KR101839917B1

KR101839917B1 - 방열형 ｐｃｂ 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR101839917B1
Application number: KR1020170167742A
Authority: KR
Inventors: 김권진; 최정규; 권우섭; 이석; 문규식; 장재만
Original assignee: 에이펙스인텍 주식회사
Priority date: 2017-12-07
Filing date: 2017-12-07
Publication date: 2018-04-27

Abstract

본 발명은 제1탄소계 재료로 이루어지고, 상측면에 절연층과 전기전도층이 차례로 중첩된 플레이트와; 상기 플레이트에 장착되는 부품들 중 발열 집중 부품의 위치에 상기 플레이트를 관통하도록 형성된 냉각홀과; 상기 냉각홀을 관통하여 채워져서 일단은 상기 발열 집중 부품에 접촉하고 타단은 상기 플레이트의 하측면으로 연장되며, 상기 제1탄소계 재료보다 열전도성이 우수한 제2탄소계 재료로 이루어진 전열로드와; 상기 전열로드와 동일한 재료로 일체로 연결되도록 상기 플레이트의 하측면에 중첩된 방열층을 포함하여 구성된다.

Description

방열형 ＰＣＢ 및 그 제조방법{Heat-dissipating type PCB and Manufacturing Method Thereof}

본 발명은 방열형 PCB 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 인쇄 회로 기판에 실장되는 부품들 중 특히 고온 동작하는 부품을 선택적으로 더욱 냉각시킬 수 있도록 하는 기술에 관한 것이다.

각종 전자기기에 사용되는 인쇄 회로 기판에는 다수의 전기 전자적 부품들이 실장되며, 이러한 부품들 중에는 특히 LED(Light Emitting Diode) 등과 같이 작동 중 다른 부품들에 비하여 현저히 많은 열이 발생하는 것들이 있으며, 이러한 부품들의 적절한 냉각은 전체 회로 시스템의 안정도와 내구성을 향상시키는 데에 크게 기여하게 된다.

상기와 같이 인쇄 회로 기판에 실장되는 부품들을 냉각하기 위한 많은 기술들이 종래에 개시되어 있으나, 대부분 인쇄 회로 기판 전체의 냉각을 도모하는 구성이거나, 특정 부품의 선택적인 냉각이 가능하더라도 그러한 냉각 구조를 구성하는 것이 현실적으로 어렵거나 복잡한 공정을 요구하는 경우에는 제품의 단가를 상승시키는 원인이 되어 실제 적용하기 어려운 경향이 있다.

상기 발명의 배경이 되는 기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.

KR 10-1735819 B

본 발명은 인쇄 회로 기판 자체가 복사에 의한 열 방출 특성이 뛰어나서 인쇄 회로 기판 전체의 냉각이 기본적으로 원활하게 수행되도록 하면서, 인쇄 회로 기판에 장착되는 부품들 중 발열량이 특히 많은 부품들을 선택적으로 더 집중하여 냉각시킬 수 있도록 함으로써, 해당 부품의 효과적인 냉각은 물론 인쇄 회로 기판 전체의 적절한 냉각으로 이 인쇄 회로 기판이 사용되는 제품의 안정도와 내구성을 크게 향상시킬 수 있으며, 상기와 같은 발열 집중 부품에 대한 선택적 집중 냉각 구조를 매우 용이하게 구현할 수 있도록 한 방열형 PCB 및 그 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명 방열형 PCB는, 제1탄소계 재료로 이루어지고, 상측면에 절연층과 전기전도층이 차례로 중첩된 플레이트와; 상기 플레이트에 장착되는 부품들 중 발열 집중 부품의 위치에 상기 플레이트를 관통하도록 형성된 냉각홀과; 상기 냉각홀을 관통하여 채워져서 일단은 상기 발열 집중 부품에 접촉하고 타단은 상기 플레이트의 하측면으로 연장되며, 상기 제1탄소계 재료보다 열전도성이 우수한 제2탄소계 재료로 이루어진 전열로드와; 상기 전열로드와 동일한 재료로 일체로 연결되도록 상기 플레이트의 하측면에 중첩된 방열층과; 상기 플레이트의 전기전도층에 부착되며, 상기 냉각홀의 대응 위치에 함몰부가 형성된 드라이필름;을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

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상기 제1탄소계 재료는 탄소계 혼합재료, 고분자 수지 및 규산염을 포함하여 이루어지고;

상기 탄소계 혼합재료는 탄소재료 분산물 및 흑연재료를 포함하며;

상기 탄소재료 분산물은 탄소나노튜브, 그래핀 및 카본 파이버로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 탄소재료 및 용매를 포함하고;

상기 흑연재료는 인상흑연(crystalline graphite), 인조흑연(synthetic graphite), 토상흑연(amorphous graphite) 및 팽창흑연(expandable graphite)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상이며;

상기 고분자 수지는 폴리아미드 수지, 폴리카보네이트 수지, 폴리페닐렌 설파이드 수지, 폴리부틸렌 테레프탈레이트 수지, 폴리프로필렌 수지, 폴리에틸렌 수지, 폴리메틸 메타크릴레이트 수지, 에틸렌 비닐 아세테이트 수지, 폴리 비닐 부틸랄 수지 및 폴리 에테를 케톤 수지로 이루어진 군으로부터 선택되는 일 이상이고;

상기 규산염은 규산칼륨, 규산나트륨, 산화규소, 질화규소 및 탄화규소로 이루어진 군으로부터 선택되는 일 이상이며,

상기 제2탄소계 재료는 탄소나노튜브와 그래핀의 혼합조성물로 이루어질 수 있다.

