KR20160029762A - 낮은 열저항을 갖는 인쇄회로기판 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 낮은 열저항을 갖는 인쇄회로기판 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 상기 인쇄회로기판은, 제1 금속 물질로 구성되며, 상부 표면이 요철 구조로 형성되어 상부 표면에 다수 개의 함몰부를 구비하는 기판; 상기 기판의 상부 표면의 함몰부에 절연물질이 채워져 형성된 절연층; 상기 기판의 상부 표면 중 상기 절연층이 형성되지 않은 영역 위에 제2 금속 물질이 도포되어 구성된 칩 실장 영역; 및 상기 절연층위에 제2 금속 물질이 도포되어 구성된 전극 장착 영역;을 구비하고, 상기 전극 장착 영역은 상기 기판 및 상기 칩 실장 영역과 전기적으로 절연된 것을 특징으로 한다.

Description

낮은 열저항을 갖는 인쇄회로기판 및 그 제조 방법{Printed circuit board with low thermal resistance and method thereof}

본 발명은 인쇄회로기판 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는, 금속 기판을 요철 구조로 형성하여 소자의 열을 신속하게 방출할 수 있도록 한 패키지 온 메탈 타입의 인쇄 회로기판 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

종래의 금속 인쇄회로기판(Metal Printed Circuit Board; 이하 "Metal PCB"라 한다.)는 LED 또는 고전력 전자 소자(예:전력용 FET 등)를 실장하는 데 사용된다.

도 1은 종래의 일반적인 금속 인쇄회로기판을 도시한 단면도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, Metal PCB(10)는 알루미늄 등으로 구성된 기판층(100), 그 위에 형성된 절연층(110) 및 그 위에 패터닝되어 형성된 동박층(120)으로 구성된다. 상기 절연층(110)은 접착층/폴리이미드층/접착층이 순차적으로 3층으로 적층된 구조로 형성되거나, 단순 에폭시 등의 재질 물질로 단층 구조로 형성될 수 있다.

전술한 구성을 갖는 종래의 Metal PCB에 있어서, 동박층(120)과 기판층(100)의 사이에 위치한 절연층(110)은 통상 열전도도가 낮은 물질로 구성되므로, 동박층 위에 실장되는 LED 또는 고전력 전자 소자에서 발생되는 열이 기판층을 구성하는 알루미늄 및 기판층 하부에 배치되는 히트 싱크(Heat sink)로 열이 잘 전달되지 못하는 문제점이 발생하게 된다. 따라서, 절연층(110)을 두껍게 구현하는 경우 실장된 소자의 열을 기판으로 제대로 방출해 내기 어려워진다.

한편, 절연층은 1 kV 이상의 전압에서도 파괴되지 않아야 되므로 그 두께를 두껍게 형성되어야 한다. 또한, 장시간 사용시 열에 의한 스트레스(stress)로 인하여, 절연층과 알루미늄 사이에 두 층이 서로 분리되는 들뜸 현상이 발생되기도 한다.

따라서, 종래의 금속 인쇄회로기판에서의 절연층의 두께는 내압 전압과 열 전도성을 모두 고려하여 설정하여야 되며, 그 결과 통상 약 80 ~ 100㎛ 으로 구성되고 있다. 이 경우, 종래의 인쇄회로기판은 열 전도성 및 내압 전압이 모두 제한될 수 밖에 없는 한계점을 갖게 된다.

한국등록특허공보 제 10-1022304호 한국공개특허공보 제 10-2009-61431호 한국공개특허공보 제 10-2006-84752호

전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 많은 열이 발생되는 LED 또는 고전력 전자 소자가 실장되더라도 해당 소자들로 발생되는 열을 기판으로 빨리 전달하면서도 내압 전압을 증가시킬 수 있도록 한, 낮은 열저항을 갖는 인쇄회로기판을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 전술한 인쇄 회로 기판의 제조 방법을 제공하는 것이다.

