KR100824717B1

KR100824717B1 - 방열기판 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR100824717B1
Application number: KR1020060031817A
Authority: KR
Inventors: 박종길; 위영환
Original assignee: 박종길; 위영환
Priority date: 2006-04-07
Filing date: 2006-04-07
Publication date: 2008-04-24
Also published as: KR20070100488A

Abstract

현저히 향상된 방열효율로서 제품의 신뢰도를 개선할 수 있을 뿐만 아니라, 초박형 제품에도 채용될 수 있는 방열기판과 그 제조방법이 개시되어 있다. 이를 위하여 기판, 기판의 상면에 형성된 제1 이붕화타이타늄층, 상기 제1 이붕화타이타늄층 상에 형성된 절연층, 상기 절연층 상에 형성된 회로패턴 인쇄용 조성물을 이용한 회로패턴, 상기 회로패턴을 부분적으로 노출시키는 솔더마스크층, 및 플럭스 코팅층과, 상기 기판의 하면에 형성된 제2 이붕화타이타늄층, 구리합금볼을 포함하는 방열패턴, 및 상기 방열패턴을 포함하는 기판의 하면에 형성된 냉각수지층을 포함하는 방열기판과 그 제조방법을 제공한다. 본 발명에 의하면, 방열 및 냉각기능이 탁월한 인쇄회로 기판을 제작할 수 있다. 이와 같은 인쇄회로 기판을 사용하여 각종 전자제품을 제조하면 별도의 팬이나 냉각용 파이프 등의 냉각용 구조물을 설치할 필요가 없어져 제조단가를 현저히 낮추고 제조시간을 단축할 수 있다. 또한, 제품에서 발생되는 열을 신속하고 효과적으로 방출하므로 열에 의하여 제품의 신뢰성에 손상이 가는 것을 예방할 수 있다.

Description

방열기판 및 그 제조방법{COOLING AND RADIATING SUBSTRATE AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 방열기판을 설명하기 위한 단면도이다.

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 의한 방열기판을 설명하기 위한 단면도이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 방열기판의 제조방법을 설명하기 위한 순서도이다.

도 4는 도 2에 도시된 기판의 제조방법을 설명하기 위한 제1 기판의 평면도이다.

도 5는 도 2에 도시된 기판의 제조방법을 설명하기 위한 사시도이다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 방열기판의 방열효과를 측정하기 위한 기판의 온도측정지점을 나타낸 개략도이다.

도 7은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 방열기판의 방열효율을 나타내는 그래프이다.

도 8은 비교예 1의 방법에 의하여 제조된 방열기판의 단면도이다.

도 9는 비교예 2의 방법에 의하여 제조된 방열기판의 단면도이다.

도 10은 상기 비교예 1 및 비교예 2에 따라 제조된 방열기판의 방열효율을 나타내는 그래프이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 간단한 설명 *

3 : 제1 기판 5 : 냉각액 통로

7 : 제2 기판 8 : 냉각액 주입구

10, 100, 200 : 기판 20 : 제1 이붕화타이타늄층

30, 130 : 절연층 40, 140, 240 : 회로패턴

50, 150, 250 : 솔더마스크층 60, 160, 260 : 후렉스코팅층

70 : 제2 이붕화타이타늄층 80：방열패턴

90 : 냉각수지층 220, 270 : 하드양극산화층

230 : 열경화성수지층 290 : 나노방열층

본 발명은 방열기판 및 그 제조방법에 대한 것으로, 보다 상세하게는 인쇄회로기판의 방열 및 냉각 효율을 현저히 개선할 수 있는 방열기판 및 그 제조방법에 대한 것이다.

일반적으로 인쇄회로기판(Printed Circuit Board: PCB) 또는 프린트 배선판은(Printed Wiring Board: PWB)은 집적회로, 저항기 또는 스위치 등의 전기적 부품들이 납땜되는 얇은 판으로서, 대부분의 컴퓨터, 각종 표시장치 등에 사용되는 회로는 이 인쇄회로기판에 설치된다.

이러한 인쇄회로기판 상에 전자부품을 사용하여 전자회로를 구성할 때 가장 문제가 되는 분야중의 하나가 열이 발생되는 부품의 열에 대한 대책이다. 즉, 전자부품에 정해진 전압이 가해지면 전류가 흐르게 되고, 이것은 필연적으로 저항손실에 의한 열이 발생하게 된다. 이때 열의 발생이 미약해 자연공냉으로 동작에 지장이 없는 전자부품도 있지만, 열이 많이 발생되어 자연 공냉만으로는 한계가 있어 계속적으로 전자부품의 온도가 올라가는 발열부품들의 경우에는 온도상승으로 인한 전자부품의 오동작 및 파손이 문제되는 경우가 있고, 이러한 발열은 전체 전자제품의 신뢰성에 문제를 야기한다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 발생된 열을 방열 및 냉각시키기 위한 다양한 구조가 제안되고 있다. 예를 들어, 대한민국공고특허공보 제20-1991-0004738호(1991년 7월 1일 공고)에는 방열판을 구비한 인쇄회로기판이 개시되어 있고, 대한민국 공개특허공보 제10-2005-0122365호(2005년12월29일 공개)에도 역시 방열판 구조를 가진 회로기판이 개시되어 있다.

그러나 이러한 기술들은 방열을 위하여 별도의 추가적인 구조체를 포함하여야 하기 때문에 각종 전자제품의 슬림화 추세에 적절히 대응할 수 없는 문제점이 있다. 더구나, 추가적인 구조체를 포함하기 때문에 제품의 단가가 상승하고 고장의 원인이 되는 문제점을 안고 있다.

