KR101205866B1

KR101205866B1 - 메탈 ｐｃｂ의 제조방법 및 이에 의한 메탈 ｐｃｂ

Info

Publication number: KR101205866B1
Application number: KR1020110023377A
Authority: KR
Inventors: 신효순; 여동훈; 최봉구; 이지애
Original assignee: 주식회사 신아티앤씨; 한국세라믹기술원
Priority date: 2011-03-16
Filing date: 2011-03-16
Publication date: 2012-11-28
Also published as: KR20120105749A

Abstract

본 발명에 의한 메탈 PCB의 제조방법은 기판과 절연층 및 동박이 순차적으로 배치된 메탈 PCB의 제조방법에 있어서, 상기 기판 또는 동박 상에 필러와 분산제 및 에폭시 수지를 포함하는 조성의 코팅막을 형성하는 단계와, 상기 코팅막의 상부에 에폭시 수지를 코팅하여 함침하는 단계와, 상기 함침된 코팅막을 열처리하여 경화함으로써 상기 절연층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

메탈 ＰＣＢ의 제조방법 및 이에 의한 메탈 ＰＣＢ{MANUFACTURING METHOD OF METAL PCB AND METAL PCB THEREOF}

본 발명은 메탈 PCB의 제조방법에 관한 것으로, 특히 방열성이 크게 개선된 메탈 PCB의 제조방법에 관한 것이다. 그리고, 본 발명은 상기 제조방법에 의한 메탈 PCB에 관한 것이다.

최근 고속신호 동시처리, 대용량 영상정보 송수신, 칩셋 소형화 등으로 인하여, 칩 레벨 패키지에서 동작중 발생하는 고밀도의 열 유속(heat flux)을 외부로 신속히 방열하는 소재 및 패키지 기술의 확보가 제품의 신뢰성을 결정하는 중요한 요소로 인식되고 있다. 특히, 반도체 칩 산업계에서는 이러한 단위 면적당 발생하는 열 유속밀도(heat flux density)가 선폭 감소를 통한 수율 확대를 위한 칩의 소형화로 인하여 2018년에는 최대 200W/cm²까지 증가할 것으로 예측한다.

일반적으로 파워 LED(Light Emitting Diode)나 소형 패키지에서 발생한 열은 기판을 통해 방열판에서 공기 중으로 방열된다. 종래에는 소형 반도체 패키지나 LED 칩을 탑재한 기판은 출력이 작았기 때문에 에폭시 기판과 같은 수지계 기판이 사용되어 왔으나, 인버터, 통신용 전원, 조명, 전장 및 TV BLU(Back Light Unit) 등의 용도로 사용되는 파워 LED 칩의 경우에는 발광효율이 20~30%로 낮고 또한 칩 사이즈가 작기 때문에 전체 소비전력이 낮음에도 단위 면적당 발열량이 매우 크다. 이에 따라, 소형 패키지를 탑재하는 기판에는 고방열성이 불가피해짐에 따라 방열적으로 우수한 메탈 베이스 기판을 적용한다.

이렇게 소자의 성능 및 수명에 큰 영향을 미칠 수 있는 제품을 설계함에 있어 고방열 기판은 중요한 기본 전자부품으로 되고 있으며, 특히 차세대 반도체 실장 패키지 및 고출력 LED 패키지에 있어서 열에 의한 능동소자의 효율저하 및 열응력(thermal stress)에 따른 패키지 신뢰성의 감소는 기술적 해결이 시급하다.

상기 고방열 기판용으로 종래 방열소재로 적용되고 있는 것이 메탈 PCB(metal PCB)이다. 이러한 메탈 PCB는 열전도도가 우수한 Al 메탈에 에폭시 수지와 세라믹스 필러를 혼합한 절연층을 코팅하고 회로 형성이 가능한 동박(Cu foil)을 접착한 것이다.

