KR102526655B1 - 방열형 인쇄 회로 기판 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 다수의 전기 전자적 부품이 실장되고 전자 회로가 인쇄된 기판의 부품 중 고온으로 동작하는 부품을 선택적으로 냉각시킬 수 있음은 물론 전열 효과가 우수한 재질로 기판을 형성하여 방열 효과를 더욱 향상시킬 수 있도록 한 방열형 인쇄 회로 기판에 관한 것으로,
프리프레그로 이루어진 절연층(3)이 상면에 적층된 기판본체(1); 전기 전자적 부품을 연결하는 회로를 형성하며 절연층의 상부에 인쇄되는 전기전도층(5); 기판본체(1)의 저면에 적층되어 열을 방출하는 방열층(11);을 포함하고, 상기 기판본체(1)는 탄소계 혼합재료 20~60중량%와, 고분자 수지 20~60중량%, 규산염 5~20중량%를 포함하는 제1탄소계재료로 이루어지며, 상기 탄소계 혼합재료는 흑연재료의 입자 사이를 탄소재료 분산물에 함유되어 있는 탄소재료가 공유결합에 의해 연결시키도록, 탄소나노튜브와 그래핀 및 카본 파이버로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 소재가 파쇄되어 용매에 분산되어 이루어지는 탄소재료 분산물 2~20중량%와 흑연재료 80~98중량%를 포함하여 이루어지고, 상기 흑연재료는 판상흑연에 비하여 수평방향 열전도도가 감소하더라도 수직방향 열전도도가 증가하여 전체적인 열전도도가 증가하도록, 판상흑연 65~80중량%와, 구상흑연 20~35중량%가 혼합되어 이루어진 것을 특징으로 한다.
프리프레그로 이루어진 절연층(3)이 상면에 적층된 기판본체(1); 전기 전자적 부품을 연결하는 회로를 형성하며 절연층의 상부에 인쇄되는 전기전도층(5); 기판본체(1)의 저면에 적층되어 열을 방출하는 방열층(11);을 포함하고, 상기 기판본체(1)는 탄소계 혼합재료 20~60중량%와, 고분자 수지 20~60중량%, 규산염 5~20중량%를 포함하는 제1탄소계재료로 이루어지며, 상기 탄소계 혼합재료는 흑연재료의 입자 사이를 탄소재료 분산물에 함유되어 있는 탄소재료가 공유결합에 의해 연결시키도록, 탄소나노튜브와 그래핀 및 카본 파이버로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 소재가 파쇄되어 용매에 분산되어 이루어지는 탄소재료 분산물 2~20중량%와 흑연재료 80~98중량%를 포함하여 이루어지고, 상기 흑연재료는 판상흑연에 비하여 수평방향 열전도도가 감소하더라도 수직방향 열전도도가 증가하여 전체적인 열전도도가 증가하도록, 판상흑연 65~80중량%와, 구상흑연 20~35중량%가 혼합되어 이루어진 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 방열형 인쇄 회로 기판에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 다수의 전기 전자적 부품이 실장되고 전자 회로가 인쇄된 기판의 부품 중 고온으로 동작하는 부품을 선택적으로 냉각시킬 수 있음은 물론 전열 효과가 우수한 재질로 기판을 형성하여 방열 효과를 더욱 향상시킬 수 있도록 한 방열형 인쇄 회로 기판에 관한 것이다.
각종 전자기기에 사용되는 인쇄 회로 기판에는 다수의 전기 전자적 부품들이 실장된다. 이러한 부품들 중에는 LED 등과 같이 작동중 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.
이러한 문제를 해결하기 위하여 본 출원인은 인쇄 회로 기판 자체를 열 방출 특성이 우수한 재질로 형성함으로써, 인쇄 회로 기판 전체의 냉각이 기본적으로 원활하게 수행되도록 함과 아울러, 인쇄 회로 기판에 장착되는 부품들 중 발열량이 특히 많은 부품들을 선택적으로 더 집중하여 냉각시킬 수 있도록 하는 기술이 개발하였으며, 이를 출원하여 특허 제10-1839917호 및 특허 제10-1839920호로 등록받은 바 있다.
