KR20150051951A - 인쇄 회로 기판을 구비하는 전기, 전자 장비 - Google Patents

Abstract

본 발명은 인쇄 회로 기판의 장착에 있어서, 기판 하면의 절연이 요구되는 부위를 제외한 미리 설정된 부위에 솔더 크림을 제공하고, 기판을 해당 기판이 장착될 하우징의 장착 부위에 실장하고, 기판 하면의 솔더 크림을 용융 및 경화하여 기판을 하우징에 고정 결합하는 구성을 가진다.

Description

인쇄 회로 기판을 구비하는 전기, 전자 장비{ELETRICAL OR ELECTRONIC DEVICE WITH PCB}

본 발명은 각종 전기, 전자 부품을 실장하는 인쇄 회로 기판(PCB: Printed Circuit Board, '배선 원판' 또는 '인쇄 기판'으로 칭하기도 함)의 처리에 관한 것으로, 특히 해당 전기, 전자 장치의 하우징 내면에 인쇄 회로 기판을 장착하는 기술에 관한 것이다.

인쇄 회로 기판은 그 위에 칩이나 기타 다른 전기, 전자 부품들이 설치되는 얇은 판으로서, 강화 섬유유리나 플라스틱 등의 재질로 구성되며, 구리나 주석, 금 등을 이용한 회로 패턴이 인쇄되어 부품들을 전기적으로 연결하도록 구성된다. 이러한 인쇄 회로 기판에 실장되는 다양한 부품들은 SMD(Surface Mounting Device)나 리드(lead) 부품 등이 있을 수 있으며, 인쇄 회로 기판에는 SMD 부품을 실장하기 위한 랜드(land) 부위와 리드 부품의 리드를 삽입시키기 위한 리드 홀(lead hole) 등이 형성된다.

인쇄 회로 기판에 실장되는 부품은 종류에 따라 동작시 매우 높은 열을 발생하는 부품도 있는데, 그럴 경우에 효율적인 방열 처리 방안이 요구된다. 예를 들어, 이동통신 및 방송통신을 위한 송신 시스템에서는 고전력 및 고출력의 증폭기를 사용하는데, 특히 증폭기의 핵심 부품인 고출력의 전력 증폭 소자(즉, 트랜지스터)에서는 상당한 량의 열이 발생한다. 발생된 열은 해당 장치의 성능을 떨어뜨리거나, 기능 장애 및 부품 손상 등을 일으키는 주요 요인으로 작용한다.

통상의 방열 처리를 위한 방안은 방열 처리를 필요로 하는 장치의 외부에 다수의 방열 핀 구조를 채용하는 것이다. 그러나, 이러한 방열 핀의 구조만으로는 방열 성능에 한계가 있으며, 효율적인 방열을 기대하기 어려운 점이 있었다.

또한 종래에는 퍽 또는 팔래트(Puck, Pallet)를 방열판 위에 위치시켜 증폭 소자를 부착하기도 하였는데, 이는 증폭소자가 방열판에 직접적으로 붙지 않아 방열 효율이 떨어지는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명의 목적은 효율적인 방열이 가능하도록 하기 위한 인쇄 회로 기판의 장착 기술을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 증폭소자를 쉽게 교체할 수 있도록 하기 위한 인쇄 회로 기판의 장착 기술을 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 인쇄회로 기판을 알루미늄 하우징에 직접 솔더링할 수 있도록 하기 위한 인쇄 회로 기판의 장착 기술을 제공하는데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 인쇄 회로 기판의 장착 기술에 있어서, 상기 기판 하면의 절연이 요구되는 부위를 제외한 미리 설정된 부위에 솔더 크림을 제공하고, 상기 기판을 해당 기판이 장착될 하우징의 장착 부위에 실장하고, 상기 기판 하면의 솔더 크림을 용융 및 경화하여 기판을 하우징에 고정 결합하는 구성을 가짐을 특징으로 한다.

