KR101306831B1 - 인쇄 회로 기판 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 인쇄 회로 기판은 모재, 모재 상에 형성된 절연층, 절연층 상에 형성된 배선패턴을 포함하고, 절연층은 필러의 표면에 코팅막이 코팅된 열전도성 필러와 열경화성 수지를 혼합한 혼합물을 이용하여 형성된다.
따라서, 본 발명의 실시예들에 의하면 종래에 비하여 절연층을 얇게 형성하여 열저항은 줄이고, 열전도도 및 열방출 능력이 향상된다. 이에, 실시예들에 따른 인쇄 회로 기판을 높은 사용 온도를 요구하는 고휘도 LED 및 고출력 조명기구 등에 적용할 수 있다. 또한, 절연층의 얇은 두께로 인해 발생할 수 있는 전압파괴 전압 감소 현상을 방지하고, 모재와 절연층 사이의 접착력을 향상시킬 수 있다.

Description

인쇄 회로 기판 및 그 제조 방법{Printed circuit board and method of manufacturing the same}
본 발명은 인쇄 회로 기판 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 열방출 능력 및 전압파괴 전압을 향상시킨 인쇄 회로 기판 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
오디오 파워 모듈, PDP용 파워모듈, 모터 컨트롤러, LED 조명, LED 백라이트 유닛(light emitting diode back light unit LED BLU), 열전재료, 고출력 반도체 소자는 동작 중에 고열을 발생시키는 전자 부품으로써, 효과적인 방열구조를 채택하지 않으면 제품의 신뢰성에 문제가 발생된다. 이때, 상기와 같은 전자부품들은 인쇄 회로 기판(Printed Ciruit Board: PCB)에 탑재되는데, 효과적인 방열을 위하여 상기 인쇄 회로 기판의 열방출 능력이 가장 중요한 해결 과제로 대두되고 있다.
일반적인, FR-4(Flame retardant) 인쇄 회로 기판은 모재, 모재 상부에 형성된 절연층 및 절연층 상부에 형성된 구리 배선층을 포함한다. 여기서 절연층은 옷감을 짜듯이 씨줄과 나줄로 교차하여 만든 유리섬유에 에폭시를 함침하여 제작한다. 이러한 절연층은 75㎛ 내지 200㎛ 두께의 시트 형태로 형성된다. 그리고 절연층 상에 구리 박막을 형성한 후, 구리 배선패턴을 형성한다. 이때, 절연층에 사용되는 유리섬유와 에폭시의 열전도율이 0.25 W/mK 내외로 매우 낮기 때문에, LED 및 고출력 반도체 소자용 인쇄 회로 기판으로 사용하기에는 부적절하다. 이를 해결하기 위해 절연층의 두께를 줄이면, 열저항을 감소시킬 수는 있으나, 인쇄 회로 기판에서 요구하는 절연파괴 전압이 떨어지는 문제가 발생된다. 이에, 절연층의 두께를 줄이는데 한계가 있다. 또한, 에폭시 수지의 유전율이 낮기 때문에, 충분한 절연성을 얻기 위해서는 절연층의 두께를 두껍게 해야 한다. 하지만, 절연층의 두께가 두꺼워지면 열저항이 급격하게 증가하게 된다.
또한 금속 인쇄 회로 기판은 상기에서 전술한 FR-4 인쇄 회로 기판과 동일한 구조를 가지나, 모재로 알루미늄과 구리 금속 플레이트를 사용하고, 절연층은 에폭시 수지에 세라믹 열전도성 필러를 첨가하여 사용한다. 이때, 전술한 바와 같이 에폭시 수지가 매우 낮은 열전도율을 가지므로 이를 개선하기 위하여 에폭시 수지에 비해 상대적으로 열전도율이 우수한 세라믹 열전도성 필러를 약 30% 내지 80% 첨가하여 절연층을 형성한다. 이때, 세리믹 열전도성 필러로 Al2O3 , AlN 및 BN 등과 같은 재료를 이용한다. 그러나 이와 같은 세라믹 필러를 함유한 절연층은 2W/mK 내외의 낮은 열전도율 특성을 가지고 있다. 이를 해결하기 위해 세라믹 열전도성 필러의 함량을 증가시키면, 절연층이 깨지기 쉬운 경질층으로 되며, 이에 상기 절연층과 금속 패턴 사이의 접착력이 떨어진다. 따라서, 절연층으로부터 배선패턴이 박리되거나, 상기 절연층이 들뜨는 문제가 발생된다. 또한, 금속 회로 기판 제조를 위한 후속 드릴링이나, 라우팅, 금형 타발 공정을 진행하는데 문제가 있다.
