KR102160574B1 - 국부변위강화 방식 pcb - Google Patents

Abstract

본 발명의 국부변위강화 방식 PCB(1)는 납땜(7)되는 기판(3)과 소자 부품(5)의 사이로 산화 알루미늄(Al₂O₃)과 이트리아 안정화 지르코니아(Yttria-Stabilized Zirconia) 및 가소제가 혼합된 충진재(10)가 위치되어 경화시 소자 부품(5)의 취성을 부착(Paste) 강성으로 보강해줌으로써 3점 굽힘 시험의 변형인가조건이외의 국부변형조건에서도 부품보호기능이 유지될 수 있고, 특히 큰 값의 파손하중과 파손변위 확보가 부품 납땜부 경계부를 통해 이루어짐으로써 부품 파손 방지가 크게 개선되는 특징을 갖는다.

Description

국부변위강화 방식 PCB{Local Displacement Enhancement Type Printed Circuit Board}

본 발명은 PCB 적용 충진재에 관한 것으로, 특히 부품과 납땜부 사이에 특정 물성의 충진재가 구비되어 국부변위에 강한 PCB에 관한 것이다.

일반적으로 PCB(Printed Circuit Board)는 구분 실장된 여러 소자의 부품들이 이어지는 전기회로 및 신호처리회로를 기판회로로 탑재하고, 부품과 기판회로를 솔더링(Soldering 접합의 납땜부로 연결한다.

그러므로 PCB는 부품보호성능을 충족하여야 하고, 이러한 부품보호성능은 변위인가에 의한 부품 파손 하중이 측정되는 기판변형모사 시험으로 확인된다.

일례로 3점 굽힘 시험은 PCB에 대한 기판변형모사시험으로서, 이는 인가된 변위로 PCB 기판이 휘면서 PCB에 실장된 부품에서 파손이 발생되는 파손하중/파손변위를 측정하여 준다. 이 경우 파손하중과 파손변위는 클수록 PCB에 더 많은 변형이나 하중이 인가되어야 부품이 파손됨을 의미한다.

이와 같이 PCB는 3점 굽힘 시험을 통해 그 성능이 보증된다.

일본특개 2001-53475(2001.2.23)

하지만 3점 굽힘 시험은 PCB 기판의 양쪽이 지지된 상태에서 중앙부위로 변형을 인가함으로써 국부하중에 대한 검증이 이루어지지 못하는 방식이다.

그 결과 PCB는 제품 생산 공정이나 제품 작동 중 외력이 국부적적으로 가해져 변형을 일으키는 상황에선 부품보호에 미흡할 수밖에 없다.

특히 센서 실장부에 적용된 PCB에서 발생된 국부변형은 센싱 검출값에 대한 부정확 및 오류를 발생시키고, 심할 경우 센서로서 기능하지 못할 수 있다.

이에 상기와 같은 점을 감안한 본 발명은 기판의 파손하중과 파손변위가 부품 이탈이 방지되는 큰 값을 가짐으로써 3점 굽힘 시험의 변형인가조건이외의 국부변형조건에서도 부품보호기능이 유지될 수 있고, 특히 큰 값의 파손하중과 파손변위 확보가 부품 납땜부 경계부를 통해 이루어짐으로써 부품 파손 방지가 크게 개선되는 국부변위강화 방식 PCB의 제공에 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 PCB는 기판과 소자 부품의 사이에서 경화되고, 상기 소자 부품의 취성을 부착강성으로 보강해 주는 충진재가 포함되는 것을 특징으로 한다.

바람직한 실시예로서, 상기 충진재는 세라믹 재질이다.

바람직한 실시예로서, 상기 충진재는 산화 알루미늄(Al₂O₃)과 이트리아 안정화 지르코니아(Yttria-Stabilized Zirconia)로 이루어지며, 상기 산화 알루미늄은 50% 퍼센트 비율로 하고, 상기 이트리아 안정화 지르코니아는 50% 퍼센트 비율로 혼합된다.

바람직한 실시예로서, 상기 충진재는 산화 알루미늄(Al₂O₃)과 이트리아 안정화 지르코니아(Yttria-Stabilized Zirconia) 및 가소제로 이루어지며, 상기 가소제는 상기 산화 알루미늄과 상기 이트리아 안정화 지르코니아에 대해 10% 퍼센트 비율로 추가된다.

