세라믹 가공은 열, 마모 및 화학 물질에 대한 내성이 다른 어떤 재료보다 뛰어나기 때문에 현대 칩 제조에 필수적입니다. 이 글에서는 세라믹 부품의 제조 과정, 일반적인 세라믹 재료, 전체 제조 공정, 검사 및 표면 처리에 대해 설명합니다.
세라믹 개요
세라믹은 천연 광물이나 합성 화합물을 분쇄, 성형 및 고온 소결 과정을 통해 만들어지는 무기질 비금속 재료입니다. 세라믹은 전통 세라믹과 특수 세라믹의 두 가지 범주로 분류할 수 있습니다.
전통 도자기는 점토(도자기용 점토, 고령토, 카올린 포함), 석영, 장석과 같은 천연 광물을 주원료로 사용합니다. 이러한 광물은 분쇄, 성형 및 소결 과정을 거쳐 생산됩니다. 전통 도자기는 내화성, 내산성 및 내알칼리성, 내산화성, 우수한 전기 절연성, 그리고 세척 용이성 등의 장점을 제공합니다.
특수 세라믹은 알루미나, 지르코니아, 이산화티타늄(TiO2), 탄화규소(SiC), 탄화붕소(B4C), 질화규소(Si3N4), 질화붕소(BN) 등의 합성 화합물을 원료로 사용하여 제조됩니다. 이러한 원료들은 분쇄 및 성형 과정을 거치며, 전통적인 방법이나 특수 방법을 사용한 후 고온에서 소성됩니다.
소성 후, 일부 고급 세라믹 부품은 정밀 가공이나 분극 처리와 같은 추가적인 2차 가공이 필요합니다. 이는 엄격한 치수 및 형상 공차를 충족하거나 강유전성 성능과 같은 특정 기능적 특성을 갖도록 하기 위함입니다.
산업 응용 분야에 적합한 세라믹 종류
세라믹은 고온 저항성, 내마모성, 내식성 및 전기적 특성으로 인해 매우 중요한 역할을 합니다. 아래는 몇 가지 일반적인 엔지니어링 세라믹 재료와 그 응용 분야에 대한 간략한 소개입니다.
알루미나
알루미나는 2072°C의 높은 융점과 우수한 기계적 강도를 가지고 있습니다. 그러나 온도가 1000°C를 초과하면 기계적 강도가 저하되는 경향이 있습니다. 또한 열팽창 계수의 차이로 인해 극심한 온도 변화에 노출될 경우 열충격 저항성이 상대적으로 떨어집니다.
알루미나의 높은 내식성은 탁월한 화학적 안정성 덕분입니다. 알루미나는 강산(예: 고온의 황산, HCl 및 HF도 부식 효과가 있음) 및 알칼리 용액에는 약간 용해되지만 물에는 녹지 않습니다. 이러한 화학적 침식에 대한 저항성 덕분에 순수 알루미나는 다양한 산업 부품에 사용되는 주요 소재입니다.
지르코니아
지르코니아는 낮은 열전도율과 높은 강도를 특징으로 하며, 1960년대에 우주여행에 처음 사용되어 우주선이 지구 대기권으로 재진입할 때 열 차폐막으로 활용되었습니다. 지르코니아는 -85°C에서 400°C에 이르는 고온 범위에서 잘 견디지만, 열충격 저항성은 질화규소보다 떨어집니다.
지르코니아는 내식성이 매우 뛰어나 부식성이 강한 액체를 다루는 데 적합합니다. 또한 균열 전파에 대한 저항성이 탁월하여 용접 공정, 와이어 성형 공구 및 파손 위험이 있는 기계적 응용 분야에 이상적입니다. 뿐만 아니라 강철과 유사한 높은 열팽창 계수를 가지고 있어 세라믹과 강철 부품을 접합하는 데 선호되는 소재입니다. 마찰 특성 덕분에 지르코니아는 선형 베어링이나 볼 베어링(예: TK Linear와 같은 제조업체 제품)과 같은 구름 운동에 매우 적합합니다. 더 나아가 지르코니아와 질화규소 세라믹은 고진공 호환성, 비자성, 전기 절연성 및 긴 수명과 같은 장점을 제공합니다.