상기한 본 발명에 따른 인쇄 회로 기판의 장착 기술은 효율적인 방열이 가능하며, 이에 따른 부품 손상 등의 문제점을 해결할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 인쇄 회로 기판의 장착 공정을 포함하는 제품 제조 전체 공정의 개략적인 흐름도
도 2는 도 1 중 제Ⅰ, 제Ⅱ 공정 상의 기판 및 하우징 상태 예시도
도 3은 도 1 중 제Ⅲ 공정 상의 기판 및 하우징 상태 예시도

이하 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기 설명에서는 구체적인 구성 소자 등과 같은 특정 사항들이 나타나고 있는데 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐 이러한 특정 사항들이 본 발명의 범위 내에서 소정의 변형이나 혹은 변경이 이루어질 수 있음은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하다 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 인쇄 회로 기판(PCB, 이하 '기판'으로 약칭함)의 장착 공정을 포함하는 제품 제조 전체 공정의 흐름도이다. 도 1을 참조하여, 본 발명에 따른 기판을 하우징에 장착하는 제Ⅲ공정을 포함하는 제품 제조 전체 공정을 설명하기로 한다. 제품 제조 전체 공정은 크게, 기판 상에 부품을 실장 및 솔더링하는 제Ⅰ공정과, 통상 상, 하부로 분리되는 하우징을 제작하고 제작된 상, 하부 하우징에 본 발명의 특징에 따른 기판 실장을 위한 적절한 처리 작업을 수행하는 제Ⅱ공정과, 본 발명의 특징에 따라 하부 하우징에 상기 기판을 실장 및 솔더링하는 제Ⅲ공정 및 상기 기판 장착이 완료된 하부 하우징에 상부 하우징을 결합하는 등의 최종 조립 작업을 수행하는 제Ⅳ공정으로 구분할 수 있다.

제Ⅱ공정은 하부 하우징에 기판 장착 부위 중 미리 설정된 부위에 홈 형태의 절연 패턴을 형성하여, 장착되는 기판과 맞닿지 않도록 하는 제Ⅱ-1공정과, 상기 기판이 하우징에 직접 솔더링될 수 있도록 상기 하부 하우징의 미리 설정된 솔더링 부위에 주석도금을 하는 제Ⅱ-2공정으로 구분될 수 있다.

제Ⅲ공정은 다시, 하부 하우징으로 실장을 위하여 기판 하면의 절연이 요구되는 부위를 제외한 대부분의 부위에 솔더 크림을 인쇄하는 제Ⅲ-1공정과, 하부 하우징에 기판을 실장하는 제Ⅲ-2공정과, 기판 하면의 솔더 크림을 용융 및 경화하여 기판을 하우징에 고정 결합하는 제Ⅲ-3공정으로 구분될 수 있다.

제Ⅳ공정은 다시, 해당 하우징에 구비되는 제품의 입출력 단자와 기판간의 회선 연결 등과 같이, 기판이 하우징에 결합된 후에야 설치될 수 있는 최종 추가 부품을 설치하는 제Ⅳ-1공정과, 상, 하부 하우징을 결합하여 최종적으로 완성품으로 제작하는 제Ⅳ-2공정으로 구분될 수 있다.

상기에서와 같이, 제Ⅲ공정은 본 발명의 특징에 따라 하우징에 기판을 결합하는 공정으로서, 본 발명에서는 기판을 하우징에 퍽 팔레트(Puck Pallet)를 이용하거나 나사 등의 결합 수단을 통해 고정하던 종래의 통상적인 기판 장착 방식이 아니라, 기판을 하우징에 직접 납땜 방식으로 고정하는 방식을 사용함을 알 수 있다. 이에 따라, 본 발명에서는 예를 들어 고출력 증폭기의 전력 증폭 소자와 같이 발열량이 높은 부품에 의해 기판 상에서 발생하는 열이 하우징으로 직접적으로 전달되어 방열될 수 있도록 하여, 매우 높은 방열 효율을 가지도록 할 수 있다. 이하 첨부 도면을 참조하여 상기 도 1의 각 공정의 상세 방식을 보다 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 도 1 중 제Ⅰ, 제Ⅱ공정 상의 기판 및 하우징 상태 예시도이다. 도 2를 참조하여, 제Ⅰ, 제Ⅱ공정을 상세히 설명하면, 먼저 제Ⅰ공정에서 기판(10) 상에 각종 부품들을 실장 및 솔더링하는 것은 통상적인 인쇄 회로 기판 상에 칩이나 기타 다른 전기, 전자 부품들이 실장 및 솔더링하는 것과 동일하게 수행될 수 있다. 즉, 기판의 랜드 부위 및 리드 홀에 솔더 크림이 인쇄되고 각각 SMD(Surface Mounting Device) 부품 및 리드 부품이 이에 실장된 후 리플로우(reflow) 솔더링을 통해 해당 부품의 장착이 완료될 수 있다. 이때 각 부품들은 자동 삽입 또는 수동 삽입 방식으로 실장될 수 있다. 이때 SMD과 리드 부품의 실장 순서나 솔더링 방식은 현재 매우 다양한 방식이 제안되고 있다.

