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표제지

목차

국문요지 6

제1장 서론 7

제1절 AlN의 특성 및 응용 7

제2절 AlN 기계적 물성 향상 13

제3절 연구목적 16

제2장 실험 방법 20

제1절 원료 분말 및 첨가제 조성 20

제2절 테잎 캐스팅 공정에 의한 AlN 적층 기판 제조 25

제3절 AlN 적층 기판 탈바인딩 및 소결 32

제4절 AlN 소결 기판 특성 분석 36

제3장 결과 및 고찰 44

제1절 MCAS-Y₂O₃ 첨가제에 따른 AlN 소결 특성 44

제2절 YSZ 함량에 따른 AlN-1M3Y 소결체의 특성 49

가. 소결밀도 49

나. XRD 상분석 51

다. 미세구조 53

라. 열전도도 58

마. 기계적 물성 60

제4장 결론 66

제5장 참고문헌 68

ABSTRACT 77

표목차

Table 1. Physical properties of AlN and Al₂O₃. 10

Table 2. Various additives for AlN and their effects. 15

Table 3. Effect of various additives on the sintering behavior of AlN. 19

Table 4. Properties of the AlN powder used in this study. 21

Table 5. Properties of the additives used in this study. 23

Table 6. Additive compositions of various samples. 24

Table 7. Composition of the tape casting slurry. 27

Table 8. Process conditions for tape casting using doctor blade. 30

Table 9. Thickness of the green sheet after the tape casting process. 31

그림목차

Fig. 1. Crystal structure of aluminum nitride (wurtzite). 9

Fig. 2. Applications of AlN materials: (a) Half-bridge module, (b) Cu-... 11

Fig. 3. Power amp module with IMFET package. 12

Fig. 4. (a) Thermal conductivities and (b) flexural strengths of Al₂O₃,... 18

Fig. 5. SEM images of the starting materials used in this study: (a) AlN,... 22

Fig. 6. The tape caster used in this study. 28

Fig. 7. Schematic diagram of the (a) doctor blade and (b) moving... 29

Fig. 8. Photograph of the (a) tungsten furnace used in this study and the... 33

Fig. 9. (a) Photographs of the substrates in the green and sintered states... 34

Fig. 10. Manufacturing process for AlN doped with MCAS glass, Y₂O₃,... 35

Fig. 11. Principle of the laser flash method. 39

Fig. 12. Schematic of the three-point bending test. 41

Fig. 13. Schematic of the crack length and diagonal size measurement... 43

Fig. 14. (a) Sintered and (b) relative densities of the 1MxY samples (x＝... 46

Fig. 15. Thermal conductivities of the 1MxY samples (x＝0, 1, 2, 3, and... 47

Fig. 16. Fractured cross-section SEM images of the AlN samples with... 48

Fig. 17. (a) Sintered and (b) relative densities of the 1M3YxZ samples (x... 50

Fig. 18. XRD patterns of the 1M3YxZ samples (x＝0, 1, 2, and 3). 52

Fig. 19. SEM images of the (a, b) 1M3Y, (c, d) 1M3Y1Z, (e, f) 1M3Y2Z,... 55

Fig. 20. Polished cross-section SEM images and EDX elemental mapping... 56

Fig. 21. (a-c) TEM images of the 1M3Y1Z samples with different... 57

Fig. 22. Thermal conductivities of the 1M3YxZ samples (x＝0, 1, 2, and... 59

Fig. 23. Flexural strengths of the 1M3YxZ samples (x＝0, 1, 2, and 3). 62

Fig. 24. Hardness of the 1M3YxZ samples (x＝0, 1, 2, and 3). 63

Fig. 25. Fracture toughness of the 1M3YxZ samples (x＝0, 1, 2, and 3). 64

Fig. 26. Impression of Vickers indentor and crack propagation of the... 65

초록보기

 본 연구의 주요 목표는 저온에서 소결 가능하며 높은 굽힘 강도를 가진 AlN 세라믹 기판의 제조이다. 일반적인 AlN의 강도 향상 방법으로는, 첨가제를 사용하여 입자 성장을 제한함으로써 입자크기를 감소시키거나 첨가제에 의해 생성된 이차상으로 슬립계(Slip system)의 피닝(Pinning) 및 균열의 전파를 방해하는 방법이 있다. 반면 위와 같은 첨가제의 영향에 의해 열전도도는 감소하게 되는데, 열전도도의 손실을 최소화하며 강도를 향상시키는 방법에 대해 연구를 같이 진행하였다. AlN을 저온에서 소결하면서 열전도도를 향상시키기 위해 MgO-CaO-Al₂O₃-SiO₂ (MCAS glass)와 Y₂O₃를 첨가제로 선정하였고, 강도 향상을 위해 Yttria-stabilized zirconia (YSZ) 추가로 첨가하였다. 성형체는 1600 ℃에서 1시간 동안 무가압 소결한 뒤 YSZ 함량에 따른 강도 향상 효과와 열전도도 저하 효과를 비교하였다. 1 wt% MCAS glass-3 wt% Y₂O₃-1 wt% YSZ 조성에서 가장 높은 굽힘 강도 값을 갖게 되었으며, 열전도도 값 또한 높은 값을 유지할 수 있었다. MCAS glass는 녹는점이 낮아 저온에서의 AlN의 액상 소결을 위한 첨가제로서 사용되었고 Y₂O₃, YSZ는 각각 열전도도와 기계적 강도를 향상시키기 위해 첨가제로 사용되었다. 소결된 AlN의 열전도도와 굽힘 강도를 평가하였고, 그 결과 1 wt% MCAS glass-3 wt% Y₂O₃-1 wt% YSZ 조성에서 약 608 MPa로 가장 높은 강도 값과 약 109 W/m·K의 열전도도 값을 가졌다.

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