탄화 규소
탄화규소는 가장 널리 사용되는 비산화물 세라믹 소재입니다. 주로 SiC로 구성된 이 소재는 고온 환경에 적합하게 설계된 고강도, 고경도 세라믹입니다. 1200°C에서 1400°C 사이의 온도에서도 높은 굽힘 강도를 유지합니다.
SiC 세라믹은 우수한 열전도율, 산화 저항성, 전기 전도성 및 높은 충격 인성을 특징으로 합니다. 낮은 밀도, 낮은 열팽창률, 뛰어난 열충격 저항성을 갖춘 견고하고 내구성이 뛰어난 소재로서 다양한 응용 분야에 적합합니다.
질화규소(Si3N4)
질화규소는 빠르게 발전하고 있는 비산화물 엔지니어링 세라믹입니다. 최대 600°C의 열충격 저항성을 자랑하는데, 이는 탄화규소의 400°C보다 훨씬 높은 수치로, 급격한 온도 변화로 인한 파손 위험이 매우 낮음을 의미합니다. 열충격 저항성이 최우선 고려 사항일 경우, 질화규소가 최적의 선택입니다.
Si3N4는 대부분의 산(불산 제외), 알칼리 및 다양한 용융 금속에 대해 탁월한 내식성을 제공합니다. 또한 우수한 전기 절연성과 방사선 저항성을 지니고 있습니다.
알루미늄 질화물
질화알루미늄은 높은 열전도율과 뛰어난 전기 절연성을 겸비한 세라믹 소재입니다. 높은 강도, 경도, 내열성을 지니고 있어 고출력 집적 회로 및 전자 기기의 방열 기판으로 독보적인 장점을 제공합니다.
질화 붕소
질화붕소는 육방정계 질화붕소(h-BN)와 입방정계 질화붕소(c-BN)라는 두 가지 전형적인 결정 구조로 존재합니다.
- 육각형 질화붕소(BN): 백색을 띠며 흑연과 유사한 구조를 가진 이 소재는 낮은 경도와 뛰어난 윤활성을 제공합니다. 세라믹 소재 중 열전도율이 가장 높은 소재 중 하나이며, 열압착 BN 제품은 33W/m·K에 달하는 열전도율을 보일 수 있는데, 이는 석영의 10배에 해당합니다.
- 입방정 질화붕소: 다이아몬드와 유사한 구조를 가진 이 물질은 현재 다이아몬드 다음으로 두 번째로 단단한 물질입니다.
세라믹 부품 제조 공정
일반적으로 세라믹 부품 제조 공정은 다음과 같은 단계를 따릅니다: 원료 -> 분말 가공/혼합 -> 성형 -> 소성/소결 -> 최종 세라믹 부품.
#1 분말 가공
세라믹 분말 가공은 금속 분말 가공과 유사합니다. 분쇄를 통해 분말을 만들고, 성형체를 제작한 후, 최종 제품으로 소결하는 과정을 거칩니다. 분말은 미세한 입자들의 집합체입니다. 세라믹 분말은 원료를 분쇄, 연마, 불순물 분리, 혼합 및 건조하는 과정을 통해 얻어집니다.
#2 믹싱
세라믹 부품은 다양한 공정과 기계를 사용하여 혼합됩니다. 물이나 다른 액체를 첨가하면 슬러리 형태로 만들어집니다.
