KR20190098364A - 잉크젯 프린팅을 이용한 방열 인쇄회로기판의 제조 방법 - Google Patents

잉크젯 프린팅을 이용한 방열 인쇄회로기판의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

잉크젯 프린팅을 이용한 방열 인쇄회로기판의 제조 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 방열 인쇄회로기판의 제조 방법은 (a) 히트싱크를 마련하는 단계; (b) 잉크젯 프린팅을 이용하여, 상기 히트 싱크 상에 세라믹 나노 분말로 이루어진 후막을 형성하고, 그 후막의 빈 틈에 고분자 수지가 충진된 하이브리드 막을 형성하는 단계; (c) 잉크젯 프린팅을 이용하여, 상기 하이브리드 막 상에 금속 나노 분말을 포함하는 전극용 잉크를 분사하여 회로 배선을 형성하는 단계; 및 (d) 상기 (c) 단계의 결과물에 열 또는 빛을 조사하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

잉크젯 프린팅을 이용한 방열 인쇄회로기판의 제조 방법{MANUFACTURING METHOD OF RADIATION PRINTED CIRCUIT BOARD USING INKJET PRINTING}
본 발명은 방열 인쇄회로기판의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 잉크젯 프린팅을 이용한 방열 인쇄회로기판의 제조 방법에 관한 것이다.
인쇄회로기판(PCB, printed circuit board)은 절연기판에 도전체 배선 패턴이 인쇄된 것으로, 그 도전체 배선 패턴에 접하는 다수의 소자를 실장할 수 있다는 장점이 있어 다양한 응용 분야에 사용되고 있다.
하지만, 기존의 FR-4 유기소재를 이용한 기판은 그 소재의 열전도도가 매우 낮아 회로에서 발생되는 열을 쉽게 방출시키기 어려우므로, LED, Thermal head 및 전력형 반도체모듈과 같이 열이 많이 발생하는 소자에 대한 방열이 어렵다는 단점이 있다.
인쇄회로기판을 방열시키기 위해서는 공기를 공급하는 팬을 설치하거나 인쇄회로기판에 접하는 방열판을 설치하는 방법이 있다. 예를 들어, 열전도도가 기존 FR-4보다 월등히 우수한 세라믹 기판 일면에 히트싱크를 부착한 후, 다른 일면에 구리 포일을 접착하고 포토 공정으로 회로 패턴을 형성하여 인쇄회로기판을 제조하는 DBC(Directed Bonded Copper)공정이 개발되어 상용화되고 있다.
그러나, 세라믹 기판은 소결 온도가 높고, 고가이며, 뒤틀림 성질을 가지며, 이러한 세라믹 기판과 구리 포일 간의 접착력이 낮기 때문에 별도의 접착층이 필요하며, 포토 공정에 의해 공정의 제조 비용이 상승하는 문제점이 있다.
최근에는 엠투엠(machine to machine)의 네트워크로 다양한 기능의 실장이 요구되고, IoT(internet of things) 등의 환경하에서 다품종 소량의 제조공정이 요구되므로, 이를 위해서는 인쇄회로기판에 의한 부품들의 고정밀도, 고밀도 실장이 요구되고 있다.
특히, 인쇄회로기판에 형성되는 전극 회로 배선의 신뢰성은 품질을 좌우하는 매우 중요한 요소이다. 하지만, 기판과 구리 포일, 회로 패턴 간의 접착력이 좋지 않아, 베이스 기판에 전극 회로 배선이 열 사이클에 의한 열충격을 받거나, 기계적으로 밴딩되는 과정에서 상기 베이스 기판으로부터 전극 회로 배선이 들뜨거나, 전극 회로 배선 자체에 크랙이 발생하는 문제가 발생하게 된다.
따라서, 방열 특성이 우수하고 제조 공정이 간단한 인쇄회로기판의 연구가 필요하다.
본 발명에 관련된 배경기술로는 대한민국 공개특허공보 제10-2017-0073116호(2017.06.28. 공개)가 있으며, 상기 문헌에는 감광성 수지 조성물, 그 조성물로 제조된 절연필름 및 그 절연필름을 포함하는 인쇄회로기판이 기재되어 있다.
