KR20130088223A

KR20130088223A - 칩 온 보드 led pcb 기판용 열전도성 폴리머 레진

Info

Publication number: KR20130088223A
Application number: KR1020120009323A
Authority: KR
Inventors: 손백환
Original assignee: (주)보명
Priority date: 2012-01-31
Filing date: 2012-01-31
Publication date: 2013-08-08

Abstract

CHIP-ON-BOARD LED PCB 기판용 열전도성 폴리머 레진이 제공된다.

상기 열전도성 폴리머 레진 조성물은 열가소성 수지10∼30중량％ 와 팽창율100∼500배의 팽창흑연 파우더 70∼90 중량％를 포함한다.

열전도성 폴리머, 방열특성, COB(Chip-On-Board), LED 패키지

Description

칩 온 보드 LED PCB 기판용 열전도성 폴리머 레진{Thermal Conductive Resin for LED PCB Base Plate of Chip-On-Board}

본 발명은 열전도성 수지 조성물 및 사출 성형품에 관한 것이다.

보다 구체적으로, 본 발명은 우수한 기계적 강도 및 사출 성형성을 가지면서도 보다 향상된 열전도성을 나타내는 열전도성 수지의 제공을 가능케 하는 열전도성 수지 조성물 및 사출 성형품에 관한 것이다.

최근, 전자기기의 고성능화, 소형화, 경량화 등에 수반하여 반도체 패키지의 고밀도화, LSI의 고집적화와 고속화 등이 이루어지고 있다.

따라서 각종 전자부품 에서 발생되는 열이 증대되어, 전자부품에서 발생하는 열을 효과적으로 외부로 방산시키고자 하는 대책을 마련하는 것이 중요한 과제로 떠오르고 있다.

현재 이러한 외부로의 열 방산에 대한 대책으로써 금속, 세라믹스, 고분자 조성물 등의 방열 재료들로 제조된 열전도성 성형체가 프린트 배선기판, 반도체 패키지, 케이스, 방열 파이프, 방열판, 열 확산판 등의 방열 부품에 주성분으로 사용되고 있으며 현재까지 가장 많이 사용되어 온 것이 금속이다.

이는 금속이 가진 높은 열전도성으로 인해 다른 재료들보다 열을 주위로 빠르게 확산시켜, 열에 민감한 전자 부품을 국부적인 고온으로부터 보호할 수 있기 때문이다.

또한, 금속은 높은 기계적 강도를 가지고 있을 뿐 아니라, 판금, 금형 또는 절삭 등을 통한 가공성도 겸비하고 있어 형상이 복잡해지기 쉬운 상기 방열 부재의 재료로서 적절히 사용될 수 있다.

그러나 이러한 금속도 높은 밀도로 인해 경량화가 어렵고 단가가 높은 단점이 있다.

이러한 금속의 단점은 신 성장 동력산업으로 각광받고 있는 LED조명에 있어 국제표준으로 채택되어지는 중량제한 문제를 해결하지 못하는 변수로 작용한다.

따라서 초경량 및 고 열전도성, 예를 들어, 20 W/m·K이상의 열전도율을 나타내는 열전도성 수지가 요구되고 있다.

그러나 보다 향상된 열전도성을 위해, 열전도성 수지 내에 보다 많은 양의 열전도성 충진재를 포함시키게 되면, 상기 열전도성 수지의 사출 성형성이 떨어져 이를 사용해 제품을 제조하기가 더욱 힘들어질 뿐 아니라, 상기 열전도성 수지 또는 이를 사용해 제조된 제품의 기계적 강도가 저하된다.

이에 본 발명은 우수한 기계적 강도 및 사출 성형성을 가지면서도 보다 향상된 열전도성을 나타내는 열전도성 수지의 제공을 가능케 하는 열전도성 수지 조성 물을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 목적은 상기 조성물을 이용해 제조된 사출 성형품을 제공하는데 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

.

본 발명에 따르면, 보다 향상된 열전도성을 나타내면서도 우수한 사출 성형성 및 기계적 강도를 유지하는 열전도성 수지의 제공을 가능케 하는 열전도성 수지 조성물이 제공될 수 있다.

본 발명은 열가소성 수지 10∼30 중량％와 팽창율100∼500배의 팽창흑연 파우더 70∼90 중량％를 포함하는 수지 조성물을 제공한다.