#3 형성
성형 공정은 일반적으로 바탕재 준비 후에 시작됩니다. 일반적인 성형 공정으로는 프레스, 압출, 사출 성형, 슬립 캐스팅 등이 있으며, 이는 필요한 부품의 종류에 따라 달라집니다. 예를 들어, 사출 성형은 튜브와 같은 간단한 제품에 자주 사용됩니다. 이러한 공정을 통해 가공된 분말은 원하는 형상인 프리폼(또는 그린바디)으로 변형됩니다. 프리폼은 소결 또는 가열 과정을 거쳐 최종 세라믹 부품으로 완성됩니다. 성형 과정에서 바인더를 첨가하면 분말의 유동성을 향상시켜 최종 부품의 밀도를 높일 수 있습니다.
#4 소결
세라믹 조각은 매우 뜨거운 오븐이나 가마에 넣어 산화물을 결합 및 건조시켜 강도를 높입니다. 이 화학적 과정에서 이온 결합, 공유 결합 및 세라믹의 결정 구조가 생성됩니다. 소결 과정에는 양이온이 관여하며, 양이온과 음이온의 전기음성도 차이를 계산하여 이온 구조를 확인할 수 있습니다. 예열(최대 250°C) 동안 유기 첨가제(결합제)와 분해 가능한 성분이 증발합니다. 다양한 첨가제를 사용하면 소결 온도를 낮추거나, 소결 시간을 단축하거나, 밀도를 높일 수 있습니다. 온도가 소성점에 도달하면 세라믹 예비 성형체가 응고되기 시작하며, 일반적으로 수축이 동반됩니다. 이러한 수축은 성형체 설계 시 고려해야 합니다.
세라믹 부품을 완성하기 위해 제조업체는 기계 가공, 절단, 연삭 또는 연마를 포함한 2차 가공을 수행할 수 있습니다.
세라믹 CNC 가공
CNC 세라믹 가공 방법에는 선삭, 드릴링, 밀링 및 연삭이 포함됩니다.
CNC 선회: 일반적으로 다이아몬드 또는 입방정 질화붕소(CBN) 공구가 사용됩니다. 세라믹은 극도로 단단하고 취성이 강하기 때문에 정밀도 요구 사항을 충족하고 효율성을 유지하기 어렵습니다. 따라서 선삭 가공은 거의 사용되지 않으며 대부분 연구 단계에 머물러 있습니다.
CNC 교련: 직경이 작은 다이아몬드 휠은 특수 드릴 비트로 사용됩니다. 드릴 비트 끝부분의 연마 입자가 미세 절삭 작용을 하여 재료를 제거합니다.
CNC 갈기: 다이아몬드 커터와 같은 초경질 공구는 고주파의 간헐적 절삭력을 이용하여 재료를 제거하는 데 사용됩니다. 그러나 고주파 충격력은 가공 표면에 취성 파괴를 일으킬 수 있으며, 진동은 제거 깊이의 불균일성을 초래하여 표면 품질을 저하시킬 수 있습니다.
CNC 연마: 이는 가장 널리 사용되는 가공 방법입니다. 다이아몬드 핀이나 휠이 공작물에 마찰하면서 소성 변형이나 취성 파괴를 통해 재료를 제거합니다. 칩 제거는 주요 과제이며, 일반적으로 냉각제를 사용하여 해결합니다. 냉각제는 분말을 씻어내고, 연삭 영역의 온도를 낮추며, 품질을 향상시키고, 연마 결합제의 열분해를 방지합니다. 다이아몬드 입자 크기는 표면 품질에 상당한 영향을 미칩니다. 입자가 클수록 효율은 높아지지만 표면 거칠기가 커집니다. 연삭 중 불균일한 힘은 쉽게 균열을 유발할 수 있습니다.
방전 가공
비전도성 세라믹은 재료 표면에 보조 전극을 배치해야 합니다. 보조 전극과 공구 전극 사이에 간격을 유지하여 스파크 방전을 발생시킵니다. 보조 전극이 관통되면, 작업 유체에서 분해된 파편과 탄소가 세라믹 표면에 새로운 전도성 층을 형성하여 방전을 지속시킵니다. 방전 가공 복잡한 형상 구현이 가능하지만, 전도성이 요구되므로 보조 전극을 사용하여 절연 세라믹만 가공할 수 있습니다. 또한 효율이 낮고 정밀도가 제한적이며, 미세 균열을 유발할 수 있는 고온이 발생하는 단점이 있습니다.
