KR101918915B1 - 고출력용 led 방열기판의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 금속층간 밀착력을 향상시킬 수 있으며, 균일한 두께로 금속층을 도금할 수 있는 고출력용 LED 방열기판의 제조방법에 관한 것으로, 몰리브덴 또는 텅스텐 중 어느 하나의 재질로, 일면이 LED 기판과 접촉되는 제1 기판층을 형성하는 제1 단계, 상기 제1 기판층의 타면을 전처리하는 제2 단계, 상기 제1 기판층의 타면에 구리 도금, 구리합금 도금, 구리복합 도금 중 어느 하나의 도금으로 제2 기판층을 형성하는 제3 단계, 상기 제2 기판층에 니켈 도금으로 제3 기판층을 형성하는 제4 단계 및 상기 제3 기판층에 금도금으로 제4 기판층을 형성하는 제5 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 금속층간 밀착성을 향상시킬 수 있으며, 균일한 두께로 금속층을 도금할 수 있는 고출력용 LED 방열기판의 제조방법에 관한 것이다.
조명의 광출력을 높이기 위해서는 LED에 높은 전력을 인가해야하나, LED에 전력을 높이 인가할수록 발열량이 높아져 효율이 떨어지게 된다. 이때, 발생된 열이 방출되지 못하면, LED 소자의 온도를 상승시키며, LED 소자의 수명을 저하시키게 된다.
이에 따라, LED 소자 내부에서 발생하는 열을 배출하기 위해 LED 칩 뒤에 방열판을 부착하거나, LED 칩의 패키지 바닥에 열전도 특성이 좋은 재료를 사용하여 LED 소자 내부의 열을 외부로 방출하는 방식이 적용되고 있다.
최근에는 방열효율을 증가시키기 위해 LED 소자에 전원을 공급하는 금속제 리드프레임의 형태를 변형시키거나, 금속제 기판을 사용하는 등 다양한 방식이 연구 개발되고 있다.
일반적으로 LED 기판으로 사파이어 기판이 사용되고 있으나, 사파이어 기판은 열전도성이이 우수하지 않으며, 열에 의해 변형되어 뒤틀리거나 파손될 위험이 있다. 이에 따라, 열전도성이 우수하며, 열에 의한 뒤틀림이나 휨이 적은 금속제 방열기판 즉, 메탈 기판이 사용되고 있다.
이와 관련하여 한국 공개특허공보 제10-2014-0086373호에서는 몰리브덴으로 이루어지는 코어재의 양면에 열전도성이 우수한 금속층이 순서대로 도금되어 있는 LED용 웨이퍼에 대해 개시하고 있다.
하지만, 상기와 같은 선행문헌의 경우 몰리브덴층의 양면에 열전도율이 비교적 낮은 니켈이 도금되어 있어 방열특성이 좋지 못하다는 문제점이 있다.
또한, 몰리브덴의 표면에 구리를 코팅할 경우, 몰리브덴과 구리의 밀착성이 좋지 못해 몰리브덴층 및 구리층간의 박리현상 또는 들뜸 현상이 발생한다는 문제점이 있다.
한편, 전해 도금 시 일반적으로 DC전류를 사용하여 모재를 도금한다. 하지만, 이와 같은 경우 전극간 거리나 경로에 따라 전류분포가 변하게 되며, 도금되는 두께도 변하게 된다. 이와 같은 현상을 해결하고자 펄스 전류를 사용하여 전해도금을 하나 전류밀도, 펄스 전류의 주기 등에 따라 도금층의 균일성이 달라진다. 이에 따라, 도금 소재별 펄스 도금 최적조건을 찾기 위한 연구개발이 활발히 진행되고 있는 상황이다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 금속층간의 밀착성을 향상시킬 수 있으며, 도금층 두께의 균일성을 향상시킬 수 있는 고출력용 LED 방열기판의 제조방법을 제시하는 데, 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 고출력용 LED 방열기판의 제조방법은 몰리브덴 또는 텅스텐 중 어느 하나의 재질로, 일면이 LED 기판과 접촉되는 제1 기판층을 형성하는 제1 단계, 상기 제1 기판층의 타면을 전처리하는 제2 단계, 상기 제1 기판층의 타면에 구리 도금, 구리합금 도금, 구리복합 도금 중 어느 하나의 도금으로 제2 기판층을 형성하는 제3 단계, 상기 제2 기판층에 니켈 도금으로 제3 기판층을 형성하는 제4 단계 및 상기 제3 기판층에 금도금으로 제4 기판층을 형성하는 제5 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 제2 단계는상기 제1 기판층의 타면을 에칭하는 제1 공정과,
