KR102172594B1 - 금속 기판과 다른 부품간의 열팽창 차이 감소를 위한 방열층을 구비한 금속 pcb - Google Patents

Abstract

본 발명은 금속 PCB의 금속 기판과 다른 부품간의 열팽창 차이 감소를 위한 방열층을 구비한 금속 PCB에 관한 것으로, 금속 PCB의 금속 기판에 배치되는 방열층인 고방열 절연성 복합재 시트가 금속 기판과 그 위에 배치되는 부품이나 소재들 간의 열팽창 차이를 감소하도록 함으로써 금속 기판과 다른 부품들 간의 열팽창율 차이로 인한 열충격이나 피로균열을 방지하는 금속 PCB에 관한 것이다.

Description

금속 기판과 다른 부품간의 열팽창 차이 감소를 위한 방열층을 구비한 금속 PCB{A Metal PCB with a high thermal conductance layer for the reduction of thermal expansion difference between metal core and other parts}

본 발명은 금속 PCB의 금속 기판과 다른 부품간의 열팽창 차이 감소를 위한 방열층을 구비한 금속 PCB에 관한 것으로, 보다 상세하게는 금속 PCB의 금속 기판에 배치되는 방열층인 고방열 절연성 복합재 시트가 금속 기판과 그 위에 배치되는 부품이나 소재들 간의 열팽창 차이를 감소하도록 함으로써 금속 기판과 다른 부품들 간의 열팽창율 차이로 인한 열충격이나 피로균열을 방지하는 금속 PCB에 관한 것이다.

최근 자동차, 전기전자 분야 등에서 사용되고 있는 전자 기기는 경량화, 박형화, 소형화, 다기능화가 추구되고 있다. 이러한 전자소자가 고집적화 될수록 더욱 많은 열이 발생하는데, 이러한 방출열은 소자의 기능을 저하시킬 뿐만 아니라 주변 소자의 오작동, 기판 열화 등의 원인이 되고 있어 방출 열을 제어하는 기술에 대해 많은 관심과 연구가 이루어지고 있다.

특히 LED는 투입에너지의 약 85% 정도가 열손실로 전환되어 고온의 방출 열로 인해 접합부의 온도가 계속 증가함으로서 LED 반도체의 수명저하를 일으킨다. LED 반도체의 오작동이 일어나는 평균시간은 소자 작용 온도가 10℃ 상승할 때 수명이 약 2배 감소하는 것으로 알려져 있다.

이를 막기 위해서 high power LED의 경우 도 1과 같이 열전도성이 좋은 금속기판을 이용하는 금속 PCB를 사용하고 있으며, 금속 PCB는 베이스 금속기판의 열전도성을 이용할 수 있어 파워 디바이스나 LED 모듈 등 고 전력이 소모되고 열이 많이 발생되는 부품의 제작에 유리하다.

금속 PCB에서 가장 열방출에 영향을 주는 요소는 방열층으로, 일반적으로 방열층에 사용되는 고분자 수지인 에폭시의 경우 약 0.3W/m.K의 열전도도를 가지며, 고분자수지의 열전도율을 높이기 위하여 금속, 세라믹, 카본 등과 같은 열전도성 필러를 혼합하는 방식이 많이 사용되어 왔다. 금속 PCB의 경우에 방열층이 높은 절연성도 가져야 하므로 전도성이 있는 금속이나 카본 필러보다 절연성이 높은 세라믹 필러가 사용되어야 한다.

그러나, 금속 PCB의 경우 금속기판과 구리회로층 등의 금속 소재를 사용하기 때문에 에폭시 등을 사용한 기존의 에폭시 PCB에 비해 방열 성능이 우수하다는 장점은 있으나, 알루미늄과 같은 금속기판과 금속기판 상에 적층되는 방열층이나 방열층 위에 형성되는 구리와 같은 회로패턴층들이 각기 서로 다른 열팽창계수를 가져 열팽창 차이로 인한 크랙이나 박리가 발생하여 제품의 신뢰성이 저하되는 문제가 있다.

또한, 종래에는 금속 PCB가 방열층과 절연층을 각각 별도로 구비하여 금속 PCB를 박형화, 소형화하는 것이 어려운 문제가 있었다.

본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 금속 PCB의 금속 기판 상에 배치되는 방열층의 복합재 시트에 방열성능이나 절연성능 등을 개선하기 위하여 혼합되는 필러를 이용하여 상기 복합재 시트의 열팽창계수를 조절하여 금속 기판과 다른 부품간의 열팽창 차이를 감소하도록 함으로써 고방열 절연성 복합재 시트가 금속 기판과 회로패턴층이나 다른 부품과의 열팽창 차이를 감소시켜 열충격이나 피로균열을 방지하는 것을 기술적 과제로 한다.

또한 본 발명은 상기 복합재 시트가 우수한 방열 특성과 절연 특성을 하나의 시트로 동시에 만족함으로써 고집적, 고출력 회로에 사용되는 금속 PCB에서 요구되는 열적, 전기적 특성을 만족하는 동시에 금속 PCB의 소형화 및 박형화를 달성하는 것을 기술적 과제로 한다.

