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고열전도성 질화규소 세라믹스의 개발

전문가 제언: ○ 질화규소는 절삭공구와 베어링 등에 사용되다가 열충격에 강하고 고온 굽힘강도가 매우 큰 장점을 살려 1980년대에는 구조용 세라믹스에 적용되기 시작하였다. 1990년대 중반 80Wm-1K-1 이상의 고열전도성 질화규소의 제조기술이 (주)Toshiba주도로 개발되어 AlN과 SiC에 필적하는 80~180Wm-1K-1의 높은 열전도율을 갖는 질화규소가 제조되고, 반도체 패키지, 히터, 서멀헤드 등 방열판에 발열부품을 압접하는 구조체에 사용하여 새로운 용도로 발전하고 있다.

○ 고열전도성 질화규소를 만들기 위해서는 분체 중에 존재하는 입계가 소결 중 이동하지 않고 기공이 공공이 되어 입계 상에서 소멸하여 치밀화가 진행되고 이상-입성장이 일어나지 않아야 한다. 이를 위해서는 원료입자가 submicron 이하로 어느 정도 작고 입도분포가 작으며 입계이동을 중지시키기 위한 제2성분을 첨가하여야 한다. NH3 또는 N2분위기 하에서 1,300℃에서 가열하여 질화반응에 의한 Si3N4의 생성과 Si3N4의 소결이 동시에 진행시킨다. 또한 불순물 산소량을 감소시키기 위해 첨가된 제2 산화물과 함께 1,700~1,900℃에서 포스트 소결한 후 냉각속도를 100℃/h 이하로 서랭하면 고열전도성 질화규소를 얻을 수 있다.

○ 국내의 연구는 세라믹 복합재료의 하나로 Si3N4 미세분말의 합성이나 마모 특성 연구가 대부분이며 서울 반도체에서 2006년 출원한 고출력 발광다이오드 패키지에 사용되는 재료는 Al2O3, SiC, AlN이며, 고열전도성 Si3N4에 관한 연구는 별로 이루어지지 않고 있다.

○ 고열전도성 세라믹스로는 SiC, GaN, BeO, AlN 등의 세라믹스가 개발, 사용되고 있다. 절연기판인 알루미나 세라믹스는 열전도율이 수십 Wm-1K-1로 파워디바이스 등에 사용하는 경우 충 열방사성이 충분하지 못하여, 반도체 칩을 실장하는 고열전도성 전자회로 기판으로 AlN이 많이 연구되었다. 그러나 GHz의 주파수 대역에서 유전손실이 크다는 것이 알려져 최근에는 고주파 영역에서 사용하는 부품의 증가와 함께 고열전도성 Si3N4가 각종 파워모듈의 기판재료로 사용되기 시작하고 있어 이런 부품의 국산화에 관한 연구들이 절실히 요구된다.

저자: You Zhou and Hideki Hyuga
자료유형: 학술정보