한편, 방열효율을 높이기 위하여 추가적인 구조체를 부가하는 대신에 인쇄회로기판의 소재나 재질을 변경하고자 하는 연구도 진행되고 있다. 예를 들어, 기판을 알루미늄 재질로 사용한다든지, 방열이나 흡열을 위한 별도의 층을 기판에 코팅 하는 방법을 채택하기도 한다. 그러나 이러한 방법 역시 인쇄회로기판에서 발생되는 열을 충분히 방열시키지 못하는 문제점이 있다.

따라서 방열효율이 우수한 동시에 현재 진행되고 있는 전자제품의 슬림화에도 부응할 수 있는 새로운 개념의 방열기판의 제작이 요구된다.

따라서 본 발명의 제1 목적은 현저히 향상된 방열효율로서 제품의 신뢰도를 개선할 수 있을 뿐만 아니라, 초박형 제품에도 채용될 수 있는 방열기판을 제공하는 것이다.

본 발명의 제2 목적은 상기 방열기판의 제조방법을 제공하는 것이다.

상술한 본 발명의 제1 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예는 기판; 상기 기판의 상면에 형성된 제1 이붕화타이타늄층; 상기 제1 이붕화타이타늄층 상에 형성된 절연층; 상기 절연층상에 형성된 회로패턴; 상기 회로패턴을 포함하는 절연층상에 형성되어 상기 회로패턴을 부분적으로 노출시키는 솔더마스크층; 상기 부분적으로 노출된 회로패턴 상에 형성된 플럭스 코팅층; 상기 기판의 하면에 형성된 제2 이붕화 타이타늄층; 구리합금볼을 포함하는 방열패턴; 및 상기 방열패턴을 포함하는 기판의 하면에 형성된 냉각수지층을 포함하는 방열기판을 제공한다.

상술한 본 발명의 제2 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예는 기판을 준비하는 단계; 상기 기판의 상면 및 하면에 제2 이붕화타이타늄층을 형성하는 단계; 상기 기판 상면에 형성된 제1 이붕화타이타늄층 상에 절연조성물을 사용하여 절연층을 형성하는 단계; 상기 절연층상에 회로패턴 인쇄용조성물을 사용하여 회로패턴을 인쇄하는 단계; 상기 회로패턴을 열처리하는 단계; 상기 열처리된 회로패턴 및 상기 절연층 상에 상기 열처리된 회로패턴을 부분적으로 노출시키는 솔더마스크층을 형성하는 단계; 상기 부분적으로 노출된 회로패턴 상에 플럭스 코팅층을 형성하는 단계; 상기 기판의 하면에 형성된 구리합금볼을 사용하여 방열패턴을 형성하는 단계; 상기 방열패턴을 포함하는 기판의 하면에 냉각수지층을 형성하는 단계를 포함하는 방열기판의 제조방법을 제공한다.

본 발명에 의하면, 방열 및 냉각기능이 탁월한 인쇄회로 기판을 제작할 수 있다. 이와 같은 인쇄회로 기판을 사용하여 각종 전자제품을 제조하면 별도의 팬이나 냉각용 파이프 등의 냉각용 구조물을 설치할 필요가 없어져 제조단가를 현저히 낮추고 제조시간을 단축할 수 있다. 또한, 제품에서 발생되는 열을 신속하고 효과적으로 방출하므로 열에 의하여 제품의 신뢰성에 손상이 가는 것을 예방할 수 있다.

나아가, 냉각이나 방열을 위한 추가적인 구조를 채택하지 않아도 되므로, 초박형 제품의 구현이 가능해지고 이는 제품의 가격적인 면에서 국제경쟁력에 결정적인 이점이 된다. 특히, 슬림화 경쟁이 치열한 액정표시장치에 있어, 본 발명에 의한 방열기판에 LED를 실장하여 LCD용 백라이트용 유닛에 사용하면 온도상승으로 인한 각종문제를 매우 효과적으로 방지할 수 있다.

한편, 기판 자체에 냉각액 통로를 형성시키면 공냉 외에 수냉 방식으로 추가적인 방열 및 냉각효과를 기대할 수 있는 장점이 있다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들에 의한 방열기판 및 그 제조 방법을 상세하게 설명한다.

먼저 본 발명은 방열효과가 현저히 개선된 방열기판을 제공한다. 도 1은 분 발명의 일 실시예에 의한 방열기판을 설명하기 위한 단면도이다.

도 1을 참조하면, 본 실시예에 의한 방열기판은 기판(10), 상기 기판(10)의 상면에 형성된 제1 이붕화타이타늄층(20), 상기 제1 이붕화타이타늄층(20) 상에 형성된 절연층(30), 상기 절연층(30)상에 형성된 회로패턴(40), 상기 회로패턴(40)을 부분적으로 노출시키는 솔더마스크층(50), 상기 부분적으로 노출된 회로패턴(40) 상에 형성된 플럭스 코팅층(60)을 포함한다. 또한, 상기 기판(10)의 하면에서는 구리합금볼 및 수지 혼합물을 포함하는 방열패턴(80) 및 상기 방열패턴(80)을 포함하는 기판(10)의 하면에 형성된 냉각수지층(90)을 포함한다.

먼저 본 실시예에 의한 방열기판은 기판(10)을 포함한다.

상기 기판으로는 알루미늄(Al) 기판이나, 마그네슘(Mg) 기판을 사용할 수 있다. 상기 기판은 예를 들면, 기존의 알루미늄기판이나 마그네슘 기판을 적당한 크기로 절단하여 사용하거나, 파우더 형태의 알루미늄이나 마그네슘을 미리 제작된 금형에 투입하여 고온에서 성형하여 제작할 수 있다.

상기 기판은 전 처리 과정을 통하여 불순물을 제거하여야 제1 및 제2 이붕화타이타늄층(20, 70) 등이 원활하게 상기 기판에 증착될 수 있다.

