부품소재 신뢰성향상기술개발부품소재 신뢰성향상기술개발부품소재 신뢰성향상기술개발부품소재 신뢰성향상기술개발․․․․

고용량 다층 세라믹 히터의 신뢰성향상( )

2006. 6. 30.2006. 6. 30.2006. 6. 30.2006. 6. 30.

주관기관 주 존인피니티주관기관 주 존인피니티주관기관 주 존인피니티주관기관 주 존인피니티: ( ): ( ): ( ): ( )

위탁기관 산업기술시험원위탁기관 산업기술시험원위탁기관 산업기술시험원위탁기관 산업기술시험원::::

산 업 자 원 부산 업 자 원 부산 업 자 원 부산 업 자 원 부

- 1 -

제 출 문제 출 문제 출 문제 출 문

한국부품소재산업진흥원 귀 하한국부품소재산업진흥원 귀 하한국부품소재산업진흥원 귀 하한국부품소재산업진흥원 귀 하

본 보고서를 고용량 다층 세라믹히터의 신뢰성향상 기술개발 사업기간“ ”( : 2005. 6.

과제의 최종보고서로 제출합니다1 ~ 2006. 5. 31) .

2006. 6. 30.2006. 6. 30.2006. 6. 30.2006. 6. 30.

주관기관 주 존인피니티: ( ) 대표자 조 인 철 인( ) ( )

위탁기관 산업기술시험원: 대표자 홍 종 희 인( ) ( )

주관책임자 조 인 철:

연 구 원 이 동 열:

연 구 원 김 완 수:

연 구 원 심 승 택:

위탁책임자 장 영 권:

연 구 원 김 준 섭:

연 구 원 박 수 홍:

연 구 원 김 창 희:

- 2 -

부품 소재신뢰성기반기술확산사업 보고서 초록부품 소재신뢰성기반기술확산사업 보고서 초록부품 소재신뢰성기반기술확산사업 보고서 초록부품 소재신뢰성기반기술확산사업 보고서 초록ㆍㆍㆍㆍ

관리번호관리번호관리번호관리번호

과제명과제명과제명과제명 고용량 다층 세라믹히터의 신뢰성향상 기술개발

키워드키워드키워드키워드 다층기능 세라믹히터 고용량히터 메탈라이징 텅스텐전극히터/ / / /

사업목표 및 내용사업목표 및 내용사업목표 및 내용사업목표 및 내용

최종 목표최종 목표최종 목표최종 목표1.1.1.1.

다층 세라믹히터의 기계적 전기적 신뢰성 및 수명 향상,

용량- : 0.5KW

크기- : Plate 20×0.15×70 , Core 10×20㎜ ㎜∅

세부 목표사양-

내전압 이상: AC4, 750v 2sec(25 )ㆍ ℃

절연저항 이상: DC.500V, 170mㆍ Ω

누설전류 이내3mAㆍ

사용수명 정격사용 시 시간 이상 확보 및 검증 현재 시간: 2,400 ( 780 )ㆍ

신뢰수준 : 95%ㆍ

신뢰성 저해요인 정밀진단 내용신뢰성 저해요인 정밀진단 내용신뢰성 저해요인 정밀진단 내용신뢰성 저해요인 정밀진단 내용2.2.2.2.

세라믹히터 의 신뢰성저해요인 열충격성이 낮음 발생(Ceramic Heater) ) . Crack .① ②

사용수명이 짧음 내전압이 취약 절연저항이 낮음 누설전류가 이상으. . . 5mA③ ④ ⑤ ⑥

로 전기적 안전성이 미확보 이다.

고장원인분석 및 대처결과고장원인분석 및 대처결과고장원인분석 및 대처결과고장원인분석 및 대처결과3.3.3.3.

고장유형은 파손 균열 절연불량 리드선탈락 저항치변화 로1) ( ) 51%, 15%, 26%, 8%

나타났다.

전체 고장중 주요 고장인 파손 고장율 원인은 내전압불량 열충격성 낮음 적층압( 51%) , ,

력이 낮음 패턴 불량이며 절연불량 고장율 원인은 텅스텐 패던의 불균일과 알,W- , ( 15%)

루미나 소결체와의 확산불량으로 산화 저항변화 누설전류초과로 확인되었다, , .

고장분석 결과를 근거로 고장개선을 위해 일본 사 세라믹히터에 대한 분석과 자료분석K

을 통하여 공정개선을 수행하였으며 공정개선 내용은 다음과 같다.

원료배합 및 혼합조건 개선1)

텅스텐 패턴개선2)

소성분위기 및 유지시간 변경을 통하여 기공최소화 및 텅스텐 패턴의 확산을 최적화3)

하고 결과는 미세조직 분석과 기계 전기적 시험을 통하여 확인하였다, .

- 3 -

사업목표 및 내용사업목표 및 내용사업목표 및 내용사업목표 및 내용

신뢰성 적용결과 사업전 후 정량적 비교신뢰성 적용결과 사업전 후 정량적 비교신뢰성 적용결과 사업전 후 정량적 비교신뢰성 적용결과 사업전 후 정량적 비교4. ( · )4. ( · )4. ( · )4. ( · )

평판형 세라믹기판 고융점 전극이 부착된 일체형 세라믹히터로서 층으로 적층되어 고2

용량 전기적 안정성 내전압 고접착강도가 요구되는 순간온도 가 높은 고용량, , , (550 ) "℃

다층 세라믹히터 의 신뢰성을 향상시킬 수 가 있었다" .

개 선 전 개선 후

곡강도1) :

내전압2) (25 ) :℃

절연저항3) (DC500V)

누설전류4) :

리드선인장강도5) :

표면조도6) :

표면온도7) :

사용수명8) :

2,200

파괴AC 3,750V( )

90mΩ

6mA

3kgf

110㎛

480℃

시간780

2,800 /㎏ ㎠

이상AC 4,750V 2sec

이상170mΩ

이내3mA

5kgf

max.20 ㎛

550℃

시간2,400

개선 결과 확인을 위하여 기속시험장치를 제작하고 세라믹 히터의 사용조건 분(50V, 2 )

을 기준으로 전압과 통전시간 가속으로 스트레스를 가속하여 전압가속계수 통전시(6.5),

간 계속계수 의 가속조건 서 시간의 가속시험 결과 개선된 세라믹 히터의 수명(7.0) Hl 250

은 시간임을 확인하였다2,507 .

기대효과 기술적 및 경제적 효과기대효과 기술적 및 경제적 효과기대효과 기술적 및 경제적 효과기대효과 기술적 및 경제적 효과5. ( )5. ( )5. ( )5. ( )

세라믹히터사용 산업응용 확대 가능-

국산제품의 대외신뢰도 제고-

국가 경쟁력 확보-

기업의 제품의 부가가치 및 신뢰도 확보-

적용분야적용분야적용분야적용분야6.6.6.6.

세라믹히터사용 산업응용 확대 가능1)

국산제품의 대외신뢰도 제고2)

국가 경쟁력 확보3)

기업의 부가가치 극대화 및 수출역량 확보4)

목 차목 차목 차목 차

제 장 서론제 장 서론제 장 서론제 장 서론1111

제 절 목적 및 중요성제 절 목적 및 중요성제 절 목적 및 중요성제 절 목적 및 중요성1111

제 절 기술개발 목표제 절 기술개발 목표제 절 기술개발 목표제 절 기술개발 목표2222

제 절 개발내용 및 범위제 절 개발내용 및 범위제 절 개발내용 및 범위제 절 개발내용 및 범위3333

제 장 세라믹히터의 구조 및 특징제 장 세라믹히터의 구조 및 특징제 장 세라믹히터의 구조 및 특징제 장 세라믹히터의 구조 및 특징2222

제 장 고장분석제 장 고장분석제 장 고장분석제 장 고장분석3333

제 절 고장유형 분석제 절 고장유형 분석제 절 고장유형 분석제 절 고장유형 분석1111

제 절 고장모드별 원인분석제 절 고장모드별 원인분석제 절 고장모드별 원인분석제 절 고장모드별 원인분석2222

제 절 선진외국 제품의 고장특성 분석제 절 선진외국 제품의 고장특성 분석제 절 선진외국 제품의 고장특성 분석제 절 선진외국 제품의 고장특성 분석3333

제 장 고장개선제 장 고장개선제 장 고장개선제 장 고장개선4444

제 절 고장개선을 위한 선진제품 및 기술분석제 절 고장개선을 위한 선진제품 및 기술분석제 절 고장개선을 위한 선진제품 및 기술분석제 절 고장개선을 위한 선진제품 및 기술분석1111

제 절 세라믹히터의 고장개선제 절 세라믹히터의 고장개선제 절 세라믹히터의 고장개선제 절 세라믹히터의 고장개선2222

제 장 고장 개선 결과제 장 고장 개선 결과제 장 고장 개선 결과제 장 고장 개선 결과5555

제 절 미세관찰물 통란 확인제 절 미세관찰물 통란 확인제 절 미세관찰물 통란 확인제 절 미세관찰물 통란 확인1111

제 절 전기적 특성 향상제 절 전기적 특성 향상제 절 전기적 특성 향상제 절 전기적 특성 향상2222

제 절 기계적 특성 향상제 절 기계적 특성 향상제 절 기계적 특성 향상제 절 기계적 특성 향상3333

제 절 열적 특성 향상제 절 열적 특성 향상제 절 열적 특성 향상제 절 열적 특성 향상4444

제 장 가속수명시험제 장 가속수명시험제 장 가속수명시험제 장 가속수명시험6666

제 절 가속수명 시험조건 및 방법제 절 가속수명 시험조건 및 방법제 절 가속수명 시험조건 및 방법제 절 가속수명 시험조건 및 방법1111

제 절 가속수명 시험결과 및 분석제 절 가속수명 시험결과 및 분석제 절 가속수명 시험결과 및 분석제 절 가속수명 시험결과 및 분석2222

제 절 목표 달성도제 절 목표 달성도제 절 목표 달성도제 절 목표 달성도3333

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론7777

참고문헌참고문헌참고문헌참고문헌

- 1 -

제 장 서 론제 장 서 론제 장 서 론제 장 서 론1 .1 .1 .1 .

제 절 목적 및 중요성제 절 목적 및 중요성제 절 목적 및 중요성제 절 목적 및 중요성1 .1 .1 .1 .

평판형 세라믹기판 또는 세라믹봉상에 고융점 전극이 부착된 일체형 세라믹히터로

서 자동차용 의료용 인두 및 이미용 제품의 열원발생 부품으로 광범위하게 사용되, ,

는 산업용 부품이다.

전기 전자제품의 고성능화 복합일체화 경박단소 화 추세에 따라 종전에는· , , 1,20

부근까지 발열할 수 있는 니크롬선 등에 의한 금속히터와 세라0 , KanthAI Wire℃

믹 절연체가 분리된 히터기구가 사용되어 왔으나 최근 금속히터 대신 부근, 1,500℃

까지 발열할 수 있는 중금속 계 을 세라믹 모재 알루미나계 에 인쇄(Mo, W, Mo-Mn ) ( )

하여 일체화 한 고용량 세라믹히터가 부근까지 온도를 정밀하게 제어 할 수350℃

있는 히터보다 우수한 특성 때문에 응용제품에서 대체되어 사용되어가고 있으PTC

며 국내 수요도 급증하고 있다, .

종래의 금속 히터는 전도체와 절연체가 분리되어 있으므로 온도를 정밀하게 제어하

기가 어렵고 대기중에 산화가 쉬워 수명이 짧을 뿐 아니라 열의 손실이 많으며 소, ,

형화하기가 어려운 단점이 있다.

도체와 알루미나 절연체를 이용하여 일체화시킨 제품으로 고온에서 안정적으로 발

열할 수 있는 세라믹 히터는 선진국인 일본 교세라 등에서 대부분 수입하여 조립하

고 있으며 일부는 국내에서 생산하여 수요 일부를 공급하고 있다 국내에서 생산되, .

