KR20170119974A - 다층 연성 인쇄회로기판의 성형 방법 - Google Patents

다층 연성 인쇄회로기판의 성형 방법 Download PDF

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KR20170119974A
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홍재민
정성묵
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한국과학기술연구원
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Abstract

연성 인쇄회로기판의 성형 방법을 제공한다. 본 발명에 따르면, 다층 연성 인쇄회로기판(FPCB)을 제작하는 기판 제작 단계; 상기 기판 제작 단계를 행한 후 상기 기판 제작 단계에서 제작된 다층 연성 인쇄회로기판(FPCB)의 형상을 원하는 3차원 형상에 맞게 변형하는 형상 변형 단계; 및 상기 형상 변형 단계에서 변형된 다층 연성 인쇄회로기판(FPCB)의 형상을 고정하는 형상 고정 단계를 포함한다.

Description

다층 연성 인쇄회로기판의 성형 방법{Method for FORMING Flexible MULTI-LAYER Printed Circuit Board}
본 발명은 3차원 형상을 포함하는 다양한 형상에 맞춤 성형이 가능한 다층 연성 인쇄회로기판의 성형 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 모바일(Mobile) 기기의 확산과 더불어 자동차 등과 같이 생활 밀착형 제품들의 지능화가 가속화되면서 다양한 제품의 형상에 맞는 전자회로 시스템의 필요성이 대두되고 있다.
특히, 다양한 제품 군에 맞는 전자회로 시스템의 구현에 있어 다양한 제품 형상에 맞는 인쇄회로기판의 개발이 필요하나, 종래에는 이에 대응할 수 있는 3차원 사물 형태에 맞춤 가능한 플렉시블 기판 기반 인쇄회로기판(PCB: Printed Circuit Board) 공정 기술 개발은 이루어지지 않고 있다.
그러나, 종래의 폴리이미드 기반의 연성 인쇄회로기판(FPCB)은 단순히 벤딩(bending)되어 3차원적 연결을 하였으나 인체에 부착하기 위한 웨어러블(Wearable)이나 3차원(3D) 형태의 기구에 부착하기 위해서는 소재와 전극이 벤딩(bending) 되는 동시에 늘어나는 특성(stretchability)뿐만 아니라 형태를 자유자재로 변형시킬 수 있는 특성을 확보해야 한다.
즉, 미래 사업으로 각광받고 있는 웨어러블 전자기기 개발에 있어 복잡한 정보처리 능력을 지원할 수 있는 다층 연성 인쇄회로기판(FPCB)의 개발이 필수적이다. 그러나, 종래의 모바일 기기에 사용되는 연성 인쇄회로기판(FPCB)은 강성-플렉시블(Rigid-flex)형으로 기존 강성(Rigid) 다층 인쇄회로기판(PCB)과 플랙시블(Flexible) 연결회로가 결합된 형태가 사용되고 있지만, 향후 보다 자연스러운 변형을 요구하는 차세대 웨어러블 기기에 대비하기 위해서는 3차원 형상에도 변형 가능한 고성능 다층 연성 인쇄회로기판(FPCB)의 개발이 절실히 요구되고 있다.
본 발명은 연성 인쇄회로기판(FPCB)의 구성 요소인 기판과 전극의 구성 물질 등을 개선하고, 후처리 공정을 통해 다양한 3차원 형태로의 성형이 가능하도록 하는 연성 인쇄회로기판의 성형 방법을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 목표로 하는 제품의 형상에 맞는 3차원 형상 맞춤 다층 연성 인쇄회로기판의 성형 방법을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 차량, 의료용 기기 등의 표면 형상에 맞는 3차원 형상 맞춤다층 연성 인쇄회로기판(FPCB)을 성형할 수 있는 다층 연성 인쇄회로기판의 성형 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 다층 연성 인쇄회로기판(FPCB)을 제작하는 기판 제작 단계;
상기 기판 제작 단계를 행한 후 상기 기판 제작 단계에서 제작된 다층 연성 인쇄회로기판(FPCB)의 형상을 원하는 3차원 형상에 맞게 변형하는 형상 변형 단계; 및
상기 형상 변형 단계에서 변형된 다층 연성 인쇄회로기판(FPCB)의 형상을 고정하는 형상 고정 단계를 포함하는 다층 연성 인쇄회로기판의 성형 방법이 제공될 수 있다.