전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 제1 특징에 따른 낮은 열저항을 갖는 인쇄회로기판은, 제1 금속 물질로 구성되며, 상부 표면이 요철 구조로 형성되어 상부 표면에 다수 개의 함몰부를 구비하는 기판; 상기 기판의 상부 표면의 함몰부에 절연물질이 채워져 형성된 절연층; 상기 기판의 상부 표면 중 상기 절연층이 형성되지 않은 영역 위에 제2 금속 물질이 도포되어 구성된 칩 실장 영역; 및 상기 절연층위에 제2 금속 물질이 도포되어 구성된 전극 장착 영역;을 구비하고, 상기 전극 장착 영역은 상기 기판 및 상기 칩 실장 영역과 전기적으로 절연된 것을 특징으로 한다.

전술한 제1 특징에 따른 인쇄회로기판에 있어서, 상기 기판을 구성하는 제1 금속 물질은 알루미늄(Al) 및 구리(Cu) 중 하나인 것이 바람직하며, 상기 제2 금속 물질은 구리(Cu) 및 크롬(Cr) 중 하나로 구성되거나 2 이상의 금속 복합물로 구성된 것이 바람직하다.

본 발명의 제2 특징에 따른 인쇄회로기판의 제조 방법은, (a) 제1 금속 물질로 구성된 기판의 상부 표면을 선택적 에칭하여 기판의 상부 표면을 다수 개의 함몰부들을 구비하는 요철 구조로 형성하는 단계; (b) 상기 기판의 함몰부에 절연물질을 채워 넣어 절연층을 형성하는 단계; (c) 절연층이 형성된 기판의 표면에 전체적으로 제2 금속 물질로 구성된 전기 전도층을 형성하는 단계; (d) 상기 전기 전도층을 패터닝하여 칩 실장 영역과 전극 장착 영역을 형성하는 단계; 를 구비하고, 상기 전극 장착 영역은 상기 기판의 절연층위에 형성되고, 상기 칩 실장 영역은 기판의 상부 표면 중 상기 절연층이 형성되지 않은 영역에 형성된 것이 바람직하다.

전술한 제2 특징에 따른 인쇄회로기판의 제조 방법에 있어서, 상기 전극 장착 영역은 상기 기판 및 상기 칩 실장 영역과 전기적으로 절연되도록 형성된 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 인쇄회로기판은 소자가 실장될 금속 재질의 소자 실장 영역을 금속 기판위에 직접 형성함으로써, 소자로부터 발생되는 열을 기판으로 신속하게 방출할 수 있게 된다.

한편, 본 발명에 따른 인쇄회로기판은 전극이 장착될 전극 장착 영역만을 절연층위에 형성함으로써, 그 두께를 두껍게 형성할 수 있게 되어 내압 전압을 증가시킬 수 있게 된다.

또한, 본 발명에 따른 인쇄회로기판은 전극 장착 영역만을 절연층위에 형성하고 소자 실장 영역은 절연층없이 기판위에 직접 형성함으로써, 소자로부터의 열이 절연층으로 방출되는 것을 최소화시켜 열에 의한 스트레스로 인하여 절연층과 기판의 사이가 들뜨게 되는 현상도 감소시킬 수 있게 된다.

도 1은 종래의 일반적인 금속 인쇄회로기판을 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 낮은 열저항을 갖는 인쇄회로기판을 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 인쇄회로기판위에 LED 소자가 실장된 상태를 예시적으로 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 인쇄회로기판의 제조 방법을 순차적으로 도시한 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 인쇄회로기판을 제작한 실제 사진이다.

본 발명에 따른 낮은 열 저항을 갖는 인쇄회로기판은 알루미늄 등과 같은 금속 재질의 기판의 표면을 요철 구조로 형성하고 돌출된 영역위에 칩 실장 영역을 형성하고 전극 장착 영역 아래에만 절연층을 형성함으로써, 많은 열이 발생되는 LED 또는 고전력 전자 소자등을 실장하더라도 이들로부터 발생되는 열을 열전도도가 우수한 금속 재질의 기판을 통해 신속하게 방출되도록 하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 인쇄회로기판 및 그 제조 방법에 대하여 구체적으로 설명한다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 낮은 열저항을 갖는 인쇄회로기판을 도시한 단면도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 인쇄회로기판(20)은 기판(200), 절연층(210), 칩 실장 영역(220) 및 전극 장착 영역(230)을 구비한다.