는 양은 수요량에 비해 생산량이 미미한 형편이다 또한 제품은 열전도 및 전기적

특성이 불안정하여 자동차 커피자판기 보일러 등 산업용 보안시스템 등에 응용하, , ,

기가 어려울 뿐만 아니라 수출용 부품으로 사용하기에는 품질이 낮은편이다.

- 2 -

따라서 본 신뢰성 향상 기술개발에서는 현재 미용기구 납땜인두 난방기구 의료기, , ,

구 등에 주로 사용되고 있는 세라믹 히터의 열적 에 의한 세라믹 소결체의 균Cycle

열과 전기적 품질 특성이 낮아서 고장율이 높아 이미용기 히터부품으로서 신뢰성이

낮은 문제점을 개선하여 고품질 고 신뢰성 제품을 제조하고자 한다, .

제 절 기술개발 목표제 절 기술개발 목표제 절 기술개발 목표제 절 기술개발 목표2 .2 .2 .2 .

본 신뢰성향상사업의 최종목표는 다음 표 과 같다1. .

표 기술개발 최종목표표 기술개발 최종목표표 기술개발 최종목표표 기술개발 최종목표1.1.1.1.

제 절 개발내용 및 범위제 절 개발내용 및 범위제 절 개발내용 및 범위제 절 개발내용 및 범위3 .3 .3 .3 .

본 신뢰성 향상 기술지원 과제에서 수행한 고 용량 다층 세라믹히터의 신뢰성 향"

상 을 위한 기술개발 내용 및 범위는 다음과 같다" .

고장원인 분석 및 신뢰성 향상을 위한 고장 개선고장원인 분석 및 신뢰성 향상을 위한 고장 개선고장원인 분석 및 신뢰성 향상을 위한 고장 개선고장원인 분석 및 신뢰성 향상을 위한 고장 개선1)1)1)1)

- 3 -

당사 출하 제품의 고장을 분류하고 고장모드별로 원인분석을 실시한 후 고장 개선

을 위한 프로세스 및 특성별 개선 방안을 수립하여 개선하였다 주요 개선 내용은

다음과 같다.

고장분석 수행○

대상 부품의 고장을 분류하고 주요고장인 세라믹히터의 주요 고장 모드인 절연파-

손 균열 저항변화 원인 규명을 통한 고장메커니즘 분석을 수행함, .

알루미나세라믹히터 소자의 신뢰성 향상을 위한 공정개선○

내전압 절연저항 누설전류 열분포도 향상을 위한 공정개선- , , , ,

의 관리기준 설정W-Paste Pattern Printing○

회로설계 회로 선 간격 회로선폭 설계 개선- W-Pattern : , .

세라믹히터 리드선 전극 관리기준 설정○

전극의 도금두께 균일화 방안 및 최적 두께관리 방안 확립- Ni

전극 도금두께Ni 1±0.5㎛

전극과 리드선의 브레이징 최적화- Ag-Cu

표면조도관리 기준

가속수명시험 및 신뢰수명 검증2)

고용량 알루미나 세라믹히터의 수명평가 및 신뢰성 평가○

품질 및 수명평가를 위한 가속수명시험 수행-

통계적 방법에 의한 수명의 적정성 검토 및 신뢰성평가-

목표수명 시간 확보- (2,400 )

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제 장 세라믹히터의 구조 및 특징제 장 세라믹히터의 구조 및 특징제 장 세라믹히터의 구조 및 특징제 장 세라믹히터의 구조 및 특징2222

전기 전자제품의 고성능화 복합일체화 소형화 추세에 따라 종전에는 부· , , 1,200℃

근까지 발열할 수 있는 니크롬선 등에 의한 금속발열체와 세라믹 절, KanthAI wire

연체가 분리된 히터기구가 사용되어 왔으나 최근 금속히터 대신 부근까지, 1,500℃

발열할 수 있는 중금속 계 을 세라믹 모재 알루미나계 에 인쇄하여(Mo,W, Mo-Mn ) ( )

일체화 한 세라믹히터가 범용적으로 사용된다.

산업에 활용되고 있는 히터는 부근까지 온도를 자동조절 할 수 있지만PTC 350℃

승온 속도 및 발열온도가 낮아 세라믹히터로 대체 되고 있는 상황이다 종래의 금.

속히터는 온도가 정밀하지 못하고 또한 전도체와 절연체가 분리되어 있으므로 온,

도를 정밀하게 제어하기가 어렵고 열의 손실이 많으며 경박단소화 하기가 어려운, ,

단점이 있어 텅스텐 도체와 알루미나 절연체를 이용하여 일체화시킨 제품으로 고(W)

온에서 안정적으로 발열할 수 있는 세라믹 히터의 산업 활용도가 크다.

세라믹 히터는 안정적인 고온의 발열이 가능하나 이종 재료의 접합으로 열 변형에

의한 소재간의 열응력 의한 세라믹 소결체의 균열과 전기적 특성이(thermAI stress)

낮아서 고장율이 높은 것이 단점이다.

세라믹 히터 구조는 다음 그림 과 같이 평판형 세라믹기판에 고용점 텅스텐 전극1

을 부착하여 발열원으로 하고 보통 에서 에서110V 70~100 (25 ), 220V 140~200Ω ℃

의 저항값을 갖는 일체형 구조를 갖는다(25 ) .Ω ℃

그림 세라믹 히터의 구조 및 크기1.

- 5 -

세라믹히터의 저항체 패턴은 로 하여 장을 적층하여 압W-Paste Pattern Printing 2

착 절단 동시소성을 하여 소결한다 소결체를 전극부위에 무전해 도금 후 리드, , . Ni

선을 브레이징 소성하여 단자선을 연결하여 세라믹히터를 제조한다 다음(Brazing) .

그림 는 그린쉬트 에 저항체 인쇄 한 소결전 의 제2. (Green Sheet) (Pattern Printing)

품이다.

그림 세라믹 히터 저항체 좌 우2. W- ( :10×70×15, : 20×70×15)

그림 세라믹 히터 완성품3.

텅스텐 저항체 인쇄 시트와 그린시트를 적층하여 소결하연 그림 과 같은 세(W) 3

라믹 히터를 얻을 수 있다 그림 는 세라믹 히터를 내장한 미용기구 이다. 4. .

그림 세라믹 히터를 내장한 미용기구4.

- 6 -

제 장 고장 분석제 장 고장 분석제 장 고장 분석제 장 고장 분석3 .3 .3 .3 .

제 절 고장 유형분석제 절 고장 유형분석제 절 고장 유형분석제 절 고장 유형분석1 .1 .1 .1 .

세라믹히터 는 주로 고대기등 이미용기에 대량으로 사용되고 있으며 당사 제품도“ ” ,

고대기 등 이미용기 셋트 제조업체에서 최종 사용하고 있기 때문에 셋트 제조업체

를 통하여 시장에 출하된 세라믹히터 의 고장유형을 분석하였다“ ” .

년 월 년 월 개월 까지 시장에 출하된 고대기 만 세트중2004 2 ~ 2005 1 (12 ) 20 Claim

처리된 제품 세트에 대한 일지를 조사하였다 조사결과는 표 와 같이 고대817 A/S . 2

기 실장 부품 중 세라믹 히터 고장으로 인한 가 전체 고장 건수 중 세트“ ” A/S 490

인 를 차지하여 고대기 부품 중에서 가장 큰 고장을 나타나는 것으로 집계되었60%

다.

표 출하된 고대기 제품의 고장유형 분석표 출하된 고대기 제품의 고장유형 분석표 출하된 고대기 제품의 고장유형 분석표 출하된 고대기 제품의 고장유형 분석2.2.2.2.

고장 부품명고장 부품명고장 부품명고장 부품명 고장유형고장유형고장유형고장유형 처리결과처리결과처리결과처리결과 고장갯수고장갯수고장갯수고장갯수 고장율고장율고장율고장율

세라믹 히터①

파손-

절연 불량-

리드선 탈락-

저항값 변화-

교환 490 60

콘트를 보드② 온도 콘트를 불량- 교환 82 10

ON/OFF switch③ 작동불능- 교환 122 15

방열판④

(Heat Sink)

표면 착색 변색- ,

표면코팅 막 벗겨짐-교환 82 10

플라스틱 하우징⑤조정 불량-

외관흠집 색상 불균일- ,교환 41 5

합 계 817 100

근거 고대기 출하 일지 년 월 년 월 출하량* : A/S (2004 2 ~2005 1 ), : 200,000Set

- 7 -

표 에서와 같이 고장 유형별로 분류된 제품의 주요 고장특성을 세분화하여 고장3.

모드별로 유형을 분류한 결과 세라믹히터 의 파손이 전체의 로 가장 높은 수“ ” 51%

준이었고 그 다음이 리드선 탈락으로 전체 고장율의 수준으로 절연불량으로26% ,

인한 고장이 였으며 마지막으로 저항치 변화가 전체 고장의 수준으로 나15% , 8%

타났다.

표 세라믹 히터의 고장 모드표 세라믹 히터의 고장 모드표 세라믹 히터의 고장 모드표 세라믹 히터의 고장 모드3.3.3.3.

그림 세라믹 히터의 고장모드별 분포그림 세라믹 히터의 고장모드별 분포그림 세라믹 히터의 고장모드별 분포그림 세라믹 히터의 고장모드별 분포5.5.5.5.

- 8 -

제 절 고장 모드별 원인분석제 절 고장 모드별 원인분석제 절 고장 모드별 원인분석제 절 고장 모드별 원인분석2222

결함나무 분석결함나무 분석결함나무 분석결함나무 분석1.1.1.1.

세라믹 히터의 고장분석을 위해 공정간 결함나무 분석을 다음과 같이 실시하였다.

균열 파손( )①

저항변화②

단락③

부식④

열선파손⑤

누설전류⑥

온도 불균일⑦

변형⑧

- 9 -

고장원인분석고장원인분석고장원인분석고장원인분석2.2.2.2.

세라믹 히터의 고장원인을 분석하기 위하여 고장모드별로 분류로 세라믹 히터를 외

관검사 및 분해하여 주사 전자현미경 내전압 시(Scanning Electron Microscope),

험기 로 분석하여 세라믹히터의 파손 층간분, Multimeter, Surface Tamp. Detector ,

리 열선파손 원인 등 고장 메커니즘을 분석하였다, .

고대기용 세라믹 히터의 고장모드별 원인 분석 결과를 요약하면 다음 표 와 같4.

다.

표 고대기용 세라믹 히터의 고장모드별 원인 분석표 고대기용 세라믹 히터의 고장모드별 원인 분석표 고대기용 세라믹 히터의 고장모드별 원인 분석표 고대기용 세라믹 히터의 고장모드별 원인 분석4.4.4.4.

고장유형고장유형고장유형고장유형 고장모드 건고장모드 건고장모드 건고장모드 건( )( )( )( )고장율고장율고장율고장율

(%)(%)(%)(%)고장원인고장원인고장원인고장원인

파손 균열1. ( )

51%

소자파손AIumina① 14내전압불량ⓐ

열충격 낮음ⓑ

층간분리② 12적층압력 온도낮음,ⓐ

결합제 연소 불량(Bake Out)ⓑ

열선파손③ 25

텅스텐 저항체 불량(W)-ⓐ

메탈라이징 불량,ⓑ

전극두께 얇음W-ⓒ

스퀴즈압력 불균일ⓓ

리드선 탈락2.

26%

탈락④ 24

메탈라이징 확산불량,ⓐ

노점온도 낮음(Dew Point) ,ⓑ

도금두께 얇음ⓒ

부식⑤ 2소성분위기 불량ⓐ

브레이징 분위기 불량(Brazing)ⓑ

절연불량3.

