시트에 포함된 유기물은 고밀도 질화규소 소결체를 얻기 위해서 탈지 공정을 통해 완전히 제거되는 것이 바람직하다. The laminated sheet is degreased in an oxidizing atmosphere to minimize the amount of residual oxygen and carbon. The degreasing treatment is preferably performed at 300 to 500 ° C to minimize the amount of residual oxygen and carbon. In order to obtain a silicon nitride sintered body of high density through the tape casting method, an organic material such as an organic binder, a dispersing agent and a plasticizer is added to prepare a uniform and highly laminated laminated sheet. The organic material contained in this laminated sheet is obtained by obtaining a high- It is preferable to be completely removed through the degreasing process.

탈지 처리된 적층시트를 질화 처리한다. 세라믹스 원료로 사용되는 Si 분말 표면에는 일반적으로 SiO2가 존재하며, 이밖에도 슬러리 제조, 테이프캐스팅, 탈지 공정 등에서 산소가 유입될 수 있다. 이처럼 Si 분말 표면에 SiO2 피막이 형성되어 있으면 질화반응이 지연되어 잔류 Si가 남게 되며, 질화규소 소결체 내에 존재하는 잔류 Si는 질화규소 소결체의 기계적 특성, 특히 파괴인성 및 고온특성에 영향을 주기 때문에 가능한 SiO2를 낮게 제어하여 질화율을 높여주어야만 한다. 또한, 탈지 공정이 잘 이루어지지 않아 소결 후 산소가 질화규소(Si3N4) 결정 내에 다량 고용될 경우에도 질화규소(Si3N4) 기판의 열전도도를 저하시킬 수 있다. 이러한 점들을 고려하여 상기 질화 처리는 1350∼1500℃에서 N2 분위기에서 수행하는 것이 바람직하다. The degreased laminated sheet is nitrided. The surface of the Si powder used as a raw material for ceramics generally contains SiO 2. In addition, oxygen may be introduced into slurry production, tape casting, degreasing, and the like. Thus, If the SiO 2 film is formed on Si powder surface with a delay the nitrification reaction and leaving the residual Si, residual Si present in the silicon nitride sintered body as possible because they affect the mechanical properties, especially fracture toughness and high temperature properties of silicon nitride sintered SiO 2 The nitrification rate must be increased. Further, the degreasing step may well not be made after the sintering of oxygen may degrade the thermal conductivity of a large amount even when employing silicon nitride (Si 3 N 4) in a substrate of silicon nitride (Si 3 N 4) crystal. In consideration of these points, the nitridation process is preferably performed in an N 2 atmosphere at 1350 to 1500 ° C.

질화 처리된 적층시트를 소결한다. 상기 소결은 반응소결을 포함하는 것이 바람직하다. 상기 소결은 질화 처리된 결과물이 Si와 N2로 분해되는 것을 억제하기 위하여 상압보다 높은 압력(예컨대, 2∼100 기압)에서 N2 분위기에서 수행하는 반응소결을 포함하는 것이 바람직하다. 반응소결을 통해 고품위의 질화규소(Si3N4) 소결체를 얻을 수 있는데, 반응소결법이란 Si를 질소 가스와 반응시켜 질화규소(Si3N4)를 얻는 방법이며, 반응소결할 경우 질화 반응 후에도 수축률이 작아 정교한 형상 제조가 가능하다. 상기 소결은 1800∼1950℃의 온도에서 수행하는 것이 바람직하다. The nitrided laminated sheet is sintered. The sintering preferably includes reactive sintering. The sintering preferably includes a reaction sintering performed in an N 2 atmosphere at a pressure higher than normal pressure (for example, 2 to 100 atm) to suppress decomposition of the nitrided product into Si and N 2 . By reaction sintering may obtain a silicon nitride (Si 3 N 4) sintered body of high quality, the reaction sintering method is Si is reacted with a nitrogen gas and the method for obtaining a silicon nitride (Si 3 N 4), the shrinkage after the nitrification reaction if the sintering reaction Small and precise shape can be manufactured. The sintering is preferably performed at a temperature of 1800 to 1950 캜.

이하에서, 본 발명에 따른 실험예들을 구체적으로 제시하며, 다음에 제시하는 실험예들에 의하여 본 발명이 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, experimental examples according to the present invention will be specifically shown, and the present invention is not limited by the following experimental examples.

본 실험예들에서는 고순도 Si 분말을 출발원료로 테이프캐스팅법을 통해 방열기판용 시트형 기판(후막 기판)을 제조하였다. 탈지 공정의 온도 및 분위기 조건을 변화시킨 후 잔류 산소 및 탄소의 양을 측정하고, 탈지 공정에 이어지는 질화 처리 공정 후에도 잔류 산소 및 탄소의 양을 측정하여 탈지 공정에서 잔류하는 산소와 탄소가 후속 공정에서 어떻게 변화하는지를 조사하였고, 최종 방열 기판 물성에 유리한 탈지 조건을 제시하였다. 도 1에 실험예에 따른 공정도를 나타내었다. In this experimental example, a sheet type substrate (thick film substrate) for a heat radiator plate was manufactured through tape casting using a high purity Si powder as a starting material. The amount of residual oxygen and carbon is measured after changing the temperature and the atmospheric condition of the degreasing process and the amount of residual oxygen and carbon is measured even after the nitriding process following the degreasing process so that oxygen and carbon remaining in the degreasing process And the defatting conditions favorable to the properties of the final heat dissipation substrate were suggested. FIG. 1 shows a process chart according to an experimental example.

<실험예 1><Experimental Example 1>

Si 분말, Y2O3 분말 및 MgO 분말을 지르코니아 볼을 사용하여 3D 믹서(3D Mixer)로 1차 혼합하여 세라믹스 원료를 준비하였다. 상기 3D 믹서는 지르코니아 볼을 사용하였다. 본 실험예에서 사용된 Si 분말(Grade 4, >98.9%, VESTA Si사, 미국)은 평균입자 크기가 약 3㎛이었으며, Y2O3 분말(Grade B, >99.9%, H.C.Starck사, 독일)은 평균입자 크기 약 2㎛ 이었고, MgO(magnesium oxide) 분말(>99%, 고순도 화학, 일본)은 평균입자 크기 약 8㎛인 것을 사용하였다. 상기 세라믹스 원료는 Si 분말 97중량%, Y2O3 분말 5중량% 및 MgO 분말 2중량%를 함유한다. Si powder, Y 2 O 3 powder and MgO powder were first mixed with a 3D mixer using a zirconia ball to prepare a raw material for ceramics. The 3D mixer used zirconia balls. The average particle size of the Si powder (Grade 4,> 98.9%, VESTA Si, USA) used in this experiment was about 3 μm and Y 2 O 3 powder (Grade B,> 99.9% MgO (> 99%, High Purity Chemical, Japan) having an average particle size of about 8 mu m was used. The ceramic raw material contains 97 wt% of Si powder, 5 wt% of Y 2 O 3 powder, and 2 wt% of MgO powder.

