KR20150032984A - 도전성 페이스트를 이용한 방열기판 모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 절연층에 관통공을 형성하고, 상기 관통공에 금속 분말이 열에 의해 소성 결합되는 도전성 페이스트를 채워넣어, 발열소자의 열이 도전층으로 신속하게 전달되어 기판의 방열특성을 향상시킨 도전성 페이스트를 이용한 방열기판 모듈을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 도전성 페이스트를 이용한 방열기판 모듈은, 적어도 1층 이상의 절연층과; 상기 절연층을 관통하는 관통공; 상기 절연층의 일면 및 타면에 적층되는 제2도전층 및 제1도전층; 상기 관통공에 채워지는 도전성 페이스트; 상기 제2도전층에 실장되는 발열소자; 를 포함하되, 상기 발열소자는 상기 관통공의 상에 배치되어 상기 도전성 페이스트와 접하고, 상기 도전성 페이스트는, 순수 금속 분말로 이루어진 금속분말체; 2가지 이상의 금속을 녹여 결합하여 이루어진 합금분말체; 를 포함하되, 상기 금속분말체와 상기 합금분말체는 열에 의해 상호 소성 결합되며, 상기 제1도전층과 상기 제2도전층을 연결시켜 상기 발열소자에서 발생하는 열이 상기 제1도전층으로 전달되게 한다.

Description

도전성 페이스트를 이용한 방열기판 모듈 {Heat radiating circuit board using conductive paste}

본 발명은 도전성 페이스트를 이용한 방열기판 모듈에 관한 것으로서, 특히 기판에 도전성 페이스트를 주입한 관통홀을 형성하여 열전도율을 증가시킨 도전성 페이스트를 이용한 방열기판 모듈에 관한 것이다.

최근에는 스마트폰 또는 태블릿 PC등과 같이 다기능을 갖는 소형 및 박형의 전자제품들이 소비자들에게 선호되고 있다.

이로 인해, 이러한 전자제품에 사용되는 인쇄회로기판(Printed Circuit Board)에는 많은 수의 소자가 고밀도로 실장되고 있으며, 소자들의 성능도 고효율로 제작됨에 따라 일부 고효율 소자에는 많을 열이 발생하게 된다.

최근에는, 발광다이오드(Light-emiting Diode, LED) 소자가 널리 사용되고 있는데, 상기 LED 소자는 낮은 에너지와 높은 열효율 및 광도에 의해 차세대 조명소자 및 디스플레이 소자로서 널리 사용되고 있다.

그러나 이러한 고효율 소자에는 많은 열이 발생되며, 이러한 열 발생으로 인해 기판이 손상되거나 소자의 성능이 저하되는 문제가 발생 되었다.

이를 해결하기 위해 종래에는 금속층이 삽입된 기판을 사용하였다.

도 1은 종래 기술에 따른 방열기판의 단면 구조도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 종래 기술에 따른 방열기판은, 절연층(10) 상부에 회로층(20)을 형성되고, 하부에 열전달율이 높은 금속층(30)이 삽입된 구조로 이루어 진다.

그러나 이러한 종래의 방열기판은 상기 회로층(20)과 상기 금속층(30) 사이에 배치된 상기 절연층(10)의 열전도율이 낮아 상기 회로층(20)에 실장되는 발열소자(미도시)에서 발생하는 열이 하부로 잘 전달되지 못하며, 이로 인해 기판 전체적인 방열 성능의 향상에 한계가 있다.

또한, 종래기술에 따른 상기 방열기판은 상기 금속층(30)에 의해 전체적인 두께가 증가되어 박판을 선호하는 최신 동향에 적합하지 않은 문제점이 있다.

