KR20120124374A - 열 가압 히트 스프레더 기반의 메탈기판 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에서는, 내부에 열매체가 진공 주입되는 채널이 형성되는 열 가압 히트 스프레더와 상기 열 가압 히트 스프레더의 판면에 인쇄회로층이 일체로 형성되는 열 가압 히트 스프레더 기반의 메탈기판의 제조방법에 관한 것으로서, 판상의 금속재 상판과 하판을 준비하고 상기 하판의 판면을 오목하게 가공하여 열매체를 수용하기 위한 채널과 상기 채널에 연결되는 주입니들 수용 함몰부를 형성하되, 상기 하판에 형성되는 채널은 하판의 중앙에 오목하게 형성되는 중앙홈과 상기 중앙홈에 연결되는 것으로서 중앙홈을 중심으로 방사형으로 다수 개가 배치되는 방사홈으로 구성되도록 하판의 판면을 에칭하여 형성하고, 상기 주입니들 수용 함몰부는 하판의 판면을 오목하게 가압하여 형성하는 단계; 내부에 주입유로가 형성되는 관체 형상의 주입니들을 상기 하판의 주입니들 수용 함몰부에 위치시킨 후 상판과 하판을 열 가압하여 결합함으로써 열 가압 히트 스프레더를 형성하는 단계; 상기 열 가압 히트 스프레더의 판면을 세정하고 건조하는 단계; 세정 및 건조된 열 가압 히트 스프레더의 판면에 절연층을 형성하는 단계; 상기 절연층 상에 동박층을 형성하는 단계; 상기 동박층에 감광재층을 형성한 후 노광, 현상 및 에칭 공정을 거쳐 인쇄회로패턴을 형성하는 단계; 상기 인쇄회로패턴을 보호하기 위하여 인쇄회로패턴 상에 솔더 레지스트 잉크를 사용하여 솔더마스크층을 형성하는 단계; 열 가압 히트 스프레더의 내부와 연결되는 주입니들을 통하여 열매체를 진공주입하는 단계; 및 상기 주입니들을 열 가압하여 내부의 주입유로를 봉합하여 폐쇄하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 열 가압 히트 스프레더 기반의 메탈기판 제조방법이 제공된다.

Description

열 가압 히트 스프레더 기반의 메탈기판 제조방법{A manufacturing method of Heat-pressed micro heat spreader based metal substrate}

본 발명은 열 가압 히트 스프레더 기반의 제조방법 및 그에 의하여 제조된 메탈기판에 관한 것으로서, 내부에 열매체 이동 채널이 형성되는 열 가압 히트 스프레더와 인쇄회로패턴을 일체화시켜 형성하고, 이를 특별하게 설계된 방열 프레임과 조합함으로써 고휘도 LED와 같은 고 발열소자를 다수 개 집적한 기판의 냉각을 신속하고 효율적으로 수행하며, 아울러 이러한 메탈기판을 효율적이고 신뢰성 높게 제조하는 방법에 관한 것이다.

히트 스프레더란 알루미늄 등 열전도성이 우수한 금속 소재를 압출 또는 금형에 의하여 성형하여 제조된 일종의 열전달 기구의 하나로서, 그 길이 방향으로 분리하여 구획되는 다수의 채널을 가지며, 여기에 아세톤과 같이 액체-증기의 상변환이 용이하고 상변환시 잠열의 출입이 큰 열매체를 진공 주입한다.

이러한 히트 스프레더를 반도체 칩이나 CPU 등의 발열 전기전자부품에 장착하는 경우, 내부가 진공상태로 유지된 상태에서 열매체의 상변화에 의한 잠열로 부품이 냉각되므로 우수한 냉각성능을 가진다.

히트 스프레더는 유연성이 있어 복잡한 전기전자회로 부품에도 자유롭게 적용이 가능하고, 협소한 장소에도 설치가 용이하며, 냉각성능이 우수하여 최근 전자회로소자의 냉각에 사용되는 빈도가 증가하고 있는 실정이다.

이러한 히트 스프레더로는 등록특허 제631050호 "평판형 히트 파이프"에 개시한 것이 있으며, 출원인의 등록실용신안 제439429 "면상발열기구"에서는 히트 파이프의 내부에 형성되는 채널의 내벽 사방면을 주름지게 형성함으로써 열매체와의 접촉면적을 넓혀 모세관 현상을 극대화한 히트 스프레더에 관하여 개시하고 있다.

위와 같은 히트 스프레더 중 내부 채널의 벽면에 미세한 그루부(홈)들을 형성시켜 열매체의 모세관력을 극대화시킨 것을 마이크로 히트 스프레더라고 부르기도 한다.

휴대전화, 비디오카메라, 컴퓨터, LCD TV, PDP TV 등과 같은 각종 전기전자제품의 내부에는 다양한 전자부품이 실장된 인쇄회로기판이 내장되는데, 최근 이러한 전기전자부품들은 점점 더 소형화, 고집적화, 미세화 및 경량화되고 있으며 이에 따라 이들이 집적된 인쇄회로기판에서 발생하는 고열을 어떻게 효과적으로 방출시킬 것인지가 중요한 이슈로 부각하고 있는 실정이다.