Si 분말, Y2O3 분말 및 MgO 분말이 혼합된 세라믹스 원료에 용매(Solvent), 유기바인더(Binder), 가소제(Plasticizer) 및 분산제(Dispersant)를 첨가하고 24시간 동안 볼밀링(ball milling)하였다. 상기 용매로는 에탄올(EtOH)과 톨루엔을 각각 50 vol% 혼합하여 사용하였으며, 상기 유기바인더는 폴리비닐부티랄(polyvinylbutyral; PVB)(BMSZ, >97%, SEKISUI Chemical Co., LTD, 일본), 상기 가소제는 DOP(Dioctyl phthalate)(99%, SAMCHUN Chemical, 한국), 상기 분산제는 공중합체(copolymer) 계열(DISPERBYK®-111, Altana사, 독일)을 사용하였다. A solvent, an organic binder, a plasticizer and a dispersant were added to a ceramic raw material in which Si powder, Y 2 O 3 powder and MgO powder were mixed and ball milled for 24 hours . The organic binder was polyvinyl butyral (PVB) (BMSZ,> 97%, SEKISUI Chemical Co., LTD, Japan), and the organic binder used was a mixture of ethanol (EtOH) and toluene DOP (Dioctyl phthalate) (99%, SAMCHUN Chemical, Korea) was used as the plasticizer, and a copolymer type (DISPERBYK®-111, Altana, Germany) was used as the dispersant.

볼밀링된 결과물을 24시간 동안 에이징(aging)을 하고, 슬러리를 얻었다. The ball milled product was aged for 24 hours to obtain a slurry.

최적의 시트 형태의 성형체(그린시트(green sheet))를 얻기 위하여 세라믹스 원료(P) 대비 유기바인더(B)의 함량(P/B)을 5.5~9.5%의 조건으로 변화시켜 슬러리를 제조하였다. 세라믹스 원료(P) 대비 유기바인더(B)의 함량(P/B)을 7.5%로 한 경우로서 대표적인 조성을 아래의 표 1에 나타내었다. 슬러리의 점도는 회전식 유변 물성 측정기 (HAAKE MARS III)를 사용하여 측정하였으며, 측정조건은 온도 25℃에서 10분간 분당회전수 0~200 min- 1였다. The slurry was prepared by changing the content (P / B) of the organic binder (B) relative to the ceramic raw material (P) in the range of 5.5 to 9.5% in order to obtain an optimal sheet shaped green body. Table 1 below shows typical compositions when the content (P / B) of the organic binder (B) relative to the raw material (P) of the ceramic is 7.5%. The viscosity of the slurry was measured using a rotary rheometer (HAAKE MARS III). The measurement conditions were 0 - 200 min - 1 per minute for 10 minutes at 25 ° C.

세라믹스 원료(wt%)Ceramic raw material (wt%) 용매(wt%)Solvent (wt%) 분산제(wt%)Dispersant (wt%) 유기바인더(wt%)Organic binder (wt%) 가소제(wt%)Plasticizer (wt%) 53.9353.93 40.4540.45 0.160.16 4.05
(P/B=7.5%)
4.05
(P / B = 7.5%)
1.411.41

세라믹스 원료(고형분) 대비 PVB 첨가량에 따른 슬러리의 점성거동을 도 2에 나타내었다. The viscous behavior of the slurry with respect to the amount of PVB added to the ceramics raw material (solid content) is shown in Fig.

도 2를 참조하면, 유기바인더인 PVB 첨가량에 따른 슬러리의 점성거동을 분석한 결과, 세라믹스 원료 대비 PVB 첨가량이 5.5%, 7.5%, 9.5%일 때, 점도는 각각 2414, 616, 406 cP(shear rate = 100s-1)로 측정되었다. 세라믹스 원료 대비 PVB 첨가량이 5.5%인 경우는 그린시트의 중심부와 좌우의 두께 편차가 상대적으로 컸으며, 세라믹스 원료 대비 PVB 첨가량이 9.5%인 경우는 그린시트의 두께가 너무 얇아, 1 mm 두께의 적층시트를 제조할 때 비효율적이었다. Referring to FIG. 2, when the viscosity of the slurry was measured according to the addition amount of PVB as an organic binder, the viscosities of the slurries were found to be 2414, 616 and 406 cP (Shear rate = 100s -1 ). When the PVB content of the ceramics raw material was 5.5%, the center portion of the green sheet and the left and right side thickness variations were relatively large. When the PVB addition amount of the ceramic raw material was 9.5%, the thickness of the green sheet was too thin, It was ineffective when producing sheets.

테이프캐스팅(Tape casting)은 댐 높이 300㎛로 셋팅된 닥터블레이드에 슬러리를 붓고, 2.0 m/min의 속도로 기판 필름을 이동시켜 진행하였으며, 70℃의 온도에서 60분 동안 건조 공정을 수행하고 상기 기판 필름을 떼어내어 최종적으로 100㎛의 두께를 갖는 시트 형태의 성형체(이하에서, 그린시트(green sheet)라 함)를 얻었다. Tape casting was performed by pouring the slurry into a doctor blade set at a height of a dam of 300 mu m and moving the substrate film at a speed of 2.0 m / min, performing a drying process at a temperature of 70 DEG C for 60 minutes, The substrate film was peeled off to finally obtain a sheet-shaped molded article (hereinafter referred to as a green sheet) having a thickness of 100 mu m.

적층기(Stacking Machine)의 테이블 온도를 40℃로 하고, 그린시트를 여러 장 겹친 후, 10초 동안 12 ton의 압력을 주어 1 mm 두께로 형성하고, 더욱 밀착시켜 성형밀도를 높이기 위해 WIP(Warm Isostatic Press) 장비로 70℃, 20MPa의 조건에서 10분간 압착하였다. 압착이 끝난 결과물을 30×30mm의 크기로 절단하여 적층시트를 얻었다.The table temperature of the stacking machine was set at 40 DEG C, and a plurality of green sheets were stacked. Then, a pressure of 12 ton was applied for 10 seconds to form a thickness of 1 mm. WIP (Warm Isostatic Press) for 10 minutes at 70 ° C and 20 MPa. The result of the compression was cut to a size of 30 x 30 mm to obtain a laminated sheet.

