KR101074824B1 - 방열성 및 열 확산성이 우수한 인쇄회로기판 및 인쇄회로기판을 이용한 발광모듈 - Google Patents

방열성 및 열 확산성이 우수한 인쇄회로기판 및 인쇄회로기판을 이용한 발광모듈 Download PDF

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Abstract

본 발명은 알루미늄을 주금속층으로 하고, 에폭시 조성물로 된 방열수지층 및 보호층을 포함하는 방열성 및 열확산성(분산성)이 우수한 인쇄회로기판 및 인쇄회로기판을 포함하는 발광소자 모듈에 관한 것이다. 본 발명은 알루미늄(Al)으로 이루어진 베이스판, 베이스판의 상부 및 하부에 에폭시 조성물로 이루어진 방열수지층, 하부 방열수지층 하부에 형성되고 폴리에스테르 조성물로 이루어진 보호층, 및 상부 방열수지층 상부에 접착층으로 접착된 배선용 구리층으로 이루어진 방열성 인쇄회로기판을 제공한다. 본 발명의 방열성 인쇄회로기판은 방열성, 내열성 및 내부식성이 뛰어나고, 발광소자인 LED나 LED 패키지를 적용할 경우, 발광소자에서 발생하는 열을 빠르고 효과적으로 분산시켜 발광소자의 수명을 연장할 수 있다.
알루미늄, 방열금속층, 방열수지층, 발광소자모듈, 열확산성, 방열성

Description

방열성 및 열 확산성이 우수한 인쇄회로기판 및 인쇄회로기판을 이용한 발광모듈{Print Circuit Board Having Excellent Heat Dissipating and Heat Spread and Light Emitting Diode Module Using Thereof}
본 발명은 알루미늄을 주금속층으로 하고, 에폭시 조성물로 된 방열수지층 및 보호층을 포함하는 방열성 및 열확산성(분산성)이 우수한 인쇄회로기판 및 인쇄회로기판을 포함하는 발광소자 모듈에 관한 것이다.
일반적으로 발광소자들은 전원이 공급되면 발광하면서 상당한 열을 발생시킨다. 이때 발생되는 열을 외부로 방출하거나, 기판 자체적으로 열을 확산(분산)하거나, 발광소자들의 열을 분산시켜주는 장치(Heat Sink)를 필요로 하는 것과 필요로 하지 않는 방법이 있다. 그러나 실내/외 조명에서도 열 씽크(Heat Sink)의 적용이 안되는 상황에서는 발광소자(LED)의 탑재 부분인 전면과 비탑재 부분인 후면의 온도차이가 크게 되면 발광소자(LED)의 수명이 단축될 수 있으므로, 열 씽크(Heat Sink)를 설치 할 수 없는 부분에는 알루미늄을 기본으로 하는 재료가 요구된다. 최근에 발광소자인 LED및 LED 패키지를 탑재하는 모듈의 적용 분야가 증가하는 추세에서 상기한 문제의 해결이 중요한 기술로 부각되고 있다.
실내/외조명의 경우, 발광소자들은 다수의 소자들이 배열되어 발광을 하는데, 이로 인하여 더욱 많은 발열이 이루어진다. 이러한 발광소자들이 탑재되어 있는 기존의 FR-4 및 CEM(composite type of laminate material) 계열의 인쇄회로기판에서는 값은 저렴한 대신 열전도성이 좋지 않기 때문에 발광소자들의 수명이 단축되어 빈번한 교체 및 수리가 이루어지는 문제점이 있다.
더욱이 LED 및 LED 패키지를 적용하는 조명기구, TV, 노트북, LCD 모니터 및 기타 가전제품들의 생산이 증가하고 있기 때문에 방열성을 갖춘 인쇄회로기판이 더욱 요구되고 있다.
또한, 전력을 많이 필요로 하는 고파워 발광소자를 적용하는 경우 열의 발생이 더욱 높기 때문에 열의 확산(분산)성이 좋지 않으면 발광소자의 수명에 치명적이다.
