KR100949197B1 - 방열 기판의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 방열 기판의 제조 방법에 관한 것으로서, 미세 세라믹 분말을 방열판 상부에 분사하여 충돌시켜 상기 미세 세라믹 분말을 분쇄시키고, 상기 분쇄된 미세 세라믹 분말을 상기 방열판 상부에 박히거나 또는 상기 방열판과 결합시켜 상기 방열판 상부에 세라믹 박막을 형성하는 단계와; 상기 세라믹 박막 상부에 회로 패턴을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 방열판 상부에 세라믹 박막을 에어로졸 증착법에 의해 형성함으로써, 열 전도성을 향상시킬 수 있으며 그로 인해 반도체 소자에서 발생하는 열을 효과적으로 방출할 수 있다.

방열, 기판, 세라믹, 열 전도, 에어로졸 증착법, 발광 다이오드

Description

방열 기판의 제조 방법{ Method for manufacturing heat dissipating substrate }

본 발명은 방열 기판의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 방열판 상부에 열 전도성이 우수한 세라믹 박막을 형성함으로써, 반도체 소자에서 발생한 열을 효과적으로 외부로 방출하기 위한 방열 기판의 제조 방법에 관한 것이다.

최근 들어, 평판 표시 장치에 대한 연구가 활발히 진행되고 있는데 그 중에서 각광받고 있는 것으로 액정 표시 장치(Liquid Crystal Display : LCD), FED(Field Emission Display), 유기 EL(Electro-luminescence), PDP(Plasma Display Panel) 등이 있다.

이 중, 액정 표시 장치는 두 개의 편광판 사이에 위치하는 액정 패널에서 각 픽셀(pixel)에 전기 신호를 인가하여 액정의 배열을 변경시킴으로써 빛을 투과시키거나 차단하는 소자이다.

상기 액정 표시 장치는 콘트라스트 비(Contrast Ratio)가 크고, 계조 표시나 동화상 표시에 적합하며 전력소비가 적다는 특징 때문에 휴대 전화, 노트북 PC, 데스크탑 모니터 및 액정 TV 등으로 그 영역이 확대되고 있는 추세이다.

하지만, 액정 표시 장치는 그 자체가 비 발광성이므로 빛을 조사하기 위한 별도의 외부 광원이 필요하다. 특히, 투과형 액정 표시 장치의 경우 LCD 패널의 배면에 광을 발산하고 안내하는 별도의 조광 장치, 즉 백라이트 유닛(Back Light Unit : BLU)이 반드시 필요하다.

백라이트 유닛에 사용되는 광원으로는 냉음극형광램프(Cold Cathode Fluorescent Lamp : CCFL), 외부전극형 형광램프(External Electrode Fluorescent Lamp : EEFL), 발광 다이오드(Light Emitting Diode : LED) 등이 있다.

현재까지 백라이트 유닛의 광원으로는 냉음극 형광램프가 주로 사용되어 왔으나, 고 수명, 저전력 소모, 박형화의 장점을 갖는 발광 다이오드의 채용이 증가하고 있으며, 향후 발광 다이오드가 광원 시장을 주도할 것으로 전망되고 있다.

한편, RoHS(Restriction of Hazardous Substance) 등과 같은 환경규제가 엄격해지면서 수은을 사용하는 냉음극 형광램프의 사용이 제한되고 이에 대한 대안으로서도 발광 다이오드를 광원으로 하는 백라이트 유닛의 개발에 박차를 가하고 있다.

그러나, 발광 다이오드는 광 효율이 낮다는 점과 발광 다이오드에서 발생하는 열 문제로 인해 백라이트 유닛의 광원으로 사용하는데 어려움이 있다.

발광 다이오드의 광 효율은 대략 20 ~ 30% 정도이다. 발광 다이오드 1개당 소모전력은 1W 정도이고, 1W의 소모전력에서 광 효율을 30%로 보았을 때, 열로 발 생하는 소모전력 비율이 70%정도 된다.

32인치 액정 표시 장치의 백라이트 유닛에 사용되는 발광 다이오드의 개수는 약 400개에 달하는데, 여기서 열로 소모되는 전력이 280W 정도가 된다.

발광 다이오드가 실장된 인쇄회로기판(Printed Circuit Board : PCB)에서 발생된 열을 처리하지 못하면, 발광 다이오드가 실장된 인쇄회로기판과 백라이트 유닛 내부의 온도를 상승시켜, 발광 다이오드 램프의 동작 불능상태를 야기시킬 수 있으며, 관련 전자회로 등의 동작 신뢰성을 저하시킬 수 있다.