상기 기판 제작 단계는 제1 유연 기판층 위에 제1 전극 물질을 프린팅하여 제1 전극을 형성하는 제1 전극 형성 단계,
상기 제1 유연 기판층 위에 적어도 하나 이상의 제2 유연 기판층을 형성하는 제2 유연 기판층 형성 단계,
상기 제2 유연 추가 기판층에 에칭을 통하여 비아홀(via hole)을 형성하는 비아홀 형성 단계, 및
상기 제2 유연 기판층에 제2 전극 물질을 프린팅하여 제2 전극을 형성하는 제2 전극 형성 단계를 포함할 수 있다.
상기 제1 유연 기판층은 형상의 변형이 가능한 성형 가능 소재로 이루어질 수 있다.
상기 성형 가능 소재는 고분자(polymer)를 포함할 수 있다.
상기 제1 전극 물질은 전도성 잉크로 형성될 수 있다.
상기 제2 유연 기판층은 형상의 변형이 가능한 성형 가능 소재로 이루어질 수 있다.
상기 성형 가능 소재는 고분자(polymer)를 포함할 수 있다.
상기 제2 전극 물질은 전도성 잉크로 형성될 수 있다.
상기 제1 전극 형성 단계는 제1 전극 물질을 프린팅한 후 상기 제1 전극 물질을 경화하는 제1 경화 단계를 포함할 수 있다.
상기 제2 전극 형성 단계는 제2 전극 물질을 프린팅한 후 상기 제2 전극 물질을 경화하는 제2 경화 단계를 포함할 수 있다.
상기 형상 변형 단계는 상기 다층 연성 인쇄회로기판(FPCB)의 형상을 원하는 형상으로 변형시키도록 다층 연성 인쇄회로기판(FPCB)에 설정된 온도로 열을 가하는 가열 단계, 다층 연성 인쇄회로기판(FPCB)에 공기나 질소와 같은 기체를 설정된 압력으로 송풍하는 송풍 단계, 다층 연성 인쇄회로기판(FPCB)에 진공 조건을 형성하는 진공 형성 단계, 및 다층 연성 인쇄회로기판(FPCB)에 기계적으로 설정된 압력으로 인가하는 압력 인가 단계 중에서 어느 하나의 단계를 포함할 수 있다.
상기 형상 고정 단계는 상기 다층 연성 인쇄회로기판에 설정된 온도로 열을 가해 경화하는 경화 단계, 또는 상기 다층 연성 인쇄회로기판을 폴리머리제이션(Polymerization)이 일어나는 환경에 두어 고정하는 열 가소 성형 단계를 포함할 수 있다.
본 실시예에 따르면, 형상 맞춤 다층 연성 인쇄회로기판(FPCB) 개발은 하나의 연성 인쇄회로기판(FPCB) 제품으로 다양한 대상 제품의 형상에 대응이 가능하며, 연성 인쇄회로기판(FPCB) 산업의 한계점을 해결할 수 있는 원천 기술 확보가 동시에 이루어져 기술의 수평적 확산이 가능하다.
또한, 본 발명의 실시예를 통해 포토리쏘그래피, 진공 증착 등 고가의 장비와 공정이 포함되지 않은 보다 경제적인 공정을 구축할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예를 통해 제작될 수 있는 형상 맞춤 다층 연성 인쇄회로기판(FPCB)의 3차원 성형을 통해 원하는 형상의 전자회로를 간단한 회로로 형성함으로써 웨어러블 디바이스 형태 디자인의 제약을 극복할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다층 연성 인쇄회로기판의 성형 방법의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다층 연성 인쇄회로기판의 성형 방법에 따라 성형되는 상태를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 다층 연성 인쇄회로기판의 성형 방법에 따라 3차원 형태로 성형된 다양한 형상을 도시하고 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 설명한다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있는 바와 같이, 후술하는 실시예는 본 발명의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 형태로 변형될 수 있다. 가능한 한 동일하거나 유사한 부분은 도면에서 동일한 도면부호를 사용하여 나타낸다.
이하에서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 “포함하는” 의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
이하에서 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연성 인쇄회로기판의 성형 방법의 개략적인 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다층 연성 인쇄회로기판의 성형 방법에 따라 성형되는 상태를 도시한 도면이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 다층 연성 인쇄회로기판의 성형 방법에 따라 3차원 형태로 성형된 다양한 형상을 도시하고 있다.
도 1 내지 도 3을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 다층 연성 인쇄회로기판의 성형 방법은, 다층 연성 인쇄회로기판(FPCB)(100)을 구성하는 기판의 물성과 전극의 물성 및 증착 공정의 개선과, 제작된 다층 연성 인쇄회로기판(FPCB)(100)을 원하는 형상에 맞도록 성형하는 후처리 공정을 통해 달성될 수 있다.
