KR20100025502A - Insulated metal components and method of manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: An insulated metal component and a manufacturing method thereof are provided to improve thermal conductivity, insulation, and productivity by applying the thermal spray coating to a metal PCB(Printed Circuit Board). CONSTITUTION: An insulation metal component includes a base(110), an uneven layer(121), an insulation coating layer(130), a filling layer(140), and a wiring layer(150). The base includes at least one of aluminum, magnesium, titanium, copper, iron, and nickel. The uneven layer is formed on the base by a surface process. The insulation coating layer is formed on the uneven layer by the thermal spray coating. A filling layer is formed on the insulation coating layer. The wiring layer is formed on the filling layer.

Description

절연 금속 부품 및 그 제조 방법{Insulated metal components and method of manufacturing the same}Insulated metal components and method of manufacturing the same

본 발명은 절연 금속 부품 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 특히 금속 모재의 적어도 일면에 절연 코팅층을 형성한 절연 금속 부품 및 그 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an insulated metal component and a method of manufacturing the same, and more particularly, to an insulated metal component and an method of manufacturing the same, wherein an insulating coating layer is formed on at least one surface of the metal base material.

백열전등 및 형광등 등의 전통적인 조명을 대체할 수 있고, 고효율과 친환경을 동시에 만족하는 차세대 광원 제품으로 가장 주목받는 것이 발광 다이오드(Light Emitting Diode: 이하, "LED"라 함)이다. LED는 다양한 분야에 이용되고 있는데, 특히 고휘도(High Brightnesss) LED의 경우 휴대폰 및 이동 통신기기의 백라이트 유닛(Back Light Unit) 및 플래쉬 등에 이미 응용되고 있고, 응용 분야를 급속하게 확대해 나가고 있다.Light Emitting Diodes (hereinafter referred to as "LEDs") are the next-generation light source products that can replace traditional lighting such as incandescent lamps and fluorescent lamps and satisfy high efficiency and eco-friendliness at the same time. LEDs are used in various fields. In particular, high brightness LEDs have already been applied to backlight units and flashlights of mobile phones and mobile communication devices, and are rapidly expanding their application fields.

그러나, LED는 아직까지 입력 전력 대비 발광 효율이 낮기 때문에 많은 열이 발생한다. LED에서 발생하는 열은 패키지와 인쇄 회로 기판(Printed Circuit Board: 이하, "PCB"라 함)을 통하여 신속하게 방열되어야 하는데, 일반 범용 PCB에서 이용하는 FR-4 절연층의 열전도율은 유리 섬유와 에폭시의 특성에 의해 약 0.25W/mK로 매우 낮다. 따라서, 일반 범용 PCB를 0.5W급 이상의 LED 패키지 및 모듈에서의 기판 재료로 이용하는데 한계가 있다.However, LEDs generate a lot of heat because the luminous efficiency is still low compared to the input power. The heat generated by the LEDs must be quickly dissipated through the package and the printed circuit board (hereinafter referred to as "PCB"). The thermal conductivity of the FR-4 insulation layer used in general-purpose PCBs is based on the It is very low, about 0.25W / mK, due to its characteristics. Therefore, there is a limitation in using a general-purpose general purpose PCB as a substrate material in LED packages and modules of 0.5W or more.

이러한 방열 문제를 효과적으로 해결하기 위해 사용되는 대표적인 것이 금속 PCB이다. 금속 PCB은 전자 제품의 고속도화 및 고밀도화에 따른 방열 효과를 극대화하기 위한 특수 기판이다. 금속 PCB는 열전도율이 우수한 알루미늄, 구리, 철, 티타늄, 마그네슘, 니켈 또는 그 합금을 기지 금속으로 이용하고, 구리 박판(foil)을 회로층으로 이용하며, 기지 금속과 회로층 사이에 에폭시 수지를 넣고 프레스를 이용하여 가압 열처리하여 제작하고 있다. 그러나, 충분한 절연성을 확보하기 위해서는 최소 60㎛ 이상의 절연층을 형성하여야 하는데, 절연층의 두께가 두꺼워지면 열저항이 급격히 증가하는 단점이 있다. 한편, 일반적인 에폭시 수지 또는 페놀 수지의 경우 매우 낮은 열전도율을 가지므로, 이를 개선하기 위하여 에폭시 수지에 비해 상대적으로 열전도율이 우수한 알루미나(Alumina; Al2O3) 또는 질화붕소(Boron nitride) 같은 세라믹 필러(filler)를 약 30% 내지 50% 정도 절연층에 넣고 있다. 그러나, 이는 절연층의 제조 가격을 높이는데 비해 열전도율이 약 2W/mK 내외로 충분하지 못한 열전도율을 얻게 된다. 또한, 세라믹 필러의 함량이 많아지면 절연층의 탄력성이 없어지고 깨지기 쉬운 경질층이 되기 때문에 배선층이 박리되거나 절연층이 들뜨는 등의 문제점이 발생되고, 금속 PCB 제작을 위한 후속 드릴링이나 라 우팅, 금형 타발 공정을 진행하는데 문제가 있다. 그리고, 에폭시 수지의 특성상 유리 천이 온도(glass transition temperature) 이상에서 높은 열팽창 계수를 가지므로, 금속 PCB의 사용 온도가 100∼150℃ 내외로 낮은 문제가 있다.Metal PCB is a representative method used to effectively solve this heat dissipation problem. Metal PCB is a special board for maximizing heat dissipation effect due to high speed and high density of electronic products. The metal PCB uses aluminum, copper, iron, titanium, magnesium, nickel, or an alloy thereof with excellent thermal conductivity as a base metal, a copper foil as a circuit layer, and an epoxy resin is interposed between the base metal and the circuit layer. It is produced by pressure heat treatment using a press. However, in order to ensure sufficient insulation, an insulating layer of at least 60 μm or more must be formed, and when the thickness of the insulating layer becomes thick, there is a disadvantage in that the thermal resistance increases rapidly. On the other hand, since a general epoxy resin or a phenol resin has a very low thermal conductivity, in order to improve this, a ceramic filler such as alumina (Al 2 O 3 ) or boron nitride (Alumina; filler is added to the insulating layer by about 30% to 50%. However, this increases the manufacturing cost of the insulating layer, but attains a thermal conductivity that is not sufficient, as the thermal conductivity is about 2 W / mK. In addition, when the content of the ceramic filler increases, the elasticity of the insulating layer is lost and the hard layer is easily broken, which causes problems such as peeling of the wiring layer or lifting of the insulating layer, and subsequent drilling, routing, and mold for metal PCB fabrication. There is a problem with the punching process. In addition, since the epoxy resin has a high coefficient of thermal expansion above the glass transition temperature (glass transition temperature), there is a problem that the use temperature of the metal PCB is low around 100 ~ 150 ℃.

종래의 금속 PCB를 제조하는 또 다른 방법으로 알루미늄 모재에 아노다이징을 이용하여 알루미나 절연층을 형성하고 있으나, 아노다이징에 의해 형성된 알루미나 절연층은 많은 기공을 포함하고 있고, 최소 40㎛ 이상의 균일한 두께를 성장시키기 위해 많은 공정 시간이 필요하며, 충분한 절연성을 확보하기가 매우 어려운 단점이 있다.As another method of manufacturing a conventional metal PCB, an alumina insulating layer is formed by using anodizing on an aluminum base material, but the alumina insulating layer formed by anodizing contains many pores and grows a uniform thickness of at least 40 μm. It takes a lot of process time to make, it is very difficult to ensure sufficient insulation.

또한, 종래의 금속 PCB의 경우 인쇄 회로 패턴을 형성하기 위해 사진 공정을 이용하기 때문에 500×600㎜ 이상으로 대형화하는데 어려움이 있고, 이로 인해 대형 LCD용 백라이트 유닛이나 조명용 LED 기판 재료로 사용하는데 문제가 있다. 또한, 종래의 금속 PCB는 열전도율을 향상시키기 위해 하부에 알루미늄 또는 구리 재질의 히트싱크(heat sink)를 결합하여 사용하는데, 별도로 결합된 금속 PCB와 히트싱크의 계면에 열접촉 저항을 감소시키기 위해 실리콘 재질의 TIM(Thermal Interface Material)을 적용함에도 불구하고 열전도율의 저하 및 원가 상승 요인이 되어 왔다.In addition, in the case of a conventional metal PCB, it is difficult to increase the size to 500 × 600 mm or more because a photo process is used to form a printed circuit pattern, which causes a problem in using it as a backlight unit for a large LCD or an LED substrate material for illumination. have. In addition, the conventional metal PCB is used by combining a heat sink made of aluminum or copper at the bottom to improve the thermal conductivity, silicon to reduce the thermal contact resistance at the interface of the separately bonded metal PCB and the heat sink. Despite the application of TIM (Thermal Interface Material), the thermal conductivity has been a cause of deterioration and cost increase.

한편, 열전도율이 높은 세라믹 코팅층을 제작하는 일반적인 방법으로 소결법과 기상 증착법으로 크게 나눌 수 있다. 먼저, 두꺼운 세라믹 기판을 만들 수 있는 소결법은 고순도 세라믹 분말을 이용하여 프레스 성형하고 충분히 높은 소결 온도에서 세라믹 입자의 치밀화를 이룰 수 있으나, 기판의 대형화가 어렵고 가격이 매 우 높기 때문에 특수 용도 이외에는 사용하지 않는다. 기상 증착법으로는 펄스 레이저 증착(PLD)법, 스퍼터링(sputtering)법, 진공 증착(vacuum evaporation)법, 화학 기상 증착(CVD, Chemical Vapor Deposition)법, 이온 플레이팅(ion plating)법 등이 있으나 5㎛ 두께 이상의 후막을 얻기는 매우 어렵다. On the other hand, as a general method for producing a ceramic coating layer having a high thermal conductivity can be largely divided into sintering method and vapor deposition method. First, the sintering method to make a thick ceramic substrate can be press-molded using high-purity ceramic powder and achieve densification of ceramic particles at a sufficiently high sintering temperature, but it is difficult to enlarge the substrate and is very expensive. Do not. Vapor deposition methods include pulsed laser deposition (PLD), sputtering, vacuum evaporation, chemical vapor deposition (CVD), and ion plating. It is very difficult to obtain a thick film having a thickness of more than a μm.

또한, LED 외에 엘리베이터의 제어 부품, 모터의 A/D 컨버터, RF 소자, 고출력 반도체 소자 등에서도 반도체 부품의 열방출이 큰 문제로 대두되고 있다. 이와 같은 고출력 반도체 소자용 금속 PCB로 이용하기 위해서는 LED용 금속 PCB가 보통 1000V 이상의 절연 파괴 전압을 가져야 하는 것에 비해, 최소한 5㎸ 이상의 절연 파괴 전압 및 높은 열전도율을 가진 절연층을 사용하여 열저항을 낮추는 것이 필요하다. 따라서, 이러한 고출력 반도체 소자용 PCB는 고가의 세라믹 기판에 인쇄 회로를 형성해야 하는 문제점이 있었다.In addition to the LEDs, heat dissipation of semiconductor components is also a major problem in control parts of elevators, A / D converters of motors, RF devices, and high output semiconductor devices. In order to use this as a metal PCB for high power semiconductor devices, the metal PCB for LEDs should have a dielectric breakdown voltage of 1000 V or more, but lower the thermal resistance by using an insulating layer having a dielectric breakdown voltage of at least 5 kV and a high thermal conductivity. It is necessary. Therefore, the PCB for such a high power semiconductor device has a problem that a printed circuit must be formed on an expensive ceramic substrate.

또한, 열을 전기로 또는 전기를 열로 변환하는 열전 소자(Peltier device) 모듈의 기판 소재로 보통 알루미나 기판을 많이 사용한다. 그런데, 알루미나 기판의 경우 가격이 비싸고, 깨지기 쉬우며, 세라믹으로서는 열전도율이 상대적으로 높으나 금속에 비해 열전도율이 매우 낮은 단점을 가지고 있다. 열전 소자 모듈용 기판으로 사용하기 위해서는 적어도 한면에 절연층을 형성하고 열전 소자를 솔더 접합할 수 있는 구리와 같은 금속 전극을 형성할 수 있어야 하는데, 이를 위해 사용하는 것이 금속 절연 기판(Insulated metal substrate: 이하, "IMS"라 함)이다. 이러한 IMS는 기존의 알루미나 기판에 비해 필요한 부분만 절연층이 형성되어 있으므로 IMS의 전체 열저항은 기존의 알루미나 기판에 비해 매우 낮게 된다. 이러한 IMS 의 경우에도 필요한 절연성을 가질 수 있도록 절연층의 두께를 최소화하면 할수록 낮은 열저항을 가지는 특성을 가지게 된다. In addition, alumina substrates are commonly used as substrate materials of Peltier device modules that convert heat into electricity or electricity into heat. However, alumina substrates are expensive, fragile, and have relatively high thermal conductivity as ceramics, but have very low thermal conductivity compared to metals. To be used as a substrate for a thermoelectric module, it is necessary to be able to form an insulating layer on at least one surface and to form a metal electrode such as copper to solder the thermoelectric element. An insulated metal substrate is used for this purpose. Hereinafter referred to as "IMS"). Since the insulating layer is formed only on the required portion of the IMS as compared to the conventional alumina substrate, the overall thermal resistance of the IMS is much lower than that of the conventional alumina substrate. In the case of such an IMS, as the thickness of the insulating layer is minimized to have the required insulating property, the IMS has a low thermal resistance.

또한, 최근 진공을 이용하는 반도체 장비에서 실리콘 웨이퍼 및 LCD(Liquid Crystal Display) 판넬을 흡착하기 위해 많이 사용하는 정전척(Electrostatic Chuck)의 경우 충분한 절연성 및 낮은 열저항, 고온 안정성 등을 가져야 한다. 이러한 정전척을 제조하는 방법 중의 하나가 용사 코팅(thermal spray coating)으로 절연층 및 전극층을 형성하고 있지만, 용사 코팅으로 제조한 절연층이 충분한 절연성 및 접착력, 낮은 열저항을 확보하는데 매우 어려움을 겪고 있다.In addition, the electrostatic chuck, which is widely used to adsorb silicon wafers and liquid crystal display (LCD) panels in semiconductor devices using vacuum, has to have sufficient insulation, low thermal resistance, and high temperature stability. One of the methods of manufacturing the electrostatic chuck is to form the insulating layer and the electrode layer by thermal spray coating, but the insulating layer made of the thermal spray coating is very difficult to ensure sufficient insulation and adhesion, low thermal resistance have.

본 발명은 용사 코팅을 LED 또는 고출력 반도체 소자용 금속 PCB에 적용하여 열전도율, 절연성, 접착성 및 생산성을 획기적으로 향상시킬 수 있으며, 대형화할 수 있는 절연 금속 부품 및 그 제조 방법을 제공한다.The present invention is to apply a thermal spray coating to a metal PCB for LEDs or high-power semiconductor devices to significantly improve thermal conductivity, insulation, adhesion and productivity, and to provide an insulated metal component and a method of manufacturing the same, which can be enlarged.

본 발명은 유리 섬유, 에폭시 수지 및 플라스틱 등의 절연층을 이용하지 않고, 금속 모재 상에 요철층을 형성한 후 요철층 상에 용사(thermal spray) 코팅을 이용하여 높은 사용 온도를 가지는 절연층을 형성함으로써 높은 열전도율 및 충분한 절연성을 확보할 수 있는 절연 금속 부품 및 그 제조 방법을 제공한다. The present invention is to use an insulating layer having a high operating temperature by using a thermal spray coating on the uneven layer after forming the uneven layer on the metal base material without using an insulating layer such as glass fiber, epoxy resin and plastic. The present invention provides an insulated metal component capable of securing high thermal conductivity and sufficient insulation and a method of manufacturing the same.

본 발명은 금속 모재의 표면 처리에 의해 형성된 요철층 상에 계면 절연층을 형성함으로써 용사 코팅에 의해 형성된 절연층의 절연성 및 결합력을 향상시킬 수 있는 절연 금속 부품 및 그 제조 방법을 제공한다.The present invention provides an insulated metal component capable of improving the insulation and bonding strength of an insulating layer formed by thermal spray coating by forming an interfacial insulating layer on an uneven layer formed by surface treatment of a metal base material, and a method of manufacturing the same.

본 발명은 용사 코팅에 의해 형성된 절연층 상에 충진층을 형성함으로써 절연층 내부에 형성된 기공 및 결함을 충진하여 절연성을 향상시킬 수 있는 절연 금속 부품 및 그 제조 방법을 제공한다.The present invention provides an insulating metal component and a method for manufacturing the same, which can improve insulation by filling a pore and a defect formed in the insulating layer by forming a filling layer on the insulating layer formed by the thermal spray coating.

본 발명에서는 상기한 목적을 달성하기 위해 LED 및 고출력 반도체 소자용 금속 PCB에 용사(thermal spray) 코팅을 이용한다. 용사 코팅은 높은 열에너지와 속도 에너지를 가지고 비산되는 용융된 코팅 재료가 모재의 표면에 충돌하여 모재 와 강한 접착력과 입자간의 치밀한 응집력으로 코팅되는 일종의 표면 처리 코팅 기술이다. 용사 코팅은 모재의 종류와 크기에 제한이 없고, 모재의 변형이 거의 없으며, 금속, 세라믹, 합금 등을 짧은 시간에 매우 두껍게 코팅할 수 있고, 코팅 재료에 따라 내마모성 및 내식성, 내열성 등의 특성을 부여할 수 있다. 특히, 본 발명에서는 용사법으로 절연층을 빠른 속도로 대면적에 형성함으로써 절연 금속 부품에서 필요로 하는 열전도율 및 절연성을 확보할 수 있다.In the present invention, a thermal spray coating is used on a metal PCB for LEDs and high power semiconductor devices to achieve the above object. Thermal spray coating is a kind of surface treatment coating technique in which molten coating material scattered with high thermal energy and velocity energy impinges on the surface of the base material and is coated with the strong adhesion force between the base material and the fine cohesion between particles. Thermal spray coating is not limited to the type and size of the base material, there is almost no deformation of the base material, can be coated very thick metal, ceramics, alloys, etc. in a short time, and depending on the coating material, such characteristics as abrasion resistance, corrosion resistance, heat resistance You can give it. In particular, in the present invention, by forming the insulating layer in a large area at a high speed by the thermal spraying method, it is possible to secure the thermal conductivity and the insulation required by the insulating metal component.