상기 기판(200)은 제1 금속 물질로 구성되며, 상부 표면이 요철 구조로 형성되어 상부 표면에 다수 개의 함몰부를 구비한다. 상기 기판을 구성하는 제1 금속 물질은 알루미늄(Al) 및 구리(Cu) 중 하나인 것이 바람직하다. 이 때 상기 함몰부는 배선에 따라 전체적인 패턴이 결정되는 것이 바람직하다.

상기 절연층(210)은 상기 기판의 상부 표면의 함몰부에 절연물질이 채워져 형성된다. 상기 절연 물질은 PCB 제조에 사용되는 HPL(Hole Plug Land) 등의 절연체가 사용될 수 있다.

상기 칩 실장 영역(220)은 상기 기판의 상부 표면 중 상기 절연층이 형성되지 않은 영역 위에 제2 금속 물질이 도포되거나 증착되어 구성된다. 상기 제2 금속 물질은 구리(Cu) 및 크롬(Cr) 중 하나로 형성되거나 금속 복합물로 형성되는 것이 바람직하다.

상기 전극 장착 영역(230)은 상기 절연층위에 제2 금속 물질이 도포되거나 증착되어 구성된다. 상기 전극 장착 영역은 상기 기판 및 상기 칩 실장 영역과 전기적으로 절연된 것이 바람직하다. 상기 전극 장착 영역은 배선의 형태에 따라 그 패턴이 결정될 수 있다.

한편, 절연층의 두께가 두꺼워질수록 내압 전압이 증가하고 절연 저항이 우수해진다. 앞서 설명한 바와 같이, 종래의 금속 PCB의 경우, 기판과 동박층의 사이에 열 전도성이 좋지 못한 절연층을 구비하게 되는데, 절연층의 두께가 두꺼워질수록 절연층위의 동박층에 실장된 소자에서 발생되는 열이 기판으로 쉽게 방출되기 어려워지게 된다. 따라서, 종래의 금속 PCB는 내압 전압과 열 전도성을 모두 고려하여 약 80 ~ 100 ㎛ 에서 설계되고 있는 실정이다. 전술한 두께를 갖는 종래의 금속 PCB에서의 절연층은 약 1.5 kV 정도의 내압 전압을 갖게 되며, 그 이상의 전압이 인가되는 경우 절연층이 파괴될 우려가 발생한다.

하지만, 본 발명에 따른 인쇄회로기판은 소자가 실장될 소자 실장 영역과 기판의 사이에 절연층이 없기 때문에, 소자의 열 방출과 무관하게 절연층의 두께를 두껍게 구현할 수 있다. 그 결과, 본 발명에 따른 인쇄회로기판에 있어서, 상기 절연층(210)의 두께는 기판의 함몰부의 깊이에 따라 결정될 수 있으며, 절연층의 두께를 약 100 ~ 200 ㎛ 정도로 두껍게 구성할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 인쇄회로기판에서는 절연층의 두께를 약 100 ~ 200 ㎛ 정도로 두껍게 구성함으로써, 약 3 kV 정도의 내압 전압을 구현할 수 있게 된다.

또한, 본 발명에 따른 인쇄회로기판은 소자 실장 영역을 기판위에 직접 형성함으로써, 소자로부터 발생되는 열을 열 전도성이 우수한 기판으로 쉽게 방출할 수 있게 된다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 인쇄회로기판위에 LED 소자가 실장된 상태를 예시적으로 도시한 단면도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 인쇄회로기판의 칩 실장 영역위에 LED 칩이 실장되며, 전극 장착 영역위에 전극 단자들이 장착된다. 이러한 구조를 이용하여 기판위에 직접 형성된 칩 실장 영역에 칩을 실장함으로써, LED 소자에서 발생되는 열이 칩 실장영역을 통해 기판으로 바로 전달되어, 열 전도도가 우수한 금속 기판으로 신속하게 방열되도록 한다.