본 발명의 목적은 고방열 특성을 갖는 방열 인쇄회로기판의 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 하나의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제1실시예에 따른 방열 인쇄회로기판의 제조 방법은 (a) 히트싱크를 마련하는 단계; (b) 잉크젯 프린팅을 이용하여, 상기 히트 싱크 상에 세라믹 나노 분말로 이루어진 후막을 형성하고, 그 후막의 빈 틈에 고분자 수지가 충진된 하이브리드 막을 형성하는 단계; (c) 잉크젯 프린팅을 이용하여, 상기 하이브리드 막 상에 금속 나노 분말을 포함하는 전극용 잉크를 분사하여 회로 배선을 형성하는 단계; 및 (d) 상기 (c) 단계의 결과물에 열 또는 빛을 조사하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 하나의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제2실시예에 따른 방열 인쇄회로기판의 제조 방법은 (a) 히트싱크를 마련하는 단계; (b) 잉크젯 프린팅을 이용하여, 상기 히트 싱크 상에 세라믹 나노 분말로 이루어진 후막을 형성하고, 그 후막의 빈 틈에 고분자 수지가 충진된 하이브리드 막을 형성하는 단계; (c) 잉크젯 프린팅을 이용하여, 상기 하이브리드 막 상에 금속 나노 분말을 포함하는 전극용 잉크를 분사하여 회로 배선을 형성하는 단계; (d) 상기 (b) 단계 및 (c) 단계를 교대로 반복하여, 상기 하이브리드 막과 회로 배선을 교대로 적층하는 단계; 및 (e) 상기 (d) 단계의 결과물에 열 또는 빛을 조사하는 단계;; 및 (e) 상기 (d) 단계의 결과물에 열 또는 빛을 조사하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
제1실시예 또는 제2실시예에 있어서, 상기 히트싱크는 금속 재질로 형성될 수 있다.
제1실시예 또는 제2실시예에 있어서, 상기 (b) 단계는 (b1) 1차로 세라믹 잉크를 분사하여 세라믹 나노 분말로 이루어진 후막을 제조하는 단계; 및 (b2) 2차로 유기계 잉크를 분사하여 상기 후막의 빈 틈에 고분자 수지를 충진시키는 단계;를 포함할 수 있다.
제1실시예 또는 제2실시예에 있어서, 상기 (b) 단계는 세라믹 나노 분말과 고분자 수지가 혼합된 잉크를 분사하여 세라믹 나노 분말로 이루어진 후막의 빈 틈에 고분자 수지를 충진시키는 것일 수 있다.
제1실시예 또는 제2실시예에 있어서, 상기 (b) 단계에서, 하이브리드 막에서 세라믹 나노 분말의 충진율이 35% 이상이 되도록 하이브리드 막을 형성할 수 있다.
상기 세라믹 잉크는 전체 100vol%에 대하여, 세라믹 나노 분말 1~20%, 유기용매 80~99%를 포함할수 있다.
제1실시예 또는 제2실시예에 있어서, 상기 세라믹 나노 분말은 실리콘(Si), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 보론(B), 및 탄소나노 소재 중 1종 이상을 포함하는 산화물, 질화물 또는 탄화물일 수 있다.
제1실시예 또는 제2실시예에 있어서, 상기 세라믹 나노 분말의 직경은 5nm~10㎛일 수 있다.
상기 유기계 잉크는 전체 100vol%에 대하여, 고분자 수지 1~20%, 유기용매 80~99%를 포함할 수 있다.
제1실시예 또는 제2실시예에 있어서, 상기 금속 나노 분말은 구리(Cu), 은(Ag), 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 팔라듐(Pb), 아연(Zn), 주석(Sn), 납(P), 인듐(In), 알루미늄(Al) 및 니켈(Ni) 중 1종 이상을 포함할 수 있다.
제1실시예 또는 제2실시예에 있어서, 상기 열을 조사하는 단계는 200~300℃의 열을 가하여 상기 고분자 수지의 경화가 수행되고, 상기 금속 나노 분말의 소결이 수행될 수 있다.