일실시예에 따른 본 발명은 금속 기판(110), 금속 기판(110) 상에 형성되는 고방열 절연성 복합재 시트인 방열층(120), 방열층(120) 상에 형성되는 회로패턴층(130)을 포함하는 금속 PCB(100)에 있어서, 방열층(120)의 고방열 절연성 복합재 시트는 에폭시 수지에 실란으로 표면처리가 된 고방열성 및 고절연성 세라믹 필러가 혼합되어 상기 방열층(120)의 열전달율 및 열팽창율을 조절하는 네트워크를 형성함으로써 방열층이 절연기능을 구비하면서 열전달계수는 3 W/(m K) 이상을 달성하는 동시에 금속 기판(110)과 다른 부품간의 열팽창 차이를 감소시키도록 열팽창계수가 조절되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에서 세라믹 필러는 질화알루미늄 또는 실리콘 카바이드 또는 실리콘 카바이드와 질화알루미늄의 혼합물인 것이 특징이다.

또한, 본 발명에서 방열층(120)은 필요에 따라 2층 이상의 복수 층으로 적층될 수 있는 것이 특징이다.

또한, 본 발명에서 알루미늄 합금인 금속 기판(110)측에 가까운 방열층(120)은 알루미늄 합금의 열팽창계수와 근접한 열팽창계수를 갖도록 하고, 회로패턴층(130)에 근접한 추가 방열층(120)은 회로패턴층(130)의 구리 합금의 열팽창계수와 근사하도록 조절되며, 그 사이에 위치하는 복수의 추가 방열층(120)은 고방열 절연성 복합재 시트의 질화알루미늄(AlN) 분말의 부피 충진율을 55% 내지 60%의 범위로 조절하여 방열층(120)의 열팽창계수가 알루미늄 합금의 열팽창계수로부터 구리 합금의 열팽창계수와 근접하도록 서서히 변화시켜서 적층되는 것이 특징이다.

본 발명은 고방열 절연성 복합재 시트의 메트릭스인 고분자 수지에 표면처리가 된 세라믹 필러가 혼합되어 상기 복합재 시트의 열팽창율을 조절하는 네트워크를 형성하도록 함으로써 고방열 절연성 복합재 시트가 금속 기판과 회로패턴층이나 다른 부품과의 열팽창 차이를 감소시켜 열충격이나 피로균열을 방지하는 효과를 가진다.

또한, 본 발명은 상기 복합재 시트가 우수한 방열 특성과 절연 특성을 하나의 시트로 동시에 만족함으로써 고집적, 고출력 회로에 사용되는 금속 PCB에서 요구되는 열적, 전기적 특성을 만족하는 동시에 금속 PCB의 소형화 및 박형화를 달성하는 효과를 가진다.

도 1은 종래의 금속 PCB가 적용된 LED 디바이스
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 PCB의 단면도

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으며 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 2를 참조하면, 일례에 따른 금속 PCB(100)는 금속 기판(110), 방열층(120), 회로패턴층(130)을 포함한다. 본 실시예에서, 금속 기판(110)은 알루미늄(Al), 구리(Cu), 스테인리스 및 마그네슘(Mg) 중에서 선택된 적어도 하나의 금속 또는 그 합금으로 구성될 수 있으나, 이에 한정될 필요는 없다. 이러한 금속 기판(110)은 내구성 및 방열 특성이 우수하여 금속 PCB(100)에 실장된 전기 소자 또는 전자 소자에서 발생하는 열의 배출에 탁월한 성능을 보인다. 이러한 금속 기판(110)은 0.3mm 내지 3.0mm의 두께를 가지지만, 이를 한정하는 것은 아니다. 상기 금속 기판(110)이 알루미늄인 경우에 열팽창계수(CTE; Coefficient of thermal expansion)는 상온에서 대략 17 ppm/℃ 내지 27 ppm/℃ 범위에 있고(ppm: part per million,

m/m ), m: 길이), 구리인 경우에 열팽창계수는 대략 16 ppm/℃ 내지 18 ppm/℃ 범위에 있다.

상기 방열층(120)은 상기 금속 기판(110)의 상부면에 형성된다. 본 실시예에서, 상기 방열층(120)은 절연체인 무기 필러와 열경화성 수지를 함유하는 수지 조성물로 이루어질 수 있으며 금속으로 이루어진 금속 기판(110)과 상기 회로패턴층(130)을 절연하며 50㎛ 내지 200㎛의 두께를 가지지만 이를 한정하는 것은 아니다. 상기 방열층(120)의 열팽창계수는 고분자 수지 종류에 따라 다르지만 에폭시 수지의 경우에 45 ppm/℃ 내지 65 ppm/℃ 범위이고, 폴리아미드 수지의 경우에 100 ppm/℃ 내지 110 ppm/℃ 범위이고, 폴리에스테르 수지의 경우에 110 ppm/℃ 내지 124 ppm/℃ 범위이며, 폴리에틸렌 수지는 108 ppm/℃ 내지 200 ppm/℃ 범위이다.

