KR20030029118A - 히트 싱크로의 인쇄 회로 기판의 접착 접합 - Google Patents

Abstract

인쇄 회로 기판(10)에 장착된 열 발생 전자 부품(12)으로부터 히트 싱크(24)로의 열전도를 방해하고 이로 인해 주어진 인쇄 회로 기판(10)에 장착될 전자 부품(12)의 밀도를 제한하는, 히트 싱크(24)에 접합된 인쇄 회로 기판(10)의 경계면의 공극(26)은, 인쇄 회로 기판(10)을 히트 싱크(24)에 접착 고정하는 것이 압력 감응성 접착제 층(22)과 열경화성 접착제 층(28)으로 형성되는 방법에 의해 방지된다. 열경화성 접착제 층(28)은 공극을 충전하고 열 발생 부품으로부터 히트 싱크(24)로 매우 큰 열전도도를 제공하여, 그 결과 열 방출(30)을 증가시킨다.

Description

히트 싱크로의 인쇄 회로 기판의 접착 접합{ADHESIVE BONDING OF PRINTED CIRCUIT BOARDS TO HEAT SINKS}

전자 부품의 소형화에 대한 오랜 요구는 주어진 크기의 인쇄 회로 기판에 장착된 전자 부품의 수를 증가를 초래해왔다. 이러한 오랜 추세의 결과로, 열 방산이 항상 중요하게 되었다. 오늘날 이용되는 다수의 인쇄 회로 기판은 종종 구리 트레이스(copper trace)라 하는 도전체 인쇄층에 의해 상호연결된 수백 개의 전자 부품을 장착한다. 이들 전자 부품에서 대부분 발생되는 상당량의 열은 인쇄 회로 기판과 이에 장착된 부품의 수명 단축을 방지하기 위해 방산되어야 한다.

그 결과, 종래 기술은 인쇄 회로 기판의 열 발생 부품에 의해 방출된 열을 흡수하여 대기 또는 히트 싱크에 연관하여 열교환하는 열교환 유체로 방산하는 통상적으로 알루미늄 또는 다른 우수한 도전성 금속의 본체를 갖는 히트 싱크에 인쇄 회로 기판을 장착하는 것에 의존하게 되었다. 종종, 소위 써멀 패드가 열 방출 부품으로부터 히트 싱크로의 열전도율을 개선하기 위해 인쇄 회로 기판 상의 열 발생부품과 히트 싱크 사이의 두 경계면에 삽입된다.

종래 기술은 통상적으로 인쇄 회로 기판을 각각의 히트 싱크에 고정하기 위해 대개 아크릴계 압력 감응성 접착제인 압력 감응성 접착제를 채용한다. 이러한 재료는 우수한 접착성, 비교적 우수한 열전도성 및 인쇄 회로 기판이 진동을 받는 환경하에서 이용될 때 진동 격리 대책을 제공한다. 그러나, 재료는 특히 유동성이 아니고 구리 트레이스와 써멀 패드는 통상적으로 인쇄 회로 기판의 표면으로부터 0.051 mm 내지 0.076 mm(0.002 내지 0.003인치)의 거리만큼 연장되므로, 압력 감응성 접착제를 수용하지 않는 포켓이 구리 트레이스들 및/또는 써멀 패드들 사이에 존재한다.

이들 포켓 또는 공극은 절연 공간으로써 작용하여 열 발생 부품과 히트 싱크 사이의 열전도율을 감소시킨다. 또한 공극이 제거되지 않으면 히트 싱크와 인쇄 회로 기판 사이의 접착을 감소시킨다.

불행히도, 조립 중에 인쇄 회로 기판과 히트 싱크의 경계면을 포함하는 압력 감응성 접착제에 진공을 인가하는 것은 공극을 뚜렷하게 감소시키지 못한다. 공극은 인쇄 회로 기판와 히트 싱크 사이의 공간의 40％ 이상이다. 압력 감응성 접착제가 전술한 바와 같이 특히 유동성이 아니고 구리 트레이스와 써멀 패드가 구리 트레이스 및/또는 써멀 패드 사이의 포켓에 위치한 공기 또는 다른 가스가 진공에 의해 빠져나오는 것을 방지하도록 미로형 시일과 같이 작용하기 때문에 이러한 공극은 충전되지 않는다.