대한민국 등록특허 10-0945026

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 절연층에 관통공을 형성하고, 상기 관통공에 금속 분말들이 열에 의해 소성 결합되는 도전성 페이스트를 채워넣어, 발열소자의 열이 도전층으로 신속하게 전달되고, 이로 인해 기판의 방열특성이 향상된 도전성 페이스트를 이용한 방열기판 모듈을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 도전성 페이스트를 이용한 방열기판 모듈은, 적어도 1층 이상의 절연층과; 상기 절연층을 관통하는 관통공; 상기 절연층의 일면 및 타면에 적층되는 제2도전층 및 제1도전층; 상기 관통공에 채워지는 도전성 페이스트; 상기 제2도전층에 실장되는 발열소자; 를 포함하되, 상기 발열소자는 상기 관통공 상에 배치되어 상기 도전성 페이스트와 접하고, 상기 도전성 페이스트는, 순수 금속 분말로 이루어진 금속분말체; 2가지 이상의 금속을 녹여 결합하여 이루어진 합금분말체; 를 포함하되, 상기 금속분말체와 상기 합금분말체는 열에 의해 상호 소성 결합되며, 상기 제1도전층과 상기 제2도전층을 연결시켜 상기 발열소자에서 발생하는 열이 상기 제1도전층으로 전달되게 한다.

상기 관통공은, 직경이 0.25mm이고, 상기 발열소자의 하부에 20 ~ 50개 배치된다.

상기 금속분말체는 구리, 은, 알루미늄, 니켈 중 어느 한 가지 이상으로 이루어진다.

상기 합금분말체는 구리(Cu)와 주석(Tin)의 합금이다.

상기 도전성 페이스트의 총 100 중량대비 상기 금속분말체는 약 35~45중량%, 상기 합금분말체는 약 10~20중량% 비율이다.

상기 도전성 페이스트는 페놀계 단량체, 중합체 및 용제를 더 포함한다.

상기 도전성 페이스트의 총 100 중량 대비 상기 페놀계 단량체는 약 13~19중량%, 상기 중합체는 15~25중량% 및 상기 용제는 5~15 중량%이다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 도전성 페이스트를 이용한 방열기판 모듈은 다음과 같은 효과가 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 방열기판의 단면 구조도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 도전성 페이스트를 이용한 방열기판 모듈의 단면 구조도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 도전성 페이스트의 입자간 결합 상태를 개략적으로 나타낸 구조도,
도 4는 종래기술에 따른 도전성 페이스트의 입자간 결합 상태를 개략적으로 나타낸 구조도,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 도전성 페이스트를 이용한 방열기판 모듈과 종래의 방열기판의 온도 비교표,
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 도전성 페이스트를 이용한 인쇄회로기판과 종래기술에 따른 도전성 페이스트를 이용한 인쇄회로기판의 신뢰성 테스트 결과 비교 그래프이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 도전성 페이스트를 이용한 방열기판 모듈의 단면 구조도, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 도전성 페이스트의 입자간 결합 상태를 개략적으로 나타낸 구조도, 도 4는 종래기술에 따른 도전성 페이스트의 입자간 결합 상태를 개략적으로 나타낸 구조도, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 도전성 페이스트를 이용한 방열기판 모듈과 종래의 방열기판의 온도 비교표, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 도전성 페이스트를 이용한 인쇄회로기판과 종래기술에 따른 도전성 페이스트를 이용한 인쇄회로기판의 신뢰성 테스트 결과 비교 그래프이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 도전성 페이스트 이용한 방열기판 모듈은 절연층(110), 관통공(111), 제1도전층(120), 제2도전층(130), 도전성 페이스트(140) 및 발열소자(150)로 이루어진다.

상기 절연층(110)은 통상적인 인쇄회로기판(PCB) 또는 연성인쇄회로기판(FPCB)에 사용되는 절연 재질로 이루어지며, 얇은 박판이고, 1층으로 이루어진다.

물론, 경우에 따라 상기 절연층(110)은 2층 이상의 다층으로 구성될 수도 있다.

이러한 상기 절연층(110)에는 상기 관통공(111)이 상하 방향으로 관통 형성된다.

여기에서 상기 관통공(111)은 후술할 상기 발열소자(150)가 실장 되는 상기 제2도전층(130)의 하부에 배치되며, 인쇄회로기판의 회로 구성과 후술할 상기 발열소자(150)의 위치에 따라 그 위치 및 수가 변경될 수 있다.

