KR20100004475A - 교차인쇄방법을 이용한 절연회로 제작 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 녹는점이 낮은 저온납 내지 가융합금(Fusible alloy) 등의 전도성 금속재를 용융시켜 기판 위에 인쇄함으로써 전자회로를 구성하는 과정에 있어 교차인쇄 과정을 통하여 회로 배선작업의 자동화와 기판의 공간을 절약할 수 있는 방법으로서, 더욱 상세하게는, 저온납 내지 가융합금(fusible alloy) 등의 재료를 쾌속조형기(RP: rapid prototyping), 잉크제트 프린터 내지 3D프린터를 이용하여 기판에 인쇄하여 회로를 구성하는 과정에 있어, 소정의 금속재료를 용융하는 공정; 용융된 금속재료를 소정의 분사부를 이용하여 소정의 기판 상에 분사하여 인쇄하는 공정; 인쇄 공정 중에서 회로배선이 교차하는 부분에 대한 절연공정을 포함하는 기판 상에 금속재료를 인쇄하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

절연회로, 교차인쇄, 저온납, 가융합금, 절연폴리머, 쾌속조형기, 잉크젯프린터, 3D프린터

Description

교차인쇄방법을 이용한 절연회로 제작 방법 및 장치{Manufacturing Method and Apparatus for Insulation Circuit Using Cross Printing Method}

본 발명은 저온납과 가융합금을 용융하여 전자기판에 인쇄하는 방법에 관한 것으로서, 기판 상에 위치한 전자부품들을 회로에 연결하기 위하여 전도성을 가지며 저온에서 녹는 납과 가융합금으로 기판에 인쇄하는 과정에서 교차인쇄를 실시하여 기판의 공간 절약과 배선의 교차작업을 자동적으로 수행하여 기판의 인쇄시간 내지 비용을 줄일 수 있다.

저온납은 전자부품을 기판에 납땜할 때 인두에 의한 열이 전자부품으로 전달되어 손상되는 것을 방지하기 위하여 사용되고 있는데, 일반 납(lead)의 녹는점인 327.5℃보다 상대적으로 매우 낮은 150℃ 이하의 저온에서 녹는 장점이 있다. 부가하여 저온납은 포함되는 합금의 조성과 성분비를 조절하여 원하는 녹는점을 가지도록 할 수 있다. 가융합금(Fusible alloy)은 200°C 이하의 저융점 금속 합금을 의미하며, 비스무트, 주석, 납, 카드뮴, 아연 및 인듐 등의 원소를 2개 또는 그 이상으로 조합하여 제작한다. 상기 저온납과 가융합금은 전도성을 지님과 동시에 낮은 녹는점을 가진 금속이기 때문에 용융 이후 쾌속 조형기 내지 프린터를 이용하여 분 사함으로써, 전자기판에 회로를 인쇄하는데 사용할 수 있으나 아직 이루어진 바는 없다.

기판 상에 소정의 회로를 연결하는 방법으로는 와이어 (납선; lead wire, 도금 단선 동선; copper wire), PCB(인쇄회로기판) 등이 있다. 상기 와이어를 이용한 방법은 기판의 회로를 배선할 때 사용하는 일반적인 방법으로서 납선, 무연 석도금선, 은도금 단선 동선 등을 이용한다. 도금선과 동선의 경우는 사용 전에 절연체인 피복을 벗겨낸 이후 기판에 인두를 이용해서 납땜을 하여 배선을 완성하면 되는 방법이다. 하지만, 이와 같은 와이어를 이용한 방법은 전자부품과 와이어를 고정하기 위한 납땜 과정, 절연체를 벗겨내는 과정 등의 부가적인 공정을 요구하고, 와이어의 교차에 의한 단선(short)의 위험성도 크다. 상기 PCB는 에폭시나 베이클라이트 수지 등의 절연판을 먼저 제작한 이후 도체인 구리(copper)박을 압착하여 붙이고 회로 배선에 따라서 레지스터를 인쇄한 후, 구리를 녹이기 위해서 식각(etching)액에 제작한 절연판을 넣어서 레지스터가 인쇄된 부분을 제외한 나머지를 부식시켜 제거한 이후 부품이 들어가야 할 부분에 구멍을 뚫어서 도금하고, 전기가 통해서는 안 되는 부분을 레지스트로 도포하여 완성하는 방법인데, 최근에서 구리선 대신에 배선을 광섬유로 바꾼 방법도 개발되었다. 하지만, 상기 PCB 방법은 단층 설계만 가능하여 기판의 공간사용에 한계를 지니고 있다.