종래에 이러한 전기전자부품들이 기능하도록 하기 위한 인쇄회로가 형성되는 기판의 소재로는 주로 에폭시나 페놀수지와 같은 내열수지나 유리기판을 사용하는 것이 주류였으나, 최근에는 다양한 소재의 기판이 개발되고 있다.

도13 및 도14는 히트파이프 일체형 인쇄회로기판을 나타낸 도면으로서 전자는 등록특허 제0791982호 "히트파이프 일체형의 인쇄회로기판 및 그 제조방법"에 개시된 것이고, 후자는 등록특허 제0862203호 "히트파이프 일체형 인쇄회로기판 및 그 제조방법"에 개시된 것이다.

전기의 등록특허는 히트파이프 및 인쇄회로기판을 일체형으로 형성하되 열원을 제1방향으로 배치하고, 이에 수직한 제2방향으로 상기 열원에 일대일 대응하도록 작동유체 이동경로를 히트파이프 내부에 형성하거나, 복수의 작동유체의 이동경로를 그 시작위치를 열원으로 하고 타단은 히트파이프의 끝단으로 하거나 페루프를 이루도록 한 것이다.

이러한 등록특허의 경우 히트파이프 상에 인쇄회로기판을 일체로 형성한 점에서 의미가 있으나, 실제로 열매체 이동경로를 열원에 일대일 대응하도록 열원의 배열 방향과 수직한 방향으로 형성하거나 폐루프를 이루도록 하는 것이 매우 어려울 뿐 아니라 히트파이프 자체를 압출 등에 의하여 형성할 수 없어 대량생산이 용이하지 않다는 문제가 있다.

또한, 전기 등록특허의 제조공정에서는 내부에 열매체가 진공주입된 히트파이프에 적층, 노광/현상, 박리, 식각 공정 등을 거쳐 인쇄회로기판을 형성하는데 이럴 경우 인쇄회로 형성 공정 중의 가열 및 가압공정에서 내부의 열매체의 온도와 압력이 급격하게 증가하여 알루미늄 히트파이프나 인쇄회로기판의 변형이 생기거나 폭발할 우려가 있다는 문제가 있다.

후자의 등록특허의 경우는 다수의 히트파이프를 지그에 고정한 후 동박층을 형성하고 인쇄회로패턴을 형성하며 동박층의 양측 단부의 노출부위에 보호테이프를 부착하는 것을 특징으로 한다. 그러나, 후자의 등록특허의 경우에도 전술한 공정 상의 문제점을 그대로 지니고 있으며, 다수개의 단위 히트파이프를 구비한 페널 전체에 인쇄회로패턴을 형성한 후 각 단위 히트파이프별로 라우팅을 하게 되면 공정 중에 알루미늄층이 노출되지 않으므로 보호테이프 부착공정이 필요 없게 된다는 문제가 있다.

따라서, 종래의 내열 수지나 유리기판의 경우와 비교하여 고 발열소자로부터 발생하는 열의 수집 및 발산에 의한 냉각효율이 우수하고, 그 제조공정이 간단하여 대량생산에 적합하며, 전기전자부품의 다양한 설계 패턴에도 범용성 있게 적용할 수 있도록 개선된 메탈기판의 개발이 요청되었다.

등록특허 제631050호 "평판형 히트 파이프" 등록실용신안 제439429 "면상발열기구" 등록특허 제0791982호 "히트파이프 일체형의 인쇄회로기판 및 그 제조방법" 등록특허 제0862203호 "히트파이프 일체형 인쇄회로기판 및 그 제조방법" 등록특허 제0414860호 "박판형 냉각장치" 공개특허공보 제10-2005-0117482호 "냉각장치가 내장된 인쇄회로기판 및 그의 제작방법" 등록특허 제0989518호 "히트 스프레더 제조장치, 제조방법 및 이에 의하여 제조되는 히트 스프레더"

본 발명의 목적은 히트 스프레더에 인쇄회로패턴층을 형성하는 공정을 개선함으로써 인쇄회로패턴 형성 과정에서 이물질이 히트 스프레더의 채널 내부에 유입됨으로써 열매체의 모세관력 감쇠에 의한 열전달효율의 저하를 방지하고, 아울러 고온 및 고압 환경의 인쇄회로패턴 형성 공정 중에도 고열로 인한 열매체의 팽창으로 인하여 기판이 변형되거나 폭발하지 않도록 하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 전술한 안전하고 신뢰성 높은 제조방법에 의하여 제조된 메탈기판의 열수집 및 열발산에 의한 냉각능력을 극대화할 수 있도록 개선된 메탈기판모듈을 제공하는 것이다.