그런데, 용사 코팅은 모재와 절연 코팅층 사이에 화학적 결합이 이루어지지 않고 단순히 기계적 결합에 의해서만 유지되기 때문에 용접이나 열처리 등이 다른 접합 기술에 비해 상대적으로 계면 접착력이 약하다는 단점이 있다. 따라서, 본 발명에서는 알루미늄, 마그네슘, 티타늄, 구리, 철, 니켈 또는 그 합금의 모재와 절연 코팅층의 계면 접착력을 향상시키기 위해 모재 표면에 그릿 블래스팅(grit blasting) 또는 샌드 블래스팅(sand blasting), 래핑(lapping), 화학적 에칭(etching) 등의 표면 처리를 이용하여 요철층을 형성한 후, 그 위에 용사 코팅을 이용하여 절연층을 형성한다. 또한, 금속 모재와 용사 코팅으로 형성한 절연층의 접착력을 향상시키기 위하여 표면 처리를 실시한 후 얇은 두께로 아노다이징 또는 플라즈마 전해 산화 방법(Plasma Electrolytic Oxidation: 이하, "PEO"라 함)으로 금속 모재의 표면에 얇게 산화막을 형성시키면 접착력을 크게 향상시킬 수 있다.However, since the thermal spray coating is maintained only by mechanical bonding without chemical bonding between the base material and the insulating coating layer, welding or heat treatment has a disadvantage in that the interface adhesion is relatively weak compared to other bonding techniques. Accordingly, in the present invention, in order to improve the interfacial adhesion between the base material of aluminum, magnesium, titanium, copper, iron, nickel or an alloy thereof and the insulating coating layer, grit blasting or sand blasting, After forming the uneven layer by using a surface treatment such as lapping, chemical etching, etc., an insulating layer is formed thereon using a thermal spray coating. In addition, the surface of the metal base material by anodizing or plasma electrolytic oxidation (hereinafter referred to as "PEO") to a thin thickness after the surface treatment to improve the adhesion between the metal base material and the insulating layer formed by the thermal spray coating. Forming a thin oxide film on the can greatly improve the adhesion.

또한, 용사 코팅은 용사 조건에 따라 달라지지만, 절연 코팅층 내부에 약 5∼20% 정도의 많은 기공 등의 결함이 존재하고, 이러한 결함 때문에 금속 PCB에서 요구하는 열전도율 및 절연성을 확보하는데 문제점이 있다. 따라서, 본 발명은 이 러한 문제점을 해결하기 위하여 에폭시 또는 폴리이미드와 같은 열경화성 폴리머 수지, 세라믹 계열의 충진재를 절연 코팅층 상에 스크린 프린팅, 잉크젯 프린팅, 디핑 등의 방법으로 코팅한 후 열처리 경화 공정을 이용하여 절연 코팅층의 기공 및 결함을 채워줌으로써 열전도율 및 절연성을 향상시킬 수 있다. 추가적으로, 이와 같이 충진재를 절연 코팅층 상에 형성할 때 진공 분위기에서 가압 열처리를 하면 절연 코팅층의 열전도율 및 절연성을 향상시킬 수 있다. 또한, 용사 코팅으로 형성하는 세라믹 절연층의 열전도율을 높이기 위해 용사 코팅을 수행할 때 금속 모재를 가열함으로써 열전도율을 향상시킬 수 있다. In addition, the thermal spray coating varies depending on the thermal spraying conditions, but there are many defects such as about 5 to 20% of pores inside the insulating coating layer, and there is a problem in securing thermal conductivity and insulation required by the metal PCB. Therefore, in order to solve this problem, the present invention uses a heat treatment curing process after coating a thermosetting polymer resin such as epoxy or polyimide and a ceramic-based filler on the insulating coating layer by screen printing, inkjet printing, or dipping. By filling the pores and defects of the insulating coating layer can improve the thermal conductivity and insulation. In addition, when the filler is formed on the insulating coating layer in this manner, the pressure heat treatment in a vacuum atmosphere may improve the thermal conductivity and insulation of the insulating coating layer. In addition, in order to increase the thermal conductivity of the ceramic insulating layer formed of the thermal spray coating, the thermal conductivity may be improved by heating the metal base material.

이러한 용사 코팅은 종래에 항공기, 선박, 발전소, 제철소, 섬유산업 등의 대형 기계구조부품에 내마모성 및 내식성, 내열성 등의 특성을 부여하기 위한 단일 금속층 또는 세라믹층을 코팅하는 목적으로 많이 사용되어 왔으나, 최근까지 반도체 및 전자 부품에 용사 코팅을 성공적으로 적용한 예는 거의 없었다. Such thermal spray coating has been widely used for the purpose of coating a single metal layer or a ceramic layer for imparting abrasion resistance, corrosion resistance, heat resistance, etc. to large mechanical structural parts such as aircraft, ships, power plants, steel mills, and textile industries. Until recently, few examples of successful thermal spray coatings on semiconductors and electronic components.

본 발명의 일 양태에 따른 절연 금속 부품은 LED 및 반도체용 금속 절연 부품으로서, 모재; 상기 모재 상에 형성된 요철부; 상기 요철부 상에 용사 코팅에 의해 형성된 절연 코팅층; 상기 절연 코팅층 상에 형성된 충진층; 및 상기 충진층 상에 형성된 배선층을 포함한다.An insulated metal component according to an aspect of the present invention is a metal insulated component for LED and semiconductor, the base material; Uneven parts formed on the base material; An insulation coating layer formed by thermal spray coating on the uneven portion; A filling layer formed on the insulating coating layer; And a wiring layer formed on the filling layer.

상기 모재는 알루미늄, 마그네슘, 티타늄, 구리, 철, 니켈 또는 그 합금 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있고, 알루미늄에 SiC 또는 탄소나노튜브를 포함하는 입자 강화 복합 재료를 첨가한 알루미늄 복합 재료를 포함할 수 있다.The base material may include at least one of aluminum, magnesium, titanium, copper, iron, nickel or an alloy thereof, and may include an aluminum composite material in which a particle-reinforced composite material including SiC or carbon nanotubes is added to aluminum. Can be.

상기 모재는 방열핀을 구비하는 히트싱크, 다공성 금속, 히트 파이프, CNT 코팅 중 어느 하나를 포함할 수 있다.The base material may include any one of a heat sink having a heat dissipation fin, a porous metal, a heat pipe, and a CNT coating.

상기 요철부는 상기 모재의 표면 처리에 의해 형성된 요철층 및 PEO 산화막중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있고, 상기 표면 처리는 그릿 블래스팅, 샌드 블래스팅, 래핑 및 화학적 에칭을 포함할 수 있다.The uneven portion may include at least one of an uneven layer and a PEO oxide film formed by surface treatment of the base material, and the surface treatment may include grit blasting, sand blasting, lapping and chemical etching.

상기 요철부는 상기 요철층 및 PEO 산화막의 적어도 어느 하나 상에 형성된 계면 절연층을 더 포함할 수 있다. The uneven portion may further include an interface insulating layer formed on at least one of the uneven layer and the PEO oxide layer.

상기 절연 코팅층은 알루미나, 질화알루미늄, 산화베릴륨, 탄화규소, 질화붕소, 산화마그네슘, 질화규소 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있고, 8㎛ 내지 200㎛의 두께로 형성될 수 있다.The insulating coating layer may include at least one of alumina, aluminum nitride, beryllium oxide, silicon carbide, boron nitride, magnesium oxide, and silicon nitride, and may have a thickness of 8 μm to 200 μm.

상기 충진층과 상기 배선층 사이에 형성된 제 2 계면 절연층을 더 포함할 수 있다.A second interface insulating layer formed between the filling layer and the wiring layer may be further included.

본 발명의 다른 양태에 따른 절연 금속 부품 제조 방법은 LED 및 반도체용 금속 절연 부품의 제조 방법으로서, 모재 상에 요철부를 형성하는 단계; 상기 요철부 상에 용사 코팅에 의해 절연 코팅층을 형성하는 단계; 상기 절연 코팅층 상에 충진층을 형성하는 단계; 및 상기 충진층 상에 배선층을 형성하는 단계를 포함한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing an insulated metal component, comprising: forming an uneven portion on a base material; Forming an insulating coating layer by thermal spray coating on the uneven parts; Forming a filling layer on the insulating coating layer; And forming a wiring layer on the filling layer.

상기 요철부는 상기 모재의 표면 처리에 의해 형성된 요철층 및 상기 모재의 PEO 산화에 의해 형성된 PEO 산화막중 적어도 어느 하나를 포함한다.The uneven portion includes at least one of an uneven layer formed by surface treatment of the base material and a PEO oxide film formed by PEO oxidation of the base material.

상기 요철층 및 PEO 산화막의 적어도 어느 하나 상에 계면 절연층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있고, 상기 계면 절연층은 아노다이징, PEO법, 스퍼터링, 진공 증착, CVD, 상압 플라즈마 증착, 졸겔법 및 분사법의 적어도 어느 하나를 이용하여 형성할 수 있다.The method may further include forming an interfacial insulating layer on at least one of the uneven layer and the PEO oxide layer, wherein the interfacial insulating layer may be anodized, PEO, sputtering, vacuum deposition, CVD, atmospheric plasma deposition, sol-gel method, and the like. It can form using at least one of the injection methods.

상기 모재의 온도를 상승시키면서 상기 용사 코팅에 의해 상기 절연 코팅층을 형성할 수 있다.The insulating coating layer may be formed by the thermal spray coating while increasing the temperature of the base material.

상기 충진층은 에폭시, 열경화성 수지 또는 무기질 계열의 물질을 스크린 프린팅, 잉크젯 프린팅 또는 디핑을 이용하여 형성한다.The filling layer is formed by screen printing, inkjet printing or dipping an epoxy, thermosetting resin or inorganic material.

상기 배선층은 전해동박 포일, 스퍼터링, 도금, 스크린 프린팅 또는 잉크젯 프린팅을 이용하여 형성한다.The wiring layer is formed by using an electrolytic copper foil, sputtering, plating, screen printing, or inkjet printing.

상기 배선층은 상기 충진층과 상기 배선층을 동시에 진공 가압 열처리하여 형성할 수 있고, 상기 배선층은 상기 충진층을 형성한 후 경화 열처리하고, 스퍼터링으로 접착층 및 시드층을 형성한 후 도금 공정으로 형성할 수 있다.The wiring layer may be formed by simultaneously vacuum pressurizing the filling layer and the wiring layer, and the wiring layer may be hardened and heat-treated after forming the filling layer, and may be formed by plating after forming an adhesive layer and a seed layer by sputtering. have.

상기 충진층 상에 제 2 계면 절연층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.The method may further include forming a second interface insulating layer on the filling layer.

본 발명은 알루미늄이나 마그네슘, 티타늄, 구리, 철, 니켈 또는 그 합금의 모재 상에 모재의 표면 처리에 의해 요철부를 형성한 후 요철부 상에 용사 코팅에 의해 절연층을 형성하여 절연 금속 부품을 제조한다.The present invention forms an uneven part by surface treatment of a base material on a base material of aluminum, magnesium, titanium, copper, iron, nickel or an alloy thereof, and then forms an insulating layer by spray coating on the uneven part to manufacture an insulated metal part. do.

본 발명에 의하면, 용사 코팅을 LED, 고출력 반도체 소자용 금속 PCB, 열전 소자용 금속 절연 기판, 반도체 장비용 정전척 등의 금속 절연 부품에 적용함으로써 열전도율 및 절연성, 접착성, 생산성을 획기적으로 향상시킬 수 있고, 금속 절연 부품의 대형화, 대량 생산 및 저가격을 이룰 수 있다.According to the present invention, by applying the thermal spray coating to metal insulating parts such as LEDs, metal PCBs for high power semiconductor devices, metal insulating substrates for thermoelectric elements, electrostatic chucks for semiconductor equipment, and the like, the thermal conductivity, insulation, adhesiveness, and productivity can be improved. It can achieve large size, mass production and low price of metal insulation parts.

또한, 본 발명에 따른 모재 상에 절연 코팅층이 형성된 부품은 전자 및 반도체 산업용 부품 뿐만 아니라 내마모성 및 내식성, 내열성, 내피로성 등의 특성을 필요로 하는 항공기, 선박, 자동차, 기계류의 부품, 섬유 산업용 부품류에 응용할 수 있어 기존 용사 코팅의 응용 범위를 크게 넓힐 수 있다.In addition, the parts formed with an insulating coating layer on the base material according to the present invention is not only parts for the electronics and semiconductor industries, but also for aircraft, ships, automobiles, machinery parts, textile industry parts that require characteristics such as wear resistance and corrosion resistance, heat resistance, fatigue resistance, etc. It can be applied to, greatly expanding the application range of the conventional spray coating.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면에서 여러 층 및 각 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 표현하였으며 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭하도록 하였다. 또한, 층, 막, 영역 등의 부분이 다른 부분 상부에 또는 상에 있다고 표현되는 경우는 각 부분이 다른 부분의 바로 상부 또는 바로 위에 있는 경우 뿐만 아니라 각 부분과 다른 부분의 사이에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described an embodiment of the present invention; However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but may be implemented in various forms, and only the embodiments are intended to complete the disclosure of the present invention and to those skilled in the art. It is provided for complete information. In the drawings, the thickness of layers, films, panels, regions, etc., may be exaggerated for clarity, and like reference numerals designate like elements. In addition, when a part such as a layer, a film, an area, etc. is expressed as being on or on another part, not only when each part is directly on or directly above the other part but also another part between each part and another part This includes any case.

도 1은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 용사 코팅을 이용한 절연 금속 부품의 개략 단면도이다.1 is a schematic cross-sectional view of an insulated metal part using a thermal spray coating according to a first embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 용사 코팅을 이용한 절연 금속 부품은 모재(110)와, 모재(110) 상에 모재(110)의 표면 처리에 의해 형성된 요철층(121)과, 요철층(121) 상에 용사 코팅에 의해 형성된 절연 코팅층(130)과, 절연 코팅층(130) 상에 형성되어 절연 코팅층(130)의 기공 또는 결함을 충진하는 충진층(140)과, 충진층(140) 상에 형성된 배선층(150)을 포함한다.Referring to FIG. 1, an insulated metal component using a thermal spray coating according to a first embodiment of the present invention is a base material 110 and an uneven layer 121 formed by surface treatment of the base material 110 on the base material 110. And, the insulating coating layer 130 formed by the spray coating on the uneven layer 121, the filling layer 140 formed on the insulating coating layer 130 to fill the pores or defects of the insulating coating layer 130, and the filling The wiring layer 150 formed on the layer 140 is included.

모재(110)는 알루미늄, 마그네슘, 티타늄, 구리, 철, 니켈 또는 그 합금으로 이루어진 금속을 이용할 수 있다. 모재(110)는 용도에 따라 다양한 형상을 가질 수 있다. 예를 들어 표면이 평탄한 형상, 방열핀 등 적어도 일면에 요철 구조가 형성된 형상 등 다양한 형상이 가능하고, 원형 또는 다각형의 단면을 갖는 통, 반통 형상 등 다양한 형상이 가능하다.The base material 110 may use a metal made of aluminum, magnesium, titanium, copper, iron, nickel, or an alloy thereof. The base material 110 may have various shapes according to the use. For example, various shapes such as a flat surface, a shape having a concavo-convex structure formed on at least one surface such as a heat dissipation fin, etc. are possible, and various shapes such as a cylindrical or semi-cylindrical shape having a circular or polygonal cross section are possible.