상기 제1 공정 이후, 상기 제1 기판층의 타면을 디스머트하는 제2 공정과, 상기 제2 공정 이후, 상기 제1 기판층의 타면을 전해크롬에칭하는 제3 공정과, 상기 제3 공정 이후, 상기 제1 기판층의 타면을 디스머트하는 제4 공정과, 상기 제4 공정 이후, 상기 제1 기판층의 타면을 니켈스트라이크하는 제 5공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
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또한, 상기 제2 단계는 상기 제1 기판층의 타면을 플라즈마 에칭하는 단계인 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 제3 단계는 황산구리, 황산, 탄소 공급원, 보론 공급원 및 첨가제 로 구성된 구리 복합 도금액을 사용하되, 탄소 공급원으로는 C, C4H8O2 또는 C4H6O2 중에서 어느 하나를 사용하며, 보론 공급원으로는 DMAB(dimethyl amine borane complex), TMAB(trimethyl amine borane complex), DEAB(diethyl amine borame complex) 또는 TEAB(tetryl amine borame complex) 중 적어도 어느 하나를 사용하며, 전류밀도 1A/dm2 내지 30A/dm2, 온도 30℃ 내지 60℃, pH 3 내지 5인 환경에서 이루어지는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 제4 단계는 온도가 45 내지 55℃, 전류밀도가 2 내지 10A/dm2, 주파수가 1~2kHz, 듀티 사이클이 70 내지 60%, 피크전류가 5 내지 7ASD인 환경에서 이루어지며, 상기 제 5단계는 온도가 40 내지 65℃, 전류밀도가 0.5 내지 2A/dm2, 주파수가 1~2kHz, 듀티 사이클이 70 내지 60%, 피크전류가 1 내지 2ASD인 환경에서 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 본 발명에 따른 고출력용 LED 방열기판의 제조방법은 도금 전, 기판을 플라즈마 에칭한 후 금속층을 도금하여 도금층 간의 밀착성을 향상시킬 수 있다는 이점이 있다.
또한, 고주파 펄스 도금 조건의 최적화를 통해 도금층 두께의 균일성을 향상시킬 수 있다는 이점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 순서도.
도 2는 본 발명에 따른 도금된 제3 기판층의 두께분포를 나타낸 그래프.
도 3은 본 발명에 따른 도금된 제4 기판층의 두께분포를 나타낸 그래프.
도 2는 본 발명에 따른 도금된 제3 기판층의 두께분포를 나타낸 그래프.
도 3은 본 발명에 따른 도금된 제4 기판층의 두께분포를 나타낸 그래프.
이하, 본 발명의 기술적 사상을 첨부된 도면을 사용하여 더욱 구체적으로 설명한다.
첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상을 더욱 구체적으로 설명하기 위하여 도시한 일예에 불과하므로 본 발명의 기술적 사상이 첨부된 도면의 형태에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명에 따른 고출력용 LED 방열기판의 제조방법에 따른 순서도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 고출력용 LED 방열기판의 제조방법은 제1 단계 내지 제 8단계를 포함하고 있다.
먼저, 제1 단계는 몰리브덴 또는 텅스텐 중 어느 하나의 재질로, 일면이 LED기판과 접촉되는 제1 기판층을 형성하는 단계이다. 제1 기판층은 방열기판의 중심이되는 베이스 금속층으로 열전도율이 높으며, 열팽창계수가 낮은 금속을 활용하는 것이 바람직하다. 몰리브덴은 열전도율은 300K에서 138W/(mK)이고, 열팽창계수는 25℃에서 4.8 um/(mK)이다. 텅스텐의 열전도율은 300K에서 173W/(mK)이고, 열팽창계수는 25℃에서 4.5 um/(mK)이므로 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W) 및 이들의 구리합금은 열전도율이 높고 열팽창률이 낮아 방열판으로 사용하기 적합하다. 하지만, 텅스텐은 고가의 금속이므로 비교적 가격이 저렴한 몰리브덴을 사용하는 것이 바람직하다.
