- 1 -

中小企業部品ㆍ素材共同技術開發事業

最終報告書

2002년 12월 일

전자 세라믹 부품용 소재 개발

(휴대단말기용 RF - SAW Filter 세라믹 패키지 개발)

주 관 기 관 엠아이엠 세라믹스(주)

공동개발기업 엘지이노텍(주)

(주)바티오테크

(주)써모텍

- 2 -

목 차

제출문

요약서(초록)

제1장 개발 배경

제1절 휴대단말기 시장동향

제2절 RF-SAW Filter 세라믹 패키징

제2장 개발 목표 및 개발의 중요성

제1절 개발 목표

제2절 개발의 중요성

제3장 개발 과정 및 내용

제1절 원료분말 제조기술

제2절 고속 성형기술

제3절 소결기술

제4절 에폭시 도포기술

제5절 품질관리기술

제4장 개발 결과

제1절 원료분말 제조기술

제2절 고속 성형기술

제3절 소결기술

제4절 에폭시 도포기술

제5절 품질관리기술

제6절 과제개발목표 달성률 및 향후 방향

제5장 기대효과 및 전망

- 3 -

제 출 문

중소기업청장 귀하

본 보고서를 “전자 세라믹 부품용 소재 개발에 관한 중소기업 부품ㆍ소재공동기술

개발사업”(개발기간 2001. 11. 1. ~ 2002 . 10 . 31) 의 최종보고서로 제출합니다.

2002년 12 월 31 일

주 관 기 업 엠아이엠 세라믹스(주) (직인)

과제 책임자 대표이사 김 영 정 (직인)

공동개발기업 대표 LG 이노텍(주) (직인)

공동개발기업 대표 (주)바티오테크 (직인)

공동개발기업 대표 (주)써모텍 (직인)

- 4 -

중소기업부품ㆍ소재공동기술개발사업 최종보고서

업 체 명엠아이엠 세라믹스(주)(Tel: 041 - 568 - 2362)

주소우336-708 충남 아산시 탕정면갈산리100 선문창업보육센터

기술개발과 제 명

전자 세라믹 부품용 소재 개발(휴대 단말기용 RF-SAW Filter 세라믹 패키지 개발)

대 표 자 김 영 정

과제책임자 대표이사 김영정

개발기간(사업계획서)

2001년11월 1일 ~2002년 10월 31일

공동개발기업LG이노텍(주),

(주)바티오테크, (주)써모텍

위탁연구기관

계획대비목표달성도(%) 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

개발 완료 시기 2002년 10월 31일

중소기업부품ㆍ소재공동기술개발사업운용요령 제27조의 규정에 의하여 최종보고서를 제출합니다.

첨부 1. 중소기업부품ㆍ소재공동기술개발사업 최종보고서 8부.2. 개발사업비 집행내역보고서 8부.3. 기술료 납부 동의서 2부.

2002 년 12 월 31 일

주 관 기 업 대표 엠아이엠 세라믹스(주) (직인)

공동개발기업 대표 LG 이노텍(주) (직인)

공동개발기업 대표 (주)바티오테크 (직인)

공동개발기업 대표 (주)써모텍 (직인)

중소기업청장 귀하

- 5 -

요 약 서 (초 록)

과 제 명전자 세라믹 부품용 소재 개발

(휴대 단말기용 RF-SAW Filter 세라믹 패키지 개발)

주 관 기 업 엠아이엠 세라믹스(주)주관기업

과제책임자대표이사 김영정

개 발 기 간 2001. 11 . 1 ~ 2002 . 10 . 30 ( 12 월 )

총개발사업비

(천원)

정부출연금 273,000천원총개발

사업비455,000천원

기업부담금현금 40,000천원

현물 142,000천원

공동개발기업 LG이노텍(주), (주)바티오테크, (주)써모텍

주요기술용어

(6~10개)

세라믹 리드, 패키징, 쏘필터(SAW Filter), 에폭시 실링,

에어패키징, 진공기밀

1. 기술개발목표

RF-SAW Filter package 용 b-stage epoxy coating 된 알루미나 세라믹 리드

개발을 목표로 하며 상세 목표는 아래와 같다.

- 1008(2.5×2.0×2㎣) 크기 SAW Filter 패키징 대응

- 2.3×1.8×0.95㎣(벽두께 0.25㎜)크기의 세라믹 리드

- 소결밀도 : 상대밀도 95% 이상

- 200℃이상의 내열충격성

- 파괴강도 2300㎏f/㎠

- 치수편차 15㎛ 이내

2. 기술개발의 목적 및 중요성

가. 부품의 국산화

국내 산업발전의 견인차 역할을 하고 있는 휴대 통신 기기의 발달은 여러 분야

의 고도 기술을 요구 하고 있다. 특히 세계시장 점유율 15%를 넘어서고 있는 즈

음 휴대 통신 기기용 부품의 국산화는 더욱 절실히 요구되고 있다.

- 6 -

요 약 서 (초 록)

국내 반도체 산업의 발달에 비해 여타분야의 기술축적이 부족하여 부품공급을

외국에 의존하거나 또는 제품 경쟁력이 열세에 있는 분야의 기술 개발은 절실하

다. 패키징 분야도 이러한 분야중의 하나로 소재 개발을 비롯 공정 기술 개발이

이루어지는 경우 뛰어난 반도체 공정 기술을 바탕으로 세계 시장에 가격 및 품

질 경쟁력을 확보하게 된다. 특히 통화품질의 고급화가 진행되고 있는 즈음 통신

부품의 특성 향상을 위한 부품 개발은 휴대 통신 기기의 가격 및 품질경쟁력을

위해 반드시 이루어져야 할 과제이다.

나. 부품 제조 기술 확보

세라믹 제조 기술 측면에서 볼 때 현재 적용하려는 2.3×1.8×0.95㎣, 0.25㎜ 두

께의 정밀 소형 세라믹 제품 생산은 세라믹 부품 제조 기술 중 최고의 기술로

이를 확보하는 경우 각종 전자 부품용 세라믹 리드의 제조가 가능해지는 것은

물론 현재 생산 중에 있는 전기 전자 부품용 세라믹스의 정밀도를 크게 향상시

키는 부수적인 효과를 거두게 될 것이다.

3. 기술 개발의 내용 및 범위

- 원료 분말 제조 기술

- 고속 정밀 성형 기술

- 소결 기술

- 에폭시 도포 기술

- 품질 관리 기술

4. 기술개발 결과

가. 원료 분말 제조 기술

- 성형 및 소결특성에 맞는 최적의 바인더 시스템 개발 완료

- 환경변화에 둔감한 바인더 시스템 선정 완료

- 7 -

요 약 서 (초 록)

나. 고속 정밀 성형 기술

- 자체개발한 양압프레스(미국, 일본, EU, 중국 ;PCT/KR01/00324)를 사용하여

±15㎛치수정밀도 달성

- 프레스 공정 제어

다. 소결 기술

- 저온 소결 기술 확보(1550℃)

- 최적 소결 Schedule 확립

- 회전식 연속로(특허출원 02-0007254호)를 개발, 적용하여 생산성 향상

라. 에폭시 도포 기술

- 최적의 에폭시 선정으로 진공기밀성 확보

- 적정한 Coating 방식 선정

마. 품질 관리 기술

- ISO9002인증 획득

- 비접촉 측정기 적용

5. 기대효과

- SAW Filter 패키지 수입대체 효과

- SAW Filter 패키지 수출 효과

- 개발 기술을 응용한 기타 전자부품용 세라믹스 생산

- 국내 세라믹 부품 제조기술의 경쟁력 확보

- 이 상 -

- 8 -

제1장 개발 배경

제1절 휴대단말기 시장동향

Mobile Communication ! 20세기 말을 거쳐 21세기로 접어들면서 인류에게 가장

큰 변화를 안겨준 과학 기술 중 단연 으뜸을 차지할 것이다.

2000년 세계적인 경기 침체에 의해 전체적인 전자제품 시장들이 감소추세를 보일

때에도, 다소 증가폭이 둔화되었을 뿐 지속적인 판매 증가세를 보인 제품이 개인휴

대단말기이다. 그 중에서도 현재 및 향후의 최대 수요시장인 중국에서의 급성장은

괄목할 만하다 하겠다.

이에 따라, 전체 전자부품 시장은 성장둔화를 보이고 있지만, 개인휴대단말기를 모

체로 하는 전자부품은 단말기의 성장과 괘를 같이하고 있다.

단일전자기기로서 최대규모를 차지하고 있어 2002년 추정 연간 4억대 이상의 생산

이 예상되며 또한 연간 증가율 수%에 달하고 있다. 국내 제품의 세계시장점유는

2000년 5% 이하에서 지속적인 증가로 인해 2002년 1/4분기 세계시장 점유율 12%

이상을 기록하였다. 이러한 증가추세는 수 년내 국내 휴대 전화 생산 수위를 차지

할 것으로 예상된다. 따라서 이러한 증가 추세에 맞추어 경쟁력 향상 및 수익성 향

상을 위해 각종 소요 부품의 국산화가 절실히 요구된다. 특히 외국에 의존하고 있

는 고가의 부품의 경우 국산화 에 대한 요구가 절실하다.

아울러 최종소비자의 요구가 통화 품질, 가능의 다양화 및 제품의 소형경량화 등을

모두 지향하고 있어, 그 어느 때 보다도 부품 성능향상 및 소형경량화에 대한 압력

이 가해지고 있는 실정이다.

- 9 -

제2절 RF-SAW Filter 세라믹 패키지

1. 휴대단말기 핵심부품으로서의 RF-SAW Filter

가. RF-SAW Filter의 역할

SAW 필터는 AV기기와 휴대단말기 등에 사용되는 부품으로 압전기판상에 입력전기

신호를 표면탄성파로 변환시키거나, 표면탄성파를 받아 전기신호로 변환하는 기능

을 한다. 그 중에서도 휴대단말기용 SAW 필터가 최대의 시장을 점유하고 있다.

표면 실장 기술(Surface Mounting Technique)의 발전으로 각종 부품은 규격화된

칩(Chip) 형상으로 변환되고 있고 크기 또한 줄어들어 일부 수동부품(콘덴서, 저항

기, 코일부품 등)의 경우 0402(1.0×0.5×0.5㎣)가 적용되고 있으며, 여타 소자 또

한 최소한의 크기를 강요받고 있다.

통신 수요의 증가와 안정되고 빠른 데이터 통신을 위해 주파수는 고주파 영역으로

전환되었고 이러한 영역에서 통신품질의 향상을 위해 신호 필터링용 각종 소자가

적용되고 있는데, 이러한 특성을 만족시키는 소자로 표면탄성필터(Surface

Acoustic Wave Filter ; SAW Filter)가 최적의 특성을 갖는 것으로 알려져 지속적으

로 수요가 증가되고 있다.

SAW 소자는 압전단결정 등의 절연성 높은 기판상에 금속전극을 형성하여, 전압을

걸면 일시적으로 기판표면에 표면탄성파가 발생된다. 소자표면에 전달되는 파장속

도가 전자파 등에 비해 늦기 때문에 일시적으로 전기신호를 지연시키거나 특정 주

파수만을 통과시키는 필터로 이용된다.

[그림1-1] SAW 필터의 원리

- 10 -

[그림 1-2] 표면탄성파 도해

특히 RF-SAW 필터는 1차 수신단에서 900㎒ 대역 또는 1.8㎓ 대역의 높은 주파수

에 작동하는 부품으로 이에 따른 전극 패턴 간격이 ㎛대 이하의 좁은 선폭을 요구

한다. 따라서 휴대 단말기의 통화 품질에 직접적인 영향을 끼치는 부품으로 고도의

반도체 제조 공정을 요구하고 있으며 칩제조공정 이후의 wire bonding 또는 flip

chip bonding 공정 및 packaging 등의 공정에서 많은 기술적인 과제를 포함하고

있다.