15%

저항불량⑥ 10

스크린 패턴 불량ⓐ

스크린망 크기가 큼ⓑ

텅스텐 전극두께 얇음(W)-ⓒ

스퀴즈압력 불균일ⓓ

누설전류 초과⑦ 5 조성불량AIuminaⓐ

저항값 변화4.

8%

불량Metallizing⑧ 4소성분위기 산화ⓐ

노점온도가 낮음ⓑ

저항패턴 산화W-⑨ 4소성분위기 산화ⓐ

메탈라이징 접착강도 낮음ⓑ

계 100

- 10 -

상기 고장모드별 고장율을 집계한 결과 파손 균열 고장율이 리드선 탈락, ( ) 51%,

절연불량 저항값 변화 로 분석되었다26%, 15%, 8% .

상기의 결과를 도출하기까지의 고장모드별로 원인분석을 실시하였다.

가 파단면 관찰가 파단면 관찰가 파단면 관찰가 파단면 관찰....

그림 은 고장시편을 원인분석하기 위하여 세라믹히터 소자가 파손된 고장제품을6

하여 파단면을 을 이용하여 원인을Sampling SEM(scanning Electron Microscope)

분석하였다.

분석은 파괴시편을 아세톤으로 초음파세척을 행한 후에 건조와 코팅SEM Au(Gold)

을 실시한 후 관찰을 하였다 측정조건은 가속전압 로 파단면 조직을 관SEM . 20KV

찰하였다 알루미나 소자가 파손된 파괴면 표면을 관찰한 사진은 그림 그림. SEM 7.

과 같다8. .

그림 세라믹히터 소자 파손그림 세라믹히터 소자 파손그림 세라믹히터 소자 파손그림 세라믹히터 소자 파손6.6.6.6.

그림 및 그림 의 세라믹히터 소자 파손된 표면을 관찰한 결과 크기7 8 SEM 100㎛

의 기공 이 몰려 있는 상태로 순간적으로 과전압이 흐르면 기공부위에서 파괴(Pore)

가 일어난 것으로 추정된다.

알루미나(AI203조성 그린쉬트 제조시 로) (Green Sheet) Binder PVB(Poly Vinyle

를 첨가하고 에서 충분하게 한후 에서 그린쉬ButhyrAI) ball Mill Mixing Casting M/C

트를 제조한다 그린쉬트에 패턴인쇄 한 후 환원분위기. (Pattern Print) (H2+N2,+H2O)

에서 동시소성 을 행한다 이때 원통형 로 소결 시 결합제(Cofiring) . Batch Furnace

가 탈지 과정에서 몰려있는 부위에서 되면서 생성된(Binder) (Degasing) Burn Out

기공 이다(Pore) .

- 11 -

이러한 기공이 소형기공 이 집중적으로 몰려 있거나 대(SmAIl Size Pore,10~50 ) ,㎛

형기공 이 존재하면 내전압이 약하여 파괴가 발생한다(Large Pore,20~50 ) .㎛

또한 메탈라이징 접합상태를 확인하기 위하여 그림 에서 메탈라이징(Metallizing) . 9

파단면을 으로 관찰한 결과 크기의 가 다량 존재하고 있(Metallizing) SEM , 3 Pore㎛

다 알루미나 소결체중에 대형기공 은 내전압과 밀접한 상관. (Large Pore,20~50 )㎛

성을 갖고 있다.

알루미나 소결체 파손 또는 균열 고장은 기공 의 영향이 매우 크고 내전압이(Pore) ,

약하다.

그림 세라믹히터 파손시편의 표면조직그림 세라믹히터 파손시편의 표면조직그림 세라믹히터 파손시편의 표면조직그림 세라믹히터 파손시편의 표면조직7.7.7.7.

- 12 -

그림 세라믹히터 파손시편의 표면조직그림 세라믹히터 파손시편의 표면조직그림 세라믹히터 파손시편의 표면조직그림 세라믹히터 파손시편의 표면조직8888

그림 세라믹히터 파손시편의 저항체의 메탈라이징 파단면 조직그림 세라믹히터 파손시편의 저항체의 메탈라이징 파단면 조직그림 세라믹히터 파손시편의 저항체의 메탈라이징 파단면 조직그림 세라믹히터 파손시편의 저항체의 메탈라이징 파단면 조직9 W-9 W-9 W-9 W-

그림 는 세라믹히터 파손시편의 텅스텐 저항체 메탈라이징 파단면 조직을9 (W)-

으로 관찰한 사진이다 텅스텐 저항체 메탈라이징 층에서 기공 이 다SEM . (W)- (Pore)

량 존재하여 다공성 조직으로 관찰되었다(Porous) .

- 13 -

이러한 파손고장이 내전압에 의한 파손과 유사한지를 를 인가하여AC4,750V 1sec

파괴된 시편을 당사 제조공정에서 하여 고장원인을 찾기 위하여 관Sampling SEM

찰을 하였다 인위적으로 를 걸어 내전압시험에서 파손된 세라믹히터. 4,750v/1.0sec

시편을 상기와 같은 조건으로 한 후 촬영한 조직사진은 그림 과Sampling SEM 10

같다.

파단면 조직사진에서 알루미나(AI2O3조성 내부에 과 크기의 대형기공) Crack 40㎛

이 존재하며 이러한 기공 부분에서 내전압 파괴가 발생한 것으(Large Pore) (Pore)

로 분석되었다.

그림 내전압 인가시 파손된 시편의 파단면조직그림 내전압 인가시 파손된 시편의 파단면조직그림 내전압 인가시 파손된 시편의 파단면조직그림 내전압 인가시 파손된 시편의 파단면조직10101010

그림 내전압 인가시 파손시편의 저항체 파단면 조직그림 내전압 인가시 파손시편의 저항체 파단면 조직그림 내전압 인가시 파손시편의 저항체 파단면 조직그림 내전압 인가시 파손시편의 저항체 파단면 조직11. W- Metallizing11. W- Metallizing11. W- Metallizing11. W- Metallizing

- 14 -

그림 은 인가시 파손된 메탈라이징 텅스텐 저항체 파단면11 AC 4,750V, 0.1sec ( - )

조직사진으로 메탈라이징 층에 기공 이 다량 존재하는 상태로서(Metallizing) (Pore)

에서는 파괴현상이 일어나지 않았다AC3,750V 1.7sec .

내전압시험에서 파괴된 시편의 조직과 파손 고장 시편을 비교 분석한 결과 동일한

파괴 형태를 나타내고 있는 경향으로 고장원인은 과전압 인가 시 내전압불량과 과

전압으로 순간 고온으로 발열되는 열충격이 알루미나 세라믹스에 영향을 미쳐 파손

에 이르는 것으로 판단된다.

현재의 알루미나 세라믹스는 AI2O3 조성비로 에서 안전성이 미비하90%, t=550△ ℃

여 고대기에 장착하여 사용하는 전압은 정격전압의 로 용 인 히AC 1/2 220V 160Ω

터는 고대기에서는 로 구동되고 있으며 사용온도는 이지만 실제 방AC 110V , 250℃

열판의 표면온도는 이다 따라서 현재의 열충격은 로 사용되200 . Max. t=200℃ △ ℃

고 있는 상황에서 전기사정이 열악한 중국 동남아 국가에서 사용시 순간 과전압인,

가 시 상기와 같은 열충격 내전압불량에 의한 파손고장이 유발된다고 사료된다, .

나 층간분리 고장분석나 층간분리 고장분석나 층간분리 고장분석나 층간분리 고장분석....

그림 는 내부의 전극 층에서 층간 분리현상이 발생하여 고장이 발생한 시편12. W-

을 하여 으로 파단면Sampling SEM(Scanning Electron Microscope) W-Metallizing

조직을 관찰한 사진이다.

그림 의 조직사진은 알루미나 그린쉬트 두께의 를 장 적층하여12. 850 Sheet 2 ,㎛

소결 시 완전하게 접착되지 않고 공극을 형성하여 폐기공 형태로 존재(Close Pore)

하고 있다 텅스텐 저항선에 전압 인가 시 층간분리 된 기공에서 내부전극이 산화. -

되어 파손된 상태의 고장유형이다.

- 15 -

알루미나 세라믹스가 제조공정상 적층압력 및 온도가 낮은 상태에서 적층하여 환원

분위기로 에서 미세기공이 텅스텐 저항체에서 발생 할 경(Metallizing Furnace) (W)-

우 단선의 원인이 되고 있다.

또한 해당 조직사진은 텅스텐 전극층에서 결합제 가 그린쉬트 제조(W)- PVB (Binder)

시 몰려있을 경우 탈지 공정상 결합제 가 완전하게 탈지(Bake Out) PVB (Binder)

되지 못하여 미연소 탄소 로 존재하고 있다가 본 소성 시(Degasing) (Free Carbon)

기공으로 잔류하는 조직사진이다.

그림 내부전극의 산화로 인한 고장 유형그림 내부전극의 산화로 인한 고장 유형그림 내부전극의 산화로 인한 고장 유형그림 내부전극의 산화로 인한 고장 유형12.12.12.12.

다 텅스텐 전극불량 파손다 텅스텐 전극불량 파손다 텅스텐 전극불량 파손다 텅스텐 전극불량 파손....

그림 은 그림 의 텅스텐 저항체 불량으로 인한 파손시편을14. 13 - (W-Pattern)

하여 파괴면을 으로 텅스텐 저항체Sampling , SEM(Scanning Electron Microscope) -

파단면 조직을 관찰한 사진이다.

메탈라이징 전극층에서 알루미나 세라믹스와 텅스텐 전극인쇄 층간의 액상(W)-

이동이 없어 알루미나 소결체와의 접합강도 낮으며 텅스텐 인쇄 두(Liquid Phase) ,

께가 으로 얇고 세라믹과 텅스텐 전극 간 부적합한 접합이 확인된다8 .㎛

- 16 -

이러한 원인은 텅스텐 저항체 인쇄 공정상 텅스텐 저항체 불량 메탈라이징,

불량 인쇄기의 스퀴즈 압력이 낮으며 텅스텐 전극 두께가 얇은(Metallizing) , , (W)-

문제가 고장원인으로 판정된다 이러한 고장원인을 확인하기 위하여 정상적인 제품.

을 하여 텅스텐 메탈라이징 파단면 조직을 으로 관찰 하였다Sampling (W)- SEM .

그림 불량으로 인한 파손그림 불량으로 인한 파손그림 불량으로 인한 파손그림 불량으로 인한 파손13. W-Pattern13. W-Pattern13. W-Pattern13. W-Pattern

그림 텅스텐 메탈라이징 불량 두께그림 텅스텐 메탈라이징 불량 두께그림 텅스텐 메탈라이징 불량 두께그림 텅스텐 메탈라이징 불량 두께14. - (MLZ 8 )14. - (MLZ 8 )14. - (MLZ 8 )14. - (MLZ 8 )㎛㎛㎛㎛

그림 에서 정상적인 세라믹히터의 메탈라이징 파단면조직으로 텅스15 (Metallizing)

텐 메탈라이징 두께가 로 매우(W)- 29㎛ 뚜꺼운 상태로 나타났다 열선파손의 경우.

그림 와 같이 텅스텐 전극층이 두께로 얇고 불균일하기 때문에 패턴14. (W)- 8 W-㎛

두께가 불균일하게 인쇄 될 경우에는 에 출하되어 사용 시 저항불량과(Printing) Field

열선에 저항이 집중되어 열선 파손에 이르게 된다.

이러한 텅스텐 인쇄 불균일로 인한 고장은 사용 중에 온도의 불균일로 이어져(W)-

사용 수명감소 및 고장요인이다.

- 17 -

그림 정상적인 두께 두께그림 정상적인 두께 두께그림 정상적인 두께 두께그림 정상적인 두께 두께15. W-Pattern (MLZ 29 )15. W-Pattern (MLZ 29 )15. W-Pattern (MLZ 29 )15. W-Pattern (MLZ 29 )㎛㎛㎛㎛

라 리드선 탈락라 리드선 탈락라 리드선 탈락라 리드선 탈락....