상기 열전도성 수지 조성물에서, 상기 열가소성 수지는 가격경쟁력 및 사출 성형성을 위해 나이론을 기반으로 한다.

또한, 상기 열전도성 수지 조성물에서, 상기 열전도성 충진재는 팽창율 100∼500배인 팽창흑연 파우더를 적용한다.

본 발명은 또한, 상기 열전도성 수지 조성물로 제조되는 사출 성형품을 제공 한다.

이하, 본 발명의 구체적인 실시 형태를 당업자가 자명하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기로 한다.

다만, 이는 본 발명에 대한 예시로 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

발명의 일 구현예에 따라, 열가소성 수지 10∼30 중량％와 팽창율100∼500배의 팽창흑연 70∼90 중량％를 포함하는 열전도성 수지 조성물이 제공된다.

한편, 열전도성 수지의 열 전도성은, 열전도성 수지 내에 포함된 열전도성 충진재의 표면적에 비례하는데 이는 팽창흑연의 팽창율에 기인하며 팽창율100∼500배의 팽창흑연을 충진재로 적용함으로써 높은 열전도성을 가질 수 있다.

팽창흑연의 제조방법은 중국 혹은 브라질 등지의 노천광산에서 광석을 채취하는데 광석에서 흑연의 함유율은 3∼5％ 정도이다.

광석을 분쇄 후 부유선광을 통해 흑연만을 선택하고 탈수, 건조를 거친 후 불순물을 제거하기 위해 황산을 투입하고 세척, 탈수, 건조를 통해 팽창흑연을 제조한다.

팽창흑연을 온도 1400도씨에 통과하면 200∼500배까지 부피가 늘어나고 이를 압축성형공정을 통해 그라파이트 시트를 제조하게 된다.

이 공정 중 200∼500배 팽창 완료된 파우더를 수차례 분쇄하고 나이론 및 기타 첨가제를 첨가한 후 트윈압출기를 통해 국수모양의 수지를 RESIN 형태로 분쇄하는 공정을 통해 열전도성 수지 조성물을 제조할 수 있다.

이러한 열가소성 수지로는 압출 또는 사출 성형이 가능한 임의의 열가소성 수지를 사용할 수 있고, 열가소성 범용 플라스틱과 열가소성 엔지니어링 플라스틱을 제한 없이 사용할 수 있다.

예를 들어, 이러한 열가소성 수지로는, 폴리에틸렌 수지, 폴리프로필렌 수지, 폴리스티렌 수지, 스티렌-부타디엔 공중합체 수지, 폴리아미드 수지, 폴리카보네이트 수지, 액정 폴리머 수지, 폴리비닐리덴 플로라이드 수지 또는 폴리페닐렌 설파이드 수지를 들 수 있고, 이들 수지 중에 선택된 둘 이상을 공중합하거나 혼합하여 상기 열가소성 수지로 사용할 수도 있다.

이들 열가소성 수지의 구체적 구성 및 제조 방법은 각각의 열가소성 수지에 대한 통상적인 구성 및 제조 방법에 따른다.

상기 열가소성 수지는 30∼60 중량％의 함량 범위로 상기 열전도성 수지 조성물에 포함된다.

상기 열가소성 수지의 함량이 30 중량％ 미만으로 되면 열전도성 수지의 기계적 강도 및 사출 성형성이 저하될 수 있고, 60 중량％를 초과하면 열가소성 수지를 제외한 열전도성 충진재의 함량이 작아져 열전도성 수지의 열전도성이 저하될 수 있다.

상기 열전도성 수지 조성물은 또한, 높이 대 길이의 비가 7000∼40000인 열전도성 충진재 및 높이 대 길이의 비가 10∼1000인 열전도성 충진재가 포함된 열전도성 충진재를 포함한다.

상술한 바와 같이, 이러한 소정 높이 대 길이의 비를 가진 두 종류의 열전도 성 충진재를 포함한 소정의 열전도성 충진재가 상기 열전도성 수지 조성물에 포함됨에 따라, 열전도성 충진재가 과량 포함되어 열전도성 수지의 사출 성형성 또는 기계적 강도가 저하되는 일 없이, 열전도성 충진재의 표면적을 늘려 열전도성 수지의 열전도성을 보다 향상시킬 수 있다.

