KR101396817B1 - 금속 베이스 배선층 적층판 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 금속 베이스 배선층 적층판에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 발광다이오드 회로, 방열특성 제어가 중요한 파워모듈 회로, 발광 다이오드 램프 등의 조명기기용 회로에 적용될 수 있는 금속 베이스 배선층 적층판 제조 방법에 관한 것으로,
금속 베이스인 알루미늄판과, 배선층을 형성하는 동박과, 상기 알루미늄판과 동박 사이에 절연층을 갖도록 구성하되, 상기 절연층을 폴리이미드 수지로 적층하여 를 적층하여 형성하기 위해 폴리이미드 수지를 합성하는 폴리이미드수지 합성단계; 상기 동박의 매트면에 상기 폴리이미드 수지를 도포하여 건조하는 것에 의해 열전도성 접착제층인 절연층을 형성하는 폴리이미드 절연층 형성단계; 상기 절연층과 상기 금속 베이스가 서로 대향하도록 합지하는 합지단계;를 포함하는 금속 베이스 배선층 적층판 제조방법에 있어서, 상기 폴리이미드수지 합성단계는, 디아민과 디안하이드라이드를 몰비 1:1로 혼합하여 폴릭아믹산 전체구체인 폴리아믹산 용액을 형성하는 것을 포함하고; 상기 폴리이미드 절연층 형성단계는, 상기 폴리아믹산 용액을 이미드화하여 선상으로 불규칙하게 배열한 분자량 5,000 내지 2,000,000으로 이루어지도록 하며, 폴리아믹산 용액의 이미드화는 실온에서 70℃ 사이에서 화학적 이미드화법인 탈수이미드화로 이루어지고, 탈수이미드화를 통해 형성된 물을 제거하기 위해 반응계에 벤젠, 톨루엔, (o-, m-, p-)자일렌, (o-, m-, p-)클로로벤젠, (o-, m-, p-)클로로 톨루엔 중 어느 하나의 용매를 단독 혹은 혼합 첨가하는 것을 포함하도록 구성되어,
프레스 공정을 실시한 후에도 좌우 균일한 높이를 유지할 수 있도록 하며, 내전압성이 우수하여 회로 상에 고전압이 인가되는 경우에도 성능저하가 발생하지 않도록 하고, 기존의 절연층에 비해 열전달 효과를 향상시키며, 동박과 폴리이미드층으로 구성되는 절연층의 박리강도를 향상시키는 효과를 제공한다.

Description

금속 베이스 배선층 적층판 제조방법{METHOD FOR MANUFACTURING METAL BASE CIRCUIT LAYER CLAD LAMINATE}
본 발명은 금속 베이스 배선층 적층판 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 발광다이오드 회로, 방열특성 제어가 중요한 파워모듈 회로, 발광 다이오드 램프 등의 조명기기용 회로에 적용될 수 있는 금속 베이스 배선층 적층판 제조 방법에 관한 것이다.
금속 베이스 배선층 적층판 중의 하나인 동박 적층판(Copper Clad Laminate, CCL)은 인쇄회로기판(printed circuit board)의 원자재로서, 절연층의 단면 혹은 양면에 동박을 적층하여 이루어진다. 상기 절연층은, 주로 페놀 수지, 에폭시 수지 등을 유리섬유, 크라프트지(Craft paper) 등의 절연제에 함침시키고, 이러한 절연제를 한겹 이상 적층하여 가열 가압 처리하여 얻는다. 상기 동박 적층판은 절연층의 보강기재 및 소재에 따라, 종이 베이스 페놀수지 동박적층판, 유리 베이스 에폭시수지 동박적층판, 종이 베이스 폴리에스테르 수지 동박 적층판, 복합 동박 적층판, 플랙시블 동박 적층판, 금속 베이스 배선층 적층판, 다층 프린트 배선판용 동박 적층판, 고주파용 동박 적층판 등으로 다양하게 제조된다.