적층시트의 밀도는 치수측정법으로 하여 각 함량별 10개의 샘플로 평균밀도와 표준편차를 구하였으며, 적층시트의 표면상태는 광학현미경을 사용하여 확인하였다. The densities of the laminated sheets were determined by the dimensional measurement method, and the average density and the standard deviation were obtained from 10 samples for each content. The surface state of the laminated sheet was confirmed by using an optical microscope.

적층시트의 열중량 분석은 TG-DSC(thermogravimetry-differential scanning calorimetry)(SDT Q600)로 하였으며, 승온 속도는 10℃/min, 분위기 제어용 기체는 100 ㎖/min 유량으로 진행하였다. The thermogravimetric analysis of the laminated sheet was carried out by TG-DSC (SDT Q600). The rate of temperature increase was 10 ° C / min and the flow rate of the atmosphere control gas was 100 ml / min.

세라믹스 원료 대비 PVB 첨가량에 따른 적층시트의 밀도를 도 3에 나타내었다. The density of the laminated sheet according to the amount of PVB added relative to the raw material of ceramics is shown in Fig.

도 3을 참조하면, 적층시트의 밀도 값은 세라믹스 원료 대비 PVB 첨가량이 5.5%, 7.5%, 9.5%일 때, 평균값이 각각 1.61, 1.63, 1.62g/㎤이지만, 산포를 고려할 때 특정 조성에서 차이를 보이지 않았다. 다만, 세라믹스 원료 대비 PVB 첨가량이 5.5%인 경우, 다른 조성보다 밀도 산포가 커서 실제 공정에는 불리한 조건임을 알 수 있었다. 3, the density values of the laminated sheets were 1.61, 1.63, and 1.62 g / cm 3, respectively, when the addition amounts of PVB were 5.5%, 7.5%, and 9.5%, respectively. . However, when PVB content of 5.5% was higher than that of the raw materials of ceramics, it was found that the density distribution was larger than other compositions, which is an adverse condition in the actual process.

세라믹스 원료 대비 PVB 첨가량에 따른 적층시트 표면의 광학현미경 사진들을 도 4a 내지 도 4c에 나타내었다. 도 4a는 세라믹스 원료 대비 PVB 첨가량을 5.5%로 하여 적층시트를 제조한 경우에 적층시트 표면의 광학현미경 사진이고, 도 4b는 세라믹스 원료 대비 PVB 첨가량을 7.5%로 하여 적층시트를 제조한 경우에 적층시트 표면의 광학현미경 사진이며, 도 4c는 세라믹스 원료 대비 PVB 첨가량을 9.5%로 하여 적층시트를 제조한 경우에 적층시트 표면의 광학현미경 사진이다.Optical microscope photographs of the surface of the laminated sheet according to the addition amount of PVB relative to the raw material of ceramics are shown in Figs. 4A to 4C. FIG. 4A is an optical microscope photograph of the surface of the laminated sheet when the laminated sheet was prepared at a PVB addition amount of 5.5% relative to the raw material of the ceramics. FIG. And FIG. 4C is an optical microscope photograph of the surface of the laminated sheet when the laminated sheet is made to have the PVB content of 9.5% of the raw material of the ceramics.

도 4a 내지 도 4c를 참조하면, 세라믹스 원료 대비 PVB 첨가량을 5.5%로 하여 제조된 적층시트에서는 여러 개의 응집체가 발견되었고, 세라믹스 원료 대비 PVB 첨가량을 9.5%로 하여 제조된 적층시트에서는 갈라짐이 관찰되었다. 세라믹스 원료 대비 PVB 첨가량을 7.5%로 하여 제조된 적층시트는 표면 상태가 다른 조성에 비해 우수했으며, 점도, 밀도 특성을 고려했을 경우라도 세라믹스 원료 대비 PVB 첨가량이 7.5%가 최적의 적층시트 제조를 위한 조성임을 알 수 있었다.4A to 4C, several agglomerates were found in the laminated sheet prepared by adjusting the addition amount of PVB to 5.5% of the raw materials of the ceramics, and cracks were observed in the laminated sheet prepared by adjusting the addition amount of PVB to 9.5% of the raw materials of the ceramics . The surface state of the laminated sheet prepared with 7.5% PVB added to the raw material of ceramics was superior to that of the other compositions. Even when the viscosity and density characteristics were taken into account, the PVB addition amount to the ceramics raw material was 7.5% Respectively.

세라믹스 원료 대비 PVB 첨가량을 7.5%로 하여 제조된 적층시트를 열중량 분석하여 도 5에 나타내었다. FIG. 5 shows the result of thermogravimetric analysis of the laminated sheet prepared by adjusting the addition amount of PVB relative to the raw material of ceramics to 7.5%.

도 5를 참조하면, 산화 분위기(공기 분위기에서 진행한 경우로서 도 5에서 (a) 참조), 비활성 분위기(N2 분위기에서 진행한 경우로서 도 5에서 (b) 참조) 모두 200℃ 부근에서 중량감소가 일어났으며, 이는 이 온도에서 유기물이 분해되기 시작하기 때문이라고 생각된다. 산화 분위기에서는 450℃까지 무게가 감소하다가 이후 다시 증가하는 거동을 보였다. 이와는 대조적으로 비활성 분위기에서는 300℃ 이후에도 무게 증가가 일어나지 않고, 지속적으로 감소하는 거동을 보였다. 이는 산화 분위기에서 산소와 Si의 반응속도가 증가하여 Si 분말 표면에 상당량의 SiO2 막이 형성되기 때문에 무게 증가가 발생했다고 판단되며, 비활성 분위기에서는 이런 반응이 억제되기 때문에 무게 증가가 발생하지 않은 것으로 생각된다.5, in both the oxidizing atmosphere (see FIG. 5 (a) and FIG. 5 (b) in the case of the N 2 atmosphere) , Which is thought to be due to the decomposition of organic matter at this temperature. In the oxidizing atmosphere, the weight decreased to 450 ℃ and then increased again. In contrast, in the inactive atmosphere, the weight did not increase even after 300 ° C, and the behavior gradually decreased. This is because the reaction rate of oxygen and Si increases in the oxidizing atmosphere, so that a considerable amount of SiO 2 film is formed on the surface of the Si powder. Therefore, it is considered that the weight increase occurs. In the inert atmosphere, do.