상기 방열층(120)은 고분자 수지로 형성되는데 고분자 수지는 탄소 간의 공유결합으로 이루어진 물질이므로 이온이나 금속류와 같은 자유 전자가 거의 없어 일반적으로 전기 절연성질을 갖는다. 상기 방열층(120)의 고분자 수지는 예를 들어 에폭시 수지, 폴리이미드 수지, 폴리아미드 이미드 수지, 폴리에스테르 수지 등일 수 있다. 이들 고분자 수지는 금속과의 접착력이 우수하기 때문에 금속 인쇄회로기판의 절연층 소재로 사용하기에 적합하고, 특히 에폭시 수지는 내열성, 내약품성, 내수성 등이 우수하고, 폴리이미드 수지 및 폴리아미드 이미드 수지는 유전율이 낮아 절연 특성이 탁월하다.

그런데, 에폭시 수지는 열팽창계수가 100 ppm/℃을 넘는 다른 종류의 수지와 달리 열팽창계수가 45 ppm/℃ 내지 65 ppm/℃ 범위로 작아서, 본 발명의 방열층(120)은 금속과 접착력이 우수하고 열팽창계수가 작은 에폭시 수지를 기본 메트릭스로 사용한다.

본 발명의 일실시예에 있어서, 에폭시 수지는 하나의 분자에 2개 이상의 에폭시기를 가지는 수지 중 하나의 분자 당 평균 2개를 넘는 에폭시기를 가지는 에폭시 수지이다. 바람직하게는, 에폭시 수지는 비스페놀 A형 에폭시 수지, 비스페놀 F형 에폭시 수지, 비스페놀 S형 에폭시 수지, 페놀 노볼락형 에폭시 수지, 크레졸 노볼락형 에폭시 수지, 알킬페놀 노볼락형 에폭시 수지, 비스페놀형 에폭시 수지, 나프탈렌형 에폭시 수지, 디사이클로펜타디엔형 에폭시 수지, 트리글리시딜 이소시아네이트 및 비환식 에폭시 수지 등으로부터 선택되는 하나 이상의 에폭시 화합물이 사용될 수 있으며, 가장 바람직하게는 비스페놀-A형 수지를 사용할 수 있다.

상기 비스페놀 A타입 에폭시 수지, 및 비스페놀 F 타입 에폭시 수지 등 상기 에폭시 수지들은 메틸에틸케톤(MEK), 디메틸 포름 아마이드(DMF), 메틸셀로솔브(MCS), 카비톨아세테이트, 카비톨, PGMEA, PGME, 톨루엔, 자일렌, NMP, 2-메톡시 에탄올 등에서 선택된 하나 이상을 용매로써 혼합하여 용해하여 사용할 수 있다.

본 발명에 있어서, 이용가능한 에폭시 수지 경화제는 특별히 한정되지 아니하며, 에폭시 조성물에서 통상적으로 사용되는 경화제라면 어떠한 것도 무관하다. 바람직하게는, 본 발명의 에폭시 수지 조성물의 제조에 사용할 수 있는 에폭시 수지 경화제는 아민계, 이미다졸계, 산무수물계 또는 이의 혼합물일 수 있으며, 본 발명의 일 실시예에서 에폭시 수지 및 경화제는 에폭시 수지 대 경화제가 10:1의 중량비로 함유될 수 있다.

그러나, 에폭시 수지를 포함하는 상기 고분자 수지는 일반적으로 0.1 내지 1 W/mK의 낮은 열전도도를 갖는다. 따라서, 상기 고분자 수지를 포함하는 방열층은 회로패턴층(300)으로부터 방출된 열을 효과적으로 상기 금속 기판(100)에 전달할 수 없어 인쇄회로기판의 전체적인 방열 특성이 저하된다. 또한, 열전도도가 낮은 상기 고분자 수지 때문에 회로패턴층(300)의 방열 특성을 개선하기 위해서는 금속 기판(100)의 두께를 증가시켜야 하지만 이는 전체 금속 PCB의 두께를 증가시켜 박형화가 곤란한 문제가 있다.

따라서, 전체적인 두께를 증가시키지 않으면서 방열 특성을 향상시키기 위해, 상기 방열층은 고분자 수지 이외에 고방열성 무기 입자를 필러로 추가할 수 있다. 그러나 방열층(120)의 열전도성을 향상하기 위하여 고분자 수지에 혼합되는 필러가 절연성을 가져야 고분자 수지 복합재의 전체 절연성이 향상되므로 열전도성 향상용 필러로는 절연성 세라믹 필러가 주로 방열층에 사용되고, 산화알루미늄, 질화규소, 탄화규소, 산화규소, 질화붕소, 산화붕소, 질화알루미늄 등이 사용될 수 있다.

특히, 방열층(120)은 질화알루미늄(AlN; Aluminum nitride), 실리콘 카바이드(SiC; Silicon Carbide)와 같이 열전도도가 높은 방열 세라믹 재질로 구성됨이 바람직하다. 종래의 산화피막층을 구성하는 산화알루미늄(Al2O3)의 열전도도는 35(W/mK) 정도 인데 반해, 질화알루미늄(AlN)의 열전도도는 320(W/mK)이고, 실리콘 카바이드(SiC)의 열전도도는 170(W/mK)로 상대적으로 그 열전도도가 매우 높은 재질임을 알 수 있다.