또한 내부 온도차에 의한 부품이나 케이스에 열 응력이 발생하여 제품의 변형을 초래할 수도 있다.

이에 발광 다이오드에서 발생하는 열을 빠르게 외부로 방출시키기 위한 여러 가지 방법이 제안되었다.

가장 일반적인 방열 방법으로는 히트 싱크(Heat Sink)나 냉각팬(Cooling Fan)을 사용하는 경우가 있는데, 이 경우 가격이 상승하게 되고 이동한 열을 방출하기 위한 별도의 장치가 또 필요하다는 문제점이 있다.

따라서, 이러한 발열 문제를 해결하기 위해 회로 기판에 방열판을 구비하여 열을 방출하는 방법이 제안되었으며, 이러한 기판을 MCPCB(Metal Core Printed Circuit Board) 기판이라 한다.

도 1은 종래의 MCPCB(Metal Core Printed Circuit Board) 기판을 나타낸 단면도이다.

이에 도시된 바와 같이, 방열판(10) 상부에 절연층(11)이 적층되고, 상기 절연층(11) 상부에 회로 패턴(12)이 형성된다. 여기서, 상기 회로 패턴(12) 상에 발광 다이오드와 같은 반도체 소자가 실장된다.

상기 방열판(10)으로는 열 전도도가 좋고 가벼우며 가격이 저렴한 알루미늄(Al)이 주로 사용되고, 상기 절연층(11)은 대부분 에폭시 계열(예를 들면, FR-4 계열)의 접착소재로 이루어진다.

이와 같이 구성된 MCPCB 기판에 있어서, 상기 절연층(11)에서의 열 전도도가 전체 기판의 열 전도도를 좌우하게 되는데, 일반적으로 절연층(11)은 낮은 열 전도도(예를 들어, 에폭시는 약 0.3 W/mK의 열 전도도를 갖는다)를 갖기 때문에, 발광 다이오드와 같은 반도체 소자에서 발생하는 열을 효과적으로 방출하지 못한다.

즉, 발광 다이오드와 같은 반도체 소자에서 발생하는 열이 상기 절연층(11)의 열 차단으로 인하여 직접적으로 방열판(10)에 전달되지 못하므로 열을 효과적으로 방출하지 못하게 된다.

본 발명의 목적은 반도체 소자에서 발생하는 열을 효과적으로 방출하기 위한 방열 기판의 제조 방법을 제공하는 데 있다.

상기의 문제점을 해결하기 위해 고안된 본 발명의 방열 기판의 제조 방법의 바람직한 실시예는, 미세 세라믹 분말을 방열판 상부에 분사하여 충돌시켜 상기 미세 세라믹 분말을 분쇄시키고, 상기 분쇄된 미세 세라믹 분말을 상기 방열판 상부에 박히거나 또는 상기 방열판과 결합시켜 상기 방열판 상부에 세라믹 박막을 형성하는 단계와; 상기 세라믹 박막 상부에 회로 패턴을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

삭제

상기 세라믹 박막은 에어로졸 증착법(Aerosol Deposition)에 의해 형성하며, 알루미나(Al2O3), 질화알루미늄(AlN), 산화 베릴륨(BeO), 산화이트륨(Y203) 중에서 선택된 어느 하나의 물질 또는 이들의 조합된 물질로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 방열판 상부에 세라믹 박막을 에어로졸 증착법에 의해 형성함으로써, 열 전도성을 향상시킬 수 있으며 그로 인해 반도체 소자에서 발생하는 열을 효과적으로 방출할 수 있다.

이하, 도 2 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 방열 기판 및 이를 구비한 발광 다이오드 패키지에 대해 상세히 설명한다.

본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 2는 본 발명의 방열 기판을 나타낸 단면도이다.

이에 도시된 바와 같이, 방열판(100)과, 상기 방열판(100) 상부에 형성된 세라믹 박막(110)과, 상기 세라믹 박막(110) 상부에 형성된 회로 패턴(120)으로 이루어진다.

