KR20140086474A - 열전도성 필름 및 회로 기판 모듈 - Google Patents

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KR20140086474A
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이재상
임지혁
함석진
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삼성전기주식회사
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Abstract

본 발명의 일 실시형태는 방열 부재; 상기 방열 부재 상에 배치되며 열전도 필러를 포함하는 열전도성 필름; 상기 열전도성 필름 상에 형성되는 회로 기판; 및 상기 회로 기판에 배치되는 발열 소자; 를 포함하며 상기 열전도 필러는 열전도성 필름 중 발열 소자에 대응하는 영역과 상기 영역으로부터 평면상으로 소정의 거리만큼 연장된 영역에 분포하는 회로 기판 모듈.

Description

열전도성 필름 및 회로 기판 모듈 {Thermal conductivity film and circuit board module}
본 발명은 방열 특성이 향상된 열전도성 필름 및 회로기판 모듈에 관한 것이다.
최근, 전자 기기는 소형화되는 경향에 있는 한편, 애플리케이션의 다양성을 위해서 전력 소비량은 그다지 변화시킬 수 없기 때문에, 기기 내에 있어서의 방열 대책이 보다 더 중요시되고 있다.
전자 기기에 있어서의 방열 대책으로서, 구리나 알루미늄 등과 같은 열전도율이 높은 금속 재료로 제작된 방열판이나 히트 파이프, 혹은 히트 싱크 등이 널리 이용되고 있다. 이러한 열전도성이 우수한 방열 부품은, 방열 효과 또는 기기 내의 온도 완화를 도모하기 위해, 전자 기기 내에 있어서의 발열부인 반도체 패키지, 저항 등의 전자 부품에 근접하게 하여 배치된다.
또한, 이러한 열전도성이 우수한 방열 부품은, 발열부인 전자부품에서 저온 장소에 걸쳐 배치된다. 또, 전자 부품과 금속 방열 부품을 접착시키고, 접착시 생기는 공간을 매우기 위해, 열전도성 고분자 복합 시트가 전자 부품과 금속 방열 부품의 사이에 배치된다.
특히 반도체 소자의 경우 그 수명은 온도에 지수함수적으로 감소하며, 사용온도가 10℃ 증가됨에 따라 수명이 반으로 줄어든다고 보고되어 있다.
따라서 열방출을 좀 더 효율적으로 할 수 있는 열전도성 시트가 필요하다.
하기 특허문헌 1은 수직방향으로 필러의 함량이 다른 열전도성 시트를 개시하고 있으나, 수평방향에서 필러의 함량이 다른 열전도성 시트는 개시하지 않고 있다.
일본 공개 특허 공보 제 2004-250674 호
본 발명은 방열 특성이 향상된 열전도성 필름 및 회로기판 모듈을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시형태는 방열 부재; 상기 방열 부재 상에 배치되며 열전도 필러를 포함하는 열전도성 필름; 상기 열전도성 필름 상에 형성되는 회로 기판; 및 상기 회로 기판에 배치되는 발열 소자; 를 포함하며 상기 열전도 필러는 열전도성 필름 중 발열 소자에 대응하는 영역과 상기 영역으로부터 평면상으로 소정의 거리만큼 연장된 영역에 분포하는 회로 기판 모듈.
상기 회로 기판 모듈은 상기 열전도 필러가 분포하는 영역 중 발열 소자에 대응하는 영역으로부터 평면상으로 연장된 소정의 거리를 a, 상기 회로 기판의 두께를 b, 상기 열전도성 필름의 두께를 c라고 할 때, 2(b＋c)≤a≤10(b＋c)를 만족할 수 있다.
상기 열전도 필러는 실리카 코팅 질화알루미늄(silica coated aluminum nitride), 질화붕소(boron nitride), 알루미나(alumina) 및 질화알루미늄(aluminum nitride) 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 열전도성 필름은 상기 열전도 필러와 상기 접착성 수지를 모두 포함하는 제1 영역과, 상기 접착성 수지를 포함하고 상기 열전도 필러를 포함하지 않는 제2 영역으로 이루어질 수 있다.
상기 열전도성 필름은 접착성 수지를 더 포함할 수 있다.