제1실시예 또는 제2실시예에 있어서, 상기 빛을 조사하는 단계는 자외선, 적외선 또는 백색광을 조사하여 상기 고분자 수지의 경화가 수행되고, 상기 금속 나노 분말의 광소결이 수행될 수 있다.
본 발명에 따른 방열 인쇄회로기판의 제조 방법은 히트싱크 상에 하이브리드 막과 전극 형성을 잉크젯 인쇄함으로써, 제조 공정이 단순하고 별도의 포토 공정 없이 방열 인쇄회로기판을 제조할 수 있다.
특히, 세라믹 소재와 고분자 수지를 혼합한 잉크, 또는 세라믹 잉크, 유기계 잉크와 같은 단일 잉크젯 조성물을 이용하여 잉크젯 인쇄하면, 치밀하고 균일한 충진율을 갖는 하이브리드 막을 제조할 수 있다. 또한, 고분자 수지가 열 또는 빛에 의해서 경화되면 금속과의 접착력이 우수하기 때문에, 히트싱크와 하이브리드 막, 회로 배선 사이의 접착력이 우수하여 열팽창계수의 차이에 의한 균열을 막기 위한 별도의 중간 접착층이 필요 없는 장점이 있다.
또한, DBC(direct bonded copper)에서 사용되는 AlN이나 Si3N4 기판은 최소 0.8~1mm의 두께를 가지고 있으나, 본 발명의 세라믹 하이브리드 막의 두께는 10um 내외이므로 80배 내지 100배의 얇은 전기 절연막을 얻을 수 있다.
열전도의 기본 법칙인 푸리에 열전도 법칙에서 단위시간에 전도되는 열량은 온도차와 접촉된 단면적에 비례하고 거리에 반비례함으로써, 막의 두께가 적기 때문에 전도열량을 크게 가져 갈 수 있다. 그리고 본 발명이 하이브리드 막이므로 열전도 면적이 소결체보다 적어지는 단점이 있으나, 단순 부피 충진율 상의 35% 이상을 나타내므로 얇은 절연막으로 얻을 수 있는 80~100배의 전도열량의 증가로 그 단점을 상쇄될 것으로 생각된다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 잉크젯 프린팅을 이용한 방열 인쇄회로기판의 제조 방법을 나타낸 순서도이다.
도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 잉크젯 프린팅을 이용한 방열 인쇄회로기판을 제조하는 과정을 나타낸 모식도이다.
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 잉크젯 프린팅을 이용한 방열 인쇄회로기판의 제조 방법을 나타낸 순서도이다.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 잉크젯 프린팅을 이용한 방열 인쇄회로기판을 제조하는 과정을 나타낸 모식도이다.
도 5는 본 발명에 따른 충진밀도가 80vol%인 SiO2 하이브리드 막의 SEM 이미지이다.
도 6 내지 도 8은 본 발명에 따른 알루미나 분말을 포함하는 세라믹 잉크를 사용하여 형성된 하이브리드 막의 절연특성을 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명에 따른 방열 인쇄회로기판의 제조 방법으로 제조된 방열 모듈이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 방열 인쇄회로기판의 제조 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 잉크젯 프린팅을 이용한 방열 인쇄회로기판의 제조 방법을 나타낸 순서도이고, 도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 잉크젯 프린팅을 이용한 방열 인쇄회로기판을 제조하는 과정을 나타낸 모식도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 방열 인쇄회로기판의 제조 방법은 히트싱크를 마련하는 단계(S110), 잉크젯 프린팅을 이용하여 하이브리드 막을 형성하는 단계(S120) 및 잉크젯 프린팅을 이용하여 회로 배선을 형성하는 단계(S130) 및 열 또는 빛을 조사하는 단계(S140)를 포함한다.
히트싱크를 마련하는 단계(S110)
히트싱크(100)는 전자소자에서 발생하는 열을 방출하는 역할을 한다. 실장되는 소자에서 동작에 따른 열이 발생하면 히트싱크를 통하여 방열이 촉진될 수 있다.