상기한 문제를 해결하기 위하여 국내외에서 생산되는 알루미늄 기판이 사용되고 있지만, 그 알루미늄은 고가로서 경제성이 낮고, 최하부면에 별도의 피막처리가 되어 있지 않으므로 내부식성 및 내충격성이 약하다. 이 때문에 인쇄회로기판을 제조하는 공정 중에 산과 알카리와 같은 약품에 의해 부식되고, 이를 방지하기 위하여 최하부에 고가의 보호 테이프를 부착해야 하고, 이후 발광소자(LED 및 LED 패키지)를 탑재하기 위하여 보호 테이프를 제거하는 추가 공정이 발생한다는 문제점이 있다.
이러한 문제점들을 해결하기 위하여, 본 발명에서는 열전도율(196kcal/m.h. ℃) 및 열확산(분산)성(11161x10-8㎡/s)이 높은 알루미늄을 이용한 인쇄회로기판을 제조하고 및 이를 이용하여 발광소자인 LED 및 LED 패키지를 탑재한 모듈을 제조하였다. 본 발명에서 방열성이란 기판에서 발생하는 열을 방출하는 특성을 의미하고, 확산성이란 기판의 일부에서 발생한 열이 기판 전체 기판에 대해서 분산되어 기판의 전체 온도가 낮아지는 특성을 의미한다.
본 발명은 알루미늄에 에폭시수지조성물 및 폴리에스테르 수지조성물을 이용하여 코팅시켜 열전도성 즉 방열성 및 열확산(분산)성을 향상시킨 인쇄회로기판을 제공하고, 이를 이용하여 발광소자인 LED 및 LED 패키지를 탑재한 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 적절한 실시 형태에 따르면, 알루미늄으로 이루어진 베이스판, 베이스판의 상부 및 하부에 형성되고 에폭시 조성물로 이루어진 방열수지층, 하부 방열수지층 하부에 형성되고 폴리에스테르 조성물로 이루어진 보호층 및 상부 방열수지층 상부에 접착층으로 접착된 배선용 구리층으로 이루어진 방열성 인쇄회로기판을 제공한다.
본 발명의 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 상기 방열수지층의 에폭시조성물은 전제 조성물 중량대비 에폭시 4~13중량%, 폴리에스테르 18~27중량%, 시클로헥사논 1~10중량%, 멜라민-포름알데히드수지 1~10중량%, 이산화실리콘 0.1~0.9중량%, 무정형 실리카(silica, amorphous, fumed) 0.1~0.9중량%, 카본블랙 0.1~0.9중량%, 이산화티타늄 21~30중량%, 하이드록시알루미늄 0.1~0.9중량%, C.I.색소(갈색24) 1~9중량%, 경방향족화합물용제 나프타 4~13중량%, 1,2,4-트리메틸벤젠 1~10중량%, 프로필렌글리콜 모노메틸 에테르아세트산 1~10중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 방열성 인쇄회로기판을 제공한다.
본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 상기 보호층의 폴리에스테르 조성물은 전체 조성물중량대비 폴리에스테르 18~27중량%, 아크릴 1~9중량%, 시클로헥사논 1~9중량%, 멜라민-포름알데히드수지 1~9중량%, 이산화티타늄 24~33중량%, 크실렌(디메틸벤젠) 1~9중량%, 중방향족화합물용제 나프타 1~9중량%, 경방향족화합물용제 나프타 1~10중량%, 1,2,4-트리메틸벤젠 1~9중량%, 프로필렌글리콜 모노메틸 에테르아세트산 8~17중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 방열성 인쇄회로기판을 제공한다.
본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 알루미늄으로 이루어진 금속판의 상부 및 하부에 에폭시 조성물을 도포하여 방열수지층을 제조하는 단계; 하부 방열수지층 하부에 폴리에스테르 조성물을 도포하여 보호층을 제조하는 단계; 상부 방열수지층 위에 아크릴과 에폭시의 혼합물로 형성된 접착수지 조성물을 이용하여 접착층을 형성하는 단계;및 접착층에 전해구리를 진공상태에서 적층하여 배선용 구리층을 형성하는 단계를 포함하는 방열성 인쇄회로기판의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 상기 방열성 인쇄회로기판을 포함하는 발광소자 모듈을 제공한다.