상기 다층 연성 인쇄회로기판의 성형 방법은, 다층 연성 인쇄회로기판(FPCB)(100)을 제작하는 기판 제작 단계(S10);
상기 기판 제작 단계(S10)를 행한 후 상기 기판 제작 단계에서 제작된 다층 연성 인쇄회로기판(FPCB)의 형상을 원하는 3차원 형상에 맞게 변형하는 형상 변형 단계(S20); 및
상기 형상 변형 단계(S20)에서 변형된 다층 연성 인쇄회로기판(FPCB)(100)의 형상을 고정하는 형상 고정 단계를 포함할 수 있다.
상기 기판 제작 단계(S10)는 제1 유연 기판층 위에 제1 전극 물질을 프린팅하여 제1 전극을 형성하는 제1 전극 형성 단계(S11),
상기 제1 유연 기판층 위에 적어도 하나 이상의 제2 유연 기판층을 형성하는 제2 유연 기판층 형성 단계(S12),
상기 제2 유연 추가 기판층에 에칭을 통하여 비아홀(via hole)을 형성하는 비아홀 형성 단계(S13), 및
상기 제2 유연 기판층에 제2 전극 물질을 프린팅하여 제2 전극을 형성하는 제2 전극 형성 단계(S14)를 포함할 수 있다.
상기 제1 유연 기판층은 형상의 변형이 가능한 성형 가능 소재로 이루어질 수 있다.
상기 성형 가능 소재는 다양한 고분자(polymer) 등을 포함할 수 있다.
상기 제1 전극 물질은 다양한 전도성 잉크로 형성될 수 있으며, 잉크젯 프린팅 또는 스크린 프린팅 등 다양한 공정을 통해 형성될 수 있다.
상기 제1 전극 형성 단계(S11)는 제1 전극 물질을 프린팅한 후 상기 제1 전극 물질을 경화하는 제1 경화 단계(S11-1)를 포함할 수 있다.
상기 제2 유연 기판층은 형상의 변형이 가능한 성형 가능 소재로 이루어질 수 있다.
상기 성형 가능 소재는 다양한 고분자(polymer) 등을 포함할 수 있다.
상기 제2 전극 물질은 다양한 전도성 잉크로 형성될 수 있으며, 잉크젯 프린팅 또는 스크린 프린팅 등 다양한 공정을 통해 형성될 수 있다.
상기 제2 전극 형성 단계(S14)는 제2 전극 물질을 프린팅한 후 상기 제2 전극 물질을 경화하는 제2 경화 단계(S14-1)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 형상 변형 단계(S20)는 차량, 의료용 기기 등의 표면 형상에 맞는 3차원 형상으로 변형시킬 수 있다.
상기 형상 변형 단계(S20)는, 상기 다층 연성 인쇄회로기판(FPCB)(100)의 형상을 원하는 형상으로 변형시키도록 다층 연성 인쇄회로기판(FPCB)(100)에 가열 램프와 같은 가열 기구(200)에 의하여 설정된 온도로 열을 가하는 가열 단계(S21), 다층 연성 인쇄회로기판(FPCB)(100)에 공기나 질소 등과 같은 기체를 송풍 장치에 의하여 설정된 압력으로 송풍하는 송풍 단계(S22), 다층 연성 인쇄회로기판(FPCB)(100)에 진공 조건을 형성하는 진공 형성 단계(S23), 및 다층 연성 인쇄회로기판(FPCB)(100)에 압력 인가 장치에 의하여 기계적으로 설정된 압력을 인가하는 압력 인가 단계(S24) 중에서 어느 하나의 단계를 포함할 수 있다.
상기 가열 단계(S21)에서 설정 온도는 예컨대, 50~250℃ 범위로 설정될 수 있으며, 특히 70~150℃ 범위로 설정될 수 있다.
상기 송풍 단계(S22)에서 기체의 설정 압력은 예컨대, 0 ~ 3 atm 범위로 설정될 수 있으며, 특히 0.2 atm ~ 1 atm 범위로 설정될 수 있다.
또한, 상기 형상 고정 단계(S30)는 상기 다층 연성 인쇄회로기판(100)의 물성에 따라 상기 다층 연성 인쇄회로기판(100)에 설정된 온도로 열을 가해 경화하는 경화 단계(S31), 또는 상기 다층 연성 인쇄회로기판(100)을 폴리머리제이션(Polymerization)이 일어나는 환경에 두어 고정하는 열 가소 성형 단계(S32)를 포함할 수 있다.