- 11 -

나. SAW Filter의 기본구조

전체적인 부품 구성은 특정한 패턴을 갖는 단결정 웨이퍼와 외부 도선과 연결하고

외부 환경으로부터 보호를 목적으로 사용되는 패키징으로 이루어져 있다.

a) Matal Lid Type b) Ceramic Lid type

[그림1-3] SAW 필터의 기본구조

2. 전자부품 패키징 개요

가. 패키징의 필요성

패키징의 목적은 외부의 기계적, 화학적, 환경적 요인으로부터 단결정 소자를 보호

하여 소자의 안정성을 확보하고, 실장시 특성을 향상시키기 위함이다. 따라서 기계

적 강도, 내열 충격성, 진공 기밀성 등이 기본적으로 요구된다.

나. 세라믹 패키징 기술개발의 필요성

패키징 기법은 종래의 다층 적층 기판(Multi Layer Packaging)이 사용되었으나 (그

림 1-4(b)), 이는 MLP 제조 단가가 높으며 또한 내부도선 연결(wire bonding) 후

Invar Lid를 전기 용접하거나 또는 AuSn과 같은 고가의 브레이징 합금을 이용 밀봉

을 하는 복잡한 공정을 거쳐 제조원가가 높으며 또한 부피 및 무게가 큰 단점을 갖

는다. 이러한 몇 가지 문제점을 해결하기 위해 개발된 공정이 세라믹 리드를 이용

한 패키징 공법이다(그림 1-4.(c), (e)). 이것은 기판위에 단결정 소자를 wire

bonding 하고 이를 세라믹 덮개(ceramic lid)로 밀봉하는 방법으로, 제조 공정이

단순하여 원가절감이 가능하며 또한 소요 원자재의 가격이 저가이고 부피를 크게

줄일 수 있는 장점을 가지고 있어 적용이 확대되고 있다. 세라믹 리드는 단결정 소

자를 외부의 기계적, 화학적, 환경적 요인으로부터 보호하여야 하므로 충분한 기계

적 강도, 내열충격 특성, 진공기밀성 등이 기본적으로 요구된다. 또한 부품제조 공

정 과정 중 또는 최종 제품을 표면실장하는 경우 실장속도와 실장밀도를 높이기 위

해 엄격한 치수 정밀도가 요구되고 있다. 이러한 기본적인 특성을 만족하는 소재로

90%이상의 순도를 갖는 알루미나(Alumina, Al2O3)를 사용하고 있다.

- 12 -

[그림1-4] 각종 패키징 방식

[표1-1] 다층적층패키징과 세라믹패키징 비교

구 분 COST 생산성

다층적층패키징Invar Welding 대 소

AuSn Brazing 대 중

세라믹패키징 소 대

- 13 -

제2장 개발 목표 몇 개발의 중요성

제1절 개발 목표

RF SAW Filter Packaging용 세라믹 리드를 개발하고, 이를 적용하기 위해 코팅시

진공기밀 특성을 부여하기 위한 B-stage epoxy 도포기술 개발을 목표로 한다. 이

를 실현하기 위한 세부 목표는 다음과 같다.

- 1008(2.5×2.0×2㎣) 크기 SAW Filter 패키징 대응

- 2.3×1.8×0.95㎣(벽두께 0.25㎜)크기의 세라믹 리드

- 소결밀도 : 상대밀도 95% 이상

- 200℃이상의 내열충격성

- 파괴강도 2300㎏f/㎠

- 치수편차 15㎛ 이내

제2절 개발의 중요성

1. 부품의 국산화

본 과제에서 개발하고자하는 세라믹 패키지를 비롯한 휴대 단말기용 SAW 필터 부

품의 경우 전량 수입에 의존하고 있어 국내 전자부품업계에서 큰 관심을 가지고 부

품개발을 진행하고 있다. 제품은 최종 패키징 방식에 따라 크게 Metal Lid를 사용

하는 방식과 Ceramic Lid를 사용하는 방식으로 구분할 수 있다. Metal Lid를 사용

하는 경우 Ceramic Base의 표면을 Metalling 한 후, 고가의 Au/Sn을 이용, Covar

Metal Lid와 Brazing하는 공정을 사용하거나 또는 전기용접방식을 이용한 seam

sealing을 하여야 한다. 두 경우 모두 소재비의 증가 및 고가의 Welding 장비 사용

등으로 생산에 한계를 갖게된다. 그러나 Ceramic Lid를 이용하는 경우 세라믹 베이

스와 세라믹 리드간에 Glass 또는 Epoxy를 이용하여 Sealing을 하므로 생산속도,

원가 등에서 경쟁력을 갖게 된다.

- 14 -

이러한 관점에서 볼 때, 반도체 관련 기술력분야의 우수성으로 인해 압전 단결정

표면위의 패턴 식각 등의 공정은 충분한 기술력을 확보하여 뛰어난 특성을 발휘하

고 있으나, 패키징 분야는 기술 미비로 인해 현재 일본 업체의 일부 도움으로 견품

생산이 진행되고 있다. 부품생산이 진행되더라도 일부 부품을 외국 특히 일본에 의

존하는 경우 진정한 의미의 부품경쟁력을 확보할 수 없게 된다. 따라서 국내 부품

업체에서는 가능한 모든 핵심 제조공정 및 원재료를 확보하여야 한다. SAW 필터는

적정 패턴이 식각된 압전 단결정(LiTaO3), 기판, 적층형 Ceramic Base, 그리고 세

라믹 리드로 구성되어 있다. 따라서 국내에서 세라믹 리드가 개발되는 경우 단결정

원소재를 제외한 완전 국산화가 가능하여지게 된다. 국산화는 가격 경쟁력을 확보

하는 방안이 될 것이며, 더욱 중요한 것은 따라가는 부품 개발에서 벗어나 자체적

인 개발계획에 의거 부품을 개발하게 되어 부품시장을 끌고 갈 수 있게 된다. 이는

국내 단말기 생산 규모를 볼 때 반드시 이루어져야만 하는 과제이다.

국내 휴대 단말기 제조업체들은 2000년 이후 비약적인 발전을 거듭하여 삼성전자

의 경우 2000년 판매대수 세계 6위, 2001년 4위에서 2002년 1/4분기 현재 노키아

와 모토롤라에 이어 3위의 생산업체로 급부상하였다. LG도 올 3/4분기에 들어

NEC등을 제치고 6위로 성장하였다. 특히 아래 표에서 보듯이, 세계 전체 판매대수

를 지난해에 비해 소폭 감소하였음에도 불구하고 삼성전자는 48.6%의 고성장을 기

록하였다.

[표2-1]업체별 개인 휴대 단말기 판매추이

이렇듯, 국내의 휴대단말기 제조가 급성장할수록 해당 부품 국산화의 필요성은 더

욱 높아져 가고 있는 것이다.

- 15 -

2. 부품 제조 기술 확보

세라믹 제조 기술 측면에서 볼 때 현재 적용하려는 2.3×1.8×0.95㎣, 0.25㎜ 두께

의 정밀 소형 세라믹 제품 생산은 전자부품용 정밀 세라믹 제조 기술 중 최고의 기

술로 이를 확보하는 경우 각종 전자 부품용 세라믹 리드의 제조가 가능해지는 것은

물론 현재 생산 중에 있는 부품의 정밀도를 크게 향상시키는 부수적인 효과를 거두

게 될 것이다. 또한 최근 수요가 증가하고 있는 RF module의 패키징에도 세라믹

리드의 사용이 가능하여 관련분야의 시장확대가 예상된다.

정밀 세라믹 부품 제조 기술은 각종 세라믹 부품, 즉 최근 시장규모가 확대되고 있

는 칩 전자부품용 각종 세라믹 소자를 비롯하여, 세라믹 패키징(Packaging) 부품

(예: 세라믹 레조네이터(7.3×2.8×1.0 ㎣), 각종 초소형 페라이트 코어 등의 제조

기술로 연결될 수 있으나, 국내 업체의 경우 해당 분야의 기술개발이 미흡하다. 이

러한 이유 중의 하나는 기술개발에 기계 분야, 세라믹 분야, 전기ㆍ전자 분야 등의

다양한 전문적인 기술분야가 요구되기 때문이다. 또한 경쟁력 있는 기술개발이 이

루어지기 위해서는 장기간 경험에 의존하는 숙련 기술을 요구하며, 이러한 장기적

인 기술투자로 개발된 부품소재 일지라도 개당 가격이 미약하여(수 원~수십 원/개)

적정규모 이상의 시장이 형성되지 아니하는 등 사업화에 어려움이 따르기 때문이

다. 그러나 최근 모든 전자 기기의 소형화로 인해 부품의 크기가 더욱 작아지고 있

고, 이러한 이유로 유사 부품의 수요가 증가되고 있어 국내 원천기술의 확보가 요

구되고 있다. 따라서 초소형 정밀 세라믹 부품 제조기술은 각종 부품 제조를 위한

핵심기술로 부품에서 차지하는 원가비중이 매우 높으며, 적절한 기술개발을 통한

설비의 최적화를 이루는 경우 부가가치 또한 높으며, 또한 고도의 기술을 요구하는

바 이는 부품제조를 위한 원천기술로 국내 부품 산업의 경쟁력을 확보하기 위해서

는 반드시 확보하여야할 기술분야 중 하나이다. 시장 또한 세계시장이 단일화되어

한 두개 업체의 부품이 세계 시장의 60~70 % 이상을 차지하는 구조로 바뀌고 있

는 바 세계적인 가격경쟁력과 기술경쟁력을 확보하는 경우 부품의 세계시장 점유로

인해 충분한 생산 규모가 가능하여 지고 있다.

- 16 -

제3장 개발 과정 및 내용

초소형 정밀 세라믹 부품 제조공정에서의 요소기술은 ① 프레스 설계 및 제조 기

술, ② 정밀 금형 설계 및 제조기술, 그리고 ③ 고속/소형 성형용 세라믹 원료 분말

제조기술, ④ 제품특성 평가 및 품질관리 기술, 및 ⑤ 대량 생산체계 구축 기술로

요약할 수 있다.

개발내용 개 발 범 위

원료분말 제조기술

• 분무건조된 과립의 입도분포 조절• 고속성형용 유기 바인더, 이형제 등의 선정• 환경 변화(특히 습도변화)에 둔감한 바인더 시스템 선정

고속성형기술

• 금형 부착방지 기술• 분말성형 프레스 주변 장치 개발 - 성형체 정렬• 금형고정용 다이셑 최적화• 금형 내마모성 향상기술• 프레스 공정제어용 PC interface

소결기술

• 저온 소결기술 확보• 소결 공정에 따른 특성 분석 및 최적 소결조건 확립• 극소형기물 소결에 적합한 소결로 제조• 극소형기물 소결에 적합한 setter 선정

에폭시 도포기술

• 최적의 특성을 나타내는 에폭시 종류 선정• 최적의 특성을 나타내는 에폭시 도포층 두께

품질관리기술

• 출발원료분말 상태 검사기술• 과립의 입도 검사기술• 성형체의 치수, 성형밀도, 외관 등 검사기술• 소결체의 소결밀도, 외관검사 기술확보• 에폭시 밀봉 특성 검사• 에폭시 내습 특성 검사• 각 단계별 검사항목 기준설정을 통한 불량률 절감 기술개발

- 17 -

제1절 원료분말 제조기술

이러한 초정밀 세라믹 부품제조를 위해서는 기계, 금형 등의 기술 확보뿐만 아니라

고속 정밀 성형이 가능한 세라믹 원료 분말 제조 기술이 필수적으로 요구된다.

SAW용 2.3×1.8×0.95 ㎣급의 부품의 경우 완제품 치수 정밀도가 ±20 ㎛이내를

요구하나 실제 제조되는 부품은 이보다 엄격한 치수 정밀도를 확보하여야 한다. 이

러한 경우 금형내로 투입되는 세라믹 과립분말의 엄격한 조절이 요구되며 이를 위

해서는 정밀하게 제어된 세라믹 과립 크기 분포 및 뛰어난 흐름성(Flowability)을 갖

는 세라믹 과립 제조 기술이 확보되어야 한다. 또한 금형과의 부착방지 및 성형 후

팽창(Spring back) 등의 조절이 가능하며 습도 등 환경 변화에 둔감한 세라믹 바인

더 시스템(Binder system)의 조성 기술확보가 필수적이다.