상기 전열로드는 상기 발열 집중 부품에 접촉하기 위한 상단부가 상기 전기전도층 이상으로 돌출되게 형성될 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 방열형 PCB 제조방법은,

제1탄소계 재료로 이루어진 플레이트의 상측면에 절연층과 전기전도층을 차례로 중첩하고 가열 가압하여 일체화하는 일체화단계와;

상기 일체화단계를 거친 플레이트에 냉각홀을 천공하는 천공단계와;

상기 냉각홀에 상기 제1탄소계 재료보다 열전도성이 우수한 제2탄소계 재료를 주입하는 주입단계와;

상기 냉각홀에 주입된 제2탄소계 재료를 건조시키는 1차건조단계와;

상기 1차건조단계를 거친 플레이트의 하측면에 상기 냉각홀에 주입된 제2탄소계 재료와 일체화되어 연결되는 상태로 제2탄소계 재료를 도포하는 도포단계와;

상기 도포단계에서 도포된 제2탄소계 재료를 건조시키는 2차건조단계;

를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

상기 방열형 PCB 제조방법은

상기 플레이트의 전기전도층에 부착될 드라이필름의 상기 냉각홀에 대응되는 위치에 함몰부를 형성하는 필름가공단계와;

상기 천공단계 이후 주입단계 이전에, 상기 드라이필름의 함몰부가 해당 냉각홀에 대응되도록 상기 플레이트의 전기전도층에 상기 드라이필름을 부착하는 필름선부착단계를 더 포함하여 구성될 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 방열형 PCB 제조방법은,

상기 플레이트에 진동을 가하면서 상기 플레이트의 하측면에 상기 제1탄소계 재료보다 열전도성이 우수한 제2탄소계 재료를 도포하여 상기 플레이트의 냉각홀에 제2탄소계 재료가 충진됨과 동시에 하측면에 도포가 이루어지도록 하는 진동도포단계와;

상기 플레이트의 냉각홀과 하측면의 제2탄소계재료를 함께 건조시키는 통합건조단계;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

본 발명은 인쇄 회로 기판 자체가 복사에 의한 열 방출 특성이 뛰어나서 인쇄 회로 기판 전체의 냉각이 기본적으로 원활하게 수행되도록 하면서, 인쇄 회로 기판에 장착되는 부품들 중 발열량이 특히 많은 부품들을 선택적으로 더 집중하여 냉각시킬 수 있도록 함으로써, 해당 부품의 효과적인 냉각은 물론 인쇄 회로 기판 전체의 적절한 냉각으로 이 인쇄 회로 기판이 사용되는 제품의 안정도와 내구성을 크게 향상시킬 수 있으며, 상기와 같은 발열 집중 부품에 대한 선택적 집중 냉각 구조를 매우 용이하게 구현할 수 있도록 한다.

도 1은 본 발명에 따른 방열형 PCB에 발열 집중 부품으로 LED가 실장된 실시예를 설명한 도면,
도 2는 도 1의 LED를 제외한 방열형 PCB의 상측면을 관측한 도면,
도 3은 도 1의 LED와 제2탄소계 재료를 제외한 방열형 PCB의 단면을 설명한 도면,
도 4는 본 발명에 따른 방열형 PCB 제조방법의 제1실시예를 설명한 순서도,
도 5는 본 발명에 따른 방열형 PCB 제조방법의 제2실시예를 설명한 순서도,
도 6은 도 5의 제2실시예 수행 중 필름선부착단계가 완료된 방열형 PCB의 단면을 예시한 도면,
도 7은 본 발명에 따른 방열형 PCB 제조방법의 제3실시예를 설명한 순서도,
도 8은 도 1과는 다른 타입의 LED가 실장된 본 발명에 따른 방열형 PCB의 다른 실시예를 예시한 도면이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명 방열형 PCB의 실시예는, 제1탄소계 재료로 이루어지고, 상측면에 절연층(3)과 전기전도층(5)이 차례로 중첩된 플레이트(1)와; 상기 플레이트(1)에 장착되는 부품들 중 발열 집중 부품(P)의 위치에 상기 플레이트(1)를 관통하도록 형성된 냉각홀(7)과; 상기 냉각홀(7)을 관통하여 채워져서 일단은 상기 발열 집중 부품(P)에 접촉하고 타단은 상기 플레이트(1)의 하측면으로 연장되며, 상기 제1탄소계 재료보다 열전도성이 우수한 제2탄소계 재료로 이루어진 전열로드(9)와; 상기 전열로드(9)와 동일한 재료로 일체로 연결되도록 상기 플레이트(1)의 하측면에 중첩된 방열층(11)을 포함하여 구성된다.

즉, 본 발명의 방열형 PCB을 이루는 상기 플레이트(1)는 상기 제1탄소계 재료로 이루어져서 기본적으로 종래의 일반적인 인쇄 회로 기판 보다는 월등한 열전도성 및 방열 성능을 발휘하고, 여기에 더하여 특히 발열이 심한 발열 집중 부품(P)의 위치에는 별도로 냉각홀(7)을 형성하여, 이 냉각홀(7)을 통하여 발열 집중 부품(P)에서 발생된 열이 상기 제1탄소계 재료보다 더 열전도성이 우수한 제2탄소계 재료로 이루어진 전열로드(9)를 통해 상기 플레이트(1)의 하측면에 마련된 방열층(11)으로 더욱 신속하고 원활하게 이동되어 방열 및 냉각됨으로써, 방열형 PCB 전체적인 적절한 냉각은 물론 발열 집중 부품의 효과적인 냉각으로 이 인쇄 회로 기판을 사용하는 제품의 안정도와 내구성을 크게 향상시킬 수 있도록 한 것이다.