이하에서, 도 1 내지 도 3을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 다층 연성 인쇄회로기판의 성형 방법의 과정에 대해서 설명한다.
먼저, 제1 유연 기판층 위에 제1 전극 물질을 프린팅한 후 상기 제1 전극 물질을 경화하여(S11-1) 제1 전극을 형성하고(S11), 상기 제1 유연 기판층 위에 적어도 하나 이상의 제2 유연 기판층을 형성하며(S12), 상기 제2 유연 추가 기판층에 에칭을 통하여 비아홀(via hole)을 형성하고(S13), 상기 제2 유연 기판층에 제2 전극 물질을 프린팅한 후 상기 제2 전극 물질을 경화하여(S14-1) 제2 전극을 형성함으로써(S14), 도 2와 같이 다층 연성 인쇄회로기판(FPCB)(100)을 제작한다(S10).
그리고, 기판 제작 단계(S10)를 행한 후 상기 기판 제작 단계에서 제작된 다층 연성 인쇄회로기판(FPCB)의 형상을 원하는 3차원 형상에 맞게 도 3에 도시된 바와 같이, 3차원 형상의 다층 연성 인쇄회로기판(110) 또는 3차원 형상의 다층 연성 인쇄회로기판(120)으로 변형한다(S20).
즉, 상기 형상 변형 단계(S20)는, 상기 다층 연성 인쇄회로기판(FPCB)(100)의 형상을 원하는 형상으로 변형시키도록 다층 연성 인쇄회로기판(FPCB)(100)에 가열 램프와 같은 가열 기구(200) 의하여 설정된 온도로 열을 가하는 가열 단계(S21), 다층 연성 인쇄회로기판(FPCB)(100)에 공기나 질소 등과 같은 기체를 송풍 장치에 의하여 설정된 압력으로 송풍하는 송풍 단계(S22), 다층 연성 인쇄회로기판(FPCB)(100)에 진공 조건을 형성하는 진공 형성 단계(S23), 및 다층 연성 인쇄회로기판(FPCB)(100)에 압력 인가 장치에 의하여 기계적으로 설정된 압력을 인가하는 압력 인가 단계(S24) 중에서 어느 하나의 단계에 의하여 이루어질 수 있다.
그리고, 상기 형상 변형 단계(S20)를 행한 후, 상기 형상 변형 단계(S20)에서 변형된 다층 연성 인쇄회로기판(FPCB)(100)의 형상을 고정한다(S30).
즉, 상기 형상 고정 단계(S30)는 상기 다층 연성 인쇄회로기판(100)의 물성에 따라 상기 다층 연성 인쇄회로기판(100)에 설정된 온도로 열을 가해 경화하는 경화 단계(S31), 또는 상기 다층 연성 인쇄회로기판(100)을 폴리머리제이션(Polymerization)이 일어나는 환경에 두어 고정하는 열 가소 성형 단계(S32)에 의하여 이루어질 수 있다.
상기와 같이 본 발명의 다층 연성 인쇄회로기판의 성형 방법에 따르면, 하나의 연성 인쇄회로기판(FPCB) 제품으로 다양한 대상 제품(차량, 의료 기기 등)의 형상에 대응이 가능하며, 포토리쏘그래피, 진공 증착 등 고가의 장비와 공정이 포함되지 않은 보다 경제적인 공정을 구축할 수 있으며, 또한, 본 발명의 실시예를 통해 제작될 수 있는 형상 맞춤 다층 연성 인쇄회로기판(FPCB)의 3차원 성형을 통해 원하는 형상의 전자회로를 간단한 회로로 형성함으로써 웨어러블 디바이스 형태 디자인의 제약을 극복할 수 있다.
[실시예]
제1 유연 기판층 위에 메탈 전극이 스크린 프린팅 방법 등의 공정을 통해 제작되었다. 메탈 전극(제1 전극)은 전도성 잉크를 이용해 형성되었으며 프린팅 후 제1 경화 단계(Curing process)를 통해 후처리 되었고, 다양한 패턴으로 프린팅된 제1 전극은 스트레칭 테스트 중 전도성이 거의 변하지 않았다.
제1 유연 기판층 위에 형성된 제2 유연 기판층에는 레이저 에칭을 통해 비아홀이 형성되었고 스크린 프린팅 방법을 통해 제2 전극이 형성되었다. 이렇게 형성된 제2 유연 기판층 또는 제2 유연 기판층들은 제1 유연 기판층에 얼라인(align)된 후 고온 압축 공정을 통해 다층 연성 인쇄회로기판(FPCB)으로 제작될 수 있음을 확인하였다.