그림 의 고장시편을 원인분석하기 위하여 세라믹히터 소자가 파손된 고장제품을16.

하여 리드선 탈락 단면을 으로 고장Sampling SEM(scanning Electron Microscope)

원인을 분석하였다.

알루미나 소자의 리드선이 탈락한 단면을 관찰한 사진은 그림 과 같SEM 17, 18.

다.

그림 리드선 탈락 및 부식그림 리드선 탈락 및 부식그림 리드선 탈락 및 부식그림 리드선 탈락 및 부식16.16.16.16.

- 18 -

그림 리드선 탈락 파단면 미세조직그림 리드선 탈락 파단면 미세조직그림 리드선 탈락 파단면 미세조직그림 리드선 탈락 파단면 미세조직17.17.17.17.

두께(W-MLZ : 4.5 )㎛

그림 그림 은 텅스텐 메탈라이징 표면과 도금층 사이가 떨17, 18. (W)- (Metallizing) Ni

어져있고 텅스텐 메탈라이징 두께가 얇은 상태로 에서 사용, (W)- (Metallizing) Field

시 로 인한 리드선 탈락고장을 유발하는 것으로 분석된다 이와 같ThermAI Stress .

은 파단면의 미세조직은 알루미나 소결체와 텅스텐 전극층이 강고하게 접합되(W)-

어 있지 않으며 액상 이동이 이루어지지 않은 상태로 메탈라이징, (Liquid Phase)

소성에서 원소가 텅스텐 전극층에 확산되지 않은 상태(Metallizing) Si,AI,Mg,Ti (W)-

로 분석되었다.

그림 리드선 탈락 파단면 미세조직그림 리드선 탈락 파단면 미세조직그림 리드선 탈락 파단면 미세조직그림 리드선 탈락 파단면 미세조직18.18.18.18.

도금 두께(Ni : 5~7 )㎛

- 19 -

제조공정상 환원분위기 소성에서 노점온도 가 낮아 습윤량이 상대적으로(Dew Point)

적은상태로 액상이동이 이루어 지지 않은 소성조건으로 메탈라이징 환, (Metallizing)

원분위기 소성조건 개선이 요구된다.

상기와 같은 텅스텐 전극층의 메라이징 에서 액상이동이 이루어지지(W)- (Metallizing)

않을 시는 메탈라이징 강도가 이하로 쉴게 떨어지는 고장을 일으킨다3Kgf .

그림 은 세라믹히터의 단자부위에서 리드선이 탈락된 전극 표면을 으로 미19 SEM

세조직을 분석하였다 세라믹히터에서 전극 부위의 접합강도가 매우 중요한 특성으.

로 알루미나 텅스텐 전극층 무전해 도금층 그리고 층으로 구성, , Ni Ag-Cu Brazing

되어 있다 리드선이 탈락된 고장원인을 정밀하게 분석하기 위하여 리드선이 탈락.

한 텅스텐 메탈라이징 표면조직에서 알루미나 층에서 파괴가 일어(W)- (Metallizing)

났는지의 여부를 관찰 하였다 시편의 표면을 으로 관찰한 미세조직으로 리드. SEM

선이 무전해도금층과 브레이징 층이 박리 되어있는 상태로 텅스Ni Ag+Cu (Brazing) ,

텐 메탈라이징 표면에 검은 이물질이 조직 사진에서 확인 되었다(W)- (Metallizing) .

그림 리드선 탈락 단자부위 표면조직그림 리드선 탈락 단자부위 표면조직그림 리드선 탈락 단자부위 표면조직그림 리드선 탈락 단자부위 표면조직19.19.19.19.

이러한 이물질은 전자현미경 에서 원자번호 효과로 원자번호가 낮은 원소가SEM( )

검게 보이며 높은 원소는 밝게 보이는 원리로 볼 때 탄소 로 판단되었다, (Carbon) .

- 20 -

원소분석 결과 탄소 로 분석 되어EDS(Energy DispersiVe Spectrometer) (Carbon)

탄소 가 존재하는 부분에서 무전해 도금층이 박리되어 있는 상태로(Carbon) Ni

고장을 일으킨 것으로 분석되었다Field .

또한 리드선 탈락 단자부위의 파단면을 으로SEM(Scanning Electron Microscope)

관찰하였다 텅스텐 메탈라이징 층에서 이 분석됨에 따라서. (W)- (Metallizing) Carbon

텅스텐 전극의 접합상태를 관찰하여 고장원인을 다각적으로 분석하였다(W)- .

그림 리드선 탈락 단자부위 파단면조직그림 리드선 탈락 단자부위 파단면조직그림 리드선 탈락 단자부위 파단면조직그림 리드선 탈락 단자부위 파단면조직20.20.20.20.

그림 은 리드선이 탈락된 단자부위 파단면을 으로 관찰한 사진이다 텅스텐20 SEM .

메탈라이징 층이 한 조직으로 메탈라이징 접합(W)- (Metallizing) Porous (Metallizing)

강도가 매우 낮은 상태로 판단되며 중의 잔류 탄소 가 완전하게, W-Paste (Carbon)

탈지 되지 못하고 알루미나 소결체층과 액상 이 확산 되지(Burn Out) (Liquid Phase)

못한 상태로 관찰되었다.

이러한 고장원인은 잔류 탄소 에 의한 층이 박리되어 리드선이 탈락 되는(Carbon) Ni

고장을 일으키는 것으로 분석되었다 본 리드선 탈락 고장시편과 대비하기 위하여.

정상시편을 하여 파단면을 및Sampling SEM(Scanning Electron Microscope)

로 분석을 실시하였다EDS(Energy Dispersive Spectrometer) .

- 21 -

그림 은 텅스텐 메탈라이징 접합상태가 매우 양호한 정상품을 한 단자21 - Sampling

부위 파단면을 으로 촬영한 조직사진이다SEM .

알루미나 소결체와 텅스텐 메탈라이징 접합강도가 양호하며 액상이- (W-Metallizing) ,

동이 이루어져 텅스텐 입자와 액상이 강고하게 결합되어 있는 상태이다(W)- .

그림 양호한 리드선 단자부위 파단면 조직그림 양호한 리드선 단자부위 파단면 조직그림 양호한 리드선 단자부위 파단면 조직그림 양호한 리드선 단자부위 파단면 조직21.21.21.21.

상기 단자 탈락의 고장시편은 텅스텐 메탈라이징 층이 하여- (W-Metallizing) Porous

액상이동이 전혀 이루어지지 못한 상태로 정상품과 대비된다.

또한 텅스텐 메탈라이징 층을 로 분석한 결과 텅스텐 성분으- (W-Metallizing) EDS (W)

로 분석되었다 분석결과는 그림 와 같다. 22 .

- 22 -

그림 정상품의 단자부위 원소분석 결과그림 정상품의 단자부위 원소분석 결과그림 정상품의 단자부위 원소분석 결과그림 정상품의 단자부위 원소분석 결과22. EDS22. EDS22. EDS22. EDS

마 절연불량 고장마 절연불량 고장마 절연불량 고장마 절연불량 고장....

그림 의 고장시편을 원인분석하기 위하여 세라믹히터 소자가 파손된 고장제품을23

하여 파괴면을 으로 고장원인을 분Sampling SEM(scanning Electron Microscope)

석 하였다.

알루미나 소자가 파손된 파괴면 표면을 관찰한 사진은 그림 그림 와 같다SEM 24, 25 .

그림 는 절연저항 불량 고장시편으로 파괴면을 관찰한 사진으로 전극24 SEM W-

층에 기공 이 다량 존재하였다 이러한 파괴양상을 한 시편을 다수(Pore) . Sampling

조사하였으나 상기 조직사진과 같은 경향을 나타내고 있었으며 전장의 내전압파괴,

와 비슷한 경향으로 그림 은 조직사진에서 보는 바와 같이 내부 텅스텐, 25 SEM

전극층과 알루미나 소결체층과의 접합면에서 대형기공 이 존재할(W)- (Large Pore)

시는 절연파괴가 쉽게 일어나는 것으로 판단된다.

- 23 -

그림 절연불량 고장시편그림 절연불량 고장시편그림 절연불량 고장시편그림 절연불량 고장시편23.23.23.23.

좌사진 절연파손( : ) 우사진 누설전류 초과( : Crack)

그림 절연저항 불량 고장시편그림 절연저항 불량 고장시편그림 절연저항 불량 고장시편그림 절연저항 불량 고장시편24.24.24.24.

그림 절연저항 불량 파손 단면조직그림 절연저항 불량 파손 단면조직그림 절연저항 불량 파손 단면조직그림 절연저항 불량 파손 단면조직25.25.25.25.

- 24 -

절연저항 불량 고장시편의 종류를 나누어보면 완전파손 균열 저항값(Crack)❶ ❷ ❸

변화 누설전류 초과 이다 고장시편 중 완전파손 균열 시편은 전기적. (Crack)❹ ❶ ❷

인 특성을 측정하기는 불가능하지만 세라믹히터의 통전 시 약 사용한, 500 ~ 970hr

외관상 큰 결함이 없는 제품을 대상으로 알루미나 소결체의 절연저항과 누설전류를

측정하여 전기적인 특성 변화를 측정하였다.

이러한 고장분석은 파괴되기 직전의 고장인자를 갖고 있는 시편의 기공 이 절(Pore)

연파괴를 일으키는지를 파악하기 위하여 실시하였다.

절연저항시험은 세라믹 히터의 발열 중심부가 수조 탱크의 수중 평면에서 이10㎜

상 잠기도록한 후 히터의 리드선과 연결하여 절연저항을 측정하였다 이때 히터 리.

드선과 수조사이에 전압 을 인가하여 절연저항을 측정 하였다DC.500V(25 ) .℃

그림 누설전류 초과 고장그림 누설전류 초과 고장그림 누설전류 초과 고장그림 누설전류 초과 고장26.26.26.26.

- 25 -

표 누설 전류 초과 고장표 누설 전류 초과 고장표 누설 전류 초과 고장표 누설 전류 초과 고장5. Data5. Data5. Data5. Data

절연저항과 누설전류는 역상관 관계를 나타내는 경향으로 누설전류가 커질수록 절

연저항은 낮아지는 경향으로 나타났다.

상기 그림 에서 보는 바와 같이 사용시간이 길어질수록 누설 전류값은 상승하는26

경향으로 나타났으며 절연저항은 낮아지는 경향으로 분석되었다, .

이러한 현상은 대형기공 이 존재할 시는 폐기공 보다는 개(Large Pore) (Close Pore)

기공 이 더욱 악화시킨다고 문헌에서도 보고하고 있다 기공이 절연저(Open Pore) .

항 및 누설전류초과 고장을 유발하는 원인은 기공을 통하여 수분이 침투하여 절연

성을 급격하게 감소시켜 누설전류를 상승시켜 최종적으로는 파괴에 이르는 것으로

분석된다.

상기 측정시편 중 누설전류가 인 시간 사용한 시편을 선정하여 텅스10mA 950 No. 7

텐 전극층 파단면조직을 으로 분석하였다(W)- SEM(Scanning Electron Microscope) .

절연저항이 으로 절연저항이 매우 낮은 수준으로 파괴직전의 상태로 판단되37MΩ

어 으로 관찰한 파단면 조직사진은 다음 그림 과 같다SEM 27 .

- 26 -

그림 시간 사용시편 파단면 조직그림 시간 사용시편 파단면 조직그림 시간 사용시편 파단면 조직그림 시간 사용시편 파단면 조직27. 95027. 95027. 95027. 950

누설전류가 절연저항이( 10mA, 37M )Ω

그림 은 시간 사용한 시편을 절연저항 누설전류를 측정한 결과 절연저항은27 950 ,

크게 떨어지고 보통 누설전류는 크게 상승되어 보통 있는 상태로 파괴( 90M ), ( 6mA)Ω

직전으로 판단하여 하여 파단면 조직을 관찰하였다 관찰결과 텅스Sampling SEM .