요철층(121)은 모재(110)의 표면 처리에 의해 모재(110) 상에 형성되며, 모재(110)의 일면 상에 형성될 수도 있고, 모재(110)의 타면 및 측면을 포함한 전체 상에 형성될 수도 있다. 요철층(121)은 모재(110)와 절연 코팅층(130)의 계면 접착력을 향상시키기 위해 형성한다. 즉, 용사 코팅에 의해 형성되는 절연 코팅층(130)은 용사 조건에 따라 달라지지만, 모재(110)와 절연 코팅층(130) 사이에 화학적 결합이 이루어지지 않고 단순히 기계적 결합에 의해서만 유지되기 때문에 용접이나 열처리 등의 다른 접합 기술에 비해 상대적으로 계면 접착력이 약하다는 단점이 있다. 따라서, 모재(110) 표면에 모재(110)의 표면 처리에 의해 요철층(121)을 형성함으로써 모재(110)와 절연 코팅층(130)의 계면 접착력을 향상시킬 수 있다. 이러한 요철층(121)은 그릿 블래스팅, 샌드 블래스팅, 래핑 또는 화학적 에칭 등을 이 용하여 모재(110)를 표면 처리함으로써 형성할 수 있다. 그릿 블래스팅은 예를 들어 각형 알루미나 또는 탄화규소 분말을 이용하여 실시하고, 그릿 블래스팅을 실시한 후 아세톤 또는 알코올을 이용하여 초음파 세척한다. 여기서, 요철층(121)은 1㎛∼15㎛의 두께로 형성하는데, 요철층(121)이 1㎛ 이하의 두께로 형성되면 용사 효율이 떨어지게 되고, 15㎛ 이상의 두께로 형성되면 표면의 요철이 너무 심해서 평탄도가 중요한 응용 제품의 절연 코팅층(130)을 얇게 형성할 수 없다. 한편, 그릿 블래스팅 또는 샌드 블래스팅의 경우 고압으로 그릿이나 샌드를 블래스팅하기 때문에 2㎜ 이하 두께의 알루미늄, 마그네슘, 구리와 같이 기계적 강도가 낮은 판재가 휘는 현상이 발생하므로, 두께가 얇은 판재의 경우 래핑이나 화학적 에칭을 이용하여 요철층(121)을 형성하는 것이 바람직하다.The uneven layer 121 is formed on the base material 110 by the surface treatment of the base material 110, may be formed on one surface of the base material 110, the entire surface including the other surface and the side surface of the base material 110. It may be formed. The uneven layer 121 is formed to improve the interfacial adhesion between the base material 110 and the insulating coating layer 130. That is, although the insulating coating layer 130 formed by the thermal spray coating varies depending on the thermal spraying conditions, welding or heat treatment is performed because the chemical bonding is not made between the base material 110 and the insulating coating layer 130 and is merely maintained by mechanical coupling. Compared with other joining techniques, such as a relatively weak interfacial adhesion has a disadvantage. Therefore, the interfacial adhesion between the base material 110 and the insulating coating layer 130 may be improved by forming the uneven layer 121 on the surface of the base material 110 by surface treatment of the base material 110. The uneven layer 121 may be formed by surface treatment of the base material 110 using grit blasting, sand blasting, lapping or chemical etching. Grit blasting is carried out, for example, using square alumina or silicon carbide powder, followed by grit blasting followed by ultrasonic washing with acetone or alcohol. Here, the uneven layer 121 is formed to a thickness of 1㎛ 15㎛, when the uneven layer 121 is formed to a thickness of 1㎛ or less, the thermal spraying efficiency is lowered, when formed to a thickness of 15㎛ or more surface irregularities It is too severe to form a thin insulating coating layer 130 for applications where flatness is important. Meanwhile, in the case of grit blasting or sand blasting, the grit or sand is blasted at a high pressure, and thus a plate having low mechanical strength such as aluminum, magnesium, or copper having a thickness of 2 mm or less occurs, and thus, In this case, it is preferable to form the uneven layer 121 by lapping or chemical etching.

절연 코팅층(130)은 용사 코팅을 이용하여 요철층(121)이 형성된 모재(110) 상에 형성된다. 절연 코팅층(130)은 용사 원료를 다양한 용사 방법을 이용하여 짧은 시간에 고온으로 가열하여 용사 원료를 순간적으로 용융시키고 빠른 속도로 모재(110)에 충돌시켜 형성한다. 여기서, 용융된 용사 원료는 초당 수백 미터의 음속 이하 또는 음속의 2∼3배의 속도로 모재(110)에 충돌된다. 또한, 용사 원료로는 금속, 금속 합금, 세라믹, 반도체 물질, 절연 물질 등의 용사용 분말이나 선재 등을 이용할 수 있고, 용사 방법으로는 전기 아크, 플라즈마, 가스, 액체 열원 등을 이용할 수 있다. 특히, 본 발명에서는 용사법으로 세라믹 등의 절연 물질, 예를 들어 알루미나, 질화알루미늄, 산화베릴륨, 질화붕소, 산화마그네슘, 질화규소, 탄화규소 중 적어도 어느 하나를 포함하는 절연 물질을 빠른 속도로 대면적에 형성함으로 써 절연 금속 부품에서 필요로 하는 열전도율 및 절연성을 확보할 수 있다. 또한, 절연 코팅층(130)은 8㎛∼200㎛의 두께로 형성할 수 있는데, 8㎛ 이하의 두께는 절연성이 저하될 수 있고, 200㎛ 이상의 두께는 층 내에 크랙 등이 발생되어 막질이 저하되고 절연성 또한 저하될 수 있다. 이러한 용사 코팅은 공정의 효율을 극대화하기 위해 화염의 온도, 용융 입자의 비산 속도, 용사 분위기, 파워, 가스 배합률, 이송 속도 등의 용사 조건을 조절할 수 있다. 한편, 용사의 종류에는 화염 용사(flame thermal spray), HVOF(high velocity oxygen fuel), 폭발건(detonation gun), 아크 플라즈마(arc plasma), 플라즈마 용사(plasma spray), 육성 용접법 등 다양한 방법이 있다. 세라믹 코팅에 가장 유리한 플라즈마 용사에 대해서 상술할 것이고, 다른 용사법도 원리상 큰 차이가 없다.The insulation coating layer 130 is formed on the base material 110 on which the uneven layer 121 is formed using a thermal spray coating. The insulating coating layer 130 is formed by heating the thermal spray raw material to a high temperature in a short time using various thermal spraying methods to instantly melt the thermal spray raw material and collide with the base material 110 at a high speed. Here, the molten thermal spray raw material is impinged on the base material 110 at a speed of less than several hundred meters per second or at a speed of 2 to 3 times the speed of sound. As the thermal spraying raw material, thermal spraying powders or wire rods such as metals, metal alloys, ceramics, semiconductor materials, insulating materials, and the like can be used, and an electric arc, plasma, gas, liquid heat source, or the like can be used as the thermal spraying method. In particular, in the present invention, an insulating material such as ceramics, for example, alumina, aluminum nitride, beryllium oxide, boron nitride, magnesium oxide, silicon nitride, silicon carbide, etc. By forming, it is possible to secure the thermal conductivity and insulation required by the insulated metal parts. In addition, the insulation coating layer 130 may be formed to a thickness of 8㎛ ~ 200㎛, 8㎛ or less thickness may be reduced insulation, 200㎛ or more thickness may be cracked in the layer to reduce the film quality Insulation may also be degraded. The thermal spray coating may adjust the thermal spraying conditions such as flame temperature, molten particles scattering rate, thermal spraying atmosphere, power, gas blending rate, and feed rate to maximize process efficiency. There are various kinds of sprays such as flame thermal spray, high velocity oxygen fuel (HVOF), detonation gun, arc plasma, plasma spray, and welding. . Plasma sprays that are most advantageous for ceramic coatings will be described in detail, and other spray methods do not differ significantly in principle.

플라즈마 용사 코팅(plasma spray coating)은 고온의 플라즈마 열원을 이용하여 분말 형태의 용재를 용융시킨 후 모재(110)에 고속으로 분사시켜 절연 코팅층(130)을 형성하는 방법이다. 플라즈마 용사 코팅은 다른 용사법에 비해 금속, 세라믹, 금속간 화합물, 복합 재료 등의 다양한 재료 선택에 제한이 없고, 높은 분사 속도와 증착 효율을 가지며, 연료 가스의 소비와 비용이 낮고, 용사 시 최소한의 예열과 냉각만이 요구되며, 플라즈마 시스템이 기술적, 산업적으로 검증되어 신뢰성이 높고, 다양한 응용에 따라 용사 방법이 쉽게 제어되며, 생산 현장에서의 적용이 용이한 장점 등이 있다. 특히, 세라믹 분말을 이용한 플라즈마 세라믹 용사 코팅은 구조용 재료와 각종 기계 부품의 내마모성, 내부식성, 내침식성 등을 향상시키기 위해 많이 이용되고 있다. 플라즈마 용사는 역극성 아크(Non-Transfer Arc)에 의해 불활성 가스로부터 생성되는 플라즈마 흐름(속도: 마하 2, 중심 온도: 16,500℃)에 피막 재료를 투입하고, 순간적으로 용융시켜 완전 용융된 분말 용사재를 고속으로 분사 밀착시켜 피막을 형성시킨다. 용사재로서는 금속, 비금속, 세라믹(주로 금속 산화물, 탄화물), 서멧(Cermet)으로 광범위하고, 탁월한 내마모성, 내열성, 내식성, 전기전도, 전기 차폐성, 등의 우수한 피막을 얻을 수 있으며, 또한 육성 보수도 가능하며, 용사 시의 가공물의 표면 온도가 150℃ 내외로 제어되기 때문에 모든 모재에도 코팅이 가능하다.Plasma spray coating is a method of forming an insulating coating layer 130 by melting the powder in the form of powder using a high temperature plasma heat source, and then spraying the powder in a high speed to the base material 110. Plasma spray coating has no limitations on the selection of various materials such as metals, ceramics, intermetallic compounds, composite materials, etc., compared to other spray methods, has a high injection speed and deposition efficiency, low fuel gas consumption and cost, and minimal spraying. Only preheating and cooling are required, the plasma system is technically and industrially proven to be highly reliable, the spraying method is easily controlled according to various applications, and it is easy to apply on the production site. In particular, plasma ceramic spray coatings using ceramic powders are widely used to improve abrasion resistance, corrosion resistance, and erosion resistance of structural materials and various mechanical parts. Plasma spray is injected into the plasma stream (speed: Mach 2, center temperature: 16,500 ° C) generated from an inert gas by a non-transfer arc, and then instantly melted to melt completely. Is sprayed and adhered at high speed to form a film. As a thermal spraying material, it is a metal, a nonmetal, ceramic (mainly metal oxide, carbide), cermet, and a wide range of excellent abrasion resistance, heat resistance, corrosion resistance, electrical conductivity, electrical shielding, etc., excellent coatings, and also upkeep maintenance In addition, since the surface temperature of the workpiece during the thermal spraying is controlled to be around 150 ° C., all the base materials can be coated.

일반적으로 용사 코팅에서 사용하는 분말의 크기는 10㎛∼100㎛ 범위를 많이 이용하지만, 나노 분말을 이용하는 경우 코팅층의 접착 강도는 2배 이상, 내마모성은 4배 이상 증가되는 등 우수한 기계적 성질을 나타낸다. 플라즈마 출력이 클수록, 아르곤(Ar) 가스 유량이 작을수록 용사 분말이 플라즈마 화염 내에 존재하는 시간, 즉 용사 분말의 체재 시간이 증가하여 분말이 용융하기에 충분한 시간을 제공한다. 플라즈마 용사는 전세계적으로 Sulzer Metco사의 장비가 가장 많이 이용되고 있으며, 연료 가스로는 아르곤과 수소, 질소 등을 이용한다. 또한, 용사 과정 중 시편의 과열을 방지하기 위해 시편은 압축 공기로 냉각시키고, 용사건의 이송 속도(traverse speed)를 일정하게 유지하면서 코팅하는 경우가 많다.In general, the size of the powder used in the spray coating uses a large range of 10㎛ ~ 100㎛, but when using the nano-powder shows excellent mechanical properties such as more than two times the adhesive strength of the coating layer, more than four times the wear resistance is increased. The larger the plasma output, the smaller the argon (Ar) gas flow rate, the longer the thermal spray powder stays in the plasma flame, i.e., the residence time of the thermal spray powder increases, providing sufficient time for the powder to melt. Plasma sprayers use Sulzer Metco's equipment the most worldwide and use argon, hydrogen and nitrogen as fuel gases. In addition, in order to prevent the specimen from overheating during the thermal spraying process, the specimen is often cooled with compressed air and coated while maintaining a constant traverse speed of the thermal spraying gun.

충진층(140)은 절연 코팅층(130) 상에 형성되며, 절연 코팅층(130) 내부에 존재하는 기공을 제거하기 위해 형성된다. 충진층(140)은 스크린 프린팅이나 잉크젯 프린팅, 디핑(dipping) 처리하여 형성할 수 있다. 즉, 절연 코팅층(130)은 내부에 용사 조건에 따라 달라지지만 약 5%∼20% 내외의 많은 기공이 존재하고, 이러한 기공은 에폭시 또는 열경화성 수지, 무기질 계열의 충진층(140)을 형성하여 제거할 수 있다. 예를 들어 알루미나를 용사 코팅하여 절연 코팅층(130)을 형성한 후 알루미나 분말과 기타 첨가제 및 플럭스로 구성된 페이스트(paste)를 스크린 프린팅이나 잉크젯 프린팅, 디핑(dipping) 처리하여 절연 코팅층(130) 상에 형성한 후 적절한 온도에서 열처리함으로써 절연 코팅층(130)의 기공을 제거할 수 있다.The filling layer 140 is formed on the insulating coating layer 130 and is formed to remove pores existing in the insulating coating layer 130. The filling layer 140 may be formed by screen printing, inkjet printing, or dipping. That is, although the insulation coating layer 130 varies depending on the thermal spraying conditions, there are many pores of about 5% to 20%, and such pores are formed by removing the filling layer 140 of an epoxy or thermosetting resin or an inorganic series. can do. For example, after thermally coating alumina to form an insulating coating layer 130, a paste consisting of alumina powder, other additives and fluxes is screen printed, inkjet printed, or dipping to form an insulating coating layer 130 on the insulating coating layer 130. After the formation, heat treatment at an appropriate temperature may remove pores of the insulating coating layer 130.

배선층(150)은 충진층(140) 상에 형성되며, 구리, 알루미늄, 은 등의 금속 물질을 이용하여 형성할 수 있다. 배선층(150)은 다양한 방법으로 형성할 수 있다. 예를 들어, 배선층(150)은 절연 코팅층(130) 상에 금속 물질을 함유한 페이스트를 스크린 프린팅이나 잉크젯 프린팅으로 형성한 후 열처리하여 형성할 수 있다. 또한, 일반적으로 PCB 업계에서 공지의 기술인 전해도금으로 형성한 전해동박 포일을 에폭시 접착제를 이용하여 열간 압착하여 형성한 후 사진 및 식각 공정으로 전해동박 포일을 패터닝하여 배선층(150)을 형성할 수도 있다. 또한, 반도체 업계의 공지 기술인 스퍼터링으로 접착층(adhesive layer) 및 시드층(seed layer)을 0.05㎛∼0.2㎛의 두께로 증착한 후 도금 공정으로 금속층을 형성하고, 사진 및 식각 공정으로 금속층을 패터닝하여 배선층(150)을 형성할 수도 있다. 또한, 세라믹 재질의 절연 코팅층(130)의 표면에 요철 구조가 형성되기 때문에 금속 물질을 연속적으로 용사 코팅하여 배선층(150)을 형성할 수도 있다. 이때, 배선층(150)은 소정의 패턴으로 형성될 수 있는데, 이를 위해 사진 및 식각 공정을 이용할 수 있다. 배선층(150)을 형성하는 또 다른 방법으로서, 배선층(150)을 소정 패턴으로 형성하기 위해 절연 코팅층(130) 상에 마스크층(미도시)을 형성하고, 금속 물질을 용사 코팅 한 후 마스크층을 제거하여 배선층(150)을 형성할 수도 있다. 이때, 마스크층은 금속 또는 세라믹 재질의 스텐실(stencil)을 이용할 수도 있다. 한편, 용사 코팅으로 형성된 배선층(150) 내에 기공이 발생할 수 있는데, 배선층(150)과 동일한 물질 또는 동일한 물질에 기타 물질이 첨가된 층을 형성하여 기공을 제거할 수 있다. 예를 들어, 구리를 용사 코팅하여 배선층(150)을 형성하는 경우 구리 분말 또는 구리 분말에 다른 합금 첨가 분말을 함유한 페이스트를 스크린 프린팅이나 잉크젯 프린팅하여 배선층(150) 상에 형성한 후 열처리하여 배선층(150)의 기공을 제거할 수 있다. 즉, 페이스트 성분의 금속이 모세관 현상에 의해 기공에 충진되기 때문에 기공을 제거할 수 있다. 또한, 배선층(150)을 보호하기 위해 추가적으로 솔더 레지스트(solder resist)(미도시)층을 스크린 프린팅, 잉크젯 프린팅, 디핑(deeping) 등으로 형성할 수 있다. 한편, 절연 코팅층(130) 상에 스크린 프린팅 방법으로 에폭시 계열의 충진층(140)을 형성하고, PCB 업계에서 배선층 재료로 많이 이용하는 전해동박 포일을 라미네이션하고 진공 분위기에서 가압 열처리하여 배선층(150)을 형성할 수도 있는데, 이는 공정을 단순화시킬 수 있어 제조 비용을 절감할 수 있다. 또 다른 방법으로는, 에폭시 계열의 충진층(140)을 스크린 프린팅 방법으로 형성하고 열처리하여 경화한 후 스퍼터링으로 접착층 및 시드층을 0.05㎛∼0.2㎛의 두께로 증착한 후 금속층을 도금하고, 금속층을 사진 및 식각 공정으로 패터닝하여 배선층(150)을 형성할 수도 있다. 이와 같이 배선층(150)은 시드층 위에 전체적으로 형성한 후 사진 및 식각 공정을 통해 패터닝하여 형성할 수도 있고, 시드층을 먼저 패터닝하면 도금과 동시에 패터닝된 배선층(150)을 형성할 수 있다.The wiring layer 150 is formed on the filling layer 140 and may be formed using a metal material such as copper, aluminum, or silver. The wiring layer 150 can be formed in various ways. For example, the wiring layer 150 may be formed by forming a paste containing a metal material on the insulating coating layer 130 by screen printing or inkjet printing and then heat treating the paste. In addition, the electrolytic copper foil foil formed by electroplating, which is generally known in the PCB industry, may be formed by hot pressing using an epoxy adhesive, and then the electrolytic copper foil foil may be patterned by photolithography and etching to form the wiring layer 150. In addition, after depositing an adhesive layer and a seed layer with a thickness of 0.05 μm to 0.2 μm by sputtering, which is a well-known technique in the semiconductor industry, a metal layer is formed by a plating process, and a metal layer is patterned by a photo and etching process. The wiring layer 150 may be formed. In addition, since the concave-convex structure is formed on the surface of the insulating coating layer 130 of the ceramic material, the wiring layer 150 may be formed by continuously spray coating a metal material. In this case, the wiring layer 150 may be formed in a predetermined pattern. For this, a wiring and an etching process may be used. As another method of forming the wiring layer 150, in order to form the wiring layer 150 in a predetermined pattern, a mask layer (not shown) is formed on the insulating coating layer 130, the metal layer is thermally coated, and then the mask layer is formed. The wiring layer 150 may be formed by removing the wiring layer 150. In this case, the mask layer may use a stencil made of metal or ceramic material. Meanwhile, pores may occur in the wiring layer 150 formed of the thermal spray coating. The pores may be removed by forming the same material as the wiring layer 150 or a layer in which other materials are added to the same material. For example, in the case of forming the wiring layer 150 by thermally coating copper, a paste containing copper powder or a powder containing another alloy-added powder on the copper powder is formed on the wiring layer 150 by screen printing or inkjet printing and then heat-processed. The pores of 150 may be removed. That is, since the metal of the paste component is filled in the pores by the capillary phenomenon, the pores can be removed. In addition, in order to protect the wiring layer 150, a solder resist (not shown) layer may be additionally formed by screen printing, inkjet printing, deeping, or the like. Meanwhile, the epoxy-based filling layer 140 is formed on the insulating coating layer 130 by screen printing, and the wiring layer 150 is formed by laminating an electrolytic copper foil that is frequently used as a wiring layer material in the PCB industry and pressing and heat-treating it in a vacuum atmosphere. This can simplify the process and reduce manufacturing costs. In another method, the epoxy-based filling layer 140 is formed by a screen printing method, heat treated and cured, and then sputtering to deposit an adhesive layer and a seed layer to a thickness of 0.05 μm to 0.2 μm, followed by plating a metal layer. The wiring layer 150 may be formed by patterning the photolithography and etching processes. As such, the wiring layer 150 may be formed on the seed layer as a whole and then patterned through photolithography and etching processes. If the seed layer is patterned first, the wiring layer 150 may be formed at the same time as the plating.