상기 제1탄소계 재료는 탄소계 혼합재료, 고분자 수지 및 규산염을 포함하여 이루어지고, 상기 탄소계 혼합재료는 탄소재료 분산물 및 흑연재료를 포함하며, 상기 탄소재료 분산물은 탄소나노튜브, 그래핀 및 카본 파이버로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 탄소재료 및 용매를 포함하고, 상기 흑연재료는 인상흑연(crystalline graphite), 인조흑연(synthetic graphite), 토상흑연(amorphous graphite) 및 팽창흑연(expandable graphite)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상이며;

상기 규산염은 규산칼륨, 규산나트륨, 산화규소, 질화규소 및 탄화규소로 이루어진 군으로부터 선택되는 일 이상이다.

상기 탄소계 혼합재료는 상기 플레이트(1) 전체 중량을 기준으로 20~60 중량% 포함될 수 있다. 탄소계 혼합재료의 함량이 60 중량%를 초과하는 경우에는 플레이트(1) 형태로의 성형이 곤란할 수 있으며, 성형된 플레이트(1)의 기계적 성질이 저하될 수 있어 부적합하며, 20 중량% 미만인 경우에는 방열 성능이 미미하므로 방열형 PCB으로서의 성능을 충분히 발휘할 수 없다.

상기 탄소계 혼합재료를 이루는 탄소재료 분산물은 파쇄 및 균질화된 탄소재료를 용매에 분산시킴으로써 얻어질 수 있다.

상기한 바와 같이 상기 탄소재료 분산물에 이용되는 탄소재료는 탄소나노튜브, 그래핀 및 카본 파이버로 이루어진 군으로부터 선택되는 일 이상일 수 있다.

탄소나노튜브는 그래파이트(Graphite)의 변형된 형태로 한 겹의 그래파이트 가 튜브로 말려있는 형태의 단일벽 탄소나노튜브(Single-wall carbon nanotubes, SWCNT)와 여러 겹으로 구성된 다중벽 탄소나노튜브(Multi-wall carbon nanotubes, MWCNTs)로 구분할 수 있다.

탄소나노튜브는 뛰어난 역학적 특성을 가지며, 매우 높은 형상비(길이/직경)를 가지고 있어 인장응력이 뛰어나고 열전도성도 탁월하여 그 적용범위가 다양하다. 또한, 감긴 형태에 따라 도체, 반도체의 성질을 띠며 직경에 따라 에너지갭이 달라지고, 준일차원적 구조를 가지고 있어 특이한 양자효과를 나타낸다.

탄소나노튜브의 가장 중요한 열적 성질은 상온에서의 열전도도가 6,600W/mK로 아주 높다는 것이며, 이는 phonon의 평균 자유 경로가 아주 큰 것에 기인하는 것이 이론적으로 입증되었다.

그래핀은 탄소 원자로 만들어진 원자 크기의 벌집 형태 구조를 가진 소재로,

0.2 nm의 두께로 물리적 및 화학적 안정성이 매우 높으며, 구리보다 100배 이상 전기가 잘 통하고, 실리콘보다 100배 이상 전자의 이동성이 빠르다. 또한, 강도는 강철보다 200배 이상 강하며, 최고의 열전도성을 나타내는 다이아몬드보다 2배 이상 열전도성이 높고, 빛을 대부분 통과시키므로 투명하고 신축성도 매우 우수하다.

카본 파이버는 10~20g/d의 강도 및 1.5~2.1의 비중을 가지면, 내열성, 내충격성이 뛰어나며 화학약품에 강하고 해충에 대한 저항성이 크다. 가열과정에서 산소, 수소, 질소 등의 분자가 빠져나가 중량이 감소되므로 금속(알루미늄)보다 가볍고 반면에 금속(철)에 비해 탄성과 강도가 뛰어나다. 이런 특성으로 인해 스포츠용품(낚싯대, 골프채, 테니스 라켓), 항공우주산업(내열재, 항공기 동체), 자동차, 토목건축(경량재, 내장재), 전기전자, 통신(안테나), 환경산업(공기정화기, 정수기) 등 각 분야의 고성능 산업용 소재로 널리 이용된다.

이와 같은 탄소재료로 형성된 탄소재료 분산물을 후속 공정에서 흑연재료와 혼합하는 경우, 흑연재료의 입자 사이를 탄소재료 분산물에 함유되어 있는 탄소나노튜브 등의 탄소재료를 공유결합에 의해 연결시킴으로써 열전도도를 향상시켜 우수한 방열 성능을 발휘할 수 있게 된다.

탄소재료의 입자 크기는 방열형 PCB의 세부적인 특성, 공정 조건, 작업 환경 등을 고려하여 적절하게 선택될 수 있다.

일 실시예에서, 탄소재료의 입자 크기는 20~500㎚ 일 수 있다. 탄소재료의 입자 크기가 20㎚ 미만인 경우에는 응집이 일어나기 쉽고, 500㎚ 를 초과하는 경우에는 이미 응집이 일어난 상태로 후속 공정에서 탄소나노튜브를 균일하게 분산시키기 어렵다.

탄소재료의 파쇄 및 균질화는 원하는 입자 크기 및 균질한 분포를 얻을 수 있는 한 당업계에 공지된 다양한 건식 분쇄 또는 동결 분쇄 방법, 예를 들면, 볼 밀링, 어트리션 밀링, 또는 액화 질소를 이용하는 분쇄 방법 등이 적합하게 선택될 수 있다.