텐 전극층과 알루미나 소결체 경계면에서 파괴가 일어나고 있는 상태를 알 수(W)-

있었다 이러한 경향은 미세기공 이 개기공 형태로 진전되. (Micro Pore) (Open Pore)

어 수분을 흡수하여 절연성과 누설전류 특성을 크게 떨어뜨리는 원인으로 판단된

다.

제 절 외국 제품의 고장 특성 분석제 절 외국 제품의 고장 특성 분석제 절 외국 제품의 고장 특성 분석제 절 외국 제품의 고장 특성 분석3 .3 .3 .3 .

세라믹 히터의 고장 메카니즘 을 당사 제품과 비교 조사하기 위하(fail mechanism)

여 시간 약 년 사용 시간 일 일 월 월 년 시간 년 사용한 고780 ( 1 : 2.5 / x25 / x 12 / =750 / )

대기용 세라믹 히터를 분해한 후 아세톤으로 초음파 세척을 분간 실시하였다, 10 .

- 27 -

외국산 제품은 일본 사 생산 가 세계 최고의 품질로 인정 받고K( ) Ceramic Heater

있어 비교시험을 통한 고장개선 정보를 얻기 위하여 분석하였다.

그림 은 일본 사 알루미나 세라믹 히터사진으로 현장에서 시간 사용한 시28 K( ) 780

편을 하여 세라믹 히터를 분해한 사진으로 세라믹 히터 부품이 정상적Sampling , ,

으로 작동하고 있는 상태로 외관상으로 이상이 없었다.

그림 일본 사 세라믹 히터 제품그림 일본 사 세라믹 히터 제품그림 일본 사 세라믹 히터 제품그림 일본 사 세라믹 히터 제품28. K( )28. K( )28. K( )28. K( )

가 파단면 조직 관찰가 파단면 조직 관찰가 파단면 조직 관찰가 파단면 조직 관찰. SEM. SEM. SEM. SEM

그림 그림 은 일본 사 세라믹히터를 시간 사용한 시편을 하29, 30. K( ) 780 Sampling

여 파단면을 으로 관찰한 결과이다SEM .

그림 은 저배율의 사진으로 전극과 알루미나 세라믹스가 강고하게 접합29. SEM W-

된 조직으로 가 없는 치밀한 조직이다Pore .

그림 은 내부전극이 두께로 메탈라이징 접합이 양호한 조직30. W- 12 (Metallizing)㎛

으로 텅스텐 전극층과 알루미나 세라믹스층에서 액상 이동으로(W)- (Liquid Phase)

강고하게 접합된 상태로 텅스텐 전극 메탈라이징 확산 상태가 매우 양호한 미(W)-

세 구조이다.

- 28 -

그림 일본 사 세라믹히터 파단면 조직그림 일본 사 세라믹히터 파단면 조직그림 일본 사 세라믹히터 파단면 조직그림 일본 사 세라믹히터 파단면 조직29. K( ) (X100)29. K( ) (X100)29. K( ) (X100)29. K( ) (X100)

그림 일본 사 세라믹히터 파단면 조직그림 일본 사 세라믹히터 파단면 조직그림 일본 사 세라믹히터 파단면 조직그림 일본 사 세라믹히터 파단면 조직30. K( ) (X100)30. K( ) (X100)30. K( ) (X100)30. K( ) (X100)

나 연마 표면 미세 조직나 연마 표면 미세 조직나 연마 표면 미세 조직나 연마 표면 미세 조직. SEM. SEM. SEM. SEM

그림 은 일본 사 세라믹히터를 시간 사용한 시편을 하여 미31, 32 K( ) 780 Sampling

세연마 이하 하여 으로 연마연 조직을 관(1 ) SEM(Scanning Electron Microscope)㎛

찰하였다.

- 29 -

텅스텐 전극의 폭은 이었으며 두께는 로 알루미나 소결체와 전(W)- 438 , 34.4 W-㎛ ㎛

극층이 액상이 확산되어 한몸으로 매우 강고한 메탈라이징 접합상태로(Metallizing)

관찰된다 또한 텅스텐 입자가 균일하게 분산되어 전극층에 액상. (W)- (Liquid Phase)

이 경계층으로 치밀하게 확산되어 있는 상태이다.

그림 일본 사 세라믹히터 연마면 조직그림 일본 사 세라믹히터 연마면 조직그림 일본 사 세라믹히터 연마면 조직그림 일본 사 세라믹히터 연마면 조직31. K( ) (X250)31. K( ) (X250)31. K( ) (X250)31. K( ) (X250)

그림 일본 사 세라믹히터 연마면 조직그림 일본 사 세라믹히터 연마면 조직그림 일본 사 세라믹히터 연마면 조직그림 일본 사 세라믹히터 연마면 조직32. K( ) (X1,500)32. K( ) (X1,500)32. K( ) (X1,500)32. K( ) (X1,500)

다 비파괴 분석다 비파괴 분석다 비파괴 분석다 비파괴 분석. (RT). (RT). (RT). (RT)

그림 은 일본 사 세라믹히터 비파괴 분석사진이다 비파괴 분석장비는33~35 K( ) (RT) .

비파괴장비를 이용하여 세라믹히터의 내부전극 패턴을RT(Radio Graphic Tester)

분석하였다 텅스텐 내부전극 형상에 따라서 열상분포와 열충격성이 차이가 발. (W)-

생하므로 선진 외국제품의 텅스텐 인쇄형상 및 전극의 브레이징 접합강도- (Brazing)

를 분석하였다.

- 30 -

분석결과 단위면적당 텅스텐 인쇄형상이 매우 치밀하게 인쇄되어 있는 것으로 판단-

된다 따라서 열 충격성이나 열분포 순간 상승온도가 타사보다 우수한 특성을 갖고. ,

있는 것으로 분석되었다.

그림 일본 사 세라믹히터 비파괴분석 사진그림 일본 사 세라믹히터 비파괴분석 사진그림 일본 사 세라믹히터 비파괴분석 사진그림 일본 사 세라믹히터 비파괴분석 사진33. K( )33. K( )33. K( )33. K( )

전극 브레이징(W : 5 , W- , Lead Wire )㎜

- 31 -

그림 일본 사 세라믹히터 비파괴분석 사진그림 일본 사 세라믹히터 비파괴분석 사진그림 일본 사 세라믹히터 비파괴분석 사진그림 일본 사 세라믹히터 비파괴분석 사진34. K( )34. K( )34. K( )34. K( )

전극 브래이징(W: 10 , W- , Lead Wire )㎜

그림 일본 사 세라믹히터 비파괴분석 사진그림 일본 사 세라믹히터 비파괴분석 사진그림 일본 사 세라믹히터 비파괴분석 사진그림 일본 사 세라믹히터 비파괴분석 사진35. K( )35. K( )35. K( )35. K( )

전극 브래이징(W: 20 , W- , Lead Wire )㎜

- 32 -

라 세라믹 히터 소자 분석라 세라믹 히터 소자 분석라 세라믹 히터 소자 분석라 세라믹 히터 소자 분석. AIumina EDS. AIumina EDS. AIumina EDS. AIumina EDS

는 미소원소분석장치로서 주사전자 현EDS(Energy Dispersive Spectrometer) SEM(

미경 챔버 내에서 전자선을 시료표면에 조사하면 차전자 와 반사전자) 2 (SEI) (BEI),

전자 선이 발생한다 여기서 차전자로 미세조직을 관찰하며 이 때 발생Auger , X- . 2 ,

되는 선을 검출하여 각 원소가 갖는 고유의 에너지 레벨과 비교하여 시편의 표X-

면조직과 원소를 정성 및 정량분석을 실시하였다.

세라믹 히터의 세라믹스 소자는 기공 최소화가 전기적 특성에 큰 영AIumina (Pore)

향을 미치므로 외국산제품의 원소분석을 실시하여 세라믹스 조성비와 분산성을 조,

사하였다 는 영국의 사 을. EDS(energy dispersive spectrometer) LINK( )AN 0,000→

사용하였다 분석결과 이 주성분으로 성분이 소결조제 로 첨가되었다. AI Si, Ca (Flux) .

분석결과는 표 과 같다EDS 6.

표 세라믹 히터 소자 분석표 세라믹 히터 소자 분석표 세라믹 히터 소자 분석표 세라믹 히터 소자 분석6. EDS6. EDS6. EDS6. EDS

마 세라믹 히터 전극층 분석마 세라믹 히터 전극층 분석마 세라믹 히터 전극층 분석마 세라믹 히터 전극층 분석. W- EDS. W- EDS. W- EDS. W- EDS

표 그림 에서 일본 사 텅스텐 메탈라이징 내부 전극층을 으로 미세조7, 36. K( ) - SEM

직과 성분을 원소분석 하였다EDS .

텅스텐 전극층을 분석결과 로 분석 되었다(W)- EDS W 77.47wt%, AI 22.53wt% .

- 33 -

표 전극층 분석결과표 전극층 분석결과표 전극층 분석결과표 전극층 분석결과7 W-7 W-7 W-7 W-

단위 : wt%

구분구분구분구분 CCCC AIAIAIAI WWWW

No, 1 - 22.55 77.45

No 2 - 21.39 78.61

No. 3 - 23.65 76.35

Sum - 67.59 232.41

bar X - 22.53 77.47

그림 전극 층 원소분석그림 전극 층 원소분석그림 전극 층 원소분석그림 전극 층 원소분석36. W- Metallizing EDS36. W- Metallizing EDS36. W- Metallizing EDS36. W- Metallizing EDS

바 세라믹 히터 표면 분석바 세라믹 히터 표면 분석바 세라믹 히터 표면 분석바 세라믹 히터 표면 분석. Brazing EDS. Brazing EDS. Brazing EDS. Brazing EDS

그림 표 은 일본 사 제품의 리드선 브레이징 표면을 분석하였다37, 8. K( ) EDS .

리드선 접합용 브레이징 금속 은 합금으로(Brazing Metal) Ag-Cu Ag74.7lwt%,

로 분석 되었다Cull.52wt% .

리드선은 성분으로 분석 되었다Ni .

- 34 -

표 분석 결과표 분석 결과표 분석 결과표 분석 결과8. Lead Wire Brazing8. Lead Wire Brazing8. Lead Wire Brazing8. Lead Wire Brazing

그림 일본 사 단지부위 표면 원소분석그림 일본 사 단지부위 표면 원소분석그림 일본 사 단지부위 표면 원소분석그림 일본 사 단지부위 표면 원소분석37. K( ) Brazing EDS37. K( ) Brazing EDS37. K( ) Brazing EDS37. K( ) Brazing EDS

사 내전압 및 절연 저항사 내전압 및 절연 저항사 내전압 및 절연 저항사 내전압 및 절연 저항. TEST. TEST. TEST. TEST

그림 의 내전압 시험기를 이용하여 로 인가하여 측정하였으며38. AC.4750v (25 ) ,℃

내전압을 인가하여 파괴된 시료가 없었다 시료수는 각 씩AC.4750V 2.0sec . 10EA

인가하여 파손되지 않은 인가시간을 측정하였다 일본 사 의 내전압은. K( ) AC.4750V

이다(25 ) 2.0sec .℃

- 35 -

그림 의 절연저항시험은 세라믹 히터의 발열 중심부가 수조 탱크의 수중평면에39.

서 이상 잠기도록한 후 히터의 리드선에 절연저항을 측정하였다 이때 히터10mm .

리드선과 수조사이에 전압을 인가하여 절연저항을 측정하였다.

그림 내전압 측정그림 내전압 측정그림 내전압 측정그림 내전압 측정38.38.38.38. 그림 절연 저항 측정그림 절연 저항 측정그림 절연 저항 측정그림 절연 저항 측정39.39.39.39.