상기한 바와 같이 본 발명의 일 실시 예에 따른 절연 금속 부품은 모재(110) 상에 모재(110)의 표면 처리에 의해 요철층(121)이 형성되며, 요철층(121)이 앵커 형태로 형성되기 때문에 모재(110)와 절연 코팅층(130)의 계면 접착력을 향상시킬 수 있다. 따라서, 기계적 충격이나 열충격, 열피로 등에 의해서도 모재(110)와 절연 코팅층(130)이 떨어지지 않게 된다.As described above, in the insulating metal component according to the exemplary embodiment, the uneven layer 121 is formed on the base material 110 by surface treatment of the base material 110, and the uneven layer 121 is formed in an anchor shape. Therefore, the interface adhesion between the base material 110 and the insulating coating layer 130 may be improved. Therefore, the base material 110 and the insulating coating layer 130 do not fall even by mechanical shock, thermal shock, thermal fatigue, or the like.

도 2는 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 용사 코팅을 이용한 절연 금속 부품의 개략 단면도이다. 이하에서는 본 발명의 제 1 실시 예의 설명과 중복되는 내용은 생략하도록 한다.2 is a schematic cross-sectional view of an insulated metal component using a spray coating according to a second exemplary embodiment of the present invention. Hereinafter, descriptions overlapping descriptions of the first exemplary embodiment will be omitted.

도 2를 참조하면, 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 절연 금속 부품은 모재(110)와, 모재(110)의 표면 처리에 의해 모재(110) 상에 형성된 요철층(121)과, 요철층(121) 상에 형성된 계면 절연층(122)과, 계면 절연층(122) 상에 용사 코팅에 의해 형성된 절연 코팅층(130)과, 절연 코팅층(130) 상에 형성되어 절연 코팅층(130)의 기공 또는 결함을 충진하기 위한 충진층(140)과, 충진층(140) 상에 형성된 배선층(150)을 포함한다. 즉, 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 절연 금속 부품은 제 1 실시 예에 비해 요철층(121)과 절연 코팅층(130) 사이에 계면 절연층(122)이 더 형성된다.Referring to FIG. 2, the insulated metal component according to the second exemplary embodiment of the present invention includes a base material 110, an uneven layer 121 formed on the base material 110 by surface treatment of the base material 110, and an uneven layer. The interfacial insulation layer 122 formed on the 121, the insulation coating layer 130 formed by thermal spray coating on the interface insulation layer 122, and the pores of the insulation coating layer 130 formed on the insulation coating layer 130. Or a filling layer 140 for filling defects and a wiring layer 150 formed on the filling layer 140. That is, in the insulating metal component according to the second embodiment of the present invention, the interface insulating layer 122 is further formed between the uneven layer 121 and the insulating coating layer 130.

계면 절연층(122)은 예를들어 세라믹 물질로 형성되며, 모재(110)와 절연 코팅층(130) 사이의 접착력과 절연성, 열전도율을 향상시키기 위해 형성된다. 계면 절연층(122)은 아노다이징, PEO법, 스퍼터링, 진공증착, 화학기상증착(Chemical Vapor Deposition; CVD), 상압 플라즈마 증착, 졸겔법, 분사법 등을 이용하여 형성할 수 있다. 이러한 계면 절연층(122)을 형성하는 방법중에서 아노다이징 또는 PEO를 적용할 수 있는 모재(110)로는 양극 산화가 가능한 물질을 이용하는 것이 바람직한데, 알루미늄, 마그네슘, 티타늄, 지르코늄 등을 이용할 수 있다. 여기서, 아노다이징은 예를 들어 알루미늄 모재(110)를 전해질 속에 침적한 상태에서 전기분해 반응을 통해 양극에서 발생하는 산소가 알루미늄 모재(110)의 표면과 반응하여 알루미나 산화막이 형성된다. 그러나, 아노다이징으로 형성한 알루미나 산화막은 벌집 모양으로 만들어지면서 수많은 기공들이 만들어지기 때문에 일반적으로 기공을 막아주는 봉공(sealing) 처리를 하게 된다. 비등수 또는 금속염 봉공 처리를 통해 5㎛ 내외의 얇은 아노다이징 산화막이라고 하더라도 약 500V 이상의 절연성을 확보할 수 있으므로, 본 발명에서의 용사를 위해 표면 처리를 이용하여 형성된 요철층(121) 상에 접착력과 절연성, 열전도율이 높은 계면 절연층(122)을 형성할 수 있다.The interfacial insulating layer 122 is formed of, for example, a ceramic material, and is formed to improve adhesion, insulation, and thermal conductivity between the base material 110 and the insulating coating layer 130. The interface insulating layer 122 may be formed using anodizing, PEO, sputtering, vacuum deposition, chemical vapor deposition (CVD), atmospheric pressure plasma deposition, sol-gel method, spraying method, or the like. In the method of forming the interfacial insulating layer 122, it is preferable to use a material capable of anodizing as the base material 110 to which anodizing or PEO can be applied. Aluminum, magnesium, titanium, zirconium, or the like may be used. Here, in the anodizing, for example, in the state in which the aluminum base material 110 is deposited in an electrolyte, oxygen generated from the anode reacts with the surface of the aluminum base material 110 through an electrolysis reaction to form an alumina oxide film. However, since the alumina oxide film formed by anodizing is made in a honeycomb shape and numerous pores are made, a sealing process for blocking pores is generally performed. Even in the case of thin anodizing oxide film of about 5 μm through boiling water or metal salt sealing treatment, it is possible to secure insulation of about 500 V or more. Therefore, adhesion and insulation property on the uneven layer 121 formed by using a surface treatment for thermal spraying in the present invention. In addition, the interface insulating layer 122 having high thermal conductivity can be formed.

또한, 계면 절연층(122)은 모재(110) 표면에 얇은 산화막으로 형성할 수도 있는데, 얇은 산화막은 PEO법을 이용하여 형성할 수 있다. PEO법은 전해질 내에서 양극산화가 가능한 모재(110)를 양극에 연결하고 고전압의 교류 또는 펄스 직류를 인가하여 전기 분해에 의해 산소가 발생되도록 하고, 산소가 모재(110)의 표면과 반응함으로써 요철층(121) 위에 계면 절연층(122)이 형성된다. 전해질은 예를 들어 증류수 또는 탈이온수(Deionized water)에 KOH 또는 NaOH 등의 알칼리 금속의 수산 화물을 첨가하여 이용할 수 있다. 또한, 전해질에 물유리(SiO2Na2O)를 추가적으로 첨가하여 요철층(121) 상에 접착력, 절연성 및 열전도율이 우수한 계면 절연층(122)을 형성할 수도 있다. 이러한 전해질 속에 첨가하는 성분과 성분의 농도 등에 따라 계면 절연층(122)의 기공, 표면 거칠기, 경도, 밀착성 등을 변화시킬 수 있다. 또한, 알루미늄을 모재(110)로 사용할 경우 PEO법에 의해 형성된 계면 절연층(122)은 주성분이 알루미나이고, 소량의 실리카(SiO2)가 혼합된 세라믹층으로 형성될 수 있다. PEO법에 의해 형성된 계면 절연층(122)은 천이 확산층, 핵심 기능층 및 다공층이 적층된 구조로 형성된다. 천이 확산층은 모재(110) 상에 형성되어 모재(110)와 화학적으로 강하게 결합된다. 핵심 기능층은 PEO법에서 수반되는 플라즈마에 의한 높은 열에 의해 천이 확산층 상에 형성되며, 결정질 알루미나와 비정질 알루미나로 이루어진다. 그리고, 다공층은 핵심 기능층 상에 형성되며 비정질 알루미나로 이루어진다. 한편, PEO법에 의해 형성된 계면 절연층(122)은 앵커 형태로 형성되는데, 용사 코팅의 경우 기계적으로 결합하기 때문에 절연 코팅층(130)이 모재(110)와 강하게 결합하기 위해서는 단순한 요철보다는 앵커 형태의 요철이 형성되는 것이 바람직하다. 따라서, PEO법에 의해 요철층(121) 위에 형성된 계면 절연층(122)에 의해 절연 코팅층(130)과 모재(110)는 매우 강하게 결합된다. 또한 절연 코팅층(130)이 5%∼20% 정도의 기공 및 결함을 가지고 있는 것에 비해, PEO법으로 형성된 계면 절연층(122)은 훨씬 작은 크기의 기공이 형성되어 있으므로 절연성 및 열전도율 측면에서도 유리하다. PEO법으로 형성된 계면 절연층(122)은 얇은 두께로 형성하여 표면 처리에 의해 형성된 요철층(121)의 표면 조도를 유지할 수 있으며, 이러한 표면 조도는 플라즈마 용사에 의해 형성되는 절연 코팅층(130)의 용사 효율과도 관련된다.In addition, the interfacial insulating layer 122 may be formed of a thin oxide film on the surface of the base material 110, and the thin oxide film may be formed using a PEO method. The PEO method connects the base material 110 capable of anodizing in the electrolyte to the positive electrode and applies high voltage alternating current or pulsed direct current so that oxygen is generated by electrolysis, and oxygen reacts with the surface of the base material 110. An interfacial insulating layer 122 is formed on the layer 121. The electrolyte can be used by adding an alkali metal hydroxide such as KOH or NaOH to distilled or deionized water, for example. In addition, water glass (SiO 2 Na 2 O) may be additionally added to the electrolyte to form an interfacial insulating layer 122 having excellent adhesion, insulation, and thermal conductivity on the uneven layer 121. The pore, surface roughness, hardness, adhesion, and the like of the interfacial insulating layer 122 can be changed according to the component added to the electrolyte, the concentration of the component, and the like. In addition, when aluminum is used as the base material 110, the interfacial insulating layer 122 formed by PEO may be formed of a ceramic layer in which a main component is alumina and a small amount of silica (SiO 2 ) is mixed. The interfacial insulating layer 122 formed by the PEO method is formed in a structure in which a transition diffusion layer, a core functional layer, and a porous layer are stacked. The transition diffusion layer is formed on the base material 110 and is chemically strongly bonded to the base material 110. The core functional layer is formed on the transition diffusion layer by the high heat of plasma accompanying the PEO method, and consists of crystalline alumina and amorphous alumina. The porous layer is formed on the core functional layer and is made of amorphous alumina. On the other hand, the interfacial insulating layer 122 formed by PEO method is formed in the form of an anchor, in the case of the thermal spray coating is mechanically bonded to the insulating coating layer 130 in order to bond strongly with the base material 110 in the form of an anchor rather than simple unevenness It is preferable that unevenness | corrugation is formed. Therefore, the insulating coating layer 130 and the base material 110 are very strongly bonded by the interface insulating layer 122 formed on the uneven layer 121 by the PEO method. In addition, while the insulation coating layer 130 has pores and defects of about 5% to 20%, the interfacial insulation layer 122 formed by PEO method is advantageous in terms of insulation and thermal conductivity because pores of much smaller size are formed. . The interfacial insulating layer 122 formed by the PEO method can be formed to a thin thickness to maintain the surface roughness of the uneven layer 121 formed by the surface treatment, the surface roughness of the insulating coating layer 130 formed by plasma spraying Also related to thermal efficiency.

아노다이징 및 PEO법을 적용하여 요철층(121) 상에 계면 절연층(122)을 형성할 수 있는 모재(110)는 양극 산화가 가능한 알루미늄, 마그네슘, 티타늄, 지르코늄 등의 금속에 한정되지만, 스퍼터링, 진공증착, CVD, 상압플라즈마 증착법, 졸겔법, 분사법 등은 모재(110)의 금속 종류에 제한을 받지 않는다. 스퍼터링과 진공증착은 진공 장비를 이용하는 대표적인 물리적 박막 증착 방법이다. 스퍼터링은 진공 분위기에서 플라즈마를 발생시켜 타겟의 물질을 스퍼터링시켜 모재에 증착하는 방법이고, 진공 증착은 고진공 분위기에서 코팅 물질을 증발시켜 증착시키는 방법이다. CVD 및 상압 플라즈마 증착법은 소스 가스의 화학 반응으로 모재에 원하는 물질을 증착하는 방법으로, 일반 CVD법은 진공 분위기를 이용하고, 상압 플라즈마는 대기압에서 진행한다. 또한, 졸겔법은 증착하려는 물질을 용매에 희석시켜 졸(sol) 상태로 만들어 스핀코팅 또는 디핑 등의 방법으로 코팅한 후 열처리를 통해 겔(gel) 상태의 박막을 증착하는 방법이다. 그리고, 분사법은 액상의 물질을 스프레이 코팅하는 방법이다. 상기 스퍼터링 및 진공증착, CVD, 상압 플라즈마 증착법, 졸겔법, 분사법 등은 반도체 및 코팅 업계에서 공지의 기술이므로 추가적인 상세한 설명은 생략한다.The base material 110 capable of forming the interfacial insulating layer 122 on the uneven layer 121 by applying anodizing and PEO methods is limited to a metal such as aluminum, magnesium, titanium, zirconium, etc., which can be anodized, but sputtering, Vacuum deposition, CVD, atmospheric plasma deposition, sol-gel method, spraying method, etc. are not limited to the metal type of the base material 110. Sputtering and vacuum deposition are typical physical thin film deposition methods using vacuum equipment. Sputtering is a method in which a plasma is generated in a vacuum atmosphere to sputter a material of a target to be deposited on a base material, and vacuum deposition is a method of evaporating and depositing a coating material in a high vacuum atmosphere. CVD and atmospheric pressure plasma deposition method is a method of depositing a desired material on the base material by the chemical reaction of the source gas, the general CVD method uses a vacuum atmosphere, the atmospheric pressure plasma proceeds at atmospheric pressure. In addition, the sol-gel method is a method of depositing a thin film of a gel (gel) state by heat treatment after diluting the material to be deposited in a solvent to make a sol (sol) state and coating by spin coating or dipping method. The spray method is a method of spray coating a liquid substance. The sputtering and vacuum deposition, CVD, atmospheric pressure plasma deposition, sol-gel method, injection method and the like are well known in the semiconductor and coating industry, so further detailed description is omitted.

아노다이징, PEO법, 스퍼터링, 진공 증착, CVD, 상압 플라즈마, 졸겔법, 분사법을 이용하여 요철층(121) 상에 형성하는 계면 절연층(122)은 절연성, 접착력 및 열전도율이 우수한 산화물 또는 질화물 계통의 박막이 바람직하다. 계면 절연층(122)은 0.05㎛∼20㎛의 두께로 형성하는 것이 바람직한데, 0.05㎛ 이하의 두께는 절연성이 부족할 수 있으며, 20㎛ 이상의 두께는 공정 시간이 많이 걸리고 요철층(121)의 효과를 없앨 수 있고 계면 절연층(122)의 크랙이나 결함이 내재할 가능성이 높기 때문이다.The interfacial insulating layer 122 formed on the uneven layer 121 by using anodizing, PEO method, sputtering, vacuum deposition, CVD, atmospheric plasma, sol-gel method, and spraying method is an oxide or nitride system having excellent insulation, adhesion, and thermal conductivity. Thin films of are preferred. The interfacial insulating layer 122 is preferably formed in a thickness of 0.05 μm to 20 μm, but a thickness of 0.05 μm or less may be insufficient in insulation, and a thickness of 20 μm or more takes a long process time and the effect of the uneven layer 121. This is because there is a high possibility that cracks and defects of the interface insulating layer 122 are inherent.

도 3은 본 발명의 제 3 실시 예에 따른 용사 코팅을 이용한 절연 금속 부품의 개략 단면도이다.3 is a schematic cross-sectional view of an insulated metal part using a thermal spray coating according to a third exemplary embodiment of the present invention.