도 2에서는 제Ⅰ공정을 통해 기판(10) 상에 각종 부품들이 실장된 상태가 예가 개략적으로 단순화되어 도시되고 있으며, 특히 발열량이 높은 부품, 예를 들어 고출력 증폭기의 전력 증폭 소자(트랜지스터)(102)를 강조하여 도시하였다.

한편, 제Ⅱ공정 중 제Ⅱ-1공정에서는, 상, 하부 하우징(20, 22) 중에서, 하부 하우징(20)에 기판(10) 장착되는 부위 중 미리 설정된 부위에 홈 형태의 절연 패턴(204)을 형성한다. 이러한 절연 패턴(204)은 하부 하우징(20)에 기판(10)이 실장될 때, 기판(10)의 해당 대응 부위와 맞닿지 않도록 하여 기판(10)의 해당 부위와 하우징(20)이 절연되도록 한다. 기판(10)의 회로 패턴 설계시에는 리드 부품 등에 의해 하면에도 노출된 회로 패턴이 구현되거나, 또는 양면 실장 방식에 따라 기판(10)의 하면에도 부품이 실장되는 경우가 있을 수 있는데, 상기 절연 패턴(204)은 이러한 경우에 대응할 수 있게 된다.

이후 제Ⅱ-2공정에서는, 상기 하부 하우징(20)에서 기판(10)이 장착될 부위에 주석 등의 도금작업을 한다. 그 이유는 일반적으로 상기 하부 하우징(20)은 알루미늄 재질을 이용하는데, 알루미늄 재질에 상기 기판(10)을 직접 솔더링 할 수 없다. 따라서 상기 기판(10)을 하부 하우징(20)에 직접 솔더링 할 수 있도록 주석 등의 도금을 한다. 물론 이때 반드시 주석도금만 하여야 하는 것이 아니라, 기판(10)을 알루미늄 재질에 직접 솔더링 할 수 있는 도금은 모두 가능하다. 또한 이때 상기 하부 하우징(20)의 재질이 기판(10)을 직접 납땜할 수 있는 재질일 경우에는 이러한 도금 작업은 수행되지 않을 수도 있다.

이때, 이와 같이 도금이 작업이 수행된 하부 하우징(20)에 핫플레이트(hot plate)(30)와 같은 가열 장치를 통해 미리 설정된 적정 온도로 예열하는 작업을 수행할 수 있다. 본 발명에서는 기판(10)을 하부 하우징(20)에 직접 납땜으로 고정하는 방식을 특징적으로 사용하는데, 기판(10)이 미리 적정 온도로 예열된 경우에는 기판(10)의 솔더링 작업이 보다 짧은 시간에 완료될 수 있다.

기판(10)의 하면이 하부 하우징(20)에 실장되기 위해 인쇄된 솔더 크림을 재용융하는 솔더링 작업시에는, 비교적 고온이 발생되며, 이때 발생되는 고온에 의해 기판(10)에 장착된 부품들이 특성이 변형되거나 손상되어질 영향을 줄이기 위해서는 보다 짧은 작업 시간이 필요하게 된다.