상기 접착성 수지는 에폭시 수지를 포함할 수 있다.
상기 방열 부재는 알루미늄(Al) 또는 이들의 합금을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시형태는 접착성 수지; 및 열전도 필러; 를 포함하며,
상기 열전도 필러와 상기 접착성 수지를 모두 포함하는 제1 영역과, 상기 접착성 수지를 포함하고 상기 열전도 필러를 포함하지 않는 제2 영역으로 이루어진 열전도성 복합 필름을 제공한다.
상기 제1 및 제2 영역은 평면상으로 상기 제2 영역이 상기 제1 영역을 둘러싸도록 배치될 수 있다.
상기 열전도 필러는 실리카 코팅 질화알루미늄(silica coated aluminum nitride), 질화붕소(boron nitride), 알루미나(alumina) 및 질화알루미늄(aluminum nitride) 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 접착성 수지는 에폭시 수지를 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면 열전도성 필름의 열전달이 일어나는 영역에 포함된 열전도 필러의 양을 증가시킬 수 있어 방열 효율이 항샹되고 열전도성 필름과 방열 부재 및 회로 기판 간의 접착력을 충분히 확보할 수 있다.
나아가 고가의 원자재인 열전도 필러의 열전도성 필름 내 전체 함량을 줄여 생산원가를 감소 시킬 수 있다.
또한 열전도성 필름 전체에 포함된 고분자 수지의 함량을 증가시킬 수 있어 응력 및 휨 충격에 강한 회로 기판 모듈을 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명 일 실시형태에 따른 회로 기판 모듈을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 2는 도 1의 상부평면도이다.
도 3은 도 1의 A-A' 단면도이다.
도 4는 열원으로 부터 방출된 열이 기판으로 전달되는 형상을 나타내는 열해석 그래프이다.
도 5는 열전도성 필름 하부의 온도를 정규화(normalized)하여 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태들을 설명한다. 다만, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
또한 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시예에 불과할 뿐, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하 도면을 참조하여 본 발명의 회로 기판 모듈 및 열전도성 복합 필름에 대해 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명 일 실시형태에 따른 회로 기판 모듈을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 2는 도 1의 상부 평면도이다.
도 3은 도 1의 A-A' 단면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시형태에 따른 회로 기판 모듈은 방열 부재(40); 열전도성 필름(10); 회로 기판(20); 및 발열 소자(30);를 포함할 수 있다.
상기 회로 기판 상에는 여러 가지 부품이 실장될 수 있으며, 본 발명의 실시예의 회로 기판은 인쇄 회로 기판(printed circuit board)을 일 예로 하여 설명한다.
발열 소자(30)는 상기 회로 기판(20) 상에 배치되며, 상기 발열 소자는 특별히 제한 되는 것은 아니나 발광 다이오드 패키지, 저항 등을 예로 들 수 있다.
발열 소자(30)가 배치된 회로 기판(20)의 하부에는 열전도성 필름(10)이 배치되며, 상기 열전도성 필름의 하부에는 방열 부재(40)가 배치된다. 즉 회로 기판과 방열 부재 사이에 열전도성 필름이 배치될 수 있다.
열전도성 필름(10)은 고분자 수지와 열전도 필러(1)를 포함할 수 있다. 회로 기판 모듈의 절연재료로 쓰이는 고분자 수지는 일반적으로 낮은 열 전도도를 가지므로 방열에 가장 취약한 소재이다. 따라서 이를 해결하기 위해 고 열전도성의 필러를 첨가한다.
이러한 고분자 수지와 열전도 필러가 함유된 필름의 열 전도성을 증가시키는 방법은 높은 절도도를 갖는 필러의 함유량을 최대한으로 높이는 것이다.
즉 필러가 차지하는 부피 비율을 증가시킴으로서 열 전도도가 높은 필러를 통하여 열전달이 잘 이루어지도록 유도하는 것이다. 이때, 필름의 방열 특성은 고분자 수지와 필러의 열 전도도 및 필러의 부피피에 의하여 결정된다.
종래에는 열전도 필러가 고분자 수지와 혼합되어 열전도성 필름 내부에 필름의 두께 방향 및 두께와 수직한 평면 방향으로 고르게 분포되어 있었던 반면 본 발명의 실시형태에 의하면 열전도 필러가 열전도성 필름 내부에 국부적으로 분포된 점에 차이가 있다.