한편, 탄소재료 분산물에 이용되는 용매는 증류수, 알코올, 디메틸포름아마이드(DMF), 메틸에틸케톤(MEK) 및 폴리올로 이루어진 군으로부터 선택되는 일 이상일 수 있다.

용매는 침전성, 장기성, 소재 단가, 제조 환경 등 다양한 공정 조건을 고려하여 적합하게 선택될 수 있다.

탄소재료 분산물 형성에 있어서, 탄소재료는 분산물 전체 중량을 기준으로 2~20 중량%의 양으로 함유될 수 있다. 탄소재료의 함량이 2 중량% 미만인 경우 분산성의 문제는 발생하지 않으나, 후속 공정에서 흑연재료와 혼합하였을 때 열전도도 및 방열 효과의 특성을 발휘할 수 없게 된다. 또한, 탄소재료의 함량이 20 중량%를 초과하는 경우 분산성의 문제가 발생할 우려가 있으며, 함량 증가에 따른 더 이상의 효과 증대를 기대할 수 없다.

탄소재료 분산물의 제조는 초음파, 롤 밀링, 볼 밀링, 제트 밀링, 스크루 혼합, 어트리션 밀링, 비즈 밀링, 바스켓 밀링, 공자전 혼합 및 수퍼밀로 이루어진 군으로부터 선택되는 일 이상의 방식에 의해 이루어질 수 있다.

탄소재료 분산물 제조시 이용되는 각각의 방식에서 구체적인 작동 조건 등은 균일한 분산물이 형성될 수 있도록 적절하게 선택될 수 있다.

일 실시예에서, 탄소재료 분산물은 탄소재료의 분산성 향상, 공정 편의성 등을 위하여 필요에 따라 분산제, 중화제 및 소포제로 이루어진 군으로부터 선택되는 일 이상을 더 포함할 수 있다.

한편, 상기 탄소계 혼합재료를 구성하는 상기 흑연재료는 열전도도가 높고, 기계적 물성 및 내부식성이 우수하며, 가벼운 특성을 지니고 있어 방열형 PCB으로서 우수한 성능을 발휘할 수 있다.

상기 흑연재료는 파쇄 및 균질화되어 원하는 입자 크기 및 균질한 입도 분포를 가지도록 할 수 있다. 흑연재료의 입자 크기 및 분포는 흑연재료의 물성에 관련될 수 있다.

흑연재료의 입자 크기는 방열형 PCB의 세부적인 특성, 공정 조건, 작업 환경 등을 고려하여 적절하게 선택될 수 있다.

일 실시예에서, 흑연재료의 입자 크기는 1~50㎛ 일 수 있다. 흑연재료의 입자 크기가 1 미만인 경우에는 파쇄 과정이 어렵고, 크기 감소에 따른 방열 성능의 변화가 미미하며, 50㎛를 초과하는 경우에는 성형품의 표면층에 수지의 비율이 높아질 수 있고, 이는 방열 성능을 저하시키는 요인이 되므로 적절하지 못하다.

흑연재료의 파쇄 및 균질화는 원하는 입자 크기 및 균질한 분포를 얻을 수 있는 한 당업계에 공지된 다양한 건식 분쇄 또는 동결 분쇄 방법, 예를 들면, 볼 밀링, 어트리션 밀링, 또는 액화 질소를 이용하는 분쇄 방법 등이 적합하게 선택될 수 있다.

흑연 재료를 파쇄 및 균질화시킨 후, 파쇄 및 균질화된 흑연 재료를 60~80의 온도에서 12~36시간 동안 건조시킬 수 있다.

탄소계 혼합재료는 이와 같이 형성된 탄소재료 분산물 및 흑연재료를 혼합한 후 건조함으로써 형성될 수 있다.

탄소계 혼합재료 형성시 탄소재료 분산물은 혼합재료 전체 중량을 기준으로 2~20 중량%, 흑연재료는 80~98 중량%로 함유될 수 있다.

탄소재료 분산물의 함량이 2 중량% 미만인 경우 흑연재료의 열전도도를 향상시키는 효과가 미미하며, 20 중량%를 초과하는 경우에는 함량 증가에 따른 더 이상의 열전도도 향상 효과를 기대할 수 없으며, 비경제적이다.

일 실시예에서, 흑연재료 및 탄소재료 분산물의 혼합은 진공교반기에서 수행될 수 있으며, 일 형태에서 진공도 약 10^-1 torr, 온도 80~120, 교반 속도 100~120rpm의 질소 분위기하에서 40~100분 동안 이루어질 수 있다.

혼합된 흑연재료 및 탄소재료 분산물의 건조는 25 내지 300의 온도 범위에서 이루어질 수 있다.

건조 온도는 용매 및 기타 첨가제의 끓는점을 고려하여 설정될 수 있으며, 25 내지 300, 구체적으로 용매의 기화 온도 이상에서 300의 범위일 수 있으며, 온도가 높을수록 건조속도가 증가하므로 생산성이 향상될 수 있다.

이와 같이, 흑연재료 및 탄소재료 분산물을 혼합한 후 건조시킴으로써, 분말상태의 탄소계 혼합재료를 형성할 수 있으며, 분말 상태의 탄소계 혼합재료는 펠릿 형태로 형성될 수 있다.

탄소계 혼합재료를 펠릿으로 형성하는 단계는 탄소계 혼합재료 20~60 중량%, 고분자 수지 20~60 중량% 및 규산염 5~20 중량% 혼합한 후 펠릿 형태로 압출함으로써 이루어질 수 있다.