히트싱크(100)는 열전도성이 우수한 구리, 알루미늄, 텅스텐, 니켈 또는 이들의 합금인 금속 분말을 열압착하여 소정 형상으로 제조하는 소결 방법, 금속 원판에 화학 용액을 가하여 소정 형상으로 만드는 에칭 또는 금속 원판을 프레스에 투입하여 일정 형상으로 가공하는 스탬핑 방법 등을 이용하여 제조된다.
본 발명에서 히트싱크(100)는 우수한 방열 특성을 나타내는 구리 재질로 형성되는 것이 바람직하다.
잉크젯 프린팅을 이용하여 하이브리드 막을 형성하는 단계(S120)
이어서, 잉크젯 프린팅을 이용하여 전기적 절연특성을 갖는 세라믹 나노 분말로 이루어진 후막을 형성하고, 그 후막의 빈 틈에 고분자 수지가 충진되도록 하이브리드 막(200)을 형성한다. 이때, 잉크젯 프린팅을 이용하여 상기 고분자 수지가 충진되도록 한다.
잉크젯 프린팅은 공정, 노광, 현상, 에칭 등의 여러 공정과 유해물질의 사용을 대체하고, 재료의 많은 손실을 갖는 리소그라피 작업을 대체하는 인쇄 기술이다. 상기 잉크젯 프린팅은 대기압 하에서 한 번의 인쇄와 건조의 간단한 공정을 가진다. 이 기술은 대형기판에서의 경쟁력 증대, 맞춤형의 다양한 설계, 필요한 부분만의 인쇄, 환경 친화형, 및 재료이용 효율의 향상 등으로 전자회로기판 인쇄에 사용되고 있다. 잉크재료 역시 고속 분사에 필요한 저점도 특성과 장기 신뢰성을 가져야 하며, 충분한 충진밀도를 갖기 위해서는 입자가 나노 크기인 것이 바람직하다. 또한, 잉크젯 방식은 액적의 정량성이 더 좋고, 복잡한 입체 형상을 정확하고 효율적으로 형성할 수 있으며, 적층(additive) 인쇄가 가능하여 3차원인 형상을 갖는 제품도 생산이 가능하다. 나아가, 단기간에 여러 가지 디자인에 따른 프로토 타입을 제작할 수 있어 양산에 앞선 디자인 확정에도 큰 도움이 될 수 있으며, 다품종 소량의 생산방식에도 적합하다.
또한, 잉크젯 방식은 도포 면적이 넓기 때문에 고속으로 도포할 수 있다. 또한, 잉크 조성물이 분사될 때 용매 증발로 유발되는 유체의 흐름이 형성되고 이를 정밀하게 조절하여 세라믹 나노 분말을 고충진시킴으로써, 기존의 1000℃ 이상에서 소결된 소결체의 전기적 특성에 버금가는 절연부를 형성할 수 있다.
도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 잉크젯 프린팅은 잉크젯 프린터의 노즐(10)을 이용하여 수행될 수 있다.
본 발명에서는 잉크젯 프린팅을 이용하여, 2가지 방법으로 하이브리드 막(200)을 형성할 수 있다. 첫 번째 방법은 1차, 2차로 단일 잉크를 분사하는 방법이다.
먼저, 1차로 세라믹 잉크를 분사하여 세라믹 나노 분말로 이루어진 후막을 제조한다. 상기 세라믹 잉크는 전체 100vol%에 대하여, 세라믹 나노 분말 1~20%, 유기용매 80~99%를 포함한다. 상기 세라믹 나노 분말의 함량이 1~20%를 벗어나는 경우, 세라믹 나노 분말로 이루어진 후막의 형성이 불충분할 수 있다.