그러나, 이러한 메탈 PCB는 최근의 LED TV용 BLU 용도로서 균일성과 방열성의 확보에서는 한계를 보인다. 종래의 기술은 열전도도가 우수한 세라믹스 필러(filler)로서 Al₂O₃를 사용하고 이들을 최대한 높은 분율로 혼합하여 열전도도를 더 높이기 위한 방향과, 가격은 높지만 열전도도가 우수한 필러로서 AlN이나 BeO를 사용하는 방향으로 양분되어 진행되었다. 또한, 매트릭스를 형성하는 에폭시 수지의 열전도도가 매우 낮아 이를 향상하기 위한 접근 역시 매우 중요한 한 부분이었으나, 결국 수지의 열전도도를 높이는 것은 한계가 있다.

결론적으로 현재까지 상업화를 위한 주된 개발 방향은 Al₂O₃ 필러를 좀더 잘 분산하여 많이 충전할 수 있는지의 문제로 귀결된다. 특히, 이 과정에서 과다한 필러의 혼합은 절연층의 균일성을 현저히 저하시킨다.

이에, 본 발명은 메탈 PCB의 절연층에 있어서 필러의 충전밀도가 증가하여 균일하고 충전율이 높으며 필러 입자들 간에 접촉점이 최대화됨으로써 방열성이 개선되어 열전도도가 향상되는 메탈 PCB의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 관점에 의한 메탈 PCB의 제조방법은 기판과 상기 기판상에 순차적으로 상방 배치된 절연층 및 동박을 포함하는 메탈 PCB의 제조방법에 있어서, 상기 기판 또는 동박 상에 필러와 분산제 및 에폭시 수지를 포함하는 조성의 코팅막을 형성하는 단계와, 상기 코팅막의 상부에 에폭시 수지를 코팅하여 함침하는 단계와, 상기 함침된 코팅막을 열처리하여 경화함으로써 상기 절연층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 일 관점에 의한 메탈 PCB의 제조방법은 기판과 상기 기판상에 순차적으로 상방 배치된 절연층 및 동박을 포함하는 메탈 PCB의 제조방법에 있어서, 상기 기판 및 동박 상에 각각 필러와 분산제 및 에폭시 수지를 포함하는 조성의 코팅막을 형성하고 상기 코팅막의 상부에 에폭시 수지를 코팅하여 함침한 후 이를 열처리하여 경화함으로써 상기 기판상에는 제1절연층을, 상기 동박상에는 제2절연층을 각각 형성하는 단계와, 상기 제1절연층이 상부에 형성된 기판과 상기 제2절연층이 상부에 형성된 동박을 상기 제1 및 제2 절연층이 상호 대향하도록 배치하고 상기 제1 및 제2 절연층 간에 B-stage 에폭시 층을 삽입한 후, 가열 및 가압하여 부착함으로써 상기 절연층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 일 관점에 의한 메탈 PCB의 제조방법은 전술한 메탈 PCB의 제조방법에서 B-stage 에폭시 층의 삽입을 배제하고, 기판과 상기 기판상에 순차적으로 상방 배치된 절연층 및 동박을 포함하는 메탈 PCB의 제조방법에 있어서, 상기 기판 및 동박 상에 각각 필러와 분산제 및 에폭시 수지를 포함하는 조성의 코팅막을 형성하고 상기 코팅막의 상부에 에폭시 수지를 코팅하여 함침한 후 이를 열처리하여 경화함으로써 상기 기판상에는 제1절연층을, 상기 동박상에는 제2절연층을 각각 형성하는 단계와, 상기 제1절연층이 상부에 형성된 기판과 상기 제2절연층이 상부에 형성된 동박을 상기 제1 및 제2 절연층이 상호 대향하도록 배치하고 가열 및 가압하여 압착 경화함으로써 상기 절연층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명에서는 전술한 모든 메탈 PCB의 제조방법에 있어서 상기 단계들을 반복 수행함으로써 절연층의 두께를 증가시킬 수 있다.