한편, 한국공개특허 제2000-0055033호에는 금속보드의 일면에 동박필름을 절연접착제로 접착하여 동박으로된 회로층을 형성함과 동시에 금속으로 된 베이스층을 갖도록 메탈 싱글사이드보드를 형성하는 단계와, 접속용 홀에 충진되도록 절연접착제를 도포함과 동시에 동박필름을 타면에 접착시킴으로써 금속보드의 앙면에 동박으로 된 회로층을 갖는 메탈 더블사이드보드를 형성하는 단계와, 더블사이드보드에 화학 동도금처리와 부식처리 및 전기 동도금처리를 하여 상기 접속용 홀에 동코팅층을 형성하고, 상기 메탈 더블사이드보드 양면에 인쇄패턴을 형성하는 패턴형성단계와, 메탈 더블사이드보드에 인쇄패턴을 형성한 후, 핫프레스기를 이용하여 적층물을 진공압착시키는 단계로 제조되는 금속인쇄 회로기판의 제조방법이 개시되어 있다.
한국공개특허 제2000-0055033호
본 발명의 일 기술적 과제는 열방출 능력 및 전압파괴 전압을 향상시킨 인쇄 회로 기판 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 일 기술적 과제는 필러 표면에 열전도도가 높은 코팅막을 코팅한 열전도성 필러와 열경화성 에폭시를 혼합한 혼합물을 이용하여, 얇은 두께의 절연층을 형성하는 인쇄 회로 기판 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명에 따른 인쇄 회로 기판은 모재, 상기 모재 상에 형성된 절연층, 상기 절연층 상에 형성된 전도성의 배선패턴을 포함하고, 상기 절연층은 필러의 표면에 코팅막이 코팅된 열전도성 필러와 열경화성 수지를 혼합한 혼합물을 이용하여 형성된다.
상기 절연층은 10㎛ 내지 120㎛ 두께로 형성한다.
상기 혼합물에 열전도성 필러가 30 중량% 내지 80 중량% 포함된다.
상기 필러로 세라믹 분말을 사용한다.
상기 세라믹 분말로 Al2O3, AlN 및 BN 중 적어도 어느 하나를 사용한다.
상기 코팅막은 결정성 에폭시 및 폴리머 중 적어도 어느 하나의 재료를 이용하여 형성한다.
상기 폴리머로 폴리페닐렌 설파이드(PPS), 액정 고분자(LCP), 폴리아마이드(PA), 신디어텍틱 폴리스티렌(sPS), 폴리에테르에테르케톤(Polyetheretherketones, PEEK), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(Polyethylene terephthalate, PET), 폴리부틸렌 테레프탈레이트(Polybutylene terephthalate, PBT), 폴리옥시메틸렌(Polyoxymethylene, POM), 폴리프로필렌(Polypropylene, PP), 폴리에틸렌 (Polyethylene, PE) 또는 이들의 혼합물 중 적어도 하나를 사용한다.
상기 열경화성 에폭시로 비스페놀 수지, 비스말레이드 수지 및 에폭시 노즐락 수지 중 적어도 어느 하나를 사용한다.
본 발명에 따른 인쇄 회로 기판의 제조 방법은 모재를 준비하는 과정, 상기 모재의 상부에 절연층을 형성하는 과정, 상기 절연층 상부에 전도성의 배선패턴을 형성하는 과정을 포함하고, 상기 절연층은 표면에 열전도성 코팅막이 코팅된 필러와 열경화성 수지를 혼합한 혼합물을 이용하여 형성된다.