<실험예 2><Experimental Example 2>

Si 분말을 세라믹스 원료로 준비하였다. 상기 3D 믹서는 지르코니아 볼을 사용하였다. 본 실험예에서 사용된 Si 분말(Grade 4, >98.9%, VESTA Si사, 미국)은 평균입자 크기가 약 3㎛인 것을 사용하였다. Si powder was prepared as a raw material for ceramics. The 3D mixer used zirconia balls. The Si powder (Grade 4,> 98.9%, VESTA Si Co., USA) used in this experiment had an average particle size of about 3 μm.

Si 분말에 용매(Solvent), 유기바인더(Binder), 가소제(Plasticizer) 및 분산제(Dispersant)를 첨가하고 24시간 동안 볼밀링(ball milling)하였다. 상기 용매로는 에탄올(EtOH)과 톨루엔을 각각 50 vol% 혼합하여 사용하였으며, 상기 유기바인더는 폴리비닐부티랄(polyvinylbutyral; PVB)(BMSZ, >97%, SEKISUI Chemical Co., LTD, 일본), 상기 가소제는 DOP(Dioctyl phthalate)(99%, SAMCHUN Chemical, 한국), 상기 분산제는 공중합체(copolymer) 계열(DISPERBYK®-111, Altana사, 독일)을 사용하였다. A solvent, an organic binder, a plasticizer and a dispersant were added to the Si powder and ball milled for 24 hours. The organic binder was polyvinyl butyral (PVB) (BMSZ,> 97%, SEKISUI Chemical Co., LTD, Japan), and the organic binder used was a mixture of ethanol (EtOH) and toluene DOP (Dioctyl phthalate) (99%, SAMCHUN Chemical, Korea) was used as the plasticizer, and a copolymer type (DISPERBYK®-111, Altana, Germany) was used as the dispersant.

볼밀링된 결과물을 24시간 동안 에이징(aging)을 하고, 슬러리를 얻었다. The ball milled product was aged for 24 hours to obtain a slurry.

최적의 시트 형태의 성형체(그린시트(green sheet))를 얻기 위하여 Si 분말(P) 대비 유기바인더(B)의 함량(P/B)을 7.5%의 조건으로 슬러리를 제조하였다. Si 분말(P) 대비 유기바인더(B)의 함량(P/B)을 7.5%로 한 경우로서 조성을 아래의 표 2에 나타내었다. The slurry was prepared under the condition that the content (P / B) of the organic binder (B) relative to the Si powder (P) was 7.5% in order to obtain an optimal sheet-shaped molded article (green sheet). The composition is shown in Table 2 below when the content (P / B) of the organic binder (B) relative to the Si powder (P) is 7.5%.

Si 분말(wt%)Si powder (wt%) 용매(wt%)Solvent (wt%) 분산제(wt%)Dispersant (wt%) 유기바인더(wt%)Organic binder (wt%) 가소제(wt%)Plasticizer (wt%) 53.9353.93 40.4540.45 0.160.16 4.05
(P/B=7.5%)
4.05
(P / B = 7.5%)
1.411.41

테이프캐스팅(Tape casting)은 댐 높이 300㎛로 셋팅된 닥터블레이드에 슬러리를 붓고, 2.0 m/min의 속도로 기판 필름을 이동시켜 진행하였으며, 70℃의 온도에서 60분 동안 건조 공정을 수행하고 상기 기판 필름을 떼어내어 최종적으로 100㎛의 두께를 갖는 시트 형태의 성형체(이하에서, 그린시트(green sheet)라 함)를 얻었다. Tape casting was performed by pouring the slurry into a doctor blade set at a height of a dam of 300 mu m and moving the substrate film at a speed of 2.0 m / min, performing a drying process at a temperature of 70 DEG C for 60 minutes, The substrate film was peeled off to finally obtain a sheet-shaped molded article (hereinafter referred to as a green sheet) having a thickness of 100 mu m.

적층기(Stacking Machine)의 테이블 온도를 40℃로 하고, 그린시트를 여러 장 겹친 후, 10초 동안 12 ton의 압력을 주어 1 mm 두께로 형성하고, 더욱 밀착시켜 성형밀도를 높이기 위해 WIP(Warm Isostatic Press) 장비로 70℃, 20MPa의 조건에서 10분간 압착하였다. 압착이 끝난 결과물을 30×30mm의 크기로 절단하여 적층시트를 얻었다.The table temperature of the stacking machine was set at 40 DEG C, and a plurality of green sheets were stacked. Then, a pressure of 12 ton was applied for 10 seconds to form a thickness of 1 mm. WIP (Warm Isostatic Press) for 10 minutes at 70 ° C and 20 MPa. The result of the compression was cut to a size of 30 x 30 mm to obtain a laminated sheet.

상기 적층시트에 대하여 탈지(Debinding) 공정을 수행하였다. 여러 가지 조건으로 탈지 후 잔류하는 산소와 탄소의 양을 정량적으로 분석하기 위해 N/O 원소분석기(HORIBA EMGA-920)와 C/S 원소분석기(LECO CS230)를 사용하였다. 산화분위기의 탈지는 박스형 전기로에서 진행되었고, 비활성 분위기의 탈지는 튜브형 전기로에서 진행하였다. 비활성 분위기를 위해 사용된 N2 가스는 순도 5N급을 사용하였으며, 유량은 1ℓ/min의 속도로 고정하였다. The laminated sheet was subjected to a debinding process. N / O elemental analyzer (HORIBA EMGA-920) and C / S elemental analyzer (LECO CS230) were used to quantitatively analyze the amount of residual oxygen and carbon after degreasing under various conditions. The degreasing in the oxidizing atmosphere proceeded in a box-type electric furnace, and the degassing in an inert atmosphere proceeded in a tubular electric furnace. The N 2 gas used for the inert atmosphere was purity grade 5N, and the flow rate was fixed at a rate of 1 L / min.

