KR20110110464A - 다공성 비정질 나노템플릿을 이용한 칩 휴즈 제조방법 - Google Patents

다공성 비정질 나노템플릿을 이용한 칩 휴즈 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 칩 휴즈 제조방법에 관한 것으로서, 기판을 양극산화시켜 기판 상층에 다공성 비정질 나노템플릿을 형성하는 제1단계와; 상기 다공성 비정질 나노템플릿 상부에 금속 전도체 또는 용단물질을 코팅하는 제2단계와; 상기 코팅된 금속 전도체 또는 용단물질 상부에 보호막을 코팅하는 제3단계와; 상기 금속 전도체 또는 용단물질과 연결되는 외부전극을 형성하는 제4단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 다공성 비정질 나노템플릿을 이용한 칩 휴즈 제조방법을 기술적 요지로 한다. 이에 의해 열차폐 효율이 높은 다공성 비정질 나노템플릿을 사용하므로써 비교적 제작 방법이 용이하며, 저가의 기판 재료를 사용할 수 있어 경제적이며, 기판 쪽 또는 기판 상부로 방사되는 열을 줄여 금속 전도체 또는 용단물질이 빠른 반응속도 또는 용단속도를 가지면서 끊어지도록 하여 초과 전압 및 전류가 흘러가는 것을 신속히 차단하여 제품을 안정적으로 보호할 수 있는 이점이 있다.

Description

다공성 비정질 나노템플릿을 이용한 칩 휴즈 제조방법{Chip fuse manufacturing method using porous amorphous nanotemplate}
본 발명은 칩 휴즈 제조방법에 관한 것으로서, 기판을 양극산화시켜 생성되는 다공성 비정질 나노템플릿을 열차폐 물질로 사용하여 빠른 반응속도 또는 용단속도를 가지는 다공성 비정질 나노템플릿을 이용한 칩 휴즈 제조방법에 관한 것이다.
모든 휴즈는 전기를 사용하는 제품에 있어 초과 전압 및 전류가 흘러가는 것을 차단하여 제품을 보호하는데 그 목적이 있다. 정격 전압, 전류 이상이 흘러들어가면 차단하는 기능을 하는 것이다.
일반적으로 칩 휴즈는 지지대 역할을 하는 기판과 기판 표면에 금속 전도체 그리고 금속 전도체 상부에 보호막으로 구성된다. 기판으로 사용되는 물질은 알루미나 세라믹이나 FR-4 에폭시 또는 폴리이미드(plyimide)로 알려져 있다. 금속 전도체는 알루미늄, 구리 또는 은 등의 순수 물질이 사용된다. 최고 전류 강도는 금속 전도체가 녹지 않고 흘릴 수 있는 최고 전류를 의미하며 금속 전도체의 기하학적 구조에 의존하고 특히, 금속 전도체의 단면 구조에 더욱 민감하다. 만약 이 값이 초과되면, 전지저항에 의한 주울열로 인해 금속 전도체는 녹아 끊어지고 제품을 보호하게 된다.
한편, 후막(thick film)에 의한 칩 휴즈 제조방법에 있어서 금속 전도체 형성은 금속 유리질 복합체인 페이스트(paste)를 이용한 인쇄(screen printing) 방법을 이용하고, 기판과 금속 전도체의 접착층은 유리질(glass)의 낮은 열전도도의 물질이 이용된다. 그러나, 이러한 인쇄(screen printing) 방법은 금속 전도체의 기하학적 구조의 정밀도가 낮아 특성의 신뢰도에 악영향을 끼치게 된다. 높은 전류 강도 칩 휴즈의 경우 후막의 금속 유리질 복합체 또는 두꺼운 금속 전도체를 이용해야 하므로 이러한 문제점을 보완하기 위해서는 추가적인 레이저 트리밍(LASER trimmimg) 공정이 필요하게 된다.
한편, 전형적인 세라믹 기판의 경우 Al2O3 함량이 96% 이상으로 매우 높은 열 전도도를 나타낸다. 이러한 기판을 이용하기 위해서는 전기저항에 의한 주울열로 인해 금속 전도체가 신뢰성 있게 일정한 시간 내에 녹아 끊어지도록 하여야 하며, 이를 위해서는 발생된 주울열이 기판이나 기판 상부로 방사가 되지 않도록 해야한다.
종래의 칩 휴즈 제조 기술로, 칩 휴즈 제조시 기판 자체의 재질을 FR-4 또는 폴리이미드(polyimide)를 사용하여 용단물질로부터 발생되는 주울열의 방사를 줄이는 것(DE 695 125 19T2), 칩 휴즈 제조시 기판을 열 전도도가 낮은 유리질 세라믹(glass ceramic) 기판을 사용하여 용단물질로부터 발생되는 주울열의 방사를 줄이는 것(DE 197 04 097A1)이 있다.