상기 모재 상부에 절연층을 형성하는 과정에 있어서,
상기 배선패턴을 형성하기 위한 박판을 마련하고, 상기 박판 상에 상기 혼합물을 도포하여 절연층을 형성하고, 상기 박판 상에 형성된 절연층과 모재를 상호 접합시킨다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예들에 의하면, 필러 표면에 열전도도가 높은 코팅막을 코팅한 열전도성 필러와 열경화성 에폭시를 혼합한 혼합물을 이용하여, 모재와 배선패턴 사이에 절연층을 형성한다. 이때, 전술한 바와 같이 필러 표면에 코팅막을 형성하여 열전도성 필러를 제조함으로써, 상기 열전도성 필러의 직경이 커진다. 이에, 열전도성 필러와 열전도성 필러 사이에 접촉되는 접촉 면적이 커짐에 따라, 상기 열전도성 필러를 통해 열이 용이하게 전달되어, 절연층의 열전도도가 향상된다. 또한, 필러에 비해 열전도도가 높은 코팅막을 상기 필러 표면에 형성함으로써, 종래와 같이 코팅막을 코팅하지 않을 때에 비하여 열전도도를 향상시킬 수 있다. 이와 같은 절연층의 높은 열전도도로 인해, 상기 절연층을 이용하는 인쇄 회로 기판의 열방출 능력이 향상된다. 따라서, 실시예들에 따른 인쇄 회로 기판을 높은 사용 온도를 요구하는 고휘도 LED 및 고출력 조명기구 등에 적용할 수 있다.
또한, 실시예들에 따른 열전도성 필러를 이용하여 절연층을 형성함으로써, 상기 절연층을 얇게 형성할 수 있다. 이에, 모재와 절연층 사이의 접착력을 향상시킬 수 있다. 또한, 실시예들에 따른 열전도성 필러를 이용하여 절연층을 형성함으로써, 얇은 두께로 절연층을 형성하더라도 전압파괴 전압이 감소하는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 인쇄 회로 기판을 도시한 단면도
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 절연층을 형성하기 위한 혼합물을 확대 도시한 도면
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 인쇄 회로 기판을 확대 촬영한 사진
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 인쇄 회로 기판에 LED 칩을 실장한 LED 모듈을 도시한 단면도
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 인쇄 회로 기판을 도시한 단면도이다. 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 절연층을 형성하기 위한 혼합물을 확대 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 인쇄 회로 기판은 모재(110), 모재(110) 상부에 형성된 절연층(120) 및 절연층(120) 상부에서 상호 이격 형성된 배선패턴(130)을 포함한다.
모재(110)는 인쇄 회로 기판 내부에서 발생되는 열이 외부로 용이하게 방출되도록 발열성이 높은 금속을 사용한다. 실시예에서는 모재(110)로 알루미늄(Al), 을 이용한다. 물론 이에 한정되지 않고 다양한 재료 예컨데 구리(Cu)를 사용할 수 있다.
절연층(120)은 모재(110) 상부 즉, 모재(110)와 배선패턴(130) 사이에 형성된다. 이러한 절연층(120)을 형성하기 위한 혼합물(121)은 도 2에 도시된 바와 같이 열경화성 에폭시(121a) 및 열전도성 필러(121b)를 포함한다. 이때, 열전도성 필러(121b)가 전체의 30 중량% 내지 80 중량% 포함되도록 혼합물(121)을 제조하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 열전도성 필러(121b)가 30 중량% 미만인 경우 절연층(120)의 열전도도가 떨어져, 열방출 성능이 저하되는 문제가 발생될 수 있다. 또한 세라믹 열전도성 필러(121b)가 80 중량%를 초과하는 경우 절연층(120)이 깨지기 쉬운 경질층이 되기 때문에, 배선패턴(130)이 박리되거나 상기 절연층(120)이 들뜨는 문제가 발생될 수 있다. 그리고 열경화성 에폭시(121a)는 비스페놀 수지, 비스말레이드 수지, 에폭시 노블락 수지 또는 이들의 혼합물을 사용한다.