본 발명의 제조방법에 의하면, 메탈 PCB의 절연층에 있어서 필러의 충전밀도가 증가하여 균일하고 충전율이 높으며 필러 입자들 간에 접촉점이 최대화됨으로써 메탈 PCB의 방열성이 개선되어 열전도도가 향상된다.

도 1a~1c는 본 발명의 일 구현예에 의한 메탈 PCB의 제조방법을 설명하기 위한 개략도.
도 2a~2c는 본 발명의 다른 일 구현예에서 동박 상에 절연층을 형성하는 제조방법을 설명하기 위한 개략도.
도 3a~3b는 본 발명의 다른 일 구현예에서 도 2a~2c에 연이어 각각 절연층이 형성된 기판 및 동박을 압착하는 공정을 설명하기 위한 개략도.
도 4a~4b는 본 발명의 다른 일 구현예에서 도 2a~2c에 도시한 공정에 따라 에폭시 수지가 함침된 절연층의 전자현미경 사진.
도 5는 본 발명의 다른 일 구현예에서 도 2a~2c에 도시한 공정을 반복수행하여 두께를 20㎛ 정도로 증가시킨 절연층의 전자현미경 사진

본 발명자들은 전술한 메탈 PCB의 방열성 개선을 위해 열전도도를 높이기 위해서는 열전도도가 높은 필러의 충전밀도(packing density)가 개선되어야 하고 또한 필러 입자들 간에 접촉점이 최대화되어야 한다는 사실에 주목하였다.

본 발명의 일 구현예에 의하면, 이러한 필러의 충전밀도 개선은 필러에 소정량의 분산제 및 에폭시를 첨가함으로써 달성된다. 본 구현예를 도 1a~1c를 참조하며 이하 설명하며, 도 1a~1c는 본 구현예에 의한 메탈 PCB의 제조방법을 설명하기 위한 도면이다.

먼저, 세라믹스 필러에 0.1~3wt%의 분산제와 10vol% 이하의 에폭시를 첨가한 코팅막(12)을 기판(10) 상에 형성한다(도 1a). 이렇게 소량의 에폭시를 첨가함으로써 상기 코팅막의 건조시 최소한의 강도가 유지될 수 있다. 또한, 상기 세라믹스 필러는 Al₂O₃, AlN, BeO 등 열전도도가 우수한 세라믹스로 될 수 있고 또한 이에 부가하여 연전도도가 우수한 금속인 Ag, Au, Cu 및 Al과 그래파이트(graphite) 중의 하나 이상을 더 포함할 수 있다. 기판(10)은 Al, Cu, Ag, Au 등 열전도도가 높은 공지된 모든 재질로 될 수 있으며, 비용을 고려하여 Al로 됨이 바람직하다.

그리고, 상기 코팅막(12)의 상부에 액상의 에폭시 수지(14)를 코팅하여 함침한다(도 1b). 이때, 세라믹스 필러의 충전율은 대략 45~65vol%이므로, 상기 에폭시 수지의 함량은 형성되는 절연층(16)의 전체대비 40~60vol%로 되도록 함침된다. 또한, 상기 에폭시 수지(14)는 비스페놀(bisphenol)계, 노볼락(novolac)계 및 메소겐(mesogen)계 중의 하나 이상이 사용될 수 있고, 이에 상기 사용되는 에폭시 종류에 따른 경화제가 혼합되고 이에 경화촉진제가 부가될 수 있다.

그리고, 상기 코팅막(12) 내부로 에폭시가 완전히 함침되도록 열처리(curing) 하여 절연층(16)을 형성함으로써 상기 에폭시가 유동에 의하여 상기 기판(10)과 필러층의 경계면까지 이동하여 충분한 막강도와 접착강도를 이루도록 한다(도 1c). 상기 열처리 온도는 상기 사용된 에폭시 조성에 적합하다고 해당 분야에 공지된 여러 온도로 될 수 있고, 또한 이는 사용된 경화제 량에 따라 가변될 수 있다.