바람직한 실시예로서, 상기 충진재는 상기 소자 부품에 대해 충진재 길이비를 0.75~0.85로 형성해 주고, 상기 소자 부품에 대해 충진재 높이비를 0.15~0.2로 형성해 준다.

바람직한 실시예로서, 상기 소자 부품은 탄성계수 310 GPa 및 열팽창계수 7.6 ㎛/m℃의 물성인 산화 알루미늄(aluminium oxide)(Al₂O_{3 )} 또는 탄성계수 14 GPa 및 열팽창계수 14.0 ㎛/m℃의 물성인 FR-4(High TG 150°-170°)이다.

바람직한 실시예로서, 상기 소자 부품은 상기 충진재가 도포된 상기 기판과 납땜되고, 상기 납땜은 탄성계수 19.3 GPa 및 열팽창계수 22.0 ㎛/m℃의 물성인 무연납 또는 무연솔더합금이다.

바람직한 실시예로서, 상기 충진재는 상기 납땜 후 경화된다.

이러한 본 발명의 PCB는 국부변위강화가 이루어짐으로써 하기와 같은 작용 및 효과를 구현한다.

첫째, 세라믹 충진재(예, Paste Ceranic)를 이용함으로써 기존 에폭시계 수지로 대응불가하던 외부 하중 및 열변형에 대한 PCB 부품 구조 강건화가 이루어진다. 둘째, 기판과 부품 하부를 이용한 세라믹 충진재의 충진으로 PCB 부품 구조 강건화를 위한 PCB 구조변경이 없다. 셋째, PCB 제조 공정 중 PCB 기판 변형에 의해 발생하는 PCB 부품 파손이 크게 개선된다. 넷째, 센서 실장부에 적용되어 작동 중 PCB에 국부 하중이 가해지더라도 PCB 부품 구조 강건화로 PCB 변형에 따른 PCB 부품 파손이 저감되거나 방지된다. 다섯째, PCB 조립 공정 중 PCB 변형으로 인해 변형부 인근의 부품에서 발생되던 인접 부품 파손 발생을 방지하여 공정불량률 개선이 이루어지고, 특히 열충격에 대한 내구성 강화로 ES시험 중 불량률을 크게 개선하여 준다. 여섯째 PCB를 사용하는 각종 검출장치가 국부변위강화 방식 PCB 성능으로 동작 안정성을 확보할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 국부변위강화 방식 PCB의 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 국부변위강화 방식 PCB가 갖는 굽힘 영향성의 성능 시험 비교도이며, 도 3은 본 발명에 따른 국부변위강화 방식 PCB가 갖는 열변형 영향성의 성능 시험 비교도이다.

이하 본 발명의 실시 예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명하며, 이러한 실시 예는 일례로서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.

도 1을 참조하면, 국부변위강화 방식 PCB(Printed Circuit Board)(1)는 기판(3), 소자 부품(5), 납땜(7) 및 충진재(10)를 포함한다.

일례로 상기 기판(3)은 구분 실장된 여러 소자의 부품들이 이어지는 전기회로 및 신호처리회로를 기판회로로 탑재한다. 상기 소자 부품(5)은 탄성계수 310 GPa 및 열팽창계수 7.6 ㎛/m℃의 물성인 산화 알루미늄(aluminium oxide)(Al₂O_{3 )} 또는 탄성계수 14 GPa 및 열팽창계수 14.0 ㎛/m℃의 물성인 FR-4(High TG 150°-170°)를 적용할 수 있다. 상기 납땜(7)은 탄성계수 19.3 GPa 및 열팽창계수 22.0 ㎛/m℃의 물성인 무연납/무연솔더합금(Sn-3.0 Ag-0.5Cu)을 적용할 수 있다.

특히 상기 충진재(10)는 파손에 취약한 PCB 부품은 대부분 산화 알루미늄(Al₂O₃)과 같이 취성이 높은 세라믹 재질이므로 부착(Paste)의 강성이 높은 충진재로 제조한다.