이러한 바인더 시스템은 제품의 생산성과 밀접한 관계가 있으며, 또한 제품의 외형

및 치수 편차를 결정하는 요인 중의 하나로 요소기술이다.

1.원료분말

알루미나 원료분말은 가격 소결특성등을 비교하여 선정되었다. 일본의 smitomo사

의 AM-21, AES-11 및 국내 A사의 분말을 원재료료 사용하였다.

[표 3-1 ] 각분말의 비표면적 특성 및 입도

표에 제시된 바와 같이 입도 및 소결특성에서 입도가 작은 AES 및 국내 A사의 분

말이 우세하였으나 가격이 고가인 단점이 있다. 소결특성 및 열충격특성의 향상을

위해 탈크 및 미량의 CaO를 첨가하였다. 탈크는 소결체의 색상을 결정하는 바 신

중한 선택이 요구되었다. 일본제와 중국제를 비교 사용하였다.

- 18 -

a) AM-21 b) AES-11

[그림 3-1] 원료분말의 SEM사진

2. 세라믹 성형 조제(binder system)

세라믹스는 성형이후 새로운 공정의 추가는 제조원가의 상승을 유발하는 바 이러한

문제점을 방지하기 위해 완벽한 성형이 가능하도록 모든 주의를 기울여야 한다. 이

러한 이유로 세라믹 바인더 시스템에 관련된 광범위한 연구가 진행되어 현재 여러

가지 조성이 사용되고 있으며 이는 사용되는 세라믹 원료에 및 생산되는 제품의 크

기 정밀도와 같은 특성에 따라 각기 다른 성형 첨가제가 사용된다. 그러나 대개의

경우 세라믹 분말들의 분산을 위해 분산제(dispersant)가 기본적으로 첨가되며 개개

입자를 결합시키는데 사용되는 높은 분자량을 갖는 결합제(binder), 성형체의 가소

성을 부여하기 위해 첨가되는 가소제(plasticizer), 분말의 이형성 또는 흐름성을

증가시키기 위해 윤활제(rublicant), 장기보존을 위해 첨가되는 보존제 등이 첨가된

다.

지금까지 개발된 일반적인 바인더 시스템의 경우 대형 위주의 성형체 제조를 위한

것으로 이러한 바인더 시스템은 특성상 낮은 성형압으로도 용이하게 과립이 깨지고

아울러 잘 결합되도록 하여 동일한 바인더 시스템을 소형 기물에 사용하는 경우 성

형체의 강도발현에 문제가 있는 바 이에 대한 보완을 하였다. 또한 고속성형이 가

능하도록 적정 윤활제의 선정이 요구되었다.

- 19 -

3. 과립제조

원료분말을 분말성형 프레스에 투입하기 위해서는 적정크기로 과립화된 입자가 요

구되며 이러한 목적으로 대개의 경우 분무 과립기(spray dryer)를 이용 과립화한다.

이러한 과립화 공정은 첨가된 바인더 시스템에 따라 즉 바인더 시스템을 포함하는

슬러리(slurry)의 점도, 밀도 변화에 따른 유변학적 특성의 변화가 따르며 이에 따라

과립화 조건의 변화가 수반된다. 일반적인 공정에서 요구되는 세라믹 과립의 크기

는 최소 100㎛이상이 선호되나 작고 정밀한 세라믹 성형의 경우 성형체의 치수 편

차 등의 이유로 크기가 작으며 좁은 분포를 갖는 과립이 요구되어 이에 대한 실험

을 진행하였다. 과립을 분급하여 평균 과립크기에 따른 치수 편차분포를 확인하여

최소한의 분포를 하는 과립의 크기 분포를 결정하였다. 이를 통해 패키징용 소형

리드에 적합한 최적의 바인더 시스템을 결정할 수 있었다.

제2절 고속 성형기술

1. 성형 정밀도의 필요성

소형 초정밀 세라믹부품 제조를 위해서는 이종간 즉 기계관련 기술과 함께 세라믹

공정관련 기술이 동시에 필요하다. 1008칩크기 즉 2.5X2.0 ㎜ 정도의 크기를 갖는

세라믹 패키지 제조와 같은 소형 부품 제조 그리고 고속 표면실장을 위한 부품의

치수 편차는 금형오차에 버금가는 10-20㎛이하까지 감소하는등 부품 요구특성은

향상되고 이로 인해 기계나 금형의 정밀도는 상당수준으로 높아져 금형의 경우 수

㎛이내의 정밀도가 요구되고 있으며, 이러한 정밀 금형이 유지될 수 있는 정밀 프

레스가 함께 요구되고 있다. 이러한 정밀도를 실현하기 위해 기존의 일반 성형프레

스로서는 한계가 있으며 이를 해결하고자 새로운 개념의 프fp스를 설계 제작하였

다.

2. 고속 정밀 프레스 개발

당사는 기존 프레스와는 기본적인 작동원리가 상이한 고속 정밀프레스를 개발하여

이를 국내 (특허출원 제 00-10883 호, 양압성형 시스템, 2000년 3월) 및 국제 특

허 출원(PCT출원/KR01/00324, 2001년 3월 2일)하였고 이를 바탕으로 현재 미국

일본 중국 유럽연합에 특허를 출원중에 있으며 이를 이용하여 이미 SAW필터용 세

라믹 리드(Ceramic Iid), 레조네이터용 세라믹 리드, 각종 소형 인덕터 코어 등 일

부 전자부품용 정밀 세라믹스를 제조하고 있다.

- 20 -

당사에서 특허 출원중인 프레스는 고정된 다이(Die)를 중심으로 상하에서 압력이

독립적으로 원하는 시점에 가압이 되는 장치로서 기존의 상방향 또는 일방향에서

가압되는 장치와는 대별되는 특징을 갖는다. 성형 후 소결 공정을 거쳐 약 15~16

%의 수축 후에 완제품이 완성되는 경우, 성형체의 균일한 성형 밀도는 치수와 변

형이 없는 제품제조를 위한 필수 조건이다. 특히 세라믹 리드와 같은 형상의 경우

부위별 정확한 압력이 전달되지 아니하는 경우 소결 후 심한 변형이 발생하여 제품

제조가 불가능하며 이로 인해 정밀한 양방향 가압이 가능한 프레스 장치가 요구된

다.

이를 위해서는 부위별 압력 조절이 독립적으로 가능하여야 하므로 기존의 프레스의

경우 복잡한 장치를 이용(Floating die 기법)하여 양압의 발생을 유도하였으나, 이

는 대형의 기물에 적합하며 소형의 얇은 두께(최소 0.2 ㎜)를 갖는 세라믹 분말 성

형 부품 제조에는 적합하지 아니하였다. 또한 복잡한 구조물로 이루어지는 이유로

인해 성형속도에 한계를 가지며 아울러 정밀도 또한 한계를 나타내었고 이에 적용

하는 금형 또한 크기가 커지는 등의 문제로 인해 금형 자체의 정밀도에 한계를 나

타내었다. 세라믹의 경우 성형 후 소결이 이루어지면 후가공은 거의 불가능하며 따

라서 제품의 완성도는 성형단계에서 결정되는 바 금형의 낮은 정밀도 등으로 인해

발생되는 결함 (burr, chipping)은 제품 특성에 치명적이다. 따라서 이러한 문제를

해결하고자 당사는 [그림 3-2]에 나타낸 기본구조를 갖는 프레스를 개발하였다. 즉

다이를 중심으로 상하압을 각기 독립적으로 제어할 수 있는 방식으로 이를 이용 동

급 발생압력 대비 장치의 부피를 크게 줄일 수 있고 정밀한 조작이 가능한 프레스

를 제조하였다. 이러한 방식을 적용하는 경우 하중을 회전축에 집중시킬 수 있어

프레임의 크기를 줄일 수 있는 부수적인 효과뿐만 아니라 다이가 고정되어 있으므

로 성형 속도를 높일 수 있고, 또한 분말 충진장치를 정밀하게 적용할 수 있어서

재현성 있는 분말 충진이 가능하게 되었고, 이로 인해 성형품의 치수 정밀도를 향

상시키는 특징을 갖는다.

부품의 크기가 줄어들고 여기에 요구하는 정밀도가 높아짐에 따라서 금형 및 금형

주변 부품의 높은 정밀도가 요구된다. 개발예정중인 세라믹 리드용 금형의 경우 수

㎛ 대의 정밀도 요구되며 이를 고정하는 금형 다이셑의 경우 이 이상의 정밀도가

요구된다. 또한 적정한 압력 분배를 위한 적정 설계가 요구되며 또한 용이한 결합

분해를 위해 새로운 개념의 다이셑을 설계제작 하였다. [그림 3-2]에는 양압적용이

용이하도록 설계된 금형고정용 다이셑(Die set)을 적용한 프레스의 개념도를 나타

내었다.

- 21 -

[그림 3-2] 금형고정용 다이셑을 포함하는 프레스 개념도

다이셑을 일체화함으로써 정밀도를 크게 향상시킬 수 있었으며 여기에 적용되는 금

형의 경우 기존 금형 길이 대비 1/4로 줄일 수 있어서 금형 정밀도를 크게 향상시

킬 수 있었다. 또한 금형과 다이셑을 프레스에서 분리하여 외부에서 조립함으로써

금형 조립시 발생할 수 있는 금형의 손상 방지는 물론 신속하고 정밀한 금형 결합

이 가능하여졌다. 기 개발된 프레스 장치를 이용 현재 일부 부품(세라믹 리드 및

칩인덕터용 부품)을 제조 판매하고 있는 바 신뢰도 및 작동상의 안정성 등에 관한

일반적인 검증은 확인된 상태이다. 당사에서 개발된 프레스는 현재 시판되고 있는

외국산 프레스 대비 각종 특성에서 월등하며 특히 소형 정밀 금형을 적용하는 경우

또는 정밀한 양압 제어가 필요한 경우 최적의 특성을 발휘한다.

- 22 -

3. 고속 정밀 프레스의 자동화 생산 시스템

프레스 개발의 초기단계에서 시작하여 본 과제 수행단계를 거치면서 기본 구조물에

계측장치를 추가 설계하여 생산 제품의 신뢰성을 증가시켰다.

즉, 로드셀을 이용하여 성형체가 받는 압력을 실시간으로 측정하여 이상압력 발생

시 경보 및 Power Off가 되도록 장치를 함으로써 양산시 로트내의 편차발생을 억

제할 수 있었고 재현성있는 제품제조를 가능케 하였다.

프레스에서 성형된 성형체는 소결로내로 투입되기전 세터상에 정렬하여야 하고 이

를 일부 자동화를 시도하였다. 전형적인 pick and place 방식의 자동화 장비로 정

상적인 운용이 가능하였으나 검사공정을 성형단계에서 적용하는 것이 최적이라는

판단이 들어 작업자가 성형체의 검사와 동시에 세터 내에 적재하여 생산성을 높일

수 있었다.

제3절 소결기술

상기한 바인더 시스템과 신개념 프레스 시스템은 최적 소결을 위한 선결조건이며

위 조건이 안정될 때만이 소결 후의 안정된 제품을 얻을 수 있다. 즉 성형이 잘못

된 경우 이후의 어떤 공정에서도 이를 바로잡을 수 없으며 이는 전체 제품의 불량

으로 연결된다. 소결 시간과 온도를 포함하는 적합한 소결 스케줄의 시험을 진행하

여, 개발 목표에 부합하는 기계적 강도 및 환경 안정성을 갖는 제품을 얻는 성과를

거두었다.