도 3을 참조하면, 본 발명의 제 3 실시 예에 따른 절연 금속 부품은 모재(110)와, 모재(110)의 표면 처리에 의해 모재(110) 상에 형성된 요철층(121)과, 요철층(121) 상에 형성된 PEO 산화막(123)과, PEO 산화막(123) 상에 용사 코팅에 의해 형성된 절연 코팅층(130)과, 절연 코팅층(130) 상에 형성되어 절연 코팅층(130)의 기공 또는 결함을 충진하는 충진층(140)과, 충진층(140) 상에 형성된 배선층(150)을 포함한다. 본 발명의 제 3 실시 예에 따른 절연 금속 부품은 제 1 실시 예에 비해 모재(110)의 표면 처리에 의한 요철층(121)을 형성하지 않고 PEO 산화막(123)을 형성한 것이 다르고, 제 2 실시 예에 비해 모재(110)의 표면 처리에 의한 요철층(121)과 계면 절연층(122)을 형성하지 않고 PEO 산화막(123)을 형성한 것이 다르다. 즉, 본 발명의 제 3 실시 예는 모재(110) 상에 PEO 산화막(123)을 형성한 후 절연 코팅층(130), 충진층(140) 및 배선층(150)을 형성한다.Referring to FIG. 3, the insulated metal part according to the third exemplary embodiment of the present invention includes a base material 110, an uneven layer 121 formed on the base material 110 by surface treatment of the base material 110, and an uneven layer. PEO oxide film 123 formed on the 121, an insulating coating layer 130 formed by thermal spray coating on the PEO oxide film 123, and pores or defects of the insulating coating layer 130 formed on the insulating coating layer 130. And a wiring layer 150 formed on the filling layer 140. Insulating metal parts according to the third embodiment of the present invention are different from those of the first embodiment in that the PEO oxide film 123 is formed without forming the uneven layer 121 by the surface treatment of the base material 110. Compared to the embodiment, the PEO oxide film 123 is formed without forming the uneven layer 121 and the interfacial insulating layer 122 by the surface treatment of the base material 110. That is, according to the third embodiment of the present invention, after forming the PEO oxide layer 123 on the base material 110, the insulating coating layer 130, the filling layer 140, and the wiring layer 150 are formed.

PEO 산화막(123)은 상기한 PEO법에 의해 형성되며, 그릿 블래스팅 또는 샌드 블래스팅에 의한 모재(110)의 변형을 방지할 수 있다. PEO 산화막(123)은 모재(110)와 접착력, 절연성 및 열전도율이 우수하고, 적당한 표면 요철이 형성된다. PEO 산화막(123)은 0.1㎜ 이상 두께의 알루미늄, 마그네슘, 티타늄, 지르코늄 등의 모재(110)에 적용할 수 있으며, 10㎛∼100㎛의 두께로 형성할 수 있다. PEO 산화막(123)의 두께가 10㎛ 이하이면 충분한 절연성을 확보할 수 없을 뿐만 아니라 PEO 산화막(123) 표면의 요철이 부족하기 때문에 용사 효율이 낮아지며, PEO 산화막(123)의 두께가 100㎛ 이상이면 공정 시간 및 비용이 많이 소요된다.The PEO oxide film 123 is formed by the above PEO method, and can prevent deformation of the base material 110 by grit blasting or sand blasting. The PEO oxide film 123 is excellent in adhesive force, insulation, and thermal conductivity with the base material 110, and suitable surface irregularities are formed. The PEO oxide film 123 may be applied to the base material 110 such as aluminum, magnesium, titanium, zirconium, or the like having a thickness of 0.1 mm or more, and may be formed to a thickness of 10 μm to 100 μm. If the thickness of the PEO oxide film 123 is 10 μm or less, sufficient insulation cannot be secured, and the thermal spraying efficiency is low because the surface of the PEO oxide film 123 is insufficient, and the thickness of the PEO oxide film 123 is 100 μm or more. Process time and costs are high.

도 4는 본 발명의 제 4 실시 예에 따른 절연 금속 부품의 개략 단면도이다.4 is a schematic cross-sectional view of an insulated metal component according to a fourth embodiment of the present invention.

도 4를 참조하면, 본 발명의 제 4 실시 예에 따른 용사 코팅을 이용한 절연 금속 부품은 모재(110)와, 모재(110) 상에 모재(110)의 표면 처리에 의해 형성된 요철부(120)와, 요철부(120) 상에 용사 코팅에 의해 형성된 절연 코팅층(130)과, 절연 코팅층(130) 상에 형성되어 절연 코팅층(130)의 기공 또는 결함을 충진하는 충진층(140)과, 충진층(140) 상에 형성된 제 2 계면 절연층(160)과, 제 2 계면 절연층(160) 상에 형성된 배선층(150)을 포함한다. 여기서, 요철부(120)는 용사 효율을 높이기 위해 모재(110) 상에 형성되는 요철층(121), 계면 절연층(122) 및 PEO 산화막(123)을 포함한다. 본 발명의 제 4 실시 예에 따른 절연 금속 부품은 본 발명의 제 1 내지 제 3 실시 예에 비하여 충진층(140)과 배선층(140) 사이에 제 2 계면 절연층(160)이 더 형성된다.Referring to FIG. 4, the insulated metal part using the thermal spray coating according to the fourth exemplary embodiment of the present invention has a base material 110 and an uneven part 120 formed by surface treatment of the base material 110 on the base material 110. And, the insulating coating layer 130 formed by the spray coating on the uneven portion 120, the filling layer 140 formed on the insulating coating layer 130 to fill the pores or defects of the insulating coating layer 130, and filling The second interface insulating layer 160 formed on the layer 140 and the wiring layer 150 formed on the second interface insulating layer 160 are included. Here, the uneven part 120 includes an uneven layer 121, an interfacial insulating layer 122, and a PEO oxide film 123 formed on the base material 110 to increase the thermal spraying efficiency. In the insulating metal component according to the fourth embodiment of the present invention, a second interface insulating layer 160 is further formed between the filling layer 140 and the wiring layer 140 as compared with the first to third embodiments of the present invention.

제 2 계면 절연층(160)은 예를들어 세라믹 물질로 형성되며, 충진층(140)과 배선층(150) 사이의 접착력, 절연성, 열전도율을 향상시키기 위해 형성된다. 제 2 계면 절연층(160)은 아노다이징, PEO법, 스퍼터링, 진공증착, CVD, 상압 플라즈마 증착, 졸겔법, 분사법 등을 이용하여 형성할 수 있다.The second interfacial insulating layer 160 is formed of, for example, a ceramic material, and is formed to improve adhesion, insulation, and thermal conductivity between the filling layer 140 and the wiring layer 150. The second interface insulating layer 160 may be formed using anodizing, PEO, sputtering, vacuum deposition, CVD, atmospheric plasma deposition, sol-gel, spraying, or the like.

한편, 충진층(140)을 형성하지 않고 제 2 계면 절연층(160)을 형성할 수도 있으며, 충진층(140)을 형성하기 이전 또는 충진층(140) 형성 이전 및 이후에 제 2 계면 절연층(160)을 형성할 수도 있다.Meanwhile, the second interface insulating layer 160 may be formed without forming the filling layer 140, and before the filling layer 140 is formed or before and after the filling layer 140 is formed, the second interface insulating layer 160 is formed. 160 may be formed.

도 5 내지 도 7은 본 발명의 변형 예에 따른 절연 금속 부품의 개략 단면도로서, 방열 특성을 향상시키기 위한 변형 예이다.5 to 7 are schematic cross-sectional views of an insulated metal component according to a modified example of the present invention, and are modified examples for improving heat dissipation characteristics.

도 5를 참조하면, 본 발명의 일 변형 예에 따른 절연 금속 부품은 방열핀(105)을 구비하여 히트싱크가 일체화된 모재(110)와, 모재(110) 상에 모재(110)의 표면 처리에 의해 형성된 요철부(120)와, 요철부(120) 상에 용사 코팅에 의해 형성된 절연 코팅층(130)과, 절연 코팅층(130) 상에 형성되어 절연 코팅층(130)의 기공 또는 결함을 충진하는 충진층(140)과, 충진층(140) 상에 형성된 배선층(150)을 포함한다.Referring to FIG. 5, an insulated metal component according to a modification of the present invention includes a heat dissipation fin 105 and a surface treatment of the base material 110 on which the heat sink is integrated and the base material 110 on the base material 110. Filled to fill the pores or defects of the uneven portion 120, the insulating coating layer 130 formed by the spray coating on the uneven portion 120 and the insulating coating layer 130 formed on the insulating coating layer 130 The layer 140 and the wiring layer 150 formed on the filling layer 140 are included.

도 6을 참조하면, 본 발명의 다른 변형 예에 따른 절연 금속 부품은 모재(110)의 타면에 순차적으로 형성된 접합층(170)과 기공(185)이 포함된 다공성 금속층(180)을 더 포함한다. 접합층(170)은 모재(110)와 다공성 금속층(180)을 접합하기 위한 것이고, 모재(110)와 다공성 금속층(180)은 솔더 접합, 용접, 초음파 접합, 체결부를 이용한 접합 등 다양한 방법으로 접합할 수 있다. 다공성 금속 층(180)은 예를 들어 구리, 알루미늄, 철, 니켈 등의 다공성 금속으로 이루어질 수 있으며, 다공성 금속층(180)을 통해 절연 금속 부품 상에 마련되는 전자 부품에서 발생되는 열이 효과적으로 방출될 수 있다.Referring to FIG. 6, the insulated metal component according to another modification of the present invention further includes a porous metal layer 180 including a bonding layer 170 and pores 185 sequentially formed on the other surface of the base material 110. . The bonding layer 170 is for bonding the base material 110 and the porous metal layer 180, and the base material 110 and the porous metal layer 180 are bonded by various methods such as solder bonding, welding, ultrasonic bonding, and bonding using a joint. can do. The porous metal layer 180 may be made of, for example, a porous metal such as copper, aluminum, iron, or nickel, and the heat generated from an electronic component provided on the insulating metal component may be effectively released through the porous metal layer 180. Can be.

도 7을 참조하면, 본 발명의 또 다른 변형 예에 따른 절연 금속 부품은 모재(110) 내에 마련된 히트 파이프(190)를 더 포함한다. 일반적으로 히트 파이프(190)는 열전도율이 높은 구리 또는 알루미늄 내부에 공극(191)을 형성하고, 공극(191) 내부에는 대기압 이하의 진공을 유지시키고, 물 또는 아세톤, 알콜과 같은 작동유체가 윅(192)(wick)이라는 다공성 채널을 통해 고속으로 이동하면서 열흡수 및 열방출을 하는 원리를 이용하고 있다. 따라서, 모재(110)에 히트 파이프(190)를 형성하면, 히트 파이프(190)의 고속 열전달 특성에 의해 보다 열방출 특성을 향상시킬 수 있다. 도 7에서는 설명의 편의상 평판형 히트 파이프(190)의 단면을 예시하였으나, 방열핀이 결합된 히트 파이프(190)와 다양한 형상의 히트 파이프(190)도 본 발명의 기술적 사상에 포함된다.Referring to FIG. 7, the insulated metal component according to another modified example of the present invention further includes a heat pipe 190 provided in the base material 110. In general, the heat pipe 190 forms a void 191 in copper or aluminum having high thermal conductivity, maintains a vacuum below atmospheric pressure in the void 191, and a working fluid such as water, acetone, or alcohol 192, using the principle of heat absorption and heat release while moving at high speed through a porous channel called (wick). Therefore, when the heat pipe 190 is formed in the base material 110, the heat dissipation characteristics may be further improved by the high speed heat transfer characteristics of the heat pipe 190. In FIG. 7, a cross-sectional view of the flat heat pipe 190 is illustrated for convenience of description, but a heat pipe 190 coupled with a heat dissipation fin and a heat pipe 190 having various shapes are also included in the technical idea of the present invention.

또 하나의 변형 예로서 도면으로는 표시하지는 않았지만 열전달 특성을 향상시키기 위해 카본나노튜브(CNT) 코팅을 모재(110) 하부에 실시함으로써 금속 절연 부품의 열전달 특성을 향상시킬 수 있다. 일반적으로 CNT는 방열 특성이 매우 우수한 재료로 잘 알려져 있으며, 이러한 CNT를 폴리에틸렌 또는 에폭시, 아크릴, 실리콘과 같은 폴리머 물질과 혼합하여 CNT 코팅액을 만든다. 이러한 CNT 코팅액을 본 발명의 모재(110) 하부 표면에 약 1 내지 30㎛의 두께로 분사한 후 경화 열처리하면, 본 발명의 절연 금속 부품의 열방사율을 높일 수 있다. 이러한 CNT 코팅은 본 발명의 변형 예인 히트싱크에 적용할 수도 있다.As another modification, although not shown in the drawings, the carbon nanotube (CNT) coating may be applied to the lower portion of the base material 110 to improve heat transfer characteristics, thereby improving heat transfer characteristics of the metal insulation component. In general, CNTs are well known as materials having excellent heat dissipation properties, and CNTs are mixed with polymer materials such as polyethylene or epoxy, acrylic, and silicone to form a CNT coating solution. When the CNT coating liquid is sprayed on the lower surface of the base material 110 of the present invention with a thickness of about 1 to 30 μm and then hardened and heat treated, the thermal emissivity of the insulated metal part of the present invention can be increased. This CNT coating can also be applied to heatsinks that are variations of the invention.

도 8은 용사 원료로 이용되는 각종 반도체 재료의 열전도율 및 열팽창 계수를 도시한 그래프이다.8 is a graph showing thermal conductivity and thermal expansion coefficient of various semiconductor materials used as a thermal spraying raw material.

도 8에 도시된 바와 같이, 반도체용 리드프레임 등으로 많이 이용되는 구리는 열전도율이 398W/mK로 가장 높고, 알루미늄이 237, 철이 80, 규소(Si)가 116, 질화알루미늄(AlN)이 200, 산화베릴륨(BeO)이 260, 탄화규소(SiC)가 240, 질화붕소(BN)가 180, 알루미나(Al2O3)가 25 정도의 열전도율을 가진다. 도 8에는 도시되지 않았지만, 산화마그네슘(MgO)의 열전도율이 60W/mK 정도, 탄화규소(SiC)는 114W/mK 정도의 열전도율을 가진다. 예를 들어 알루미나는 다른 세라믹 재료에 비해 우수한 절연성(유전강도 9.0)과 낮은 밀도(3.6g/cc), 그리고 높은 열전도율(25W/mK)을 가지고 있다. 보통 순수한 금속 재료에 비해 질화알루미늄, 산화베릴륨, 탄화규소, 질화붕소, 알루미나, 산화알루미늄, 질화규소 등은 제조 방법, 순도, 열처리 등에 따라 넓은 범위의 열전도율을 가지게 된다. 기존 일반 PCB의 경우 FR-4 절연층이 약 0.25W/mK 내외의 열전도율을 가지고, 기존 금속 PCB에 사용되는 에폭시 수지에 세라믹 필러가 들어간 절연층의 경우에 보통 2W/mK 정도의 열전도율 및 약 3∼5 정도의 유전율을 가진다. 따라서, 본 발명의 용사 절연층(130)은 에폭시 절연층보다 유전율이 높은 세라믹을 이용하므로, 동일한 절연성을 확보하기 위해 기존 금속 PCB 보다 절연 코팅층(130)의 두께를 얇게 할 수 있으므로 열저항을 낮출 수 있다. 또한, 우수한 절연 특성을 가지는 질화알루미늄, 산화베릴륨, 탄화규소, 질화붕소, 질화규소의 열전도율이 기존 금속 PCB의 절연층보다 수 십배 내지 수 백배 이상 높다는 것을 알 수 있다. 물론 용사 코팅으로 세라믹 절연층을 형성하면 전통적인 소결 방법으로 제조한 기공이 거의 없는 세라믹 소결체에 비해 열전도율이 상대적으로 떨어지지만 그래도 기존의 일반 PCB 또는 금속 PCB에서 사용하는 절연층에 비해 최소 수 배에서 수 십배 이상의 높은 열전도율을 가진다.As shown in FIG. 8, copper, which is widely used as a lead frame for a semiconductor, has the highest thermal conductivity of 398 W / mK, aluminum 237, iron 80, silicon (Si) 116, aluminum nitride (AlN) 200, A beryllium oxide (BeO) is 260, silicon carbide (SiC) is 240, boron nitride (BN) is 180 and alumina (Al 2 O 3 ) has a thermal conductivity of about 25. Although not shown in FIG. 8, the thermal conductivity of magnesium oxide (MgO) is about 60 W / mK, and silicon carbide (SiC) has a thermal conductivity of about 114 W / mK. Alumina, for example, has better insulation (dielectric strength 9.0), lower density (3.6 g / cc) and higher thermal conductivity (25 W / mK) than other ceramic materials. Compared with ordinary pure metal materials, aluminum nitride, beryllium oxide, silicon carbide, boron nitride, alumina, aluminum oxide, silicon nitride, and the like have a wide range of thermal conductivity depending on the manufacturing method, purity, and heat treatment. FR-4 insulation layer has a thermal conductivity of about 0.25W / mK in the conventional general PCB, and thermal conductivity of about 2W / mK and about 3 in the case of an insulation layer containing ceramic filler in epoxy resin used in the existing metal PCB. It has a dielectric constant of ˜5. Therefore, the thermal spray insulating layer 130 of the present invention uses a ceramic having a higher dielectric constant than the epoxy insulating layer, so that the thickness of the insulating coating layer 130 can be made thinner than the existing metal PCB in order to secure the same insulating property, thereby lowering the thermal resistance. Can be. In addition, it can be seen that the thermal conductivity of aluminum nitride, beryllium oxide, silicon carbide, boron nitride, and silicon nitride having excellent insulation properties is several tens to several hundred times higher than that of an insulating layer of a conventional metal PCB. Of course, when the ceramic insulation layer is formed by the thermal spray coating, the thermal conductivity is relatively lower than that of the ceramic sintered with little pores manufactured by the conventional sintering method, but it is still at least several times higher than that of the conventional PCB or metal PCB. It has ten times higher thermal conductivity.