또한, 상기 관통공(111)의 직경은 0.25mm이며, 후술할 상기 발열소자(150) 1개에 약 20~50개 정도가 배치되는 것이 바람직하다.

상기 관통공(111)의 수는 후술할 실험 결과에 의해 선정된 것으로, 금속층이 삽입된 종래의 방열기판과 유사한 방열특성을 나타내기 위한 조건이다.

또한, 상기 관통공(111)은 일반적으로 드릴에 의해서 가공되며, 경우에 따라 레이저로 가공될 수도 있다.

이러한 상기 관통공(111)에는 후술할 상기 도전성 페이스트(140)가 채워진다.

한편, 상기 제1도전층(120)은 상기 절연층(110)의 일면, 즉 하부에 적층되며, 상기 제2도전층(130)과 마찬가지로 동(Copper)재질의 박판으로 이루어진다.

상기 제2도전층(130)은 상기 절연층(110)의 타면, 즉 상부에 적층되며, 구체적으로 동(Copper)재질의 박판으로 이루어진다.

상기 제2도전층(130) 및 상기 제1도전층(120)은 회로 패턴으로 가공되며, 상기 제2도전층(130)에는 후술할 상기 발열소자(150)가 실장된다.

물론, 상기 제2도전층(130) 및 상기 제1도전층(120)에 모두 상기 발열소자(150)가 실장될 수도 있다.

이러한 상기 제2도전층(130) 및 상기 제1도전층(120)은, 후술할 상기 도전성 페이스트(140)에 의해 상호 소성 결합되며, 전기적으로 연결되고, 상호 직접적으로 연결되어 상기 제2도전층(130)에 실장되는 상기 발열소자(150)에서 발생한 열이 상기 제1도전층(120)으로 신속하게 전달되게 한다.

물론, 상기 발열소자(150)가 상기 제1도전층(120)에 실장된 경우에는 열이 상기 제1도전층(120)에서 상기 도전성 페이스트(140)를 지나 상기 제2도전층(130)으로 확산 된다.

상기 도전성 페이스트(140)는 상기 관통공(111)에 채워지며, 초기에는 혼합물 상태였다가, 열에 의해 상호 소성 결합된다.

좀더 구체적으로, 상기 도전성 페이스트(140)는 금속분말체(141), 합금분말체(142), 페놀계 단량체, 중합체, 용제 및 기타 첨가물로 이루어진다.

상기 금속분말체(141)는 순수 금속의 분말로 이루어지며, 본 발명의 실시예에서는 구리(Cu) 즉, 동(Copper) 재질의 분말로 구성된다.

물론, 경우에 따라 상기 금속분말체(141)는 은(Ag), 알루미늄(Al), 니켈(Ni) 분말체 중 어느 한 가지 이상의 혼합물로 이루어질 수도 있으나, 구리(Cu)가 가격 대비 성능이 우수하므로 구리(Cu)를 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 금속분말체(141)는 상기 도전성 페이스트(140)의 총 100 중량대비 약 35~45중량%이며, 약 40 중량%로 이루어지는 것이 가장 바람직하다.

상기 합금분말체(142)는 2가지 이상의 금속을 녹여 결합하여 이루어진 합금의 분말체로 이루어진다.

구체적으로, 상기 합금분말체(142)는 구리(Cu)와 주석(Tin)이 상호 용융 결합 된 합금의 분말, 즉 알갱이로 이루어진다.

이러한 상기 합금분말체(142)는 상기 도전성 페이스트(140)의 총 100 중량대비 약 10~20중량%이며, 약 15중량%로 이루어지는 것이 가장 바람직하다.

상기 페놀계 단량체는 페놀(phenol) 성분으로 이루어진 저분자 화합물이며, 구체적으로 비스무트(Bismuth)로 이루어진다.

이러한 상기 페놀계 단량체는 상기 도전성 페이스트(140)가 낮은 온도에서 소성 결합이 가능하도록 한다.

또한, 상기 페놀계 단량체는 상기 도전성 페이스트(140)의 총 100 중량 대비 약 13~19중량%로 포함되며, 약 16%로 이루어지는 것이 가장 바람직하다.