한편, 다른 실시예로서 상기 기판 내부에 상기 기판으로 전달되는 열을 수냉시키기 위한 냉각액 통로를 더 형성할 수도 있다. 도 2는 본 발명의 다른 실시예 에 의한 방열기판을 설명하기 위한 단면도이다.

도 2를 참조하면, 상기 기판(10)의 내부에는 제1 기판(3) 및 제 2기판(7) 사이에 존재하는 냉각액 통로(5)가 형성되어 있고 상기 냉각액 통로(5)에는 냉각수나 그리스 등의 냉각액이 충진된다. 이러한 냉각액에 의하여 기판(10)으로 전달되는 열이 후술하는 기판 상에 형성된 각종 구조물에 의한 냉각 외에 수냉 방식으로 추가적으로 냉각됨으로써 방열효율이 한층 개선된 기판을 제작할 수 있다. 수냉효과를 높이기 위해서는 기판의 내구성이 유지되는 범위에서, 예를 들면 도 2에 도시한 바와 같이 상기 냉각액 통로의 총 길이가 길면 길수록 유리하다. 이러한 냉각액 통로(5)는 다양한 방식으로 형성될 수 있으며, 구체적인 방식에 대해서는 후술하는 기판의 제조방법에서 상술한다.

본 실시예에 의한 방열기판은 상기 기판(10)의 상면에 형성된 제1 이붕화타이타늄층(20)을 가진다.

구체적으로, 상기 제1 이붕화타이타늄층(TiB2; 20)은 스퍼터링(sputtering) 방식으로 상기 기판(10)의 상면에 박막으로 증착한다. 이러한 제1 이붕화타이타늄층(20)은 전기절연층으로서의 기능뿐만 아니라, 기판(10) 상의 각종 소자에서 발생되는 열을 상기 기판(10) 전체로 균일하게 전달하여 방열효율을 향상시키는 역할을 한다. 상기 기판(10)의 하면에도 이붕화타이타늄층(70)이 형성되어 있는데, 이는 구별을 위하여 제2 이붕화타이타늄층(70)이라 하기로 한다.

그리고 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 방열기판은 상기 제1 이붕화타이타늄층(20) 상에 형성된 절연층(30)을 포함한다.

상기 절연층(30)은 절연조성물을 상기 제1 이붕화타이타늄층(20) 상에 라미네이트하여 형성한다. 상기 절연조성물은 수지와 기능성 첨가물을 포함한다. 상기 수지는 실리콘 수지, 폴리이미드(polyimide) 수지, 에폭시(epoxy) 수지, 또는 이들을 2이상 혼합하여 사용할 수 있다. 상기 기능성 첨가물로는 다이아몬드, 견운모, 또는 이들을 2이상 혼합하여 사용할 수 있다. 이때, 상기 다이아몬드와 견운모를 함께 사용하는 경우 바람직하게는 다이아몬드 50 중량%와 견운모 50 중량%를 혼합하여 사용하는 것이 바람직하다.

기존의 PCB 기판과 같이 단순히 열경화성 수지인 에폭시 수지만을 사용하는 경우 열이 방출되지 못하고 기판에 누적되어 각종 전기소자에 손상을 입힐 우려가 있다. 그러나 내열성이 강한 실리콘 수지, 또는 폴리이미드 수지와 함께, 열전도성이 우수하여 방열효과가 탁월한 상기 다이아몬드, 견운모와 같은 기능성 첨가물을 첨가시키면 기판이 방열기능을 갖는데 현저한 기여를 할 수 있다. 상기 다이아몬드는 직경이 1 내지 3㎛이 되도록, 상기 견운모는 5 내지 8 ㎛이 되도록 분쇄하여 사용하고, 상기 다이아몬드와 견운모의 사용량의 비는 약 1: 1 인 경우 상기 방열효과 우수하다.

또한, 본 실시예에 의한 방열기판은 상기 절연층(30) 상에 형성된 회로패턴(40)을 포함한다. 본 실시예에 있어서는 회로패턴 인쇄용 조성물을 사용하여 회로패턴을 스크린 인쇄한다.

구체적으로, 상기 회로패턴 인쇄용 조성물로는 전도성 파우더와 수지를 포함하는 플럭스(flux) 조성물이 사용된다. 상기 전도성 파우더로는 나노은 파우더(nano silver powder), 나노구리 파우더(nano copper powder), 나노마그네슘 파우더(nano magnesium powder), 나노텔루르 파우더(nano tellurium powder), 나노비스무스 파우더(nano bismuth powder), 나노지르코늄 파우더(nano zirconium powder), 나노타이타늄 파우더(nano titanium powder) 등을 사용할 수 있다.

상기 각 전도성 파우더는 약 50㎚ 정도로 분쇄하여 사용하고, 상기 수지로는 송진을 사용할 수 있다. 상기 나노마그네슘 파우더는 각 입자가 튜브(tube)형상의 구조를 포함하고 있으며, 상기 나노은(Ag) 파우더와 상기 나노구리(Cu) 파우더에 의한 저항을 낮추어 주어 전기의 흐름을 원활하게 한다. 상기 나노지르코늄(Zr) 파우더는 회로패턴 형성 후 열처리를 할 때 팽창계수를 줄이는 특수기능을 수행한다. 또한, 나노텔루르(Te) 파우더와 나노비스무스(Bi)는 파우더 기판에 장착된 전기소자에서 고열이 발생하여 회로 패턴에 손상을 주는 경우가 있는데, 그러한 열을 냉각시켜주는 역할을 한다.

