저온소성 기판재료용 Anorthite/Cordierite계 소결체의 제조 및 특성 = Fabrication and Characteristics of Anorthite-Cordierite Composites for Low Temperature Sintering Substrate Material

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 Silicon 반도체 소자와 유사한 열팽창계수를 갖는 기판, 연산속도의 고속화를 위한 신호지연시간의 단축을 위한 저유전율 기판, Cu, Ag, Au 등 금속도체와 동시 소성할 수 있는 저온 소결성 기판의 제조조건을 규명한 것이다.
낮은 열팽창계수와 저온 소성을 위해서는 Zeolite를 이용한 저온에서 anorthite의 합성·소결, 낮은 유전율과 열팽챵계수를 위해서는 New Zealand kaolin을 이용한 cordierite의 합성·소결, 또한, anotrhite/cordierite 복합 소결체를 제조하여 낮은 열팽창계수, 낮은 유전율, 저온 소결 가능성을 확인 하였다.
즉, 저가의 13X-Zeolite의 Na 이온을 Ca 이온으로 치환하여 소결한 anorthite의 최적 소성온도는 1030 ∼ 1060℃ 범위였으며 꺽임강도는 179 ∼ 187 MPa, 유전상수는 1060℃에서 7.11이었다. 열팽창계수는 1030℃이상에서 5.68 ∼ 5.66×10^(-6)/℃의 범위로 일정한 값을 나타내고 있다.
또한 New Zealand kaolin을 주원료로 하여 quartz와 Mg(OH)₂로 cordierite의 소결체를 제조하였을 때 최적 소성온도는 1380℃였으며 열팽창계수는 cordierite 결정의 생성량이 증가할수록 낮아지고 있으며 유전율은 증가하였다. 이때 기공율은 13% 꺽임강도는 53.6 MPa, 유전율은 4.5, 열팽창계수는 5.06×10^(-6)/℃이었다.
13X-Zeolite를 주원료로 하여 얻어진 저온 소성이 가능한 anorthite의 특성과 New Zealnd kaolin을 주원료로 하여 얻어진 cordierite의 특성을 이용하여 anorthite / cordierite 소결체를 제조하였을 때 기판재료로서 가장 적합한 조건은 cordierite 첨가량이 20 ∼ 30wt%, 소성온도는 1060 ∼ 1090℃이었다. 이때 소성수축율은 18.0 ∼ 18.4%, 꺽임강도는 120 ∼ 140 MPa, 열팽창계수는 4.4 ∼ 4.86 ×10^(-6)/℃이었다. 겉보기 비중은 약 2.47 ∼ 2.57 이었으며 유전상수는 약 6.0 ∼ 6.93으로 기존의 alumina 기판에 비하여 낮은 유전율을 나타내었고 열팽창계수는 4.41 ∼ 5.3 × 10^(-6)/℃로 silicon 반도체 소자의 열팽창계수에 근접한 값을 나타내고 있다. 따라서 고성능 기판재료로의 사용이 가능할 것으로 판단된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The purpose of this study is to search for fabrication condition of low temperature sintering substrate, which has thermal expansion coefficient similar to silicon semiconductor chip, low dielectric constant for reduction of signal delay time to accelerate calculation speed high, and can be sintered simultaneously with metal conductor like Cu, Ag, Au.
Using Zeolite to archive low thermal expansion coefficient and low temperature sintering, anorthite was synthersized and sintered at low temperature.
Using New Zealand kaolin to archive low dielectric constant and thermal expansion coefficient, cordierite was synthersized and sintered. Also after fabricating anorthite/cordierite composites, low dielectric constant, thermal expansion coefficient and possibility of sintering at low temperature was confirmed.
That is, the most suitable sintering temperature of anorthite, (Na ion of low priced 13X-Zeolite was substituted to Ca ion and sintered), is between 1030 and 1060℃. And bending strength is 179 ∼ 187 MPa, dielectric constant is 7.11 at 1060℃. Thermal expansion coefficient appeared to have the fixed value of 5.68 ∼ 5.66 ×10^(-6)/℃ above 1030℃.
Moreover, the most suitable sintering temperature of cordierite composites, made mainly of New Zealand kaolin added to quartz and Mg(OH)₂, is 1380℃. Thermal expansion coefficient decreased as quantity of cordierite increased, but dielectric constant increased. At this time, porosity is 1.3%, bending strength is 53.6 MPa, dielectric constant is 4.5 and thermal expansion coefficient is 5.06 ×10^(-6)/℃.
When using the characteristics of anorthite, (made mainly of 13X-Zeolite and possible sintering at low temperature), and cordierite, (made mainly of New Zealand kaolin), fabricated anorthite/cordierite composites, the most suitable condition is cordierite 20 ∼ 30 wt%, and sintering temperature is between 1060 and 1090℃. Firing shrinkage is 18.0 ∼ 18.4%, bending strength is 120 ∼ 140 MPa, and thermal expansion coefficient is 4.4 ∼ 4.86 × 10^(-6)/℃. Apparent density is about 2.47 ∼ 2.57, dielectric constant is about 6.0 ∼ 6.93 lower than the existing alumina substrate. The thermal expansion coefficient, 4.41 ∼ 5.3 ×10^(-6)/℃, appeared to be closer to the thermal expansion coefficient of silicon semiconductor chip. Therefore, it is considered as possible high-performance substrate material