이에 본 발명의 방열층(120)은 질화알루미늄(AlN; Aluminum nitride), 실리콘카바이드(SiC; Silicon Carbide)와 같이 열전도도가 높은 방열 세라믹을 사용하여 금속 인쇄회로 기판의 전체 열전도성을 대폭 향상시킨다. 본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 질화알루미늄(AlN)이나 실리콘카바이드(SiC)와 같은 필러는 에폭시 수지 대비 40 내지 80의 중량비로 첨가되며, 상기 필러의 함량은 방열층의 기계적 특성이나 성형성이 저하되지 않는 범위에서 조절될 수 있다.

특히, 질화알루미늄(AlN)은 낮은 열팽창 계수(3.5~5.3 ppm/℃)와 높은 열전도율(320 W/mK)로 인하여 뛰어난 내열충격 특성을 갖으며, 또한 불소 가스에 대한 내식성으로 인해 열충격과 불소 가스가 사용되는 공정의 활용도가 높고 그 뛰어난 특성으로 인해 최근 수요가 증가하는 소재이다. 특히, 질화알루미늄(AlN)은 뛰어난 열전도율 및 열방사율이 높아 가열시 빠르게 열균형을 확보할 수 있고, 열충력에 강하며, 비교적 우수한 절연성을 확보하여 절연 대응 부품에도 활용이 용이한 장점이 있다. 그러나 질화알루미늄(AlN)은 습기와 반응성이 높아 표면처리를 안하면 Al(OH)3와 NH3를 반응물로 생성하게 되어 열전도율이 현저히 저하되고 방열층을 손상시키는 단점이 있으며, 또한 수지 메트릭스와 상용성이 나쁜 단점이 있다.

그러므로, 본 발명에서는 질화알루미늄(AlN)을 실란으로 표면 개질하여 에폭시 수지와 혼합하여 사용한다. 실란으로 표면 처리된 질화알루미늄(AlN)은 화학적으로 개질되는 실란의 말단기가 이온성이면 알콜과 같은 극성 용매와 상용성이 우수하게 되고, 실란의 말단기가 무극성이면 유기 용매와 상용성이 우수하게 되어 다양한 용매에 대한 분산 특성의 향상을 기할 수 있는 장점이 있다.

본 발명에서는 먼저 질화알루미늄(AlN)을 알칼리 용액에 첨가하여 상온~100 ℃에서 1~5 시간 동안 교반하여 히드록실화시켜서 표면에 수산기가 결합되도록 히드록실화시킨다. 다음에, 상기 히드록실화된 질화알루미늄(AlN)을 알콜계 용매 하에 상온~환류 조건에서 5~12 시간 동안 실란 화합물과 반응시켜 그 표면을 이온성 또는 무극성 말단기를 갖는 실란으로 표면 개질시킨다. 본 발명에서 사용될 수 있는 실란 화합물로는 트리알콕시실란, (RO)3SiR’, 3-아미노프로필트리에톡시 실란, 3-글리시독시 프로필 트리메톡시실란, 비닐 트리 메톡시 실란, 3-메타글리옥시프로필트리메톡시 실란 등을 사용할 수 있으나 이에 반드시 제한되는 것은 아니다.

본 발명의 일실시예와 같이 실란으로 표면 개질된 질화알루미늄(AlN)을 에폭시 수지와 혼합하여 방열층을 제조하면 에폭시 수지내에서 질화알루미늄(AlN)의 분산 안정성이 향상되고 습기로 인한 반응성이 제거되어 질화알루미늄(AlN)과 에폭시 수지간의 결합력 및 분산성이 향상되어 방열층의 열전도율이 대폭 향상되는 효과가 있다.

또한 실리콘 카바이드(SiC)는 공유결합에 의해 생성된 인공광물로서 알루미나와 같은 기타 소재들을 웃도는 경도를 지니고 있으며, 내마모성과 경도가 우수하여 반도체 산업 및 엔지니어링 기계부품으로 사용이 용이한 재질이고, 높은 열전도성(170 W/mK)과 내식성, 내화학성이 우수하며, 낮은 열팽창률(2.77 ppm/℃)로 장기간 사용시에도 파손의 우려가 적은 화합물소재이다. 실리콘 카바이드는 1,200℃이상의 고온조건에서도 안정적이고, 소결법의 변화나 불순물의 투입으로 전기적인 성질(절연성, 저항치)을 조절할 수 있으며, 우수한 내마모성을 지니며, 고온에서도 장기간 사용이 가능하며, 그 강도가 쉽게 변하지 않는 장점이 있다.

본 발명에서는 실리콘 카바이드(SiC)도 질화알루미늄(AlN)과 같은 방법으로 실란으로 표면 개질하여 에폭시 수지간의 결합력 및 분산성 향상을 통하여 방열층의 열전도율을 대폭 향상할 수 있다.