또한, 열팽창 계수는 알루미늄이 25.5 ppm/deg, 구리가 16.5, 철이 12.3, 니켈이 13.3의 값을 가지며, 질화알루미늄, 알루미나, 실리콘 등의 재료들은 약 4~8 내외의 열팽창 계수를 가지고 있다. In addition, the coefficient of thermal expansion of aluminum 25.5 ppm / deg, copper 16.5, iron 12.3, nickel has a value of 13.3, and materials such as aluminum nitride, alumina, silicon has a coefficient of thermal expansion of about 4-8.

따라서, 이러한 반도체 및 세라믹 재료는 모두 용사 원료로 이용할 수 있으며, 특히 열피로를 많이 받는 환경에서는 모재와 절연 코팅층의 열팽창 계수의 차이가 최대한 작은 물질을 이용하는 것이 바람직하다. 한편, 용사 코팅으로 기지 금속을 형성할 때 알루미늄이나 구리 등의 열팽창 계수가 세라믹에 비해 큰 물질 대신에 알루미늄에 입자 강화 복합 재료, 예를 들어 SiC 또는 탄소나노튜브(CNT) 등을 첨가한 알루미늄 복합 재료를 이용할 수 있다. 알루미늄 복합 재료를 이용한 기지 금속은 알루미늄 합금에 비해 높은 강도와 강성, 그리고 우수한 내마모 및 내열 특성을 가지게 된다. 또한, 높은 열전도율 및 세라믹과 거의 비슷한 열팽창 계수를 가지게 된다. 전자기기의 열방출 소재는 낮은 열팽창 계수, 높은 열전도율, 저밀도, 저생산비의 특성을 가져야 하는데, 이러한 알루미늄 복합 재료는 강화 입자의 종류 및 분율에 따라서 열전도율 및 열팽창 계수 등의 물성을 원하는 대로 설계할 수 있어 전자기기의 열방출 소재로 적용 가능성이 높다. 또한, SiC는 낮은 원소재 가격에도 불구하고 우수한 물리적, 기계적 성질을 가지고 있기 때문에 복합 재료의 강화재로 많이 이용되고 있으며, 가압 또는 무가압 합침법을 이용한 망상 구조 형상의 알루미늄과 SiC의 복합 재료 제조 방법이 개발되고 있다. 일반적인 알루미늄과 SiC의 복합 재료는 제조 방법과 SiC의 분율에 따라 120∼180W/mK 정도의 상대적으로 높은 열전도율을 갖는다. 또한 최근 개발된 탄소나노튜브가 첨가된 알루미늄의 경우 알루미늄을 용융시킬 때 알루미늄과 잘 용융될 수 있도록 표면처리한 탄소나노튜브를 첨가하여 알루미늄 복합 재료의 무게를 줄이고 강도를 높였다. 여기서, 복합 재료의 열전도율은 SiC 입자와 탄소나노튜브의 분율과 분포, 기지와 강화재 간의 계면 상태, 구성 원소의 열전도율 등의 여러 가지 요인에 의하여 변화하게 된다. 따라서, 알루미늄과 SiC 또는 탄소나노튜브의 복합 재료를 모재(110)로 사용하여 금속 PCB를 제작하게 되면 절연 코팅층(130)과의 열팽창 계수 차이를 최소화함으로써 신뢰성이 우수한 제품을 만들 수 있다. 따라서, 용사 코팅 물질로는 알루미나, 질화알루미늄, 산화베릴륨, 탄화규소, 질화붕소, 산화마그네슘, 질화규소 및 이들의 포함된 혼합물이 이용될 수 있다.Therefore, both the semiconductor and the ceramic material can be used as a thermal spraying material, and particularly in an environment subject to high thermal fatigue, it is preferable to use a material having a small difference in thermal expansion coefficient between the base material and the insulating coating layer. On the other hand, when forming a base metal with a thermal spray coating, an aluminum composite in which a particle-reinforced composite material such as SiC or carbon nanotubes (CNT) is added to aluminum instead of a material having a larger thermal expansion coefficient such as aluminum or copper than ceramics Materials can be used. Base metals using aluminum composite materials have higher strength and stiffness, and better wear and heat resistance than aluminum alloys. In addition, it has a high thermal conductivity and a coefficient of thermal expansion almost similar to that of ceramics. The heat dissipation material of the electronic device should have characteristics of low thermal expansion coefficient, high thermal conductivity, low density and low production cost. The aluminum composite material can be designed as desired according to the type and fraction of reinforcing particles. It is highly applicable to heat dissipation material of electronic equipment. In addition, since SiC has excellent physical and mechanical properties despite low raw material prices, it is widely used as a reinforcing material for composite materials, and a method of manufacturing a composite material of aluminum and SiC having a network structure using a pressurized or pressureless agglomeration method. Is being developed. In general, a composite material of aluminum and SiC has a relatively high thermal conductivity of about 120 to 180 W / mK depending on the manufacturing method and the fraction of SiC. In addition, the recently developed carbon nanotubes are added to the surface of the aluminum nanomaterials are added to the surface of the carbon nanotubes so that the aluminum melts well. Here, the thermal conductivity of the composite material is changed by various factors such as the fraction and distribution of SiC particles and carbon nanotubes, the interface state between the matrix and the reinforcing material, and the thermal conductivity of the constituent elements. Therefore, when manufacturing a metal PCB using a composite material of aluminum and SiC or carbon nanotubes as the base material 110, it is possible to make a product having excellent reliability by minimizing the difference in thermal expansion coefficient with the insulating coating layer (130). Accordingly, as the thermal spray coating material, alumina, aluminum nitride, beryllium oxide, silicon carbide, boron nitride, magnesium oxide, silicon nitride, and mixtures thereof may be used.

도 9는은 본 발명에 따른 용사 코팅을 이용한 절연 금속 부품으로서의 히트싱크를 구비하는 발광 모듈의 개략도이다.9 is a schematic diagram of a light emitting module having a heat sink as an insulated metal part using a thermal spray coating according to the present invention.

도 9(a) 및 도 9(b)를 참조하면, 본 발명에 따른 발광 모듈은 방열핀(205)을 구비하여 히트싱크가 일체화된 기판(210)과, 기판(210) 상에 형성된 절연층(220) 과, 절연층(220) 상의 소정 영역에 형성된 배선층(230)과, 배선층(230)상에 실장된 발광 소자(240)와, 절연층(220) 및 배선층(230)의 일부 상에 형성된 솔더 레지스트층(250)을 포함한다.9 (a) and 9 (b), the light emitting module according to the present invention includes a substrate 210 having a heat dissipation fin 205 and a heat sink integrated therein, and an insulating layer formed on the substrate 210. 220, a wiring layer 230 formed in a predetermined region on the insulating layer 220, a light emitting element 240 mounted on the wiring layer 230, and a portion of the insulating layer 220 and the wiring layer 230. The solder resist layer 250 is included.

기판(210)은 예를 들어 알루미늄 합금으로 제작되며, 일면에 방열핀(205)이 형성된다. 기판(210)의 타면에는 절연층(220)이 형성되는데, 절연층(220)은 상기 요철부(120), 절연 코팅층(130) 및 충진층(140)으로 구성된다. 절연층(220) 상에는 배선층(230)이 형성된다.The substrate 210 is made of, for example, an aluminum alloy, and a heat dissipation fin 205 is formed on one surface thereof. An insulating layer 220 is formed on the other surface of the substrate 210, and the insulating layer 220 includes the uneven parts 120, the insulating coating layer 130, and the filling layer 140. The wiring layer 230 is formed on the insulating layer 220.

발광 소자(240), 예를 들어 리드프레임이 형성된 발광 소자 패키지는 배선층(230) 상에 표면 실장된다. The light emitting device 240, for example, a light emitting device package having a lead frame, is surface mounted on the wiring layer 230.

솔더 레지스트층(250)은 스크린 프린팅이나 잉크젯 프린팅, 디핑한 후 사진 및 식각 공정으로 형성할 수 있다.The solder resist layer 250 may be formed by screen printing, inkjet printing, or dipping and then photographing and etching.

이와 같이 본 발명의 방열핀(205)을 구비한 히트싱크가 일체화된 기판(210)을 사용하여 인쇄 회로 기판을 제작하면, 종래에 금속 인쇄 회로 기판 및 실리콘과 같은 TIM, 히트 싱크를 각각 사용하던 것에 비해 재료와 제조공정을 대폭 줄일 수 있으며, 특히 열저항을 크게 줄일 수 있는 장점이 있다.As described above, when a printed circuit board is manufactured using the substrate 210 having the heat sink having the heat dissipation fins 205 integrated therein, a metal printed circuit board, a TIM such as silicon, and a heat sink are used. Compared to the material and manufacturing process can be significantly reduced, in particular, there is an advantage that can significantly reduce the thermal resistance.

상기한 바와 같은 본 발명에 따른 용사 코팅을 이용한 절연 금속 부품을 적용하여 열전도율이 매우 우수한 발광 모듈이나 조명용 발광 모듈을 제작할 수 있다. 기존의 금속 PCB을 이용해서는 대형 액정 표시 장치용 백라이트 유닛을 제작하는데 한계가 있으나, 본 발명에 따른 용사 코팅을 이용한 부품을 적용하면 크기나 재질의 제한이 없고 열저항을 최소화시킨 발광 모듈을 제작할 수 있다.By applying an insulated metal component using the thermal spray coating according to the present invention as described above, it is possible to manufacture a light emitting module or a light emitting module having excellent thermal conductivity. There is a limitation in manufacturing a backlight unit for a large liquid crystal display device using a conventional metal PCB, but if the component using the spray coating according to the present invention is applied, there is no limitation in size or material and a light emitting module having a minimum heat resistance can be manufactured. have.

도 10은 본 발명에 따른 용사 코팅을 이용한 절연 금속 부품으로서의 정전척의 개략 단면도이다. 정전척은 반도체 장비에서 정전력을 발생시키는 전극(330)을 형성하여 실리콘 웨이퍼 및 유리 판넬을 고정하는 역할을 한다.10 is a schematic cross-sectional view of an electrostatic chuck as an insulated metal part using a thermal spray coating according to the present invention. The electrostatic chuck serves to fix the silicon wafer and the glass panel by forming an electrode 330 for generating electrostatic power in semiconductor equipment.

도 10을 참조하면, 본 발명에 따른 정전척은 단차를 갖는 몸체(310)와, 몸체(310) 상에 형성된 제 1 절연층(320)과, 제 1 절연층(320) 상의 소정 영역에 형성된 전극(330)과, 제 1 절연층(320) 및 전극(330) 상에 형성된 제 2 절연층(340)을 포함한다.Referring to FIG. 10, the electrostatic chuck according to the present invention may be formed in a body 310 having a step, a first insulating layer 320 formed on the body 310, and a predetermined region on the first insulating layer 320. The electrode 330 includes a first insulating layer 320 and a second insulating layer 340 formed on the electrode 330.

몸체(310)는 금속 물질, 예를 들어 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 제작될 수 있으며, 중앙부가 다른 영역에 비해 높은 단차를 갖도록 제작된다. 몸체(310)의 중앙부 상에는 제 1 절연층(320)이 형성되는데, 제 1 절연층(320)은 상술한 바와 같이 요철부(120), 절연 코팅층(130) 및 충진층(140)으로 구성된다. 한편, 공지의 기술로 용사 코팅을 이용하여 정전척을 제작하는 방법이 제시되어 있으나, 본 발명에서는 몸체(310)와 강한 결합력, 절연성 및 열전도율이 높은 요철부(120)를 형성한 것과 절연 코팅층(130) 위에 충진층(140)을 형성하는 것이 종래와 다르다.The body 310 may be made of a metal material, for example, aluminum or an aluminum alloy, and the center portion is made to have a high step compared to other areas. A first insulating layer 320 is formed on the central portion of the body 310, and the first insulating layer 320 is formed of the uneven portion 120, the insulating coating layer 130, and the filling layer 140 as described above. . On the other hand, a method for manufacturing an electrostatic chuck using a thermal spray coating has been proposed by a known technique, but in the present invention, the uneven portion 120 having a strong bonding force, high insulation, and high thermal conductivity and the insulating coating layer ( Forming the filling layer 140 on the 130 is different from the conventional.

전극(330)은 제 1 절연층(310) 상의 소정 영역에 형성되며, 도전성 물질을 용사 코팅하여 형성할 수 있다. 따라서, 전극(330)이 형성될 영역을 제외한 영역에 마스크층을 형성한 후 도전성 물질을 용사 코팅하고, 마스크층을 제거하여 전극(330)을 형성할 수 있다. 또한, 전극(330)은 스크린 프린팅 또는 잉크젯 프린팅으로 전극 물질을 도포하고 열처리하여 형성할 수도 있다. 그리고, 전극(330)은 스 퍼터링 또는 진공 증착을 이용하여 형성할 수도 있다.The electrode 330 is formed in a predetermined region on the first insulating layer 310 and may be formed by spray coating a conductive material. Therefore, after forming a mask layer in a region other than the region where the electrode 330 is to be formed, the conductive material may be thermally coated and the mask layer may be removed to form the electrode 330. In addition, the electrode 330 may be formed by applying and heat-treating the electrode material by screen printing or inkjet printing. In addition, the electrode 330 may be formed using sputtering or vacuum deposition.

제 2 절연층(340)은 제 1 절연층(320) 및 전극(330) 상부에 형성되며, 용사 코팅에 의해 형성될 수 있다. 즉, 제 2 절연층(340) 또한 제 1 절연층(320)과 동일하게 요철부(120), 절연 코팅층(130) 및 충진층(140)으로 구성할 수 있다. 제 2 절연층(340)을 형성한 후 전극(330)에 의해 단차가 형성된다면, 후속 공정으로 래핑 또는 폴리싱 방법으로 단차를 제거하는 것이 바람직하다. The second insulating layer 340 is formed on the first insulating layer 320 and the electrode 330, it may be formed by thermal spray coating. That is, the second insulating layer 340 may also be configured of the uneven portion 120, the insulating coating layer 130, and the filling layer 140 in the same manner as the first insulating layer 320. If a step is formed by the electrode 330 after the second insulating layer 340 is formed, it is preferable to remove the step by a lapping or polishing method in a subsequent process.

도 11은 본 발명에 따른 용사 코팅을 이용한 절연 금속 부품으로서의 열전 소자 모듈의 개략 단면도이다.11 is a schematic cross-sectional view of a thermoelectric element module as an insulated metal part using a thermal spray coating according to the present invention.

도11을 참조하면, 본 발명에 따른 열전 소자 모듈은 방열핀(405)을 구비하여 히트싱크가 일체화된 하부 기판(410)과, 하부 기판(410) 상에 형성된 제 1 절연층(420), 제 1 절연층(420) 상의 소정 영역에 형성된 하부 전극층(430), 하부 전극층(430) 상에 반복적으로 형성된 P형 열전 반도체층(440) 및 N형 열전 반도체층(450)과, 상부 기판(460)과, 상부 기판(460) 상에 형성된 제 2 절연층(470)과, 제 2 절연층(470) 상의 소정 영역에 형성되어 P형 열전 반도체층(440) 및 N형 열전 반도체층(450)과 접합된 상부 전극층(480)을 포함한다. 여기서, P형 열전 반도체층(440) 및 N형 열전 반도체층(450)은 상부 전극층(470) 및 하부 전극층(430)과 연결되도록 솔더링 또는 브레이징 접합되어 열전 소자가 제작된다.Referring to FIG. 11, the thermoelectric device module according to the present invention includes a lower substrate 410 having heat dissipation fins 405 and a heat sink integrated therein, a first insulating layer 420 formed on the lower substrate 410, and a first insulating layer 420. 1 The lower electrode layer 430 formed in a predetermined region on the insulating layer 420, the P-type thermoelectric semiconductor layer 440 and the N-type thermoelectric semiconductor layer 450 repeatedly formed on the lower electrode layer 430, and the upper substrate 460. ), A second insulating layer 470 formed on the upper substrate 460, and a P-type thermoelectric semiconductor layer 440 and an N-type thermoelectric semiconductor layer 450 formed in predetermined regions on the second insulating layer 470. And an upper electrode layer 480 bonded thereto. Here, the P-type thermoelectric semiconductor layer 440 and the N-type thermoelectric semiconductor layer 450 are soldered or brazed to be connected to the upper electrode layer 470 and the lower electrode layer 430, thereby manufacturing a thermoelectric element.

또한, 열전 소자 모듈용 하부 기판(410) 및 상부 기판(460) 상에 각각 형성된 제 1 및 제 2 절연층(420 및 470)은 상술한 바와 같이 요철부(120), 절연 코팅 층(130) 및 충진층(140)으로 구성된다. 하부 전극층(430) 및 상부 전극층(480) 또한 상술한 배선층(150)과 동일한 방법으로 형성할 수 있다.In addition, the first and second insulating layers 420 and 470 formed on the lower substrate 410 and the upper substrate 460 for the thermoelectric element module respectively have the uneven portion 120 and the insulating coating layer 130 as described above. And a filling layer 140. The lower electrode layer 430 and the upper electrode layer 480 may also be formed in the same manner as the wiring layer 150 described above.