또한, 상기 도전성 페이스트(140)의 총 100 중량 대비 상기 중합체는 약 20중량%이고, 나머지 중량%는 상기 용제 및 상기 첨가물로 이루어진다.

여기에서 상기 중합체, 상기 용제 및 상기 첨가물은 종래의 도전성 페이스트(140)에 포함되는 중합체, 용제 및 첨가물과 유사하므로 자세한 설명은 생략한다.

위 구성으로 이루어진 상기 도전성 페이스트(140)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 열을 가하게 되면 상호 소성 결합된다.

종래에는 열경화성 타입의 도전성 페이스트를 주로 사용하였는데, 도 4에 도시된 바와 같이, 종래의 도전성 페이스트는 금속 분말이 경화제에 의해 상호 결합되며, 경화시 금속 분말 사이의 간격이 약하여 열에 의한 저항 변화율이 매우 높고, 열팽창으로 인해 불량이 많이 발생되는 문제가 있다.

반면, 본 발명의 실시예에 따른 상기 도전성 페이스트(140)는 폴리머 중합체 등의 결합 수단에 의해 단순히 금속 분말간 접촉되는 간접적 연결이 아닌, 상기 금속분말체(141)와 상기 합금분말체(142)가 서로 소성 결합되어 직접적으로 연결되는 것이다.

다시 말해, 본 발명의 상기 도전성 페이스트(140)는, 상기 금속분말체(141)와 상기 합금분말체(142)를 가열하였을 때, 상호 입자간 결합이 일어나 응고하게 되는 것이다.

이로 인해, 본 발명의 실시예에 따른 상기 도전성 페이스트(140)는, 유리전이온도에 따른 열팽창계수의 변화량이 적고, 열전도율이 약 25W/mk 수준을 나타낸다.

또한, 도 6에 도시된 바와 같이, 고온의 신뢰성 평가에서, 종래기술의 도전성 페이스트의 경우 저항 변화율이 약 6000~2000%까지 상승하는 반면, 본 발명의 실시예에 따른 상기 도전성 페이스트(140)는 저항 변화율이 약 5%내외인 것으로 나타났다.

이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 도전성 페이스트 이용한 방열기판 모듈은, 상기 금속분말체(141)와 상기 합금분말체(142)가 열에 의해 소성 결합됨으로써, 열에 의한 저항 변화율이 낮고, 열전도율이 높은 성능을 나타내며, 이로 인해 인쇄회로기판의 단선 또는 크랙 등의 불량을 감소시킬 수 있고, 제조단가를 낮출 수 있는 효과가 발생된다.

또한, 상기 도전성 페이스트(140)는 상기 관통공(111)을 통해 제2도전층(130) 및 상기 제1도전층(120)와 직접적으로 연결되며, 상기 제2도전층(130)에 실장 되는 상기 발열소자(150)와 접한다.

이로 인해 상기 도전성 페이스트(140)는 상기 제2도전층(130)에 실장되는 후술할 상기 발열소자(150)의 열을 상기 제1도전층(120)으로 신속히 전달되게 하며, 이로 인해 상기 발열소자(150)의 열을 외부로 확산시켜 방열 효과를 향상시키는 효과를 나타낸다.

특히, 본 발명의 상기 도전성 페이스트(140)는 종래의 도전성 페이스트와 달리 열전율이 높으므로 상기 발열소자(150)에서 발생되는 열이 상기 제1도전층(120)으로 신속하게 전달되어 방열 성능이 더욱 증가되는 효과가 있다.

한편, 상기 발열소자(150)는 작동시 자체적으로 열이 발생되는 소자들, 예를 들어 파워나 IC소자 또는 LED소자가 될 수 있다.

도 5는 종래기술에 따른 방열기판(S1)과, 일반적인 인쇄회로기판(S1) 및 본 발명에 따른 방열기판(S1)에 각각 동일한 발열소자(150)를 실장하고, 일정 시간 작동 후 온도 변화를 측정한 것이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 종래기술에 따른 방열기판(S1)은 40.2℃로 측정되었고, 일반적인 인쇄회로기판(S1)은 45.1℃이며, 본 발명에 따른 방열기판(S3)은 상기 관통공(111)의 수에 따라 40.6℃~41.9℃로 측정되었다.