탈지 공정 조건이 잔류 산소량과 탄소량에 미치는 영향을 구체적으로 고찰하기 위해 300~700℃ 구간에서 탈지 조건을 변화시켰다. 순수한 Si 분말에 대하여 산화 분위기에서 열처리(탈지 처리)하고 잔류 산소량을 측정하여 도 6에서 점선(도 6의 (c) 참조)으로 나타내었고 탄소량을 측정하여 도 7에서 점선(도 7의 (c) 참조)으로 나타내었다. 상온에서 잔류 산소량은 원료 Si 분말의 제조 과정 중에 형성된 잔류 산소량에 해당하며, 약 1.0 wt%에 해당한다. 열처리 온도가 상승할수록 잔류 산소량은 지속적으로 상승했으며, 최고 열처리 온도인 700℃에서는 약 3.0 wt%가 검출되었다. In order to investigate the effects of degreasing process conditions on residual oxygen and carbon content, the degreasing conditions were varied in the range of 300 ~ 700 ℃. The pure Si powder was subjected to a heat treatment (degreasing treatment) in an oxidizing atmosphere and the residual oxygen amount was measured. The residual oxygen amount was indicated by a dotted line in Fig. 6 (see Fig. 6C) )). The residual oxygen amount at room temperature corresponds to about 1.0 wt% of the residual oxygen amount formed during the production of the raw Si powder. As the heat treatment temperature increased, the residual oxygen content increased continuously, and about 3.0 wt% was detected at the maximum heat treatment temperature of 700 ° C.

탈지 공정에서 잔류 산소와 탄소량의 변화를 명확히 구별하기 위해, 측정 결과에 모호함을 줄 수 있기 때문에 본 실험예에서는 Y2O3 분말과 MgO 분말을 혼합하지 않고 적층시트를 제조한 경우로서 상기 적층시트를 각각 산화 분위기, 비활성 분위기에서 탈지 처리하고 잔류 산소량 및 탄소량을 분석하여, 잔류 산소량에 대한 결과를 도 6에 나타내었고 탄소량에 대한 결과를 도 7에 나타내었다. 도 6에서 (a)는 산화 분위기에서 탈지 공정을 수행한 경우에 대한 것이고, (b)는 비활성 분위기에서 탈지 공정을 수행한 경우에 대한 것이며, 도 7에서 (a)는 산화 분위기에서 탈지 공정을 수행한 경우에 대한 것이고, (b)는 비활성 분위기에서 탈지 공정을 수행한 경우에 대한 것이다. In the case of producing a laminated sheet without mixing the Y 2 O 3 powder and the MgO powder in this Experimental Example, since the measurement results may be ambiguous to clearly distinguish the residual oxygen and the amount of carbon in the degreasing process, The sheets were subjected to a degreasing treatment in an oxidizing atmosphere and an inert atmosphere, respectively, and the residual oxygen amount and the carbon amount were analyzed. The results for residual oxygen amount are shown in Fig. 6, and the results for the carbon amount are shown in Fig. 6 (a) shows the case of performing the degreasing process in the oxidizing atmosphere, (b) shows the case of performing the degreasing process in the inert atmosphere, and FIG. 7 (a) (B) is for the case where the degreasing process is carried out in an inert atmosphere.

도 6을 참조하면, 잔류 산소량 분석 결과, 산화 분위기 또는 비활성 분위기에 상관없이 상온에서 잔류 산소가 약 2.9 wt% 검출되었는데, 이는 슬러리를 제조할 때 첨가된 유기바인더(PVB, (C8H14O2)n)와 가소제(DOP, C6H4(COOC8H17)2)에 포함된 산소에 기인한 것으로 판단된다. 약 400℃ 부근에서 분위기에 상관없이 최저 잔류 산소량을 보였으며, 산화 분위기의 경우 탈지 온도가 증가할수록 순수한 Si 분말의 경우(도 6에서 (c) 참조)와 동일한 양으로 잔류 산소량이 증가했다. 비활성 분위기에서는 탈지 온도 상승에도 불구하고 큰 변화를 보이지 않았다. Referring to FIG. 6, residual oxygen amount was found to be about 2.9 wt% at room temperature, regardless of the oxidizing atmosphere or the inert atmosphere. The organic binder (PVB, (C 8 H 14 O 2 ) n ) and the oxygen contained in the plasticizer (DOP, C 6 H 4 (COOC 8 H 17 ) 2 ). The minimum residual oxygen amount was observed at about 400 ° C regardless of the atmosphere. In the oxidizing atmosphere, as the degreasing temperature was increased, the residual oxygen amount was increased to the same amount as that of the pure Si powder (see (c) in FIG. 6). In the inert atmosphere, no significant change was observed despite the increase of the degreasing temperature.

도 7을 참조하면, 잔류 탄소량 분석 결과, 상온에서 잔류 탄소량은 약 6.5 wt%이며, 이는 유기바인더와 가소제에 포함된 탄소에 기인한 것으로 보인다. 산화 분위기 또는 비활성 분위기에 상관없이 약 400℃까지 승온하는 과정에 급격한 잔류 탄소량 감소를 보이며, 탈지 온도가 증가하더라도 큰 변화가 없었다. 하지만, 분위기에 따라 잔존하는 절대 탄소량은 차이가 있었는데, 산화 분위기의 경우 500℃에서 약 0.024 wt% 검출되는데 비해, 비활성 분위기에서는 동일 온도에서 약 0.242 wt%로 약 10배 정도 높은 양이 검출되었다.Referring to FIG. 7, the amount of residual carbon at room temperature is about 6.5 wt% as a result of analyzing the amount of residual carbon, which appears to be due to the carbon contained in the organic binder and the plasticizer. Regardless of the oxidizing atmosphere or the inert atmosphere, the amount of residual carbon was abruptly decreased in the process of raising the temperature to about 400 ° C, and there was no significant change even when the degreasing temperature was increased. However, the absolute amount of residual carbon was different according to the atmosphere. In the case of oxidizing atmosphere, about 0.024 wt% was detected at 500 ° C., while in the inert atmosphere, about 0.242 wt% was detected at about 10 times higher at the same temperature .

<실험예 3><Experimental Example 3>

Si 분말, Y2O3 분말 및 MgO 분말을 지르코니아 볼을 사용하여 3D 믹서(3D Mixer)로 1차 혼합하여 세라믹스 원료를 준비하였다. 상기 3D 믹서는 지르코니아 볼을 사용하였다. 본 실험예에서 사용된 Si 분말(Grade 4, >98.9%, VESTA Si사, 미국)은 평균입자 크기가 약 3㎛이었으며, Y2O3 분말(Grade B, >99.9%, H.C.Starck사, 독일)은 평균입자 크기 약 2㎛ 이었고, MgO(magnesium oxide) 분말(>99%, 고순도 화학, 일본)은 평균입자 크기 약 8㎛인 것을 사용하였다. 상기 세라믹스 원료는 Si 분말 97중량%, Y2O3 분말 5중량% 및 MgO 분말 2중량%를 함유한다. Si powder, Y 2 O 3 powder and MgO powder were first mixed with a 3D mixer using a zirconia ball to prepare a raw material for ceramics. The 3D mixer used zirconia balls. The average particle size of the Si powder (Grade 4,> 98.9%, VESTA Si, USA) used in this experiment was about 3 μm and Y 2 O 3 powder (Grade B,> 99.9% MgO (> 99%, High Purity Chemical, Japan) having an average particle size of about 8 mu m was used. The ceramic raw material contains 97 wt% of Si powder, 5 wt% of Y 2 O 3 powder, and 2 wt% of MgO powder.