기판에 재료를 분사하는 방법으로는 잉크제트 기술을 이용하는 것과 쾌속 조형기를 이용하는 방법이 있는데, 상기 잉크제트 기술은 공정, 노광, 현상, 에칭 등의 여러 공정과 유해물질의 사용, 그리고 재료의 많은 손실을 갖는 리소그라피 작 업 대체하는 인쇄기술로써 대기압 하에서 한 번의 인쇄와 건조의 간단한 공정을 가진다는 장점으로, 이 기술은 대형기판에서의 경쟁력 증대, 맞춤형의 다양한 설계, 필요부분만의 인쇄, 환경친화형, 및 재료이용 효율의 향상 등으로 전자회로기판 인쇄에 사용되고 있다. 또한, 잉크재료 역시 고속 분사에 필요한 저점도 특성과 장기 신뢰성을 가져야 하며, 유연기판의 플라스틱 재료의 용융온도 이하에서 잉크의 금속입자 소결이 가능하고, 충분한 전기전도성과 분산성을 갖기 위해서는 금속입자가 나노 크기가 되어야 한다. 그리고 기판재질과 적당한 젖음성을 가져야 건조 후 패턴을 설계대로 형성할 수 있어야 하고, 나노입자 사이의 엉킴 대책도 필요하다. 잉크제트 기술의 재료로는 이미 은과 금의 나노입자 잉크 페이스트가 판매되고 있으나, 가격이 비싸다는 단점이 있어 현재 동(Cu)에 대한 연구도 진행되고 있다. 동은 은에 비해 Migration의 문제가 적고, 재료비도 낮은 장점이 있는 반면, 산화하기 쉬운 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 녹는점이 일반적인 금속재료에 비해서 낮은 저온납과 가융합금(fusible alloy)을 이용하여 기판에 인쇄하는 방법에 있어, 기판의 공간을 절약하기 위해서 회로가 교차하는 부분에 폴리머를 부분 인쇄함으로써 절연 교차하는 공정을 포함하여 회로의 단선(short)을 방지하는 공정을 포함한다.

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위해서, 소정의 금속재료를 용융하는 공정; 용융된 금속재료를 소정의 압축기와 분사노즐을 이용하여 소정의 기판 상에 분사하는 공정; 인쇄 공정 중에서 교차되는 부분에 대한 절연공정을 수행하며, 상기의 공정은 쾌속조형기, 잉크제트 프린터 내지 3D프린터를 이용하여 수행된다.

본 발명은 저온납과 가융합금을 용융시킨 후 쾌속조형기, 잉크젯프린터, 3D프린터 등을 이용하여 기판에 인쇄하여 회로를 구성함에 있어, 회로를 교차하게 인쇄하되 교차지점에서 발생할 수 있는 단선을 예방하기 위하여 폴리머를 이용하여 절연 공정을 추가함으로써 공간을 절약하는 효과를 기대할 수 있으며, 이에 국한되지 않고 저온에서 녹는 다양한 금속재료를 이용할 수 있을 뿐만 아니라, 인쇄하는 대상물 역시 상기의 금속재료와 결합력을 갖는 만능기판, 유연기판(Flexible circuit) 등 다양한 재료에 이용할 수 있는 매우 유용한 효과가 있다.

이하, 본 발명의 실시 예가 도시된 첨부도면을 참고하여 다음과 같이 설명하겠다. 하기의 실시 예는 본 발명이 이루고자하는 교차 인쇄장치 및 방법의 하나의 예이며, 본 발명의 범위가 하기의 실시 예에 국한하는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 교차 인쇄 장치의 개략도이다.

도 1에서 알 수 있듯이, 교차 인쇄 장치는 통제제어부(100), X, Y축 마이크로 스테이지부(200), Z축 마이크로 스테이지부(300), 금속재료 분사부(400), 폴리머 분사부(450), 압력 제어부(500), 온도 제어부(600), 및 압축펌프부(700)를 포함하여 구성된다.

상기 소정의 금속재료의 녹는점은 70 ~ 200℃이고, 상기 금속재료를 기판 상에 분사하는 공정은 1 ~ 100 kPa의 압력으로 조정하였으며, 교차 지점에 절연을 위한 폴리머의 녹이기 위해서 80 ~ 200℃로 온도를 조절하고, 분사 압력은 10 ~ 500 kPa 범위로 설정하였다. 또한, 분사되어 기판에서 인쇄되는 저온납과 가융합금의 두께를 결정하기 위하여 마이크로 스테이지의 이송속도는 0.1 ~ 25 mm/s로 하였고, 분사 노즐(nozzle)의 직경은 100 ~ 1,000 ㎛, 분사 노즐과 기판과의 높이는 10 ~ 100 mm 범위로 하였다. 또한, 인쇄 도중 분사를 멈추기 위해서 진공 기능을 사용하였는데 이를 위해서 압력 공급 장치에 진공 기능을 추가하였다.