즉, 본 발명의 열전도성 필름은 열전도 필러가 포함된 제1 영역(11)과 열전도 필러가 포함되지 않은 제2 영역(12)으로 구별될 수 있다.
상기 제1 영역(11)은 열전도 필러와 접착성 수지를 포함할 수 있으며, 상기 제2 영역은(12) 접착성 수지를 포함하고 열전도 필러는 포함하지 않을 수 있다.
열전도성 필름에서 상기 제1 영역은 실질적으로 열전도성을 확보하며, 상기 제2 영역은 접착성을 향상시키는 역할을 할 수 있다.
열전도성 필름 내부에 열전도 필러가 전체적으로 포함되는 경우, 필름의 접착성 확보를 위해 열전도 필러를 부피 비율을 증가시키는 한계가 존재하였다.
하지만 본 발명과 같이 열전도 필러가 포함된 제1 영역(11)과 열전도 필러가 포함되지 않은 제2 영역(12)으로 열전도성 필름(10)을 구성하는 경우, 접착력은 제2 영역에 의해 확보할 수 있으므로 제1 영역에 포함되는 필러의 양을 종래보다 증가시킬 수 있다.
상기 제1 영역은 열전도성 필름 내에서 발열 소자에 대응하는 영역과 상기 영역으로부터 평면상으로 소정의 거리만큼 연장된 영역일 수 있다.
도 2 및 도 3에 나타난 바와 같이 상기 열전도 필러(1)가 분포하는 제1 영역(11) 중, 발열 소자(30)에 대응하는 영역으로부터 평면상으로 연장된 소정의 거리를 a, 상기 회로 기판의 두께를 b, 상기 열전도성 필름의 두께를 c라고 할 때, a는 2(b＋c)≤a≤10(b＋c)를 만족할 수 있다.
본 발명에서 사용되는 '평면상'의 의미는 '방열 부재(40), 열전도성 필름(10) 및 회로 기판(20)의 적층 방향과 수직한 방향의 집합으로 형성되는 평면상'을 의미한다.
도 4는 회로 기판(20') 상에 배치된 열원(30')으로부터 열이 전달되는 것을 나타내는 열해석 그래프이다. 옆으로 길게 그려진 막대는 회로 기판(20')의 단면을 나타내며, 기판 상부 좌측에는 열원(30')이 배치되어 있음을 나타낸다.
발열 소자를 열원으로 볼 때, 열원으로부터 열은 모든 방향으로 전달된다. 도 4에 도시된 바와 같이 열원부터 발생한 열이 수직방향 뿐 아니라 방사형태로 모든 방향으로 퍼져나가므로 발열 소자로부터 발생한 열을 방열 부재로 효율적으로 전달하기 위해 상기 제1 영역은 발열 소자에 대응하는 영역보다 넓게 형성되어야 한다.
도 5는 본 발명의 실시형태와 달리 발열 소자가 배치된 회로기판의 하부에 열전도 필러가 필름 내에 고르게 분산된 열전도성 필름을 배치한 뒤 회로 기판과 접하는 면과 반대편 면인 열전도성 필름 하부면의 온도를 나타내는 그래프이다.
좀 더 구체적으로 도 5는 열전도성 필름 하부면에서 가장 높은 온도에 대한 각 위치에서의 온도비를 타나내었다. 즉 x축을 'a', y축을 'a에서의 온도/열전도성 필름 하부면에서 가장 높은 온도'로 하여 위치에 대한 온도를 정규화(normalized) 하여 나타내었다.
도 5에 도시된 바와 같이, 열원의 주위에서 필름 하부면의 온도가 높게 나타난다. 즉 열원의 주위에서 열전달이 집중적으로 일어나고 열원에서 떨어진 기판 및 열전도 필름에서는 열원으로 인한 영향이 미비함을 온도 해석 그래프를 통해 알 수 있다.
특히 a가 2(b+c) 미만인 경우 정규화된 온도가 약 0.5 이상의 값을 나타낸다. 즉 초기 온도의 1/2로 필름 하부의 온도가 감소하여야 열원에서 발생한 열을 상당부분 전달하는 것으로 볼 수 있으므로, a는 2(b+c) 이상인 것이 바람직 하다.