따라서, 인쇄 회로 기판 및 히트 싱크 조립체에서, 필요한 비율로 열 발생전자 부품의 방출을 보장하기 위해 필요한 지점까지 열전도성을 증가시킬 수 없기 때문에, 주어진 인쇄 회로 기판에 장착된 전자 부품의 밀도는 제한된다.

본 발명은 이러한 문제를 극복하기 위해 제시된다.

본 발명은 서로 접합된 인쇄 회로 기판 및 히트 싱크 조립체(heat sink assembly)에 관한 것이며, 인쇄 회로 기판을 히트 싱크에 접합하는 방법에 관한 것이다.

도1은 종래 기술에 따른 인쇄 회로 기판/히트 싱크 조립체의 분해 단면도이다.

도2는 도1과 유사하지만 본 발명에 따라 조립된 조립체를 도시한 도면이다.

도3은 본 발명의 방법의 양호한 실시예에 이용된 단계들의 순서를 도시하는 흐름도이다.

본 발명의 주된 목적은 인쇄 회로 기판을 히트 싱크에 접합하는 신규하고 개선된 방법을 제공하는 것이다. 또한, 본 발명의 주된 목적은 신규하고 개선된 인쇄 회로 기판/히트 싱크 조립체를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 태양에 따라, a) 히트 싱크와 접촉하는 압력 감응성 접착제 층과 인쇄 회로 기판과 접촉하는 열 가소성 접착제의 층을 갖는 히트 싱크와 인쇄 회로 기판 사이에 적어도 하나의 압력 감응성 접착제 층과 적어도 하나의 열 경화성 접착제 층이 개재되며, 압력 감응성 접착제 층은 히트 싱크와 접촉하고 열경화성 접착제층은 인쇄 회로 기판에 접촉하는 단계와, b) 접착제 층과 히트 싱크 및 인쇄 회로 기판 사이의 가스를 제거하기 위해 진공 하에서 단계 a)로부터 유도된 조립체를 굳히는 단계와, c) 열경화성 접착제를 경화시키도록 b) 단계의 수행 중 또는 그 후에 a) 단계로부터 유도된 조립체에 열을 인가하는 단계를 포함하는 히트 싱크에 인쇄 회로 기판을 접합하는 방법이 제공된다.

매우 양호한 실시예에서, a) 단계는 인쇄 회로 기판과 히트 싱크 사이의 층들을 포함하는 접착제 혼합물을 위치시킴으로써 수행된다.

양호하게는, 진공 하에서 조립체를 굳히는 단계와 조립체에 열을 인가하는 단계는 동시에 수행된다.

매우 양호한 실시예에서, 접착제 혼합물은 혼합물의 개재물에서 가스를 제거하기 위해 인쇄 회로 기판의 조립 전에 히트 싱크 상에 롤링 가공되거나 다른 방식으로 가압 가공된다.

본 발명의 다른 국면에서, 인쇄 회로 기판과, 인쇄 회로 기판에 기초한 인쇄 회로 기판 수용면을 갖는 히트 싱크 및 적어도 하나의 히트 싱크에 접합된 압력 감응성 접착제 층을 포함하는 인쇄 회로 기판 및 히트 싱크 조립체가 제공된다. 조립체는 인쇄 회로 기판에 접합되는 적어도 하나의 열경화성 접착제 층을 포함한다. 접착제 층은 서로 접착되고 히트 싱크와 인쇄 회로 기판 사이의 공간을 가스 포켓 또는 공극의 실질적인 부재로 특징지워지는 충전된 공간으로 충전된다.

다른 목적들 및 장점들은 첨부된 도면을 참조하여 다음의 설명으로부터 명백하게 될 것이다.

도1을 참조하여, 인쇄 회로 기판/히트 싱크 조립체의 종래 기술 구성이 도시된다. 그 일측면(14)에 적어도 하나의 열 발생 전자 부품(12)을 장착한 종래 구성의 인쇄 회로 기판(10)이 도시된다. 인쇄 회로 기판(10)은 공지된 바와 같이 인쇄 회로 기판(10)에 장착된 다양한 전자 부품들 사이의 전기 도전체로써 (단 하나만이 도시된) 구리 트레이스(16)를 포함한다. 도1에 도시된 구리 트레이스(16)가 측면(14)에 대향하여 인쇄 회로 기판(10)의 측면(18)으로부터 약간 연장하는 것이 특히 관찰된다. 전술한 바와 같이, 연장부는 통상적으로 0.051 mm 내지 0.076 mm(0.002 내지 0.003인치)의 범위 내에 있다.