그리고, 칩 휴즈 제조시 기판을 열 전도도가 낮은 유리질 세라믹(glass ceramic) 기판을 사용하여 후막(thick film) 용단물질로부터 발생되는 주울열의 방사를 줄이는 것(JP 2003/151425 A), 기판과 용단 물질 사이에 유리질 층(glass layer)을 삽입하여 용단물질로부터 발생되는 주울열의 방사를 줄이는 것(JP 08/102244 A), 칩 휴즈 제조시 리소그라피(lithography) 방법으로 박막의(thin film) 금속 전도체를 형성하는 것(JP 2003/173728 A), 기판과 금속 전도체 사이에 낮은 융점의 무기 유리질 페이스트(inorganic glass paste) 또는 폴리이미드(polyimide) 층을 인쇄방법으로 형성하여 금속 전도체로부터 발생되는 주울열의 방사를 줄이는 것(US 2008/0303626 A1)이 있다.
상기의 종래기술은 과도한 전압이나 전류의 유입에 따라 발생되는 주울열을 사용되는 기판 쪽이나 기판 상부로 방사되도록 하여 휴즈의 반응속도를 향상시키기위한 것으로, 대체로 열전도도가 낮은 PCB 기판(FR-4) 또는 유리질 세라믹과 같은 기판을 사용하거나, 금속 전도체와 기판 사이 열전도를 줄이기 위한 열전도가 낮은 절연층(glass 또는 폴리이미드)을 삽입하는 형태로써, 제조방법이 대체적으로 복잡하며, 열전달을 막고자 사용한 절연층으로 치밀질의 층을 이용하고 있어 이러한 물질은 열차폐 효율이 그다지 높지 않아 반응속도 또는 용단속도가 느린 문제점이 있다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 기판을 양극산화시켜 생성되는 다공성 비정질 나노템플릿을 열차폐 물질로 사용하여 빠른 반응속도 또는 용단속도를 가지는 다공성 비정질 나노템플릿을 이용한 칩 휴즈 제조방법의 제공을 그 목적으로 한다.
상기 목적 달성을 위해 본 발명은, 기판을 양극산화시켜 기판 상층에 다공성 비정질 나노템플릿을 형성하는 제1단계와; 상기 다공성 비정질 나노템플릿 상부에 금속 전도체 또는 용단물질을 코팅하는 제2단계와; 상기 금속 전도체 또는 용단물질 상부에 보호막을 코팅하는 제3단계와; 상기 금속 전도체 또는 용단물질과 연결되는 외부전극을 형성하는 제4단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 다공성 비정질 나노템플릿을 이용한 칩 휴즈 제조방법을 기술적 요지로 한다.
또한, 상기 기판은, 금속 또는 세라믹 기판을 사용하며, 금속으로는 Al, Ti, Ta, Nb, V, Hf 및 W 중에 어느 하나의 재질로 벌크(bulk)로 형성된 것을 사용하거나, 세라믹 기판 위에 형성된 금속층이 Al, Ti, Ta, Nb, V, Hf 및 W 중에 어느 하나의 재질로 형성된 것을 사용한다. 여기에서, 상기 금속층은 스퍼터링(sputtering), evaporation, PLD(pulsed laser deposition), CVD(chemical vapor deposition)법 중에 어느 하나의 방법에 의해 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 금속 전도체는 Ag, Cu 및 Al 금속 중 어느 하나가 사용되며, 상기 용단물질은 유리(glass)가 함유된 Ag 페이스트, Cu 페이스트 및 Al 페이스트 중 어느 하나를 사용하는 것이 바람직하며, 또한, 상기 금속 전도체 또는 용단물질은 전기화학적 방법, 진공증착 방법 및 스크린 인쇄 방법 중에 어느 하나에 의해 형성되는 것이 바람직하다.
상기 과제 해결 수단에 의해 본 발명은, 기판에의 열차폐를 위해 기판을 양극산화시킨 다공성 비정질 나노템플릿을 사용하므로써 비교적 제작 방법이 용이하며, 다공성의 재질로 열차폐 효율이 높아 일부러 열전도도가 낮은 기판을 사용할 필요가 없이 저가의 금속이나 알루미나 기판을 사용할 수 있어 경제적인 효과가 있다.
또한, 다공성 비정질 나노템플릿은 다공질의 재질로 인해 열차폐 효율이 뛰어나 기판 쪽 또는 기판 상부로 방사되는 열을 줄여 금속 전도체 또는 용단물질이 빠른 반응속도 또는 용단속도를 가지면서 끊어지도록 하여 초과 전압 및 전류가 흘러가는 것을 신속히 차단하여 제품을 안정적으로 보호할 수 있는 효과가 있다.