이때, 상기 전도성 파우더로 상기 열거한 물질을 단독으로 사용하여도 되나, 바람직하게는 2 이상 혼합하여 사용할 수 있다. 예를 들면, 상기 나노비스무스 파우더 약 70중량% 및 나노텔루르 파우더 약 30 중량%를 포함하는 제1 혼합물 약 50 중량부에 대하여 나노은 파우더 약 60 중량%, 나노구리 파우더 약 20 중량%, 나노마그네슘 파우더 약 10 중량%, 나노지르코늄 파우더 약 10 중량%를 포함하는 제2 혼합물 약 50 중량부를 혼합한 전도성 파우더를 사용하고 상기 전도성 파우더 약 100 중량부에 대하여 상기 수지 약 100 중량부를 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 본 실시예의 방열기판은 상기 회로패턴(40)을 포함하는 절연층(30) 상에 형성되어 상기 회로패턴(40)을 부분적으로 노출시키는 솔더마스크층(50)을 가진다. 이는 솔더링(soldering; 예를 들어, 납땜) 할 부분을 제외한 부분에 땜용 합금이 묻지 않도록 보호하기 위한 마스크로서, 일반적인 PCB 공정에서 사용되는 솔더마스크 형성방식을 사용하여 형성한다.

그리고 상기 부분적으로 노출된 회로패턴(40) 상에 플럭스(flux) 코팅층(60)이 형성된다. 상기 플럭스 코팅층(60)은 송진 수지를 사용하여 코팅하는 것이 바람직하며 이는 친환경적인 코팅방법이다. 이와 같이 플럭스코팅을 하면 공기 중에 노출된 회로패턴(40)이 산화하는 등의 문제점을 방지할 수 있다 .

한편, 본 실시예에 의한 기판(10)의 하면에는 제2 이붕화타이타늄층(70) 및 상기 제2 이붕화타이타늄층(70) 상에 형성된 구리합금볼 및 수지 혼합물을 포함하는 방열패턴(80)이 형성된다.

상기 구리 합금볼은 구리와 타이타늄 화합물의 합금이다. 상기 타이타늄 화합물로서는 이붕화타이타늄(TiB2) 또는 이산화타이타늄(TiO2) 등을 예시할 수 있다. 이때 상기 구리합금볼의 직경은 약 100㎛ 전후로 제조하고, 수지로는 친환경적인 송진수지를 사용하는 것이 바람직하다. 상기 방열패턴은 다양한 모양 즉, 선형, 사각형 같은 폐곡선 형상, 점(dot) 모양으로 형성할 수 있다. 상기 구리합금볼은 기판에 공기가 접촉하는 경우 기판에 축적된 열을 효과적으로 방출하는 효과 를 가지고 있다. 상기 기판의 하면의 제2 이붕화타이타늄 층은 상기 제1 이붕화타이타늄층을 형성할 때 함께 형성할 수 있다.

그리고 본 실시예에 의한 방열기판은 상기 방열패턴(80)을 포함하는 기판의 하면에 형성된 냉각수지층(90)을 포함한다. 상기 냉각수지층(90)은 공기 중의 수분을 흡수하여 냉각수지층의 온도를 낮추는 성질을 가지고 있는 수지를 포함하고 있으며 상기 구리합금볼 등에 의하여 전달된 열을 소멸시키는 역할을 한다. 상기 냉각수지층(90)을 형성하는 수지로는 조해성이 있는 요소수지(urea resin)를 사용하는 것이 바람직하다.

이와 같은 방열기판에 발광다이오드(Light Emitting Diode: LED)를 실장하여 액정 액정표시장치(Liquid Crystal Display: LCD)용 백라이트 부품으로 사용하는 등 기판이 필요한 모든 전자제품의 제작에 사용할 수 있다.

본 발명은 상기 방열기판의 제조방법을 제공한다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 방열기판의 제조방법을 설명하기 위한 순서도이다.

도 3을 참조하여, 본 실시예에 의한 방열기판의 제조방법을 설명하면 먼저, 기판을 준비하고(단계 S10), 상기 기판 상면에 제1 이붕화타이타늄(TiB2)층을 형성한다(단계 S20). 이어서, 상기 제1 이붕화타이타늄층 상에 절연층을 형성한(단계 S30) 후, 회로패턴을 인쇄하고(단계 S40) 회로패턴을 열처리한다(단계 S50). 계속하여, 상기 열처리된 회로패턴을 부분적으로 노출시키는 솔더마스크층을 형성하고(단계 S60), 상기 노출된 회로패턴 상에 플럭스 코팅층을 형성한다(단계 S70).

한편, 상기 기판의 하면에는 구리합금볼을 사용하여 방열패턴을 형성하고(단 계 S80), 상기 방열패턴을 포함하는 기판의 하면에 냉각수지층을 형성(단계 S90)함으로써 방열기판을 제조한다.

이하, 각 단계별로 보다 구체적으로 설명한다.

먼저 본 실시예에 따른 방열기판의 제조방법에 의하면 기판을 준비한다(단계 S10). 상기 기판으로는 알루미늄(Al) 기판이나, 마그네슘(Mg) 기판을 사용할 수 있다. 상기 기판은 예를 들면, 유압 프레스 공정으로 적당한 크기로 절단하여 사용하거나, 파우더 형태의 알루미늄이나 마그네슘을 미리 제작된 금형에 투입하고 500 내지 600℃의 고온에서 성형하여 제작할 수 있다.

바람직하게는 이후 이어지는 공정에 앞서 기판 상의 이물질이나 기름 등의 불순물을 제거하기 위하여 전 처리 공정을 실시할 수 있다. 상기 전 처리 공정을 거치면 불순물이 제거되어 이후 이어지는 제1 이붕화타이타늄층 등이 원활하게 상기 기판에 증착될 수 있다.