본 발명에서 구현되는 수지 조성물을 이용하여 방열필름, 프리프레그, 동박적층판 및 인쇄회로기판을 제조할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 방열필름은 이 기술분야에 알려져 있는 어떠한 일반적인 방법으로 반경화 상태의 드라이 필름으로 제조될 수 있다. 예를 들어, 롤 코터 (roll coater), 커튼 코터 (curtain coater) 또는 콤마 코터 (comma coater) 등을 사용하여 필름형태로 제조하여 건조한 다음, 이를 기판상에 적용하여 빌드업 방식에 의한 다층 인쇄회로기판 제조시 방열층(방열필름)으로 사용될 수 있다. 이러한 방열필름은 열팽창계수, 열전도율, 유리전이온도 및 인장 강도의 특성을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 방열필름은 인쇄회로기판 제조시 내층으로 사용되는 동박적층판 (CCL) 상에 적층하여 인쇄회로기판 제조에 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 수지 조성물로 제조된 방열 필름을 패턴 가공시킨 회로기판 위에 적층한 다음, 경화시키고, 디스미어 공정을 수행한 다음, 회로층을 전기도금 공정을 통하여 형성시켜 인쇄회로기판을 제조할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 방열필름은 스프레이, 에어리스스프레이, 정전도장, 전착도장, 스크린인쇄, 플로우도장, 스핀도장, 딥핑, 롤코팅 등 을 이용하여 상기 금속 기판(100)상에 형성될 수 있다. 상기 방열필름은 충분한 절연 특성을 발휘하기 위해 30 내지 100 ㎛의 두께로 형성될 수 있다.

스크린인쇄를 이용하여 상기 방열필름을 형성하는 경우 방열필름 위에 형성되는 전극의 회로패턴에 따라 방열필름을 형성하는 것이 용이하므로 방열필름을 구성하는 재료의 손실을 최소화할 수 있다. 또한, 회로패턴에 따라 방열필름을 형성하는 경우, 상기 회로패턴 사이에 확보된 공간에 의해, 방열필름과 금속 기판의 상이한 열팽창계수에 의한 이들 사이의 박리를 회피할 수 있다.

또한, 다른 실시예로 방열필름은 세척된 금속기판(110)의 표면에 방열세라믹 분말을 에어로졸 데포지션 공법을 통해 금속기판(110)의 표면에 증착시킴으로써 형성할 수 있다. 에어로졸 데포지션 공법을 사용하는 경우에는, 분사노즐에 의해 분사되는 세라믹 분말 입자가 금속기판(110)의 표면과 충돌하고, 그 후에 충돌한 세라믹 분말 입자가 파괴되면서 금속기판(110)의 표면에 박히거나 강력한 결합을 함과 동시에 다른 입자가 그 위에 충돌한다. 그리고, 충돌된 입자가 분쇄되어 강한 결합을 이루는 층을 형성하고, 그 위에 다시 다른 입자가 충돌한다. 이와 같이, 에어로졸 데포지션 공정을 통해 세라믹 분말 입자들이 충돌 및 미세한 분쇄 등이 연속적으로 이루어짐으로써 입자들 사이에 미세기공이 없는 치밀한 조직의 방열필름이 형성될 수 있다.

상기 회로패턴층(130)은 상기 방열층(120) 위에 형성된다. 본 실시예에서, 상기 회로패턴층(130)은 구리일 수 있다. 상기 구리의 열팽창계수는 대략 16 ppm/℃ 내지 17 ppm/℃ 범위에 있다.

본 발명의 도 2에 도시된 실시예를 참조하면, 금속 PCB(100)에서 금속 기판(110)은 알루미늄 합금이 사용되고, 회로패턴층(130)은 구리합금이 사용되는데, 알루미늄 합금의 열팽창계수는 21 내지 24 ppm/℃이고 구리 합금의 열팽창계수는 16 내지 18 ppm/℃이므로, 금속 기판과 회로패턴층 사이에 적층되는 방열층(120)의 열팽창계수가 구리와 알루미늄 합금의 열팽창계수 범위 이내인 경우에 구리와 알루미늄 합금간의 열팽창율 차이를 흡수하여 금속 기판 상에 배치되는 부품이나 납땜 연결부의 열충격이나 피로균열을 방지할 수 있다.

따라서, 본 발명은 고방열 절연성 복합재 시트의 매트릭스로 사용되는 에폭시 수지에 실란으로 표면 개질된 질화알루미늄(AlN)나 실리콘 카바이드(SiC)를 혼합하여 방열층을 제조하되, 열팽창율이 3.5 내지 5.3 ppm/℃으로 작은 질화알루미늄(AlN)나 2.77 ppm/℃인 실리콘 카바이드(SiC)로 상기 방열층(120)의 열팽창율을 조절하는 네트워크를 형성함으로써 방열층(120)이 금속 PCB의 열방출율을 향상할 뿐만 아니라 동시에 금속 기판(110)과 회로패턴층(130) 간의 열팽창 차이를 감소시켜 회로패턴층(130)의 박리나 금속 PCB의 휨 현상을 방지하고, 또한 그로 인하여 회로패턴층(130)에 납땜으로 부착되는 다른 부품간의 열변형 차이를 감소시켜 납땜부의 크랙이나 박리를 방지하여 제품의 신뢰성을 향상할 수 있다.