일례로 상기 충진재(10)는 산화 알루미늄(Al₂O₃) 50%와 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ, Yttria-Stabilized Zirconia) 50%로 혼합된 퍼센트 비율로 제조된다. 특히 상기 충진재(10)는 산화 알루미늄(Al₂O₃)과 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ, Yttria-Stabilized Zirconia)의 혼합에 대해 가소제 10%가 추가된 퍼센트 비율로 제조될 수 있다.

그 결과 상기 충진재(10)는 Al₂O₃ 50%/YSZ 50%의 물성으로 인해 열변형 시 부품에 미치는 영향성은 낮으면서 에폭시계 수지가 대응하지 못하는 외부 하중 또는 열변형에 의한 PCB 변형의 대책이 가능함으로써 기존의 에폭시계 수지가 온도 변화 시 부품 자체의 열변형을 완충하거나 방열성을 갖고 부품의 열을 외부로 전달함과 같이 주로 부품 자체 열변형에 대한 대책에 머물지 않고 PCB 변형 자체에 대한 대책이 가능하다.

그러므로 상기 국부변위강화 방식 PCB(Printed Circuit Board)(1)을 조립하려면, 기판(3)의 부품실장영역(즉, 소자 부품(5)의 실장영역)에 도포한 후 소자 부품(5)을 위치시킨다. 이어 충진재(10)를 납땜(7)이 둘러쌓도록 기판(3)과 소자 부품(5)의 주변을 납땜(7)하여준다.

이어 상기 충진재(10)가 경화될 때 까지 기다림으로써 PCB(1)에 대한 소자 부품(5)의 납땜이 완료된다. 이 경우 충진재 경화는 자연 경화방식을 적용하나 인위적인 바람을 이용한 강제 경화방식을 적용할 수 있다.

특히 상기 충진재(10)의 레이아웃은 하기와 같이 정해진다.

표 1은 충진재 길이비(La/Lb)와 충진재 높이비(h/H)를 이용한 충진재(10)의 최적 레이아웃 설계 예를 나타낸다.

상기 소자 부품(5)의 부품 길이 Lb에 대해 상기 충진재(10)의 충진재 길이 La로 하고, 상기 소자 부품(5)의 부품 높이 H에 대해 상기 충진재(10)의 충진재 높이 h로 한다.

그러면 충진재 길이비 La/Lb가 약 0.75~0.85일 때 소자부품(5)에 대한 최적 레이아웃으로 결정되고, 충진재 높이비 h/H가 약 0.15~0.2일 때 소자부품(5)에 대한 최적 레이아웃으로 결정됨이 표 1로부터 입증된다.

한편 도 2 및 도 3은 PCB((1)에 대한 충진재(10)의 적용/비적용 성능 시험 비교도를 예시한다.

도 2의 굽힘 영향성(A)을 참조하면, 충진재(10)를 적용한 국부변위강화 방식 PCB(1)는 충진재(10)를 적용하지 않은 기존의 PCB 대비 파손강도 최소 5% 증가됨이 입증된다.

또한 도 3의 열변형 영향성(B)을 참조하면, 충진재(10)를 적용한 국부변위강화 방식 PCB(1)는 충진재(10)를 적용하지 않은 기존의 PCB 대비 취약부 응력 최대 5% 증가됨이 입증된다.

그러므로 상기 성능 시험 비교도로부터, 충진재(10)를 적용한 국부변위강화 방식 PCB(1)는 하기와 같은 작용 및 효과를 획득할 수 있다.

첫째 공정불량률 개선으로, 이는 PCB(1)의 조립 공정 중 PCB(1)의 변형으로 인해 변형부 인근의 부품에서 발생된 파손이 충진재(10) 적용으로 공정 중 파손 발생이 없음에 따른다, 둘째 ES시험 중 불량률 개선으로, 이는 타 시험 대비 PCB 부품(즉, 소자 부품(5))의 파손 측면에서 열충격 시험이 가장 취약하여 간헐적 부품 파손이 발생하였으나 충진재(10) 적용으로 시험 중 파손률이 약 80% 이상 감소됨에 따른다.