표 일본 사 내전압표 일본 사 내전압표 일본 사 내전압표 일본 사 내전압9. K( )9. K( )9. K( )9. K( ) 과과과과 절연저항측정절연저항측정절연저항측정절연저항측정 DataDataDataData

아 누설전류 측정아 누설전류 측정아 누설전류 측정아 누설전류 측정....

일반 수조 탱크에서 세라믹 히터의 발열부가 수중표면으로부터 최소 이상 잠기5㎜

게 하고 세라믹 히터 리드선과 수조 사이에 전압을 인가하고 절연저항을 측(Water)

정하였다 측정결과는 표 과 같다. 10. .

- 36 -

이때 누설전류 가 시편 개 평균값이 로 나타났다(Leak Current) 3 2.9mA .

그림 누설전류 측정그림 누설전류 측정그림 누설전류 측정그림 누설전류 측정40.40.40.40.

표 일본 사 세라믹히터 누설전류 측정표 일본 사 세라믹히터 누설전류 측정표 일본 사 세라믹히터 누설전류 측정표 일본 사 세라믹히터 누설전류 측정10. K( ) Data10. K( ) Data10. K( ) Data10. K( ) Data

구분 누설전류 단위( : mA)

1

2

3

2.9

3.1

2.7

Sum 8.7

bar X 2.9

자 온도분포 및 발열 특성비교자 온도분포 및 발열 특성비교자 온도분포 및 발열 특성비교자 온도분포 및 발열 특성비교....

세라믹 히터를 발열온도와 열상분포를 분석하였다.

용 을 선정하여 정격전압을 인가하여 열상분포를 측정하였220V 140~169 SampleΩ

다 일본 사 제품의 열상분포는 균일한 열상분포와 높은 발열온도를 나타내고. K( )

있다 그림 은 열적외선 카메라로 열상분포를 촬영한 사진이다. 41. .

사진 상의 세라믹히터 중앙부위 백색부분은 온도가 고온으로 열상분포가 균일하며

순간 열속도가 빠르며 발열 온도도 높은 것으로 나타났다, .

- 37 -

그림 일본 사 열상분포그림 일본 사 열상분포그림 일본 사 열상분포그림 일본 사 열상분포41. H( )41. H( )41. H( )41. H( )

세라믹 히터의 통전 시 포화온도 도달시간이 매우 중요하며 텅스텐 인쇄패턴, -

에 따른 온도 발열 특성에 따른 차이가 있다(W-Pattern) .

목표 제품인 일본 사 제품의 온도 발열특성을 로 측정하K( ) Surface Temp. Detector

였다 측정장비는 그림 와 같다. 42. .

그림 온도 발온특성 측정장치그림 온도 발온특성 측정장치그림 온도 발온특성 측정장치그림 온도 발온특성 측정장치42.42.42.42.

- 38 -

그림 일본 사 발열 온도 변화 통전시간 발열온도그림 일본 사 발열 온도 변화 통전시간 발열온도그림 일본 사 발열 온도 변화 통전시간 발열온도그림 일본 사 발열 온도 변화 통전시간 발열온도43. K( ) (X: ,Y: )43. K( ) (X: ,Y: )43. K( ) (X: ,Y: )43. K( ) (X: ,Y: )

그림 의 온도 발열 특성은 상기 통전시간 발열온도 에서 보는 바와43. (X), (V) Curve

같이 순간 발열특성이 우수하였다 통전 후 분 이내에 까지 상승하며 최고. 2 500℃

온도범위를 유지하는 것으로 나타났다540~560 .℃

차 전극 접착강도차 전극 접착강도차 전극 접착강도차 전극 접착강도....

리드선을 수직방향으로 인장하였을 때 텅스텐 메탈라이징 층과 리드선이- 피괴되는

강도를 측정하였다 일본 사 의 전극 메탈라이징 접착강도 측정결과는 다음Peak . K( ) -

표 과 같다11. .

표 일본 사 전극 메탈라이징 접착강도표 일본 사 전극 메탈라이징 접착강도표 일본 사 전극 메탈라이징 접착강도표 일본 사 전극 메탈라이징 접착강도11. K( ) -11. K( ) -11. K( ) -11. K( ) -

- 39 -

카 굽힘 강도카 굽힘 강도카 굽힘 강도카 굽힘 강도....

굽힘강도 측정기를 이용하여 측정하였다(Bending Strength) .

측정방법은 방법을 적용하였으며 길이는 로 굽힘강도ASTM , Span 30mm 3-point

시험을 실시하였다.

측정원리는 다음 그림 와 같으며 점 굽힘강도는 다음 계산식에 의하여 산출하44. , 3

였다.

그림 외형칫수그림 외형칫수그림 외형칫수그림 외형칫수44. Heater44. Heater44. Heater44. Heater

표 일본 사 세라믹 히터 점 굽힘강도표 일본 사 세라믹 히터 점 굽힘강도표 일본 사 세라믹 히터 점 굽힘강도표 일본 사 세라믹 히터 점 굽힘강도12. K( ) 3 Data(size : 10×1.0×70mm)12. K( ) 3 Data(size : 10×1.0×70mm)12. K( ) 3 Data(size : 10×1.0×70mm)12. K( ) 3 Data(size : 10×1.0×70mm)

표 의 굽힘강도 시험 시 파괴시편의 파괴 형상은 외관상 직선방향으로12, 3-Point

파괴된 상태가 정상적인 파괴로 굽힘강도 데이터도 균일하였으나 종방향의 파괴나,

이빨 빠진형태의 파괴는 파괴시점에서 대형 기공이 존재하여 응력집중으로 인한 이

상 파괴로 곡강도 데이터도 낮은 값을 나타내어 제외시켰다 세라믹히터. Size :

시편을 회 측정한 평균치는 로 측정되었다10x1.0×70mm 10 2,243 kgf/ .㎠

- 40 -

표 일본 사 세라믹 히터 점굽힘강도표 일본 사 세라믹 히터 점굽힘강도표 일본 사 세라믹 히터 점굽힘강도표 일본 사 세라믹 히터 점굽힘강도13. K( ) 3 Data(size : 20×1.0×70mm)13. K( ) 3 Data(size : 20×1.0×70mm)13. K( ) 3 Data(size : 20×1.0×70mm)13. K( ) 3 Data(size : 20×1.0×70mm)

표 의 굽힘강도 파괴시편의 형상을 외관상 직선방향으로 파괴된 상태가13. 3-Point

정상적인 파괴로 굽힘강도 데이터도 균일하였으나 종방향의 파괴나 이빨 빠진 형,

태의 파괴는 파괴시점에서 대형 기공이 존재하여 응력집중으로 인한 이상 파괴로

굽힘강도 데이터도 낮은 값을 나타내어 제외시켰다 세라믹히터. Size :

시편을 회 측정한 평균치는 로 측정되었다20×1.0×70mm 10 2,393 kgf/ .㎠

- 41 -

제 장 고장개선제 장 고장개선제 장 고장개선제 장 고장개선4444

제 절 고장개선을 위한 선진제품 및 기술 분석제 절 고장개선을 위한 선진제품 및 기술 분석제 절 고장개선을 위한 선진제품 및 기술 분석제 절 고장개선을 위한 선진제품 및 기술 분석1111

일본 사 제품에 대한 선회절 및 성분 분석결과는 표 와 그림 와 같다K X- 14. 45. .

주성분은 로서 약 였고 주결정상은AI2O3 91% , a-AI2O3 로 확인되었다 부성분으로

SiO2 가 존재하였고 부결정상은, CaO , AIuminosilicate (AI2O3 SiOㆍ 2 임을 알 수 있)

었다 그 외 특성을 보면 강도는 열전도율을 였으며 저항은. 186MPa, 14.8W/m k ,․

열팽창계수는70 , 75× 10Ω-7

표면 거칠기 는 였다/ , (Ra) 0.8 .℃ ㎛

표 외국제품의 치수 및 특성표 외국제품의 치수 및 특성표 외국제품의 치수 및 특성표 외국제품의 치수 및 특성14.14.14.14.

치수치수치수치수

폭 너비 두께폭 너비 두께폭 너비 두께폭 너비 두께( × × , )( × × , )( × × , )( × × , )㎜㎜㎜㎜

성분성분성분성분(wt.%)(wt.%)(wt.%)(wt.%)

강도강도강도강도

(MPa)(MPa)(MPa)(MPa)

열전도도열전도도열전도도열전도도

(W/mk)(W/mk)(W/mk)(W/mk)․․․․

저항저항저항저항

( )( )( )( )ΩΩΩΩ

열팽창계수열팽창계수열팽창계수열팽창계수

(10(10(10(10-7-7-7-7/ )/ )/ )/ )℃℃℃℃

표면거칠기표면거칠기표면거칠기표면거칠기

(Ra, )(Ra, )(Ra, )(Ra, )㎛㎛㎛㎛AIAIAIAI2222OOOO3333 SiOSiOSiOSiO2222 CaOCaOCaOCaO

20×70×1.2 90.9 5.3 2.0 186 14.8 70 75 0.8

열팽창계수는 기판에 대한 값임* AIumina

그림 세라믹 기판의 일본 사제그림 세라믹 기판의 일본 사제그림 세라믹 기판의 일본 사제그림 세라믹 기판의 일본 사제45. XRD pattern ( K )45. XRD pattern ( K )45. XRD pattern ( K )45. XRD pattern ( K )

- 42 -

세라믹 히터의 신뢰성 향상을 수행하기 위하여 관련 문헌을 검토한 결과는 다음과

같다 소결에 미치는 천연광물 첨가제의 영향의 연구 내용은 이상의. "AIumina 99%

알루미나(AI2O3 에 국내산 천연원료인 광물을 첨가하여 소성) Kaolin, Talc, CAIcite

후 알루미나 함량을 가 될 때 에서 소성하여 액상을 생성시켜94.5% 1600~1650℃

치밀화가 쉽게 일어나게 하거나 또는 입자 간에 고용체를 미량 존재하게 하여 급,

격한 입자성장을 제어할 수 있는 조성비를 연구 하고 있다 연구 결과. Kaolin,

를 비율로 첨가했을 때 밀도가 로 치밀화Talc, CAIcite 0.46 : 0.27 : 0.27 3.78g/㎠

되었고 또한 천연광물 중 가, Talc Spinel(MgAI2O4 광물상을 형성하여 입자성장을)

억제하고 있는 효과를 나타내고 있다.

세라믹 히터용 알루미나 기판의 조성으로는 일반적으로 저가에 생산되고 세라믹 기

판은 주로 알루미나를 주성분으로 한 기판이 알려져 있고 일부 특수용으로 사용되

는 고열전도율 기판으로는 기판이 있다 알루미나를 주성분으로 하는 경AIN, BeO .

우 알루미나 함량이 이상 높으면 열전도율과 강도는 높으나 과의94% Hard Metal

접착력이 낮아 알루미나 함량을 90~94% AI2O3을 사용하는 경우는 접착력은 우수

하지만 전도율과 강도가 낮아 히터로 사용되었을 때 열 이 반복될Cycle 대는 열응

력에 의한 파괴가 일어나는 고장유형이 증가하는 경향이다.

따라서 본 신뢰성 향상 연구에서는 소비전력은 낮추고 사용 중 파괴가 일어나지 않

는 금속과의 접착강도가 우수한 히터를 제조하고자 알루미나 함량을 로 하90~93%

면서 기계적 전기적 특성을 향상시키는 조성이· ZrO2 ,Y2O3 및 천연광물( KaOlin,

을 첨가하는 조성이 열충격이 우수하며 또한 소결체 치밀화 및 입Talc, Calcite ) ,

성장 제어는 천연광물이 할 수 있을 것으로 예측된다.