탄소계 혼합 재료의 함량이 60 중량%를 초과하는 경우에는 펠릿 형태로 제 조하기가 어려우며 성형 후 성형체의 기계적 성질이 저하될 수 있어 성형 구조체로 부적합하며, 20 중량% 미만인 경우에는 방열 성능이 미미하므로 방열형 PCB으로서의 효과를 얻을 수 없다.

펠릿 형성시 이용되는 고분자 수지는 폴리아미드 수지, 폴리카보네이트 수지, 폴리페닐렌 설파이드 수지, 폴리부틸렌 테레프탈레이트 수지, 폴리프로필렌 수지, 폴리에틸렌 수지, 폴리메틸 메타크릴레이트 수지, 에틸렌 비닐 아세테이트 수지, 폴리비닐 부티랄 수지 및 폴리 에테르 케톤 수지로 이루어진 군으로부터 선택되는 일 이상일 수 있으며, 바람직하게는 폴리아미드 수지이다.

이와 같은 고분자 수지는 방열형 PCB 제조시 압출 또는 사출성형을 위한 용이한 가공성 및 경제성을 갖는 것으로, 열전도도가 우수한 탄소계 혼합재료와 혼합되어 방열 특성을 갖는 방열형 PCB을 형성할 수 있다.

펠릿 형성시 이용되는 규산염은 탄소계 혼합재료의 표면 코팅 역할과 함께 고분자 수지의 경화를 촉진시키는 역할을 할 수 있으며, 내화성 무기 바인더로서 소재의 내부식성을 개선시키는데 영향을 미칠 수 있다.

규산염은 예를 들어, 규산칼륨, 규산나트륨, 산화규소, 질화규소 및 탄화규소로 이루어진 군으로부터 선택되는 일 이상일 수 있다.

규산염의 함량은 5~20 중량%일 수 있으며, 20 중량%를 초과하는 경우에는 농도가 지나치게 높아져 점도 상승으로 인하여 펠렛 형성이 어렵게 되며, 5 중량% 미만인 경우에는 점도가 지나치게 낮아 펠렛 형성이 어렵고, 내화성 개선 효과를 기대할 수 없다.

펠릿 형태로 형성된 재료를 용융시킨 후, 금형에 투입하여 성형시킴으로써 압출 또는 사출 성형에 의해 원하는 두께와 크기를 갖는 시트(sheet) 형태의 상기 제1탄소계 재료로 이루어진 플레이트(1)를 형성할 수 있다.

압출 또는 사출 성형은 상기 플레이트(1)의 두께 및 크기에 따라 적절한 금형을 선택하여 이루어질 수 있으며, 구체적인 탄소계 혼합재료 및 고분자 수지의 종류에 따라 용융 온도, 사출조건 등을 적절하게 선택하여 이루어질 수 있다.

일 실시예에서, 상기 제1탄소계 재료로 이루어진 플레이트(1)는 펠릿 형태의 탄소계 혼합재료를 일정 중량 단위로 블록 금형에 투입하고, 200~300의 온도 및 120~200 kgf/ 의 압력에서 1~10분 동안 사출 성형함으로써 형성될 수 있다.

이와 같이 형성된 제1탄소계 재료 플레이트(1)는 흑연재료의 입자 사이를 탄소재료 분산물에 함유되어 있는 탄소나노튜브 등의 탄소재료를 공유결합에 의해 연결시키고 있는 탄소계 혼합재료를 함유하고 있어 열전도성 및 방열성이 우수하고, 기계적 물성 및 내부식성이 뛰어나며, 경량이고, 생산성도 우수한 특징을 갖는다.

한편, 상기 절연층(3)은 상기 플레이트(1)의 상측면에 형성되며, 플레이트(1)와 전기전도층(5) 사이의 절연성 및 결합력을 부여하는 역할을 한다.

일 실시예로, 상기 절연층(3)은 프리프레그(prepreg)로 이루어질 수 있다. 프리프레그는 preimpregnated material의 약자로 결합재(matrix)를 강화섬유(reinforce fiber)에 미리 함침시켜 반경화 상태로 형성한 시트 형태의 제품이다.

이 프리프레그를 상기 플레이트(1)와 전기전도층(5) 사이에 삽입하고, 프리프레그의 소성 온도 이상으로 가열해주면서 가압하면 단단한 결합력을 갖는 하나의 구조체를 형성할 수 있는 바, 후술하는 제조방법의 일체화단계(S10)에 해당한다.

한편, 상기 제2탄소계 재료는 탄소나노튜브와 그래핀의 혼합조성물로 이루어지며, 상술한 바와 같이 상기 제1탄소계 재료보다도 더 열전도성이 우수한 특성을 가진다.

참고로, 상기 제2탄소계 재료는 탄소나노튜브 (입자크기 10~30㎚) 1~20%, 그래핀(입자크기 2~20㎚) 1~20%, 유기 변성 폴리실록산 (AFCONA) 5~20%, 에틸알콜 50~80%등의 소재를 액화질소를 통한 균질화 및 초음파를 통한 분산 과정을 거친 후, 교반하면서 응축하고, 이 응축된 소재에 열경화성수지 및 경화제를 첨가하여 점착혼합기에서 혼합하여 생성한다.

따라서, 상기한 바와 같은 방열형 PCB의 전기전도층(5)에 실장되는 LED와 같은 발열 집중 부품(P)의 하측에 상기 제2탄소계 재료로 이루어진 전열로드(9)의 상단부가 접촉하여, 상기 발열 집중 부품(P)에서 발생되는 열을 다른 부위보다 신속하게 상기 제2탄소계 재료로 이루어진 방열층(11)으로 전달하여 방열함으로써, 상기 발열 집중 부품의 신속하고 원활한 냉각을 도모하고, 이에 의해 상기 발열 집중 부품이 인접 부품이나 기판 전체의 온도를 상승시키는 정도를 현저히 저감 내지는 방지하여, 제품의 내구성과 안정성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있도록 하게 된다.