제2 단계는 제1 기판층의 타면을 전처리하는 단계이다. 이때, 제2 단계는 제1 공정 내지 제5 공정을 포함할 수 있다. 제1 공정은 제1 기판층의 타면을 에칭하는 공정이고, 제2 공정은 제1 기판층의 타면을 디스머트하는 공정이다. 이는 에칭 후 생성되는 스머트를 제거하기 위한 과정이다. 제3 공정은 제1 기판층의 타면을 전해크롬에칭하는 공정이고, 제4 공정은 제3 공정에 의해 생성된 스머트를 제거하는 디스머트하는 공정이다. 제5 공정은 제1 기판층의 타면을 니켈스트라이크하는 공정이며, 이는 도금 전, 제1 기판의 타면에 전기를 통해 이물질을 제거하고, 얇은 도금막을 형성하여 제1 기판층의 타면에 도금될 금속층의 밀착성을 향상시키기 위한 과정이다. 이때, 제 5공정은 상온에서 염산 농도 100 내지 300g/L, 염화니켈 농도 50 내지 200g/L로 조성하며, 4 내지 10 A/dm2 전류밀도 하에서, 1 내지 5분간 전기를 통하여 이물질을 벗겨낸 후, 3 내지 10분간 얇은 도금막을 형성하는 방식으로 진행된다. 상기와 같이 제1 내지 제5 공정은 제1 기판층의 타면을 습식 전처리하는 단계로, 전해 에칭을 통해 도금 밀착성을 향상시키고자 수행되는 공정이다.
한편, 제2 단계는 제1 기판층의 타면을 대기압 플라즈마 에칭 처리하는 단계 및 플라즈마 에칭처리된 제1 기판층의 타면을 니켈 스트라이크 하는 단계로 구성될 수 있다. 즉, 건식 전처리단계로 제1 기판층의 타면을 플라즈마로 에칭하여 도금 밀착성을 향상시키고자 한 것이다. 플라즈마 에칭을 수행하는 경우, 일반 습식 에칭공정보다 공정이 간단하며 비용이 저렴하다는 장점이 있다.
또한, 플라즈마 장치의 전압, 및 아르곤의 유량 등을 높여 플라즈마 에칭만 실시 한 후, 제2 기판층을 바로 도금할 수 도 있다
그리고 제 3단계는 제1 기판층의 타면에 구리, 구리합금 도금 또는 구리복합 도금 중 어느 하나의 도금으로 제2 기판층을 형성하는 단계이다. 이때, 제1 기판층의 타면에 제1 기판층 소재보다 열전도율이 높은 구리, 구리합금 도금 또는 구리복합 도금으로 도금층을 형성함으로써 제1 기판층을 통해 전달되는 열을 더 효율적으로 방출할 수 있게 된다.
이때, 제2 기판층을 구리복합 도금하기 위한 도금액으로는 황산구리, 황산, 탄소 공급원, 보론 공급원 및 첨가제 로 구성된 구리 복합 도금액을 사용하며, 탄소 공급원으로는 C, C4H8O2 또는 C4H6O2 중에서 어느 하나를 사용하고, 보론 공급원으로는 DMAB(dimethyl amine borane complex), TMAB(trimethyl amine borane complex), DEAB(diethyl amine borame complex) 또는 TEAB(tetryl amine borame complex) 중 적어도 어느 하나를 사용한다. 이때 첨가되는 탄소는 제2 기판층의 열전도도를 향상시켜주는 역할을 하며, 보론은 제2 기판층의 경도를 향상시켜주는 역할을 한다. 그리고 도금액에는 황산구리가 0.1 내지 1.9M 농도로 첨가되며, 황산이 0.1 내지 0.5M 농도, 탄소 공급원이 0.001 내지 0.01M 농도, 보론 공급원이 0.02 내지 0.019M의 농도로 첨가되는 것이 바람직하다.
또한, 제2 단계는 전류밀도 1A/dm2 내지 30A/dm2, 온도 30℃ 내지 60℃, pH 3 내지 5인 환경에서 이루어진다. 상기 조건은 제2 기판층을 균일한 두께로 전해도금하기 위한 최적의 조건이다.
제4 단계는 제2 기판층에 니켈 도금으로 제3 기판층을 형성하는 단계이다. 이때, 제4 단계는 제3 기판층을 균일하게 도금하기 위해 온도가 45 내지 55℃, 전류밀도가 2 내지 10A/dm2, 주파수가 1~2kHz, 듀티 사이클이 70 내지 60%, 피크전류가 5 내지 7ASD인 환경에서 이루어진다.