도 1 - 본 발명에 따른 다공성 비정질 나노템플릿을 이용한 칩 휴즈 제조방법에 대한 모식도.
도 2 - 본 발명에 따라 제조된 다공성 비정질 나노템플릿에 대한 표면을 나타낸 도.
도 3 - 본 발명에 따라 제조된 다공성 비정질 나노템플릿에 대한 표면을 나타낸 도.
본 발명은 다공성 비정질 나노템플릿을 이용한 칩 휴즈에 관한 것으로서, 칩 휴즈의 프레임(frame) 역할인 기판과, 상기 기판을 양극산화하여 그 상층부에 형성되는 다공성 비정질 나노템플릿, 상기 다공성 비정질 나노템플릿 상부에 형성되어 과전류의 유입에 의해 끊어지도록 형성된 금속 전도체 또는 용단물질과, 상기 금속 전도체 또는 용단물질 상부에 형성되며 외부환경으로부터 칩 휴즈를 보호하는 보호막 및 외부전극으로 크게 구성된다.
이에 의해 열전달을 위해 기판과 금속 전도체 또는 용단물질 사이에 기판을 양극산화시켜 형성되는 다공성 비정질 나노템플릿을 사용함으로써, 일반적인 양극산화방법으로 간단하게 제조할 수 있으며, 기존의 치밀질의 층에 비해 다공성의 물질을 이용하면 열 차폐효과가 커지게 되어 빠른 반응속도 또는 용단속도의 칩 휴즈를 제공하게 된다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명하고자 한다. 도 1은 본 발명에 따른 다공성 비정질 나노템플릿을 이용한 칩 휴즈 제조방법에 대한 모식도이다. 도시된 바와 같이 본 발명은 기판(10)을 양극산화시켜 상층부에 다공성 비정질 나노템플릿(11)을 형성하고, 그 상부에 금속 전도체 또는 용단물질(12)을 형성하고, 그 상부에 보호막(13) 및 외부전극(14)을 형성하는 과정으로 이루어진다.
먼저, 상기 기판(10)은 양극산화가 가능한 금속 또는 세라믹 기판을 사용한다. 여기에서 상기 금속 기판은 Al, Ti, Ta, Nb, V, Hf 및 W 중에 어느 하나의 재질로 벌크(bulk)로 형성되거나, 세라믹 기판 위에 형성된 금속층이 Al, Ti, Ta, Nb, V, Hf 및 W 중에 어느 하나의 재질로 형성되어 양극산화가 가능한 것을 사용한다. 상기 금속층은 스퍼터링(sputtering), evaporation, PLD(pulsed laser deposition) 또는 CVD(chemical vapor deposition)법과 같은 공지된 방법에 의해 형성된다.
그리고, 상기 기판 상층부에 다공성 비정질 나노템플릿을 형성시키기 위한 일실시예로 양극산화하기 위한 기판으로 알루미늄을 선택한다. 상기 다공성 비정질 나노템플릿을 형성하기 위해 부피비 1: 4의 65 %과염소산(HClO4)과 99.5 % 에탄올(C2H5OH)을 혼합한 에칭액에서 에칭전압을 20V로 하였고, 3 분간 10℃에서 에칭한 후, 양극산화공정을 수행한다. 양극산화공정 시 인가된 전압에 비례하여 1V 당 근접한 나노기공 사이의 산화물 벽의 두께는 26.0~27.4Å이 된다. 근접한 나노기공 사이 간격은 나노기공의 지름에 나노기공 사이의 산화물 벽의 두께를 더한 것이므로 양극산화 전압을 변화시킴으로서 근접한 나노기공 사이 간격을 정확하게 조절할 수 있다. 그리고, 알루미늄 기판을 양극으로 사용하고 전해액으로 0.3mol 옥살산을 이용하고 음극으로 카본전극을 이용하였으며, 정전압 모드로 40V의 전압을 인가하고, 전해액의 온도는 15℃, 양극산화 시간은 480분으로 하였다. 나노기공의 깊이는 양극산화 10분당 1㎛가 형성되므로 나노기공의 전체 깊이는 48㎛ 형성되었다.
그리고, 에칭액을 이용한 식각공정을 수행한다. 60℃, 1.4w% 크롬산(H2CrO4)용액과 6w% 인산(H3PO4) 용액을 혼합한 용액에서 300분 동안 에칭하였다. 그리고, 2차 양극산화공정을 1차 양극산화공정과 동일한 방법으로 100분 동안 수행한다. 이때의 나노기공의 전체 깊이는 10㎛가 형성되었다.