절연층(120)을 형성하는 열전도성 필러(121b)는 0.1㎛ 내지 10㎛ 직경을 가지는 필러(122b-1)와, 상기 필러(122b-1) 표면에 코팅된 코팅막(122b-2)으로 구성된다. 실시예에서는 필러(122b-1)로 Al2O3 분말을 이용하나, 상기 Al2O3 분말 이외에 다양한 재료의 세라믹 분말을 필러(122b-1)로 사용할 수 있다. 예를 들어, BN, AlN 등의 세라믹 분말을 필러(122b-1)로 사용할 수 있다. 실시예에서는 도 2에 도시된 바와 같이 구(또는 볼(ball)) 형상의 필러(122b-1)를 예를 들어 설명하였으나, 이에 한정되지 않고 다양한 형상 분말을 필러(122b-1)로 사용할 수 있다. 그리고 절연층(120)의 열전도율을 높이기 위하여 상기와 같은 필러(122b-1)의 표면에 열전도성이 높은 재료를 이용하여 코팅막(122b-2)을 형성한다. 실시예에 따른 코팅막(122b-2)은 열전도도가 높은 결정성 에폭시 및 폴리머 중 어느 하나를 이용하여 형성한다. 실시예에서는 결정성 에폭시로 비스페놀F 계열의 디글리시딜 에테르, 황화디아릴(diaryl sulfide) 계열의 디글리시딜 에테르 및 하이드로퀴논 계열의 디글리시딜 에테르 중 어느 하나를 사용한다. 그리고 폴리머로는 폴리페닐렌 설파이드(PPS), 액정 고분자(LCP), 폴리아마이드(PA), 신디어텍틱 폴리스티렌(sPS), 폴리에테르에테르케톤(Polyetheretherketones, PEEK), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(Polyethylene terephthalate, PET), 폴리부틸렌 테레프탈레이트(Polybutylene terephthalate, PBT), 폴리옥시메틸렌(Polyoxymethylene, POM), 폴리프로필렌(Polypropylene, PP), 폴리에틸렌 (Polyethylene, PE) 또는 이들의 혼합물 중 어느 하나를 사용한다. 이러한 열경화성 에폭시(121a)와 열전도성 필러(121b)를 혼합하여 혼합물(121)을 제조하고, 이를 모재(110) 상부에 도포하여 절연층(120)을 형성한다. 이때 혼합물(121)을 롤코팅, 스크린 프린팅 및 스프레이 코팅 방법으로 모재(110) 상에 도포하여, 절연층(120)을 형성할 수 있다. 물론 이에 한정되지 않고 상기 혼합물(121)을 모재(110) 상부에 도포할 수 있는 어떠한 방법이 사용되어도 무방하다. 이때 절연층(120)은 10㎛ 내지 120㎛, 바람직하게는 20㎛ 내지 50㎛가 되도록 형성한다.
배선패턴(130)은 절연층(120) 상부에 형성되며, 실시예에서는 Cu를 이용하여 배선패턴(130)을 형성한다. 즉, 도시되지는 않았지만, 열 압착 공정을 이용하여 절연층(120) 상에 Cu로 이루어진 박판을 부착하고, 인쇄 회로 기판 공정을 통해 배선 패턴(130)을 형성한다.