또한 인쇄 회로 기판(10) 상에 종래 구성의 써멀 패드(20)가 있고 통상적으로 구리 등의 박층으로 형성된다.

아크릴계 압력 감응성 접착제(22)의 층은 인쇄 회로 기판(10)의 측면(18)에 인접하여 위치되고, 구리 트레이스(16) 및 써멀 패드(20)와 접촉하고, 종래의 히트 싱크(24)에 접합된다. 통상의 경우에, 전술한 바와 같이 공극(26)이 구리 트레이스(16) 및/또는 써멀 패드(20) 사이에 존재할 것이다. 이는 압력 감응성 접착제(22)가 특히 유동성이 아니고 종래의 공정에서는 공극(26)을 충전할 수 없기 때문이다.

도2에서, 본 발명에 따라 제조된 인쇄 회로 기판/히트 싱크 조립체가 도시된다. 유사한 부품이 채용된 곳은 도1의 종래 기술 구성에서 주어진 것과 동일한 도면 부호가 주어지고, 다시 설명하지 않는다. 주된 차이점은 공극(26)이 접착제 본체(28)로 사실상 충전되었다는 것이다. 통상의 경우에, 공극은 인쇄 회로 기판(10)과 히트 싱크(24) 사이의 공간의 5％ 미만을 점유할 것이다. 접착제 본체(28)는 유동성이고 그 자리에서 경화되는 열경화성 에폭시 접착제로 형성된다.

도3에서, 도2에 도시된 조립체가 형성되는 매우 양호한 실시예가 설명될 것이다. 그러나, 설명되는 실시예가 발명자에 의해 최선의 방법을 나타내지만 이러한 방법의 변경이 예상되고, 첨부된 청구범위에 나타낸 것을 제외하고 설명되는 매우 양호한 실시예에 제한되지 않는다는 것이 이해될 것이다.

두 개의 접착제 혼합물을 제공하는 방법의 초기 단계가 박스(80)에 의해 설명된다. 양호한 실시예에서, 혼합물은 하나는 압력 감응성 접착제이고 다른 하나는 열경화성 접착제인 2층의 접착제로 형성된다. 그러나, 원한다면, 각 타입의 접착제의 층이 하나 이상 채용될 수 있다. 그러나, 혼합물은 압력 감응성 접착제(22)가 형성된 한 면과 열경화성 접착제(28)가 형성된 다른 면을 갖는다는 것이 중요하다. 적합한 압력 감응성 접착제는 미네소타 마이닝 앤드 매뉴팩춰링(Minnesota Mining and Manufacturing; 3M Corporation)사로부터 입수 가능한 제품명 3M 9460 및 3M 9469인 아크릴계 압력 감응성 접착제를 포함한다. 열경화성 접착제(28)는 압력 감응성 접착제(22)에 접착될 수 있고 이는 3M 코포레이션(3M Corporation)사로부터 제품명 AF163으로 입수 가능한 에폭시계 접착제이다. 대체 열경화성 접착제(28)도 또한 적합하다.

통상의 경우에, (도시되지 않은) 해제 라이너가 압력 감응성 접착제 층에 인가될 수 있다. 유사한 해제 라이너가 열경화성 접착제 층에 인가될 수 있지만 경화되지 않은 상태의 열경화성 접착제는 사실상 고형이고 특히 점착성이 없어서 일반적으로 필요치 않다. 이는 통상적으로 전술한 바와 같은 열경화성 접착제일 경우이다. 압력 감응성 접착제가 통상적으로 아크릴계이기 때문에, 종래 기술 구성과 같은 진동 격리(댐핑) 대책을 제공한다.

다음에 해제 라이너가 제거되고, 압력 감응성 접착제 층(22)이 히트 싱크(24)의 인쇄 회로 기판 수용 표면(32)에 인가된다. 접착제 혼합물은 고착을 달성하고 층(22)을 갖는 혼합물이 표면(32)에 인가될 때, 인가 공정에서 형성될 수 있는 임의의 가스 포켓 또는 기포를 제거하기 위해 표면(32) 상에서 가압 롤링 가공된다. 이 단계는 도면 부호 34로 나타낸 박스에 도시된다.