상기와 같이 제작된 다층 연서 인쇄회로기판(FPCB)은 설정된 압력을 인가해 원하는 3차원 모양으로 변형한 후 고온 환경에서 경화시켜 3차원 형상 맞춤 다층 연성 인쇄회로기판(FPCB)으로 제작할 수 있음을 확인하였다.
상기 제작된 3차원 형상 맞춤 다층 연성 인쇄회로기판(FPCB)에 상용화 전자기기들(저항, LED, capacitor, 안테나)을 장착한 후 정상적으로 작동되는 것을 확인하였다.
상기에서 제작한 전자 기기를 다양한 3차원 형상(3D)표면에 부착시킬 수 있음을 보였고, 정상적으로 작동됨을 확인하였다.
S10: 기판 제작 단계
S20: 형상 변형 단계
S21: 가열 단계
S22: 송풍 단계
S23: 진공 형성 단계
S24: 압력 인가 단계
S30: 형상 고정 단계
100: 다층 연성 인쇄회로기판(FPCB)

Claims (12)

  1. 다층 연성 인쇄회로기판(FPCB)을 제작하는 기판 제작 단계;
    상기 기판 제작 단계를 행한 후 상기 기판 제작 단계에서 제작된 다층 연성 인쇄회로기판(FPCB)의 형상을 원하는 3차원 형상에 맞게 변형하는 형상 변형 단계; 및
    상기 형상 변형 단계에서 변형된 다층 연성 인쇄회로기판(FPCB)의 형상을 고정하는 형상 고정 단계
    를 포함하는 다층 연성 인쇄회로기판의 성형 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기판 제작 단계는 제1 유연 기판층 위에 제1 전극 물질을 프린팅하여 제1 전극을 형성하는 제1 전극 형성 단계,
    상기 제1 유연 기판층 위에 적어도 하나 이상의 제2 유연 기판층을 형성하는 제2 유연 기판층 형성 단계,
    상기 제2 유연 추가 기판층에 에칭을 통하여 비아홀(via hole)을 형성하는 비아홀 형성 단계, 및
    상기 제2 유연 기판층에 제2 전극 물질을 프린팅하여 제2 전극을 형성하는 제2 전극 형성 단계를 포함하는 다층 연성 인쇄회로기판의 성형 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 유연 기판층은 형상의 변형이 가능한 성형 가능 소재로 이루어지는 다층 연성 인쇄회로기판의 성형 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 성형 가능 소재는 고분자(polymer)를 포함하는 다층 연성 인쇄회로기판의 성형 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 전극 물질은 전도성 잉크로 형성되는 연성 인쇄회로기판의 성형 방법.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 제2 유연 기판층은 형상의 변형이 가능한 성형 가능 소재로 이루어지는 다층 연성 인쇄회로기판의 성형 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 성형 가능 소재는 고분자(polymer)를 포함하는 다층 연성 인쇄회로기판의 성형 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제2 전극 물질은 전도성 잉크로 형성되는 다층 연성 인쇄회로기판의 성형 방법.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 제1 전극 형성 단계는 제1 전극 물질을 프린팅한 후 상기 제1 전극 물질을 경화하는 제1 경화 단계를 포함하는 다층 연성 인쇄회로기판의 성형 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제2 전극 형성 단계는 제2 전극 물질을 프린팅한 후 상기 제2 전극 물질을 경화하는 제2 경화 단계를 포함하는 다층 연성 인쇄회로기판의 성형 방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 형상 변형 단계는 상기 다층 연성 인쇄회로기판(FPCB)의 형상을 원하는 형상으로 변형시키도록 다층 연성 인쇄회로기판(FPCB)에 설정된 온도로 열을 가하는 가열 단계, 다층 연성 인쇄회로기판(FPCB)에 공기나 질소와 같은 기체를 설정된 압력으로 송풍하는 송풍 단계, 다층 연성 인쇄회로기판(FPCB)에 진공 조건을 형성하는 진공 형성 단계, 및 다층 연성 인쇄회로기판(FPCB)에 기계적으로 설정된 압력을 인가하는 압력 인가 단계 중에서 어느 하나의 단계를 포함하는 다층 연성 인쇄회로기판의 성형 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 형상 고정 단계는 상기 다층 연성 인쇄회로기판에 설정된 온도로 열을 가해 경화하는 경화 단계, 또는 상기 다층 연성 인쇄회로기판을 폴리머리제이션(Polymerization)이 일어나는 환경에 두어 고정하는 열 가소 성형 단계를 포함하는 다층 연성 인쇄회로기판의 성형 방법.
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