그리고, 이때 사용되는 도금액으로는 Nickel sulfamate 300~450g, Nickel chloride 20~30g, Boric acid 30~45g과, wetting agent, Anti-pitter, Brightener를 1~5ml 첨가한 후, 나머지를 증류수로한 1L용액을 사용하는 것이 바람직하다.
도 2는 본 발명에 따른 제3 기판층의 두께분포를 나타낸 그래프이다. 도 2에 도시된 바와 같이 가장 두꺼운 부분과 가장 얇은 부분의 두께 차이가 0.6um로 비교적 고르게 도금된 것을 알 수 있으며, 상기와 같은 조건에서 도금된 제3 기판층의 평균두께는 2.3um이며, 표준편차는 0.09um로 매우 균일하게 도금되는 것으로 나타났다.
제5 단계는 제3 기판층에 금도금으로 제4 기판층을 형성하는 단계이다. 이때, 제5 단계는 제3 기판층을 균일하게 도금하기 위해 온도가 40 내지 65℃, 전류밀도가 0.5 내지 2A/dm2, 주파수가 1~2kHz, 듀티 사이클이 70 내지 60%, 피크전류가 1 내지 2ASD인 환경에서 이루어진다.
그리고, 이때 사용되는 도금액으로는 KAu 12~15g, citric acid 90~115g, cobalt sulfate(or accetate)0.1g을 첨가한 후 나머지를 증류수로한 1L용액을 사용하며. 이때, 용액의 pH는 3.6에서 4.7 사이 인 것이 바람직하다.
도 3은 본 발명에 따른 제4 기판층의 두께분포를 나타낸 그래프이다. 도 3에 도시된 바와 같이 가장 두꺼운 부분과 가장 얇은 부분의 두께 차이가 0.13um로 비교적 고르게 도금된 것을 알 수 있으며, 이와 같은 조건에서 도금된 제4 기판층의 평균두께는 0.26㎛이며, 표준편차는 0.09㎛로 매우 균일하게 도금되는 것으로 나타났다.
<실험예 1>
본 실험예 1에서는 제1 기판층의 처리방법에 따른 금속층간 박리정도를 실험하였다.
몰리브덴으로 이루어진 제1 기판층에 습식에칭 및 전해크롬에칭 처리한 후 제2 기판층을 도금한 방열기판(실시예 1)과, 습식에칭, 전해크롬에칭 및 니켈스트라이크 도금한 후 제2 기판층을 도금한 방열기판(실시예 2)과, 대기압 프라즈마 장비의 조건을 변형시키며 에칭처리한 후 제2 기판층을 도금한 방열기판(실시예3~8)에 대하여, 테이프 박리 테스트 및 기판 구부림 테스트에 의한 박리현상을 관찰하였으며, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
| 전처리 | 대기압플라즈마 | 조건 (℃/m) |
테이프 박리 테스트 | 기판 굽힘 테스트 | |||
| W | Ar(SLM) | 횟수 | |||||
| 실시예 1 | 습식에칭 | - | - | - | 350/15 | 박리 | 박리 |
| 실시예 2 | 습식에칭 및 니켈스트라이크 | - | - | - | 박리현상 없음 | 박리 | |
| 실시예 3 | - | 200 | 5 | 20 | 박리 | 박리 | |
| 실시예 4 | - | 300 | 5 | 20 | 박리현상 없음 | 박리 | |
| 실시예 5 | - | 400 | 5 | 20 | 박리현상 없음 | 박리현상 없음 | |
| 실시예 6 | - | 200 | 10 | 30 | 박리현상 없음 | 박리 | |
| 실시예 7 | - | 300 | 10 | 30 | 박리현상 없음 | 박리현상 없음 | |
| 실시예 8 | - | 400 | 10 | 30 | 박리현상 없음 | 박리현상 없음 | |
상기 표 1에 기재된 바와 같이, 대기압 플라즈마 에칭처리한 방열기판이 도금층간 밀착력이 좋은 것으로 나타났다.
습식에칭 또는 습식에칭과 니켈스트라이크 처리한 방열기판의 경우 굽힘테스트를 실시했을 시, 모두 금속층이 박리되는 것으로 나타났다. 반면, 대기압 플라즈마 에칭처리한 방열기판의 경우 높은 전압을 걸어줄수록, 많은 양의 아르곤을 흘려줄수록 금속층간 밀착력이 향상되어 박리현상이 덜한 것으로 나타났다.