상기 기판(10) 내부에 추가적으로 냉각액 통로를 형성시키면 보다 탁월한 냉각 및 방열효과를 기대할 수 있다. 도 4는 상기 도 2에 도시된 기판의 제조방법을 설명하기 위한 제1 기판의 평면도이고, 도 5는 도 2에 도시된 기판의 제조방법을 설명하기 위한 사시도이다.

도 4를 참조하면, 알루미늄이나 마그네슘 기판을 준비한 후 냉각액 통로(5)에 해당될 부분을 부식시켜 제1 기판(3)을 준비한다. 이때, 냉각액을 주입하기 위한 냉각액 주입구(8)를 제1 기판의 단부에 형성한다. 이어서, 도 5를 참조하면, 알루미늄이나 마그네슘의 제2 기판(7)을 준비하여 상기 제1 기판(3)과 브레이 징(blazing) 방식으로 결합시킨다. 이후 냉각액 주입구(8)를 통하여 물이나 그리스 등의 냉각액을 주입시켜, 상기 냉각액 통로(5)를 충진한 후, 상기 냉각액 주입구(8)를 밀폐시킨다.

상기 냉각액 통로를 형성할 수 있는 다른 방식으로, 두 장의 단위 기판(도면부호 10으로 표시된 기판을 제작하기 위한 단위가 된다는 의미에서 '단위 기판'이라 명명함)을 준비한다. 한편, 상기 두 장의 단위 기판 사이에 위치하여 냉각액 주입구 및 냉각액 통로를 형성할 수 있는 냉각액 통로구조물을 준비한다. 상기 냉각액 통로구조물은 상기 냉각액 통로의 벽체 역할을 하게 된다.

이어서, 상기 두장의 단위 기판 사이에 상기 냉각액 통로 구조물을 위치시키고 프레싱하여 결합한다. 이때 결합을 보다 효율적으로 하기 위하여 금속용 접착제를 추가적으로 접착면에 미리 도포할 수도 있다. 그 다음, 상기 냉각액 주입구를 통하여 냉각액을 주입하여 상기 냉각액 통로에 냉각액을 채우고, 상기 냉각액 주입구를 밀봉하여 냉각액 통로가 있는 기판을 제작한다.

이어서, 상기 기판의 상면 및 하면에 각각 제1 및 제2 이붕화타이타늄층을 형성한다(단계 S20).

구체적으로, 상기 제1 및 제2 이붕화타이타늄 층은 물리적 박막형성방법의 일종인 스퍼터링(sputtering) 방식으로 상기 기판의 상면 및 하면에 박막으로 증착한다. 스퍼터링시 예를 들어, 가스로는 산소, 질소, 아르곤, 또는 이들의 혼합물을 사용하고, 타겟(target; 대음극)으로는 니켈(Ni), 이산화타이타늄(TiO2) 등을 사용할 수 있다.

이러한 제1 및 제2 이붕화타이타늄층은 전기절연층으로서의 기능뿐만 아니라, 기판상의 각종 소자에서 발생되는 열을 상기 기판 전체로 균일하게 전달하여 방열효율을 향상시키는 역할을 한다.

그 다음, 상기 제1 및 제2 이붕화타이타늄층이 형성된 기판의 양면 중 회로패턴이 인쇄되는 일면(이를 편의상 기판의 '상면'이라 하고, 반대면은 '하면'이라 칭한다)에 절연조성물을 사용하여 절연층을 증착하여 형성한다(단계 S30).

상기 절연조성물은 수지와 기능성 첨가물을 포함한다. 상기 수지는 실리콘 수지, 폴리이미드(polyimide) 수지, 에폭시(epoxy) 수지를 포함하고 기능성 첨가물로는 다이아몬드, 및 견운모 중에서 사용한다. 기존의 PCB 기판과 같이 단순히 열경화성 수지인 에폭시 수지만을 사용하는 경우 열이 방출되지 못하고 기판에 누적되어 각종 전기소자에 손상을 입힐 우려가 있다.

그러나 내열성이 강한 실리콘 수지나 폴리이미드 수지와 함께, 열전도성이 우수하여 방열효과가 탁월한 상기 다이아몬드, 견운모와 같은 기능성 첨가물을 하나 이상 첨가시키면 기판이 방열기능을 갖는데 현저한 기여를 할 수 있다. 상기 다이아몬드는 직경이 1 내지 3㎛이 되도록, 상기 견운모는 5 내지 8 ㎛이 되도록 분쇄하여 사용하고, 상기 다른 조성물의 혼합비는 특별히 제한되지 않지만, 상기 다이아몬드와 견운모의 사용량의 비는 약 1: 1 인 경우 상기 방열효과 우수하다.

계속하여, 상기 절연층 상에 회로패턴 인쇄용조성물을 사용하여 회로패턴을 인쇄한다(단계 S40).

본 실시예에 있어서는 일반적인 PCB에서 구리(copper)를 소재로 한 동박을 적층한 뒤 식각(etching)하여 회로를 인쇄하지 않고, 회로패턴 인쇄용 조성물을 사용하여 회로패턴을 스크린 인쇄한다. 구체적으로, 상기 회로패턴 인쇄용 조성물은 나노은 파우더(nano silver powder), 나노구리 파우더(nano copper powder), 나노마그네슘 파우더(nano magnesium powder), 나노텔루르 파우더(nano tellurium powder), 나노비스무스 파우더(nano bismuth powder), 나노지르코늄 파우더(nano zirconium powder), 나노타이타늄 파우더(nano titanium powder), 또는 이들의 하나이상의 혼합물인 전도성 파우더와 수지를 포함하는 플럭스(flux) 조성물을 사용한다.

상기 각 전도성 파우더는 약 50㎚ 정도로 분쇄하여 사용하고, 상기 수지로는 송진을 사용할 수 있다. 상기 전도성 파우더와 수지를 혼합기에 투입하고 혼합하고, 이후 밀링(milling)공정을 진행하면 페이스트(paste) 상태의 상기 회로패턴 인쇄용 조성물이 얻어지고 이 조성물을 스크린 인쇄 방식에 의하여 회로패턴을 인쇄한다.