본 발명은 용융 알루미늄을 주금속층으로 하고, 그 상부 및 하부에 방열 수지층을 순차적으로 형성하고, 하부 방열 수지의 하부에 보호층을 형성함으로써, 내열성과 내부식성이 뛰어한 인쇄회로기판을 제공할 수 있다. 또한, 발광소자인 LED나 LED 패키지에 본 발명의 인쇄회로기판을 적용할 경우, 발광소자에서 발생하는 열을 빠르고 효과적으로 방출 및 확산(분산)시켜 발광소자의 수명을 연장할 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 알루미늄으로 이루어진 인쇄회로기판(10)의 구조도이고, 도 2는 인쇄회로기판(10)위에 발광소자(21)를 탑재한 모듈(20)의 도면이다.
본 발명의 방열성 알루미늄 인쇄회로기판(10)은 알루미늄(Al, H32~38 A5052 또는 H12~18 A1050)을 주성분으로 하는 알루미늄 베이스판(11)을 주 금속층으로 한다. 알루미늄 베이스판(11)은 두께가 0.5t 내지 2.0t인 것을 사용할 수 있다.
상기 알루미늄 베이스판(11)의 상부 및 하부에 본 발명의 에폭시 조성물을 도포하여 상부방열수지층(121) 및 하부방열수지층(122)을 형성한다. 다음으로 하부 방열수지층(122)의 하부에 내부식성 및 내충격성의 강화를 위한 폴리에스테르 조성물을 도포하여 보호층(13)을 형성한다. 다음으로 상부 방열수지층(121)의 상부에 접착층(14)으로 접착된 배선용 구리층(15)으로 이루어진다.
먼저, 주금속층인 알루미늄 베이스판(11)의 상부와 하부에 에폭시조성물을 두께가 10~20㎛가 되도록 코팅하여 상부 방열수지층(121) 및 하부 방열수지층(122)을 형성한다. 상기 에폭시 조성물은 전제 조성물 중량대비 에폭시(비스페놀-A-비스페놀A 디글리시틸 에테르중합) 4~13중량%, 폴리에스테르 18~27중량%, 시클로헥사논 1~10중량%, 멜라민-포름알데히드수지 1~10중량%, 이산화실리콘 0.1~0.9중량%, 무정 형 실리카(silica, amorphous, fumed) 0.1~0.9중량%, 카본블랙 0.1~0.9중량%, 이산화티타늄 21~30중량%, 하이드록시알루미늄 0.1~0.9중량%, C.I.색소(갈색24) 1~9중량%, 경방향족화합물용제 나프타 4~13중량%, 1,2,4-트리메틸벤젠 1~10중량%, 프로필렌글리콜 모노메틸 에테르아세트산 1~10중량%을 포함하는 것이 바람직하다.
다음으로 하부 방열수지층(122) 하부에 폴리에스테르 조성물을 도포하여 보호층(13)을 형성한다. 상기 폴리에스테르 조성물은 전체 조성물 중량대비 폴리에스테르 18~27중량%, 아크릴 1~9중량%, 시클로헥사논 1~9중량%, 멜라민-포름알데히드수지 1~9중량%, 이산화티타늄 24~33중량%, 크실렌(디메틸벤젠) 1~9중량%, 중방향족화합물용제 나프타 1~9중량%, 경방향족화합물용제 나프타 1~10중량%, 1,2,4-트리메틸벤젠 1~9중량%, 프로필렌글리콜 모노메틸 에테르아세트산 8~17중량%를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 에폭시조성물로 형성된 방열수지층(12)은 알루미늄 베이스층의 방열특성을 향상시키고, 폴리에스테르 조성물로 형성된 보호층(13)은 내열성 및 내화학성이 뛰어나서 방열수지층(12)을 보호하고, 전체 인쇄회로기판(10)의 열전도성을 향상시킨다.
상부 방열수지층(121)의 상부에는 절연 및 회로용 금속판의 접착을 위한 에폭시 또는 에폭시와 아크릴이 일정 비율로 혼합된 수지인 접착제를 이용하여 접착층(14)을 형성한다. 에폭시와 아크릴을 일정 비율로 혼합하여 사용하는 경우, 에폭시와 아크릴은 50:50(중량%) 내지 30:70(중량%)인 것이 바람직하다. 접착층(14)의 두께는 25~150㎛이하인 것이 바람직하며, 발열상황 및 적용되는 제품의 종류에 따라 두께를 조절할 수 있다.