전술한 목적의 달성을 위하여 본 발명에서는, 내부에 열매체가 진공 주입되는 채널이 형성되는 열 가압 히트 스프레더와 상기 열 가압 히트 스프레더의 판면에 인쇄회로층이 일체로 형성되는 열 가압 히트 스프레더 기반의 메탈기판의 제조방법에 관한 것으로서, 판상의 금속재 상판과 하판을 준비하고 상기 하판의 판면을 오목하게 가공하여 열매체를 수용하기 위한 채널과 상기 채널에 연결되는 주입니들 수용 함몰부를 형성하되, 상기 하판에 형성되는 채널은 하판의 중앙에 오목하게 형성되는 중앙홈과 상기 중앙홈에 연결되는 것으로서 중앙홈을 중심으로 방사형으로 다수 개가 배치되는 방사홈으로 구성되도록 하판의 판면을 에칭하여 형성하고, 상기 주입노즐 수용 함몰부는 하판의 판면을 오목하게 가압하여 형성하는 단계; 내부에 주입유로가 형성되는 관체 형상의 주입니들을 상기 하판의 주입니들 수용 함몰부에 위치시킨 후 상판과 하판을 열 가압하여 결합함으로써 열 가압 히트 스프레더를 형성하는 단계; 상기 열 가압 히트 스프레더의 판면을 세정하고 건조하는 단계; 세정 및 건조된 열 가압 히트 스프레더의 판면에 절연층을 형성하는 단계; 상기 절연층 상에 동박층을 형성하는 단계; 상기 동박층에 감광재층을 형성한 후 노광, 현상 및 에칭 공정을 거쳐 인쇄회로패턴을 형성하는 단계; 상기 인쇄회로패턴을 보호하기 위하여 인쇄회로패턴 상에 솔더 레지스트 잉크를 사용하여 솔더마스크층을 형성하는 단계; 열 가압 히트 스프레더의 내부와 연결되는 주입니들을 통하여 열매체를 진공주입하는 단계; 및 상기 주입니들을 열 가압하여 내부의 주입유로를 봉합하여 폐쇄하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 열 가압 히트 스프레더 기반의 메탈기판 제조방법이 제공된다.

본 발명의 제조방법에 의하면 히트 스프레더의 판면에 인쇄회로패턴을 형성하는 공정 중에 외부의 이물질이 히트 스프레더의 채널 내부로 유입됨으로써 발생하는 열전달 성능의 저하를 방지할 수 있으며, 인쇄회로패턴 형성 공정 중의 고온 및 고압 환경에 노출되더라도 열매체의 팽창에 의한 기판의 변형 및 제품 불량이 발생할 우려가 없게 된다.

아울러 본 발명의 메탈기판과 이를 이용한 메탈기판모듈의 경우 다수개의 발열소자로부터 전달되는 열의 수집 및 발산에 의한 냉각효율이 매우 우수하므로 별도의 냉각팬과 같은 수단을 요하지 않아 전기전자제품의 설계 및 변경에 유리할 뿐 아니라 제조단가가 저렴해지는 장점이 있다.

도1은 본 발명의 제1실시예에 따른 열 가압 히트 스프레더의 외관 사시도 및 정면도.
도2는 도1의 상판과 하판의 구조를 보여주는 외관 사시도.
도3은 도1 및 도2의 절단선에 따른 단면도.
도4는 본 발명의 제2실시예에 따른 열 가압 히트 스프레더의 외관 사시도.
도5는 본 발명의 제3실시예에 따른 열 가압 히트 스프레더의 외관 사시도 및 하판의 평면도.
도6은 도5의 절단선 VI-VI에 따른 방사홈의 단면도.
도7은 본 발명의 메탈기판의 개략적인 외관 사시도.
도8은 도7의 절단선 VIII-VIII에 따른 단면도.
도9는 본 발명에 따른 메탈기판모듈의 단면 사시도.
도10은 도9의 절단선 X-X에 따른 단면도.
도11은 본 발명에 따른 메탈기판 제조공정의 순서도.
도12는 본 발명의 메탈기판을 적용한 메탈기판모듈의 열해석 결과 그림.
도13 및 도14는 종래의 히트파이프 일체형 인쇄회로기판을 나타낸 도면.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 구성과 작동원리에 관하여 상세하게 설명한다.

도1은 본 발명의 제1실시예에 따른 열 가압 히트 스프레더의 외관 사시도 및 정면도이고, 도2는 도1의 상판과 하판의 구조를 보여주는 외관 사시도이며, 도3은 도1 및 도2의 절단선에 따른 단면도이다.

본 발명의 열 가압 히트 스프레더(100)는 구리나 알루미늄 등의 금속재로 된 판상의 상판(110)과 하판(120)을 서로 마주하도록 부착하여 형성되는데 내부에는 진공주입되는 열매체를 수용하기 위한 채널이 형성된다.

본 실시예에서 상기 열매체가 주입되어 저장되는 채널은 하판에 오목하게 함몰된 형상으로 형성되는데, 구체적으로는 판상인 하판(120)의 중앙부 일정 부분을 프레스로 가압하여 판면을 오목하게 함몰시켜 형성한다.

도1은 설명의 편의상 상?하판(110,120)이 반대가 되도록 뒤집어서 표현한 것인데, 상?하판(110,120) 사이에 주사 바늘과 같은 주입니들(130)이 결합되어 있음을 알 수 있다.