상기 나노마그네슘 파우더는 각 입자가 튜브(tube)형상을 포함하고 있으며, 상기 나노은(Ag) 파우더와 상기 나노구리(Cu) 파우더에 의한 저항을 낮추어 주어 전기의 흐름을 원활하게 한다. 상기 나노지르코늄(Zr) 파우더는 회로패턴 형성 후 열처리를 할 때 팽창계수를 줄이는 특수기능을 수행한다. 또한, 나노텔루르(Te) 파우더와 나노비스무스(Bi) 파우더 기판에 장착된 전기소자에서 고열이 발생하여 회로 패턴에 손상을 주는 경우가 있는데, 그러한 열을 냉각시켜주는 역할을 한다.

이어서, 상기 회로패턴을 열처리한다(단계 S50). 상기 회로패턴 인쇄용 조성물을 사용하여 회로패턴을 인쇄한 후 인시츄(in-situ) 분위기에서 연속으로 열처리한다. 이때 열처리 온도는 약 250 내지 260℃의 온도에서 진행되는 것이 바람직하다.

그 다음, 상기 열처리된 회로패턴 및 상기 절연층 상에 상기 열처리된 회로패턴을 부분적으로 노출시키는 솔더 마스크(solder mask)층을 형성한다(단계 S60). 상기 솔더마스크층은 절연층으로서 회로패턴을 보호하는 역할을 하고, 소위 포토 솔더 레지스트(photo solder resist) 공정을 통하여 일부가 오픈되어 회로패턴의 일부를 노출시킨다.

상기 부분적으로 노출된 회로패턴 상에 플럭스(flux) 코팅층을 형성한다(단계 S70). 상기 플럭스 코팅은 송진 수지를 사용하여 코팅하는 것이 바람직하며 이는 친환경적인 코팅방법이다.

한편, 상기 기판의 하면에는 상기 단계 S20을 수행한 결과 이붕화타이타늄층이 형성되어 있다. 상기 기판 하면의 제2 이붕화타이타늄층 상에 구리합금볼과 수지를 혼합한 혼합물을 사용하여 방열패턴을 형성한다(단계 S80). 본 단계는 상기 단계 S20을 수행한 이후 바로 실시하거나, 기판 전면에 대한 가공 단계가 모두 완료된 후에 실시할 수 있다. 상기 구리 합금볼은 구리와 이붕화타이타늄(TiB2) 또는 이산화타이타늄(TiO2)의 합금이다. 구체적으로 구리에 전자빔(e-beam) 증착법, 또는 플라즈마(plasma) 증착법을 사용하여 구리와 이붕화타이타늄 또는 구리와 이산화타이타늄의 합급을 제조한다.

이때 상기 구리합금볼의 직경은 약 100㎛ 전후로 제조하고, 수지로는 친환경적인 송진수지를 사용하는 것이 바람직하다. 상기 방열패턴은 다양한 모양 즉, 선형, 사각형 같은 폐곡선 형상, 점(dot) 모양으로 형성할 수 있다. 상기 구리합금볼은 기판에 공기가 접촉하는 경우 기판에 축적된 열을 효과적으로 방출하는 효과를 가지고 있다.

마지막으로 상기 방열패턴이 형성된 기판의 하면에 냉각수지층을 형성한다(단계 S90). 상기 냉각수지층은 공기 중의 수분을 흡수하는 성질을 가지고 있는 유기화학물 수지를 포함하고 있으며 상기 구리합금볼 등에 의하여 전달된 열을 소멸시키는 역할을 한다.

이하의 실시예 및 비교예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 단, 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이지 이들만으로 한정하는 것은 아니다.

[실시예 1]

알루미늄 소재의 0.8㎜ 두께 알루미늄 쉬트(sheet)를 전 처리 과정을 통하여 이물질과 기름 불순물을 제거하여 기판을 준비하였다. 이어서, 준비된 기판의 상면 및 하면에 스퍼터링 방식으로 이붕화타이타늄(TiB2) 박막을 증착하였다. 상기 스퍼터링을 할 때, 가스로는 산소, 질소, 아르곤의 혼합물을 사용하고, 타겟(target; 대음극)으로는 이산화타이타늄(TiO2)을 사용하였다.

이어서, 직경 1~3㎛ 다이아몬드(Diamond) 1.5g, 직경 5~8㎛인 견운모 1.5g과 수지로는 에폭시수지를 사용한 절연조성물을 라미네이팅하여 절연층을 형성하였다. 그 다음 나노은파우더, 나노구리파우더, 나노마그네슘 파우더, 나노텔루르 파우더, 나노비스무스 파우더, 나노지르코늄 파우더 및 송진수지를 포함하는 회로패턴 인쇄용 조성물을 스크린인쇄하여 회로패턴을 인쇄하였다. 이러한 회로 인쇄가 끝나면 연속 열처리 공정에서 250 내지 260℃의 고온에서 열처리 공정을 진행하였다.

계속하여 일반적인 솔더링 마스크(soldering mask) 작업을 하여 회로패턴에 절연층을 형성하고, 소위 PSR(Photo Solder Resist)공정으로 솔더링(Soldering)면의 일부를 오픈시켰다. 이어서, 오픈된 패드(pad)위에 친환경적인 송진을 소재로 하여 플럭스 코팅을 하였다.