한편, 상기 전열로드(9)는 상기 발열 집중 부품에 접촉하기 위한 상단부가 상기 전기전도층(5) 이상으로 돌출되게 형성될 수 있다.

이는 상기 전기전도층(5)에 납땜으로 실장되는 발열 집중 부품의 하측 발열면에 상기 전열로드(9)가 접촉하는 접촉성을 향상시켜서, 상기 발열 집중 부품의 실질적인 냉각 성능 향상에 크게 기여할 수 있도록 하기 위한 것이다.

이를 위해, 상기 전열로드(9)의 상단부는 상기 전기전도층(5)과 최소한 동일한 높이로부터 0.3 mm 이내의 범위로 더 돌출되도록 구성할 수 있을 것이다.

한편, 도 8은 도 1과는 다른 타입의 LED가 실장된 본 발명에 따른 방열형 PCB의 다른 실시예를 도시한 것으로서, 구체적으로 도 1에 사용된 발열 집중 부품인 LED는 그 중앙 하측에 대응되는 방열형 PCB의 부분에 회로 패턴 등과 같은 다른 구성이 없으므로, 이 부분에 상기 냉각홀(7)을 형성하여, 상기 전열로드(9)가 LED의 중앙 하측면에 접촉하도록 구성하였으나, 도 8의 경우에는 발열 집중 부품(P)인 LED의 하측면에 전기를 공급하기 위한 솔더링이 이루어지게 되어 있어서, LED의 하측면에 대응되는 부위에 상기 냉각홀을 형성할 수는 없는 구조이므로, 냉각홀(7)을 LED의 측방 양쪽에 각각 형성하여, 상기 냉각홀(7)에 채워져서 형성되는 전열로드(9)가 LED의 측면에 접촉하여 열을 전달하도록 구성된 것이다.

참고로, 도 8의 냉각홀(7)들 중 일부는 상기 전열로드(9)가 채워진 상태이지만, 나머지는 그대로 냉각홀(7)상태로 있는 것을 함께 표시하여, 전열로드(9)와 냉각홀(7)의 이해를 돕도록 하였다.

이 경우, 상기 전열로드(9)는 도시된 바와 같은 4각 단면으로 형성되어 LED의 측면과 면접촉을 할 수 있도록 하는 것이 열전달 면적 확보에 유리하며, 전열로드의 돌출량도 상기 전기전도층 보다 0.5mm 이상 더 돌출되는 것이 열전달 면적 확보에 더욱 유리할 것이다.

상기한 바와 같은 방열형 PCB을 제조하는 본 발명에 따른 제조방법의 제1실시예는 도 4에 도시된 바와 같이, 제1탄소계 재료로 이루어진 플레이트(1)의 상측면에 절연층(3)과 전기전도층(5)을 차례로 중첩하고 가열 가압하여 일체화하는 일체화단계(S10)와; 상기 일체화단계(S10)를 거친 플레이트(1)에 냉각홀(7)을 천공하는 천공단계(S20)와; 상기 냉각홀(7)에 상기 제1탄소계 재료보다 열전도성이 우수한 제2탄소계 재료를 주입하는 주입단계(S30)와; 상기 냉각홀(7)에 주입된 제2탄소계 재료를 건조시키는 1차건조단계(S40)와; 상기 1차건조단계(S40)를 거친 플레이트(1)의 하측면에 상기 냉각홀(7)에 주입된 제2탄소계 재료와 일체화되어 연결되는 상태로 제2탄소계 재료를 도포하는 도포단계(S50)와; 상기 도포단계(S50)에서 도포된 제2탄소계 재료를 건조시키는 2차건조단계(S60)를 포함하여 구성된다.

즉, 상기 일체화단계(S10)에 의해 플레이트(1)의 상측면에 절연층(3)과 전기전도층(5)을 일체화한 상태에서, 상기 천공단계(S20)에 의해 냉각홀(7)을 형성하고, 상기 주입단계(S30)에서 상기 제2탄소계 재료를 상기 냉각홀(7)에 주입하여 상기 전열로드(9)를 형성하고 1차건조단계(S40)를 수행한 후, 상기 도포단계(S50)를 통해 상기 제2탄소계 재료로 이루어진 방열층(11)을 상기 플레이트(1)의 하측면에 일체로 형성하고 상기 2차건조단계(S60)를 수행함으로써, 상기 전열로드(9)와 방열층(11)은 제2탄소계 재료로 이루어지면서 서로 일체로 연결되어, 상기 발열 집중 부품에서 발생된 열을 신속하게 이동시켜 방출할 수 있도록 하는 통로 및 구조를 형성하게 한 것이다.

한편, 상기한 바와 같이, 상기 전열로드(9)의 상단부는 상기 전기전도층(5)과 동일한 높이 또는 그 이상 약 0.3mm 이내의 범위에서 돌출된 상태로 형성하는 것이 실장되는 발열 집중 부품과의 접촉상태 확보에 보다 유리하다.