상기 하판(120)에는 중앙부에 오목하게 형성되는 채널의 일종인 열매체 수용 함몰부(121) 외에 상기 열매체 수용 함몰부(121)에 직선형으로 연결되는 주입니들 수용 함몰부(122)가 형성된다. 상기 주입니들 수용 함몰부(122)는 열매체 수용 함몰부(121)를 프레스로 가압하여 형성할 때 동시에 형성할 수 있으며 여기에 주입니들(130)이 수용되어 위치한다.

상기 주입니들 수용 함몰부(122)와 주입니들(130)은 상판(110)과 하판(120)을 열 가압하여 결합한 열 가압 히트 스프레더(100)의 표면에 인쇄회로패턴을 형성한 후 채널에 열매체를 진공주입하기 위하여 주입구를 확보하기 위한 수단으로 기능한다.

즉, 본 발명에서는 열 가압 히트 스프레더(100)의 내부에 열매체가 충전되지 않은 상태에서 그 표면에 인쇄회로패턴을 형성하는 공정을 진행한 후 비로소 아세톤과 같은 열매체(10)를 도1에 도시한 바와 같은 주입장치(160)를 통하여 주입하게 되는데 전술의 주입니들(130)은 이를 위한 것이다. 따라서 상기 주입니들(130)의 내부에는 주사기 바늘과 같이 주입유로(130a)가 형성된다. 상기 주입장치(160)는 주사기와 같은 수동타입의 것을 사용할 수 있으며, 주입장치(160)의 피스톤(161)이 유공압 실린더나 리니어 엑츄에이터 등에 의하여 구동하는 자동주입장치를 선택할 수도 있다.

도면에서 미설명부호 123은 하판(120)의 테두리부를 나타내는데 하판(120)의 판면 중에서 오목하게 함몰되지 않은 부분이다.

도4는 본 발명의 제2실시예에 따른 열 가압 히트 스프레더(200)의 외관 사시도인데, 본 실시예는 전술한 제1실시예와 달리 상판(210)과 하판(220)이 전체적으로 사각 형상을 이루며 하판(220)에 형성되는 열매체 수용 함몰부(221) 역시 사각 형상을 이룬다. 이 점을 제외하고 나머지 구성은 전술한 제1실시예의 그것과 동일하므로 중복되는 설명은 생략한다.

도5는 본 발명의 제3실시예에 따른 열 가압 히트 스프레더의 외관 사시도 및 하판의 평면도이고, 도6은 도5의 절단선 VI-VI에 따른 방사홈의 단면도이다. 도5의 (a)는 열 가압 히트 스프레더(300)의 외관 사시도이고, (b)는 하판(320)의 평면도를 나타낸다.

본 실시예의 열 가압 히트 스프레더(300) 역시 판상의 상판(310)과 하판(320)으로 구성되는데 열매체의 저장 및 이동통로인 채널의 형상과 구조가 전술한 실시예들과 상이하다.

본 실시예에서는 하판(320) 중앙의 일정 면적에 원형으로 오목하게 중앙홈(321a)이 형성되고, 상기 중앙홈(321a)에서 반경 방향으로 연장되는 다수개의 방사홈(321b)이 오목하게 형성된다. 즉, 본 실시예의 열매체 이동을 위한 채널은 중앙홈(321a)과 이를 중심으로 방사형으로 배치되는 다수 개의 직선형 방사홈(321b)으로 이루어진다.

상기 중앙홈(321a)과 방사홈(321b) 역시 금형이나 프레스로 하판(320)의 판면을 가압함으로써 오목하게 형성할 수 있으나, 본 실시예에서는 금속판인 하판(320)을 부식시키는 방법인 에칭공정을 사용하여 형성하는 것으로 하였다. 중앙홈(321a)과 방사홈(321b)을 에칭 공정에 의하여 형성하게 되면 채널을 미세한 규모로 정교하게 형성할 수 있게 되는 이점이 있다. 따라서 에칭 공정에 의하여 형성되는 열매체 채널은 전술한 가압공정에 의하여 형성되는 채널에 비하여 홈의 깊이나 폭이 작은 특징이 있으며 주입되는 열매체의 양도 극소량이 될 것이다.

이와 같이 에칭 공정에 의하여 형성되는 중앙홈(321a)과 방사홈(321b)을 가지는 열 가압 히트 스프레더(300)는 크기가 작고 정교한 전기전자제품 등의 내부에 장착하는 경우에 유리하다.

본 실시예의 하판(320)에도 주입니들 수용 함몰부(322)가 형성되는데 상기 주입니들 수용 함몰부(322)의 내측단은 상기 중앙홈(321a)과 연결되고 외측단은 상기 하판(320)의 원주단까지 연장된다. 그 외 주입니들 수용 함몰부(322)의 형성방법 및 주입니들(330)과의 결합은 전술한 실시예들의 그것과 동일하다.