금속 베이스 동박적층판은 일반적으로 철이나 알루미늄 판에 절연층의 필름이나 프리프레그(prepreg)를 게재하고 그 위에 동박을 적층 한 후 고온고압 처리하여 만들어진다. 상기 알루미늄 베이스 보드를 사용하는 경우, 열방산성(熱放散性), 열전도(熱傳導), 방열효과(放熱效果) 등이 좋으므로, 하이브리드(hybrid) 집적회로(IC, integrated circuit) 또는 파워트랜스(power trans)의 발열부분 등에 선택적으로 사용된다.
도 1은 종래 기술에 따른 동박 적층판의 단면도로서, 도 1에 도시한 바와 같이 종래의 동박 적층판은 알루미늄 판(11)과 동박(13) 사이에 절연층(12)이 개재되어 구성된다.
상기 절연층(12)은 열전도성 입자를 첨가한 에폭시 수지를 이용하여 제작되는데, 에폭시 수지는 전기적 성질이 뛰어나지만 기계적 강도가 불충분하며 온도에 대한 치수변화가 크므로, 프레스 공정 후 절연층(12)의 두께가 프레스 공정 후 동등한 수준을 유지하지 못하여, 금속 베이스 배선층 적층판의 좌우 높이가 균일하지 못하게 되는 것에 의한 좌우 불균형이 발생하는 문제점을 가진다.
따라서, 프레스 공정 후 금속 베이스 배선층 적층판의 좌우 높이가 균일하게 되도록, 치수안정성(dimensional stability)을 높이는 기술 개발이 요구되고 있다.
또한, 회로에 고전압이 인가되는 경우에도 성능이 저하되지 않으며, 박리강도(peel strength) 및 열전도성에 있어서 개선된 성능을 갖는 금속 베이스 배선층 적층판의 개발이 요구되고 있는 실정이다.
또한, 기존의 금속 베이스 배선층 적층판을 경우 구부릴 경우 베이스 금속과 동박 사이의 열전도성 에폭시 접착제로 형성되는 절연층(12)에 크랙이 발생되어 다양한 응용에 한계를 가지게 된다. 이에 따라, 가요성(可撓性, flexibility)을 높이는 기술의 개발 또한 요구되고 있다.
따라서, 본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 종래기술의 금속 베이스 배선층 적층판의 절연층에 비해 열전달 효과가 뛰어나고, 내전압성, 박리강도 및 치수안정성이 우수한 가요성 금속 베이스 배선층 적층판 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 금속 베이스 배선층 적층판 제조방법은, 금속 베이스인 알루미늄판과, 배선층을 형성하는 동박과, 상기 알루미늄판과 동박 사이에 절연층을 갖도록 구성하되, 상기 절연층을 폴리이미드 수지로 적층하여 를 적층하여 형성하기 위해 폴리이미드 수지를 합성하는 폴리이미드수지 합성단계; 상기 동박의 매트면에 상기 폴리이미드 수지를 도포하여 건조하는 것에 의해 열전도성 접착제층인 절연층을 형성하는 폴리이미드 절연층 형성단계; 상기 절연층과 상기 금속 베이스가 서로 대향하도록 합지하는 합지단계;를 포함하는 금속 베이스 배선층 적층판 제조방법에 있어서, 상기 폴리이미드수지 합성단계는, 디아민과 디안하이드라이드를 몰비 1:1로 혼합하여 폴릭아믹산 전체구체인 폴리아믹산 용액을 형성하는 것을 포함하고; 상기 폴리이미드 절연층 형성단계는, 상기 폴리아믹산 용액을 이미드화하여 선상으로 불규칙하게 배열한 분자량 5,000 내지 2,000,000으로 이루어지도록 하며, 폴리아믹산 용액의 이미드화는 실온에서 70℃ 사이에서 화학적 이미드화법인 탈수이미드화로 이루어지고, 탈수이미드화를 통해 형성된 물을 제거하기 위해 반응계에 벤젠, 톨루엔, (o-, m-, p-)자일렌, (o-, m-, p-)클로로벤젠, (o-, m-, p-)클로로 톨루엔 중 어느 하나의 용매를 단독 혹은 혼합 첨가하는 것을 포함하는 것을 특징으로 한다.