이와 같이 충진재(10)의 적용 시 열변형에 의한 영향은 미소한 반면 파손강도 증대에 유리하고, 충진재(10)로 인접 부품 간 기계적물성의 급격한 변화 완화로 구조강건화가 가능하다.

전술된 바와 같이, 본 실시예에 따른 국부변위강화 방식 PCB(1)는 납땜(7)되는 기판(3)과 소자 부품(5)의 사이로 산화 알루미늄(Al₂O₃)과 이트리아 안정화 지르코니아(Yttria-Stabilized Zirconia) 및 가소제가 혼합된 충진재(10)가 위치되어 경화시 소자 부품(5)의 취성을 부착(Paste) 강성으로 보강해줌으로써 3점 굽힘 시험의 변형인가조건이외의 국부변형조건에서도 부품보호기능이 유지될 수 있고, 특히 큰 값의 파손하중과 파손변위 확보가 부품 납땜부 경계부를 통해 이루어짐으로써 부품 파손 방지가 크게 개선된다.

1 : PCB(Printed Circuit Board)
3 : 기판 5 : 소자 부품
7 : 납땜 10 : 충진재

Claims (12)

1. 기판과 소자 부품의 사이에서 경화되고, 상기 소자 부품의 취성을 부착(Paste) 강성으로 보강해 주는 충진재; 가 포함되며,
   상기 소자 부품은 상기 충진재가 도포된 상기 기판과 납땜으로 고정되되, 상기 납땜은 상기 충진재를 둘러쌓아 주는 구조로 상기 기판과 상기 소자 부품을 고정해
   주는 것을 특징으로 하는 국부변위강화 방식 PCB.
   
2. 청구항 1에 있어서, 상기 충진재는 세라믹 재질인 것을 특징으로 하는 국부변위강화 방식 PCB.
   
3. 청구항 1에 있어서, 상기 충진재는 산화 알루미늄(Al₂O₃)과 이트리아 안정화 지르코니아(Yttria-Stabilized Zirconia)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 국부변위강화 방식 PCB.
   
4. 청구항 3에 있어서, 상기 산화 알루미늄은 50% 퍼센트 비율로 하고, 상기 이트리아 안정화 지르코니아는 50% 퍼센트 비율로 혼합되는 것을 특징으로 하는 국부변위강화 방식 PCB.
   
5. 청구항 1에 있어서, 상기 충진재는 산화 알루미늄(Al₂O₃)과 이트리아 안정화 지르코니아(Yttria-Stabilized Zirconia) 및 가소제로 이루어지는 것을 특징으로 하는 국부변위강화 방식 PCB.
   
6. 청구항 5에 있어서, 상기 가소제는 상기 산화 알루미늄과 상기 이트리아 안정화 지르코니아에 대해 10% 퍼센트 비율로 추가되는 것을 특징으로 하는 국부변위강화 방식 PCB.
   
7. 청구항 1에 있어서, 상기 충진재는 상기 소자 부품에 대해 충진재 길이비를 0.75~0.85로 형성해 주는 것을 특징으로 하는 국부변위강화 방식 PCB.
   
8. 청구항 1에 있어서, 상기 충진재는 상기 소자 부품에 대해 충진재 높이비를 0.15~0.2로 형성해 주는 것을 특징으로 하는 국부변위강화 방식 PCB.
   
9. 청구항 1에 있어서, 상기 소자 부품은 탄성계수 310 GPa 및 열팽창계수 7.6 ㎛/m℃의 물성인 산화 알루미늄(aluminium oxide)(Al₂O_{3 )} 또는 탄성계수 14 GPa 및 열팽창계수 14.0 ㎛/m℃의 물성인 FR-4(High TG 150°-170°)인 것을 특징으로 하는 국부변위강화 방식 PCB.
   
10. 삭제
11. 청구항 1에 있어서, 상기 납땜은 탄성계수 19.3 GPa 및 열팽창계수 22.0 ㎛/m℃의 물성인 무연납 또는 무연솔더합금인 것을 특징으로 하는 국부변위강화 방식 PCB.
    
12. 청구항 1에 있어서, 상기 충진재는 상기 납땜 후 경화시켜 주는 것을 특징으로 하는 국부변위강화 방식 PCB.

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