생산방식의 개발에서는 일반적으로 사용되는 엘리베이터 방식의 로를 발전시켜,

Batch Type이 아닌 연속생산방식의 ‘회전식 연속로(특허출원 02-0007254호)’를 개

발 및 제작, 적용함으로써 생산성을 극대화시키고 자연 급속냉각에서 오는 소결체

의 물성 단점을 보완하였다. 소결공정은 전체 제조공정중 큰 제조원가를 차지하는

공정으로 적절한 세터의 선정, 최적의 소결 스케줄 선정등을 통해 제조 공정을 합

리화 할 수 있었다. 이는 현재 적용되고 있는 알루미나 세라믹의 소결온도가 상업

적으로 적용되는 일반전기로의 한계온도인 1600도 이상의 온도에서 소결이 이루어

지는 바 로제 및 로 내로 투입되는 각종 자재의 안정성이 문제가 되며 이로 인해

제조 원가의 상승으로 연결되는 문제점이 있다.

- 23 -

제4절 에폭시 도포기술

리튬 탄탈래이트(LiTaO3) 등의 압전 단결정을 이용 SAW필터를 제조하는 경우 내부

전극으로 알류미늄 금속을 사용한다. 이로 인해 이러한 웨이퍼 상에 제조된 칩을

패키징하는 경우 350℃ 이상의 높은 온도에 칩이 노출되는 경우 알루미늄 금속 전

극의 손상이 발생할 우려가 있으며 이는 부품 특성의 손상으로 연결되는 치명적인

불량을 발생시킬 수 있다. 이를 방지하기 위해 밀봉온도를 최대한 저하시키려 여러

가지 방법이 제안되었는데 저온 유리를 이용한 밀봉법, 에폭시를 이용한 밀봉법, 저

융점금속(AuSn) brazing 방법 또는 welding방법이 그것이다.

저온 유리를 이용한 밀봉법, 에폭시를 이용한 밀봉법은 세라믹 리드에 에폭시ㆍ밀

봉제 또는 유리 밀봉제 등을 도포한 후 기판과 밀착하여 밀봉한다. 에폭시 밀봉제

는 작업이 용이한 특성으로 널리 사용되고 있으나, 250℃이상의 고온특성 및 진공

기밀특성 등 까다로운 요구조건을 만족하여야 한다. 에폭시는 세라믹 리드의 테두

리에 반경화 상태(B-stage)로 도포하며, 최종조립 후 경화된다. 반경화 에폭시의

두께는 균일하여야 하며 이는 최종적으로 진공기밀성 등에 결정적인 영향을 끼친

다. 에폭시의 종류에 따라 점도등 다양한 특성의 변화를 관찰하였고 이에 적용가능

한 코팅방법을 찾기 위해 최적의 도포장비 및 기술을 확보하여야 하며, 장비의 경

우 본 연구과제에서 개발하여 소형 기물에 대한 적정도포방법 등의 분야를 검토하

였다.

제5절 품질관리기술

RF SAW필터용 세라믹 리드 제품의 허용되는 치수편차는 ±20㎛이나, 조립공정 중

발생하는 불량률 감소 및 특성 향상을 위해 이보다 더욱 엄격한 관리가 요구된다.

이는 성형 후 소결시 약 15~16%의 소결수축이 일어나는 현상을 고려할 때, 고도

의 기술이 요구되는 분야이다. 특히 그림과 같이 테두리 부위와 바닥 부위의 두께

차이가 큰 경우 소결 후 형상의 왜곡 등 변질을 방지하기 위해서는 균일한 성형밀

도를 유지하여야 하는 기술적인 어려움이 따른다. 아울러 성형체의 소결중 발생할

수 있는 치수 편차를 억제하기 위한 로 내의 온도 유지 기술등을 포함하는 소결관

리 기술이 요구된다. 또한 성형에 사용되고 있는 금형의 재현성있는 치수 유지를

위해 정밀한 치수 검사장비가 요구되며 또한 소형 기물의 치수 측정 방법 도출 및

측정 자료를 data화 하고 이를 통계처리하여 관리하여야 하는 전체적인 품질관리

기술이 필수적으로 요구된다. 전공정에 걸쳐 체계적인 관리 방법이 엄격한 치수를

갖는 부품의 제조를 가능하게 하며 이를 위해 각 공정별로 자료 획득 및 관리를 위

한 항목을 마련하였다.

- 24 -

이를 위해 제2절에서 상기한 바와 같이, 프레스의 압력측정 시스템을 통하여 공정

품질관리의 수준을 높였으며 비접촉 측정기를 도입하여 원료의 입도분포 및 성형과

정에서의 치수정밀도, 소결 후 최종제품의 치수정밀도에 대한 신뢰도를 높였다.

- 25 -

제4장 개발 결과

제1절 원료분말 제조기술

1. 최적의 Binder System 개발

세라믹 제조공정에서 성형공정이 차지하는 비중은 여타공정에 비해 크다. 또한 이

러한 성형공정에서 바인더 시스템은 중요한 위치를 차지한다. 동일한 출발 세라믹

원료로부터 성형체를 제조할 수도, 못할 수도 있기 때문이다. 본 연구에서는 초소형

세라믹 성형체를 치수편차가 작은 분포를 갖도록 다양한 세라믹 바인더 시스템을

실험하였다. 알루미나를 주로하는 동일한 원료를 출발 원료로하여 binder,

plasticizer, lubricant 그리고 기타 보습제등을 변수로 기초 실험을 진행하였다. 이

들중 성형특성에 큰 영향을 끼치는 binder, plasticizer, lubricant를 변화시키면서

성형체의 치수편차, 성형체의 강도 변화 및 소결특성을 확인하였다.

가. 출발원료 조성

출발원료로서 평균 입도 3-5㎛을 갖는 smitomo AM-21알루미나, 1-2㎛의 평균 입

경을 갖는 AES-11 그리고 국내산 A 사의 AES급 원료를 사용하여 실험을 진행하

였다.

성형 및 소결특성 향상을 위해 적량의 탈크와 미량의 CaO를 첨가하였다(표 4-1

참조). 열충격 특성등의 특성 변화를 위해 첨가물을 변화시켜 특성의 변화를 관찰

하였다. SiO2, MgO 등이 탈크의 형태로 투입되는 바 정밀한 조성의 확인이 쉽지

는 않았으나 표에 나타낸 조성의 경우 여타 특성을 비롯 특히 열충격 저항의 특성

에서 우수한 것으로 나타났다. 1회 실험 배치의 크기는 20㎏으로 정하였다.

[표 4-1] 원료분말 조성

원료명 Al2O3 SiO2 CaO MgO 기타

조성(wt/wt%) 95.0 1.9 0.9 1.8 0.4

[표 4-2] 첨가제 출발조성

첨가제 Al2O3 결합제 가소제 이형제 분산제 소포제

첨가량wt% 100 variable variable variable 0.02 0.005

- 26 -

출발 알루미나의 종류에 따른 세라믹 소체의 특성 변화는 동일 소결온도에서 큰 변

화를 관찰할 수 없었으나 미분말 사용시 소결체의 강도 향상을 확인할 수있었다.

1600℃에서 1.5시간 소결하는 경우 95%이상의 소결밀도를 확보할 수 있었다.

나. 성형조제첨가변화에 따른 물성변화

성형조제 첨가량 변화는 성형체 특성의 변화에 직접적인 영향을 끼치나 이보다 먼

저 과립제조단계에서 과립의 크기분포에 더 큰 영향을 끼친다. 즉 첨가물을 함유하

는 slurry의 농도 변화 이에 따른 점도 변화 그리고 이로 인해 분무과립시 과립크기

및 형상의 변화가 따르며 아울러 과립의 bulk density에 영향을 끼쳐 성형체의 크

기변화를 유발하는 등 이후 성형체의 특성에 영향을 끼친다. 이러한 이유로 성형조

제 첨가제의 변화는 공정 전반에 걸친 영향을 끼치는 바 조심스런 접근이 요구되며

개발초기 최적화 된 성형조제 선정이 요구된다. 당사에서 개발된 고속 정밀 프레스

에 적합한 바인더 시스템을 선정하기 위해 다음과 같은 요구 특성하에서 결합제,

가소재, 이형제의 첨가량을 결정하였다.

◎ 요구조건

① 고속성형에 적합한 성형체 강도 발현.

② 고속성형시 성형체 치수편차를 유발하지 아니하는 뛰어난 흐름성.

③ 고속성형시 금형에 부착되지 아니하는 이형특성.

④ 습도 변화에 둔감한 첨가제 조합.

그 동안의 체계적인 실험을 통하여 결합제로 사용되는 PVA, 가소제로 사용하는

PEG, 그리고 윤활제로 사용하는 세루졸(일본 ,중경화학)이 적합함을 확인하였고 이

들의 사용범위를 적절히 조절하여 최적의 성형조제 조합을 규명하려 하였다.

- 27 -

(1) 결합제

결합제는 일반적으로 사용되는 Poly Vinyl Alcohol(PVA) 205를 사용하였다. 결합제

는 입자간의 결합을 가능케 하는 기본 조제로서 성형체의 강도 발현에 필수적이다.

통상적으로 사용되는 양보다 과량 첨가하여 성형체의 강도 변화를 확인하였다. 0.2

Wt%첨가한 경우 성형체 강도가 너무 약하여 점진적으로 늘려 최고 1.6 Wt%까지

첨가하여 성형체 강도 변화 및 치수 편차, 소결 밀도의 변화를 실험하였다. 소결 밀

도의 경우 적정 성형압(취급가능한 성형체 강도 유지)을 갖는 성형체의 경우 소결

온도에서 충분한 소결 밀도를 나타내었다. 성형체에 대한 기계적인 강도 측정을 시

도하였으며 성형 후 이송 과정 중에 문제가 발생하지 아니하는 경우 적합한 것으로

판정하였다. 0.8Wt%이상의 함량에서 충분한 취급강도를 나타내었다. 결합제의 함

량증가는 성형체의 이형성에도 영향을 끼치는 것을 확인하였다. 즉 첨가량의 증가

에 따라 이형성이 향상되는 것을 확인하였다. 성형압이 충분히 가해져 과립이 깨지

는 경우 성형체의 강도 증가로 인해 금형에 부착을 억제하는 것에 기인하는 것으로

추정된다. 0.8Wt%이상의 PVA 첨가량의 경우 성형 후 소결체의 치수 안정성을 확

인하였다. 그러나 장시간 습도의 변화에 노출되는 경우 소결체 치수변화를 확인하

였고 이는 PVA의 흡습에 따른 성형특성의 변화에 기인하는 것으로 추정되었다. 그

러나 결합제의 경우 여러 특성을 고려하는 경우 다른 대안을 찾지 못하였다. 이러

한 흡습에 따른 치수의 변화는 가소제로 사용하는 PEG의 경우에도 동일한 현상을

확인하였다. PVA의 경우 몇가지 특성을 고려 최종적으로 1.2Wt%를 첨가하여 분말

제조를 하였다. 이를 바탕으로 가소제 및 윤활제의 첨가량 변화영향을 고찰하였다.

[그림 4-1] 결합제 첨가량에 따른 성형 및 소결특성

- 28 -

(2) 가소제

가소제는 성형시 가소특성을 부여하여 성형시 용이한 압력전달 및 성형후 spring

back 현상을 감소시킨다. 따라서 성형체 내의 균일한 압력전달이 가능해지도록 하

는 역할을 하나 지나치게 첨가되는 경우 성형체가 쉽게 변형되는 단점을 갖게 된

다. 또한 대부분의 가소제가 공기중의 수분에 쉽게 수화되는 특징이 있어 지나치게

첨가되는 경우 대기중의 습도 변화에 따라 성형특성의 변화가 심하게 나타나게 된

다. 본 실험의 경우 바인더 1.2wt%를 포함하는 slurry에 가소제를 0%, 0.05%,

0.1%, 그리고 0.15% 첨가하여 각각의 경우에 대해 소결밀도변화, 치수편차, 성형

불량을 확인하였고 아울러 성형전 분말의 흐름특성을 실험하였다. 각 조건에서 가

소제의 첨가에 따라 소결밀도의 향상을 확인하였으나 치수편차의 변화는 관찰할 수

없었다. 상대습도 40%이하에서는 성형불량의 변화를 관찰할 수 없었으나 습도가

높아지는 경우 가소제의 증가에 따라 치수 변화를 관찰할 수 있었다.