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본 발명에 따른 금속 베이스 배선층 적층판은 프레스 공정을 실시한 후에도 좌우 균일한 높이를 유지할 수 있도록 하며, 내전압성이 우수하여 회로 상에 고전압이 인가되는 경우에도 성능저하가 발생하지 않도록 하고, 기존의 절연층에 비해 열전달 효과를 향상시키며, 동박과 폴리이미드층으로 구성되는 절연층의 박리강도를 향상시키는 효과를 제공한다.
도 1은 종래기술의 금속 베이스 배선층 적층판의 단면도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따르는 금속 베이스 배선층 적층판의 단면도,
도 3은 본 발명의 금속 베이스 배선층 적층판의 제작 방법의 처리과정을 나타내는 순서도이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따르는 금속 베이스 배선층 적층판의 단면도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따르는 금속 베이스 배선층 적층판(100)(이하, '적층판(100)'이라 함)은 금속 베이스로서의 알루미늄 판(21)과, 배선층을 형성하는 동박(23)과, 상기 알루미늄판 (21)과 동박(23)의 사이에 폴리이미드 수지로 형성되는 절연층(22)을 포함하여 구성된다.
상기 알루미늄 판(21)의 두께는 0.01 내지 1.0mm이고, 폴리이미드층의 두께는 5 내지 300㎛이며, 동박의 두께는 5 내지 500㎛이다. 상기 주어진 범위를 벗어나면 가요성을 만족하기 어렵게 된다.
상기 절연층(22)은 동박 적층판에 통상적으로 사용되는 폴리이미드 수지를 광범위하게 사용할 수 있다. 또한, 본 발명의 적층판(100)에서 폴리이미드 수지로 형성되는 절연층(22)은 고전압에 대한 내성을 강화시키는 역할을 한다. 이에 따라, 종래기술의 절연층(12) 대신에 폴리이미드층을 절연층(22)으로 도입한 상기 적층판(100)은 프레스 공정 후 폴리이미드층인 절연층(22)의 두께가 기존에 비하여 균일하게 된다.
도 3은 본 발명의 금속 베이스 배선층 적층판의 제작 방법의 처리과정을 나타내는 순서도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 금속 모재인 금속 베이스로 되는 알루미늄판(21)과, 배선층으로 되는 동박(23)과, 상기 베이스와 배선층의 사이인 알루미늄판(21)과 동박(23)의 사이에 폴리이미드 수지를 적층하여 형성된 절연층(22)을 포함하여 구성되는 상기 적층판(100)을 제작하기 위해서는 먼저 폴리이미드수지합성단계(S10)를 수행하여 절연층(22)으로 될 폴리이미드 수지를 합성한다.
상기 폴리이미드수지합성단계에서 상기 디아민과 상기 디안하이드라이드를 몰비로 1 대 1로 혼합하여 폴릭아믹산 전체구체인 폴리아믹산 용액을 형성하며, 이때, 0.1㎛ 내지 25㎛의 크기를 가지는 알루미나(Al2O3), 산화 마그네슘(MgO), 질화 붕소(BN), 질화 알루미늄(AlN), 산화 규소(SiO2) 중 적어도 어느 하나가 더 혼합되는 것에 의해 전도성을 가지게 된다.
상기 동박(23)의 매트면에 상기 폴리이미드 수지를 도포하여 건조하는 것에 의해 열전도성 접착제층인 절연층(22)을 형성한다.
이 후, 핫프레스를 이용한 합지단계(S30)를 수행하여 상기 절연층(22)과 상기 금속 베이스인 알루미늄판(23)이 서로 대향하도록 합지하는 것에 의해 금속 베이스 배선층 적층판의 제작이 완료된다.
상기 금속 베이스 배선층 적층판(100)은 통상의 제작방법 즉, 고온 롤 압착 법을 사용한 연속식, 오토클레이브법 및 열압착 프레스법을 사용한 배치(batch)식으로도 제조될 수 있다.
이하, 상기 각 구성을 더욱 상세히 설명한다.