상기 통제 제어부(100)는 NC 코드를 수행할 수 있는 프로그램이 내장되어 이를 통해 상기 X, Y축 마이크로 스테이지부(200), Z축 마이크로 스테이지부(300)의 이동을 조성하고, 압력 제어부(500)를 통제하여 금속재료 분사부(400)와 폴리머 분 사부(450)에 제공되는 압력을 조절함으로써 기판(S)에 교차 인쇄가 가능하게 된다.

상기 X, Y축 마이크로 스테이지부(200)는 인쇄하고자 하는 기판(S)을 위치시켜 고정함으로써 통제 제어부(100)에 의해서 각각 X, Y축으로 이동이 가능하게 되고, Z축 마이크로 스테이지부(300)는 분사부(400, 450)를 고정하여 통제 제어부(100)에 의해서 Z축으로 이동가능하게 된다.

상기 금속 재료 분사부(400)와 폴리머 분사부(450)는 통제 제어부(100) 제어에 따른 Z축 마이크로 스테이지(300)의 이동에 의해서 기판(S)과의 높이가 조절되고, 압력 제어부(500)에 의해서 압력, 진공이 제어되어 분사 및 분사 중지가 가능하게 되고, 온도 제어부(600)에 의해서 재료의 용융이 가능하게 된다.

상기 압력 제어부(500)는 압축펌프부(700)와 연결되어 통제 제어부(100)의 제어와 압축펌프부(700)작동에 의해서 분사부(400, 450)로 압력과 진공을 제공한다.

상기 온도 제어부(600)는 온도 조절장치가 수용되어 있어서 분사부(400, 450)에 대한 온도 조절이 가능하게 한다.

이하에서는 본 발명에 따른 교차 인쇄 방법에 대해서 도 1 내지 도 2에 따른 교차 인쇄 장치를 참조하여 설명하기로 한다. 다만, 본 발명에 따른 교차 인쇄 방법은 반드시 도 1 내지 도 2에 따른 교차 인쇄 장치만을 이용하는 것으로 국한되는 것은 아니다.

우선, 도 1 및 도 2에서와 같이 소정의 금속재료(M)인 저온납 또는 가융합금을 금속 분사부(400)의 내부배럴(410) 공급한다.

이때 내부 배럴(410) 하부에는 인쇄되는 배선의 두께를 조절하기 위하여 부착되는 분사 니들(440) 직경의 크기는 100 ~ 1,000 ㎛ 범위를 가진다. 또한, 인쇄 재료(M)의 용융 및 분사시 분사 니들(440) 부위 냉각에 의한 막힘 현상을 방지하기 위하여 방열 캡(430)을 위치시킨다.

또한, 내부배럴(410)의 상부에는 압력 제어부(500)와 연결되는 압력 캡(510)을 끼운다.

동일한 방법으로 절연재료(M)인 폴리머를 폴리머 분사부(450)의 내부배럴(410)에 공급한 이후 전술한 방법과 동일하게 압력캡(510)을 끼우지만, 점성이 높은 폴리머의 원활한 분사를 위하여 분사 니들(440) 및 방열 캡(430)은 제거한다.

상기 공급된 금속재료, 폴리머 재료(M)를 녹이기 위해서 온도 제어부(600)에서 온도를 재료의 녹는점 이상으로 높이게 되면, 분사부(400, 450)에 위치한 세라믹 실린더(420)의 온도가 연동하여 올라가게 된다. 그리고 일정한 시간이 지나게 되면 세라믹 실린더(420)와 접촉하고 있는 스틸 내부배럴(410) 안에 위치한 재료(M)가 녹게 된다.

압력 제어부(500)를 통해서 용융된 금속재료 및 폴리머 재료(M)가 분사될 수 있는 최적의 압력으로 맞추어 놓는데, 금속재료인 경우에는 점성이 낮기 때문에 1 ~ 100 kPa으로 하고, 폴리머 재료는 상대적으로 점성이 높으므로 10 ~ 500 kPa의 고압력으로 설정한다.

통제 제어부(100)의 컴퓨터상에서 NC 코드를 완성하여 마이크로 스테이지(200, 300)의 이송속도를 0.1 ~ 25 mm/s 범위에서 설정하고, Z축 마이크로 스테 이지(300)의 분사 높이를 10 ~ 100 mm 범위로 조절한다. 그리고 인쇄하고자 하는 회로 배선 및 교차 지점에 대한 폴리머 부분 인쇄 지정을 완성한다.

다음, 장치를 작동하면 녹는점이 낮고 전도성을 갖는 금속재료(M)인 저온납 또는 가융합금이 기판(S)에 교차 인쇄되고, 이때 교차 지점은 전술한 절연의 폴리머에 의해서 부분 인쇄되어 단선(short)을 예방하게 된다.