목차 (Table of Contents)

• 국문초록 = 1
• 제1장 서론 = 3
• 제2장 이론적 배경 = 6
• 가. 기판재료 = 6
• 나. 기판재료의 특성 = 10
• 다. 기판의 유전특성에 미치는 인자 = 13
• 1) 기공율의 영향 = 13
• 2) 재료의 방향성 = 14
• 3) Surface Roughness = 14
• 라. 재료의 선택 = 15
• 마. 소결기구 및 물리적 특성 = 22
• 1) 소결기구 = 22
• 2) 기계적 특성 = 22
• 3) 유전율 = 22
• 4) 열전도율 = 23
• 제3장 Zeolite를 이용한 Anorthite 합성 및 소결체의 유전특성 = 24
• 1. 서론 = 24
• 2. 실험방법 = 25
• 가. 사용원료 및 Ion 교환반응 = 25
• 나. 시편제조 = 27
• 다. 물성측정 = 29
• 1) 구성 결정 상분석 = 29
• 2) 기공율, 겉보기비중 및 소성수축율 = 29
• 3) 꺽임강도 = 29
• 4) 유전율 측정 = 29
• 5) 열팽창율 측정 = 29
• 3. 결과 및 고찰 = 30
• 가. 기공율 및 겉보기 비중 = 30
• 나. 소성 수축율 = 33
• 다. 꺼임강도 = 35
• 라. X-선 회절분석 = 37
• 마. 유전율 = 39
• 바. 열팽창율 = 41
• 4. 결론 = 43
• 제4장 Cordierite 소결체의 유전특성 = 44
• 1. 서론 = 44
• 2. 실험방법 = 45
• 가. 사용원료 = 45
• 나. 조합 및 시편제조 = 46
• 다. 물성측정 = 47
• 3. 결과 및 고찰 = 48
• 가. 기공율, 겉보기 비중 및 꺽임강도 = 48
• 나. 구성 결정상분석 및 미세구조 관찰 = 52
• 다. 열 팽창율 = 56
• 라. 유전율 = 59
• 4. 결론 = 60
• 제5장 Anorthite/Cordierite 복합체의 유전특성 = 61
• 1. 서론 = 61
• 2. 실험방법 = 63
• 가. 출발원료 = 63
• 나. 시편제조 = 63
• 다. 물성측정 = 66
• 3. 결과 및 고찰 = 67
• 가. 기공율 및 겉보기 비중 = 67
• 나. 소성 수축율 = 70
• 다. 꺽임강도 = 72
• 라. 유전율 = 74
• 마. 열팽창 계수와 미세구조 = 76
• 4. 결론 = 81
• 제6장 결론 = 82
• References = 84
• 영문초록 = 88