도 2 및 도 3은 상기의 실시예에 의해 제조된 다공성 비정질 나노템플릿에 대한 표면 및 단면 사진을 나타낸 것으로, 규칙적인 다공성의 비정질 나노템플릿이 형성된 것을 확인할 수 있다.
이러한 상기 다공성 비정질 나노템플릿(11)은 다공성의 재질로 열차폐 효율이 높아 일부러 열전도도가 낮은 기판을 사용할 필요가 없이 저가의 금속이나 알루미나 기판을 사용하면 되고, 기판(10)에의 열전달을 줄여 기판 쪽 또는 기판 상부로 방사되는 열을 줄여 후술할 금속 전도체 또는 용단물질(12)이 빠른 반응속도 또는 용단속도를 가지도록 하는 것이다.
상기 다공성 비정질 나노템플릿(11) 상부에는 금속 전도체 또는 용단물질(12)을 코팅하며, 이는 과전류의 유입으로 인한 주울열로 인해 끊어지는 부분으로 금속 전도체로서 Ag, Cu 또는 Al 금속을 사용하며, 상기 용단물질(12)로는 유리(glass)가 함유된 Ag 페이스트(paste), Cu 페이스트 또는 Al 페이스트를 사용한다. 상기 금속 전도체 또는 용단물질(12)은 전기화학적 방법, 진공증착 방법 또는 스크린 인쇄 방법으로 형성할 수 있다.
그리고, 상기 금속 전도체 또는 용단물질(12) 상부에는 보호막(13)을 형성하며, 이는 일반적인 칩 저항 또는 MLCC와 같은 수동 칩 부품의 공정을 따른다. 그리고, 상기 금속 전도체 또는 용단물질(12)과 연결되도록 외부전극(14)을 형성하며, 이는 일반적인 칩 저항 또는 MLCC와 같은 수동 칩 부품의 공정을 따른다.
이와 같이 칩 휴즈가 빠르게 동작하기 위해서는 과도한 전압이나 전류의 유입에 따라 발생되는 주울열을 기판 쪽이나 기판 상부로 방사되는 열을 줄여야 하는데, 본 발명에서는 이를 위해 기판을 양극산화시켜 기판과 금속 전도체 또는 용단물질(12) 사이에 열전도가 낮은 다공성 비정질 나노템플릿(11)을 형성하여 기판 쪽 또는 기판 상부로의 열전달을 막아 금속 전도체 또는 용단물질이 짧은 시간 내에 녹아 끊어지도록 하여 빠른 반응속도를 갖도록 하는 것이다.
10 : 기판 11 : 다공성 비정질 나노템플릿
12: 금속 전도체 또는 용단물질 13 : 보호막
14 : 외부전극

Claims (6)

  1. 기판(10)을 양극산화시켜 기판 상층에 다공성 비정질 나노템플릿(11)을 형성하는 제1단계와;
    상기 다공성 비정질 나노템플릿(11) 상부에 금속 전도체 또는 용단물질(12)을 코팅하는 제2단계와;
    상기 금속 전도체 또는 용단물질(12) 상부에 보호막(13)을 코팅하는 제3단계와;
    상기 금속 전도체 또는 용단물질(12)과 연결되는 외부전극(14)을 형성하는 제4단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 다공성 비정질 나노템플릿을 이용한 칩 휴즈 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 기판(10)은,
    금속 또는 세라믹 기판인 것을 특징으로 하는 다공성 비정질 나노템플릿을 이용한 칩 휴즈 제조방법.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 기판은,
    금속으로 Al, Ti, Ta, Nb, V, Hf 및 W 중에 어느 하나의 재질로 벌크(bulk)로 형성되거나, 세라믹 기판 위에 형성된 금속층이 Al, Ti, Ta, Nb, V, Hf 및 W 중에 어느 하나의 재질로 형성된 것을 특징으로 하는 다공성 비정질 나노템플릿을 이용한 칩 휴즈 제조방법.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 금속층은 스퍼터링(sputtering), evaporation, PLD(pulsed laser deposition), CVD(chemical vapor deposition)법 중에 어느 하나의 방법에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 다공성 비정질 나노템플릿을 이용한 칩 휴즈 제조방법.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 금속 전도체는 Ag, Cu 및 Al 금속 중 어느 하나가 사용되며, 상기 용단물질은 유리(glass)가 함유된 Ag 페이스트, Cu 페이스트 및 Al 페이스트 중 어느 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 다공성 비정질 나노템플릿을 이용한 칩 휴즈 제조방법.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 금속 전도체 또는 용단물질(12)은 전기화학적 방법, 진공증착 방법 및 스크린 인쇄 방법 중에 어느 하나에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 다공성 비정질 나노템플릿을 이용한 칩 휴즈 제조방법.
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