상기 전열로드(9)의 상단부 높이를 상기 전기전도층(5)과 동일하게 형성하는 방법으로는, 상기 전기전도층(5)에 회로 패턴을 형성하기 위해 드라이필름을 부착한 후, 그 위에 원하는 회로 패턴이 그려진 아트워크 필름을 밀착한 상태에서 자외선을 조사하는 노광 공정을 수행할 때, 상기 아트워크 필름에 원하는 회로 패턴과 함께 상기 냉각홀(7)에 해당하는 위치에도 자외선이 조사되도록 한 상태에서 노광 공정을 수행하여, 이후 탄산나트륨 또는 탄산칼륨으로 제조된 현상액으로 상기 드라이필름 중 자외선이 조사되지 않은 부분은 제거하고 상기 원하는 회로 패턴과 냉각홀(7) 해당 위치만 잔류하도록 하는 현상 공정과, 상기 드라이필름이 제거된 부분의 노출된 동박층을 에칭 공정으로 제거한 후, 박리 공정에서 상기 원하는 회로 패턴 부분과 냉각홀(7) 위치의 경화된 드라이필름을 제거하는 일련의 과정을 거치면, 상기 전열로드(9)의 상단부는 상기 전기전도층(5)과 동일한 높이로 형성되게 되고, 이는 상기 전기전도층(5)에 납땜 등으로 결합되는 발열 집중 부품의 하측면에 상기 전열로드(9) 상단부가 잘 접촉하도록 하여, 원하는 냉각 효과를 달성할 수 있게 하는 것이다.

한편, 상기 전열로드(9)의 상단부가 상기 전기전도층(5)과 동일한 높이로 형성되는 경우, 실질적으로 해당 발열 집중 부품(P)을 전기전도층(5)에 납땜하여 실장할 때, 작업 방법이나 해당 부품의 상태 등에 여러 가지 원인에 의해, 상기 전열로드(9)의 상단부가 상기 발열 집중 부품의 하측면에 완전히 밀착하기 어려운 경우가 발생할 수 있으며, 이러한 경우를 대비하면 상기 전열로드(9)의 상단부가 상기 전기전도층(5) 보다 약간 더 높게 형성되는 것이 바람직하다.

도 5는 상기한 바와 같은 점을 고려한 본 발명에 따른 방열형 PCB 제조방법의 제2실시예를 도시한 것으로서, 도 6을 참조하여 상기 제1실시예와 비교하면, 상기 플레이트(1)의 전기전도층(5)에 부착될 드라이필름(21)의 상기 냉각홀(7)에 대응되는 위치에 함몰부(23)를 형성하는 필름가공단계(S110)와;

상기 천공단계(S20) 이후 주입단계(S30) 이전에, 상기 드라이필름(21)의 함몰부(23)가 해당 냉각홀(7)에 대응되도록 상기 플레이트(1)의 전기전도층(5)에 상기 드라이필름(21)을 부착하는 필름선부착단계(S120)를 더 포함하여 구성된 것이다.

즉, 상기 필름가공단계(S110)를 통해 드라이필름(21)의 냉각홀(7) 대응 위치에 미리 함몰부(23)를 형성해 두고, 상기 필름선부착단계(S120)를 통해 드라이필름(21)을 상기 플레이트(1)의 전기전도층(5)에 부착한 상태에서, 상기 주입단계(S30)를 수행하면, 상기 냉각홀(7)에 상기 함몰부(23)가 연장되어 형성하는 공간에 상기 제2탄소계 재료가 충진되고, 이후 상기 1차건조단계(S40)를 수행하면, 상기 제2탄소계 재료가 건조됨에 의해 형성되는 상기 전열로드(9)의 상단부는 상기 전기전도층(5)보다 상기 함몰부(23)의 깊이만큼 더 높은 상태가 되는 것이다.

물론, 상기 전열로드(9)는 이후의 도포단계(S50)와 2차건조단계(S60)를 통해 플레이트(1) 하측면에 형성되는 방열층(11)과 일체로 연결되게 되며, 이후 인쇄 회로 패턴을 형성하기 위한 공정에서 드라이필름(21)을 전기전도층(5)에 부착하는 단계는 상기 필름선부착단계(S120)에 의해 생략되며, 그 이후의 공정은 상기 제1실시예 및 기타 종래의 인쇄 회로 기판의 제조공정과 거의 동일하다.

도 6은 본 발명에 따른 방열형 PCB 제조방법의 제3실시예를 도시한 것으로서, 제1탄소계 재료로 이루어진 플레이트(1)의 상측면에 절연층(3)과 전기전도층(5)을 차례로 중첩하고 가열 가압하여 일체화하는 일체화단계(S10)와; 상기 일체화단계(S10)를 거친 플레이트(1)에 냉각홀(7)을 천공하는 천공단계(S20)와; 상기 플레이트(1)에 진동을 가하면서 상기 플레이트(1)의 하측면에 상기 제1탄소계 재료보다 열전도성이 우수한 제2탄소계 재료를 도포하여 상기 플레이트(1)의 냉각홀(7)에 제2탄소계 재료가 충진됨과 동시에 하측면에 도포가 이루어지도록 하는 진동도포단계(S210)와; 상기 플레이트(1)의 냉각홀(7)과 하측면의 제2탄소계재료를 함께 건조시키는 통합건조단계(S220)를 포함하여 구성된다.

즉, 상기 제1실시예와 제2실시예의 주입단계(S30), 1차건조단계(S40), 도포단계(S50) 및 2차건조단계(S60)를 상기 진동도포단계(S210)와 통합건조단계(S220)로 대체한 것으로서, 보다 단순화된 공정으로 신속하고 용이한 생산성을 확보할 수 있도록 한 것이다.