[그림 4-2] 가소제 첨가량에 따른 소결밀도

(3) 이형제

본 과제중 바인더 시스템의 선정에서 가장 중요한 부분이 이형성 이었다. 즉 성형

시 금형에 부착이 발생하는 경우 성형체가 작은 관계로 검출이 용이하지 아니하였

고 또한 이는 외관 불량 및 치수 불량으로 직접 연결되기 때문이다. 일반 상용 과

립화된 분말을 적용하는 경우 이형 특성이 불량하여 금형이 부착이 발생함을 관찰

하였다. 이는 금형의 lapping 등을 향상시키는 경우 해결될 것으로 기대 하였으나

효과를 얻을 수 없었다. 통상적으로 사용되는 수종의 이형제 또는 윤활제를 사용하

였으나 일본 중경유지의 세루졸 920이 당사에서 개발한 고속 프레스에 사용되는

분말에 대해 가장 적합한 것으로 확인되었다. 첨가량 2.0wt%이하에서는 부착이 일

부 있으며 부착이 일정 부위에서 발생하지 아니하고 옮겨서 부착이 일어나는 것을

확인하였다. 2.0%이상 첨가하는 경우 부착현상이 발생하지 아니하였다.

- 29 -

[그림 4-3] 이형제 첨가량에 따른 부착불량률

다. 결 과

최적의 바인더 첨가 조성은 [표 4-3]과 같다. 성형조제 첨가량의 변화에 따른 성형

특성 특히 치수 편차 및 이형특성의 변화를 중심으로 최적 함량을 결정 하였다. 물

론 이는 출발 원료의 입도분포, 밀링조건 그리고 이루 분무 과립화 과정의 영향을

받으나 동일한 실험조건하에서 같은 결과를 얻었다.

[표 4-3]최적의 바인더 조성

첨가제 Al2O3 결합제 가소제 이형제 분산제 소포제

첨가량(원료분말 100기준wt%)

100 1.2 0.1 2.0 0.02 0.005

- 30 -

2. 분쇄 및 분산

성형공정 및 이후 소결공정 그리고 소결체의 미세조직에 직접적인 영향을 끼치는

원료분말의 분쇄 및 분산의 영향을 실험하였다. 알루미나 세라믹 제조 공정에서 분

쇄를 목적으로 새로운 공정을 추가하는 경우는 흔하지 아니하다. 즉 분쇄 보다는

분산을 목적으로 볼밀이나 또는 일부 분쇄를 포함하는 분산을 위해 attrition milling

을 행하게 된다. 본 연구에서도 볼밀과 attrition 후 볼밀공정을 추가하여 이에 따른

소결체의 미세구조를 관찰하였고 또한 push pull gauge를 이용 소체의 강도를 측

정하였다. 아울러 열충격 특성을 확인하였다.

[표 4-4] 원료 분쇄 및 분산의 영향 비교

분쇄 및 분산을 위해 원료분말과 증류수 그리고 분산제를 첨가하여 12시간 가량 밀

링 또는 attrition+milling 한 후 spray dry 2-3시간전 각종 성형 조제를 첨가한후

다시 충분히 교반한 후 분무 과립화 하였다. 고속성형 시 금형의 이동거리는 속도

및 치수 편차등과 관련이 있을 것으로 예상되어 고형분 함량(bulk density)을 최대

화 하려는 실험을 진행하였다. 고형분 함량의 증가에 따라 slurry의 유동성에 문제

가 발생하여 과량의 분산제를 첨가하여 분무건조 하였다.

본 연구에서 개발하려는 세라믹 리드의 경우 기물이 소형이며 또한 두께 또한 0.25

㎜ 이하로 작은 관계로 바인더 제거등의 공정이 크게 문제가 되지 아니하는 바 통

상 적용되는 첨가량 보다 과량의 분산제를 첨가하였다. 분산제로 Sannopco

cerasperse 5468-CF를 사용하였다. 또한 분산 특성은 slurry의 온도에 크게 의존

하는 바 초기 출발 증류수의 온도를 30℃이상으로 가열하여 사용하였다.(attrition

경우 제외) 이를 통하여 계절의 변화에 따른 분산특성의 변화를 예방할수 있으며

또한 용액의 점도를 저하시킴으로 인해 분산 및 분쇄특성의 향상이 예상된다.

- 31 -

3. 분무과립(Spray Drying)

분무과립공정은 적정 크기의 과립분포를 갖도록 그리고 과립의 형상이 균일하도록

하여야 하며 특히 높은 회수율을 갖도록 공정을 진행하여야 한다. 치수 편차가 제

한된 성형체 제조를 위해 좁은 크기분포의 분말이 요구되며 이는 slurry의 점도

(binder 첨가량에 크게 의존하며 일부 slurry의 온도에 의존)조건과 spray의 특성에

따른 운전조건에 크게 의존한다. 관련 연구는 바티오텍의 직경 2.5m의 spray dryer

을 이용 실험하였다. 분말 회수율 85%이상이 가능하였고 크기 분포는 [그림 4-4]

에 나타낸 바와 같다. 벽 두께 0.25㎜ 정도의 소형 기물의 경우 과립의 크기가 큰

경우 충진 양상이 작은 과립에 비해 다를 것으로 예상되며 이는 치수 편차로도 확

인하였다. 과립의 크기 분포가 커짐에 따라 성형체 치수 분포 또한 넓어지는 것을

확인하였다. 따라서 작은 과립이면서 치수분포를 줄이기 위해 소형의 새로운 방식

의 과립건조기를 제조하여 [그림 4-4]에 나타낸 바와 같은 좁은 분포의 과립을 제

조할 수 있었다. 75-106㎛의 과립크기가 전체 분율에서 80% 이상을 가지도록 제

조할 수 있었으며 이때 과립의 bulk density는 1.2g/㎤ 로 비교적 높은 값을 가지

는 것을 확인하였다. 각기 다른 조건에서 제조된 높은 bulk density를 갖는 과립은

프레스 공정에서 몇가지 잇점을 갖는다. 특히 금형 이동거리를 줄일 수 있어 성형

속도를 증가시킬 수 있고 분말의 흐름 특성이 향상됨과 함께 금형 마모 부위의 감

소로 인한 금형 수명의 연장등 부수적인 이득이 있다.

가. 과립 분포

통상적인 방법에 의해 제조된 과립의 경우 75-150㎛의 범위에서 72%정도의 크기

분포를 갖는 것을 확인하였다. 목적에 맞는 45-106㎛의 경우 53.2% 로 나머지

46.8%는 사용할 수 없다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 atomizer의 크기와 형상

을 변형하여 분무 건조한 결과(slurry jet) 75-106㎛의 범위에서 81.3%의 분율을

가지는 과립을 제조하였다.

- 32 -

[그림 4-4] Spray Drying 방법에 따른 과립분포

나. 흐름성

(1) 시험 방법

동일한 양의 분말을 컵에 충진 후, 컵을 빼내었을 때 분말이 퍼진 직경를 측정하여

흐름성을 간접적으로 정량화 하였다. 20cc의 분말이 펼쳐진 원의 직경이 10㎝ 정

도임을 확인하였고 입자 형상이 균일한 즉 75-106㎛의 범위에서 81.3%의 분율을

가지는 과립의 경우 원의 직경이 10.5㎝으로 불규칙한 형상의 입자의 9.8㎝경우에

비해 흐름성이 우수함을 확인하였다.([그림 4-5]참조) 분당 60회 가압하는 프레스

의 경우 다이에 분말이 투입되는 시간은 불과 0.1초 남짓으로 사소한 차이로도 분

말 충진량의 변화를 유발시킬 수 있다. 따라서 과립의 고형분 함량을 증진시켜 충

진 깊이를 줄이고 아울러 흐름성을 개선하여 충진 불균일을 해소하였고 이에 따른

치수 편차를 줄일 수 있었다. 소결후 치수 편차 분포는 ±15㎛의 좁은 값을 가지는

것을 확인하였다.

- 33 -

(2) 시험 결과

- 34 -

[그림4-5]분말 흐름성 시험결과

a)바티오-1 b)바티오-2 c)slurry jet 방식

- 35 -

다음 [그림 4-6]은 흐름성에 영향을 미치는 입자의 형상을 나타내었다. 그림에서

입자의 크기 편차가 크며, 입자의 형상이 타원을 가지는 것이 많은 분말 a)에 비해,

입자의 크기 편차가 작은 분말 b)가 더 양호한 흐름성을 갖는다.

[그림 4-6] a) 바티오-1 b) slurry jet

- 36 -

제2절 고속 정밀 성형기술

1. 금형설계

상기한 바와같이 성형체의 소결 후 수축률은 평균 15~16%를 보이나, 형상과 두께

의 차이로 인해 각 방향(x, y, z축) 및 부위별 수축률은 각기 상이하다. 이러한 점

에서 금형설계시의 압력분배 및 치수정밀도에 대한 기술을 발전시킨 것은 이번 과

제 수행의 주요 성과 중 하나이다. 금형은 다이셑에 고정이 되고 이 다이셑은 프레

스내에 위치하게 된다. 이러한 이유로 금형의 정밀도나 금형의 형상, 크기는 전적으

로 사용되는 프레스에 의존하게 된다. 당사에서는 소형의 정밀 세라믹스를 성형하

기 위한 독자적인 프레스를 자체적으로 설계 제작 할수 있는 기술을 확보하고 있는

바 소형 정밀 세라믹 기물을 성형하기 위한 다이셑 및 이에 적합한 금형 제조 기술

을 확보 하고 있다. 금형의 정밀도는 다이셑이 소형 화 된 이유로 여타 프레스에

적용되는 금형 대비 길이면에서 70%정도 감소 시켜 이에 따른 금형 제조시 제조

단가 절감 및 금형 정밀도 향상을 기할 수 있었다. 통상적인 금형의 제조 공차는

20㎛이상을 유지하나 소형의 기물을 성형하는 경우 이 정도의 공차를 유지하는 경

우 지나친 burr의 형성 그리고 이에 따른 치수 편차로 연결되는 바 금형의 공차를

최소화 하려 하였고 약 10㎛이하의 공차를 유지하였다. 이러한 정밀한 금형 공차는

금형의 전체 길이가 20㎜ 내외로 지극히 소형으로 설계할 수 있어 가능하였다. 성

형체 및 소결체의 치수 편차를 방지하고 또한 성형체가 성형 이후 공정에서 기계적

강도를 유지하게 하기 위해 성형압을 일반적인 대형 기물 성형에 가하는 압력보다

15% 이상 적용하였다. 이로 인해 금형의 마모가 예상되어 초미립 WC 재료를 적용

하여 금형의 내구성 향상을 기하였다. 금형의 정밀도는 금형의 내구성과 직접 연관

되어 금형의 정밀도가 향상되는 경우 아울러 금형 수명의 연장이 예상된다. [그림

4-7]에 RF-SAW package 용 금형의 실물 사진을 나타내었다.

- 37 -

a) Die

b) 상하 Punch

c) Core

[그림4-7] a)Die b)상하 Punch c)Core

- 38 -

2. Die Set

다이셑은 금형을 정밀하게 고정하고 프레스에서 발생된 압력을 금형에 정밀하게 전

달하기 위한 장치이다. 일반적인 분말 프레스의 경우 일방향으로 작용되는 프레스

의 압력을 이용 양압으로 변환하기 위해 다이셑을 길이를 길게하여 소위 floating

die란 방법을 사용하고 있다. 본 연구에서 사용된 프레스는 프레스 자체 내에서 정

밀한 상하 양압을 발생하므로 적은 크기의 다이셑을 적용할수 있었다. 특히 2단이

상의 형상을 갖는 세라믹 성형을 위해 고정된 코어, 상하로 움직이는 하펀치등을

고정하기 위해 새로인 고안된 [그림 4-8]과 같은 다이셑이 적용되었다. 전체 높이

20㎝내외의 소형화된 다이셑으로 모든 구동부위을 동시에 가공함으로써 가공시 발

생하는 오차를 줄여 정밀도를 크게 향상시킬 수 있었다. 이러한 정밀 다이셑을 적

용한 관계로 1측면 5㎛이하의 정밀도를 갖는 금형을 용이하게 조립 작동 시킬 수

있었다. 현재 프레스와 함께 국제 특허 출원중이며 개략적인 개념도를 [그림 3-2]

에 나타내었다. 다이셑 개념도 및 설명에서 제시한 바와같이 새로운 개념의 다이셑

개발은 금형의 정밀도를 높이는 데에 상당한 기여를 하였다. 특히, 다이를 중심으로

상하에서 독립적으로 압력이 전달됨에 따라 성형체의 균일한 밀도가 유지되는 결과

를 얻을 수 있었다.