또한, 본 발명에서 방열층(120)이 단일층만으로 금속 기판(110)과 회로패턴층(130)의 열팽창 차이를 충분히 감소시키지 못하면, 복수의 방열층(120)을 적층하고 각 방열층은 금속 기판(110)과 회로패턴층(130)의 열팽창 차이를 서서히 감소시키도록 서로 다른 열팽창율을 가질 수 있다.

[고방열 절연성 복합재 시트의 제조 일례]

다음에, 본 발명의 일 예에 따른 고방열 절연성 복합재 시트의 제조방법을 설명한다.

질화알루미늄(AlN)와 실리콘 카바이드(SiC)는 미국 제조회사(Sigma-aldrich 회사)에서 제조된 구형 분말과 침상형 분말을 사용하였고, 질화알루미늄(AlN)은 구형 분말의 평균입경이 1 내지 12 ㎛ 범위이며, 침상형 분말은 평균 종횡비가 7(평균 길이 4.8 ㎛, 평균 폭 0.7 ㎛ 범위) 정도이다. 실리콘 카바이드(SiC)는 침상형 분말로 평균 종횡비가 13(평균 길이 18.6 ㎛, 평균 폭 1.4 ㎛ 범위) 정도이다.

에폭시 수지로 미국 Shell Chemical의 EPON 813 제품과 EPI-cure 3234 경화제를 에폭시 수지 대 경화제가 10:1의 중량비로 사용되었다.

질화알루미늄(AlN)와 실리콘 카바이드(SiC)를 모두 실란으로 표면 처리하였다. 먼저, 질화알루미늄(AlN)을 알칼리 용액에 첨가하여 상온에서 5 시간 동안 교반하여 히드록실화시켜서 표면에 수산기가 결합되도록 히드록실화시킨다. 다음에, 상기 히드록실화된 질화알루미늄(AlN)을 알콜계 용매 하에 상온에서 10 시간 동안 트리알콕시실란과 함께 반응시킨 후 드라이오븐 95℃에서 건조하여 질화알루미늄(AlN)의 표면을 이온성 또는 무극성 말단기를 갖는 실란으로 표면 개질시켰다. 실리콘 카바이드(SiC)도 질화알루미늄(AlN)과 같은 방법으로 실란으로 표면 개질시켰다.

고방열 절연성 복합재 시트의 제조를 위하여, 먼저 실란으로 표면 처리한 질화알루미늄(또는 실리콘 카바이드 또는 실리콘 카바이드와 질화알루미늄의 혼합물)을 위 에폭시 수지에 24 시간 동안 초음파 처리하여 고루 분산시킨 후 기계식 교반기를 이용하여 50℃ 오일 배스(oil bath) 내에서 24시간 교반시켰다. 교반시킨 혼합물에 경화제인 EPI-cure 3234와 희석제인 Triton-X를 첨가하여 필러가 뭉치지 않고 고르게 분산되도록 계속 교반시켰다. 만일 상기 에폭시 복합수지 조성물을 코팅액으로 제조하려면, 용매(MEK(methyl ethyl ketone)/Toluene = 1/1 v/v)를 첨가하여 점도를 조절하여 열전도성 복합재료 코팅용액을 제조할 수 있다. 그러나 고방열 절연성 복합재 시트의 제조를 위해서는, 용매 첨가 대신에 상기 에폭시 복합수지 조성물을 상온에서 10.5MPa 압력으로 2시간동안 가압한 후 10.5MPa 압력, 50℃ 조건에서 1시간동안 중합과정을 거쳐 고방열 절연성 복합재 시트를 제조할 수 있다.

이하, 실시예를 통해 본 발명에 대하여 상세하게 설명한다.

[실시예 1]

본 발명의 상기 고방열 절연성 복합재 시트의 제조방법에서 실란으로 표면 개질된 질화알루미늄(AlN)의 혼합량을 표 1과 같이 변화시켜 세라믹 충진율에 따른 열전도율 및 열팽창계수의 변화를 분석하였다. 여기서 질화알루미늄(AlN)은 구형 분말의 평균입경이 4 ㎛이고, 구형 분말과 침상형 분말은 부피 비율을 1:1로 하였다.

세라믹 필러 부피 충진율(%)	열전달계수(W/(m K)	CTE(ppm/℃)
30	2.1	50.89
40	2.9	36.53
50	3.4	29.1
55	6.2	25.44
60	8.2	16.83

표 1에 의하면 질화알루미늄(AlN)의 충진율이 커질수록 고방열 절연성 복합재 시트의 열전달계수는 증가하고 열팽창계수는 감소하는 경향을 나타내었는데, 이는 질화알루미늄(AlN)가 에폭시 수지보다 매우 높은 열전달율을 가지고 또한 열팽창계수가 작은 물리적 특성을 가진 것에 기인한다. 한편, 질화알루미늄(AlN)의 충진율이 더 증가하면 더 큰 열전달율 및 더 작은 열팽창계수를 얻을 수 있으나, 복합재 시트의 인장강도와 같은 기계적 성질이나 성형성이 나빠질 수 있으므로, 질화알루미늄(AlN)의 충진율은 달성하고자 하는 열전달율 및 열팽창계수와 기계적 특성이나 성형성 등을 고려하여 설정되어야 한다.