이러한 공정에서, 인쇄 회로 기판은 박스(36)에 도시된 바와 같이 열경화성 접착제 층에 인가된다. 다음에, 유도된 조립체는 종래의 진공 백 내에 위치되고 진공으로 된다. 이러한 작동은 두 가지 기능을 수행한다. 첫 번째는 만약 존재한다면, 포켓(26)의 공기 또는 가스를 뽑아내는 것이다. 두 번째 목적은 진공 백이 조립체를 붕괴시키도록 하고 박스(38)로 도시된 바와 같이 도2에 도시된 본체를 형성하도록 열경화성 접착제의 층에 대해 구리 트레이서(16)와 써멀 패드(20)를 구동하도록 가압하기 위한 것이다.

다음에, 조립체는 박스(40)에 도시된 바와 같이 가열된다. 열경화성 접착제의 가열 초기에 점성이 낮아져서 액화되어 포켓(26) 내로 유동하는 것이 박스(38)이 수행되기 전에 미리 수행된다. 동시에, 수지의 경화가 시작된다. 경화가 완료될 때, 열경화성 접착제는 강성 본체(28)를 형성한다. 양호하게는, 열경화성 수지는 93.3℃(200℉) 부근의 온도에서 액화되고 경화된다. 이러한 온도는 경화를 달성하는데 충분하고, 동시에 인쇄 회로 기판과 그에 장착된 전자 부품의 열 손상을 야기하는데 불충분하다.

다음에, 조립체는 진공 백으로부터 제거되어 재고로써 보관되거나 또는 사용처로 운송될 수 있다.

통상의 경우에, 열경화성 접착제 층과 압력 감응성 접착제의 두 층은 0.051 mm 내지 0.254 mm(0.002 내지 0.010인치)의 범위 내일 것이다. 양호한 실시예에서는 각각의 층의 두께가 대략 0.127 mm(0.005인치)로 고려된다.

일반적으로, 적합한 접착을 달성하기 위해서 가능한 한 얇게 층을 제조하는 것이 바람직하다. 접착제 층은 구리 또는 알루미늄과 같은 금속인 경우와 같이 특히 우수한 열 도전성을 갖지 않으며, 따라서, 두께의 증가는 이를 통한 열 방출률을 감소시킬 수 있다. 동시에, 압력 감응성 접착제 층(22)은 주어진 응용 제품에서 요구되는 바람직한 진동 격리 또는 댐핑을 제공하기 위해 충분히 두껍게 된다.

도1에 도시된 바와 같은 종래 기술 구성이 인쇄 회로 기판(10)과 히트 싱크(24) 사이의 공간의 40％ 이상을 점유하는 공극(26)과 같은 공극을 갖는 반면, 본 발명에 따른 조립체가 형성되면, 공극 공간은 적어도 5％, 낮게는 0％로 감소될 수 있어서 인쇄 회로 기판(10)으로부터 히트 싱크(24)로의 열전도의 방해물인 공극(26)을 제거하는데 상당히 효과적이다.

결과적으로, 공극의 부재로 인해 히트 싱크(24)와 인쇄 회로 기판(10) 사이의 접착이 개선될 뿐만 아니라 열전도를 방해하기 위한 절연 포켓으로서 작용하는 공극(26)에 의해 점유되는 체적의 감소의 결과로써 열전도도가 크게 증가한다.

단계 30과 같은 혼합물의 제공은 본 발명의 실행에서 매우 양호한 단계이지만, 전적으로 필요한 단계는 아니다. 혼합물의 사용은 혼합물의 시트가 원하는 크기로 레이저 절단에 의해 손쉽게 절단되도록 한다. 게다가, 이는 취급 문제를 감소시킨다. 그럼에도 불구하고, 원한다면 접착층이 각각의 부품에 개별적으로 인가될 수 있고, 그리고 서로에 대해 인가될 수 있는 것이 고려된다.

양호한 실시예에서, 조립체에 진공을 가하고 이를 가압하는 박스(38)로 나타낸 단계와, 단계 40으로 나타낸 조립체를 가열하는 단계는 도3에 도시된 바와 같이 순차적으로 수행될 필요가 없다. 사실상, 진공/가압 단계와 가열 단계 둘 다 동시에 수행되어 공정 속도를 향상시키고 취급을 최소화하는 것이 바람직하다.