그 다음, 상기 이붕화타이타늄층이 형성된 알루미늄 기판의 하면에 직경 100㎛ 정도의 구리합금볼과 수지의 혼합물을 사용하여 바둑판 형상으로 방열패턴을 형성하였다. 이어서, 상기 방열패턴이 형성된 기판 하면에 냉각수지를 코팅하여 방열기판을 완성하였다

[비교예 1]

상기 본 발명의 실시예에 따른 방열기판의 방열효과의 우수성 여부를 판단하기 위하여 도 8에 개시된 단면형상을 가지는 방열기판을 다음과 같은 방법으로 제작하였다.

먼저, 기판으로 두께 1.0 mm의 알루미늄 쉬트 판넬(sheet panel; 100)을 준비한다. 이어서, 전기절연층(130)을 형성시켰다. 구체적으로 유산(latic acid)을 사용하고, 18 내지 21℃의 온도에서 15V의 전압을 인가하여 상기 알루미늄 쉬트 판넬상에 절연층(130)을 형성하였다. 이어서, 상기 절연층(130) 상에 구리필름(동박)을 적층시켜 회로패턴(140)을 구현하였다. 그 다음으로 솔더링마스크 작업을 하여 솔더마스크층(150)을 형성한 후, PSR(Photo Solder Resist)공정을 통하여 솔더마스크의 일면을 노출시켰다. 마지막으로 패드면에 변색방지를 위하여 표면에 후렉스코팅층(160)을 형성하였다. 이러한 기판을 M-PCB(Metal-Printed Circuit Board)라 칭하기로 하고, 일반적으로 1세대(저급) 방열기판이라고 하기도 한다.

[비교예 2]

상기 본 발명의 실시예에 따른 방열기판의 방열효과의 우수성 여부를 판단하기 위하여 도 9에 개시된 단면형상을 가지는 방열기판을 다음과 같은 방법으로 제작하였다.

먼저, 기판(200)으로 두께 1.0㎜의 알루미늄 쉬트 판넬을 준비하고, 이에 하드양극산화방법에 의하여 기판의 양면에 절연층인 하드양극산화층(220, 270)을 형성하였다. 그리고 기판 상면에 은, 구리, 질화붕소 등의 무기화합물과 열경화성 수지 혼합물을 사용하여 약 20㎛ 두께로 코팅하여 열경화성 수지층(230)을 형성하였다. 이어서, 두께 35 내지 70 ㎛의 구리박막을 상기 열경화성 수지층(230) 상에 적층하고 유압프레스로 압착하여 라미네이팅 한 후, 식각공정을 통하여 회로패턴(240)을 형성하였다. 그 다음으로 상기 비교예 1과 같은 방식으로, 솔더마스크층(250)과 플럭스코팅층(260)을 형성하였다.

이어서, 기판(200) 후면에 질화은, 질화붕소, 카본나노튜브의 무기화합물과 열경화성 수지를 혼합하여 코팅하고 열처리하여 나노방열층(290)을 형성하였다. 이와같은 방식으로 제작된 편의상 Nano M-PCB(Metal-Printed Circuit Board)라고 하기로 하고, 이는 제2세대(중급) 방열기판이라고 할 수 있다.

[실험예]

실시예에서 준비된 방열기판에 12 개의 LED를 표면실장기술(Surface mounting technology)에 따라 실장하여 LCD 백라이트로 제작하였다. 이어서, 63.84 W의 전압을 인가하여 전류를 흘렸다. 이때 사용한 기판은 실내온도는 22.5 ℃ 이었고, 기판 후면에 6 개의 서로 다른 지점에서 기판의 시간에 따른 온도변화를 측정하였다.

도 6은 실시예에 따라 제조된 방열기판의 방열효과를 측정하기 위한 측정지점을 나타낸 개략도이고, 도 7은 상기 방열기판의 방열효율을 알아보기 위한 시간에 따른 온도변화를 나타내는 그래프이다.

상기 도 7을 참조하면, 측정지점에 따라 다소의 차이는 있지만, 기판후면의 온도가 약 43~48℃ 까지 상승한 후 수렴하는 것을 알 수 있었다. 이는 후술하는 비교예 1, 및 2에 따라 제조된 기판에 비하여 월등히 탁월한 방열효과이다.

[비교실험예 1]

상기 비교예 1에 의하여 제작된 기판 상에 상기 실험예 1에 따른 방법과 동일한 방법으로 LED를 실장하고, 59.4 W의 전압을 인가하여 전류를 흘려주고, 기판 후면의 시간에 따른 온도변화를 측정하였다. 도 10은 상기 비교예 1 및 비교예 2에 따라 제조된 방열기판의 방열효율을 나타내는 그래프이다. 도 10을 참조하면, 비교예 1에 의한 기판후면의 온도는 후렴하지 않고 계속 온도가 상승하고 60분이 경과한 시점에서 기판온도가 약 82℃ 정도 올라갔고, 이에 따라 과열방지를 위하여 60분이 경과한 시점에서 전압을 해제하였다. 즉, 이러한 기판을 사용하는 경우 냉 각파이프나 냉각팬을 설치하여 지속적으로 열을 낮추어야 하는 문제점이 있다.

[비교실험예 2]

상기 비교예 2에 의하여 제작된 기판 상에 상기 실험예 1에 따른 방법과 동일한 방법으로 LED를 실장하고, 59.4 W의 전압을 인가하여 전류를 흘려주고, 기판 후면의 시간에 따른 온도변화를 측정하였다. 도 10은 상기 비교예 1 및 비교예 2에 따라 제조된 방열기판의 방열효율을 나타내는 그래프이다. 도 10을 참조하면, 약 60 분이 경과한 시점에서 기판 외부표면 온도가 60~63℃에서 수렴하여, 상기 비교예 1에 의한 기판보다는 방열효율이 우수하지만, 상기 실시예 1에 의하여 제작된 기판보다는 방열효과가 불량한 것을 확인할 수 있었다.