상기 방열판(100)은 열 전도도가 우수한 물질로 이루어지는데, 금속 및 비금 속에 제한을 받지아니하나 Al, Cu, Mo, W, Ti, Mg 중에서 선택된 어느 하나의 물질로 이루어지는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 방열판(100)은 절삭 및 압출, 도금, 성형 등의 방법을 이용하여 제조할 수 있으며, 방열판(100)의 두께는 500㎛ ~ 1500㎛로 형성하는 것이 바람직하다.

상기 세라믹 박막(110)은 알루미나(Al2O3), 질화알루미늄(AlN), 산화 베릴륨(BeO), 산화이트륨(Y203) 중에서 선택된 어느 하나의 물질 또는 이들의 조합된 물질로 이루어지고, 두께는 1㎛ ~ 50㎛로 형성하는 것이 바람직하다.

상기 세라믹 박막(110)의 두께를 1㎛ 미만으로 하면, 상기 방열판(100)과 상기 회로 패턴(120) 사이에 전기적 절연이 잘 이루어지지 않을 수 있고, 상기 세라믹 박막(110)의 두께가 50㎛를 초과하면, 세라믹 박막(110)의 부착력이 약화되어 상기 방열판(100)에서 떨어질 위험이 있다.

상기 세라믹 박막(110)은 상기 방열판(100) 상부에 에어로졸 증착법(Aerosol Deposition : AD)에 의해 형성한다.

상기 에어로졸 증착법은 미세한 세라믹스 분말(Powder)을 운송 가스에 실어서 기판에 분사함으로써 기판 표면에 세라믹스 코팅층을 형성하는 방법으로, 다음과 같은 여러 가지 장점이 있다.

1. 코팅층 두께 형성 속도가 분당 30㎛로 고속 코팅이 가능

2. 상온에서 치밀하고 균열이 없는 코팅층의 형성이 가능

3. 수십 나노미터 이내의 결정립들을 갖는 투명한 세라믹 코팅층 형성이 가 능

4. 금속, 세라믹, 경질 고분자 등 다양한 기판에 증착 가능

5. 서브 마이크로미터에서 수백 마이크로미터까지 광범위한 두께의 코팅층 형성이 가능

6. 코팅층의 조성 및 화학양론비의 제어가 용이

특히, 에어로졸 증착법에 의하면 상온에서 치밀한 세라믹 코팅이 이루어지게 되는데, 그로 인해 플라스틱이나 금속 등의 기판에서도 연화나 산화의 걱정 없이 코팅을 할 수 있게 된다.

그리고, 에어로졸 증착법에 의하면 공정변수의 제어에 의해 서브 마이크로미터에서 수백 마이크로미터의 두께까지 균열이나 기공이 거의 없이 표면 조도가 양호한 양질의 막을 제조할 수 있다.

반면에, 널리 알려진 박막 코팅 공정인 PVD(Physical Vapor Deposition)나 CVD(Chemical Vapour Deposition)에 의하면, 코팅층의 두께가 수 마이크로미터 이상이 되면 균열이나 박리 현상이 발생한다.

또한, 에어로졸 증착법은 원료인 세라믹스 분말을 분사하여 코팅하는데, 그 과정에서 세라믹스 분말에 일어나는 화학적 변화가 거의 없기 때문에 원료의 화학적 조성이 거의 그대로 코팅층에서 유지된다.

상기 회로 패턴(120)은 구리(Cu) 또는 금(Au)으로 이루어지는 것이 바람직하다.

도 3은 본 발명의 세라믹 박막을 에어로졸 증착법으로 형성하기 위한 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.

이에 도시된 바와 같이, 캐리어 가스(Carrier Gas)가 세라믹 분말이 담긴 에어로졸 챔버(Aerosol Chamber)로 유입되어 에어로졸 챔버 내에 부유하는 미세 세라믹 분말들을 실어서 진공 상태의 증착실 내로 운반하면, 운반된 미세 세라믹 분말들을 노즐을 통해 증착실 내에 있는 기판으로 분사함으로써 기판상에 세라믹 박막을 형성한다.

도 4는 본 발명의 에어로졸 증착법에 의해 세라믹 박막이 형성되는 과정을 개략적으로 나타낸 도면이다.

이에 도시된 바와 같이, 미세 세라믹 분말이 분사되어 기판에 충돌하면(a), 미세 세라믹 분말이 분쇄되면서 일부 조각들이 기판에 박히거나 강력한 결합을 하게 되고 다음 미세 세라믹 분말이 그 위에 충돌한다(b).