Si 분말, Y2O3 분말 및 MgO 분말이 혼합된 세라믹스 원료에 용매(Solvent), 유기바인더(Binder), 가소제(Plasticizer) 및 분산제(Dispersant)를 첨가하고 24시간 동안 볼밀링(ball milling)하였다. 상기 용매로는 에탄올(EtOH)과 톨루엔을 각각 50 vol% 혼합하여 사용하였으며, 상기 유기바인더는 폴리비닐부티랄(polyvinylbutyral; PVB)(BMSZ, >97%, SEKISUI Chemical Co., LTD, 일본), 상기 가소제는 DOP(Dioctyl phthalate)(99%, SAMCHUN Chemical, 한국), 상기 분산제는 공중합체(copolymer) 계열(DISPERBYK®-111, Altana사, 독일)을 사용하였다. A solvent, an organic binder, a plasticizer and a dispersant were added to a ceramic raw material in which Si powder, Y 2 O 3 powder and MgO powder were mixed and ball milled for 24 hours . The organic binder was polyvinyl butyral (PVB) (BMSZ,> 97%, SEKISUI Chemical Co., LTD, Japan), and the organic binder used was a mixture of ethanol (EtOH) and toluene DOP (Dioctyl phthalate) (99%, SAMCHUN Chemical, Korea) was used as the plasticizer, and a copolymer type (DISPERBYK®-111, Altana, Germany) was used as the dispersant.

볼밀링된 결과물을 24시간 동안 에이징(aging)을 하고, 슬러리를 얻었다. The ball milled product was aged for 24 hours to obtain a slurry.

최적의 시트 형태의 성형체(그린시트(green sheet))를 얻기 위하여 세라믹스 원료(P) 대비 유기바인더(B)의 함량(P/B)을 7.5%의 조건으로 변화시켜 슬러리를 제조하였다. 세라믹스 원료(P) 대비 유기바인더(B)의 함량(P/B)을 7.5%로 한 경우로서 조성을 아래의 표 3에 나타내었다. The slurry was prepared by changing the content (P / B) of the organic binder (B) relative to the raw material (P) of ceramics in the condition of 7.5% in order to obtain an optimal sheet shaped green body (green sheet). The composition is shown in Table 3 below when the content (P / B) of the organic binder (B) relative to the raw material (P) of ceramics is 7.5%.

세라믹스 원료(wt%)Ceramic raw material (wt%) 용매(wt%)Solvent (wt%) 분산제(wt%)Dispersant (wt%) 유기바인더(wt%)Organic binder (wt%) 가소제(wt%)Plasticizer (wt%) 53.9353.93 40.4540.45 0.160.16 4.05
(P/B=7.5%)
4.05
(P / B = 7.5%)
1.411.41

테이프캐스팅(Tape casting)은 댐 높이 300㎛로 셋팅된 닥터블레이드에 슬러리를 붓고, 2.0 m/min의 속도로 기판 필름을 이동시켜 진행하였으며, 70℃의 온도에서 60분 동안 건조 공정을 수행하고 상기 기판 필름을 떼어내어 최종적으로 100㎛의 두께를 갖는 시트 형태의 성형체(이하에서, 그린시트(green sheet)라 함)를 얻었다. Tape casting was performed by pouring the slurry into a doctor blade set at a height of a dam of 300 mu m and moving the substrate film at a speed of 2.0 m / min, performing a drying process at a temperature of 70 DEG C for 60 minutes, The substrate film was peeled off to finally obtain a sheet-shaped molded article (hereinafter referred to as a green sheet) having a thickness of 100 mu m.

적층기(Stacking Machine)의 테이블 온도를 40℃로 하고, 그린시트를 여러 장 겹친 후, 10초 동안 12 ton의 압력을 주어 1 mm 두께로 형성하고, 더욱 밀착시켜 성형밀도를 높이기 위해 WIP(Warm Isostatic Press) 장비로 70℃, 20MPa의 조건에서 10분간 압착하였다. 압착이 끝난 결과물을 30×30mm의 크기로 절단하여 적층시트를 얻었다.The table temperature of the stacking machine was set at 40 DEG C, and a plurality of green sheets were stacked. Then, a pressure of 12 ton was applied for 10 seconds to form a thickness of 1 mm, and WIP (Warm Isostatic Press) for 10 minutes at 70 ° C and 20 MPa. The result of the compression was cut to a size of 30 x 30 mm to obtain a laminated sheet.

상기 적층시트에 대하여 탈지(Debinding) 공정을 수행하였다. 여러 가지 조건으로 탈지 후 잔류하는 산소와 탄소의 양을 정량적으로 분석하기 위해 N/O 원소분석기(HORIBA EMGA-920)와 C/S 원소분석기(LECO CS230)를 사용하였다. 산화분위기의 탈지는 박스형 전기로에서 진행되었고, 비활성 분위기의 탈지는 튜브형 전기로에서 진행하였다. 비활성 분위기를 위해 사용된 N2 가스는 순도 5N급을 사용하였으며, 유량은 1ℓ/min의 속도로 고정하였다. The laminated sheet was subjected to a debinding process. N / O elemental analyzer (HORIBA EMGA-920) and C / S elemental analyzer (LECO CS230) were used to quantitatively analyze the amount of residual oxygen and carbon after degreasing under various conditions. The degreasing in the oxidizing atmosphere proceeded in a box-type electric furnace, and the degassing in an inert atmosphere proceeded in a tubular electric furnace. The N 2 gas used for the inert atmosphere was purity grade 5N, and the flow rate was fixed at a rate of 1 L / min.