특허 제10-1839917호(특허문헌 1) 및 특허 제10-1839920호(특허문헌 2)는 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 이루어진 방열형 PCB 및 그 제조방법을 개시하고 있다.
한편, 본 발명과 관련한 선행기술을 조사한 결과 다수의 특허문헌이 검색되었으며, 그 중 일부를 소개하면 다음과 같다.
특허문헌 3은, 총 중량을 기준으로 40~60중량%의 탄소계 혼합재료와 40~60중량%의 고분자 수지를 포함하는 탄소계 소재로 형성되는 방열구조체와; 도체판으로 형성되는 전기전도층과; 방열구조체에 전기전도층이 부착되도록 방열구조체의 상면에 형성되는 절연본딩층;을 포함하고, 탄소계 혼합재료는 탄소나노튜브, 그래핀 및 카본블랙으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 탄소재료와, 용매를 포함하는 탄소재료 분산물과 인상흑연과 팽창흑연, 판상흑연, 구상흑연으로 이루어진 군으로부터 선택되는 2종 이상으로 이루어진 흑연재료로 이루어지며, 별도의 기판을 사용하지 않고 방열구조체의 평면 부분을 기판으로 활용함으로써 인쇄회로기판의 발열문제를 해결함과 아울러 전체적인 부피를 줄이고 제품을 경량화할 수 있도록 한 방열구조체 일체형 인쇄회로기판 및 그 제조방법을 개시하고 있다.
특허문헌 4는 흑연, 및 상기 흑연 표면에 성장시킨 탄소나노튜브를 포함하고, 판상흑연이 탄소나노튜브에 의해 서로 연결되어 열전도성이 뛰어난 중합체 방열패드용 충전재 및 이를 포함하는 중합체 방열패드를 개시하고 있다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 다수의 전기 전자적 부품이 실장되고 전자 회로가 인쇄된 기판의 부품 중 고온으로 동작하는 부품을 선택적으로 냉각시킬 수 있음은 물론 전열 효과가 우수한 재질로 기판을 형성하여 방열 효과를 더욱 향상시킬 수 있도록 한 방열형 인쇄 회로 기판을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 프리프레그로 이루어진 절연층이 상면에 적층된 기판본체; 전기 전자적 부품을 연결하는 회로를 형성하며 절연층의 상부에 인쇄되는 전기전도층; 기판본체의 저면에 적층되어 열을 방출하는 방열층;을 포함하고,
상기 기판본체는 탄소계 혼합재료 20~60중량%와, 고분자 수지 20~60중량%, 규산염 5~20중량%를 포함하는 제1탄소계재료로 이루어지며,
상기 탄소계 혼합재료는 흑연재료의 입자 사이를 탄소재료 분산물에 함유되어 있는 탄소재료가 공유결합에 의해 연결시키도록, 탄소나노튜브와 그래핀 및 카본 파이버로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 소재가 파쇄되어 용매에 분산되어 이루어지는 탄소재료 분산물 2~20중량%와 흑연재료 80~98중량%를 포함하여 이루어지고,
상기 흑연재료는 판상흑연에 비하여 수평방향 열전도도가 감소하더라도 수직방향 열전도도가 증가하여 전체적인 열전도도가 증가하도록, 판상흑연 65~80중량%와, 구상흑연 20~35중량%가 혼합되어 이루어진 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명에 따른 방열형 인쇄 회로 기판에 따르면, 상기 흑연재료는 판상흑연 70중량%와, 구상흑연 30중량%가 혼합되어 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 방열형 인쇄 회로 기판에 따르면, 상기 방열층은 제1탄소계재료보다 열전도성이 우수한 제2탄소계재료로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명에 따른 방열형 인쇄 회로 기판에 따르면, 상기 흑연재료의 입자 크기는 1~50㎛인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 방열형 인쇄 회로 기판에 따르면, 상기 전기전도층의 상면에 2차절연층이 형성되고, 전기 전자적 부품은 2차절연층을 관통하여 전기전도층에 솔더링 접합되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 방열형 인쇄 회로 기판은 기판 본체가 탄소계 재료로 형성되어 열 방출 특성이 우수하므로 인쇄 회로 기판 전체의 냉각이 기본적으로 원활하게 수행되고, 흑연재료로 판상흑연에 구상흑연을 혼합하여 사용함에 따라 수평방향 열전도도를 희생하여 수직방향 열전도도가 증가시킬 수 있어 전체적인 방열 효과가 향상되며, 전열로드를 통해 발열집중부품을 선택적으로 집중 냉각함에 따라 인쇄 회로 기판 전체의 적절한 냉각이 이루어져 인쇄회로기판이 사용되는 제품의 안정도와 내구성이 크게 향상되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 방열형 인쇄 회로 기판에 발열징중부품으로 LED가 실장된 실시예를 설명한 도면.