상기 진동도포단계(S210)에서는 상기 플레이트(1)에 진동을 인가하면서 상기 제2탄소계 재료를 도포함에 의해, 상기 제1실시예의 도포단계(S50)에 상당하는 공정으로 상기 냉각홀(7) 내에 제2탄소계 재료를 충진시킴과 동시에 플레이트(1)의 하측면에 방열층(11)이 될 제2탄소계 재료층이 도포되도록 하는 것이다.

물론, 상기 플레이트(1)에 진동을 가하는 것은 상기와 같은 진동도포단계(S210)에서 상기 냉각홀(7)에 상기 제2탄소계 재료가 용이하게 주입되도록 하는 것으로서, 상기 냉각홀(7) 내에 제2탄소계 재료의 용이한 주입을 위해, 이외에도 상기 진동도포단계(S210) 도중에 상기 냉각홀(7) 상측에서 가압공기를 분사하여 상기 제2탄소계 재료를 냉각홀(7) 내에 밀어 넣거나 다수회 도포를 통해 냉각홀(7)에 보다 확실히 제2탄소계 재료가 주입되도록 할 수 있다.

참고로, 도 1의 미설명부호 6은 전기전도층(5)의 상측면을 감싸는 2차절연층을 나타내며, 8은 발열 집중 부품(P)을 전기전도층(5)에 납땜한 솔더층을 나타낸다.

본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

1; 플레이트
3; 절연층
5; 전기전도층
7; 냉각홀
9; 전열로드
11; 방열층
P; 발열 집중 부품
S10; 일체화단계
S20; 천공단계
S30; 주입단계
S40; 1차건조단계
S50; 도포단계
S60; 2차건조단계
S110; 필름가공단계
S120; 필름선부착단계
S210; 진동도포단계
S220; 통합건조단계

Claims

제1탄소계 재료로 이루어지고, 상측면에 절연층(3)과 전기전도층(5)이 차례로 중첩된 플레이트(1)와;
상기 플레이트(1)에 장착되는 부품들 중 발열 집중 부품의 위치에 상기 플레이트(1)를 관통하도록 형성된 냉각홀(7)과;
상기 냉각홀(7)을 관통하여 채워져서 일단은 상기 발열 집중 부품에 접촉하고 타단은 상기 플레이트(1)의 하측면으로 연장되며, 상기 제1탄소계 재료보다 열전도성이 우수한 제2탄소계 재료로 이루어진 전열로드(9)와;
상기 전열로드(9)와 동일한 재료로 일체로 연결되도록 상기 플레이트(1)의 하측면에 중첩된 방열층(11)과;
상기 플레이트(1)의 전기전도층(5)에 부착되며, 상기 냉각홀(7)의 대응 위치에 함몰부(23)가 형성된 드라이필름(21);을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 방열형 PCB.
청구항 1에 있어서,
상기 제1탄소계 재료는 탄소계 혼합재료, 고분자 수지 및 규산염을 포함하여 이루어지고;
상기 탄소계 혼합재료는 탄소재료 분산물 및 흑연재료를 포함하며;
상기 탄소재료 분산물은 탄소나노튜브, 그래핀 및 카본 파이버로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 탄소재료 및 용매를 포함하고;
상기 흑연재료는 인상흑연(crystalline graphite), 인조흑연(synthetic graphite), 토상흑연(amorphous graphite) 및 팽창흑연(expandable graphite)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상이며;
상기 고분자 수지는 폴리아미드 수지, 폴리카보네이트 수지, 폴리페닐렌 설파이드 수지, 폴리부틸렌 테레프탈레이트 수지, 폴리프로필렌 수지, 폴리에틸렌 수지, 폴리메틸 메타크릴레이트 수지, 에틸렌 비닐 아세테이트 수지, 폴리 비닐 부틸랄 수지 및 폴리 에테를 케톤 수지로 이루어진 군으로부터 선택되는 일 이상이고;
상기 규산염은 규산칼륨, 규산나트륨, 산화규소, 질화규소 및 탄화규소로 이루어진 군으로부터 선택되는 일 이상이며,
상기 제2탄소계 재료는 탄소나노튜브와 그래핀의 혼합조성물로 이루어진 것
을 특징으로 하는 방열형 PCB.
청구항 2에 있어서,
상기 전열로드(9)는 상기 발열 집중 부품에 접촉하기 위한 상단부가 상기 전기전도층(5) 이상으로 돌출되게 형성된 것
을 특징으로 하는 방열형 PCB.
제1탄소계 재료로 이루어진 플레이트(1)의 상측면에 절연층(3)과 전기전도층(5)을 차례로 중첩하고 가열 가압하여 일체화하는 일체화단계(S10)와;
상기 플레이트(1)의 전기전도층(5)에 부착될 드라이필름(21)의 냉각홀(7)에 대응되는 위치에 함몰부(23)를 형성하는 필름가공단계(S110)와;
상기 드라이필름(21)의 함몰부(23)가 해당 냉각홀(7)에 대응되도록 상기 플레이트(1)의 전기전도층(5)에 상기 드라이필름(21)을 부착하는 필름선부착단계(S120)와;
상기 일체화단계(S10)를 거친 플레이트(1)에 냉각홀(7)을 천공하는 천공단계(S20)와;
상기 플레이트(1)에 진동을 가하면서 상기 플레이트(1)의 하측면에 상기 제1탄소계 재료보다 열전도성이 우수한 제2탄소계 재료를 도포하여 상기 플레이트(1)의 냉각홀(7)에 제2탄소계 재료가 충진됨과 동시에 하측면에 도포가 이루어지도록 하는 진동도포단계(S210)와;
상기 플레이트(1)의 냉각홀(7)과 하측면의 제2탄소계재료를 함께 건조시키는 통합건조단계(S220);
를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 방열형 PCB 제조방법.