[그림4-8] 다이셑

- 39 -

3. 프레스

동일 축에 마주보는 원판위에 형성시킨 캠에 의해 발생되는 양압을 이용한 프레스

(PCT/KR01/00324호)는 다음과 같은 장점을 갖는 것이 검증되었다.

- 일체형 다이셑 및 지속적인 압력전달에 의한 성형밀도 및 치수정밀도

- 상하 양압 제어방식에 의한 치수 조절의 용이

- 금형의 분리, 결합 용이성

- 최고 170spm의 생산성

- 기존 외산 프레스 대비 저비용의 설비제작 가능

[그림 4-9]에 나타난 바와 같이 기존의 프레스는 최고압을 유지할 수 있는 기능을 할 수 없으나, 당사에서 사용하는 프레스의 경우 최고압 상태를 원하는 시간만큼 유지시킬 수 있는 특징을 갖는다. 따라서 유지시간동안 성형체의 소성 변형이 가능하여 치수 편차를 억제할 수 있는 장점을 갖게 된다.

[그림4-9] 압력전달에 대한 일반 캠 방식 프레스와의 비교도

a)일반 캠축 방식, b)개발완료한 양압프레스

- 40 -

4. 속도에 따른 치수편차

위에서 기술한 원료분말 제조기술, 고속 정밀 성형기술 등에 의해 과제의 목표에

대한 상당한 성과를 거두었으나, 프레스의 속도에 대한 치수편차는 어느정도 존재

하는 것으로 확인되어 향후 지속적인 개선이 필요한 항목으로 파악되었다. 이는 금

형의 공차, 프레스의 진동등에 의해서 영향을 받을 것이 예상되며 보다 정밀한 성

형을 위해 기계공학적인 측면에서의 접근이 요구된다. [그림 4-10]에 통상적인 입

도 분포를 갖는 과립(45-150㎛. 91.4%)의 성형속도에 따른 치수 편차를 나타내었

다. 좁은 입도분포(75-106㎛. 95.7%)를 갖는 경우 60spm까지도 충분히 좁은 치수

편차를 갖는 것을 확인하였다. 분체에 대한 개선이 이루어지는 경우 80 spm 의 프

레스 속도가 가능할 것으로 예상된다.

a) 바티오분말 (45~150㎛, 91.4%)

b) SZ-1 (75-106㎛, 95.7%)

[그림4-10] 프레스 성형속도에 따른 치수편차

- 41 -

5. 성형체 강도

RF-SAW package의 벽 두께가 0.25㎜로 얇은 관계로 충분한 성형체 강도를 확보

하지 못하는 경우 작업능률이 떨어지게 된다. 특히 고속 성형시 탈형 이후 이송 과

정중에 성형체가 변형 또는 손상을 입게 된다. 따라서 성형체 강도는 바인더의 조

절과 프레스 성형 압을 조절하여 극대화하도록 하였다. 성형체가 작고 강도 자체가

미미하여 강도 측정이 어려워 push-pull gauge를 이용 성형과 동시에 강도측정을

하여 (그림 4-11참조)정량화하였다. 성형체를 조작하는데 충분한 강도이며 모서리

떨어짐이 발생하지 않는 것을 확인하였다.

성형체에 가해지는 상하 압력이 적절하지 아니한 경우 [그림 4-12] 와 같이 바닥

부위에서 성형이후 crack이 관찰되었다. 이러한 현상은 성형압의 조화를 통해 용이

하게 조절할 수 있었다. 외관상 문제가 없는 경우에도 소결 후 [그림 4-13]과 같

은 압력 편차에 따른 소결체의 휨이 관찰되었으나 적절한 압력조절을 통해 휨 5㎛

이하의 정밀한 세라믹 리드를 제조 할 수 있었다.

[그림 4-11] Push-Pull Gauge를 이용한 강도측정

a) Crack 도해 b) Crack으로 바닥면 모서리가 파단된 성형체

[그림 4-12] 성형압력 이상으로 인한 현상

- 42 -

a) 압력분포 A > B b) 압력분포 A < B

[그림 4-13] 압력편차에 의한 소결체의 휨현상 단면도해

제3절 소결기술

소결은 일반적으로 분말 성형체의 치밀화를 의미한다. 소결은 초기분말 사이의 기

공들이 제거되어야 하며 인접 입자들간의 강한 결합이 동시에 일어나야한다.

이러한 조건은 분말 입경, 성형 압력, 소결 온도, 각 온도에 머무르는 시간이 모두

주요한 요인으로 작용함을 의미한다. 특히 성형시 충진의 균일성, 입자의 모양, 입

경의 분포 등은 최종 물성에 매우 큰 영향을 준다.

위 요소 중 원료분말에 대한 문제와 성형압력에 대한 문제들은 앞에서 그 해결책을

제시하였다. 아래에서는 이상적인 소결 Schedule과 양산에 대한 생산성을 중심으로

과제 수행 결과를 기술하기로 한다.

RF-SAW 필터용 세라믹 리드의 경우 일반적인 알루미나와는 다른 소결 특징을 갖

는다. 즉 소형이고 또한 성형체가 얇은 이유로 인해 통상적으로 요구되는 장시간의

binder burn out 공정을 필요로 하지 않는다. 따라서 빠른 승온이 가능하며 또한

냉각시 열충격을 받지 아니하므로 빠른 냉각이 가능하다. 그러나 기물이 작은 이유

로 인해 setter의 무게가 95%이상을 차지하게 되어 효율적인 소결을 위해서는 빠른

승온 및 냉각중에도 setter의 손상이 억제되는 소결방식을 강구하여야 만 한다. 따

라서 본 과제에서는 새로운 방식의 소결로를 개발하여 생산에 적용 시도하였으며

아울러 열량의 95%이상이 setter를 가열하는데 사용되므로 이를 개선하기 위한 연

구를 진행하였다.

- 43 -

1. 소결로

본 과제 수행에서는 기존의 대표적인 소결장비인 엘리베이터 로 및 터널식 로의 단

점을 보완하여 새로운 개념의 회전식 연속로(특허출원 02-0007254호)를 개발하였

다.

가. 엘리베이터 로

엘리베이터 로는 소결체의 위치가 고정되어 있는 상태에서 온도와 시간을 가변적으

로 제어함으로써 승온 및 냉각시의 온도 상승 및 하강의 Schedule을 원하는 대로

자유롭게 조정하는 부분에서 어려움이 있다. 생산성 향상을 위해 로의 체적을 크게

설계할 경우, 로 내의 위치별 온도분포의 불균일성의 문제가 있어 소결체의 최종

특성을 불균일하게 하는 단점을 가지고 있다. 또한 냉각시 로 내부에서 자연 냉각

시킬 경우 시간지연에 따른 생산성 감소와 연속 작업시 재승온을 해야하는 단점이

있고, 시간 단축을 위해 소결 완료 후 엘리베이터를 하강하며 냉각할 경우, 외부와

의 온도차에 의한 열충격이 다른 시스템에 비해 커지게 된다.

나. 터널식 소결로

터널식 소결로는 위의 엘리베이터 로의 단점을 상당부분 보완한 형태이다. 그러나

성형체의 투입부터 소결체의 완성까지 라인형태의 설비로 설계될 수 밖에 없어서

공간상의 제약을 받으며, 투입부와 배출부가 라인의 양 끝에 위치함으로써 작업의

연속성이 떨어지는 형태를 취하게 된다. 투입된 기물이 소결 후 다시 투입구 쪽으

로 이동하기 위해서는 부가적인 공간을 필요로 하게 된다. 특히 소결시 기물을 이

동시키기 위해서는 다양한 방안이 강구되고 있으나 1600℃정도의 고온으로 작동온

도가 올라가는 경우 특성을 만족하는 로재를 구할 수 없다. 따라서 적정 시간 가동

후에는 보수가 뒤따르며 이러한 보수는 경제적 시간적 비용을 치려야만 한다. 따라

서 소결 Schedule 설계에는 엘리베이터 로에 비해 우위이나, 양산시 생산성이 다소

낮아지는 한계를 가진다.

- 44 -

다. 회전식 연속로

본 과제에서 개발한 회전식 연속로는 위의 엘리베이터 로와 터널식 소결로의 단점

을 보완하였으며, 성형체 투입 및 소결체 배출을 자동화함으로써 생산성의 극대화

를 꾀하였다. 터널의 출발점과 끝점을 동일 원주상에 위치시켜 불필요한 공간 사용

을 피하였으며 특히 대형의 일체형 rim위에 형성시킨 지지대 위에 setter를 loading

unloading 할 수 있도록 장치를 고안하여 고온 운전시 마찰등에 의한 손상되는 부

위가 없도록 설계하여 보수 유지가 기존의 연속로에 비하여 간편하도록 하였다.(그

림 4-14참조) 특히 일체형 rim 위에서 setter가 안착되므로 자동화가 간편하며 이

로 인해 발생하는 문제를 제거할 수 있었다. 원주상 로는 저온부, 중온부, 고온부,

냉각 중온부, 냉각부 그리고 적재물의 출입구 로 형성되어 있다. 일반적인 터널로와

같이 각 부위는 적정온도로 유지되고 있으며 회전하는 rim 에 의해 setter는 저온부

에서 고온부로 다시 냉각후 입구와 동일한 출구로 나오게 된다. 소결된 setter를

unloading 후에는 동일한 위치에 소결시킬 setter를 다시 장입하여 원주상에는 모

두 setter 가 위치하게 되어 공간적으로도 이용효율이 높다. 자동 loading &

unloading 장치도 동일한 개념으로 작동한다. 즉 원주상에 소결되어야 될 기물을

실고 있는 setter들을 위치시키고 이곳 빈 자리에 소결된 setter를 위치시키므로 인

해 공간의 이용을 극대화 하였다.

[그림4-14] 회전식 연속로 개념도

- 45 -

2. 소결 Schedule

앞서 언급한 바와 같이 소형 기물인 관계로 소결시 탈 바인더 공정을 필요로 하지

아니하는 바 통상적인 소결 schedule과는 다른 것을 적용하였다. 즉 비교적 빠른

승온 및 냉각이 가해졌다. 고안된 회전식 연속로의 경우 일일 회전수를 최저 0.5회

전에서 5회전이 가능하도록 설계 한 바 소결 schedule 또한 용이하게 조절할 수

있었다. 고온에서 유지시간 및 승온 시간등은 회전환이 등속도로 회전하므로 구간

의 길이를 조절하여 적정시간 유지될 수 있도록 하였다.

[그림4-15] 최종 Schedule Graph

3. 고온용 setter 선정

RF-SAW filter 용 package의 개당 무게는 0.008g에 지나지 않는다. 소결시 성형체

가 변형 될 수 있는 바 setter에 1층으로 배열하여 소결한다. 이 경우 setter의 크기

가 130X260㎜ 에 대략 4,500개를 적재할 수 있었다. 이는 약 35g에 해당되며

setter의 무게가 700g 인 바 로내 장입된 피 가열체중 원하는 기물은 5%에 불과하

다. 나머지 95%는 불필요하게 승온 냉각을 반복하며 많은 양의 에너지를 소모시키

는 결과를 가져오므로 이를 해결하기 위한 연구를 진행하였다. 즉 소결온도 1650도

에서 사용가능하며 충분한 기계적 강도, 내열충격 특성 그리고 낮은 비중 특성을

갖는 setter를 선정하기 위한 실험을 진행하였다. 특히 내열충격 특성은 빠른 소결

schedule을 적용하기 위해 반드시 요구되는 특성이기도 하다.