이와 같이 실시예에서는 필러(122b-1) 표면에 열전도도가 높은 코팅막(122b-2)을 형성하여 열전도성 필러(121b)를 제조하고, 이를 열경화성 에폭시 (121a)와 혼합하여 혼합물(121)을 제조한다. 그리고 상기와 같은 혼합물(121)을 이용하여 절연층(120)을 형성한다. 이때, 전술한 바와 같이 필러(122b-1) 표면에 코팅막(122b-2)을 형성함으로써, 열전도성 필러(121b)와 열전도성 필러(121b) 사이에 접촉되는 접촉 면적이 증가한다. 이에, 열전도성 필러(121b)를 통해 열이 용이하게 전달됨에 따라, 열전도도가 향상된다. 또한, 필러(122b-1)에 비해 열전도도가 높은 코팅막(122b-2)을 상기 필러(122b-1) 표면에 형성함으로써, 절연층(120)의 열전도율을 향상시킬 수 있다. 그리고 실시예에서는 절연층(120)을 10㎛ 내지 120㎛ 바람직하게는 20㎛ 내지 50㎛의 두께로 얇게 형성함으로써, 열저항은 줄이고 열전도도는 향상된다. 또한, 절연파괴 전압이 감소하는 것을 방지하며, 모재(110)와의 접착성은 향상된다.
상기에서는 금속 플레이트를 모재(110)로 사용하는 인쇄 회로 기판을 예를 들어 설명하였으나, 이에 한정되지 않고 저열팽창성 W-Cu 또는 Al-SiC 등 다양한 재료를 모재(110)로 사용할 수 있다.
하기에서는 도 1 및 도 2를 참조하여, 실시예에 따른 인쇄 회로 기판을 제작하는 방법을 순서적으로 설명한다.
먼저, 필러(122b-1) 표면에 코팅막(122b-2)가 코팅된 열전도성 필러(121b)를 마련하고, 이를 열 경화성 에폭시(121a)와 혼합시킨 혼합물(121)을 제조한다. 이때, 실시예에서는 필러(122b-1)로 Al2O3로 이루어지며, 직경이 0.1㎛ 내지 10㎛인 세라믹 분말을 이용한다. 그리고 코팅막(122b-2)으로는 열전도도가 높은 결정성 에폭시 및 폴리머 중 어느 하나를 이용한다. 이와 같은 혼합물(121)이 제조되면, Cu 박판 상에 상기 혼합물(121)을 도포하여 절연층(120)을 형성한다. 이때, 절연층(120)은 10㎛ 내지 120㎛, 바람직하게는 20㎛ 내지 50㎛ 두께로 형성한다. 이후, 절연층(120)이 형성된 Cu 박판을 모재(110)에 접착하는데, 절연층(120)의 하부면이 모재(110)의 상부면에 부착되도록 접합시킨다. 이때 20torr 이하, 160℃ 이상의 온도, 20 내지 80 kgf/cm2의 압력 조건으로 진공 가압 접착 공정을 수행하여 절연층(120)을 모재(120) 상에 접착시킨다. 그리고, 인쇄 회로 기판 공정을 통해 박판의 일부를 제거하여, 배선패턴(130)을 형성한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 인쇄 회로 기판을 확대 촬영한 사진이다.
여기서, 실시예에 따른 인쇄 회로 기판은 필러(122b-1)의 표면에 코팅막(122b-2)이 형성된 열전도성 필러(121b)와 열경화성 에폭시(121a)를 혼합하여 절연층(120)을 형성한 인쇄 회로 기판이다. 도 3을 참조하면, 절연층(121a)의 두께가 28㎛인 것을 알 수 있으며, 이때, 제1 절연층(121a)의 열전도도는 4 내지 10w/mK이다. 즉, 본 실시예에 따른 절연층(121a)을 종래에 비하여 얇게 형성하면서 열전도도를 향상시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 인쇄 회로 기판에 LED 칩을 실장한 LED 모듈을 도시한 단면도이다.
도 4를 참조하면, LED 모듈은 실시예에 따른 인쇄 회로용 기판(100), 상기 인쇄 회로용 기판(100) 상에 형성된 LED 칩(200)을 포함한다. 또한, 인쇄 회료용 기판(100)의 배선패턴(130)과 LED 칩(200)을 연결하도록 와이어(W)가 연결된다.