또한, 이상과 같은 절연층 형성공정(도 1a~1c)은 원하는 두께를 얻을 때까지 반복하여 수행될 수 있다.

그리고, 상기 형성된 절연층(16)의 상부에 공지된 동박(Cu foil: 미도시)을 공지된 방법으로 접착함으로써 메탈 PCB를 제조한다(미도시).

전술한 본 발명의 일 구현예에서는 Al 등의 기판(10) 상에 필러의 충전밀도가 개선되고 필러 입자들 간에 접촉점이 최대화된 절연층(16)을 형성하는 제조방법을 기술하였지만, 본 발명의 다른 일 구현예에서는 전술한 구현예로부터 Al 등의 기판(10) 상에 절연층을 형성하고, 이와 마찬가지로 상기 동박 상에도 절연층을 형성한 후, 이들 절연층 간에 소정의 B-stage 상태의 에폭시 층을 삽입하고 가열 및 가압하여 필러의 충전밀도와 필러 입자들 간에 접촉점을 극대화한다. 이하, 본 발명의 다른 일 구현예를 설명한다. 도 2a~2c는 본 구현예에서 동박 상에 절연층을 형성하는 제조방법을 도시하며, 물론 전술한 구현예에서 상기 Al 등의 기판을 제외한 나머지 기술구성들은 모두 동일하다. 그리고, 도 3a~3b는 본 구현예에서 각각 절연층이 형성된 기판 및 동박을 압착하는 공정을 도시한다.

먼저, 전술한 일 구현예에 따라 Al 등의 기판(10) 상에 절연층(16)을 형성한다(도 1a~1c).

그리고, 동박 상에 전술한 공정으로 절연층(26)을 형성하며 이를 간단히 설명하면 다음과 같다:

- 세라믹스 필러에 0.1~3wt%의 분산제와 10wol% 이하의 에폭시를 첨가한 코팅막(22)을 동박(20) 상에 형성한다(도 2a).

- 그리고, 상기 코팅막(22)의 상부에 액상의 에폭시 수지(24)를 코팅하여 함침한다(도 2b).

- 그리고, 상기 코팅막(22) 내부로 에폭시가 완전히 함침되도록 열처리하여 절연층(26)을 형성함으로써 상기 에폭시가 유동에 의하여 상기 동박(20)과 필러층의 경계면까지 이동하여 충분한 막강도와 접착강도를 이루도록 한다(도 2c). 또한 이러한 절연층 형성공정(도 2a~2c)은 원하는 두께를 얻을 때까지 반복하여 수행될 수 있다.

그리고, 상기와 같이 절연층(16, 26)이 각각 상부에 형성된 기판(10)과 동박(20)을 상호 대향하도록 하고, 이들 절연층(16, 26) 간에 B-stage 상태의 에폭시 층(34)을 개입시킨다(도 3a). 이러한 B-stage는 수지의 상태를 구분하는 공지된 단계로서, 수지가 축합반응에 의해 저분자량을 가지면서 완전히 용해되는 A-stage와 가교가 이루어져 완전히 경화되는 C-stage의 중간단계를 가리킨다. 예를 들어, 이러한 B-stage 상태의 에폭시층(34)은 공지된 방법으로서 액상의 에폭시 수지를 이형제가 코팅된 캐리어 필러 상에 테이프 캐스팅하여 코팅함으로써 제조될 수 있다. 이때, 에폭시층(34)의 두께는 추후 형성되는 절연층(36)의 전체대비 40~60vol%로 되도록 제어됨이 바람직하다.

그리고, 상기 대향된 절연층(16, 26)이 각각 상부에 형성된 기판(10) 및 동박(20)과 이들 절연층(16, 26) 간에 개입된 B-stage 상태의 에폭시 층을 가열 및 가압하여 부착함으로써 절연층(36)을 형성한다(도 3b). 이러한 가열온도는 상기 사용된 에폭시 조성에 적합하다고 해당 분야에 공지된 여러 온도로 될 수 있고, 또한 이는 사용된 경화제 량에 따라 가변될 수 있다. 또한, 상기 가압을 위한 압력은 10~60㎏f/㎠으로 될 수 있다.