이때, 세라믹 나노 분말은 5nm~10㎛의 직경을 갖는 것이 바람직하다. 직경이 10㎛를 초과하는 경우, 세라믹 나노 분말의 분산성을 향상시킬 수 있으나, 잉크젯 프린팅에 포함되는 노즐(10)이 막힐 수 있어 세라믹 나노 분말의 충진율이 저하되므로 10㎛ 이하로 조절하는 것이 바람직하다. 특히, 하이브리드 막에서 세라믹 나노 분말의 충진율 및 충진밀도를 증가시키기 위해, 이 범위 내에서 서로 다른 직경의 세라믹 나노 분말을 일정 비율로 혼합되도록 조절하는 것이 보다 바람직하다. 예를 들어, 직경이 30~100nm인 제1분말 : 100~500nm인 제2분말의 혼합비가 1 : 1 ~ 1 : 2인 세라믹 나노 분말이 포함될 수 있다. 또한, 500~1000nm인 제3분말이 더 혼합될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 세라믹 나노 분말은 하이브리드 막(200)의 매트릭스에 해당하는 것으로, 저항이 크고 열전도도가 높은 세라믹 나노 분말로 이루어지는 것이 바람직하다. 예를 들어, 실리콘(Si), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 보론(B), 및 그래핀, 탄소나노튜브 등의 탄소나노 소재 중 1종 이상을 포함하는 산화물, 질화물 또는 탄화물일 수 있다.
또한, 상기 세라믹 나노 분말은 펠렛 모양, 플레이트 모양, 원형 모양 등의 다양한 모양을 가질 수 있으며, 결정질의 세라믹 나노 분말을 사용하여 세라믹 본래의 특성을 유지할 수 있다.
상기 유기용매는 탄화수소계 용매, 염소화탄화수소계 용매, 고리형 에테르계 용매, 케톤계 용매, 알코올, 다가 알코올계 용매, 아세테이트계 용매, 다가알코올의 에테르계 용매, 테르펜계 용매 등을 포함할 수 있다.
예를 들어, 디메틸폼아마이드(DMF), 에틸 알코올, 에틸렌 글리콜(Ethylene glycol; EG), 디에틸렌 글리콜(Diethylene glycol; DEG), 디베이식 에스테르(Dibasic ester; DBE), 카르비톨 아세테이트(Carbitol acetate; CA), 디프로필렌 글리콜 메틸 에테르(Dipropylene glycol methyl ether; DPM 또는 DPGME), 부틸카비톨 아세테이트(Butyl carbitol acetate; BCA), 부틸카비톨(Butyl carbitol; BC), 텍산올(texanol), 테르피테올(terpineol), 부틸아크릴레이트(butyl acrylate; BA) 등을 포함할 수 있다. 또한, 증류수를 유기용매로 사용할 수도 있다.
이어서, 2차로 유기계 잉크를 분사하여 상기 후막의 빈 틈에 고분자 수지를 충진시킨다. 세라믹 나노 분말로 먼저 인쇄된 후막에 유기계 잉크로 잉크젯 프린팅함에 따라, 상기 분말과 분말의 틈 사이로 고분자 수지가 충진되어 치밀화된 하이브리드 막(200)을 형성할 수 있다. 상기 유기계 잉크는 전체 100vol%에 대하여, 고분자 수지 1~20%, 유기용매 80~99%를 포함한다. 상기 고분자 수지의 함량이 1~20%를 벗어나는 경우, 균일하고 치밀화된 하이브리드 막(200)을 형성하기 어려울 수 있다.
상기 고분자 수지는 상기 세라믹 나노 분말과 바인딩되는 소재로서, 경화 후에 금속과의 접착력이 우수하며, 인쇄성을 유지할 수 있도록 한다. 상기 고분자 수지는 예를 들어, PVP, PVA 및 PVC, 셀룰로오스계 수지, 폴리 염화비닐수지, 공중합 수지, 폴리비닐알코올계 수지, 폴리비닐피롤리돈계 수지, 아크릴 수지, 아세트산비닐-아크릴산에스테르 공중합 수지, 부티랄 수지, 알키드 수지, 에폭시 수지, 페놀 수지, 폴리이미드 수지 등을 포함할 수 있다.
두 번째 방법은 세라믹 나노 분말과 고분자 수지가 혼합된 잉크를 분사하여 세라믹 나노 분말로 이루어진 후막의 빈 틈에 고분자 수지를 충진시키는 방법이다.