도 2는 도 1의 LED와 제2탄소계재료를 제외한 방열형 인쇄 회로 기판의 단면도.
도 3은 본 발명에 따른 방열형 인쇄 회로 기판의 흑연재료 조합비율별 임계 벙열의 모식도.
도 4는 본 발명에 따른 방열형 인쇄 회로 기판의 흑연재료 조합비율별 평균온도를 나타낸 그래프.
도 2는 도 1의 LED와 제2탄소계재료를 제외한 방열형 인쇄 회로 기판의 단면도.
도 3은 본 발명에 따른 방열형 인쇄 회로 기판의 흑연재료 조합비율별 임계 벙열의 모식도.
도 4는 본 발명에 따른 방열형 인쇄 회로 기판의 흑연재료 조합비율별 평균온도를 나타낸 그래프.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 방열형 인쇄 회로 기판에 대하여 설명하면 다음과 같다.
본 발명에서 사용되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 발명의 기술적 사항에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야 할 것이다.
아울러, 본 발명의 실시예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것이 아니라 본 발명의 청구범위에 제시된 구성요소의 예시적인 사항에 불과하며, 본 발명의 명세서 전반에 걸친 기술사상에 포함되고 청구범위의 구성요소에서 균등물로서 치환 가능한 구성요소를 포함하는 실시예이다.
그리고, 아래 실시예에서의 선택적인 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로서, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다.
이에, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련된 공지기술에 대한 상세한 설명은 생략한다.
본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기 위한, 도 1은 본 발명에 따른 방열형 인쇄 회로 기판에 발열집중부품으로 LED가 실장된 실시예를 설명한 도면이고, 도 2는 도 1의 LED와 제2탄소계재료를 제외한 방열형 인쇄 회로 기판의 단면도이며, 도 3은 본 발명에 따른 방열형 인쇄 회로 기판의 흑연재료 조합비율별 임계 벙열의 모식도이고, 도 4는 본 발명에 따른 방열형 인쇄 회로 기판의 흑연재료 조합비율별 평균온도를 나타낸 그래프이다.
본 발명에 따른 방열형 인쇄 회로 기판의 실시예는, 도 1과 2에 도시된 바와 같이, 기판본체(1)와 절연층(3), 전기전도층(5), 전열로드(9) 및 방열층(11)을 포함하여 이루어진다.
기판본체(1)는 탄소계 혼합재료 20~60중량%와, 고분자 수지 20~60중량%, 규산염 5~20중량%를 포함하는 제1탄소계재료로 이루어지는 것으로, 상면에 프리프레그로 이루어진 절연층(3)이 적층된다.
프리프레그(Prepreg)는 Preimpregnated Material의 약자로 결합재(matrix)를 강화섬유(reinforce fiber)에 미리 함침시켜 반경화 상태로 형성한 시트 형태의 제품을 의미한다. 이 프리프레그를 상기 기판본체(1)와 전기전도층(5) 사이에 삽입하고, 프리프레그의 소성 온도 이상으로 가열하면서 가압하면 단단한 결합력을 갖는 하나의 구조체로 이루어진 절연층(3)을 형성할 수 있게 된다.
이때, 상기 기판본체(1)에는 발열이 심한 발열집중부품(P)의 위치에 별도로 냉각홀(7)이 형성되고, 냉각홀(7)에는 상기 제1탄소계재료보다 더 열전도성이 우수한 제2탄소계재료로 이루어진 전열로드(9)가 구비됨으로써 발열집중부품(P)에서 발생된 열이 전열로드(9)를 통해 상기 기판본체(1)의 하측면에 마련된 방열층(11)으로 신속하고 원활하게 이동되어 방열 및 냉각되도록 하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 인쇄 회로 기판이 전체적으로 적절하게 냉각됨은 물론 발열 집중 부품(P)의 효과적인 냉각이 가능하게 되어, 인쇄 회로 기판을 사용하는 제품의 안정도와 내구성을 크게 향상시킬 수 있게 된다.