도 4a 및 도 4b는 도 2a~2c에 도시한 공정에 따라 에폭시 수지가 함침된 절연층(26)의 전자현미경 사진으로서, 도 4a는 그 표면사진이고 도 4b는 그 단면사진이다. 도 4a 및 도 4b를 참조하면, 필러 입자들이 마치 수지가 존재하지 않는 것처럼 균일하게 잘 충전되어 있으며 이들 필러 입자 간에 수지가 함침되어 있는 것이 관찰된다.

또한, 본 발명의 일 실시예로서, 열전도도를 측정하기 위하여 도 2a~2c에 도시한 공정을 반복수행하여 절연층을 0.5㎜ 이상의 두께로 형성하였으며, 이때의 열전도도는 대략 12W/mK로 측정되었다. 또한, 본 발명에 있어서 절연층의 두께는 이와 같은 공정의 반복수행에 의하여 1㎛~3㎜ 범위에서 제조될 수 있다.

또한, 다른 일 실시예로서 실제 사용되는 절연층의 두께범위인 100~200㎛에서는 대략 6W/mK~14W/mK의 열전도도값을 가졌다.

도 5는 도 2a~2c에 도시한 공정을 반복수행하여 두께를 20㎛ 정도로 증가시킨 절연층(26)의 전자현미경 사진이다. 도 5를 참조하면, 각각 형성된 절연층 및 동박층은 서로 분리되지 않았고 특히 절연층은 균일하고 충전율이 높으며 입자들 간의 접촉점이 상당히 많음이 관찰된다.

이상, 상술된 본 발명의 구현예 및 실시예에 있어서, 조성분말의 평균입도, 분포 및 비표면적과 같은 분말특성과, 원료의 순도, 불순물 첨가량 및 소결 조건에 따라 통상적인 오차범위 내에서 다소 변동이 있을 수 있음은 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 지극히 당연하다.

아울러 본 발명의 바람직한 구현예 및 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이며, 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가 등이 가능할 것이고, 이러한 수정, 변경, 부가 등은 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 한다. 일 예로서, 본 발명에서 요망되는 절연층의 두께가 얇은 경우, 별도의 B-stage 에폭시 층(34)을 개입하지 아니하고 바로 절연층(16, 26)이 각각 상부에 형성된 기판(10)과 동박(20)을 상호 대향하여 가열 및 가압하여 부착함으로써 절연층(36)을 형성할 수도 있다. 또한, 다른 일 예로서, 본 발명에서의 기판(10) 하면에는 절연층(16, 26, 36)으로부터 전달된 열을 방출하는 해당 분야에서 공지된 방열판(heat sink: 미도시)이 부착되어 방열기능을 배가할 수도 있다.

10: 기판, 20: 동박
12, 22: 세라믹스 필러 14, 24: 에폭시 수지층
34: B-stage 에폭시 수지층 16, 26, 36: 절연층