이와 같이, 본 발명에 따른 도전성 페이스트를 이용한 방열기판 모듈은, 종래기술의 방열기판과 동일한 열전도 성능을 나타내면서, 별도의 금속층을 삽입할 필요가 없어 두께 증가 없이 박형으로 제작할 수 있으며, 이로 인해 제품의 성능을 향상시키는 효과가 있다.

또한, 상기 발열소자(150)에서 발생되는 열은 상기 도전성 페이스트(140)를 통해 직접적으로 상기 제1도전층(120)으로 전달되며, 이로 인해 본 발명의 도전성 페이스트를 이용한 방열기판 모듈의 방열 특성이 극대화되는 효과가 발생 된다.

한편, 상기 관통홀(111)에 주입된 상기 도전성 페이스트(140)는 방열 기능 뿐만 아니라, 경우에 따라 회로 라인으로 사용될 수도 있다.

즉, 상기 관통홀(111)을 통해 회로 패턴으로 가공되는 상기 제2도전층(130)과 상기 제1도전층(120)이 전기적으로 연결되어 다층 회로 기판 형성에 사용될 수 있다.

본 발명은 이에 한정되지 않으며, 이하의 부속 청구 범위의 사상 및 영역을 이탈하지 않는 범위 내에서 당업자에 의해 여러 형태로 변형 실시될 수 있으며, 따라서 이와 같은 변형은 본 발명의 영역 내에 있는 것으로 해석해야 할 것이다.

110 : 절연층, 111 : 관통공,
120 : 제1도전층, 130 : 제2도전층,
140 : 도전성 페이스트, 141 : 금속분말체,
142 : 합금분말체, 150 : 발열소자,

Claims (7)

1. 적어도 1층 이상의 절연층과;
   상기 절연층을 관통하는 관통공;
   상기 절연층의 일면 및 타면에 적층되는 제2도전층 및 제1도전층;
   상기 관통공에 채워지는 도전성 페이스트;
   상기 제2도전층에 실장되는 발열소자; 를 포함하되,
   상기 발열소자는 상기 관통공 상에 배치되어 상기 도전성 페이스트와 접하고,
   상기 도전성 페이스트는,
   순수 금속 분말로 이루어진 금속분말체;
   2가지 이상의 금속을 녹여 결합하여 이루어진 합금분말체; 를 포함하되,
   상기 금속분말체와 상기 합금분말체는 열에 의해 상호 소성 결합되며, 상기 제1도전층과 상기 제2도전층을 연결시켜 상기 발열소자에서 발생하는 열이 상기 제1도전층으로 전달되게 하는 것을 특징으로 하는 도전성 페이스트를 이용한 방열기판 모듈.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 관통공은, 직경이 0.25mm이고, 상기 발열소자의 하부에 20 ~ 50개 배치되는 것을 특징으로 하는 도전성 페이스트를 이용한 방열기판 모듈.
   
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 금속분말체는 구리, 은, 알루미늄, 니켈 중 어느 한 가지 이상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 도전성 페이스트를 이용한 방열기판 모듈.
   
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 합금분말체는 구리(Cu)와 주석(Tin)의 합금인 것을 특징으로 하는 도전성 페이스트를 이용한 방열기판 모듈.
   
5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 도전성 페이스트의 총 100 중량대비 상기 금속분말체는 약 35~45중량%, 상기 합금분말체는 약 10~20중량% 비율인 것을 특징으로 하는 도전성 페이스트를 이용한 방열기판 모듈.
   
6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 도전성 페이스트는 페놀계 단량체, 중합체 및 용제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 도전성 페이스트를 이용한 방열기판 모듈.
   
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 도전성 페이스트의 총 100 중량 대비 상기 페놀계 단량체는 약 13~19중량%, 상기 중합체는 15~25중량% 및 상기 용제는 5~15 중량%인 것을 특징으로 하는 도전성 페이스트를 이용한 방열기판 모듈.
   

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