그리고 상기 제1탄소계재료를 형성하기 위한 탄소계 혼합재료는 탄소재료 분산물 및 흑연재료를 포함하며 이루어지며, 20~60중량%의 함량을 가진다. 이는 탄소계 혼합재료의 함량이 60 중량%를 초과하는 경우에는 플레이트 형태로의 성형이 곤란할 수 있고 성형된 플레이트의 기계적 성질이 저하될 수 있어 부적합하며, 20 중량% 미만인 경우에는 방열 성능이 미미하기 때문이다.
이때, 상기 탄소재료 분산물른 파쇄 및 균질화된 탄소재료를 용매에 분산시킴으로써 얻어진다. 상기 탄소재료 분산물에 이용되는 탄소재료는 탄소나노튜브, 그래핀 및 카본 파이버로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상으로 이루어진다.
탄소나노튜브는 흑연(Graphite)의 변형된 형태로 한 겹의 그래파이트가 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 포논(phonon)의 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.
탄소재료의 입자 크기는 방열 인쇄 회로 기판의 세부적인 특성, 공정 조건, 작업 환경 등을 고려하여 적절하게 선택될 수 있는데, 20~500㎚인 것이 바람직하다. 이는 입자 크기가 20㎚ 미만인 경우에는 응집이 일어나기 쉽고, 500㎚를 초과하는 경우에는 이미 응집이 일어난 상태로 후속 공정에서 탄소재료를 균일하게 분산시키기 어렵기 때문이다. 탄소재료의 파쇄 및 균질화는 원하는 입자 크기 및 균질한 분포를 얻을 수 있는 한 당업계에 공지된 다양한 건식 분쇄 또는 동결 분쇄 방법을 사용할 수 있는데, 볼 밀링, 어트리션 밀링, 또는 액화 질소를 이용하는 분쇄 방법 등이 적합하게 선택될 수 있다.
그리고 탄소재료 분산물에 이용되는 용매는 증류수, 알코올, 디메틸포름아마이드(DMF), 메틸에틸케톤(MEK) 및 폴리올로 이루어진 군으로부터 일종 이상이 선택될 수 있는데, 침전성과 장기성, 소재 단가, 제조 환경 등 다양한 공정 조건을 고려하여 적합하게 선택하게 되는 것이다.
한편, 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 있으며, 탄소재료의 분산성 향상, 공정 편의성 등을 위하여 필요에 따라 분산제, 중화제 및 소포제로 이루어진 군으로부터 선택되는 일종 이상을 더 포함할 수 있다.
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 있도록 하게 된다
그리고상기 탄소계 혼합재료를 구성하는 흑연재료는 열전도도가 높고, 기계적 물성 및 내부식성이 우수하며, 가벼운 특성을 지니고 있어 방열 인쇄 회로 기판으로서 우수한 성능을 발휘할 수 있도록 한다. 이때, 흑연재료는 파쇄 및 균질화되어 원하는 입자 크기 및 균질한 입도 분포를 가지도록 하며, 흑연재료의 입자 크기 및 분포는 흑연재료의 물성에 관련될 수 있지만, 인쇄 회로 기판의 세부적인 특성, 공정 조건, 작업 환경 등을 고려하여 적절하게 선택될 수 있다.
구체적으로, 흑연재료의 입자 크기는 1~50㎛인 것이 바람직하다. 이는 흑연재료의 입자 크기가 1㎛ 미만인 경우에는 파쇄가 어려울 뿐만 아니라 크기 감소에 따른 방열 성능의 변화가 미미하고, 50㎛를 초과하는 경우에는 성형품의 표면층에 수지의 비율이 높아져 방열 성능을 저하시킬 수 있기 때문이다.
