일본 산업기술종합연구소에서는 세라믹스가 가지는 다양한 기능을 많은 분야에서 활용할 수 있도록 연구 개발을 진행하고 있다. 산업계에서 낮은 환경 부하에 공헌할 수 있도록 세라믹스의 신규 제조 공정이나 고기능 재료 등의 연구 개발을 진행하고 있는데, 지금까지 축적해 온 세라믹스의 소결에 관련된 지식을 이용해 개발 재료의 실용화를 목표로 하고 있다.
[회로 기판에 요구되는 성능] 최근, 전력의 변환과 제어를 고효율로 실시하는 파워 디바이스가 급속히 보급되어 왔다. 파워 모듈은 대전력의 변환·제어를 실시하기 위해, 그 회로 기판에는 높은 절연성, 방열성, 내열성이 요구된다. 자동차 탑재용 인버터 등 파워 모듈의 출력 밀도는 해마다 높아지고 있어 방열 기술이 더욱 중요한 과제가 되고 있다. 또, 자동차 등에 탑재되는 경우, 큰 온도 변화에 노출되어 접합부에는 높은 응력이 발생하기 때문에 회로 기판에는 높은 열전도율은 물론 뛰어난 기계 특성도 강하게 요구되고 있다.
[열전도율과 기계적 특성을 양립] 절연체 세라믹스 중에서는 열은 결정의 격자 진동(포논)에 의해 전달된다. 따라서 원자간 결합이 강하고, 가벼운 원소로 구성되어 대칭성이 높은 결정은 포논이 전해지 쉬워 높은 열전도율을 가지고 있다. 질화 규소 결정도 이와 같은 특징을 가지고 있으며, 순수한 결정의 열전도율은 200W/(m·K)를 초과할 것으로 예상되고 있다.
그러나, 시판되고 있는 고순도 질화 규소 분말에는 약 1중량% 정도의 산소가 불순물로 포함되어 있으며, 이 불순물 산소가 소결 과정에서 질화 규소 결정 내부으로 이동, 포논의 산란 요인이 되어 열 전도를 억제하기 때문에 열전도율이 높아지지 않는다. 이번에 이 문제를 극복하기 위해 희토류 산화물을 주체로하는 소결조제를 포함하여 고순도 실리콘 분말 성형체를 1,400℃ 부근에서 질화시킨 후 고온에서 치밀화하는 "반응 소결, 포스트 소결 방법 "에 착안하여 열 전도를 저해하는 입자 내부의 불순물이나 입자 경계 상의 양을 감소시켜 입자 성장을 억제하는 과정을 검토했다.
열 전도를 저해하는 입자 내부의 불순물이나 입자 경계상의 양을 최소화 하도록 질화 반응과 포스트 소결 등의 프로세스 요소를 최적화한 결과, 그림의 빨간 표시에 나타낸 것처럼 높은 열전도율뿐만 아니라, 질화 알루미늄을 상회하는 강도(3점 굴곡 강도:550MPa)를 갖고, 파괴인성(11MPam^1/2)가 질화 알루미늄(3MPam^1/2 정도)의 3배 이상이며, 세계 최고의 열전도율과 우수한 기계적 특성을 겸비한 질화 규소 세라믹스를 개발하는 데 성공했다.
[향후 계획] 향후에는 이번에 개발한 프로세스를 기반으로 높은 열전도율과 우수한 기계적 특성을 겸비한 질화 실리콘 회로 기판의 제조 공정을 확립하고, 파워 모듈 등의 방열 기판 재료로서 실용화할 수 있을 것으로 기대된다.
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