첫 번째 방법과 달리, 두 번째 방법에서는 잉크 내에 세라믹 나노 분말과 고분자 수지가 일정 비율로 혼합된 형태로 존재한다. 혼합된 잉크를 분사함으로써, 세라믹 나노 분말로 이루어진 매트릭스가 형성됨에 동시에 빈 틈에 고분자 수지가 충진될 수 있다. 상기 혼합된 잉크는 전체 100vol%에 대하여, 대략 80~99%의 유기용매를 포함할 수 있다.
상기 세라믹 나노 분말과 고분자 수지, 유기용매에 대한 사항은 전술한 바와 같다.
이처럼, 잉크젯 프린팅을 이용하여 1차로 세라믹 잉크를 분사하고 2차로 유기계 잉크를 분사하거나, 세라믹 나노 분말과 고분자 수지가 혼합된 잉크를 분사함으로써, 하이브리드 막(200) 내에서 분말의 충진율을 높이는 효과가 있다.
도 5에 도시한 바와 같이, 세라믹 나노 분말이 고충진된 하이브리드 막 내부는 미세한 모세관으로부터 발생하는 강한 모세관 현상을 이용하여 균일하게 침투되어, 세라믹 나노 분말 층과 고분자 수지 간의 상분리가 관찰되지 않는다.
또한, 세라믹 나노 분말의 함량을 조절함에 따라, 하이브리드 막(200)에서 세라믹 나노 분말의 충진율이 최소 35vol% 내지 최대 90vol%까지 되도록 함으로써, 치밀하고 충진율이 높은 절연막을 형성하게 된다.
상기 하이브리드 막(200)은 기존의 소결체보다 열전도율이 감소할 것으로 예상되나 세라믹 나노 분말의 충진율을 최대한 증가시킴으로써, 상기 절연부의 열전도율을 대략 3W/mk 이상 내지 40W/mk, 또는 그 이상으로 확보할 수 있다. 이에 따라, 방열 기판의 실용성을 확보할 수 있다.
잉크젯 프린팅을 이용하여 회로 배선을 형성하는 단계(S130)
이어서, 잉크젯 프린팅을 이용하여, 상기 하이브리드 막(200) 상에 금속 나노 분말을 포함하는 전극용 잉크를 분사하여 회로 배선(300)을 형성한다.
상기 전극용 잉크는 금속 나노 분말, 유기용매를 포함한다.
상기 금속 나노 분말은 대략 0.1~500nm의 직경을 가지며, 나노 사이즈의 직경을 가짐에 따라 300℃ 이하의 저온에서 소성될 수 있다. 상기 금속 나노 분말은 구리(Cu), 은(Ag), 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 팔라듐(Pb), 아연(Zn), 주석(Sn), 납(P), 인듐(In), 알루미늄(Al) 및 니켈(Ni) 중 1종 이상을 포함할 수 있다. 바람직하게는 은을 포함할 수 있다.
열 또는 빛을 조사하는 단계(S140)
상기 잉크젯 프린팅을 이용하여 회로 배선을 형성한 후, 결과물에 열 또는 빛을 조사하여 수지의 경화와 전극의 소결이 이루어지도록 하는 것이 바람직하다.
결과물에 200~300℃의 열을 가하는 경우, 고분자 수지의 열경화가 이루어짐과 동시에 회로 배선을 구성하는 금속 나노 분말의 소결이 이루어진다. 결과물에 빛을 조사하는 경우에는, 고분자 수지의 광경화가 이루어짐과 동시에 회로 배선의 광소결이 이루어진다. 빛은 자외선, 적외선 또는 백색광에서 선택될 수 있으며, 자외선, 적외선 또는 다양한 파장, 주파수를 갖는 백색광을 조사하여 고분자 수지의 광경화 및 회로 배선의 광소결을 수행할 수 있다.
열 또는 빛을 조사하는 단계는 비활성 가스 분위기에서 수행될 수 있으며, 결과물의 면적, 두께 등을 고려하여 조사 시간을 조절할 수 있다.