탈지 처리된 적층시트에 대하여 질화 처리(Nitridation)를 수행하였다. 상기 질화 처리는 각각 1400℃, 1450℃ 온도에서 4시간 유지 후 상온까지 로냉하였다. 질화 처리 후 시편도 N/O 원소분석기와 C/S 원소분석기를 이용해 잔류 산소와 탄소의 양을 분석하였으며, α-Si3N4, β-Si3N4, Si의 분석을 위하여 X-선회절(X-ray diffraction) 분석을 실시하였다.Nitriding was performed on the degreased laminated sheet. The nitriding treatment was carried out at 1400 DEG C and 1450 DEG C for 4 hours, respectively, followed by cooling to room temperature. After the nitriding treatment, the residual oxygen and carbon contents were analyzed by using N / O element analyzer and C / S element analyzer. For analysis of α-Si 3 N 4 , β-Si 3 N 4 and Si, X-ray diffraction analysis was performed.

질화 처리 공정까지 고려한 탈지 공정 조건을 최적화하기 위해 400℃의 산화 분위기, 비활성 분위기에서 탈지하고, 1400℃, 1450℃의 온도에서 각각 4시간 동안 질화 처리하여 시편 내 존재하는 잔류 산소 및 탄소량을 측정하고, 도 8에 잔류 산소량을 나타내었고, 도 9에 탄소량을 나타내었다. 도 8 및 도 9에서 (a)는 산화 분위기에서 탈지 공정을 수행하고 N2 분위기에서 질화 처리한 경우에 대한 것이고, (b)는 비활성 분위기에서 탈지 공정을 수행하고 N2 분위기에서 질화 처리한 경우에 대한 것이다.In order to optimize the degreasing process conditions considering the nitriding process, it is degreased in an oxidizing atmosphere and an inert atmosphere at 400 ° C. and nitriding is carried out at a temperature of 1400 ° C. and 1450 ° C. for 4 hours to measure the amount of residual oxygen and carbon present in the sample FIG. 8 shows the residual oxygen amount, and FIG. 9 shows the carbon amount. FIGS. 8 and 9A show the case of performing the degreasing process in the oxidizing atmosphere and the nitriding treatment in the N 2 atmosphere, FIG. 8B shows the case of performing the degreasing process in the inert atmosphere and nitriding in the N 2 atmosphere Lt; / RTI &gt;

도 8 및 도 9에서 볼 수 있듯이 탈지 공정 후에 존재하는 잔류 산소 및 탄소는 질화 처리 공정을 진행하면서 모두 감소하였다. 잔류 산소의 경우, 산화 분위기에서 탈지한 시편의 잔류 산소량이 비활성 분위기에서 탈지한 시편의 잔류 산소량보다 많았지만, 질화 처리 온도 구간에서 급격한 감소를 보여, 질화 처리가 끝난 후에는 오히려 산화 분위기에서 탈지한 시편의 잔류 산소량이 비활성 분위기에서 탈지한 시편의 잔류 산소량보다 적었다. 잔류 탄소의 경우, 산화 분위기에서 탈지한 시편의 잔류 탄소량이 비활성 분위기에서 탈지한 시편의 잔류 탄소량보다 훨씬 적었으며, 질화 처리 온도 구간에서도 이러한 차이는 유지되어, 1450℃에서 질화 처리가 끝난 후에 산화 분위기에서 탈지한 시편의 잔류 탄소량은 C/S 분석기로 검출되지 않을 정도여서, 비활성 분위기에서 탈지한 시편의 잔류 탄소량인 0.108 wt%에 비해 현저히 적음을 알 수 있다. As can be seen from FIGS. 8 and 9, the residual oxygen and carbon present after the degreasing process were all reduced while proceeding with the nitriding process. In the case of residual oxygen, the residual oxygen amount of the specimen degreased in the oxidizing atmosphere was larger than the residual oxygen amount of the degreased specimen in the inert atmosphere, but it was abruptly decreased in the nitriding treatment temperature range. After the nitriding treatment, The residual oxygen content of the specimen was less than the residual oxygen content of the degreased specimen in the inert atmosphere. In the case of residual carbon, the amount of residual carbon in the degreased specimen in the oxidizing atmosphere was much smaller than the amount of residual carbon in the degreased specimen in the inert atmosphere, and this difference remained in the nitriding temperature range. The amount of residual carbon in the degreased specimen was not detectable by the C / S analyzer, indicating that it was significantly less than the amount of residual carbon of 0.108 wt% in the degreased specimen in an inert atmosphere.

도 10은 400℃의 산화 분위기, 비활성 분위기 각각에서 탈지한 후, 1400℃에서 4시간 동안 질화 처리한 시편의 X-선회절(X-ray diffraction; XRD) 패턴을 나타낸 그래프이다. 도 10에서 (a)는 산화 분위기에서 탈지 공정을 수행하고 N2 분위기에서 질화 처리한 경우에 대한 것이고, (b)는 비활성 분위기에서 탈지 공정을 수행하고 N2 분위기에서 질화 처리한 경우에 대한 것이다.10 is a graph showing an X-ray diffraction (XRD) pattern of a specimen subjected to degreasing in an oxidizing atmosphere and an inert atmosphere at 400 ° C and nitriding treatment at 1400 ° C for 4 hours. 10 (a) is for a case where a degreasing process is performed in an oxidizing atmosphere and nitriding is performed in an N 2 atmosphere, (b) is a case where a degreasing process is performed in an inert atmosphere, and nitriding is performed in an N 2 atmosphere .

도 10을 참조하면, 산화 분위기, 비활성 분위기에서 탈지한 시편 모두 유사한 α-Si3N4와 β-Si3N4 피크를 가지는 것을 보아 탈지 공정의 분위기는 상변화율과는 관련 없다고 판단된다. Referring to FIG. 10, in each of the samples degreased in an oxidizing atmosphere and an inert atmosphere, similar α-Si 3 N 4 and β-Si 3 N 4 It is judged that the atmosphere of the degreasing step is not related to the phase change rate.

상기 결과를 종합해 보면, 고순도 Si 분말을 출발물질로 하며, 테이프캐스팅 공정을 통한 시트형 Si3N4 기판 제조시, 적층시트의 탈지는 잔류 산소량 및 탄소량을 고려하여, 400℃ 부근의 산화 분위기에서 진행하는 것이 향후 열적, 기계적 물성에 영향을 줄 수 있는 잔류 산소와 탄소의 양을 최소화하는데 효과적임을 알 수 있다.When the sheet-type Si 3 N 4 substrate is manufactured through the tape casting process, the degreasing of the laminated sheet is carried out in an oxidizing atmosphere of about 400 ° C. in consideration of the residual oxygen amount and the amount of carbon, Is effective in minimizing the amount of residual oxygen and carbon which may affect the thermal and mechanical properties in the future.

이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, This is possible.