도 3은 도 1 중 제Ⅲ공정 상의 기판 및 하우징 상태 예시도이다. 도 3을 참조하여 제Ⅲ공정을 보다 상세히 설명하면, 먼저 제Ⅲ-1공정에서는, 기판(10)의 하면에 하부 하우징(20)에 실장되기 위한 솔더 크림(112)을 인쇄한다. 이때 인쇄되는 솔더 크림(112)은 하부 하우징(20)과 절연이 요구되는 부위(특히, 상기 절연 패턴이 형성된 부위)를 제외한 부위에 인쇄되는데, 기판 상면에 실장된 방열이 요구되는 핵심 부품(102)에 대응하는 부위에는 필수적으로 솔더 크림(112)을 인쇄함이 바람직하다.

더 나아가서 특히 방열이 요구되는 증폭소자 등의 경우에는 소자의 몸체가 기판(10)을 통하지 않고 기판(10)에 미리 마련된 관통홀을 통해 직접 하부 하우징(20)에 솔더링 될 수 있도록 할 수도 있다. 이와 같이하면 종래 퍽 팔레트(Puck Pallet)를 이용하는 것 보다 더 효율적인 방열효과가 있다.

이때, 상기 기판(10)의 하면에 인쇄되는 솔더 크림(112)은 상기 제Ⅰ공정에서 기판(10)에 부품 실장 및 솔더링시에 사용되는 솔더 크림에 비해 더 낮은 용융점을 갖는 저온납을 사용한다. 예를 들어, 기판(10)에 부품 실장시의 솔더 크림은 용융점이 섭씨 217도인 고온납을 사용할 수 있으며, 기판(10)을 하부 하우징(20)에 결합하는데 사용하는 솔더 크림은 용융점이 섭씨 137도인 저온납을 사용할 수 있다. 통상 솔더 크림의 성분인 납(Pb)과 주석(Sn)의 비율에 따라 용융점을 조절할 수 있으며, 비스무트(Bi), 주석(SN), 구리(Cu), 은(Ag) 등의 재질인 무연납을 사용하여 적절한 용융점을 가진 솔더 크림을 선택할 수도 있다. 이와 같이, 기판(10)을 하부 하우징(20)에 결합할 때에 용융점이 낮은 솔더 크림을 사용하는 것은, 해당 솔더 크림의 용융시에 가해지는 고열에 의해서도 기판(10)상에 부품 솔더링을 위한 솔더 크림에는 용융 또는 변형되어질 영향이 없도록 하기 위함이다.

상기와 같은 제Ⅲ-1공정 이후, 제Ⅲ-2공정에서는 상기 하면에 솔더 크림(112)이 인쇄된 기판(10)을 상기 제Ⅱ공정에서 도금된 하부 하우징(20)에 실장한다.

이후 제Ⅲ-3공정에서는 기판(10) 하면의 솔더 크림을 용융 및 경화하는데, 이러한 제Ⅲ-3공정은 통상적인 리플로우 솔더링시에 사용되는 고열로와 유사한 구조의 고열로(40)에서 수행될 수 있다. 상기 고열로(40)는 어느 정도 밀폐된 상자 형태를 가지며, 가열부(402)에 의해 발생된 고온 열풍을 내부에 놓여진 상기 기판(10)이 장착된 하부 하우징(20)에 인가하는 구조를 가진다. 이때, 기판(10)과 하부 하우징(20)에 솔더 크림이 완전히 밀착되도록 적절한 형태의 지그(412)를 사용하여 기판(10) 상의 적정 부위, 특히 발열량이 많은 부품 주위를 눌러 준다. 이는 기판(10)과 하부 하우징(20)에 솔더 크림이 완전히 밀착되지 않고 공기층이 형성되면 방열 효과가 현저히 떨어지기 때문이다.

상기에서와 같은 제Ⅲ공정을 통해 본 발명의 특징에 따라 기판(및 증폭소자)을 하우징에 직접 납땜 방식으로 고정하여 결합하게 되므로, 기판(및 고출력 증폭 소자)상에서 발생하는 열이 하우징으로 직접적으로 전달되어 효율적으로 방열된다. 또한 통상 접지단으로 사용되고 있는 기판 하면이 도금된 알루미늄 재질의 하우징과 전기적으로 연결되므로, 보다 안정적인 접지 전위를 형성할 수 있게 된다.