이후에는 상기 회로 배선 상에 엘이디, 전력형 반도체, 파워앰프 반도체 칩 등의 전자소자를 본딩하여 실장할 수 있다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 방열 인쇄회로기판의 제조 방법은 히트싱크를 마련하는 단계(S210), 잉크젯 프린팅을 이용하여 하이브리드 막을 형성하는 단계(S220), 잉크젯 프린팅을 이용하여 회로 배선을 형성하는 단계(S230), 하이브리드 막과 회로 배선을 교대로 적층하는 단계(S240) 및 열 또는 빛을 조사하는 단계(S250)를 포함한다.
히트싱크를 마련하는 단계(S210), 잉크젯 프린팅을 이용하여 하이브리드 막을 형성하는 단계(S220), 잉크젯 프린팅을 이용하여 회로 배선을 형성하는 단계(S230)는 제1실시예에서 전술한 바와 같다.
하이브리드 막과 회로 배선을 교대로 적층하는 단계(S240)
도 4에 도시한 바와 같이, 상기 하이브리드 막(200')을 형성하는 단계와 회로 배선(300')을 형성하는 단계를 교대로 반복 수행함으로써, 히트싱크(100') 상에 상기 하이브리드 막(200')과 회로 배선(300')을 교대로 적층시킬 수 있다. 하이브리드 막(200')과 회로 배선(300')의 적층 구조를 통해, 다층 방열 인쇄회로기판, 3차원 방열 인쇄회로기판 등을 제조할 수 있다. 아울러, 복잡하고 다양한 기능을 처리하기 위한 많은 소자를 하나의 기판에 형성함에 따라, 회로의 집적도를 높이고, 소형화할 수 있는 효과가 있다.
열 또는 빛을 조사하는 단계(S250)는 제1실시예에서 전술한 바와 같다.
이처럼, 본 발명에 따른 방열 인쇄회로기판의 제조 방법은 잉크젯 프린팅을 이용한 제조 방법으로, 세라믹 나노 분말이 고충진 된 하이브리드 막을 형성하여 인쇄회로기판의 방열 효율이 극대화됨으로써 열로 인하여 소자의 동작 상에 오류가 발생하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 열적 스트레스로 인하여 소자 또는 인쇄회로기판이 손상되는 현상을 방지할 수 있다.
아울러, 저렴한 원가로 방열 특성이 우수한 인쇄회로기판을 제작할 수 있다. 잉크젯 프린팅을 이용한 단일 공정으로 이루어지므로 생산성을 확보할 수 있으며, 저 자본으로 투입 초기투자면에서 경쟁력과 상품의 가격 경쟁력 확보가 가능하다.
이와 같이 방열 인쇄회로기판에 대하여 그 구체적인 실시예를 살펴보면 다음과 같다.
도 5는 본 발명에 따른 충진밀도가 80vol%인 SiO2 하이브리드 막의 SEM 이미지이다.
직경이 50nm인 SiO2 분말과 직경이 270nm인 SiO2 분말이 혼합된 나노 분말 15vol%, DMF, 에틸알코올이 혼합된 유기용매 85%가 포함된 세라믹 잉크를 1차로 분사하고, 에폭시 수지 10%, DMF, 에틸알코올이 혼합된 유기용매 90%가 포함된 유기계 잉크를 2차로 분사하여 형성된 하이브리드 막(200)을 제조하였다.
도 5를 참조하면, 분사되는 잉크의 세라믹 나노 분말의 흐름이 용매 증발거동과 고분자 수지의 첨가에 의해서 정밀하게 조절이 가능하다. 세라믹 나노 분말이 고충진된 막 내부는 미세한 모세관으로부터 발생하는 강한 모세관 현상을 이용하여 잉크의 고분자 수지가 균일하게 침투되고, 세라믹 나노 분말 층과 잉크의 상분리가 관찰되지 않음을 확인할 수 있다. 즉, 결정질 세라믹 나노 분말이 압도적으로 함유되어 세라믹 본래의 특성을 유지할 수 있으며, 세라믹 매트릭스의 균일하고 치밀한 하이브리드 막을 얻을 수 있다.