레이저 빔 가공
세라믹 절단 및 스크라이빙에 있어 기존 방식은 효율성과 저비용이라는 요구 조건을 충족시키지 못하는 경우가 많습니다. 비접촉식 빔 정밀 가공 기술인 레이저 빔 가공은 효율적이고 제어가 용이하며, 열영향부가 작고, 절삭력이나 공구 마모가 없으며, 고경도, 고취성, 고융점 소재도 가공할 수 있다는 장점이 있습니다.
이 원리는 고출력 밀도의 레이저 빔을 열원으로 사용하여 재료 표면에 집중시켜 순간적으로 용융시키거나 기화시키는 것입니다. 단점은 발생하는 상당한 열로 인해 표면에 균열이 생기거나 산화될 수 있다는 것입니다. 현재 세라믹 가공에는 주로 CO2 레이저, 파이버 레이저, UV 레이저, 피코초 레이저가 사용됩니다.
일반적인 세라믹 구성 요소
고온 저항성 및 내식성과 같은 우수한 특성 덕분에 엔지니어링 세라믹 부품은 중요한 반도체 장비에 널리 사용됩니다. 이러한 부품에는 세라믹 로봇 팔, 세라믹 기판, 세라믹 노즐, 세라믹 창, 세라믹 챔버 덮개, 세라믹 진공 척 등이 있습니다.
세라믹 로봇 팔
반도체 제조 공정에서 세라믹 로봇 팔은 웨이퍼를 처리하는 데 사용됩니다. 실리콘 웨이퍼는 오염되지 않아야 하므로, 이 공정은 일반적으로 진공 청정 환경에서 진행됩니다. 진공 조건에서 다른 재질로 만든 로봇 팔은 요구 조건을 충족하지 못합니다. 따라서 고온 내성, 내마모성 및 높은 경도를 특징으로 하는 세라믹 로봇 팔이 필요합니다. 일반적으로 고순도 알루미나(Al2O3)와 탄화규소(SiC)가 이러한 로봇 팔을 제조하는 데 사용됩니다. SiC 로봇 팔은 우수한 성능을 제공하지만, 알루미나 로봇 팔은 비용 효율성이 높고 가공이 비교적 용이하여 더 널리 사용됩니다.
세라믹 기판
세라믹 기판은 전력 전자 장치 패키징, 레이저 패키징, LED 패키징, 열전 냉각기 패키징, 고온 전자 장치 패키징 등 다양한 전자 패키징 분야에 주로 사용됩니다. 일반적인 소재는 극한의 열을 견디지 못하기 때문에 높은 열전도율, 내열성, 강도 및 신뢰성을 제공하는 세라믹 제품이 선호됩니다. 이러한 기판에 가장 일반적으로 사용되는 소재는 알루미나와 질화규소입니다.
세라믹 노즐
HDP-CVD 공정에서 반응 가스는 반응 챔버의 내부와 외부를 연결하는 세라믹 노즐을 통해 반응 챔버로 유입됩니다. 따라서 노즐의 품질은 반응 가스의 순도와 유량에 직접적인 영향을 미칩니다. 일반적으로 알루미나와 질화알루미늄이 사용되지만, 질화알루미늄은 우수한 열전도율과 열충격 저항성을 가지고 있어 플라즈마 침식이나 열 변형으로 인한 불순물 오염을 방지하기 때문에 고도화된 HDP-CVD 공정에 더 적합합니다.