이와 같이 LED 칩(200)을 인쇄 회로 기판(100)에 직접 실장하는 것을 통상적으로 COB (Chip On Board) 기술이라고 하며, 여기서 와이어(W) 본딩을 배선패턴(130) 위에 진행하기 위해서는 구리 배선 위에 금 와이어 본딩이 가능하도록 무전해/전기 도금방법으로 금 또는 은으로 표면처리를 해 주어야 한다. 이와 같은 COB 기술 이외에 와이어 대신에 LED 패키지를 납땜을 이용해 배선패턴에 전기적 연결시키는 방법이 있으며, 이에 대한 상세한 설명은 공지의 기술이므로 생략한다. 또한, 여기서 인쇄 회로용 기판(100)은 전술한 바와 같이 모재(110), 상기 모재(110) 상부에 형성된 절연층(120) 및 절연층(120) 상부에 형성된 배선패턴(130)을 포함한다. 절연층(120)은 필러(122b-1) 표면에 열전도도가 높은 코팅막(122b-2)이 코팅된 열전도성 필러(121b)와 열경화성 에폭시(121a)를 혼합한 혼합물을 배선패턴(130)을 형성하기 위한 Cu 박판 상에 도포하여 형성한다. 이때 절연층(120)의 두께는 10㎛ 내지 120㎛ 바람직하게는 20㎛ 내지 50㎛이다. 그리고 절연층(120)이 형성된 Cu 박판 상에 형성된 절연층(120)이 모재(110) 상부면에 접촉되도록 부착한 후, 상기 Cu 박판의 일부를 제거하느 배선패턴(130)을 형성한다. 이후, 배선패턴(130)이 형성되지 않은 절연층(120) 상부에 LED 칩(200)을 형성함으로써, LED 모듈을 제조한다.
이와 같이 실시예에서는 종래에 비하여 얇은 두께로 절연층(120)을 형성할 수 있게 됨으로써, 열저항을 줄이고, 열전도도를 향상시킬 수 있다. 이로 인해, 열방출 능력 및 전압파괴 전압을 향상시킬 수 있으며, 모재(110)와 절연층(120) 사이의 접착력을 향상시킬 수 있다. 또한, 열방출 능력을 향상됨에 따라, 실시예들에 따른 인쇄 회로 기판(100)을 높은 사용 온도를 요구하는 고휘도 LED 및 고출력 조명기구 등에 사용할 수 있다.
100: 인쇄 회로 기판 110: 모재
120: 절연층 130: 배선패턴
200: LED 칩

Claims (6)

  1. 모재;
    상기 모재 상에 형성된 절연층;
    상기 절연층 상에 형성된 전도성의 배선패턴을 포함하고,
    상기 절연층은 필러의 표면에 코팅막이 코팅된 열전도성 필러와 열경화성 수지를 혼합한 혼합물을 이용하여 형성되며,
    상기 코팅막은 상기 절연층의 열전도율을 높이기 위하여, 열전도성의 재료인 결정성 에폭시 및 폴리머 중 적어도 어느 하나의 재료를 상기 필러 표면에 코팅하여 형성하며,
    상기 절연층의 두께는 10㎛ 내지 120㎛인 인쇄 회로 기판.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 혼합물에 열전도성 필러가 30 중량% 내지 80 중량% 포함되는 인쇄 회로 기판.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 필러로 Al2O3, AlN 및 BN 중 적어도 어느 하나로 이루어진 분말을 사용하는 인쇄 회로 기판.
  5. 삭제
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 폴리머는 액정 고분자(LCP), 폴리아마이드(PA), 신디어텍틱 폴리스티렌(sPS), 폴리에테르에테르케톤(Polyetheretherketones, PEEK), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(Polyethylene terephthalate, PET), 폴리부틸렌 테레프탈레이트(Polybutylene terephthalate, PBT), 폴리옥시메틸렌(Polyoxymethylene, POM), 폴리프로필렌(Polypropylene, PP), 폴리에틸렌 (Polyethylene, PE) 또는 이들의 혼합물 중 적어도 하나를 사용하는 인쇄 회로 기판.
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JP2009117836A (ja) * 2007-11-05 2009-05-28 E I Du Pont De Nemours & Co 表面不動態化コーティングを有するフィラーを含有する誘電性組成物
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