[실시예 2]

다음으로, 상기 고방열 절연성 복합재 시트의 제조방법에서 실란으로 표면 개질된 구형 질화알루미늄(AlN)과 침상형 실리콘 카바이드(SiC)의 비율을 표 2와 같이 변화시켜 세라믹 충진제의 종류에 따른 열전도율 및 열팽창계수의 변화를 분석하였다. 여기서 질화알루미늄(AlN)은 구형 분말의 평균입경이 1.5 ㎛이고, 질화알루미늄(AlN)과 침상형 실리콘 카바이드(SiC)를 합한 세라믹 충진율은 50 부피%로 설정하였다.

SiC:AlN(부피기준)	열전달계수(W/(m K)	CTE(ppm/℃)
1:0	1.7	25
6:1	1.61	24.46
3:1	1.45	22.45
1:1	1.72	24.87
1:3	2.01	23.07
1:6	2.06	24.17
0:1	1.84	24.17

표 2에 의하면 실리콘 카바이드(SiC)와 질화알루미늄(AlN)의 비율이 1:6일 때 열전달율이 가장 크고, 실리콘 카바이드(SiC) 단독으로 사용될 때보다 질화알루미늄(AlN) 단독으로 사용될 때 열전달율이 더 큰 것을 알 수 있어, 열전달율 향상을 위해서는 질화알루미늄(AlN)이 실리콘 카바이드(SiC)보다 더 효율적인 것을 나타낸다.

또한, 표 2에 의하면 열팽창계수는 실리콘 카바이드(SiC)와 질화알루미늄(AlN)의 비율에 따라 크게 변화가 없고, 표 1을 참고하면 세라믹 충진율에 따라 크게 차이가 있다는 것을 알 수 있다.

[실시예 3]

다음으로, 상기 고방열 절연성 복합재 시트의 제조방법에서 실란으로 표면 개질된 구형 질화알루미늄(AlN)과 침상형 질화알루미늄(AlN)의 비율을 표 3과 같이 변화시켜 열전도율 및 열팽창계수의 변화를 분석하였다. 여기서 질화알루미늄(AlN)은 구형 분말의 평균입경이 2 ㎛이고, 구형 질화알루미늄(AlN)과 침상형 질화알루미늄(AlN)를 합한 세라믹 충진율은 50 부피%로 설정하였다.

침상형 Aln : 구형 Aln: (부피기준)	열전달계수(W/(m K)	CTE(ppm/℃)
6:1	2.92	32.3
3:1	3.18	31.44
1:1	3.13	31.07
1:3	3.32	28.2
1:6	2.5	26.76

표 3에 의하면 구형 질화알루미늄(AlN)과 침상형 질화알루미늄(AlN)의 비율 변화는 열전달율보다 열팽창계수에 더 큰 영향을 미치고, 구형 질화알루미늄(AlN) 비율이 클수록 열팽창계수가 작아지는 성향을 보이는 것을 알 수 있다.

[실시예 4]

마지막으로 고방열 절연성 복합재 시트의 제조방법에서 실란으로 표면 개질된 질화알루미늄(AlN)의 충진율을 표 4와 같이 변화시켜 세라믹 충진율에 따른 열팽창계수의 변화를 분석하였다. 여기서 질화알루미늄(AlN)은 구형 분말의 평균입경이 1.5 ㎛으로만 구성하였다.

구형 AlN충진율(부피%)	CTE(ppm/℃)
50	24.17
55	18.96
60	14.5
65	7.43
70	6.28

표 4에 의하면 구형 질화알루미늄(AlN)의 충진율이 커질수록 열팽창계수가 단조롭게(monotonically) 감소하는 경향을 나타내어, 고방열 절연성 복합재 시트의 열전도율이 금속기판의 요구 방열성능을 만족하면, 구형 질화알루미늄(AlN)의 충진율을 조절하여 고방열 절연성 복합재 시트의 열팽창계수를 조절할 수 있다.

[고방열 절연성 복합재 시트의 열전달계수 및 열팽창계수 조절]

본 발명의 실시예 1 내지 4를 참고하여 고방열 절연성 복합재 시트의 열전달율을 금속기판의 요구 방열성능을 만족하도록 조절하는 동시에 열팽창계수도 조절하여 금속 기판의 알루미늄 합금의 열팽창계수인 21 내지 24 ppm/℃과 회로패턴층의 구리 합금의 열팽창계수인 16 내지 18 ppm/℃ 범위 사이에 고방열 절연성 복합재 시트의 열팽창계수가 위치하도록 한다.

예를 들어, 고방열 절연성 복합재 시트의 열전도율이 3 W/(m K) 이상이고 열팽창계수는 알루미늄 금속 기판과 근접하게 하기 위하여 상기 고방열 절연성 복합재 시트의 제조방법으로 제조된 실란으로 표면 개질된 질화알루미늄(AlN)의 구형 분말의 평균입경을 4 ㎛, 에폭시 수지에 충진되는 구형 질화알루미늄(AlN) 분말과 침상형 질화알루미늄(AlN) 분말의 부피 비율을 1:1로 하고, 에폭시 수지 전체에 대한 질화알루미늄(AlN) 분말의 부피 충진율을 50 내지 60% 범위에서 변화시키면서 열팽창계수가 16.83 내지 29.1 CTE(ppm/℃) 범위로 조절할 수 있다.