- 46 -

제조원가중 소결비용이 큰 부분을 차지 하며 이 중 setter의 소모는 가장 큰 원가를

차지하므로 내구성있는 setter의 선정은 반드시 해결되어야 할 분야이다. 품질 관리

측면에서도 setter의 특성이 중요한데 이는 소결체에 일부 setter의 입자가 부착되

는 경우 치수 및 외관 불량으로 연결된다. 그러나 이는 검출이 용이하지 아니한 불

량으로 이를 선별하는데는 많은 비용이 소요되고 이러한 불량이 발생하는 경우 전

lot를 불량처리 하여야 만 한다. 이러한이유로 다공성 알루미나 재질의 setter, 일반

적인 알루미입자를 뮬라이트로 고정한 setter, 그리고 세라믹 단열보드와 같이 섬유

질로 형성된 세라믹 setter를 구입하여 특성을 시험하였다. 시험 항목으로는

소결체와의 반응에 의한 부착 즉 내열특성

고온의 소결온도에서 열변형 또는 내열충격 특성

내구성 (100회 이상 사용 목표)

무게( 승온에 필요한 열용량)를 고려하여 시험하여 이들 결과를 [표 4-5]에 나타내

었다.

적절한 소결이 이루어지지 아니하는 경우 [그림4-16]와 같은 형태의 setter와의 반

응 및 setter의 손상을 확인 할 수 있었다. 그림 a)의 경우 setter와 소결체와의 액

상 형성으로 완전히 부착이 일어나는 반응사진 이며 b)의 경우 여러 cycle을 사용

한 결과 setter의 표면에서 탈립(grain 이탈)이 발생한 사진이다. 이러한 탈립은 소

결체에 부착되고 이는 불량을 유발하게 된다.

[표 4-5] 시험에 사용된 setter의 특성

국내 A사 독일 RI사 일본 YZ사

반응성(부착) 발생 없음 없음

열변형 없음 없음 없음

열충격 약함 우수 양호

내구성 약함 약함 양호

열용량(무게) 고 저 고

가격 저 고 중

종 합 불가 양호 우수

1. fiber casting structure

2. 알루미나 :뮬라이트(83:17)

- 47 -

위 항목 모두를 양호하게 만족시키는 Setter는 없었으며, 소결 Schedule과의 상호

관계를 통해 최선의 Setter를 선택하였다. 1620-1650℃의 고온 소결시 만족할

setter를 선정할 수 없었으며 최적의 setter 선정과 함께 원료 분말의 미분화 또는

반응성 향상을 통해 소결온도를 저하시키는 것이 최상의 해결책으로 제시되었다.

즉 미립의 원료 분말 사용에 따른 원가 상승 그리고 소결온도 저하에 따른 setter

비용 절감 두 항목을 비교 결정해야 할 사항으로 판단되었다.

a) 액상형성반응으로 인해 소결체와 setter가 부착된 현상

b) setter의 탈립 현상

[그림4-16] setter의 손상 형태

- 48 -

4. 소결 후 처리

소결체는 성형시 부착된 분말 또는 burr등이 존재하며 날카로운 모서리는 제품 특

성에 그리고 작업에 나쁜 영향을 끼친다. 본 과제에서는 개발 금형의 높은 정밀도

로 인해 Burr의 발생은 거의 관찰할 수 없었으나, 날카로운 모서리를 완화시키 위

하여 지르코니아 볼을 이용 milling하였다. 밀링된 제품은 흐르는 증류수를 이용 3

회 세척하였고 다시 에틸알코올을 이용 최종 세척 건조한 후 진공 포장 하였다.

[그림4-17] Ball Milling 전후의 형상 비교

a) 날카로운 모서리 b) 부드러운 모서리

- 49 -

5. 소결체의 기계적 특성 증가

패키징용 세라믹스의 요구특성은 적절한 기계적 강도, 외부 환경으로부터 보호를

위한 진공기밀특성, 그리고 정확한 치수 등이다. 이중 기계적 강도 증진과 진공 기

밀성 부여를 위해 소결체의 소결 밀도 증진이 요구된다. 소결시 소결체의 밀도증진

을 위한 방안으로 원료의 조정, 성형밀도 증가, 소결온도 및 시간 증가등이 있으나

이중 소결온도의 증가는 경제적인 문제, 로재의 내구성 문제등으로 제한적이다. 따

라서 세라믹 원료의 미분화 또는 적정 소결조제의 첨가등이 바람직한 방안이다. 패

키징용 세라믹스의 경우 이러한 기계적 강도 및 기밀특성에서 92% 정도의 알루미

나의 경우 여러측면에서 적합하다. 특히 8%의 다른 첨가물을 첨가하여 소결온도의

저하와 함께 소결밀도의 증진을 기할수 있다. 다만 이때 기계적 물성의 손해가 어

느정도 수반되나 요구되는 기계적 강도에 문제가 될 정도는 아니다. 따라서 본 연

구에서는 소결체의 밀도 증가와 기계적 강도 향상을 위해 출발 알루미나의 미분화

와 적정 첨가제의 개발을 진행하였다. 3-5㎛의 출발원료를 볼 밀 또는 attrition 밀

을 이용 분쇄하여 소결온도를 저하시키려 하였으나 만족한 결과를 얻지 못하였다.

따라서 1㎛대의 미분과 첨가제중 flux를 첨가하여 소결온도를 1550℃ 이하로 저하

시킬 수 있었다. flux의 첨가로 인해 소결체의 백색도가 떨어짐을 확인하였다.

소결체의 소결 상대 밀도는 진공 기밀성이 충분히 보장되는 95%이상 달성이 용이

하였다. AM-21분말을 사용하여 소결한 소결체의 단면을 SEM을 이용 관찰하여 [그

림 4-18]에 나타내었다. 정상적인 알루미나 소결체의 소결 양상을 확인 할 수 있

었다.

[그림 4-18] 소결체 단면사진(SEM)

- 50 -

개발 전 사용된 분말을 이용하여 소결체 시편을 제조하여 강도 시험을 한 결과

2000㎏f/㎠의 가지는 것을 확인하였으나, SAW Filter Lid의 경우 기물크기가 소형

인 바 push-pull gauge를 이용 간접적으로 비교측정하였다. [그림 4-19]에 나타낸

바와 같이 ceramic lid의 측면을 push-puli gauge 로 가압하여 이 때 파괴강도를

비교하였다. 통상적인 경우(개발 전 분말 사용분) 2.7±0.3㎏f의 값을 나타내었으나

출발원료의 미분화 및 성형압을 조정 3.4±0.4㎏f으로 20% 가까이 증진시켰다.

[그림 4-19] push-pull gauge를 이용한 소결체 강도 측정

제4절 에폭시 도포기술

압전 단결정 칩과 wire bonding 된 세라믹 base를 밀봉하기 위해 세라믹 리드에

밀봉제를 도포하여 밀봉한다. 밀봉제로서 요구되는 특성은 진공기밀에 가까운 밀

봉특성, 내습특성, 열팽창에 의한 내구성 등이다. 특히 밀봉 및 내습특성은 가장 중

요한 요구특성으로 이는 압전 단결정 표면에 형성시킨 전극이 산화 또는 손상되는

경우 filter로서의 특성을 잃기 때문이다. 휴대전화 적용을 목적으로 개발되는

RF-SAW 필터 팩키지의 경우 넓은 사용온도 범위 그리고 높은 습도등 열악한 환경

으로 인해 엄격한 밀봉특성이 요구된다. 작업능률 및 경제성을 고려 작업이 용이하

여야 하므로 b-stage epoxy 가 선호된다. 이러한 밀봉특성을 만족하는 b-stage

epoxy의 경우 세계적으로 한정된 업체에서만 생산되고 있고 가격 또한 고가이므로

코팅시 세심한 주의가 필요하다. 즉 미량의 에폭시를 경제적으로 도포할 수 있으며

또한 정밀한 두께로 도포 할 수 있어야 한다.

- 51 -

1. 도포방법

프린팅의 일반적인 방법으로 silk screen을 이용하는 방법이 있다. 적정 형상

(pattern)을 갖는 screen을 이용 ink또는 paste를 도포하는 방법이다. 대량생산이

용이 하나 본 연구에서 제조하려는 소형의 리드의 경우 정렬을 필요로 하며 두꺼

운 인쇄층 형성이 곤란한 단점이 있다. 또한 에폭시의 loss가 많아 적용하지 아니

하였다. dipping 방법, roll coating 방법을 고려하였다. 이들 방법중 에폭시의 점도

와 작업성을 고려 roll coating 방법을 선택하여 실험하였다. roll coating 방법은

roll의 크기를 적절히 조절하는 경우 epoxy의 손실을 최소화 할 수 있었다. 소량의

epoxy를 이용하여 실험이 가능하였으며 대량생산에도 적용이 적합할 것으로 판단

된다. 세라믹 리드의 정렬과 에폭시의 점도에 따른 에폭시 도포막의 두께 변화, 에

폭시 손실 등을 고려 그림과 같은 개념도를 갖는 새로운 roll 코팅 장비를 고안하여

코팅에 사용하였다.

직선으로 움직이는 50㎜X50㎜ 진공판에 RF-SAW 필터 팩키지를 흡착시킨후 상부

roll에 균일한 두께로 epoxy가 코팅되도록 하고 이 roll에 코팅된 epoxy가 ceramic

lid의 테두리에 찍히도록 고안하였다(그림 4-20). 물론 roll에 코팅되는 epoxy의 두

께 조절이 가능하며 roll의 선속도와 ceramic lid의 이동속도를 일치시켰다. epoxy

의 점도와 roll의 크기에 따라 코팅되는 epoxy층 두께 편차를 확인할 수 있었고 roll

의 크기가 작을수록 두께 편차를 줄일 수 있었다. roll의 굵기가 굵은 경우 코팅 후

ceramic lid에서 roll이 분리 될 때 epoxy의 점성으로 인해 쉽게 roll과 lid가 분리되

지 아니하고 이때 epoxy coating 층이 두꺼워지는 것을 확인하였다. 이러한 이유로

roll의 굵기를 가능한 정도까지 줄였으며 실험에 적용된 roll의 굵기는 직경 2.5㎜이

었다. roll에서 용이하게 epoxy가 분리되도록 roll의 표면을 경면연마 하였고 roll의

재료 또한 텅스텐 카바이드, 알루미나 세라믹 로드를 바꾸어 사용하였다. 가공 특성

면에서 그리고 이형특성에서 텅스텐 카바이드가 유리함을 확인하였다. RF-SAW 필

터의 크기가 소형인 관계로 50㎜X50㎜ 소형의 판에서 1회 300개의 ceramic lid를

처리할 수 있었다. epoxy의 점도가 낮아지는 경우 코팅두께를 적정두께 이상으로

증가시킬 수 없었다. [표 4-6]에 실험에 사용된 에폭시의 특성을 나타내었다. 전반

적으로 내습특성등에서 조건을 만족하는 제품을 선정 실험에 사용하였으나 점도변

화차이에 따른 코팅층 두께 변화로 roll coating 방법 적용이 용이하지 아니하였다.

coating층의 두께를 밀봉 특성 발현 최적의 두께인 70-160㎛의 범위로 하기 위해

코팅을 2회이상 시행하였다. 코팅된 세라믹 리드는 50℃로 유지되는 건조기 속에서

1차 건조하였다.