최종적으로, 접착제 층들 사이에 또는 접착제 층들과 히트 싱크(24) 또는 회로 기판(10) 사이에서 기포를 형성시키지 않고 층들이 인가되는 방법이면, 박스(34)로 나타낸 롤링 가공 단계가 생략 가능한 것을 또한 알 수 있다.

전술한 바와 같이, 본 발명에 따라 접합된 인쇄 회로 기판/히트 싱크 조립체를 제공하는 방법이 더 신속한 비율로 히트 싱크로의 열방출성을 제공함으로써 기판(10)에 장착된 전자 부품의 밀도를 증가시키는 점에서 제품의 큰 개선을 제공한다. 따라서, 본 발명은 이러한 조립체를 제조하는 매우 유리한 방법뿐만 아니라 개선된 조립체를 제공한다.

Claims (11)

1. 히트 싱크에 인쇄 회로 기판을 접합하는 방법이며,

   a) 적어도 하나의 압력 감응성 접착제의 노출층과 적어도 하나의 열경화성 접착제의 노출층을 갖는 접착제 혼합물을 제공하는 단계와,

   b) 인쇄 회로 기판과 히트 싱크의 기판 수용 표면 사이에 상기 혼합물을, 상기 압력 감응성 접착제의 노출층은 상기 기판 수용 표면과 대면하고 상기 열경화성 접착제의 노출층은 인쇄 회로 기판에 대면하도록 개재하는 단계와,

   c) 히트 싱크와 인쇄 회로 기판 사이의 가스를 제거하고 열경화성 접착제를 경화시키기 위해 상기 b) 단계로 유도되는 조립체를 진공 및 열에 노출시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 a) 단계 다음과 b) 단계 전에 가스 기포를 제거하기 위해 접착제 혼합물을 굳히는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제2항에 있어서, 상기 굳히는 단계는 히트 싱크에 대해 접착제 혼합물을 굳히는 단계인 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제3항에 있어서, 상기 c) 단계는 또한 b) 단계로부터 유도되는 조립체를 가압하는 단계를 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 c) 단계는 b) 단계로부터 유도되는 조립체를 가압하는 단계를 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
6. 제1항의 방법에 따라 제조된 것을 특징으로 하는 인쇄 회로 기판 및 히트 싱크 조립체.
7. 히트 싱크에 적어도 하나의 열 발생 부품이 장착된 인쇄 회로 기판을 접착하는 방법이며,

   a) 히트 싱크와 인쇄 회로 기판 사이에 적어도 하나의 압력 감응성 접착제 층과 적어도 하나의 열경화성 접착제 층을, 상기 압력 감응성 접착제 층이 히트 싱크와 접촉하고 상기 열경화성 접착제 층이 인쇄 회로 기판과 접촉하도록 개재하는 단계와,

   b) 접착제 층들 또는 그 사이의 가스를 제거하기 위해 진공 하에서 a) 단계로부터 유도되는 조립체를 굳히는 단계와,

   c) 열경화성 접착제를 경화시키도록 b) 단계의 수행 중에 또는 그 후에 a) 단계로부터 유도되는 조립체에 열을 인가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
8. 제7항에 있어서, 상기 a) 단계는 상기 인쇄 회로 기판과 상기 히트 싱크 사이에 상기 층을 포함하는 접착제 혼합물을 위치시킴으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
9. 제1항에 있어서, 상기 c) 단계는 열경화성 접착제가 진공에 의해 야기된 인쇄 회로 기판 상의 공간을 갖는 공극 내로 유동하도록 열경화성 접착제를 부가적으로 액화시키는 기능을 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
10. 제7항의 방법에 따라 제조된 것을 특징으로 하는 인쇄 회로 기판 및 히트 싱크 조립체.
11. a) 인쇄 회로 기판과,

    b) 상기 인쇄 회로 기판으로부터 이격된 인쇄 회로 기판 수용 표면을 갖는 히트 싱크와,

    c) 상기 히트 싱크에 접합되는 적어도 하나의 압력 감응성 접착제 층과,

    d) 상기 인쇄 회로 기판에 접합되는 적어도 하나의 열경화성 접착제 층과,

    e) 서로 접착되고 상기 히트 싱크와 상기 인쇄 회로 기판 사이의 공간을 충전하는 상기 접착제 층들과,

    f) 가스 포켓 또는 공극의 실질적인 부재로 특징지워지는 충전된 공간을 포함하는 것을 특징으로 하는 인쇄 회로 기판 및 히트 싱크 조립체.