상기 방사홈(321b)은 하판(320)의 표면을 에칭하여 형성하는 미세한 직선형 홈으로서 그 자체가 미세하게 형성할 수 있으나 여기에서 한 발 더 나아가 도6에 도시한 바와 같이 방사홈(321b)의 내부에 또 다른 미세 모세관홈(321c)을 형성하여 열매체에 의한 모세관력을 극대화할 수 있다.

도7은 본 발명의 메탈기판의 개략적인 외관 사시도이고, 도8은 도7의 절단선 VIII-VIII에 따른 단면도이다.

본 발명의 메탈기판(400)은 전술한 실시예들에 의한 열 가압 히트 스프레더(100,200,300)들을 사용하여 제조되는데, 기본적으로 내부에 다수 개의 열매체 이동경로인 채널(121,221,321a,321b)이 형성되는 열 가압 히트 스프레더(micro heat spreader,100,200,300)와 그 위에 여러 단계의 인쇄회로패턴 제조공정을 거쳐 형성되는 인쇄회로층(410)으로 이루어진다. 본 실시예에서는 전기의 제1실시예에 의한 열 가압 히트 스프레더(100) 구조를 기반으로 형성되는 메탈기판(400)을 기준으로 설명하나 이에 한정되지 않는다.

상판(110)과 하판(120)으로 이루어지는 열 가압 히트 스프레더(100)는 구리나 알루미늄과 같이 경량이면서도 열전달 효율이 우수한 금속으로 형성된다.

열 가압 히트 스프레더(이하, 설명의 편의를 위하여 간략히 히트 스프레더라고 약칭한다)는 상하 두께가 판면의 직경에 비하여 상대적으로 매우 작은 판상의 원형 또는 다각형 케이싱으로 형성되는데 그 내부에는 전술한 바와 같이 열매체의 이동통로인 채널로서 기능 하는 열매체 수용 함몰부(121)를 가진다. 이러한 히트 스프레더(100)의 판면에 인쇄회로층(410)을 형성하는 공정이 완료하기까지 상기 열매체 수용 함몰부(121)의 내부는 열매체가 충전되지 않는 중공의 상태를 유지한다.

상기 히트 스프레더(100)는 본 발명의 메탈기판(400)의 저층을 이루며 상층에 형성되는 인쇄회로층(410)에 실장되는 다수 개의 발열소자(420)로부터 전달된는 고열을 수집하고 발산하는 역할을 한다.

상기 인쇄회로층(410)은 도시한 바와 같이 금속 소재의 히트 스프레더(100)의 상면에 형성되는 절연층(411), 상기 절연층(411) 상에 형성되는 동박의 인쇄회로패턴층(412) 및 상기 인쇄회로패턴층(412) 상에 형성되는 솔더마스크층(413)으로 이루어진다. 전기 각 층들의 구성 및 형성방법에 관하여 자세한 설명은 후술한다.

이와 같은 구성을 가지는 본 발명의 메탈기판(400)에 의하면 고휘도 LED와 같이 발열이 심한 다수개의 열원으로부터 발생하는 열을 하부의 히트 스프레더(100)가 신속하게 흡수하여 냉각할 수 있다. 따라서, 종래와 같이 인쇄회로기판을 냉각하기 위하여 별도의 냉각팬이나 복잡한 방열핀 구조를 설치할 필요가 없게 된다.

도9는 본 발명에 따른 메탈기판모듈의 단면 사시도이고, 도10은 도9의 절단선 X-X에 따른 단면도이다.

전술한 메탈기판(400)은 주로 내부에 진공주입된 열매체의 상변화에 의한 잠열을 이용하여 발열소자(420)에서 전달되는 열을 수집하는 효율이 우수하나, 수집된 열을 발산하여 냉각하는데에는 한계가 있다. 따라서, 본 발명에서는 이러한 메탈기판(400)을 다수의 방열핀(513)이 형성되는 방열 프레임(510)에 결합하여 메탈기판모듈(500)을 구성한다.

도시한 바와 같이, 인쇄회로패턴이 형성된 인쇄회로층(410)을 가지는 메탈기판(400)은 블록 형상의 방열 프레임(510)의 상부에 고정 부착된다. 상기 방열 프레임(510)은 크게 몸체부(511), 상기 몸체부(511)의 양측 상단에 형성되는 결합부(512a,512b) 및 몸체부(511)의 일 면에 형성되는 다수개의 방열핀(513)으로 이루어진다.

도시한 실시예에서는 방열 프레임(510)의 상면에 메탈기판(400)이 결합부(512a,512b)에 의하여 고정 부착되며, 방열핀(513)은 몸체부(511)의 저면에 형성되는 것으로 하였으나 이에 한정되지 않는다.

상기 몸체부(511)에는 별도의 히트 스프레더가 내설될 수 있는데 이를 전술의 히트 스프레더(100)와 구분하여 내설 히트 스프레더(520)라고 한다. 상기 내설 히트 스프레더(520)는 상기 메탈기판(400)의 히트 스프레더(100)와는 달리 알루미늄 소재를 이용하여 압출에 의하여 형성될 수 있으며 내부에 다수 개의 채널(523)이 형성되며, 채널(523)의 내측 벽면에 다수의 미세한 그루브(524a,524b)가 형성된다. 상기 내설 히트 스프레더(520)의 그루브(524a,524b)는 열매체의 모세관력을 극대화하기 위한 것으로서 내설 히트 스프레더(520)의 채널(523)의 길이 방향으로 나란하게 다수 개가 형성된다.