Claims

기판과 상기 기판상에 순차적으로 상방 배치된 절연층 및 동박을 포함하는 메탈 PCB의 제조방법에 있어서,
상기 기판 또는 동박 상에 필러와 분산제 및 에폭시 수지를 포함하는 조성의 코팅막을 형성하는 단계와;
상기 코팅막의 상부에 에폭시 수지를 코팅하여 함침하는 단계와;
상기 함침된 코팅막을 열처리하여 경화함으로써 상기 절연층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 메탈 PCB의 제조방법.
기판과 상기 기판상에 순차적으로 상방 배치된 절연층 및 동박을 포함하는 메탈 PCB의 제조방법에 있어서,
상기 기판 및 동박 상에 각각 필러와 분산제 및 에폭시 수지를 포함하는 조성의 코팅막을 형성하고 상기 코팅막의 상부에 에폭시 수지를 코팅하여 함침한 후 이를 열처리하여 경화함으로써 상기 기판상에는 제1절연층을, 상기 동박상에는 제2절연층을 각각 형성하는 단계와;
상기 제1절연층이 상부에 형성된 기판과 상기 제2절연층이 상부에 형성된 동박을 상기 제1 및 제2 절연층이 상호 대향하도록 배치하고 상기 제1 및 제2 절연층 간에 B-stage 에폭시 층을 삽입한 후, 가열 및 가압하여 부착함으로써 상기 절연층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 메탈 PCB의 제조방법.
기판과 상기 기판상에 순차적으로 상방 배치된 절연층 및 동박을 포함하는 메탈 PCB의 제조방법에 있어서,
상기 기판 및 동박 상에 각각 필러와 분산제 및 에폭시 수지를 포함하는 조성의 코팅막을 형성하고 상기 코팅막의 상부에 에폭시 수지를 코팅하여 함침한 후 이를 열처리하여 경화함으로써 상기 기판상에는 제1절연층을, 상기 동박상에는 제2절연층을 각각 형성하는 단계와;
상기 제1절연층이 상부에 형성된 기판과 상기 제2절연층이 상부에 형성된 동박을 상기 제1 및 제2 절연층이 상호 대향하도록 배치하고 가열 및 가압하여 압착 경화함으로써 상기 절연층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 메탈 PCB의 제조방법.
제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서,
상기 코팅막 조성에 포함되는 분산제의 함량은 0.1~3wt%인 것을 특징으로 하는 메탈 PCB의 제조방법.
제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서,
상기 코팅막 조성에 포함되는 에폭시 수지의 함량은 10vol% 이하인 것을 특징으로 하는 메탈 PCB의 제조방법.
제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서,
상기 함침되는 에폭시 수지의 함량은 상기 절연층의 전체대비 40~60vol%로 되는 것을 특징으로 하는 메탈 PCB의 제조방법.
제2항 또는 제3항에 있어서,
상기 가압을 위한 압력은 10~60㎏f/㎠으로 되는 것을 특징으로 하는 메탈 PCB의 제조방법.
제2항에 있어서,
상기 삽입되는 B-stage 에폭시 층의 두께는 상기 절연층의 전체대비 40~60vol%로 되는 것을 특징으로 하는 메탈 PCB의 제조방법.
제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서,
상기 필러는 Al₂O₃, AlN 및 BeO 중의 하나 이상으로 되는 것을 특징으로 하는 메탈 PCB의 제조방법.
제9항에 있어서,
상기 필러는 Ag, Au, Cu, Al 및 그래파이트 중의 하나 이상을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 메탈 PCB의 제조방법.
제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서,
상기 기판은 Al, Cu, Ag 및 Au 중의 하나 이상으로 되는 것을 특징으로 하는 메탈 PCB의 제조방법.
제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서,
상기 필러의 충전율은 45~65vol%로 되는 것을 특징으로 하는 메탈 PCB의 제조방법.
제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서,
상기 에폭시 수지는 비스페놀(bisphenol)계, 노볼락(novolac)계 및 메소겐(mesogen)계 중의 하나 이상으로 되는 것을 특징으로 하는 메탈 PCB의 제조방법.
제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서,
상기 코팅막 조성은 경화제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 메탈 PCB의 제조방법.
제13항에 있어서,
상기 코팅막 조성은 경화촉진제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 메탈 PCB의 제조방법.
제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서,
상기 단계들을 반복 수행함으로써 절연층의 두께를 증가시키는 것을 특징으로 하는 메탈 PCB의 제조방법.
제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서,
상기 절연층의 두께는 1㎛~3㎜인 것을 특징으로 하는 메탈 PCB의 제조방법.
기판과 상기 기판상에 순차적으로 상방 배치된 절연층 및 동박을 포함하는 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 의한 메탈 PCB.
제18항에 있어서,
상기 기판의 배면에 부착된 방열판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 메탈 PCB.