나아가, 냉각이나 방열을 위한 추가적인 구조를 채택하지 않아도 되므로, 초박형 제품의 구현이 가능해지고 이는 제품의 가격적인 면에서 국제경쟁력에 결정적인 이점이 된다. 특히, 슬림화 경쟁이 치열한 액정표시장치에 있어, 본 발명에 의한 방열기판에 LED를 실장하여 LCD용 백라이트용 유닛에 사용하면 온도상승으로 인 한 각종문제를 매우 효과적으로 방지할 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims

알루미늄 또는 마그네슘 재질인 기판;

상기 기판의 상면에 형성된 제1 이붕화타이타늄층;

상기 제1 이붕화타이타늄층 상에 절연조성물이 라미네이트되어 형성된 절연층;

상기 절연층상에 형성된 회로패턴;

상기 회로패턴을 포함하는 절연층상에 형성되어 상기 회로패턴을 부분적으로 노출시키는 솔더마스크층;

상기 부분적으로 노출된 회로패턴 상에 형성된 플럭스 코팅층;

상기 기판의 하면에 형성된 제2 이붕화타이타늄층;

상기 제2 이붕화타이타늄층 상에 형성된 구리합금볼 및 수지 혼합물을 포함하는 방열패턴; 및

상기 방열패턴을 포함하는 기판의 하면에 형성된 냉각수지층을 포함하는 방열기판.
제1 항에 있어서, 상기 기판이 상기 기판 내부에 냉각액 통로를 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 방열기판.
제1 항에 있어서, 상기 절연조성물이 실리콘 수지, 폴리이미드 수지, 및 에폭시 수지로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 수지 및 다이아몬드 50 중량% 및 견운모 50 중량%로 이루어진 기능성 첨가물을 포함하는 것을 특징으로 하는 방열기판.
제1 항에 있어서, 상기 회로패턴은 나노비스무스 파우더 70 중량%, 나노 텔루르 파우더 30 중량%를 가지는 제1 혼합물 50 중량부와 나노은파우더 60 중량%, 나노구리파우더 20 중량%, 나노마그네슘 파우더 10 중량%, 나노지르코늄 파우더 10 중량%를 가지는 제2 혼합물 50 중량부를 포함하는 전도성 파우더 및 송진수지를 포함하는 회로패턴용 조성물을 상기 절연층상에 인쇄하여 형성된 것을 특징으로 하는 방열기판.
제1 항에 있어서, 상기 구리합금볼이 구리 및 타이타늄화합물의 합금볼인 것인 것을 특징으로 하는 방열기판.
알루미늄 또는 마그네슘 재질의 판을 유압프레스 공정으로 절단하여 기판을 제작하는 단계;

상기 기판의 상면 및 하면에 각각 제1 이붕화타이타늄층 및 제2 이붕화타이타늄층을 형성하는 단계;

상기 기판 상면에 형성된 제1 이붕화타이타늄층 상에 실리콘 수지, 폴리이미드 수지, 및 에폭시 수지로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 수지 및 다이아몬드 50 중량% 및 견운모 50 중량%로 이루어진 기능성 첨가물을 포함하는 절연조성물을 라미네이트 하여 절연층을 형성하는 단계;

상기 절연층상에 회로패턴 인쇄용조성물을 사용하여 회로패턴을 인쇄하는 단계;

상기 회로패턴을 열처리하는 단계;

상기 열처리된 회로패턴 및 상기 절연층 상에 상기 열처리된 회로패턴을 부분적으로 노출시키는 솔더마스크층을 형성하는 단계;

상기 부분적으로 노출된 회로패턴 상에 플럭스 코팅층을 형성하는 단계;

상기 기판의 하면에 형성된 상기 제2 이붕화타이타늄층 상에 구리합금볼 및 수지 혼합물을 사용하여 방열패턴을 형성하는 단계; 및

상기 방열패턴을 포함하는 기판의 하면에 냉각수지층을 형성하는 단계를 포함하는 방열기판의 제조방법.
제 6항에 있어서, 상기 기판의 제작은

알루미늄 또는 마그네슘 재질의 판을 유압프레스 공정으로 절단하여 제작된 제1 기판의 표면을 부식시켜 냉각액 주입구 및 냉각액 통로를 형성하는 단계;

상기 제1 기판 상에 알루미늄 또는 마그네슘 재질의 판을 유압프레스 공정으로 절단하여 제작된 제2 기판을 브레이징 방식으로 결합하는 단계;

상기 냉각액 통로에 냉각액을 주입하여 상기 냉각액 통로에 냉각액을 채우는 단계; 및

상기 냉각액 통로를 밀봉하는 단계에 의하여 수행되는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 방열기판의 제조방법.
제 6항에 있어서, 상기 기판의 제작은

알루미늄 또는 마그네슘 재질의 판을 유압프레스 공정으로 절단하여 제작된 두 장의 단위 기판, 상기 두 장의 단위기판 사이에 위치하여 냉각액 주입구 및 냉각액 통로를 형성할 수 있는 냉각액 통로구조물을 준비하는 단계;

상기 두장의 단위 기판 사이에 상기 냉각액 통로 구조물을 위치시키고 프레싱하여 결합하는 단계;

상기 냉각액 주입구를 통하여 냉각액을 주입하여 상기 냉각액 통로에 냉각액을 채우는 단계; 및

상기 냉각액 주입구를 밀봉하는 단계에 의하여 수행되는 것을 특징으로 하는 방열기판의 제조방법.
제6 항에 있어서, 상기 제1 이붕화타이타늄층 및 상기 제2 이붕화타이타늄층은 상기 기판의 상면 및 하면에 스퍼터링하여 형성되는 것을 특징으로 하는 방열기판의 제조방법.
제6 항에 있어서, 상기 열처리는 250 내지 260℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는 방열기판의 제조방법.