이러한 열전도성 충진재로는, 예를 들어, 알루미늄 나이트라이드, 보론 나이트라이드, 카본 블랙, 카본 섬유, 탄소 나노 튜브, 그라파이트 또는 금속계 충진재 등을 사용할 수 있고, 그 밖에도 통상적인 열전도성 충진재를 제한 없이 사용할 수 있다.

다만, 상기 열전도성 충진재 중에서도, 뛰어난 충진성과 열전도성을 가진 그라파이트를 사용함이 바람직하다.

이러한 그라파이트는 불규칙한 회전 타원체 또는 바늘 모양의 판이 수 내지 수십 장 쌓인 판상 형태로 존재하며, 열전도성에 있어 이방성을 가짐에 따라 판상 형태의 그라파이트의 길이 방향의 열전도성이 두께 방향의 열전도성보다 높다.

따라서 예를 들어, 7000∼40000의 큰 높이 대 길이의 비를 가진 열전도성 충진재로서 상기 그라파이트를 사용함에 따라, 상기 열전도성 수지의 열전도성을 보다 향상시킬 수 있다.

또한, 상기 그라파이트는 천연 그라파이트 및 인조 그라파이트의 두 종류로 대별될 수 있는데, 이들 두 종류의 그라파이트 모두 상기 열전도성 충진재로서 바람직하게 사용될 수 있다.

한편, 상기 열전도성 충진재는 상기 두 종류의 열전도성 충진재, 즉, 높이 대 길이의 비가 7000∼40000인 열전도성 충진재 및 높이 대 길이의 비가 10∼1000인 열전도성 충진재를 포함한 열전도성 충진재 외에도, 여러 가지 높이 대 길이의 비를 가진 열전도성 충진재를 함께 포함할 수도 있다.

다만, 상기 열전도성 충진재는 상기 두 종류의 열전도성 충진재를 각각 10 중량％ 이상의 함량으로 포함한다.

만일, 상기 두 종류의 열전도성 충진재가 10 중량％ 미만의 함량으로 포함되면, 이들의 첨가에 따른 효과, 즉, 열전도성 수지의 우수한 사출 성형성 및 기계적 강도를 유지하면서 열전도성을 보다 향상시키는 효과를 거두기 어렵다.

또한, 상기 두 종류의 열전도성 충진재를 포함한 소정의 열전도성 충진재는 40∼70 중량％의 함량 범위로 상기 열전도성 수지 조성물에 포함된다.

상기 열전도성 충진재의 함량이 40 중량％ 미만으로 되면 열전도성 수지의 열전도성이 충분치 않을 수 있고, 70중량％를 초과하면 얼전도성 수지의 기계적 강도 및 사출 성형성이 저하될 수 있다.

그리고 상기 두 종류의 열전도성 충진재를 포함한 소정의 열전도성 충진재의 부피는 열전도성 수지 조성물 전체 부피의 60％ 이하로 됨이 바람직하다.

이로서, 상기 열전도성 충진재의 과량 첨가에 따른 열전도성 수지의 사출 성형성 및 기계적 강도의 저하를 억제할 수 있다.

상기 열전도성 수지 조성물은 상술한 구성 성분 외에, 목적하는 용도에 맞는 첨가제를 더 포함할 수도 있다.

한편, 상술한 각 구성 성분을 혼합하여 열전도성 수지 조성물을 제조하고, 이러한 열전도성 수지 조성물을 압출기 내에서 용융 압출하는 등의 통상적인 방법을 통해, 열전도성 수지 또는 이로부터 제조되는 플라스틱 성형품을 제조할 수 있다.

발명의 다른 구현예에 따르면, 상술한 열전도성 수지 조성물로부터 제조된 플라스틱 성형품이 제공된다.

이러한 플라스틱 성형품은, 예를 들어, 열가소성 수지 기재와, 상기 열가소성 수지 기재 내에 분산되어 있고, 높이 대 길이의 비가 7000∼40000인 열전도성 충진재 및 높이 대 길이의 비가 10∼1000인 열전도성 충진재를 포함한 열전도성 충진재를 포함하는 형태를 띌 수 있다.