1. 절연층용 폴리이미드 수지 조성물
본 발명에 따른 금속 베이스 배선층 적층판은 회로기판용 접착 소재로 가져야 할 기본적인 물성, 즉 접착력, 내열성, 내약품성, 굴곡성, 고절연파괴전압등 면에서 부품 신뢰성을 가질 수 있는 것이라면 어떤 종류이든 무관하다.
본 발명에서 폴리이미드 수지는, 방향족 테트라카르복실릭 디안하이드라이드와 방향족 디아민이 극성 비양자성 용매 내에서 반응하여 얻어지는 폴리아믹산 전구체인 폴리아믹산 용액로부터 제조된다.
바람직하게는 디안하이드라이드는 3,3', 4,4'-바이페닐테트라카르복실릭디안하이드라이드(3,3', 4,4' - Biphenyltetracarboxylic dianhydride: BPDA), 피로멜리틱디안하이드라이드(Pyromellitic dianhydride: PMDA) 그리고 벤조페논테트라카르복실릭디안하이드라이드 (Benzophenonetetracarboxylic dianhydride: BTDA)를 포함한다. 바람직하게는 디아민은 p-페닐렌디아민(p-phenylenediamine : PPDA), 옥시디아닐린(oxydianiline:ODA), N,N'-디페닐메틸렌디아민 (N,N'-diphenyl-methylenediamine:MDA) 그리고 디아미노벤조페논(diaminobenzophenone: DABP)을 포함한다. 보다 바람직하게는 디안하이드라이드는 BPDA 및 PMDA이고 디아민은 PPDA 및 ODA를 포함한다.
상기 폴리아믹산 용액은 폴리아믹산 공중합체로서, 제조하는데 사용되는 유기용매로는 중합 후 생성되는 폴리아믹산과 상용성이 있는 에테르,케톤과 같이 극성을 가진 용매를 사용하는 것이 바람직하다.
구체적 예로는 1-메틸-2-피롤리돈(이하, NMP라 함), N,N-디메틸아세트아마이드(DMAc),N,N-디메틸포름아마이드(DMF), 디메틸 술폭사이드(DMSO)로 이루어진 군에서 1종 이상 선택하여 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있다. 이와 같이 중합된 폴리아믹산을 경화시켜 이미드화 하면 본 발명의 절연층 수지인 폴리이미드 용액을 제조할 수 있는바, 디안하이드라이드와 디아민에 의해서 합성된 폴리아믹산 용액은 공지의 탈수 이미드화에 의해서 폴리이미드화 할 수 있다. 탈수 이미드화 반응은 화학적 이미드화 방법과 열이미드화로 분류되지만, 본 발명에서는 열을 가하지 않아 안정성 확보에 유리한 화학적 이미드화 방법을 사용한다.
화학적 이미드화법은 상기 방법에서 얻어진 폴리아믹산을 해당 산을 가수분해하는 능력을 지닌 탈수제와 반응시켜, 해당 산을 화학적으로 탈수하는 공정을 포함한다. 이 방법에 사용 가능한 탈수제로는 무수아세트산, 무수트리플루오로아세트산 등의 디카르복시산무수물; 대표적으로 폴리인산, 5산화인 등의 유도체: 대표적으로 메탄술폰산클로라이드, 5염화인, 염화티오닐 등의 산염화물 등을 들 수 있다. 이들 탈수제의 2종 이상을 단독으로 혹은 조합해서 사용해도 된다. 탈수제의 사용량은 사용된 디아민의 전체량 1몰에 대하여 2내지 10몰 범위이고 바람직하게는 2 내지 4몰의 범위이다. 화학적 이미드화 반응 온도는 반응시간, 반응압력은 특별히 한정되지 않고 공지의 조건을 적용하면 된다. 구체적으로 -10℃내지 120℃, 보다 바람직하게는 실온부근에서 70℃의 범위, 가장 바람직하게는 실온이다.