상기 내설 히트 스프레더(520)는 상기 방열 프레임(510)의 몸체부(511)에 삽입홈을 형성한 후 여기에 내삽하여 장착하거나 상기 몸체부(511)에 일체로 형성할 수도 있다.

상기 메탈기판(400) 상에 실장 되는 다수의 발열소자(420)들로부터 전달되는 높은 열은 메탈기판(400)의 히트 스프레더(100)로 전달되어 수집되며, 수집된 열은 상기 메탈기판(400)과 접촉한 방열 프레임(510)으로 전달 및 냉각된다. 상기 방열 프레임(510)으로 전달된 열은 방열핀(513)에 의하여 더욱 효과적으로 냉각될 수 있다.

상기 방열 프레임(510)에 매설된 내설 히트 스프레더(520)는 이러한 열전달 효과 및 냉각효과를 더욱 배가하는 역할을 한다. 본 실시예에서는 내설 히트 스프레더(520)를 한 개로 하였으나 경우에 따라서는 그 설치 개수와 형상을 달리할 수 있을 것이다.

상기 방열핀(513)은 도시한 예에 한하지 않고 방열 프레임(510)의 측면이나 후면 등에도 한 개 또는 그 이상으로 형성할 수 있으며, 이는 메탈기판(400)이 장착되는 전기전자제품의 내부 배치 구조에 따라 다양하게 변경될 수 있을 것이다.

도11은 본 발명에 따른 메탈기판 제조공정의 순서도이다. 본 발명의 메탈기판(400)은 크게 상판(110)과 하판(120)을 이용하여 히트 스프레더(100)를 형성하는 공정과 상기 히트 스프레더(100) 상에 인쇄회로층(410)을 형성하는 공정으로 이루어진다.

먼저 수요자의 주문 등에 따라 포토 플로터나 레이저 플로터 등을 사용하여 배선패턴을 출력하여 아트워크 필름을 형성한다(ST1).

다음으로 판상의 금속재 상판(110)과 하판(120)을 준비하고 상기 하판의 판면을 오목하게 가공하여 열매체를 수용하기 위한 채널인 열매체 수용 함몰부(121)와 상기 열매체 수용 함몰부(121)에 연결되는 주입니들 수용 함몰부(122)를 형성한다(ST2).

이어서, 내부에 주입유로(130a)가 형성되는 관체 형상의 주입니들(130)을 상기 하판(120)의 주입니들 수용 함몰부(122)에 위치시킨 후 상판(110)과 하판(120)을 열 가압하여 결합함으로써 열 가압 히트 스프레더(100)를 형성한다(ST3).

이때 상기 히트 스프레더(100)의 열매체 수용 함몰부(121)에는 열매체가 진공 주입되지 않은 중공의 상태를 유지한다. 이와 같이 히트 스프레더(100) 내부의 채널인 열매체 수용 함몰부(121)에 열매체를 진공 주입하지 않고 이후의 인쇄회로패턴 공정을 수행하는 이유는 히트 스프레더(100)의 내부에 진공 주입된 열매체가 이후의 가열 및 가압공정을 거치는 과정에서 열팽창하여 히트 스프레더(100)가 변형되거나 폭발할 위험이 있기 때문이다.

또한 본 발명의 히트 스프레더(100)는 주입니들(130) 부분을 제외하고는 사면이 폐쇄되어 인쇄회로패턴 형성 공정 중에 외부의 이물질이 히트 스프레더(100)의 내부로 유입되기 어려운 장점이 있다. 외부의 이물질이 히트 스프레더(100)의 내부 공간에 침투하는 경우 후에 진공 주입되는 열매체의 기능을 방해하여 히트 스프레더(100)의 성능을 급격히 저하시키게 된다.

밀폐된 히트 스프레더(100)의 표면에는 불순물이 존재할 수 있으므로 이후의 공정인 절연층 형성공정을 원활하게 수행하기 위하여 히트 스프레더(100)의 표면(판면)을 세정하고 건조시킨다(ST4).

다음으로 상기 히트 스프레더(100)의 표면에 프리프레그 처리된 에폭시 수지 등을 이용하여 절연층(411)을 형성한다(ST5). 구체적으로는 에폭시와 같은 합성수지에 프리프레그(prepreg)처리된 필름이나 박막 시트를 히트 스프레더(100)의 표면에 부착한 후 약280℃의 온도로 열 압착하여 형성한다.

상기 절연층(411)은 구리 또는 알루미늄인 히트 스프레더(100)와 후에 형성될 동박의 인쇄회로패턴과의 전기 절연을 위하여 형성하는 것이므로 절연재질의 합성수지재를 도포하거나 코팅하여 형성할 수도 있으며, 또는 절연필름을 부착하는 방식으로 수행될 수도 있다.