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. 그리고 파쇄 및 균질화된 흑연 재료를 60~80℃의 온도에서 12~36시간 동안 건조시키는 것이 바람직하다.
이때, 상기 흑연재료로는 판상흑연과 구상흑연이 혼합된 것을 사용하는 것이 바람직하다. 즉, 수평방향 열전도도가 감소하더라도 수직방향 열전도도가 증가하여 전체적인 열전도도가 증가하도록, 판상흑연에 구상흑연을 혼합하여 사용하는 것이다. 판상흑연은 천연흑연 중 하나로 토상흑연(amorphous graphite)이라고도 하며, 상기 판상흑연을 대신하여 인상흑연(crystalline graphite), 인조흑연(synthetic graphite), 팽창흑연(expandable graphite) 등으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 사용할 수도 있다. 그리고 구상흑연(spheroidal graphite)은 구형상으로 이루어진 조밀한 구조의 흑연으로, 상기한 판상흑연 사이에 삽입되어 수직 방향의 열전도도를 향상시키는 역할을 수행한다.
참고로, 판상흑연과 구상흑연을 혼합한 흑연재료를 이용하여 기판본체를 형성할 경우 도 3에 도시된 바와 같이, 기판본체의 수평방향 열전도도가 감소하고 수직방향 열전도도가 증가하는 것이 확인되었으며, 열전도도의 증감율을 확인한 결과 다음의 표 1을 얻을 수 있었다.
즉, 판상흑연에 구상흑연을 첨가하여 흑연재료를 구성할 경우 수평방향의 열전도도는 감소하지만 수직방향의 열전도도가 증가하는 것이 확인되었다. 하지만, 판상흑연의 함량이 60중량% 이하로 감소할 경우 수평방향의 열전도도가 급격히 하강하는 것 역시 확인되었다.
이에 따라, 판상흑연과 구상흑연의 조성비를 변화시켜 가면서 기판본체의 12개소에서 온도를 측정하여 전체적인 방열 성능을 평가하여 다음의 표 2 및 도 4와 같은 결과를 얻을 수 있었다.
즉, 구상흑연의 함량이 증가할수록 전체적인 방열성능이 향상됨이 확인되었으나, 구상흑연의 함량이 40중량% 이상인 경우에는 오히려 전체적인 방열성능이 저하됨이 확인되었다.
이에 따라, 방열성능이 5% 이상 개선되도록, 흑연재료는 판상흑연 65~80중량%와 구상흑연 20~35중량%가 혼합되어 이루어지는 것이 바람직하며, 판상흑연 70중량%와 구상흑연 30중량%가 혼합되어 흑연재료를 형성하는 것이 더욱 바람직하다.
한편, 탄소계 혼합재료는 이와 같이 형성된 탄소재료 분산물 및 흑연재료를 혼합한 후 건조함으로써 형성된다. 탄소계 혼합재료 형성시 탄소재료 분산물은 혼합재료 전체 중량을 기준으로 2~20 중량%, 흑연재료는 80~98 중량%로 함유되는 것이 바람직하다. 이는 탄소재료 분산물의 함량이 2 중량% 미만인 경우 흑연재료의 열전도도를 향상시키는 효과가 미미하고, 20 중량%를 초과하는 경우에는 함량 증가에 따른 더 이상의 열전도도 향상 효과를 기대할 수 없고 비경제적이기 때문이다.
상기한 흑연재료 및 탄소재료 분산물의 혼합은 진공교반기에서 수행되며, 진공도 약 10-1 torr, 온도 80~120℃, 교반 속도100~120rpm의 질소 분위기하에서 40~100분 동안 이루어지는 것이 바람직하다. 그리고, 혼합된 흑연재료 및 탄소재료 분산물의 건조는 25℃ 내지 300℃의 온도 범위에서 이루어진다. 이때, 건조 온도는 용매 및 기타 첨가제의 끓는점을 고려하여 설정될 수 있으며, 25℃ 내지 300℃, 구체적으로 용매의 기화 온도 이상에서 300℃의 범위인 것이 바람직하다. 이때, 온도가 높을수록 건조속도가 증가하므로 생산성이 향상되지만, 300℃를 초과할 필요는 없다.