[조절예 1]

조절예 1에서는, 알루미늄 금속 기판(110) 위에 적층되는 상기 고방열 절연성 복합재 시트의 질화알루미늄(AlN) 분말의 부피 충진율을 55%로 하여 상기 고방열 절연성 복합재 시트의 열팽창계수를 25.44 CTE(ppm/℃)로 조절함으로써 금속 기판인 알루미늄 합금의 열팽창계수인 21 내지 24 ppm/℃와 매우 근사하게 설정할 수 있다. 이 경우에, 상기 고방열 절연성 복합재 시트의 열전달계수는 6.2 W/(m K)이므로 방열 요구조건을 만족한다.

[조절예 2]

조절예 1에서 상기 고방열 절연성 복합재 시트의 열팽창계수 25.44 CTE(ppm/℃)가 금속 기판(110)인 알루미늄 합금의 열팽창계수와 근접하지만, 방열층 위에 적층되는 회로패턴층(130)의 구리 합금의 열팽창계수인 16 내지 18 ppm/℃과는 차이가 있어, 방열층(120)과 회로패턴층(130) 간의 열팽창율 차이를 더 감소시킬 필요가 있다.

따라서, 조절예 1로 제조된 방열층 위에 별도의 방열층을 추가로 적층하여 2층으로 적층할 수 있고, 추가로 적층되는 고방열 절연성 복합재 시트의 질화알루미늄(AlN) 분말의 부피 충진율을 예를 들어, 55% 내지 60%의 범위로 조절하여 상기 고방열 절연성 복합재 시트의 열팽창계수를 16.83 내지 25.44 CTE(ppm/℃)로 조절함으로써 추가로 적층된 방열층의 열팽창계수가 구리 합금의 열팽창계수인 16 내지 18 ppm/℃와 근사하게 설정될 수 있다.

[조절예 3]

조절예 3에서 방열층은 2층 이상의 복수 층으로 적층될 수 있고, 이 때 알루미늄 합금인 금속 기판(110)측에 가까운 방열층은 알루미늄 합금의 열팽창계수와 근접한 열팽창계수를 갖도록 하고, 회로패턴층(130)에 근접한 추가 방열층은 회로패턴층의 구리 합금의 열팽창계수와 근사하도록 조절되며, 그 사이에 위치하는 복수의 추가 방열층은 고방열 절연성 복합재 시트의 질화알루미늄(AlN) 분말의 부피 충진율을 예를 들어, 55% 내지 60%의 범위로 조절하여 방열층의 열팽창계수가 알루미늄 합금의 열팽창계수로부터 구리 합금의 열팽창계수와 근접하도록 서서히 변화시켜서 적층될 수 있다.

이상 본 발명을 구체적인 실시 예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량할 수 있음이 명백하다.

100: 금속 PCB
110: 금속기판
120: 방열층
130: 회로패턴층

Claims (4)

1. 금속 기판(110), 금속 기판(110) 상에 형성되는 고방열 절연성 복합재 시트인 방열층(120), 방열층(120) 상에 형성되는 회로패턴층(130)을 포함하는 금속 PCB(100)에 있어서,
   방열층(120)의 고방열 절연성 복합재 시트는 에폭시 수지에 실란으로 표면처리가 된 고방열성 및 고절연성 세라믹 필러가 혼합되어 상기 방열층(120)의 열전달율 및 열팽창율을 조절하는 네트워크를 형성함으로써 방열층이 절연기능을 구비하면서 열전달계수는 3 W/(m K) 이상을 달성하는 동시에 금속 기판(110)과 다른 부품간의 열팽창 차이를 감소시키도록 열팽창계수가 조절되는 것을 특징으로 하되,
   방열층(120)은 2층 이상의 복수 층으로 적층되는 것이 특징이고,
   알루미늄 합금인 금속 기판(110)측에 가까운 방열층(120)은 알루미늄 합금의 열팽창계수와 근접한 열팽창계수를 갖도록 하고, 회로패턴층(130)에 근접한 추가 방열층(120)은 회로패턴층(130)의 구리 합금의 열팽창계수와 근사하도록 조절되며,
   그 사이에 위치하는 복수의 추가 방열층(120)은 평균입경이 4 ㎛인 구형 질화알루미늄(AlN) 분말과 평균 종횡비가 7(평균 길이 4.8 ㎛, 평균 폭 0.7 ㎛ 범위)인 침상형 질화알루미늄(AlN) 분말의 부피 비율이 1:1이고,
   고방열 절연성 복합재 시트의 질화알루미늄(AlN) 분말의 부피 충진율을 55% 내지 60%의 범위로 조절하여 방열층(120)의 열팽창계수가 알루미늄 합금의 열팽창계수로부터 구리 합금의 열팽창계수와 근접하도록 서서히 변화시켜서 적층되는 것이 특징인, 금속 PCB와 다른 부품간의 열팽창 차이 감소를 위한 방열층을 구비한 금속 PCB.
   
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