종래의 열전 소자 모듈용 알루미나 세라믹 기판은 매우 높은 가격과 복잡한 제조 공정, 대량 생산이 불가능한 단위 공정에 따른 높은 제조 비용, 낮은 열전도율을 가지는 문제점이 있었다. 따라서, 본 발명에 따른 용사 코팅을 열전 소자 모듈용 하부 및 상부 기판 소재에 적용하면 열전도율, 절연성 및 접착성 등이 매우 우수한 절연 금속 기판을 쉽게 대량 생산할 수 있고, 종래에 비해 제조 공정 및 제조 비용을 줄일 수 있다. The conventional alumina ceramic substrate for a thermoelectric element module has a problem of having a very high price, a complicated manufacturing process, a high manufacturing cost according to a unit process that cannot be mass produced, and low thermal conductivity. Therefore, when the thermal spray coating according to the present invention is applied to the lower and upper substrate materials for thermoelectric element modules, it is possible to easily mass-produce insulated metal substrates having excellent thermal conductivity, insulation, and adhesiveness, and to increase the manufacturing process and manufacturing cost compared to the prior art. Can be reduced.

도 12는 알루미늄 모재에 그릿 블래스팅을 실시한 표면 형상 사진이다. 두께 2㎜의 알루미늄 5052 평판을 그릿 블래스팅으로 처리한 표면 형상을 광학 현미경으로 60배 확대한 사진이며, 평균 표면 거칠기는 2.5㎛이다. 그릿 블래스팅은 일반 샌드 블래스팅과 달리 블래스팅 재료의 형상이 매우 불규칙한 탄화규소(SiC) 또는 알루미나(Al2O3)를 고속으로 모재에 분사한다. 따라서, 모재의 표면에는 1∼10㎛ 크기의 요철층이 형성된다. 일반적으로 그릿 블래스팅을 이용한 표면 처리는 모재의 종류에 의존하지만, 두께 2㎜ 이하의 얇은 판에는 모재가 응력을 받아 변형이 발생하게 된다. 그러나, 수작업에 의한 그릿 블래스팅이 아니라, 그릿의 분사 속도와 모재 이동 속도 등을 자동으로 제어하면 모재의 변형을 최소화할 수 있다.It is a photograph of the surface shape which carried out the grit blasting on the aluminum base material. The surface shape which processed the aluminum 5052 flat plate of thickness 2mm by grit blasting is the photograph magnified 60 times with the optical microscope, and average surface roughness is 2.5 micrometers. Grit blasting, unlike ordinary sand blasting, injects silicon carbide (SiC) or alumina (Al 2 O 3 ) into the substrate at a high speed with a very irregular blasting material. Therefore, the uneven | corrugated layer of 1-10 micrometers magnitude | size is formed in the surface of a base material. In general, surface treatment using grit blasting depends on the type of the base material, but the base metal is stressed in the thin plate having a thickness of 2 mm or less, and deformation occurs. However, it is possible to minimize the deformation of the base metal by automatically controlling the injection speed of the grit and the base material movement speed, rather than the grit blasting by hand.

도 13(a) 및 도 13(b)는 0.2㎜ 두께의 알루미늄(Al) 박판에 PEO 코팅을 실시하여 알루미늄 박판의 양 표면에 요철층이 형성된 사진이다. 도 10(a)은 광학 현미경으로 100배의 배율로 관찰한 요철층의 표면 사진이고, 도 10(b)는 전자 현미경으로 400배의 배율로 관찰한 요철층이 형성된 알루미늄 박판의 단면 사진이다.13 (a) and 13 (b) are photographs in which a concave-convex layer is formed on both surfaces of an aluminum thin plate by PEO coating on a 0.2 mm thick aluminum (Al) plate. Fig. 10 (a) is a photograph of the surface of the uneven layer observed at a magnification of 100 times with an optical microscope, and Fig. 10 (b) is a cross-sectional photograph of an aluminum thin plate on which an uneven layer was observed at a magnification of 400 times with an electron microscope.

도 13(a) 및 도 13(b)에 도시된 바와 같이, 알루미늄 박판에 PEO 코팅을 실시하면 알루미늄 박판 상에는 매우 많은 기공을 갖는 다공성 알루미나의 요철층이 형성된다. 특히, 용사 코팅은 기계적 결합을 하기 때문에 절연 코팅층이 모재와 강하게 결합하기 위해서는 단순한 요철보다는 앵커 형태의 요철 구조가 더 바람직한데, PEO 코팅에 의해 형성된 요철층의 단면은 앵커 형태로 형성된다. 또한, 0.2㎜ 두께의 알루미늄 박판은 PEO 코팅에 의해 요철층이 형성되면 알루미늄층은 95㎛의 두께로 되고, 상부와 하부의 요철층은 각각 약 75㎚로 형성된다. 알루미늄 박판에 PEO 코팅을 하게 되면 알루미늄과 반응하여 요철층이 형성되기 때문에 알루미늄층의 두께는 원래 두께보다 줄어들지만, 요철층이 소정 두께로 형성된다. 따라서, 요철층이 형성된 후의 전체 두께가 요철층이 형성되기 이전보다 약 45㎛ 정도 두꺼워진다. 이와 같은 0.2㎜ 두께의 알루미늄 박판에 모재를 변형시키지 않고 그릿 블래스팅하는 것은 불가능하지만, PEO 코팅을 이용하면 모재를 변형시키지 않고 모재의 표면에 용사 코팅을 실시하기에 매우 적당한 앵커 형상의 요철부를 형성할 수 있다.As shown in FIGS. 13 (a) and 13 (b), when the PEO coating is performed on the aluminum sheet, an uneven layer of porous alumina having very many pores is formed on the aluminum sheet. In particular, since the thermal spray coating is mechanically bonded, an anchor-type concave-convex structure is more preferable than a simple concave-convex structure in order for the insulating coating layer to strongly bond with the base material. In addition, when the aluminum plate having a thickness of 0.2 mm is formed with an uneven layer by PEO coating, the aluminum layer has a thickness of 95 μm, and upper and lower uneven layers are formed at about 75 nm, respectively. When the PEO coating is applied to the aluminum thin plate, the uneven layer is formed by reacting with the aluminum, but the thickness of the aluminum layer is smaller than the original thickness, but the uneven layer is formed to a predetermined thickness. Therefore, the overall thickness after the uneven layer is formed is about 45 μm thicker than before the uneven layer is formed. Although it is not possible to grit blast the 0.2 mm thick aluminum sheet without deforming the base material, PEO coating can be used to form an anchor-shaped uneven portion which is very suitable for spray coating on the surface of the base material without deforming the base material. can do.

[표 1]은 모재 온도에 따른 알루미나 절연 코팅층의 열전도율 변화를 나타낸 것이다. 여기서, 플라즈마 용사 장비는 Sulzer-Metco 사의 9MB 모델을 사용하였으며, 알루미늄 모재는 Al 1050 (610*550*1.5㎜)을 이용하여 #80의 금강사를 이용하여 그릿 블래스팅을 수행하였고, 건 속도(Gun speed)는 425㎜/sec, 건-모재 거리는 80㎜, Ar 가스 유량은 33L/min, 수소 가스 유량은 4.5L/min, 알루미나 용사 분말은 Sulzer-Metco사의 105NS를 사용하여 약 40㎛ 두께로 용사 코팅하였다.Table 1 shows the thermal conductivity change of the alumina insulation coating layer according to the base material temperature. Here, the plasma spraying equipment used Sulzer-Metco's 9MB model, aluminum base material using Al 1050 (610 * 550 * 1.5㎜) grit blasting using gold steel of # 80, dry speed (Gun speed) is 425 mm / sec, gun-base distance is 80 mm, Ar gas flow rate is 33 L / min, hydrogen gas flow rate is 4.5 L / min, and alumina spray powder is sprayed to a thickness of about 40 μm using Sulzer-Metco 105NS. Coated.

모재의 온도Temperature of substrate 상온Room temperature 100℃100 ℃ 200℃200 ℃ 300℃300 ℃ 400℃400 ℃ 500℃500 ℃ 열전도율Thermal conductivity 4.04.0 4.084.08 6.406.40 8.158.15 10.2710.27 9.739.73

플라즈마 용사를 이용하여 알루미나 절연 코팅층을 형성할 때, 용사 건에서 분사되는 플라즈마에 의해 모재가 국부적으로 가열된다. 그러나, 상온에서 용사 코팅을 진행하는 것보다 모재의 온도를 상승시키면 100℃에서 400℃까지는 알루미나 절연 코팅층의 열전도율이 향상되는 경향을 보여 준다. 이러한 알루미나 절연 코팅층의 열전도율은 순수 알루미나의 경우 대략 20∼35W/mK의 열전도율을 가지는 것에 비해 매우 낮은 값을 보여주지만, 용사 코팅을 진행할 때 모재의 온도를 올려 주면 열전도율이 상당히 많이 개선되는 것을 확인할 수 있다. 모재 온도를 올릴 경우 모재의 변형이 발생할 수도 있지만, 모재의 가열 속도와 냉각 속도, 초기 모재의 응력 등의 변수를 적절하게 조절하면 모재의 변형을 최소화할 수 있다.When forming an alumina insulating coating layer using plasma spraying, a base material is locally heated by the plasma sprayed from a spraying gun. However, when the temperature of the base material is raised rather than the thermal spray coating at room temperature, the thermal conductivity of the alumina insulation coating layer is increased from 100 ° C to 400 ° C. The thermal conductivity of the alumina insulating coating layer shows a very low value compared to having a thermal conductivity of approximately 20 to 35 W / mK in the case of pure alumina. have. Increasing the base material temperature may cause deformation of the base material, but by appropriately adjusting variables such as heating rate and cooling rate of the base material and stress of the initial base material, the deformation of the base material can be minimized.

[표 2]는 플라즈마 절연 코팅층의 두께 및 에폭시 충진에 따른 절연 파괴 전압의 변화를 보여준다. 플라즈마 용사 조건은 상기 [표 1]과 동일하며, 모재는 별도로 가열하지 않았다. 절연 코팅층의 두께는 마이크로미터와 무게 변화를 이용하여 환산하였다. Table 2 shows the variation of the dielectric breakdown voltage according to the thickness and epoxy filling of the plasma insulating coating layer. Plasma spraying conditions were the same as in [Table 1] above, and the base material was not heated separately. The thickness of the insulating coating layer was converted using a micrometer and a weight change.

절연 코팅층 두께(㎛)Insulation Coating Layer Thickness (㎛) 88 1414 2121 4949 6464 8383 절연파괴전압A(kV)Breakdown voltage A (kV) -- 0.340.34 0.460.46 0.780.78 1.351.35 1.781.78 절연파괴전압B(kV)Breakdown voltage B (kV) 0.380.38 0.670.67 1.011.01 2.832.83 >5.0> 5.0 >5.0> 5.0 절연파괴전압C(kV)Breakdown voltage C (kV) 1.451.45 2.552.55 3.243.24 >5.0> 5.0 >5.0> 5.0 >5.0> 5.0

절연 파괴 전압은 KS규격 D8514에 따라 Delta United Instrument 사의 DU-1336 테스터로 각 10 번씩 측정하여 평균하였다. 절연 파괴 전압 A는 충진층을 형성하지 않은 절연 코팅층의 절연 파괴 전압으로 8㎛의 경우 절연이 되지 않았으며, 두께가 증가함에 따라 절연 파괴 전압 A는 증가하였다. 절연 파괴 전압 B는 알루미나 필러가 30% 혼합된 에폭시를 이용하여 스크린 프린팅하고 200℃에서 100분간 경화 열처리를 한 후의 절연 파괴 전압을 측정한 것이다. 절연 파괴 전압 C는 에폭시를 스크린 프린팅하고 전해동박을 라미네이션하여 진공 가압 열처리를 한 후의 절연 파괴 전압을 측정한 것이다. 진공 가압 열처리는 독일 Burkle사 LAMV 150 장비를 사용하여 진공은 20torr 이하, 압력은 50kgf/㎠, 200℃ 셋팅 온도에서 100분 열처리 후 냉각하였다. 진공 가압 열처리를 이용하여 에폭시 충진층을 형성하면 절연 코팅층의 절연 파괴 전압 보다 약 6 내지 8배로 증가함을 확인할 수 있었으며, 절연 파괴 전압 테스터 장비의 특성상 5kV 이상의 측정은 불가능하였다. 이때, 에폭시 충진층의 두께는 약 10㎛ 내외이었다. 따라서, 본 발명의 제 1 내지 제 3 실시 예에서 설명한 에폭시 충진층을 스크린 프린팅하고 난 후의 경화 열처리 또는 진공 가압 열처리에 따라 절연 파괴 전압의 증가 효과를 확인할 수 있었다. 금속 절연 부품으로 이용하기 위한 절연 코팅층은 8㎛∼200㎛의 두께를 가지는 것이 바람직하다. 8㎛ 이내의 두께에서는 충진층을 이용하더라도 충분한 절연 파괴 전압을 확보하기 어렵고, 200㎛ 이상의 두께는 공정 시간 및 코팅 비용의 증가, 열저항의 증가 등으로 바람직하지 않다.Insulation breakdown voltage was measured and averaged 10 times with DU-1336 tester of Delta United Instrument in accordance with KS standard D8514. Insulation breakdown voltage A was an insulation breakdown voltage of the insulation coating layer without forming the filling layer, and the insulation breakdown voltage A was not insulated in the case of 8 μm. As the thickness increased, the breakdown voltage A increased. The dielectric breakdown voltage B is measured by the screen breakdown using epoxy mixed with 30% alumina filler and the dielectric breakdown voltage after 100 minutes hardening heat treatment. The dielectric breakdown voltage C is a measure of the dielectric breakdown voltage after screen printing an epoxy, laminating an electrolytic copper foil, and performing vacuum pressure heat treatment. Vacuum pressurized heat treatment was performed using a German Burkle LAMV 150 equipment, the vacuum was 20torr or less, the pressure was 50kgf / ㎠, 100 minutes heat treatment at 200 ℃ setting temperature and then cooled. When the epoxy filling layer was formed using vacuum pressurized heat treatment, it was confirmed that the insulation breakdown voltage of the insulation coating layer was increased by about 6 to 8 times, and the measurement of the insulation breakdown voltage tester was not possible over 5 kV. At this time, the thickness of the epoxy filling layer was about 10㎛. Therefore, the effect of increasing the dielectric breakdown voltage was confirmed by hardening heat treatment or vacuum pressurization heat treatment after screen printing the epoxy filling layers described in the first to third embodiments of the present invention. It is preferable that the insulation coating layer for use as a metal insulation component has a thickness of 8 micrometers-200 micrometers. If the thickness is within 8 μm, even if the filling layer is used, it is difficult to secure sufficient dielectric breakdown voltage. A thickness of 200 μm or more is not preferable due to an increase in process time, coating cost, and increase in thermal resistance.

[표 3]은 계면 절연층 및 절연 코팅층에 따른 절연 파괴 전압의 변화를 나타낸다. [표 1]과 동일한 조건의 그릿 블래스팅을 수행한 알루미늄 모재를 사용하고, 계면 절연층으로 KOH의 농도가 15g/L, 물유리가 24g/L, 전압이 교류 400V, 전류 밀도가 5A/dm2로 PEO 산화막을 형성하였다. 이러한 조건의 계면 절연층의 절연 파괴 전압 D를 측정하였다. 계면 절연층 위에 연속적으로 [표 2]의 8㎛ 두께의 알루미나 절연 코팅층을 형성하고, 각각의 절연 파괴 전압 E를 측정하였다. 또한, 최종적으로는 에폭시를 스크린 프린팅하여 200℃에서 100분간 경화 열처리를 수행하여 각각의 절연 파괴 전압 F를 측정하였다. Table 3 shows the change in dielectric breakdown voltage according to the interface insulating layer and the insulating coating layer. Using aluminum base material that performed grit blasting under the same conditions as [Table 1], KOH concentration was 15g / L, water glass was 24g / L, voltage was AC 400V, current density was 5A / dm 2 To form a PEO oxide film. The dielectric breakdown voltage D of the interface insulating layer under these conditions was measured. The 8-micrometer-thick alumina insulating coating layer of [Table 2] was continuously formed on the interface insulating layer, and each dielectric breakdown voltage E was measured. Finally, epoxy was screen-printed and hardened heat treatment was performed at 200 ° C. for 100 minutes to measure each dielectric breakdown voltage F.

PEO 산화막 두께(um)PEO oxide thickness (um) 33 55 1010 절연파괴전압D (kV)Breakdown voltage D (kV) -- 0.110.11 0.320.32 절연파괴전압E (kV)Breakdown voltage E (kV) 0.370.37 0.420.42 0.460.46 절연파괴전압F (kV)Breakdown voltage F (kV) 1.551.55 1.681.68 1.801.80

[표 3]의 8㎛ 두께의 절연 코팅층의 경우 절연 파괴 전압이 측정되지 않았던 것과 비교하여, 계면 절연층의 두께를 3㎛, 5㎛, 10㎛로 증가시킴에 따라 각각 0.37, 0.42, 0.46kV로 절연 파괴 전압 E가 증가하였고, 에폭시 경화 열처리에 따라 각각 1.55, 1.68, 1.80kV로 절연 파괴 전압 F가 증가함을 알 수 있었다. 따라서, 본 발명의 제 2 실시 예에서 제시한 계면 절연층을 PEO를 이용하여 그릿 블래스팅한 모재에 형성시켜 줌으로써 절연 코팅층 및 스크린 프린팅한 에폭시의 경화 열처리 후의 절연 파괴 전압의 증가 효과를 확인할 수 있었다.In the case of the insulating coating layer having a thickness of 8 μm in Table 3, the thickness of the interface insulating layer was increased to 3 μm, 5 μm, and 10 μm as compared with the case where the dielectric breakdown voltage was not measured. The dielectric breakdown voltage E was increased and the dielectric breakdown voltage F was increased to 1.55, 1.68 and 1.80 kV, respectively, according to the epoxy curing heat treatment. Therefore, by forming the interfacial insulating layer presented in the second embodiment of the present invention on the base material grit blasted using PEO, the effect of increasing the dielectric breakdown voltage after curing heat treatment of the insulating coating layer and the screen printed epoxy was confirmed. .