탈수이미드화를 통해 형성된 물을 제거하기 위해서는 반응계에 부가의 용매를 첨가해도 된다. 이 용매로서는 벤젠, 톨루엔, (o-, m-, p-)자일렌, (o-, m-, p-)클로로벤젠, (o-, m-, p-)클로로 톨루엔 등을 들 수 있다. 이들 용매는 단독 혹은 혼합물로 사용해도 된다. 사용량은 특별히 한정되는 것은 아니다.
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이하, 실시예에 의하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명을 보다 명확히 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 보호범위를 한정하는 것은 아니다.
< 금속 베이스 배선층 적층판 제조 >
반응용기에 168ml의 N-메틸피롤리돈(NMP) 용액에 3.39 g(31.4mmol)의 p-페닐렌디아민(PPDA) 그리고 7.85 g (39.3 mmol)의 옥시디아닐린(ODA), 0.15 g (0.01 mmol)의 피로멜리틱 다하이드라이드(PMDA), 크레졸 148g 을 가하고 35℃에서 중탕하면서 60rpm으로 균질한 디아민 용액이 형성될 때까지 저어주었다. 이 디아민 용액에, 20.76 g (70.6 mmol)의 3,3', 4,4'-바이페닐테트라카르복실릭 디안하이드라이드(BPDA)를 분급하며 첨가하고, 이 혼합물을 저어주고 3시간 동안 반응시켜 중량 고체(weight solid)로 18.6%의 폴리아믹산 용액을 형성하였다. 디안하이드라이드는 극성 비양자성 용매와 반응하므로, PPDA 및 ODA 고체를 용매에 맨 처음 첨가하였고, 그리고 나서 BPDA를 점차로 디아민 용액에 가하였다. 반응계를 실온으로부터 200℃까지 약 2시간에 걸쳐 가열 후 4시간을 추가 반응시켜 화학적 이미드화 방법으로 폴리이미드 수지를 제조하였다. 본 발명에서, 결과물인 폴리이미드 수지의 중요한 특성은 PPDA의 ODA에 대한 몰비에 의존한다. 이를테면, PPDA의 ODA에 대한 몰 비의 변화는 폴리이미드 수지의 열팽창 계수 및 굴곡성의 다른 값을 초래할 것이다. 실험예에서, 폴리아믹산 용액의 반응물의 디안하이드라이드의 디아민에 대한 몰 비는 1 : 1이며, 그리고 디아민의 p-페닐렌디아민 (PPDA)의 옥시디아닐린 (ODA)에 대한 몰 비는 0.8 : 1.0이었다. 이 폴리아믹산 용액은 복수 디안하이드라이드 성분으로 3,3', 4,4'-바이페닐테트라카르복실릭 디안하이드라이드(BPDA)와 피로멜리틱 다하이드라이드(PMDA)를 사용하였다.
얻어진 폴리이미드 수지에 방열 특성을 향상시키기 위해서 알루미나(Al2O3), 산화 마그네슘(MgO), 질화 붕소(BN), 질화 알루미늄(AlN), 산화 규소(SiO2) 중 적어도 어느 하나를 첨가하여 잘 분산시킨 후 콤마코터를 사용하여 동박의 매트면에 코팅 후 건조하여 절연층(22)으로 형성될 폴리이미드 접착제층의 두께가 25㎛가 되도록 하고, 알루미늄 금속판의 일면에 폴리이미드 접착제층 면이 적층되도록 한 후 핫프레스를 이용하여 가압고열상태에서 알루미늄과 폴리이미드 접착제층을 합지하는 것에 의해 알루미늄판과 절연층을 합지하였다.
<< 금속 베이스 배선층 적층체의 물성 평가 >>
제조한 금속 베이스 배선층 적층판 치수안정성, 내전압성, 굴곡성, 박리강도, 열전도성을 아래와 같은 물성 평가법에 의거하여 평가하였으며 그 결과를 표 1에 정리하였다.
(1) 치수안정성
핫프레스에서 고압가열 상태에서 합지한 600mm X 520mm 크기의 금속 배선층 적층체를 편평한 정반 위에 올려 놓고, 4군데 모서리에서 정반으로부터 올라온 높이를 측정하여 가장 높은 값을 기준으로 평가함.