- 52 -

[표 4-6] 기본적인 에폭시 특성

Epo Tec. A.I.Tech

Viscosity(cps) 8,000 30,000

Operating temp.(℃) -55to175 -60to 180

Degradation temp.(℃) 240 280

Moisture resistance 200hr85℃/85%Rh

pass pass

Thermal shock(Mil.std883/5011)

pass pass

Coating thickness(㎛) 30 70

적합여부 적합(코팅방법개선 후) 적합

[그림 4-20] 과제에서 적용된 roll coater 개념도

- 53 -

2. Coating 결과

epoxy가 coating 된 세라믹 리드의 사진을 [그림 4-21]에 나타내었다. 에폭시 코

팅층의 두께는 120㎛±20이었다.

[그림 4-21] 코팅 단계별 사진 a) epoxy 코팅단계 b) bonding 후 절단

c) glass paste 코팅 단계 d) bonding 후 절단

3. 세라믹 베이스와 라드의 밀봉

세라믹 베이스와 리드의 밀봉공정은 epoxy의 특성보다 접합체의 특성에 더 큰 영

향을 끼친다. 특히 밀봉온도가 150℃ 또는 주변온도에서 이루어지므로 여러 주의

할점이 있다. 밀봉이 이루어지기 전 즉 코팅된 에폭시가 완전 glass 전이 온도를

넘어 점도가 떨어지기 전 가압이 이루어져 세라믹 리드와 베이스사이에 공기가 갖

히게 되는 경우 밀봉체 내에 공기의 팽창으로 인한 공기구멍이 발생하거나 접착층

내에 공기방울이 갖히게 되어 밀봉특성에 악영향을 끼친다. 따라서 조심스러운 온

도조절과 적절한 가압력을 필요로 한다. 밀봉은 [그림 4-22] a)에 나타낸 것과 같

은 지그를 제작하여 사용하였으며 이때 가압력은 세라믹 리드 1개당 약 10g 이 걸

리도록 조절하였다. 지나친 압력이 가해지는 경우 고온에서 점도가 떨어진 epoxy가

스며 나오게 되며 반대로 압력이 부족한 경우 적절한 wetting면을 형성하지 아니하

게 된다. 승온은 [그림 4-22] b) 에 나타낸 바와 같이 150℃까지 13분에 걸쳐 그

리고 이후 20여분간 유지하고 냉각하였다. 밀봉 조건은 에폭시 제조사에서 제조한

최적을 조건을 따라 시험하였다.

- 54 -

[그림 4-22] a) curing jig b) curing schedule

나. Sealing Test

- 기포발생 Test

밀봉체의 밀봉특성을 평가하는 가장 용이한 방법이다. 밀봉체를 silicon oil에 담그

고 oil의 온도를 증가시키며 밀봉체 주변의 기포 발생여부를 관찰하는 방법이다. 밀

봉체 내의 공기가 온도증가에 따라 부피 팽창하고 밀봉이 적절하게 이루어지지 아

니한 경우 공기가 새어나와 oil 내에 기포가 형성되어 관찰이 가능하다. 밀봉 직후

그리고 내습시험을 거친 시편에 대해 시험하였다. 상기 조건하에서 밀봉된 시편의

경우 기밀성에서 문제가 없는 것으로 확인되었다.

5. Sealing 특성

(1) 고온방치 테스트 후 특성

에폭시 밀봉된 밀봉체가 에폭시의 내열특성이 떨어지는 경우 완부품을 프린트 기

판등에 실장할 때 solder의 온도에 의해 특성의 변화가 발생할 수 있다. 이러한 내

열특성을 확인하기 위해 250℃에서 1시간 방치한 후 밀봉테스트를 하여 특성의 변

화를 관찰하였다. 밀봉특성의 변화가 없음을 확인하였다. 아울러 85℃로 유지되는

항온항습기 내에서 500시간 유지시킨 후 동일한 시험을 하였고 밀봉특성에 변화가

없음을 확인하였다.

- 55 -

(2) 내습특성

휴대 전화등에 사용을 목적으로 개발되는 SAW 필터 팩키지는 내습특성이 중요하

다. 즉 휴대시 인체에서 발생하는 땀등의 영향으로 내습특성이 요구된다. 특히 단결

정내에 형성시킨 내부전극 패턴은 습기에 취약한 알루미늄 금속 전극이므로 필터

팩키지의 내습특성은 가장 중요한 항목이다. 60℃로 유지되며 90%이상의 상대 습

도로 유지되는(oven 내에 증류수를 공급) oven속에 200시간 유지시킨 후 밀봉특성

의 변화를 시험하였고 특성의 변화가 없음을 확인하였다.

(3) 열충격특성

150℃로 승온시킨 후 0℃로 유지되는 물속에 급냉하여 밀봉특성의 변화를 관찰하

였다. 500회 열충격을 가한 후 밀봉특성의 변화를 관찰하여 특성의 변화가 없음을

확인하였다. ([표 4-7]참조)

[표 4-7] 에폭시 밀봉된 팩키지의 신뢰도 시험 결과

(4) 밀봉된 SAW 필터의 외관 사진

a) SAW Filter 측면 b) SAW 전면

[그림 4-23] 밀봉된 SAW Filter

- 56 -

6. Glass 밀봉 Data

국내 glass paste 제조 업체와 저융점 glass paste를 개발하였다. 적용온도 320℃

를 목표로 제조하였고 제조된 glass paste를 이용 세라믹 base 와 lid를 접합한 후

epoxy와 동일한 시험을 하였다. 내습특성등의 면에서 특성이 우수할 것으로 예상된

다. 시험 결과를 [표 4-8]에 나타낸 바와 같이 열충격 특성에서 문제를 확인하였으

며 현재 열팽창 계수등을 고려 glass paste에 대한 조성 변화를 진행중이다. 이러

한 열충격 문제가 해결되는 경우 바람직한 대안으로 확신한다.

[표 4-8] glass 밀봉된 팩키지의 신뢰도 시험 결과

- 57 -

7. SAW Filter 특성

제조된 전체 크기 1008의 크기 SAW filter의 외관 사진은 앞의 [그림 4-23]에 나

타내었다. 아래 [그림 4-24]에서, 완성된 SAW Filter의 작동 주파수에서 정상적인

기능을 확인 할수 있다.

[그림 4-24] SAW Filter 특성분석

- 58 -

제5절 품질관리

1. 품질관리 대상

가. 원자재 품질관리

- 원자재 수입검사

- 외주업체 관리

나. 설계품질

- 소비자의 요구에 대한 대응성

- 설계의 적합성

- 공정 적용 가능성

다. 공정품질

- 공정표준 및 준수율

- 반제품 중간검사

- 불량발견 및 대처

- 이상발생시 조치방법

라. 제품품질

- 완제품 검사

- 불량발견 및 대처

- 시장불량 발생시 조치

2. 품질관리 도구

가. ISO9002인증을 기반으로 한 품질경영

과제를 수행하며 당사는 2002년 4월에 ISO9002인증을 획득하여 품질경영체제를

갖추었다. 이는 제품의 품질만이 아닌 개발, 설계 및 공정품질과 고객사후관리의 전

범위를 관리하기 위한 경영자와 전 사원의 의지의 결과이다.

나. 공정 자동화 및 계측 시스템

성형단계에서 특허출원 중인 양압프레스를 제작 및 도입하여 제품에 대한 치수 신

뢰도를 증가시켰으며 이에 대한 압력 등의 이상발생을 실시간으로 측정하여 불량을

최소화 할 수 있는 시스템을 구축하였다.

또한 비접촉 측정기를 도입하여 원료분말 및 과립의 상태, 성형 및 소결체의 치수,

형상, 외관 등을 공정표준에 의거한 기준으로 측정함으로써 중간 검사 및 완제품

검사의 신뢰도를 향상시켰다.

- 59 -

[그림4-20] 비접촉 측정기

3. 품질관리의 세부 범위

- 원료분말 및 과립 검사

- 성형체 치수, 밀도, 외관 등의 검사

- 소결체 치수, 밀도, 외관 등의 검사

- 에폭시 밀봉 및 내습특성 검사

- 공정별 검사 및 판정기준 설정

- 공정별 불량률 감소방안 제시 및 적용

- 60 -

제6절 과제개발목표 달성률 및 향후 방향

1. 과제개발목표 달성률

2. 문제점 및 차후 개선방안

패키징 기술은 전자부품의 최종특성을 발현시키기 위해 필수 적으로 요구되는 공정

이며 이로 인해 다양한 기술이 제안 발전되고 있다. 어떠한 기술도 연속 여부를 확

인하기 어려운 분야이다. 에폭시를 이용한 밀봉기술은 공정의 용이성, 경제적인 제

조원가, 높은 생산성 등 현재 적용되고 있는 몇 가지 기술에 비해 우위를 점하고

있는 것이 사실이나 에폭시 자체가 갖는 밀봉특성의 문제로 인해 적용 속도가 늦어

지고 있는 것이 현실이다. 이러한 문제점은 에폭시의 개발, 또는 저융점 고특성의

glass 개발이 이루어지는 경우 해결될 수 있다. 이러한 문제 해결이 이루어지는 경

우 용이한 적용이 예상된다. 본 연구에서도 epoxy를 이용한 밀봉의 경우 기본적인

지표를 만족하기는 하였으나 여전히 epoxy 특성에 대해서는 지속적인 개선을 요구

하고 있다. 아울러 개발된 glass paste의 경우 열충격저항성이 요구수준을 만족시

키지 못하여 이에 대한 조성 개발을 계속하고 있다.

- 61 -

제5장 기대효과 및 전망

RF-SAW Filter packaging 용 세라믹 리드를 개발하였다. 1008칩크기를 만족시키

며 세라믹의 벽 두께 0.25㎜의 얇은 성형체를 치수편차 ±15㎛이하를 만족하고 내

열충격 특성 200℃를 만족하는 특성을 갖는 세라믹 리드를 개발하였다. 이러한 정

밀한 세라믹 소체를 제조하기 위해 세라믹원료 분말의 개발을 비롯 성형용 프레스,

다이셑, 그리고 초정밀 분말 성형분말을 개발하였으며 이에 적합한 epoxy 선정 및

glass paste를 개발하였다.

이러한 전 공정에 걸친 개발만이 해당 분야에서 경쟁력 확보의 첩경이라 인식하고

모든 공정에서 최상의 특성을 발현하도록 개발을 진행하였다. 고속 성형 프레스의

경우 수년간 지속되어온 연구를 일부 종료할 수 있었고 이를 이용 초정밀 전자부품

용 세라믹의 대량 성형이 가능하게 되었다. 이를 개선 발전시키는 경우 전자부품용

초정밀 세라믹 소재를 비롯 기계소재용 정밀 부품 개발에 적용이 가능할 것으로 예

측된다. 또한 정밀 금속 분말 성형이 가능하여지며 현재 생산되는 금속 성형 부품

의 정밀도 향상에 기여 할 것으로 사료된다.

현재 개발된 성형 기술을 이용 칩인덕터 관련 부품의 개발에 응용진행중이며 이동

전화에 사용되는 초소형 페라이트 칩인덕터 제조 적용이 가능할 것으로 예측된다.

이러한 분야의 시장규모는 국내 휴대 시장 점유율 증가에 따라 지속적으로 증가추

세에 있으며 연간 500억 이상의 규모로 추정되고 있다. 초소형 부품에 대한 정밀

에폭시 도포 기술을 개발하였다. 이러한 개발은 재료에 대한 이해를 비롯하여 기계

에 대한 전체적인 이해를 바탕으로 가능한 일이다.

또한 회전식 초고온 연속로를 개발하여 시생산에 적용하였다. 본 연구에서 개발한

SAW filter용 패키지는 국내에서 생산중인 SAW filter의 제조 원가 절감을 통해서

그리고 적기에 공급할수 있는 유연성을 통해서 경쟁력 확보가 가능하여 질 것이 예

상된다. 현재 세계 휴대 단말기 제조 시장의 15% 이상을 점유하고 있는 현 시점에

서 각종 요소 부품의 국산화는 국내 제품의 경쟁력 제고에 필수적인 사항으로 다양

한 분야에서 관련 분야에 총력을 집중하여야 할 시점이라 사료된다.