접착층(14) 상부에 배선용 금속판인 구리(Cu)를 진공 적층공정을 이용하여 적층한다. 진공적층 공정을 이용하여 구리층(15)을 형성함으로써 기포없이 강한 밀착력을 가지고 접착층 위에 구리층(15)이 형성된다. 배선용 금속판으로 구리 이외에 전기전도성을 갖는 금속물질은 무엇이든 사용할 수 있지만, 본 발명에서는 특히 전해 구리를 사용하는 것이 바람직하다. 구리층은 발열되는 사양에 따라 35㎛ 또는 70㎛를 사용할 수 있다.
이하에서 실시예를 들어서 본 발명을 상세하게 설명하지만, 실시예에 의하여 발명의 청구범위와 제한되는 것은 아니다.
실시예 1
알루미늄으로 이루어진 금속층(알루미늄 H32~H38 A5052, 두께 1.5t) 상부 및 하부에 에폭시조성물을 두께가 10~20㎛가 되도록 코팅하여 상부 방열수지층 및 하부 방열수지층을 형성한다. 하부 방열수지층 위에 폴리에스테르계 조성물을 도포하여 보호층을 형성한다.
다음으로 상부 방열수지층 위에 접착용 에폭시수지를 도포한 다음, 두께가 35㎛ 전해구리를 진공적층공정으로 적층하여 인쇄회로기판을 제조하였다.
비교예 1
세척한 알루미늄기판(두께 1.5t) 위에 접착층을 형성하고 구리(Cu)층을 적층한 MCCL 기판
비교예 2
알루미늄기판(두께 1.5t)의 일면에 에폭시수지로 코팅하고 구리(Cu)층을 적층한 MCCL 기판
비교예 3
상부 방열수지층을 형성하지 않은 것 제외하고는 실시예 1과 동일하게 제조된 인쇄회로기판
도 3은 LED가 장착된 인쇄회로기판 전면의 온도측정부분을 도시한 것이고, 도 4는 LED가 장착된 인쇄회로기판 후면의 온도측정부분을 도시한 것이다. 제조된 방열성 인쇄회로기판 및 비교예의 인쇄회로기판에 LED 0.2W/EA를 7,8 부분에 설치한 후(도 3 참조) DC전압 16.8V로 1시간 점등한 다음, 기판의 전면 및 후면의 표면온도를 측정하였다. 표면온도는 실내 온도 25±5℃ 및 습도 60±5%에서 아래 16개의 포인트(전면 8개 포인트, 후면 8개 포인트)에서 측정하였고, 기판 전면의 4,5,6 포인트는 회로위에서 측정한 것이고, 7 및 8 포인트는 LED 발광부 측정한 것이다. 기판의 표면온도를 측정하여 아래 표 1에 나타내었다.
Figure 112009058692654-pat00001
기판의 7, 8을 제외한 나머지 부분의 전면 및 후면온도의 평균을 산출하여 표 2 및 도 5에 나타내었다. 또한 기판의 LED 부분인 7, 8 부분의 전면 및 후면의 평균온도를 산출하여 표 3 및 도 6에 나타내었다.
기판표면 실시예 1 비교예 1 비교예 2 비교예 3
전면(℃) 30.1 30.3 32.3 31.8
후면(℃) 29.9 33.6 31.7 31.3
△T℃) 0.2 -3.3 0.6 0.5
LED부분 실시예 1 비교예 1 비교예 2 비교예 3
전면(℃) 42.2 46.5 44.8 43.9
후면(℃) 32.5 35.0 32.2 33.1
△T(℃) 9.8 11.5 12.7 10.8
상기 표 2에서 나타난 바와 같이, 본 발명의 방열성 인쇄회로기판을 사용한 경우, LED가 장착되지 않은 부분의 경우 온도차가 크지 않고, 표 3에서 나타난 바와 같이 LED 장착부분의 경우에도, 비교예의 알루미늄 기판에 에폭시 수지로 코팅한 제품을 이용한 경우 및 알루미늄 기판 일면에만 코팅한 경우와 비교하여 기판 전면 및 후면의 온도차가 크지 않은 것으로 측정되었다. 이는 본 발명의 기판이 열의 확산이 안정적인 것을 의미한다.