또한 a가 10(b+c)를 초과하는 경우 정규화된 온도가 0.05 미만으로 나타나므로 10(b+c)를 초과하는 구간에서는 실질적인 열전달이 일어 나지 않는 것을 알 수 있다.
따라서 필러 함유량 감소에 따른 생산원가 절감 및 열전도 효과의 상승을 모두 가지기 위해서 a는 2(b＋c)≤a≤10(b＋c)를 만족하는 것이 바람직 함을 알 수 있다.
상기 열전도 필러(1)는 실리카 코팅 질화알루미늄(silica coated aluminum nitride), 질화붕소(boron nitride), 알루미나(alumina) 및 질화알루미늄(aluminum nitride) 중 하나 이상을 포함할 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니며 높은 열전도성을 가지는 것이라면 제한되지 않고 사용될 수 있다.
나아가 열전도성 필름에 함유되는 고분자 수지는 회로 기판과 방열 부재와의 접착력을 향상시키기 위해 접착력을 가지는 접착성 수지일 수 있으며, 이에 제한 되는 것은 아니나 에폭시 수지를 포함할 수 있다.
나아가 이에 한정되는 것은 아니나, 상기 에폭시 수지는 페놀 노볼락(phenol novolac) 형 에폭시(epoxy) 수지,크레졸 노볼락(Kresol novolac) 형 에폭시(epoxy) 수지, 비스페놀(bisphenol) A 형 에폭시(epoxy) 수지, 비스페놀(bisphenol) F 형 에폭시(epoxy) 수지, 비스페놀(bisphenol) S 형 에폭시(epoxy) 수지, 비페닐(biphenyl) 형 에폭시(epoxy) 수지, 비페닐 노볼락(biphenyl novolac) 형 에폭시(epoxy) 수지, 트리스 히드록시 페닐 메탄(hydroxy phenyl Methan) 형 에폭시(epoxy) 수지, 테트라 페닐 에탄(tetra phenyl ethane) 형 에폭시(epoxy) 수지, 디사이클로 펜타디엔 페놀(dicyclo pentadiene phenol) 형 에폭시(epoxy) 수지, 방향족 비스페놀(bisphenol) 화합물 또는 폴리페놀(polyphenol) 화합물의 수소 첨가 화합물의 에폭시(epoxy) 수지, 사이클로헥센 옥시드(cyclohexene oxid)와 같은 지환식 에폭시(epoxy) 수지, 글리시딜 아민(glycidyl amin) 형 에폭시(epoxy) 수지 및 이들의 혼합물 일 수 있다.
나아가 성형성을 좋게 하기 위해 상기 열전도성 필름은 페녹시 수지를 더 포함할 수 있다.
또한 수지의 경화를 위해 경화제를 더 포함할 수 있다.
고분자 수지 내에 열전도 필러(1)를 국부적으로 제1 영역(11)에 배치하기 위해 잉크젯 토출 방법을 이용하여 원하는 영역에만 열전도 필러를 도포하는 방법을 이용하거나, 경화 전의 고분자 수지 및 열전도 필러 혼합물의 상하에 전기장을 생성하여 필러가 특정 부위에 모이도록 하는 방법을 이용할 수 있다.
나아 상기 제1 영역 및 제2 영역(11,12)은 서로 평면 방향에서 구분될 수 있다. 다시 말해, 방열 부재, 열전도성 필름 및 회로기판의 적층 방향(이하 적층 방향)으로는 제1 영역 및 제2 영역이 나누어 지지 않고 제1 영역 또는 제2 영역만 존재하지만 적층 방향과 수직한 방향에서는 제1 및 제2 영역으로 구분될 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시형태에 따른 열전도성 필름은 적층 방향과 수직한 평면에서 상기 제2 영역(12)이 제1 영역(11)을 둘러싸도록 제1 및 제2 영역을 배치하여, 상대적으로 수지의 함량이 낮은 제1 영역에 의해 회로 기판(20)과 방열 부재(40)와의 접착력이 감소하지 않도록 할 수 있다.