이상의 과정을 통해 형성된 분말상태의 탄소계 혼합재료는 고분자 수지 및 규산염과 혼합되어 펠릿 형태로 압출된다. 즉, 탄소계 혼합재료 20~60 중량%, 고분자 수지 20~60 중량% 및 규산염 5~20 중량% 혼합한 후 펠릿 형태로 압출하는 것이다.
이때, 탄소계 혼합 재료의 함량이 60 중량%를 초과하는 경우에는 펠릿 형태로 제조하기가 어려우며 성형 후 성형체의 기계적 성질이 저하될 수 있어 성형 구조체로 부적합하며, 20 중량% 미만인 경우에는 방열 성능이 미미하므로 방열 인쇄 회로 기판으로서의 효과를 얻을 수 없다.
그리고 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 일종 이상이 사용되며, 폴리아미드 수지를 사용하는 것이 바람직하다.
이와 같은 고분자 수지는 방열 인쇄 회로 기판 제조시 압출 또는 사출성형을 위한 용이한 가공성 및 경제성을 갖는 것으로, 열전도도가 우수한 탄소계 혼합재료와 혼합되어 방열 특성을 갖는 방열 인쇄 회로 기판을 형성할 수 있다.
펠릿 형성시 이용되는 규산염은 탄소계 혼합재료의 표면 코팅 역할과 함께 고분자 수지의 경화를 촉진시키는 역할을 하는 것으로, 내화성 무기 바인더로서 소재의 내부식성을 개선시키는데 영향을 준다. 규산염은 규산칼륨, 규산나트륨, 산화규소, 질화규소 및 탄화규소로 이루어진 군으로부터 선택되는 일종 이상으로 이루어진다.
이때, 규산염의 함량이 20 중량%를 초과하는 경우에는 농도가 지나치게 높아져 점도 상승으로 인하여 펠렛 형성이 어렵게 되고, 5 중량% 미만인 경우에는 점도가 지나치게 낮아 펠렛 형성이 어렵고 내화성 개선 효과를 기대할 수 없다.
펠릿 형태로 형성된 제1탄소계재료를 용융시킨 후 금형에 투입하여 성형시킴으로써, 압출 또는 사출 성형에 의해 원하는 두께와 크기를 갖는 시트(sheet) 형태의 기판본체(1)를 형성한다. 압출 또는 사출 성형은 기판본체(1)의 두께 및 크기에 따라 적절한 금형을 선택하여 이루어지며, 구체적인 탄소계 혼합재료 및 고분자 수지의 종류에 따라 용융 온도, 사출조건 등을 적절하게 선택한다.
예를 들면, 기판본체(1)는 펠릿 형태의 제1탄소계재료를 일정 중량 단위로 블록 금형에 투입하고, 200~300℃의 온도 및 120~200 kgf/㎠ 의 압력에서 1~10분 동안 사출 성형함으로써 형성될 수 있다.
이와 같이 형성된 기판본체(1)는 흑연재료의 입자 사이를 탄소재료 분산물에 함유되어 있는 탄소나노튜브 등의 탄소재료가 공유결합에 의해 연결시키고 있는 탄소계 혼합재료를 함유하고 있어 열전도성 및 방열성이 우수하고, 기계적 물성 및 내부식성이 뛰어나며, 경량이고, 생산성도 우수한 특징을 갖는다. 또한, 흑연재료로 판상흑연과 구상흑연이 혼합되어 있으므로, 판상흑연만으로 이루어진 경우에 비해 수평방향 열전도도가 감소하지만 수직방향 열전도도는 증가하여 전체적인 방열성능이 향상된다.
전기전도층(5)은 다수의 전기 전자적 부품을 연결하는 회로를 구성하여 절연층(3)의 상부에 인쇄된다. 이때, 상기 전기전도층(5)의 상면에 2차절연층(6)이 형성되어 전기전도층의 회로를 보호하고, 전기 전자적 부품은 2차절연층(6)을 관통하여 전기전도층(5)에 솔더링 접합되는 것이 바람직하다. 미설명 부호 8은 솔더층을 의미한다.