Claims (12)

Si 분말, Y2O3 분말 및 MgO 분말을 포함하는 세라믹스 원료를 준비하는 단계;
상기 세라믹스 원료, 용매, 유기바인더, 분산제 및 가소제를 혼합하여 슬러리를 형성하는 단계;
상기 슬러리를 사용하여 테이프캐스팅법으로 성형하여 시트 형태의 성형체를 형성하는 단계;
상기 성형체를 복수 개의 층으로 적층하고 압착하여 적층시트를 형성하는 단계;
잔류 산소와 탄소의 양을 최소화하기 위하여 산화 분위기에서 상기 적층시트를 탈지 처리하는 단계;
탈지 처리된 적층시트를 질화 처리하는 단계; 및
질화 처리된 적층시트를 소결하는 단계를 포함하는 시트형 질화규소 기판의 제조방법.
Preparing a ceramic raw material including Si powder, Y 2 O 3 powder and MgO powder;
Mixing the ceramic raw material, the solvent, the organic binder, the dispersant, and the plasticizer to form a slurry;
Forming a shaped body in a sheet form by molding the slurry using a tape casting method;
Laminating the formed body into a plurality of layers and pressing them to form a laminated sheet;
Degreasing the laminated sheet in an oxidizing atmosphere to minimize the amount of residual oxygen and carbon;
Nitriding the degreased laminated sheet; And
And sintering the nitrided laminated sheet.
제1항에 있어서, 상기 Y2O3 분말은 상기 세라믹스 원료에 상기 Si 분말 100중량부에 대하여 0.1∼10중량부 함유되고,
상기 MgO 분말은 상기 세라믹스 원료에 상기 Si 분말 100중량부에 대하여 0.1∼7중량부 함유되는 것을 특징으로 하는 시트형 질화규소 기판의 제조방법.
The method of claim 1 wherein said Y 2 O 3 powder is 0.1 to 10 parts by weight relative to the Si powder containing 100 parts by weight of the ceramic raw material,
Wherein the MgO powder is contained in the ceramic raw material in an amount of 0.1 to 7 parts by weight based on 100 parts by weight of the Si powder.
제1항에 있어서, 상기 유기바인더는 상기 세라믹스 원료 100중량부에 대하여 5.5∼9.5중량부 혼합하는 것을 특징으로 하는 시트형 질화규소 기판의 제조방법.
The method according to claim 1, wherein the organic binder is mixed in an amount of 5.5 to 9.5 parts by weight based on 100 parts by weight of the ceramic raw material.
제3항에 있어서, 상기 유기바인더는 폴리비닐부티랄(Polyvinylbutyral)을 포함하는 것을 특징으로 하는 시트형 질화규소 기판의 제조방법.
4. The method of claim 3, wherein the organic binder comprises polyvinylbutyral.
제1항에 있어서, 상기 분산제는 상기 세라믹스 원료 100중량부에 대하여 0.01∼2중량부 혼합하며,
상기 분산제는 공중합체(Copolymer) 계열의 분산제를 포함하는 것을 특징으로 하는 시트형 질화규소 기판의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the dispersant is mixed in an amount of 0.01 to 2 parts by weight based on 100 parts by weight of the ceramic raw material,
Wherein the dispersing agent comprises a dispersing agent of a copolymer type.
제1항에 있어서, 상기 가소제는 상기 세라믹스 원료 100중량부에 대하여 0.1∼5중량부 혼합하며,
상기 가소제는 디옥틸프탈레이트(Deoctyl phthalate)를 포함하는 것을 특징으로 하는 시트형 질화규소 기판의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the plasticizer is mixed in an amount of 0.1 to 5 parts by weight based on 100 parts by weight of the ceramic raw material,
Wherein the plasticizer comprises dioctyl phthalate. &Lt; RTI ID = 0.0 &gt; 21. &lt; / RTI &gt;
제1항에 있어서, 상기 탈지 처리는 잔류 산소와 탄소의 양을 최소화하기 위하여 300∼500℃에서 수행하는 것을 특징으로 하는 시트형 질화규소 기판의 제조방법.
The method according to claim 1, wherein the degreasing treatment is performed at 300 to 500 ° C to minimize the amount of residual oxygen and carbon.
제1항에 있어서, 상기 질화 처리는 1350∼1500℃에서 N2 분위기에서 수행하는 것을 특징으로 하는 시트형 질화규소 기판의 제조방법.
The method of manufacturing a sheet-like silicon nitride substrate according to claim 1, wherein the nitriding treatment is performed in an N 2 atmosphere at 1350 to 1500 ° C.
제1항에 있어서, 상기 소결은 질화 처리된 결과물이 Si와 N2로 분해되는 것을 억제하기 위하여 상압보다 높은 압력에서 N2 분위기에서 수행하는 반응소결을 포함하는 것을 특징으로 하는 시트형 질화규소 기판의 제조방법.
The process for producing a sheet-like silicon nitride substrate according to claim 1, wherein the sintering comprises reaction and sintering performed in an N 2 atmosphere at a pressure higher than normal pressure in order to suppress decomposition of the nitrided product into Si and N 2 Way.
제9항에 있어서, 상기 소결은 1800∼1950℃의 온도에서 수행하는 것을 특징으로 하는 시트형 질화규소 기판의 제조방법.
The method according to claim 9, wherein the sintering is performed at a temperature of 1800 to 1950 캜.
제1항에 있어서, 상기 Si 분말은 Si의 스크랩(scrap)을 사용하거나 Si 웨이퍼가 파쇄된 분말을 사용하고,
상기 Si 분말은 0.5∼20㎛의 평균 입경을 갖는 분말을 사용하는 것을 특징으로 하는 시트형 질화규소 기판의 제조방법.
The method according to claim 1, wherein the Si powder is a Si powder scrap or a Si wafer powder,
Wherein the Si powder is a powder having an average particle diameter of 0.5 to 20 占 퐉.
제1항에 있어서, 상기 시트 형태의 성형체는 10∼200㎛의 두께로 형성하고,
상기 적층시트는 0.5∼20㎜의 두께로 형성하며,
상기 적층시트를 탈지 처리하기 전에 원하는 크기로 절단하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시트형 질화규소 기판의 제조방법.
The sheet-shaped molded article according to claim 1, wherein the sheet-shaped molded article has a thickness of 10 to 200 탆,
The laminated sheet is formed to a thickness of 0.5 to 20 mm,
Further comprising the step of cutting the laminated sheet to a desired size before degreasing treatment.
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