상기 히트 스프레더(100)의 절연층(411) 위에는 동박층을 형성하는데 이후에 인쇄회로패턴층(412)으로 될 부분이다(ST6). 상기 동박층은 동박 시트를 상기 절연층 위에 부착하는 방식으로 형성하는 것이 바람직하나 이에 한정되지는 않는다.

동박층을 부착하고 나면 동박층과 절연층과의 접착력을 확보하기 위하여 동박층이 형성된 히트 스프레더(100)를 가열 및 가압한다(ST7). 즉, 상기 동박층 부분을 가열하고 가압하게 되면 동박층이 부분 용융되는 절연층과 양호하게 결합하게 된다.

본 발명에서는 위의 절연층 형성공정과 동박층 형성공정에서 종래와 달리 히트 스프레더(100)의 내부에 열매체가 진공 주입되어 있지 않은 상태이므로 가열 및 가압공정 중에 히트 스프레더(100)가 열매체의 열팽창에 의하여 변형되거나 폭발할 우려가 없게 되어 안전하고 제품 불량이 발생하지 않는 이점이 있다.

동박층의 접합이 완료하면 다음으로 동박층을 포함하는 히트 스프레더(100)에 비아홀이나 각종 볼트 체결용 구멍 등을 가공할 수 있다(ST8). 이와 같은 구멍가공 공정은 필요에 따라 그 공정순서를 이보다 후위에 배치할 수 있으며 경우에 따라서는 생략할 수 있다.

구멍가공은 열 압착 및 펀칭 방법에 의하는데 구체적으로는 구멍가공 위치를 열가압 프레스를 이용하여 눌러 히트 스프레더의 상판(110)과 하판(120)이 맞닿도록 하여 열융착한 후 해당 부위를 펀칭하는 방식으로 수행된다.

다음으로 상기 동박층 상에 감광재층 형성, 노광 및 현상과 같은 공지의 공정을 이용하여 인쇄회로패턴을 전사하게 된다. 화상 형성공정은 감광성 재료를 동박층 상에 도포하는 라이네이션(Lamination)-> 노광(Exposure)-> 현상(Development)의 순서로 진행되며 현상을 통하여 비로소 원하는 배선패턴이 동박층 위에 전사된다(ST9).

상기 감광재(포토레지스트)와 신축성을 부여하기 위한 마이라(Mylar) 필름 및 커버필름으로 이루어진 것을 드라이 필름(Dry Film)이라고 하는데 이와 같은 드라이 필름을 상기 동박층 상에 부착하여 감광재층을 형성하게 된다. 이때 드라이 필름과 동박층의 밀착성을 추가로 확보하기 위하여 가열 롤러(Hot Roller)로 드라이 필름을 열 압착한다. 물론 이 경우 커버필름은 제외된 상태이다.

감광재인 포토레지스트를 이용한 노광과 현상 공정은 이미 공지된 기술이므로 이에 관하여 자세한 설명은 생략한다.

현상공정이 완료되면 비로소 부식액을 사용하여 동박의 배선패턴을 형성하게 되는데 이를 에칭이라 한다(ST10). 에칭공정이 완료하고 남은 부식레지스트(현상 후 남은 감광재층)는 박리액을 이용하여 제거한다.

에칭공정이 완료되면 인쇄회로패턴의 보호를 위하여 솔더마스크층을 형성한다(ST11). 솔더마스크는 부품의 실장시 납땜에 의하여 원하지 않는 접속이 일어나지 않도록 기판을 보호하는 피막을 말하며, 인쇄회로패턴 중 발열소자와 같은 부품이 연결되는 부분인 노출부를 제외한 전면에 형성한다. 솔더마스크 형성용 레지스트 잉크를 PSR(Photo imageable Solder Resist ink)이라고 하며, 땝납의 용해온도에서도 충분히 견디는 내열성 수지로 형성된다.

다음으로 솔더마스크층까지 형성된 메탈기판(400)의 히트 스프레더(100)에 결합되어 있는 주입니들(130)을 통하여 열매체를 진공 주입한다(ST12). 구체적으로는 전술한 주사기 형태의 수동 또는 자동 주입장치의 선단부를 상기 주입니들(130)에 결합한 후 피스톤(161)을 밀어서 아세톤과 같은 열매체를 주입할 수 있다.

열매체를 진공 주입하는 경우 본 발명에 일체화된 출원인의 등록특허 제0989518호 "히트 스프레더 제조장치, 제조방법 및 이에 의하여 제조되는 히트 스프레더"에서 개시된 히트 스프레더 제조장치에서와 같은 방식으로 진공상태를 형성할 수도 있다.

열매체의 진공 주입이 완료되면 마지막으로 상기 주입니들을 열 가압하여 내부의 주입유로를 봉합하여 폐쇄한 후 커팅한다. 열매체의 주입이 완료되면 내부에 주입된 열매체가 새어나오지 않도록 봉인해야 하므로 상기 주입니들(130)을 프레스 등으로 열을 가하면서 눌러 주입유로(130a)를 막아 봉합한다. 이후 외부로 뾰족하게 돌출된 주입니들(130)을 절단하여 제거한다.