전열로드(9)는 다수의 전기 전자적 부품 중 발열집중부품(P)의 위치에서 기판본체(1)와 전기전도층(5)을 모두 관통하도록 형성되는 냉각홀(7)에 채워지는 것으로, 일단은 발열집중부품(P)에 연결되고 타단은 방열층(11)에 연결되어 발열집중부품(P)에서 발생하는 열을 방열층(11)으로 신속하고 원활하게 이동시켜 방열 및 냉각이 이루어지도록 한다. 이를 위하여 전열로드(9)는 제1탄소계재료보다 더 열전도성이 우수한 제2탄소계재료로 이루어지는 것이 바람직하다. 제2탄소계재료는 탄소나노튜브(입자크기 10~30㎚) 1~20%, 그래핀(입자크기 2~20㎚) 1~20%, 유기변성 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.
방열층(11)은 기판본체(1)의 저면에 적층되어 열을 방출하는 것으로, 전열로드(9)와 마찬가지로 제2탄소계재료로 이루어진다.
따라서, 전기전도층(5)에 실장되는 LED와 같은 발열집중부품(P)의 하측에 제2탄소계재료로 이루어진 전열로드(9)의 상단부가 접촉하여, 발열집중부품(P)에서 발생되는 열을 다른 부위보다 신속하게 제2탄소계재료로 이루어진 방열층(11)으로 전달하여 방열함으로써, 상기 발열집중부품(P)의 신속하고 원활한 냉각을 도모하고, 이에 의해 상기 발열집중부품(P)이 인접 부품이나 기판 전체의 온도를 상승시키는 정도를 현저히 저감 내지는 방지하여, 제품의 내구성과 안정성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있게 된다.
이상으로 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위한 실시 예에 대하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 이와 같이 설명된 그대로의 구성 및 작용에만 국한되는 것이 아니며, 발명의 설명에 기재된 기술적 사상의 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대해 다수의 변경 및 수정이 가능함을 통상의 기술자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
1...기판본체
3...절연층
5...전기전도층
6...2차절연층
7...냉각홀
8...솔더층
9...전열로드
11...방열층
P...발열집중부품
3...절연층
5...전기전도층
6...2차절연층
7...냉각홀
8...솔더층
9...전열로드
11...방열층
P...발열집중부품
Claims (5)
- 프리프레그로 이루어진 절연층(3)이 상면에 적층된 기판본체(1); 전기 전자적 부품을 연결하는 회로를 형성하며 절연층의 상부에 인쇄되는 전기전도층(5); 기판본체(1)의 저면에 적층되어 열을 방출하는 방열층(11); 및 상기 전기전도층(5)의 상면에 형성된 2차절연층(6);을 포함하고, 전기 전자적 부품은 2차절연층(6)을 관통하여 전기전도층(5)에 솔더링 접합되며,
상기 기판본체(1)는 탄소계 혼합재료 20~60중량%와, 고분자 수지 20~60중량%, 규산염 5~20중량%를 포함하는 제1탄소계재료로 이루어지고, 상기 방열층(11)은 제1탄소계재료보다 열전도성이 우수한 제2탄소계재료로 이루어지며,
상기 탄소계 혼합재료는 입자크기가 1~50㎛인 흑연재료의 입자 사이를 탄소재료 분산물에 함유되어 있는 탄소재료가 공유결합에 의해 연결시키도록, 탄소나노튜브와 그래핀 및 카본 파이버로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 소재가 파쇄된 후 용매에 분산되어 이루어지는 탄소재료 분산물 2~20중량%와 흑연재료 80~98중량%를 포함하여 이루어진 방열형 인쇄 회로 기판에 있어서,
상기 흑연재료는 판상흑연에 비하여 수평방향 열전도도가 감소하더라도 수직방향 열전도도가 증가하여 전체적인 열전도도가 증가하도록, 판상흑연 65~80중량%와, 구상흑연 20~35중량%가 혼합되어 이루어진 것을 특징으로 하는 방열형 인쇄 회로 기판. - 제1항에 있어서,
상기 흑연재료는 판상흑연 70중량%와, 구상흑연 30중량%가 혼합되어 이루어진 것을 특징으로 하는 방열형 인쇄 회로 기판.
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-
2022
- 2022-11-08 KR KR1020220147568A patent/KR102526655B1/ko active IP Right Grant
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