이하, 전술한 구성을 갖는 본 발명에 따른 인쇄회로기판의 제조 방법을 구체적으로 설명한다. 도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 인쇄회로기판의 제조 방법을 순차적으로 도시한 흐름도이다.

도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 인쇄회로기판의 제조 방법은, 먼저, 제1 금속 물질로 구성된 기판의 상부 표면을 선택적 에칭하여 기판의 상부 표면을 다수 개의 함몰부들을 구비하는 요철 구조로 형성한다(S400). 상기 제1 금속 물질은 알루미늄(Al) 및 구리(Cu) 중 하나인 것이 바람직하다.

다음, 상기 기판의 함몰부에 절연물질을 채워 넣어 절연층을 형성한다(S410). 상기 절연층을 형성하기 위하여, 먼저 상기 기판의 함몰부에 절연물질을 채워 넣고, 상기 절연물질을 경화시킨 후, 상기 기판의 표면을 평탄화하여 절연층을 완성한다.

다음, 절연층이 형성된 기판의 표면에 전체적으로 제2 금속 물질을 도포하거나 도금하여 전기 전도층을 형성한다(S420). 상기 제2 금속 물질은 전기 전도성이 우수한 구리(Cu) 및 크롬(Cr) 중 하나인 것이 바람직하다.

다음, 상기 전기 전도층을 패터닝하여 칩 실장 영역과 전극 장착 영역을 형성한다(S430). 이 때, 상기 전극 장착 영역은 상기 기판의 절연층위에 형성하고, 상기 칩 실장 영역은 기판의 상부 표면 중 상기 절연층이 형성되지 않은 영역에 형성하되, 상기 전극 장착 영역은 상기 기판 및 상기 칩 실장 영역과 전기적으로 절연되도록 형성하는 것이 바람직하다.

도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 인쇄회로기판을 제작한 실제 사진이다. 도 5를 참조하면, 영문자 A 및 K는 각각 애노드(Anode) 및 캐소드(Cathode)를 나타내는 것으로서 이들 옆에 위치한 동박층은 전극 장착 영역들이며, 이를 통해 소자 실장 영역에 실장되는 소자들에게 전기 에너지를 공급하게 된다. 전극 장착 영역들의 사이에 형성된 넓은 직사각형의 동박층은 소자 실장 영역으로서, 그 위에 LED 또는 고전력 전자 소자들이 실장될 수 있으며, 실장된 소자들로부터 발생되는 열을 하부의 기판, 즉 열전도도가 우수한 알루미늄 또는 구리 등의 기판으로 전달하게 된다.

이상에서 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예를 중심으로 설명하였으나, 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 그리고, 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

본 발명에 따른 인쇄회로기판은 전기 전자 분야에 널리 사용될 수 있다.

20 : 인쇄회로기판
200 : 기판
210 : 절연층
220 : 칩 실장 영역
230 : 전극 장착 영역

Claims (1)

1. 제1 금속 물질로 구성되며, 상부 표면이 요철 구조로 형성되어 상부 표면에 다수 개의 함몰부를 구비하는 기판;
   상기 기판의 상부 표면의 함몰부에 절연물질이 채워져 형성된 절연층;
   상기 기판의 상부 표면 중 상기 절연층이 형성되지 않은 영역 위에 형성되어 기판위에 직접 형성되며, 전기 전도성을 갖는 제2 금속 물질로 구성된 칩 실장 영역; 및
   상기 절연층위에 제2 금속 물질로 구성된 전극 장착 영역;
   을 구비하는 것을 특징으로 하는 낮은 열저항을 갖는 인쇄회로기판.

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