상기 표 2에 기재된 바와 같이, 제1 기판층을 400W의 출력으로, 아르곤의 유량을 5SLM, 20회 반복, 350℃/15m하에서 대기압 플라즈마 에칭처리하거나, 300W의 출력으로 아르곤의 유량을 10SLM, 20회 반복, 350℃/15m하에서 대기압 플라즈마 처리하였을 때, 테이프 테스트 및 굽힘 테스트 시 박리현상이 없는 것으로 나타난 바, 상기와 같은 조건에서 제1 기판층을 대기압 플라즈마 에칭처리한 후, 제2 기판층을 도금하는 것이 금속층간의 밀착력을 극대화시킬 수 있다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
Claims (6)
- 몰리브덴 또는 텅스텐 중 어느 하나의 재질로, 일면이 LED 기판과 접촉되는 제1 기판층을 형성하는 제1 단계;
상기 제1 기판층의 타면을 전처리하는 제2 단계;
상기 제1 기판층의 타면에 구리 도금, 구리합금 도금, 구리복합 도금 중 어느 하나의 도금으로 제2 기판층을 형성하는 제3 단계;
상기 제2 기판층에 니켈 도금으로 제3 기판층을 형성하는 제4 단계; 및
상기 제3 기판층에 금도금으로 제4 기판층을 형성하는 제5 단계;를 포함하며,
상기 제2 단계는,
상기 제1 기판층의 타면을 에칭하는 제1 공정과,
상기 제1 공정 이후, 상기 제1 기판층의 타면을 디스머트하는 제2 공정과,
상기 제2 공정 이후, 상기 제1 기판층의 타면을 전해크롬에칭하는 제3 공정과,
상기 제3 공정 이후, 상기 제1 기판층의 타면을 디스머트하는 제4 공정과,
상기 제4 공정 이후, 상기 제1 기판층의 타면을 니켈스트라이크하는 제 5공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 고출력용 LED 방열기판의 제조방법.
- 삭제
- 삭제
- 몰리브덴 또는 텅스텐 중 어느 하나의 재질로, 일면이 LED 기판과 접촉되는 제1 기판층을 형성하는 제1 단계;
상기 제1 기판층의 타면을 전처리하는 제2 단계;
상기 제1 기판층의 타면에 구리 도금, 구리합금 도금, 구리복합 도금 중 어느 하나의 도금으로 제2 기판층을 형성하는 제3 단계;
상기 제2 기판층에 니켈 도금으로 제3 기판층을 형성하는 제4 단계; 및
상기 제3 기판층에 금도금으로 제4 기판층을 형성하는 제5 단계;를 포함하며,
상기 제2 단계는 상기 제1 기판층의 타면을 플라즈마 에칭하는 단계인 것을 특징으로 하는 고출력용 LED 방열기판의 제조방법.
- 제 1항 또는 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제3 단계는,
황산구리, 황산, 탄소 공급원, 보론 공급원 및 첨가제 로 구성된 구리 복합 도금액을 사용하되, 탄소 공급원으로는 C, C4H8O2 또는 C4H6O2 중에서 어느 하나를 사용하며, 보론 공급원으로는 DMAB(dimethyl amine borane complex), TMAB(trimethyl amine borane complex), DEAB(diethyl amine borame complex) 또는 TEAB(tetryl amine borame complex) 중 적어도 어느 하나를 사용하며,
전류밀도 1A/dm2 내지 30A/dm2, 온도 30℃ 내지 60℃, pH 3 내지 5인 환경에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 고출력용 LED 방열기판의 제조방법.
- 제 1항에 있어서,
상기 제4 단계는,
온도가 45 내지 55℃, 전류밀도가 2 내지 10A/dm2, 주파수가 1~2kHz, 듀티 사이클이 70 내지 60%, 피크전류가 5 내지 7ASD인 환경에서 이루어지며,
상기 제 5단계는,
온도가 40 내지 65℃, 전류밀도가 0.5 내지 2A/dm2, 주파수가 1~2kHz, 듀티 사이클이 70 내지 60%, 피크전류가 1 내지 2ASD인 환경에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 고출력용 LED 방열기판의 제조방법.
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| KR1020170088574A KR101918915B1 (ko) | 2017-07-12 | 2017-07-12 | 고출력용 led 방열기판의 제조방법 |
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| JP2011254044A (ja) * | 2010-06-04 | 2011-12-15 | Takamatsu Mekki:Kk | 半導体搭載用放熱基板の製造方法 |
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2017
- 2017-07-12 KR KR1020170088574A patent/KR101918915B1/ko active
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