즉, 상기 수지 기재 내에 두 종류의 열전도성 충진재를 포함한 소정의 열전도성 충진재가 균일하게 분산됨에 따라, 상기 플라스틱 성형품은 과량의 열전도성 충진재가 포함되어 있지 않아도 보다 향상된 열전도성을 나타낼 수 있고, 상기 열전도성 충진재가 과량 포함되어 있지 않으므로 우수한 사출 성형성 및 기계적 강도를 나타낼 수 있다.

따라서 상기 플라스틱 성형품은 각종 전자 기기의 방열 시트 또는 방열 그리스 등의 방열성 부재에 바람직하게 적용될 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다.

다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.

실시예 1

열가소성 수지로서 폴리페닐렌 설파이드 수지(Chevron-Pillips 사; Ryton PPS)의 30 중량％를 사용하고, 열전도성 충진재로서 높이 대 길이의 비가 7,000∼40,000인 그라파이트의 40 중량％ 및 높이 대 길이의 비가 10∼1,000인 그라파이트의 30 중량％를 사용해, 이들을 혼련하여 열전도성 수지 조성물을 제조하였다. 또한, 이러한 열전도성 수지 조성물을 압출 및 사출하여 각종 물성의 측정을 위한 시편을 제조하였다.

실시예 2

열가소성 수지로서 폴리페닐렌 설파이드 수지(Chevron-Pillips 사; Ryton PPS)의 35 중량％를 사용하고, 열전도성 충진재로서 높이 대 길이의 비가 7,000∼40,000인 그라파이트의 30 중량％ 및 높이 대 길이의 비가 10∼1,000인 그라파이트의 35 중량％를 사용해, 이들을 혼련하여 열전도성 수지 조성물을 제조하였다.

또한, 이러한 열전도성 수지 조성물을 압출 및 사출하여 각종 물성의 측정을 위한 시편을 제조하였다.

실시예 3

열가소성 수지로서 폴리페닐렌 설파이드 수지(Chevron-Pillips 사; Ryton PPS)의 40 중량％를 사용하고, 열전도성 충진재로서 높이 대 길이의 비가 7,000∼40,000인 그라파이트의 10 중량％ 및 높이 대 길이의 비가 10∼1,000인 그라파이트의 50 중량％를 사용해, 이들을 혼련하여 열전도성 수지 조성물을 제조하였다.

실시예 4

열가소성 수지로서 폴리페닐렌 설파이드 수지(Chevron-Pillips 사; Ryton PPS)의 40 중량％를 사용하고, 열전도성 충진재로서 높이 대 길이의 비가 7,000∼40,000인 그라파이트의 30 중량％ 및 높이 대 길이의 비가 10∼1,000인 그라파이트의 30 중량％를 사용해, 이들을 혼련하여 열전도성 수지 조성물을 제조하였다. 또한, 이러한 열전도성 수지 조성물을 압출 및 사출하여 각종 물성의 측정을 위한 시편을 제조하였다.

실시예 5

열가소성 수지로서 폴리페닐렌 설파이드 수지(Chevron-Pillips 사; Ryton PPS)의 50 중량％를 사용하고, 열전도성 충진재로서 높이 대 길이의 비가 7,000∼40,000인 그라파이트의 40 중량％ 및 높이 대 길이의 비가 10∼1,000인 그라파이트의 10 중량％를 사용해, 이들을 혼련하여 열전도성 수지 조성물을 제조하였다. 또한, 이러한 열전도성 수지 조성물을 압출 및 사출하여 각종 물성의 측정을 위한 시편을 제조하였다.

비교예 1

열가소성 수지로서 폴리페닐렌 설파이드 수지(Chevron-Pillips 사; Ryton PPS)의 25 중량％를 사용하고, 열전도성 충진재로서 높이 대 길이의 비가 7,000∼40,000인 그라파이트의 45 중량％ 및 높이 대 길이의 비가 10∼1,000인 그라파이트의 30 중량％를 사용해, 이들을 혼련하여 열전도성 수지 조성물을 제조하였다. 또 한, 이러한 열전도성 수지 조성물을 압출 및 사출하여 각종 물성의 측정을 위한 시편을 제조하였다.

비교예 2

열가소성 수지로서 폴리페닐렌 설파이드 수지(Chevron-Pillips 사; Ryton PPS)의 40 중량％를 사용하고, 열전도성 충진재로서 높이 대 길이의 비가 10∼1,000인 그라파이트의 40 중량％를 사용해, 이들을 혼련하여 열전도성 수지 조성물을 제조하였다.