그리고, 충돌된 미세 세라믹 분말이 분쇄되어 강한 결합을 이루는 층을 형성하게 되고, 다음 미세 세라믹 분말이 그 위에 충돌(c)하여 세라믹 박막을 이루게 된다.

도 5는 본 발명의 방열 기판을 구비한 발광 다이오드 패키지를 개략적으로 나타낸 단면도이다.

이에 도시된 바와 같이, 발광 다이오드(200)는 방열판(100) 상부에 세라믹 박막(110)이 형성되어 있고, 세라믹 박막(110) 상부에 회로 패턴(120) 및 접촉 패드(130)가 형성되어 있는 방열 기판상에 실장된다.

여기서, 상기 발광 다이오드(200)는 상기 접촉 패드(130) 상에 에폭시 등과 같은 접착제(210)를 통해 접합되며, 발광 다이오드(200)의 음전극 및 양전극은 상기 회로 패턴(120)과 와이어 본딩(Wire Bonding)되어 전기적으로 연결된다.

그리고, 상기 방열 기판 상부에는 발광 다이오드(200)를 외부 환경으로부터 보호하기 위한 렌즈(220)가 형성되는데, 상기 렌즈(220)는 광 투과성이 뛰어난 고분자 수지로 이루어진다.

이와 같이 구성된 발광 다이오드 패키지에 있어서, 발광 다이오드(200)에서 발생한 열은 접촉 패드(130)와 세라믹 박막(110)을 지나 방열판(100)으로 방출된다.

도 6은 본 발명의 방열 기판과 종래의 MCPCB 기판의 열 저항을 비교한 그래프이다. 즉, 본 발명의 방열 기판에 발광 다이오드를 실장한 경우와, 종래의 MCPCB 기판에 발광 다이오드를 실장한 경우의 열 저항을 비교한 그래프이다.

여기서, X 축은 열 저항값을 나타내고, Y 축은 열 용량을 열 저항으로 미분한 값을 나타낸다. 상기 그래프에서 X 축의 어느 값에서 Y 축의 값이 무한한 값을 나타내는데, 그때의 X 축의 값이 시스템의 최종 열 저항이 된다.

이에 도시된 바와 같이, 본 발명의 방열 기판에 발광 다이오드를 실장한 경우의 최종 열 저항이 종래의 MCPCB 기판에 발광 다이오드를 실장한 경우의 최종 열 저항의 2/3 수준에 불과한 것을 볼 수 있다.

이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다.

그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

도 1은 종래의 MCPCB(Metal Core Printed Circuit Board) 기판을 나타낸 단면도.

도 2는 본 발명의 방열 기판을 나타낸 단면도.

도 3은 본 발명의 세라믹 박막을 에어로졸 증착법으로 형성하기 위한 장치를 개략적으로 나타낸 도면.

도 4는 본 발명의 에어로졸 증착법에 의해 세라믹 박막이 형성되는 과정을 개략적으로 나타낸 도면.

도 5는 본 발명의 방열 기판을 구비한 발광 다이오드 패키지를 개략적으로 나타낸 단면도.

도 6은 본 발명의 방열 기판과 종래의 MCPCB 기판의 열 저항을 비교한 그래프.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

100 : 방열판 110 : 세라믹 박막

120 : 회로 패턴 130 : 접촉 패드

200 : 발광 다이오드 210 : 접착제

220 : 렌즈

Claims (10)

1. 미세 세라믹 분말을 방열판 상부에 분사하여 충돌시켜 상기 미세 세라믹 분말을 분쇄시키고, 상기 분쇄된 미세 세라믹 분말을 상기 방열판 상부에 박히거나 또는 상기 방열판과 결합시켜 상기 방열판 상부에 세라믹 박막을 형성하는 단계와;

   상기 세라믹 박막 상부에 회로 패턴을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 방열 기판의 제조 방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 방열판은 Al, Cu, Mo, W, Ti, Mg 중에서 선택된 어느 하나의 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 방열 기판의 제조 방법.
3. 삭제
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 세라믹 박막은 알루미나(Al2O3), 질화알루미늄(AlN), 산화 베릴륨(BeO), 산화이트륨(Y203) 중에서 선택된 어느 하나의 물질 또는 이들의 조합된 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 방열 기판의 제조 방법.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 세라믹 박막의 두께는 1㎛ ~ 50㎛인 것을 특징으로 하는 방열 기판의 제조 방법.
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제
9. 삭제
10. 삭제

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