세라믹 창
세라믹 윈도우는 반도체 에칭 장비에서 챔버 뚜껑으로 사용되는 핵심 부품입니다. 에칭 챔버와 플라즈마 유도 코일 사이에 위치하여 플라즈마의 챔버 유입을 막지 않으면서 진공 밀봉을 제공합니다. 이 윈도우는 가혹한 에칭 환경에도 견딜 수 있도록 설계되어 RF 및 마이크로파 에너지의 챔버 내부 투과를 용이하게 합니다. 효과적인 세라믹 윈도우는 RF 및 마이크로파 주파수 대역에서 낮은 손실 탄젠트를 가져야 에너지 흡수가 과도한 열로 변환되어 부품이 손상되는 것을 방지할 수 있습니다. 이러한 세라믹 윈도우는 첨단 성형, 소결, 정밀 가공 및 코팅 공정을 통해 생산됩니다.
세라믹 챔버 돔
세라믹 챔버 커버는 세라믹 돔, 냉각 시스템 및 전극 제어 시스템으로 구성된 통합 기능 부품입니다. 이는 40nm 이하의 모든 박막 증착 공정에서 핵심적인 구성 요소입니다. 커버는 CVD 챔버를 밀봉하여 밀폐된 환경을 조성합니다. 돔 주변의 안테나 코일은 고주파 전력을 인가하여 유도 전기장을 생성하고, 이 플라즈마가 세라믹 커버를 통해 챔버 내부로 유입됩니다. 세라믹 챔버 커버는 챔버의 밀봉, 압력 차이 및 청결도를 유지하는 데 중요한 역할을 합니다.
세라믹 진공척
대부분의 반도체 세라믹 부품은 밀도가 높지만, 진공척은 다공성 세라믹으로 만들어집니다. 실리콘 웨이퍼는 얇고 단단하며 깨지기 쉬워 양면 연삭 및 연마 작업이 필요합니다. 진공척은 이러한 가공물을 고정하고 클램핑하는 데 사용됩니다. 최신 세라믹 진공척은 일반적으로 두 종류의 세라믹을 접합하여 다공성 구조를 갖습니다. 다공성 세라믹 판은 기밀성이 뛰어난 고밀도 세라믹 베이스의 카운터보어에 삽입되어 밀봉됩니다. 두 부품에 사용되는 세라믹 종류는 다르지만, 내마모성과 기계적 특성이 일치하도록 설계되어 척이 까다로운 작동 요구 사항을 충족합니다.
품질 검사
가공이 완료되면 세라믹 부품은 외관, 치수, 다공성 등을 확인하기 위해 수동 검사를 거칩니다. 표면 거칠기 명시된 요구 사항을 충족해야 합니다. 높은 정밀도와 품질이 요구되는 부품의 경우, 반도체 등급 부품의 무결성을 보장하기 위해 특수 테스트 장비가 사용됩니다. 검사를 통과한 제품은 다음 단계로 넘어가고, 부적합 제품은 재작업되거나 폐기됩니다.
표면 처리
반도체 장비는 극도로 높은 수준의 청결도를 유지해야 합니다. 세라믹 부품은 품질 검사를 통과한 후 산세척, 알칼리세척 또는 유기 용매 세척과 같은 엄격한 세척 과정을 거쳐야 합니다. 세척 및 건조 과정을 거친 후 제품은 다시 검사됩니다. 기준을 충족하는 부품은 최종 포장을 위해 클린룸으로 옮겨집니다. 특수 용도에 사용되는 부품의 경우, 요구되는 성능 사양을 충족하기 위해 플라즈마 스프레이, 정전기 스프레이, 증착 또는 금속화와 같은 추가적인 표면 처리가 필요할 수 있습니다.
Getzshape가 어떻게 도움을 줄 수 있을까요?
Getzshape는 고품질을 제공합니다. 맞춤형 CNC 가공판금 가공, 방전 가공, 다이캐스팅 등 다양한 공정을 제공합니다. 첨단 장비와 엄격한 품질 관리를 통해 시제품부터 대량 생산까지 정확하고 정시 납품을 보장합니다. 당사는 고객의 종합적인 제조 파트너로서 소싱, 가공, 후가공 및 물류를 효율화합니다.