또한 실시예 1에서 제조된 인쇄회로기판은 내부식성을 측정하기 위하여, 내알칼리성 실험으로 10% 수산화나트륨에 15분 침적하였는데, 실시예 1의 인쇄회로기판은 이상이 없었다. 또한 내산성 실험으로 10% 황산에 15분 침적한 경우에서도 이상이 없는 것으로 관찰되었다.
도 1은 본 발명의 인쇄회로기판의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 인쇄회로기판에 발광소자를 탑재한 모듈의 단면도이다.
도 3은 LED가 장착된 인쇄회로기판 전면의 온도측정부분을 도시한 것이다.
도 4는 LED가 장착된 인쇄회로기판 후면의 온도측정부분을 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 인쇄회로기판 및 비교예 기판의 LED 장착부위를 제외한 부분의 평균 온도를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 인쇄회로기판 및 비교예 기판의 LED 장착부분의 평균 온도를 나타낸 그래프이다.

Claims (5)

  1. 삭제
  2. 방열성 인쇄회로기판에 있어서,
    알루미늄으로 이루어진 베이스판, 베이스판의 상부 및 하부에 형성되고 에폭시 조성물로 이루어진 방열수지층, 하부 방열수지층 하부에 형성되고 폴리에스테르조성물로 이루어진 보호층 및 상부 방열수지층 상부에 접착층으로 접착된 배선용 구리층으로 이루어지고,
    상기 방열수지층의 에폭시 조성물은 전체 조성물 중량대비 에폭시 4~13중량%, 폴리에스테르 18~27중량%, 시클로헥사논 1~10중량%, 멜라민-포름알데히드수지 1~10중량%, 이산화실리콘 0.1~0.9중량%, 무정형 실리카(silica, amorphous, fumed) 0.1~0.9중량%, 카본블랙 0.1~0.9중량%, 이산화티타늄 21~30중량%, 하이드록시알루미늄 0.1~0.9중량%, C.I.색소 1~9중량%, 경방향족화합물용제 나프타 4~13중량%, 1,2,4-트리메틸벤젠 1~10중량%, 프로필렌글리콜 모노메틸 에테르아세트산 1~10중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 방열성 인쇄회로기판.
  3. 방열성 인쇄회로기판에 있어서,
    알루미늄으로 이루어진 베이스판, 베이스판의 상부 및 하부에 형성되고 에폭시 조성물로 이루어진 방열수지층, 하부 방열수지층 하부에 형성되고 폴리에스테르조성물로 이루어진 보호층 및 상부 방열수지층 상부에 접착층으로 접착된 배선용 구리층으로 이루어지고,
    상기 보호층의 폴리에스테르 조성물은 전체 조성물 중량대비 폴리에스테르 18~27중량%, 아크릴 1~9중량%, 시클로헥사논 1~9중량%, 멜라민-포름알데히드수지 1~9중량%, 이산화티타늄 24~33중량%, 크실렌 1~9중량%, 중방향족화합물용제 나프타 1~9중량%, 경방향족화합물용제 나프타 1~10중량%, 1,2,4-트리메틸벤젠 1~9중량%, 프로필렌글리콜 모노메틸 에테르아세트산 8~17중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 방열성 인쇄회로기판.
  4. 알루미늄으로 이루어진 베이스판 상부 및 하부에 에폭시 조성물을 도포하여 방열수지층을 제조하는 단계;
    하부 방열수지층의 하부에 폴리에스테르 조성물을 도포하여 보호층을 제조하는 단계;
    상부 방열수지층의 상부에 아크릴과 에폭시의 혼합물로 형성된 접착수지 조성물을 이용하여 접착층을 형성하는 단계; 및
    접착층에 전해구리를 진공상태에서 적층하여 배선용 구리층을 형성하는 단계를 포함하는 방열성 인쇄회로기판의 제조방법.
  5. 청구항 2항 또는 청구항 3항의 방열성 인쇄회로기판을 포함하는 발광소자 모듈.
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