상기와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 인쇄 회로 기판의 장착 방식이 제공될 수 있으며, 한편 상기한 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나 여러 가지 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 실시될 수 있다. 예를 들어, 상기의 설명에서는 기판을 하우징에 결합하기 위해 솔더 크림을 인쇄하는 것으로 설명하였다. 인쇄라는 용어는 통상 적정 패턴을 형성한 스크린 마스크를 이용하여 솔더 크림을 해당 패턴에 따른 일정한 두께로 형성시키는 방식을 의미하는 것으로서, 본 발명에서는 이외에도 스크린 마스크의 사용없이 솔더 크림을 바르거나, 도포하는 방식을 사용할 수도 있는 등 통상적인 기판 상에 부품을 솔더링하는 방식에 사용되는 다양한 방식을 적용할 수 있다.

또한, 상기의 설명에서는 기판상에 부품 솔더링을 위해서는 고온납을 사용하며, 기판을 하우징에 솔더링할 경우에는 저온납을 사용하는 것으로 설명하였으나, 이때 기판상에 부품 중에서 고장이 주로 발생하는 부품(예를 들어 고출력 증폭기의 경우에는 열 발생의 핵심 부품인 전력 증폭 소자)의 별도로 저온납을 사용하여 솔더링할 수도 있다. 이는 고장시에 해당 부품을 떼어내어 새 부품으로 교체하는 것을 용이하게 하기 위함이다.

또한 상기의 설명에서는 하우징에 주석도금을 하고 있으나 사항에 대해서는 따라서는 통상 납땜결합이 될 수 있는 다른 도금을 할 수도 있다.

이외에도 본 발명의 다양한 변형 및 변경이 있을 수 있으며, 따라서 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정할 것이 아니고 청구범위와 청구범위의 균등한 것에 의하여 정하여져야 할 것이다.

Claims (5)

1. 인쇄 회로 기판을 구비하는 전기, 전자 장비에 있어서,
   상부 및 하부면을 구비하며, 상기 상부면에 다수의 부품을 솔더링하여 장착하는 인쇄 회로 기판과;
   상기 전기, 전자 장비의 전체적인 외관을 형성하고, 상기 인쇄 회로 기판의 하부면을 미리 설정된 장착 부위에 장착하는 하우징과;
   상기 인쇄 회로 기판의 하부면과 상기 하우징의 장착 부위 사이에서, 솔더 크림의 용융 및 경화에 의해 상기 인쇄 회로 기판을 상기 하우징의 장착 영역에 완전히 밀착하여 고정되게 결합하며, 상기 인쇄 회로 기판의 하부면을 접지를 위해 상기 하우징에 전기적으로 연결하고, 상기 인쇄 회로 기판에서 발생되는 열을 상기 하우징으로 전달하는, 상기 솔더 크림에 의해 형성되는 솔더 층을 포함하며;
   상기 솔더 크림은 상기 인쇄 회로 기판의 부품 솔더링시에 사용되는 것에 비해 더 낮은 용융점을 가지며;
   상기 인쇄 회로 기판상에서 고열을 발생하는 것으로 미리 설정된 부품의 솔더링시에 사용되는 납은 상기 솔더 크림에 비해 더 낮은 용융점을 가지는 것을 특징으로 하는 전기, 전자 장비.
2. 제1항에 있어서, 상기 인쇄 회로 기판이 장착될 하우징의 장착 부위는 상기 기판과 직접 솔더링이 가능하도록 미리 설정된 부위에 도금 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기, 전자 장비.
3. 제1항에 있어서, 상기 인쇄 회로 기판이 장착될 하우징의 장착 부위에는 미리 설정된 절연이 요구되는 부위에 대응하여 홈 형태의 절연 패턴을 구비함을 특징으로 하는 전기, 전자 장비.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 솔더 크림을 용융 및 경화시에, 상기 인쇄 회로 기판과 상기 하우징에 상기 솔더 크림이 완전히 밀착되도록 지그를 사용하여 상기 기판을 눌러 줌을 특징으로 하는 전기, 전자 장비.
5. 제2항에 있어서, 상기 하우징에 하는 도금은 주석도금인 것을 특징으로 하는 전기, 전자 장비.

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