상기의 실시 예에 따라 하기와 같이 실험을 하였다. 하기의 실험 예는 본 발명을 통해 이루고자 하는 하나의 형태일 뿐이며, 본 발명은 하기의 실험 예에 국한되지 않는다.

절연회로 인쇄를 위한 금속 재료는 저온납(녹는점; 105℃, Pb, Bi, Sn 합금)을 준비하고, 절연을 위한 폴리머 재료는 PCL(polycaprolactone, Mn 80,000)을 준비하였으며, 기판은 가로와 세로에 전자부품을 꽂기 위한 구멍(hole)이 각각 20개씩 있는 만능기판(81mm × 81mm)을 준비하였다.

도 3a,b는 기존의 전선에 의한 회로 연결한 앞,뒷면을 개략화하여 도시하였고, 도 4a,b는 상기의 실시 예를 통하여 구성할 회로의 앞, 뒷면의 개략적인 형상을 도시하였다. 상기의 실시 예에 따른 교차공정장치 및 방법에 하기의 표 1과 같은 공정 조건을 적용하여 도 5와 같은 소정의 전자키트 배선을 완성하였는데, 공간의 절약 내지 공정의 단순성으로 시간의 절약도 도모할 수 있었다.

표 1

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 교차 인쇄 장치의 개략도,

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 분사부 장치의 개략도,

도 3a는 기존 방식에 따른 만능기판 회로 배선의 윗면 개략도,

도 3a는 기존 방식에 따른 만능기판 회로 배선의 뒷면 개략도,

도 4a는 본 발명의 실시 예에 따른 교차인쇄 절연회로 배선의 윗면 개략도,

도 4b는 본 발명의 실시 예에 따른 교차인쇄 절연회로 배선의 윗면 개략도,

도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 교차 인쇄된 절연회로의 광학 이미지.

Claims (8)

1. 기판에 금속재료를 인쇄하여 회로를 제작하는 방법에 있어서,

   소정의 금속재료를 용융하는 공정; 용융된 금속재료를 소정의 분사부를 이용하여 소정의 기판 상에 분사하는 공정; 인쇄 공정 중에서 교차하는 부분에 대하여 금속재료와 절연 폴리머를 교대로 분사하여 교차인쇄를 실시하는 절연공정을 포함하여 회로를 제작하는 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 소정의 금속재료는 녹는점이 낮고, 전도성이 우수한 저온납 또는 가융합금(fusible alloy)을 이용하고, 절연체로는 분사가능한 점성과 우수한 절연 특성의 폴리머를 이용하는 것을 특징으로 하는 절연공정을 포함하여 회로를 제작하는 방법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 기판은 기존의 만능기판 내지 유동기판(Flexible Circuit)인 것을 특징으로 하는 금속재료를 인쇄하여 회로를 제작하는 방법.
4. 제 1 항 내지 제 2 항에 있어서,

   상기 금속재료를 기판에 분사하기 위한 분사부의 실린더 온도는 70 ~ 200℃ 범위로 가열하여 용융시키는 공정을 포함하고, 압력을 1 ~ 100 kPa 범위로 조절하 는 것을 특징으로 하며, 상기 금속재료를 분사함에 있어서 인쇄되는 배선의 두께를 조절하기 위하여 부착되는 분사니들 직경의 크기가 100 ~ 1,000 ㎛ 범위를 가지는 금속재료를 인쇄하여 회로를 제작하는 방법.
5. 제 1 항 내지 제 2 항에 있어서,

   상기 절연 폴리머를 기판에 분사하기 위한 분사부의 세라믹 실린더 온도는 80 ~ 200℃ 범위로 가열하여 용융시키는 공정을 포함하고, 압력을 10 ~ 500 kPa 범위로 조절하는 것을 특징으로 하는 절연공정을 포함하는 금속재료를 인쇄하여 회로를 제작하는 방법.
6. 금속재료와 절연 폴리머를 교대로 분사하는 교차 인쇄를 통하여 절연회로를 제작하는 장치.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 교차 인쇄 장치는 컴퓨터를 이용한 통제 제어부, 마이크로 스테이지부, 분사부, 압력 제어부, 온도 제어부 및 압축 펌프부 등을 포함하는 것을 특징으로 하는 절연회로를 제작하는 쾌속 조형 장치.
8. 제 6 항에 있어서,

   상기 교차 인쇄 장치는 컴퓨터를 이용한 통제 제어부, 분사부, 압력제어부, 온도제어부 등을 포함하는 것을 특징으로 하는 절연회로를 제작하는 잉크젯 프린터 내지 3D 프린터 장치.

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