이러한 공정을 거치면 비로소 인쇄회로층(410)과 히트 스프레더(100)가 일체화된 메탈기판(400)이 얻어진다. 이러한 메탈기판(400)은 각 단위 메탈기판마다 각별로 일일이 전술한 공정들을 거쳐 생산될 수도 있으나, 바람직하게는 여러 개의 단위 메탈기판(400)을 포함하는 한 장의 패널을 전술한 공정을 거치도록 한 후 라우팅 공정에서 각 단위 메탈기판(400) 간의 경계부에 형성되는 V커팅부(V-cut)를 따라 절단하여 분할하는 방식으로 제조하는 것이 생산성 면에서 바람직하다.

도12는 본 발명의 메탈기판을 적용한 메탈기판모듈의 열해석 결과 그림이다. 도12의 (a)는 본 발명의 메탈기판모듈을 적용한 경우를 해석한 결과이고, (b)는 일반적인 알루미늄 방열 프레임만을 사용한 경우를 적용한 해석 결과를 보여준다. (b)에서와 같이 일반적인 알루미늄 방열 프레임만을 사용하는 경우에는 열원이 위치하는 중앙부에만 열이 집중하여 주변으로 잘 전달 및 발산되지 않는 반면, (a)의 경우는 주변으로 열이 골고루 전달 및 발산되는 것을 알 수 있다.

본 발명에 의하면 우수한 열전달 효율을 가지며 상대적으로 부피가 작은 열 가압 히트 스프레더와 인쇄회로패턴을 일체화하여 형성하게 되므로 종전의 인쇄회로기판과 비교하여 발열소자의 냉각효율이 매우 우수하며 전기부품의 발열로 인한 제품의 오작동이나 고장을 예방할 수 있게 될 것이다. 따라서 본 발명을 LCD TV, LED TV, PDP TV, 각종 컴퓨터, 오디오, 조명장치 등의 각종 전기전자부품에 적용하는 경우 소자의 발열 및 냉각문제를 추가 냉각수단의 부가 없이 간편하게 해결할 수 있게 될 것이다.

100: 열 가압 히트 스프레더 110: 상판
120: 하판 121: 열매체 수용 함몰부
122: 주입니들 수용 함몰부 123: 테두리부
130: 주입니들 160: 주입장치
200,300: 히트 스프레더 310: 상판
320: 하판 321a: 중앙홈
321b: 방사홈 400: 메탈기판
410: 인쇄회로층 411: 절연층
412: 인쇄회로패턴층 413: 솔더마스크층
420: 발열소자 500: 메탈기판모듈
510: 방열 프레임 511: 몸체부
512a,512b: 결합부 513: 방열핀
523: 채널 524a,524b: 그루브

Claims (1)

1. 내부에 열매체가 진공 주입되는 채널이 형성되는 열 가압 히트 스프레더와 상기 열 가압 히트 스프레더의 판면에 인쇄회로층이 일체로 형성되는 열 가압 히트 스프레더 기반의 메탈기판의 제조방법에 관한 것으로서,
   판상의 금속재 상판과 하판을 준비하고 상기 하판의 판면을 오목하게 가공하여 열매체를 수용하기 위한 채널과 상기 채널에 연결되는 주입니들 수용 함몰부를 형성하되, 상기 하판에 형성되는 채널은 하판의 중앙에 오목하게 형성되는 중앙홈과 상기 중앙홈에 연결되는 것으로서 중앙홈을 중심으로 방사형으로 다수 개가 배치되는 방사홈으로 구성되도록 하판의 판면을 에칭하여 형성하고, 상기 주입니들 수용 함몰부는 하판의 판면을 오목하게 가압하여 형성하는 단계;
   내부에 주입유로가 형성되는 관체 형상의 주입니들을 상기 하판의 주입니들 수용 함몰부에 위치시킨 후 상판과 하판을 열 가압하여 결합함으로써 열 가압 히트 스프레더를 형성하는 단계;
   상기 열 가압 히트 스프레더의 판면을 세정하고 건조하는 단계;
   세정 및 건조된 열 가압 히트 스프레더의 판면에 절연층을 형성하는 단계;
   상기 절연층 상에 동박층을 형성하는 단계;
   상기 동박층에 감광재층을 형성한 후 노광, 현상 및 에칭 공정을 거쳐 인쇄회로패턴을 형성하는 단계;
   상기 인쇄회로패턴을 보호하기 위하여 인쇄회로패턴 상에 솔더 레지스트 잉크를 사용하여 솔더마스크층을 형성하는 단계;
   열 가압 히트 스프레더의 내부와 연결되는 주입니들을 통하여 열매체를 진공주입하는 단계; 및
   상기 주입니들을 열 가압하여 내부의 주입유로를 봉합하여 폐쇄하는 단계
   를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 열 가압 히트 스프레더 기반의 메탈기판 제조방법.

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