텅스텐 발열체와" AI2O3 쉬트의 동시소성 적층기판에 있어서 전기로 분위기 수소( +

질소 습분 효과 연구에서 현상 치밀도 기공율 평활도 텅스텐 전극의+ ) Camber , , , , (W)

브레이징 특성은 수소와 수분 양에 영향을 받는다고 하였는데 특히(Brazing)

를 줄이고 소결체를 치밀화 시키고자 할 때는 수소 양을 줄이고 범Camber (75~23%

위 수분 양을 증가시킬 때 즉 산소분압이 높을수록 가능하다고 하였다) .

- 43 -

알루미나와 텅스텐의 동시소결 및 메탈라이징 에 있어서 계면 접착 강" (metallizing)

도에 관한 연구에서 알루미나 세라믹스의 조성 유기물조성 전극조성을 언급Batch , ,

하였다 접착강도 는 두께가 두꺼울수록 범. (Sending Strength) Metallizing (10~50㎛

위), AI2O3 함량이 소결 일 때 가장 높게 나타난다고 보고하였고 천연93%(1600 ) ,℃

광물 첨가는 접착강도에 영향을 미치는데 활석 가 에(Talc, ball clay) Talc( ) 1,000℃

서 분해하여 와MgO SiO2로 나타나고 는 정도에서, Ball Clay 1,400 AI℃ 2O3·SiO2계

로 앞서 생성된 와 함께MgO MgO·AI2O3·SiO2계의 액상 이 생성되고(liquid phase) ,

이 때 생성된 액상은 에서 가 생성되면서 없어지며 이 가 강1,500 Mullite , Mullite℃

도를 증진 시킨다고 보고하고 있다 접착강도 는. Metal-Ceramic (Bonding Strength)

텅스텐 전극 입자크기에 의존한다(W) .

한편 알루미나 텅스텐 동시소성에 의한 다층세라믹 팩키지 제조 시 적층조건에" /

서 의 변화 와 알루미나 세라믹과 금속과의 접합거동 연구에서 접합력이Camber " " "

높고 알루미나 쉬트 의 밀도가 높을수록 값 등이 감소하고 접합강도(Sheet) Camber ,

는 메탈라이징 온도가 증가할수록 증가하는데 그 이유는 메탈라이징 온도에서 생성

되는 유리상과 밀접한 관계가 있다고 보고하고 있다.

고장분석에 확인된 바와 같이 주원인은 세라믹 히터의 파괴 균열 로 인한 단수명과( )

전기적 특성이 떨어지고 텅스텐 메탈라이징 강도저하로 인한 리드선 탈락과 절연파-

손 누설전류로 인한 파손 등으로 인한 고장모드로 분석되었다 이러한 고장 원인을, .

해결하기 위하여 공정 개선이 필요하다.

제 절 세라믹 히터의 고장개선제 절 세라믹 히터의 고장개선제 절 세라믹 히터의 고장개선제 절 세라믹 히터의 고장개선2 .2 .2 .2 .

세라믹히터의 신뢰성향상을 위하여 다음의 고장개선을 실시하였다.

내전압 불량하고 열충격이 낮은 조성비 개선, AIumina①

적층압력 적층온도가 낮으며 의 탈지 가 완전하지 못함, Binder (Bake Out)②

인쇄패턴 불량 메탈라이징 불량 텅스텐 인쇄 두께가 얇기 때문에 전기적W- , , - ,③

기계적 특성 저하를 향상

- 44 -

소결 밀도 향상④

텅스텐 전극 두께 불균일 텅스텐 저항체 길이가 짧으므로(W)- , (W)-⑤

불량하여 파손되는 문제는 텅스텐 인쇄 형상설계 개선(W)-

사용 중 누설전류가 상승하는 문제는 세라믹히터의 기공량 최소화.⑥

와 텅스텐 의 메탈라이징 표면에 도금층과 리드선의 브레이징 불AIumina (W) Ni⑦

량으로 리드선이 탈락되는 문제는 텅스텐 메탈라이징 브레이징 소성조건 최적(W)- ,

화.

소성분위기(N⑧ 2+H2+H2 변화에 따른 메탈라이징 접합불량으로 인한 사용수명이O)

시간으로 단수명의 문제점은 소성조건을 개선하여 신뢰성을 향상시켰다780 .

이러한 문제점을 해결하여 신뢰성을 향상시키기 위하여는 다음과 같은 공정조건을

개선하였다.

알루미나 세라믹 히터 소자의 신뢰성 향상위한 공정개선①

열전도율 곡강도 내전압 절연저한 누설전류 리드선 강도 향상을 위한 공정개- , , , , ,

선

의 인쇄회로 관리기준 설정W-Paste②

인쇄 회로설계 회로선의 간격 회로선폭 관리를 위한 조성 및 점도 개선-W- : ,

세라믹 히터 리드선 전극 관리 기준 설정③

전극의 도금 두께 균일화 및 전극과 리드선의 브레이징 최적화- Ni Ag-Cu

세라믹 히터의 가공 및 조립 정밀도 향상 방안④

평행도 및 가공 정밀도 균일화를 통한 비틀림 응력 최소화-

고용량 알루미나 세라믹 히터의 수명⑤

을 이용한 수명 및 신뢰성 평가- MINITAP

목표수명 시간 확보를 위한 신뢰성 평가- (2,400 )

- 45 -

조성비 개선조성비 개선조성비 개선조성비 개선1.1.1.1.

기본 조성을 차로 설정한 후 내전압 절연저항 내열성을 향상시키기 위하여1 , ,

조성비를 변화하여 실험하였다AIumina Ceramics . ZrO2+Y2O3등을 첨가하여 조성

비를 개선하여 실험 결과 최적의 조성은 의3% ZrO2+Y2O3를 첨가하여 내전압 절연,

저항 내열성을 향상시켰다 그러나 여러 요인을 고려하여, . AI2O3의 함량은 인90%

조성으로 하였다.

조성실험◎

ZrOㆍ 2+Y2O3 첨가3%

소결밀도 향상(3.74-->3.80g/cmㆍ3)

소결온도 로 개선: 1,570 -->1,600ㆍ ℃ ℃

반복 실험하여 가지 중에서 내전압 절연저항 강1,500, 1,550, 1,600, 1,650 4 , ,℃

도 표면 거칠기 등을 고려하여 최적인 로 개선하였다, 1,600 .℃

그림 개선전 소결체 미세조직그림 개선전 소결체 미세조직그림 개선전 소결체 미세조직그림 개선전 소결체 미세조직46.46.46.46. 그림 개선후 소결체 미세조직그림 개선후 소결체 미세조직그림 개선후 소결체 미세조직그림 개선후 소결체 미세조직47.47.47.47.

그림 은 조성비 개선전 소결체의 표면조직이며 그림 은 개선후의 조직사진46. , 47.

이다 개선후의 조성은. Batch ZrO2+Y2O3를 첨가한 조성으로 로 소성하여 소1,600℃

결체의 표면을 으로 관찰한 사진이다 개선후SEM(Scanning Electron Microscope) .

가 개선 전에 비하여 알루미나 결정립이 매우 치밀하며 입자경도 미립화 된 상태이

다.

- 46 -

개선전의 결정크기 는 불균일한 분포로 소결밀도가AIumina (Grain Size) 3~15 ,㎛

3.72g/cm3 점곡강도 이었지만 개선 후에는 결정크기, 3 1,800kg/ , AIumina (Grain㎠

는 로 균일한 분포로 소결밀도가Size) 2~5 3.80g/cm㎛3

점 곡강도는, 3 2,700kg/㎠

이었다.

배합 공정 개선배합 공정 개선배합 공정 개선배합 공정 개선2.2.2.2.

주요 배합공정 개선내용은 다음과 같다.

종전의 방법 알루미나원료 를 시간: +Flux+Binder 36 Milling.

개선방법 차 차 배합으로 나누어서 단계 시간을 시간으로 연: 1 , 2 2 Milling, Milling 48

장.

차배합은 알루미나 원료조성 를 에서 차 한 후1 Batch Ball Mill 1 Milling (18hr)◎

차 배합물에 을 혼합하여 사용한다1 binder .

알루미나 의 의 균일분산과 세라믹 입자의 시 응집입자경 차Batch Binder Milling 1◎

입자경에 가까운 까지 혼합3 (Milling Time: 48hr)㎛

종류 사용Biner : PVB㉧

차 배합물Milling & mixing time : 1 (18hr) + Binder 24hr Mixing◎ →

차 배합물 가소제2 + 6hr Mixing→

진공탈포 공정 개선진공탈포 공정 개선진공탈포 공정 개선진공탈포 공정 개선3.3.3.3.

진공탈포 진공탈포기에서 기포를 제거하기 위해서 성형 시 기포가 발생되면 쉬트: (

불량 발생 교반하면서 기포를 제거한다) .

탈포시간 현재 분 개선 시간: 30 1ㆍ →

슬러리 점도 개선 전 개선 후5,000cps 8,000~10,000cpsㆍ →

그린쉬트 성형 공정 개선그린쉬트 성형 공정 개선그린쉬트 성형 공정 개선그린쉬트 성형 공정 개선4.4.4.4.

성형Tape Casting( )

- 47 -

진공탈포가 끝난 배합물을 을 이용하여 그린쉬트Tape Casting M/C (Green Sheet)

를 제조하는 공정

성형기 성형 속도는 성형기의 을 으로 한다tape casting( ) : RPM 3 .◎

의 두께 편차 조정(sheet )

두께 배합물 에서 원하는 두께를 내기 위해sheet : chember sheet Gate Blade◎

을 조정한다 필름 폭이 크면 생산성은 높아 의 밀도 편차 및 두께 편차가 발. sheet

생되므로 폭이 작은 것이 품질편차를 줄일 수 있다 생산성을 고려하여 로. 280mm

개선하였다.

개선 전 개선 후( 250mm 280mm)→

성형된 는 필름과 같이 재단하여 건조 다이에 넣고 건조실로 이동 시켜서Sheet◎

에서 건조한다40~80 24hr .℃

성형시 공정 개선 사항◎

배합물의 점도(3000cps 8000~10,000cps)① →

필름 상태 점검 필름 폭( 250mm 270mm)② →

배합물의 탈포 상태 탈포 시간 분 시간( 30 1 )③ →

의 두께와 폭 편차 줄임 점도 필름 평행도 조정Sheet ( , )④

속도 조정Tape caster (RPM 3)⑤

배합물의 건조 방식⑥

실내 온도 습도 관리,⑦

절단 공정 개선절단 공정 개선절단 공정 개선절단 공정 개선5. Sheet5. Sheet5. Sheet5. Sheet

Sheet cutting

수축율 을 감안하여 정품 크기로 재단한다(16%) .◎

의 두께는 으로 개선Cutting M/C Knife 300 -->100 .◎ ㎛ ㎛

재단 시 재단면이 매끈해야 한다 재단면이 나쁘면 의 과. Sheet Bendingd

시 접착 불량 발생Laminating .

- 48 -

인쇄 공정 개선인쇄 공정 개선인쇄 공정 개선인쇄 공정 개선6.6.6.6.

1) Screen Print

관리 점도 입자 분포 함량 관리W-Paste , , Organic◎

회로설계 개선 열상분포가 균일하게 와 회로설계 변경: W-Pattern Size◎

기본규격 : 100V = 85 (80~90 )Ω Ω

220V = 170 (160~180 )Ω Ω

망 개선 재질 입자경Screen : - SUS, - 325mesh(Tension,X : 0.85, Y :◎

0.84)

패턴인쇄 후 에서 건조 기존 개선80 1hr ( :50 , :80 )◎ ℃ ℃ ℃

텅스텐 전극 회로설계 개선2)

알루미나 세라믹 히터 소자의 내열충격성 고강도 조성 설계로 파손 고장 유형은, ,

개선되었지만 전기적 기계적 특성이 안정적으로 품질 산포가 작은 고신뢰성 다층, ,

기능 세라믹 히터를 제조하기 위하여는 전극 인쇄 시 텅스텐 패턴 회, (W-Pattren)

로 설계 개선이 요구된다 회로 설계 개선을 위하여 표 와 같이. W- 15. W-Paste 2

종류를 회로선상의 선폭 변화에 따른 저항값을 측정하여 비교하였다.