방열 부재(40)는 열전도성 필름(10) 하부에 배치되며 열전도성 필름을 통하여 회로 기판(20)과 접합된다.
상기 방열 부재는 이에 한정되는 것은 아니나 알루미늄(Al)을 포함할 수 있으며, 회로 기판에 탑재되는 저항체(30)와 같은 발열 소자에서 발생하는 열을 방출시키는 역할을 한다.
본 발명에 의하면 열전도성 필름에서 열전달이 일어나는 영역(제1 영역,11)에 포함되는 열전도 필러의 양을 증가시킬 수 있어 방열 효율이 항샹되고 실질적으로 열전달이 일어나지 않는 영역(제2 영역, 12)은 고분자 수지의 함량이 증가되므로 열전도성 필름과 방열 부재 및 회로 기판 간의 접착력을 충분히 확보할 수 있다.
나아가 고가의 원자재인 열전도 필러의 열전도성 필름 내 전체 함량을 줄여 생산원가를 감소 시킬 수 있다.
또한 열전도성 필름 전체에 포함된 고분자 수지의 함량을 증가시킬 수 있어 응력 및 휨충격에 강한 회로 기판 모듈을 얻을 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명은 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 얼마든지 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이다. 예를 들어, 본 실시예 전반에서 하나의 저항체를 패드는 저항체 하면 전체에 형성될 수도 있고, 본 실시예의 도면과 같이 저항체 하면 일부분에 형성될 수도 있다.
따라서, 본 발명의 권리범위는 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 물론 아니고, 이후 기술되는 청구범위에 의하여 한정되어야 할 것이다.
1 : 열전도 필러
10 : 열전도성 필름
11 : 제1 영역
12 : 제2 영역
20 : 회로 기판
30 : 발열 소자
40 : 방열 부재

Claims (11)

  1. 방열 부재;
    상기 방열 부재 상에 배치되며 열전도 필러를 포함하는 열전도성 필름;
    상기 열전도성 필름 상에 형성되는 회로 기판; 및
    상기 회로 기판에 배치되는 발열 소자; 를 포함하며
    상기 열전도 필러는 열전도성 필름 중 발열 소자에 대응하는 영역과 상기 영역으로부터 평면상으로 소정의 거리만큼 연장된 영역에 분포하는 회로 기판 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 열전도 필러가 분포하는 영역 중 발열 소자에 대응하는 영역으로부터 평면상으로 연장된 소정의 거리를 a, 상기 회로 기판의 두께를 b, 상기 열전도성 필름의 두께를 c라고 할 때, 2(b＋c)≤a≤10(b＋c)를 만족하는 회로 기판 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 열전도 필러는 실리카 코팅 질화알루미늄(silica coated aluminum nitride), 질화붕소(boron nitride), 알루미나(alumina) 및 질화알루미늄(aluminum nitride) 중 하나 이상을 포함하는 회로 기판 모듈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 열전도성 필름은 상기 열전도 필러와 상기 접착성 수지를 모두 포함하는 제1 영역과, 상기 접착성 수지를 포함하고 상기 열전도 필러를 포함하지 않는 제2 영역으로 이루어진 회로 기판 모듈.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 열전도성 필름은 접착성 수지를 더 포함하는 회로 기판 모듈.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 접착성 수지는 에폭시 수지를 포함하는 회로 기판 모듈.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 방열 부재는 알루미늄(Al) 또는 이들의 합금을 포함하는 회로 기판 모듈.
  8. 접착성 수지; 및
    열전도 필러; 를 포함하며,
    상기 열전도 필러와 상기 접착성 수지를 모두 포함하는 제1 영역과, 상기 접착성 수지를 포함하고 상기 열전도 필러를 포함하지 않는 제2 영역으로 이루어진 열전도성 복합 필름.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 영역은 평면상으로 상기 제2 영역이 상기 제1 영역을 둘러싸도록 배치된 열전도성 복합 필름.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 열전도 필러는 실리카 코팅 질화알루미늄(silica coated aluminum nitride), 질화붕소(boron nitride), 알루미나(alumina) 및 질화알루미늄(aluminum nitride) 중 하나 이상을 포함하는 열전도성 복합 필름.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 접착성 수지는 에폭시 수지를 포함하는 열전도성 복합 필름.
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