○ : 3mm 이하(양호)
△ : 4mm ~ 10mm
× : 10mm이상 (불량)
(2) 내전압성
직류전류 50~60Hz, 초당 500V 승압하면서 IPC-TM-650에 따라 측정함.
(3) 굴곡성
제품에 대하여 180°로 구부려 접은 다음 다시 펴길 반복하여 접착제의 크랙을 확인함.
(4) 박리강도
폭 10㎜, 길이 50㎜로 절단한 후, 인장강도 시험기로 금속 베이스 배선층 적층판의 동박을 당기면서 90°각으로 박리강도를 측정하여 접착필름의 접착력을 측정하였다.
(5) 열전도성
1인치의 사각형 시료에 대하여 레이저 플래쉬법으로서 JIS C 6802-1997에 따라 열전도도를 측정하였다.
실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4 실시예 5 비교예
디아민
(mole)		 PPDA 5 30 50 70 95 에폭시
접착제
ODA 95 70 50 30 5
다이하이드라이드(mole) PMDA 5 30 50 70 95
BTDA 95 70 50 30 5
알루미나(g) 25 60 50 25 70 70
동박두께(㎛) 35 35 35 35 35 35
접착제두께(㎛) 25 25 25 25 25 65
알루미늄두께(㎛) 300 300 300 300 300 800
치수안정성(㎛) ○ ○ ○ ○ ○ ○
내전압성(㎛) 4.3 4.4 4.2 4.4 4.3 4.1
굴곡성(㎛) 양호 양호 양호 양호 양호 크랙발생
박리강도(Kgf/cm) 3.1 2.9 3.3 3.0 3.2 2.2
열전도도(W/m.K) 33 38 35 32 44 18
이상과 같이 본 발명에 따른 금속 베이스 배선층 적층판을 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상 범위 내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.
상술한 본 발명의 금속 베이스 동박적층판은 공지의 방법으로 가공되어 인쇄회로기판을 형성할 수 있으며, 발광 다이오드(LED) 회로, 방열 특성 제어가 중요한 파워모듈 회로, 발광 다이오드 램프가 사용되는 조명기기용 회로 등에 적용될 수 있다.
100: 적층판, 21: 알루미늄판, 22: 절연층, 23: 동박

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  8. 금속 베이스인 알루미늄판과, 배선층을 형성하는 동박과, 상기 알루미늄판과 동박 사이에 절연층을 갖도록 구성하되, 상기 절연층을 폴리이미드 수지로 적층하여 를 적층하여 형성하기 위해 폴리이미드 수지를 합성하는 폴리이미드수지 합성단계; 상기 동박의 매트면에 상기 폴리이미드 수지를 도포하여 건조하는 것에 의해 열전도성 접착제층인 절연층을 형성하는 폴리이미드 절연층 형성단계; 상기 절연층과 상기 금속 베이스가 서로 대향하도록 합지하는 합지단계;를 포함하는 금속 베이스 배선층 적층판 제조방법에 있어서,
    상기 폴리이미드수지 합성단계는, 디아민과 디안하이드라이드를 몰비 1:1로 혼합하여 폴릭아믹산 전체구체인 폴리아믹산 용액을 형성하는 것을 포함하고;
    상기 폴리이미드 절연층 형성단계는, 상기 폴리아믹산 용액을 이미드화하여 선상으로 불규칙하게 배열한 분자량 5,000 내지 2,000,000으로 이루어지도록 하며, 폴리아믹산 용액의 이미드화는 실온에서 70℃ 사이에서 화학적 이미드화법인 탈수이미드화로 이루어지고, 탈수이미드화를 통해 형성된 물을 제거하기 위해 반응계에 벤젠, 톨루엔, (o-, m-, p-)자일렌, (o-, m-, p-)클로로벤젠, (o-, m-, p-)클로로 톨루엔 중 어느 하나의 용매를 단독 혹은 혼합 첨가하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 베이스 배선층 적층판 제조방법.
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