표 선폭 변화 따른 저항 비교표 선폭 변화 따른 저항 비교표 선폭 변화 따른 저항 비교표 선폭 변화 따른 저항 비교15. 0115. 0115. 0115. 01

개선 전후의 인쇄회로 설계도는 다음 그림 그림 와 같다W- 48, 49. .

- 49 -

그림 개선 전의 설계도그림 개선 전의 설계도그림 개선 전의 설계도그림 개선 전의 설계도48. W-Pattern48. W-Pattern48. W-Pattern48. W-Pattern

그림 개선 후의 설계도그림 개선 후의 설계도그림 개선 후의 설계도그림 개선 후의 설계도49. W-Pattern49. W-Pattern49. W-Pattern49. W-Pattern

그림 그림 은 선폭개선 전 후의 설계도면을 제시하였으며 회로설48. 49. . , W-Paste

계 개선에 따라 용 저항은 으로110V, 220V 110V = 85~95 , 220V = 160~180Ω Ω

개선 은 저항치 기준은 의 기준은 으로 설계 하였으며 단위110V ±50, 220V ± 10 ,Ω

면적당 텅스텐 패턴수가 많게 선폭은 로 개선하였다- , 2.5mm .

압착 공정 개선압착 공정 개선압착 공정 개선압착 공정 개선7.7.7.7.

압착(Laminating)

온도 종전 압착온도 로 개선: : 70 -> 90 .◎ ℃ ℃

압력 종전 개선: : 30kgf/ -> : 50kgf/◎ ㎠ ㎠

시간 종전 개선: : 20sec-> : 30sec◎

적층면 사이 기포 제거 진공 챔버 설치로 해결: (Chember) .◎

소성 공정 개선소성 공정 개선소성 공정 개선소성 공정 개선8.8.8.8.

동시소성(Cofiring)

유기물 제거 : 250 ~700◎ ℃ ℃

- 50 -

소성온도 : 1600◎ ℃

환원 분위기 조성 : N◎ 2, H2 사용gas

텅스텐의 메탈라이징 최적화◎

시료를 일 경우의 소성조건3,000EA◎

표 온도에 따른 소성조건 개선표 온도에 따른 소성조건 개선표 온도에 따른 소성조건 개선표 온도에 따른 소성조건 개선16.16.16.16.

표 메탈라이징 분위기 조건개선표 메탈라이징 분위기 조건개선표 메탈라이징 분위기 조건개선표 메탈라이징 분위기 조건개선17. W-17. W-17. W-17. W-

온도온도온도온도

종전종전종전종전 개선개선개선개선

NNNN2222 gasgasgasgas HHHH2222 가스가스가스가스 NNNN2222 gasgasgasgas HHHH2222 가스가스가스가스

0 ~370℃ ℃ 3 1 5 1

370 ~1550℃ ℃ 2 3 2.5 4.5

소성공정을 개선하여 텅스텐 메라이징 접합상태를 확인하기 위하여 을 이용하- SEM

여 파단면 미세조직을 관찰하였다.

그림 은 제조공정 조건을 개선한 후의 텅스텐 메탈라이징 접합상태를 관찰한50. -

미세조직 사진이다 관찰결과 전극층과 알SEM(Scanning Electron Microscope) . W-

루미나 세라믹층과 강고하게 접합된 상태로 메탈라이징 상태는 양호한 것으로 판단

되었다.

- 51 -

그림 개선 후 텅스텐 메라이징 미세조직그림 개선 후 텅스텐 메라이징 미세조직그림 개선 후 텅스텐 메라이징 미세조직그림 개선 후 텅스텐 메라이징 미세조직50. -50. -50. -50. -

브레이징 공정 개선브레이징 공정 개선브레이징 공정 개선브레이징 공정 개선9.9.9.9.

리드선 성분1) 100% Ni, Ag-Cu Ag : 76%, Cu : 24%

개선전 후의 브레이징 소성 조건은 다음과 같다2) . (Brazing) .

개선전: 0~370 : 1 5hr N2 : 4, H2 : 2℃

개선후 단계 승온단계로 수소량을 변화함: 2 .

0~370 : 1.5hr N2 : 4, H2 : 2℃

건식370~850 : 3hr N2 : 3, H2 : 4 Gas℃

공정개선에 의한 신뢰성향상 대척 요약공정개선에 의한 신뢰성향상 대척 요약공정개선에 의한 신뢰성향상 대척 요약공정개선에 의한 신뢰성향상 대척 요약10.10.10.10.

전술한 고장개선 대책으로 중요 공정개선 사항을 요약하연 대형기공(Large Pore)❶

제어 열충격 향상 냉각방법 등의 공정조건을 개선하기 위한 구체적인 공정 개❷ ❸

선 사항은 다음 표 표 표 에 기술하였다18. 19. 20. .

대형기공 제어1) (Large Pore)

대형기공을 제어하기 위하여 온도관리 완전건조 소결시 연소시간 및Sheet① ② ③

온도 조건 개선 투입조건 개선 습윤 온도조건 개선 등으로 신뢰성향상 대Gas④ ⑤

- 52 -

책은 표 과 같다18. .

표 대형기공 발생 고장원인과 신뢰성향상 대책표 대형기공 발생 고장원인과 신뢰성향상 대책표 대형기공 발생 고장원인과 신뢰성향상 대책표 대형기공 발생 고장원인과 신뢰성향상 대책18. (Large Pore)18. (Large Pore)18. (Large Pore)18. (Large Pore)

고장발생 공정원인고장발생 공정원인고장발생 공정원인고장발생 공정원인 신뢰성향상 대책

온도관리온도관리온도관리온도관리

이상에서 보관15ㆍ ℃

실 상 유지Mixing 20 01ㆍ ℃

도구 이상 유지Mixing 15ㆍ ℃

건조 미비건조 미비건조 미비건조 미비SheetSheetSheetSheet성형 후 건조 상온 일 보관24hr - 3ㆍ

후 에서 건조Screen Print - 80 1hrㆍ ℃

소결시 연소시간 및 온도소결시 연소시간 및 온도소결시 연소시간 및 온도소결시 연소시간 및 온도

개선전 개선후

0 ~200 : 1hr℃ ℃

200 ~400 : 1hr℃ ℃

400 ~600 : 2.5hr℃ ℃

계 : 4.5 hr

0 ~250 : 1hr℃ ℃

250 ~370 : 1hr℃ ℃

370 ~700 : 2hr℃ ℃

계 : 5hr

GasGasGasGas

개선전 개선후

0 ~200 :℃ ℃

N2(4)+H2(1.5)

200 ~400 :℃ ℃

N2(4)+H2(3)

400 ~600 :℃ ℃

N2(3)+H2(4)

0 ~150℃ ℃

N2(3)

150 ~370℃ ℃

N2(3)+H2(4)

370 ~ :℃

N2(2)+H2(3)

개선전 개 선 후

건식0 ~200 :℃ ℃습식0 ~ :℃

습식200 ~ :℃

열충격 향상2)

표 열충격에 따른 파손고장 방지표 열충격에 따른 파손고장 방지표 열충격에 따른 파손고장 방지표 열충격에 따른 파손고장 방지19.19.19.19.

개선전개선전개선전개선전 개선후개선후개선후개선후

파손135 = 45Ω Ω 파손87 = 210Ω Ω

파손201 = 74Ω Ω 파손95 = 220Ω Ω

파손163 = 152Ω Ω 파손135 = 250Ω Ω

파손156 = 177Ω Ω 파손115 = 230Ω Ω

파손 안됨156 = 260Ω Ω

파손 안됨189 = 260Ω Ω

- 53 -

냉각방법 개선◎

표 냉각 방법 개선 전 후표 냉각 방법 개선 전 후표 냉각 방법 개선 전 후표 냉각 방법 개선 전 후20.20.20.20. ㆍㆍㆍㆍ

개선전개선전개선전개선전 개선후개선후개선후개선후

전원 차단1600℃

1500 ~1450 : 25min℃ ℃

1450 ~1350 : 20min℃ ℃

1350 ~1250 : 15min℃ ℃

결합제 완전 연소 대형기공 형성 방지(Binder) -->◎

인쇄회로 변경 열상분포 균일화 열충격 집중방지 누설전류초과 방지W- --> , ,◎

- 54 -

제 장 고장개선 결과제 장 고장개선 결과제 장 고장개선 결과제 장 고장개선 결과5555

제 절 미세관찰을 통한 확인제 절 미세관찰을 통한 확인제 절 미세관찰을 통한 확인제 절 미세관찰을 통한 확인1111

개선 전후의 세라믹 히터 소자의 파단면을AIumina SEM(Scanning Electron

으로 관찰한 결과는 그림 의 미세조직에서 개선 전 후의 텅스Microscope) 51. SEM .

텐 전극 층과 알루미나 소결체간의 치밀도를 관찰하였다 개선 전에 비하여 개선후.

의 미세조직상으로 판단 할 때 기판 접합상태 양호 소결체의AIumina AIumina❶ ❷

가 소량 기판과 전극층의 동시소성 접합상태가 양호함을 알 수Pore AIumina W-❸

가 있었다 개선전 대비 개선후의 제조공정 개선에 의하여 고장요인을 방지한 효과. ,

가 있는 것으로 판단되었다.

개 선 전 개 선 후

그림 고장 개선 전 후 결과 사진그림 고장 개선 전 후 결과 사진그림 고장 개선 전 후 결과 사진그림 고장 개선 전 후 결과 사진51. . SEM51. . SEM51. . SEM51. . SEM

- 55 -

고장원인을 분석하여 고장방지 대책을 시행하여 제조 공정상의 개선방안을 수립하

여 개선한 결과 소결체의 소결밀도를 점 굽힘강도 의 고강도3.80g/ , 3 2,700kg/㎤ ㎠

를 나타내어 알루미나 소자 파손에 의한 고장원인을 해결하였다, .

또한 개선 전 절연저항 및 누설전류초과에 의한 파손시편을 분석한 결과 대형기공,

이 인쇄패턴과 알루미나 세라믹스와의 경계면에 존재할 때에는 절(Large Pore) W-

연파괴가 일어나는 고장원인이 전장에서 분석되었다 이러한 고장원인은 제조 공정.

상 조성비 개선 분쇄 조건 변경 압착공정 개선 소성공정 등을 개선하여, (Milling) , ,

고장원인을 해결할 수가 있었다 또한 개선전의 절연파괴 직전의 절연저항 값과 누.

설전류 값이 규격치에서 벗어난 시편을 분석한 미세조직 사진과 개선후의 미세조직

을 분석한 결과는 다음 그림 그림 그림 그림 와 같다52. 53, 54, 55 .

그림 개선전 절연불량 시편 미세조직그림 개선전 절연불량 시편 미세조직그림 개선전 절연불량 시편 미세조직그림 개선전 절연불량 시편 미세조직52. (I)52. (I)52. (I)52. (I)

그림 그림 그림 은 절연파괴 직전의 시편을 으로 파단면을 관찰한 미52. 53, 54. SEM

세조직이다.

메탈라이징 전극 층에 기공 이 다량 존재하여 절연저항 낮으며 누설전류W- (Pore) ,

가 커지는 상태로 최종적으로는 파손고장을 유발한다.

- 56 -

그림 개선전 절연불량 시편 미세조직그림 개선전 절연불량 시편 미세조직그림 개선전 절연불량 시편 미세조직그림 개선전 절연불량 시편 미세조직53. (253. (253. (253. (2

그림 개선전 절연불량 시편 미세조직그림 개선전 절연불량 시편 미세조직그림 개선전 절연불량 시편 미세조직그림 개선전 절연불량 시편 미세조직54