비교예 3

열가소성 수지로서 폴리페닐렌 설파이드 수지(Chevron-Pillips 사; Ryton PPS)의 40 중량％를 사용하고, 열전도성 충진재로서 높이 대 길이의 비가 7,000∼40,000인 그라파이트의 60 중량％를 사용해, 이들을 혼련하여 열전도성 수지 조성물을 제조하였다.

비교예 4

열가소성 수지로서 폴리페닐렌 설파이드 수지(Chevron-Pillips 사; Ryton PPS)의 65 중량％를 사용하고, 열전도성 충진재로서 높이 대 길이의 비가 7,000∼40,000인 그라파이트의 25 중량％ 및 높이 대 길이의 비가 10∼1,000인 그라파이트 의 10 중량％를 사용해, 이들을 혼련하여 열전도성 수지 조성물을 제조하였다. 또한, 이러한 열전도성 수지 조성물을 압출 및 사출하여 각종 물성의 측정을 위한 시편을 제조하였다.

상기 실시예 및 비교예에 의해 제조된 시편의 물성을 이하의 방법으로 측정하였다.

먼저, 미국 표준 시험 방법인 ASTM E 1530에 따라, 각 시편의 열전도도를 측정하였다.(열전도성 평가).

또한, 미국 표준 시험 방법인 ASTM D 257에 따라, 각 시편의 전기 전도도를 측정하였다.(전기 전도성 평가).

그리고, 미국 표준 시험 방법인 ASTM D 790에 따라, 각 시편의 굴곡 강도를 측정하였다.(기계적 강도 평가).

또한, 상기 실시예 및 비교예의 시편 제조를 위한 사출 과정에서 각 열전도성 수지 조성물의 사출 성형성을 평가하였다.

이러한 물성 측정 결과를 하기 표 1에 표시하였다.

상기 표 1을 참조하면, 실시예 1 내지 5의 시편은 열가소성 수지 및 두 종류의 열전도성 충진재를 바람직한 함량 범위로 포함함에 따라, 예를 들어, 5 W/m·K 이상의 우수한 열전도성과 함께 우수한 기계적 강도를 나타냄이 확인된다.

또한, 각 시편의 제조를 위한 사출 과정에서 평가한 결과 우수한 사출 성형성을 나타냄이 확인되었다.

이에 반하여, 비교예 1의 시편은 70 중량％를 초과하는 열전도성 충진재를 포함함에 따라, 열전도성은 우수하지만 낮은 기계적 강도를 가짐이 확인되었으며, 이와 함께, 사출 과정에서의 평가 결과 사출 성형성 또한 좋지 않음이 확인되었다.

또한, 비교예 2 및 3의 시편은 어느 한 종류의 열전도성 충진재만을 포함함에 따라, 열전도성 충진재의 함량이 동일한 실시예 3 및 4의 시편과 비교하여 낮은 열전도성 및 낮은 기계적 강도를 나타냄이 확인된다.

더구나, 비교예 3의 시편은 전기 전도성이 너무 높아 각종 전자 기기의 방열성 부재에 바람직하게 적용될 수 없음이 확인된다.

그리고, 비교예 4의 시편은 40 중량％ 미만의 열전도성 충진재를 포함함에 따라, 낮은 열전도성을 나타냄이 확인된다.

Claims

열가소성 수지 30∼60 중량％와,

높이 대 길이의 비(길이/높이)가 7000∼40000인 열전도성 충진재의 10 중량％ 이상 및 높이 대 길이의 비가 10∼1000인 열전도성 충진재 10 중량％ 이상을 포함한 열전도성 충진재의 40∼70 중량％를 포함하는 열전도성 수지 조성물.
제 1 항에 있어서, 상기 열전도성 충진재는 알루미늄 나이트라이드, 보론 나이트라이드, 카본블랙, 그라파이트 또는 금속계 충진재를 포함하는 열전도성 수지 조성물.
제 1 항에 있어서, 상기 열전도성 충진재의 부피는 열전도성 수지 조성물 전체 부피의 60％ 이하로 되는 열전도성 수지 조성물.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 의한 열전도성 수지 조성물로 제조되는 플라스틱 성형품.