도 14는 본 발명에 따른 절연 금속 기판의 계면 절연층, 절연 코팅층 및 충진층의 단면 사진이다. 단면 사진은 디지털 현미경으로 1200배로 확대해서 관찰하였다. [표 3]의 계면 절연층의 두께 10㎛, 절연 코팅층의 두께 8㎛, 스크린 프린팅한 후 경화 열처리한 에폭시 충진층의 두께 10㎛ 내외가 형성되어 있음을 알 수 있다. 특히 알루미늄 모재에 그릿 블래스팅에 의해 형성된 요철층(121) 위에 계면 절연층(122) 및 절연 코팅층(130), 에폭시 충진층(140)이 치밀하게 연속적으로 형성되어 있음을 알 수 있다.14 is a cross-sectional photograph of an interfacial insulating layer, an insulating coating layer and a filling layer of an insulating metal substrate according to the present invention. The cross-sectional photograph was observed magnified 1200 times with a digital microscope. It can be seen that the thickness of the interfacial insulating layer of Table 3, the thickness of the insulating coating layer of 8 µm, and the thickness of the epoxy filling layer that was cured and heat-treated after screen printing were formed around 10 µm. In particular, it can be seen that the interfacial insulating layer 122, the insulating coating layer 130, and the epoxy filling layer 140 are densely and continuously formed on the uneven layer 121 formed by grit blasting on the aluminum base material.

도 15는 본 발명에 따른 플라즈마 용사 코팅으로 제조한 절연 금속 기판을 이용한 LED 모듈의 열저항 측정 결과이다. 본 발명의 절연 금속 기판은 절연 코팅층(130)을 40㎛ 내외의 두께, 에폭시 충진층(140)을 20㎛ 내외의 두께, 전해동박을 35㎛ 내외의 두께로 사용하고 진공 가압 열처리를 이용하여 원판을 만든 후 PCB 공정을 이용하여 단면 금속 PCB를 제작하였다. LED 패키지는 서울반도체의 P7(10W)를 사용하여 본 발명의 금속 PCB에 실장한 후, LED 모듈의 열저항을 측정하였다. 열저항 측정 장비는 Micred사의 T3ster 장비를 사용하였으며, 본 발명에 따른 절연 금속 기판의 열저항은 2K/W로 기존 금속 PCB 제품에 비해 열저항이 크게 줄어들었음을 알 수 있다. 열 저항을 더욱 줄이기 위해서는 에폭시 충진충(140)의 두께를 줄이거나, 에폭시 충진 및 경화 열처리 후 표면을 연마하고 상술한 바와 같이 스퍼터링 및 도금 방법으로 금속 기판을 제작하면 된다. 또 다른 방법으로는 계면 절연층(122)을 형성하고 절연 코팅층(130) 및 충진층(131)의 두께를 최소화시키면 목표로 하는 절연성 및 열전도율을 최적화시킬 수 있을 것이다. 15 is a measurement result of the thermal resistance of the LED module using an insulated metal substrate prepared by a plasma spray coating according to the present invention. The insulating metal substrate of the present invention uses an insulating coating layer 130 of about 40 ㎛ thickness, epoxy filling layer 140 of about 20 ㎛ thickness, electrolytic copper foil of about 35 ㎛ thickness and using a vacuum pressurized heat treatment After fabrication, a single-sided metal PCB was fabricated using the PCB process. The LED package was mounted on the metal PCB of the present invention using P7 (10W) of Seoul Semiconductor, and the thermal resistance of the LED module was measured. The thermal resistance measurement equipment used T3ster equipment of Micred, the thermal resistance of the insulated metal substrate according to the present invention can be seen that the thermal resistance is significantly reduced compared to the existing metal PCB products. In order to further reduce the thermal resistance, the thickness of the epoxy filler 140 may be reduced, or the surface may be polished after epoxy filling and curing heat treatment, and a metal substrate may be manufactured by the sputtering and plating method as described above. Alternatively, by forming the interfacial insulating layer 122 and minimizing the thicknesses of the insulating coating layer 130 and the filling layer 131, the target insulating properties and thermal conductivity may be optimized.

도 16은 본 발명에 따른 절연 금속 부품을 이용한 금속 PCB의 단면 사진이다. 알루미늄 모재(110)의 표면에 그릿 블래스팅에 의한 요철층(121) 및 절연 코팅층(130), 에폭시 충진층(140), 구리 배선층(150), 최종적으로 노출된 구리 배선층(150)을 보호하기 위한 솔더 레지스트층(170)을 잘 보여준다.16 is a cross-sectional photograph of a metal PCB using an insulated metal component according to the present invention. To protect the uneven layer 121 and the insulating coating layer 130, the epoxy filling layer 140, the copper wiring layer 150, and finally exposed copper wiring layer 150 by grit blasting on the surface of the aluminum base material 110 The solder resist layer 170 is shown well.

본 발명에 따른 용사 코팅을 이용한 부품은 상기 실시 예 이외에도 다양한 부분에 적용할 수 있다. 예를 들어 본 발명에 따른 용사 코팅을 이용한 금속 절연 부품으로서 인쇄기용 롤러, 제철 또는 제강용 롤러 등을 제작할 수 있다. 즉, 원 기둥 형상의 롤러 모재에 상술한 요철부(120)을 형성한 후 용사 코팅하여 절연 코팅층(130), 충진층(140)을 형성할 수 있다. 응용 분야에 따라서는 충진층(140)을 제외할 수도 있다. 이러한 절연 코팅층(130)은 표면이 매끄러운 롤러 뿐만 아니라 나사산이나 굴곡이 형성되어 있는 롤러, 항공기용 제트팬, 선박용 스크류 등에 이용할 수 있다. 따라서, 본 발명에서 제시한 기술적 사상을 이용하면 모재(110)와 절연 코팅층(130)간의 접착력 및 절연성, 열전도율을 향상시킬 수 있어 높은 내열 피로 특성 및 내마모 특성을 얻을 수 있다.Parts using the spray coating according to the present invention can be applied to various parts in addition to the above embodiment. For example, as a metal insulation component using the thermal spray coating according to the present invention, a roller for a printing machine, a steelmaking or steelmaking roller, or the like can be produced. That is, the above-mentioned concave-convex portion 120 may be formed on a circular columnar roller base material, and then spray-coated to form an insulation coating layer 130 and a filling layer 140. Depending on the application, the filling layer 140 may be excluded. The insulating coating layer 130 may be used for rollers having smooth surfaces, as well as rollers having threads or bends, aircraft jet fans, ship screws, and the like. Therefore, by using the technical spirit proposed in the present invention, the adhesion between the base material 110 and the insulating coating layer 130 and the insulation, and the thermal conductivity can be improved to obtain high heat resistance fatigue resistance and wear resistance.

도 1은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 용사 코팅을 이용한 절연 금속 부품의 개략 단면도.1 is a schematic cross-sectional view of an insulated metal component using a thermal spray coating according to a first embodiment of the present invention.

도 2는 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 용사 코팅을 이용한 절연 금속 부품의 개략 단면도.2 is a schematic cross-sectional view of an insulated metal component using a thermal spray coating according to a second embodiment of the present invention.

도 3은 본 발명의 제 3 실시 예에 따른 용사 코팅을 이용한 절연 금속 부품의 개략 단면도.3 is a schematic cross-sectional view of an insulated metal component using a thermal spray coating according to a third embodiment of the present invention.

도 4는 본 발명의 제 4 실시 예에 따른 용사 코팅을 이용한 절연 금속 부품의 개략 단면도.4 is a schematic cross-sectional view of an insulated metal part using a thermal spray coating according to a fourth embodiment of the present invention.

도 5 내지 도 7은 본 발명의 변형 예에 따른 용사 코팅을 이용한 절연 금속 부품의 개략 단면도.5 to 7 are schematic cross-sectional views of insulated metal parts using a thermal spray coating according to a modification of the present invention.

도 8은 용사 원료로 이용되는 각종 반도체 재료의 열전도율 및 열팽창 계수를 도시한 그래프.8 is a graph showing thermal conductivity and thermal expansion coefficient of various semiconductor materials used as a thermal spraying raw material.

도 9는 본 발명에 따른 용사 코팅을 이용한 절연 금속 부품으로서의 히트싱크를 구비하는 발광 모듈의 개략도.9 is a schematic view of a light emitting module having a heat sink as an insulated metal part using a thermal spray coating according to the present invention.

도 10은 본 발명에 따른 용사 코팅을 이용한 절연 금속 부품으로서의 정전척의 개략 단면도.10 is a schematic cross-sectional view of an electrostatic chuck as an insulated metal part using a sprayed coating according to the present invention.

도 11은 본 발명에 따른 용사 코팅을 이용한 절연 금속 부품으로서의 열전 소자 모듈의 개략 단면도.11 is a schematic cross-sectional view of a thermoelectric element module as an insulated metal part using a thermal spray coating according to the present invention.

도 12는 알루미늄 모재에 그릿 블래스팅을 실시한 표면 형상 사진.12 is a photograph of the surface shape of the aluminum base material subjected to grit blasting.

도 13(a) 및 도 13(b)는 알루미늄 모재에 PEO 산화막을 형성한 표면 및 단면 사진.13 (a) and 13 (b) are surface and cross-sectional photographs of a PEO oxide film formed on an aluminum base material;

도 14는 본 발명에 따른 용사 코팅을 이용한 절연 금속 부품의 일부 단면 사진.14 is a partial cross-sectional photograph of an insulated metal part using a thermal spray coating according to the present invention.

도 15는 본 발명에 따른 플라즈마 용사 코팅으로 제조한 절연 금속 기판을 이용한 LED 모듈의 열저항 측정 결과.15 is a heat resistance measurement result of the LED module using the insulated metal substrate prepared by the plasma-spray coating according to the present invention.

도 16은 본 발명에 따른 절연 금속 부품을 이용한 금속 PCB의 단면 사진.16 is a cross-sectional photograph of a metal PCB using an insulated metal component according to the present invention.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명> <Description of the symbols for the main parts of the drawings>

110 : 모재 120 : 요철부110: base material 120: uneven portion

130 : 절연 코팅층 140 : 충진층130: insulation coating layer 140: filling layer

150 : 배선층150: wiring layer

Claims (20)

LED 및 반도체용 금속 절연 부품으로서,As metal insulation parts for LEDs and semiconductors, 모재;Base material; 상기 모재 상에 형성된 요철부;Uneven parts formed on the base material; 상기 요철부 상에 용사 코팅에 의해 형성된 절연 코팅층;An insulation coating layer formed by thermal spray coating on the uneven portion; 상기 절연 코팅층 상에 형성된 충진층; 및A filling layer formed on the insulating coating layer; And 상기 충진층 상에 형성된 배선층을 포함하는 절연 금속 부품.Insulating metal parts comprising a wiring layer formed on the filling layer. 제 1 항에 있어서, 상기 모재는 알루미늄, 마그네슘, 티타늄, 구리, 철, 니켈 또는 그 합금 중 적어도 어느 하나를 포함하는 절연 금속 부품.The insulated metal part of claim 1, wherein the base material comprises at least one of aluminum, magnesium, titanium, copper, iron, nickel, or an alloy thereof. 제 1 항에 있어서, 상기 모재는 알루미늄에 SiC 또는 탄소나노튜브를 포함하는 입자 강화 복합 재료를 첨가한 알루미늄 복합 재료를 포함하는 절연 금속 부품.The insulated metal part of claim 1, wherein the base material comprises an aluminum composite material in which a particle-reinforced composite material including SiC or carbon nanotubes is added to aluminum. 제 1 항에 있어서, 상기 모재는 방열핀을 구비하는 히트싱크, 다공성 금속, 히트 파이프, CNT 코팅 중 어느 하나를 포함하는 절연 금속 부품.The insulated metal part of claim 1, wherein the base material includes any one of a heat sink having a heat dissipation fin, a porous metal, a heat pipe, and a CNT coating. 제 1 항에 있어서, 상기 요철부는 상기 모재의 표면 처리에 의해 형성된 요철층 및 PEO 산화막중 적어도 어느 하나를 포함하는 절연 금속 부품.The insulated metal part according to claim 1, wherein the uneven portion includes at least one of an uneven layer and a PEO oxide film formed by surface treatment of the base material. 제 5 항에 있어서, 상기 표면 처리는 그릿 블래스팅, 샌드 블래스팅, 래핑 및 화학적 에칭을 포함하는 절연 금속 부품.6. The insulated metal part of claim 5, wherein said surface treatment comprises grit blasting, sand blasting, lapping, and chemical etching. 제 5 항에 있어서, 상기 요철부는 상기 요철층 및 PEO 산화막의 적어도 어느 하나 상에 형성된 계면 절연층을 더 포함하는 절연 금속 부품.The insulated metal part according to claim 5, wherein the uneven portion further comprises an interface insulating layer formed on at least one of the uneven layer and the PEO oxide film. 제 1 항에 있어서, 상기 절연 코팅층은 알루미나, 질화알루미늄, 산화베릴륨, 탄화규소, 질화붕소, 산화마그네슘, 질화규소 중 적어도 어느 하나를 포함하는 절연 금속 부품.The insulating metal component of claim 1, wherein the insulating coating layer comprises at least one of alumina, aluminum nitride, beryllium oxide, silicon carbide, boron nitride, magnesium oxide, and silicon nitride. 제 1 항에 있어서, 상기 절연 코팅층은 8㎛ 내지 200㎛의 두께로 형성된 절 연 금속 부품.The insulated metal part of claim 1, wherein the insulation coating layer has a thickness of about 8 μm to about 200 μm. 제 1 항에 있어서, 상기 충진층과 상기 배선층 사이에 형성된 제 2 계면 절연층을 더 포함하는 절연 금속 부품.The insulated metal part according to claim 1, further comprising a second interfacial insulating layer formed between the filling layer and the wiring layer. LED 및 반도체용 금속 절연 부품의 제조 방법으로서,As a manufacturing method of metal insulation parts for LEDs and semiconductors, 모재 상에 요철부를 형성하는 단계;Forming an uneven portion on the base material; 상기 요철부 상에 용사 코팅에 의해 절연 코팅층을 형성하는 단계;Forming an insulating coating layer by thermal spray coating on the uneven parts; 상기 절연 코팅층 상에 충진층을 형성하는 단계; 및Forming a filling layer on the insulating coating layer; And 상기 충진층 상에 배선층을 형성하는 단계를 포함하는 절연 금속 부품 제조 방법.Forming a wiring layer on the filling layer. 제 11 항에 있어서, 상기 요철부는 상기 모재의 표면 처리에 의해 형성된 요철층 및 상기 모재의 PEO 산화에 의해 형성된 PEO 산화막중 적어도 어느 하나를 포함하는 절연 금속 부품 제조 방법.The method of claim 11, wherein the uneven portion comprises at least one of an uneven layer formed by surface treatment of the base material and a PEO oxide film formed by PEO oxidation of the base material. 제 12 항에 있어서, 상기 요철층 및 PEO 산화막의 적어도 어느 하나 상에 계면 절연층을 형성하는 단계를 더 포함하는 절연 금속 부품 제조 방법.The method of claim 12, further comprising forming an interfacial insulating layer on at least one of the uneven layer and the PEO oxide layer. 제 13 항에 있어서, 상기 계면 절연층은 아노다이징, PEO법, 스퍼터링, 진공 증착, CVD, 상압 플라즈마 증착, 졸겔법 및 분사법의 적어도 어느 하나를 이용하여 형성하는 절연 금속 부품 제조 방법.The method of claim 13, wherein the interfacial insulating layer is formed using at least one of anodizing, PEO, sputtering, vacuum deposition, CVD, atmospheric plasma deposition, sol-gel, and spraying. 제 11 항에 있어서, 상기 모재의 온도를 상승시키면서 상기 용사 코팅에 의해 상기 절연 코팅층을 형성하는 절연 금속 부품 제조 방법.12. The method of claim 11, wherein the insulating coating layer is formed by the thermal spray coating while raising the temperature of the base material. 제 11 항에 있어서, 상기 충진층은 에폭시, 열경화성 수지 또는 무기질 계열의 물질을 스크린 프린팅, 잉크젯 프린팅 또는 디핑을 이용하여 형성하는 절연 금속 부품 제조 방법.The method of claim 11, wherein the filling layer is formed of an epoxy, a thermosetting resin, or an inorganic material by screen printing, inkjet printing, or dipping. 제 11 항에 있어서, 상기 배선층은 전해동박 포일, 스퍼터링, 도금, 스크린 프린팅 또는 잉크젯 프린팅을 이용하여 형성하는 절연 금속 부품 제조 방법.The method of claim 11, wherein the wiring layer is formed by using an electrolytic copper foil, sputtering, plating, screen printing, or inkjet printing. 제 16 항 또는 제 17 항에 있어서, 상기 배선층은 상기 충진층과 상기 배선층을 동시에 진공 가압 열처리하여 형성하는 절연 금속 부품 제조 방법.18. The method of claim 16 or 17, wherein the wiring layer is formed by simultaneously vacuum pressurizing the filling layer and the wiring layer. 제 16 항 또는 제 17 항에 있어서, 상기 배선층은 상기 충진층을 형성한 후 경화 열처리하고, 스퍼터링으로 접착층 및 시드층을 형성한 후 도금 공정으로 형성하는 절연 금속 부품 제조 방법.18. The method of claim 16 or 17, wherein the wiring layer is cured and heat-treated after the filling layer is formed, and the adhesive layer and the seed layer are formed by sputtering and then formed by a plating process. 제 11 항에 있어서, 상기 충진층 상에 제 2 계면 절연층을 형성하는 단계를 더 포함하는 절연 금속 부품 제조 방법.The method of claim 11, further comprising forming a second interfacial insulating layer on the filling layer.
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