도 6 내지 도 8은 본 발명에 따른 알루미나 분말을 포함하는 세라믹 잉크를 사용하여 형성된 하이브리드 막의 절연특성을 나타낸 그래프이다. 도 6 내지 도 8은 1차로 세라믹 잉크를 분사한 후, 2차로 고분자 수지(에폭시 수지)를 4번 프린팅하여 세라믹 후막에 고분자 수지가 완전히 충진된 상태에서 절연특성을 측정한 것이다.
도 6 내지 도 8을 참조하면, 세라믹 나노 분말의 충진율은 65%, 품질계수는 현재 상용화되고 있는 소결체(LTCC, low temperature cofired ceramic)의 품질계수인 300보다 높은 400을 나타내고, 유전손실은 tanδ=0.005, 유전상수ξ=3.3, 절연특성은 10-9A/cm2을 나타낸다. 이러한 전기적 특성은 현재 상용화되고 있는 소결체(LTCC) 보다 우수한 기판 특성을 보여주고 있어서, 하이브리드 막(200)이 패키징용 절연 기판으로서 사용이 가능함을 보여준다.
도 9는 본 발명에 따른 방열 인쇄회로기판의 제조 방법으로 제조된 방열 모듈이다. 동판의 기판 상에 흰색의 알루미나 기판이 형성되고, 그 위에 은 전극으로 회로를 형성한 것을 확인할 수 있다. 모듈의 물성은 도 7의 결과로부터 알루미나 기판의 절연성과 방열성 뿐만 아니라, 부착력도 우수한 것을 확인하였다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
10, 10' : 잉크젯 프린터
100, 100' : 히트싱크
200, 200' : 하이브리드 막
300, 300' : 회로 배선

Claims (13)

  1. (a) 히트싱크를 마련하는 단계;
    (b) 잉크젯 프린팅을 이용하여, 상기 히트 싱크 상에 세라믹 나노 분말로 이루어진 후막을 형성하고, 그 후막의 빈 틈에 고분자 수지가 충진된 하이브리드 막을 형성하는 단계;
    (c) 잉크젯 프린팅을 이용하여, 상기 하이브리드 막 상에 금속 나노 분말을 포함하는 전극용 잉크를 분사하여 회로 배선을 형성하는 단계; 및
    (d) 상기 (c) 단계의 결과물에 열 또는 빛을 조사하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 방열 인쇄회로기판의 제조 방법.
  2. (a) 히트싱크를 마련하는 단계;
    (b) 잉크젯 프린팅을 이용하여, 상기 히트 싱크 상에 세라믹 나노 분말로 이루어진 후막을 형성하고, 그 후막의 빈 틈에 고분자 수지가 충진된 하이브리드 막을 형성하는 단계;
    (c) 잉크젯 프린팅을 이용하여, 상기 하이브리드 막 상에 금속 나노 분말을 포함하는 전극용 잉크를 분사하여 회로 배선을 형성하는 단계;
    (d) 상기 (b) 단계 및 (c) 단계를 교대로 반복하여, 상기 하이브리드 막과 회로 배선을 교대로 적층하는 단계; 및
    (e) 상기 (d) 단계의 결과물에 열 또는 빛을 조사하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 방열 인쇄회로기판의 제조 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 히트싱크는 금속 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 방열 인쇄회로기판의 제조 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 (b) 단계는
    (b1) 1차로 세라믹 잉크를 분사하여 세라믹 나노 분말로 이루어진 후막을 제조하는 단계; 및
    (b2) 2차로 유기계 잉크를 분사하여 상기 후막의 빈 틈에 고분자 수지를 충진시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 방열 인쇄회로기판의 제조 방법.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 (b) 단계는 세라믹 나노 분말과 고분자 수지가 혼합된 잉크를 분사하여 세라믹 나노 분말로 이루어진 후막의 빈 틈에 고분자 수지를 충진시키는 것을 특징으로 하는 방열 인쇄회로기판의 제조 방법.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 (b) 단계에서, 하이브리드 막에서 세라믹 나노 분말의 충진율이 50% 이상이 되도록 하이브리드 막을 형성하는 것을 특징으로 하는 방열 인쇄회로기판의 제조 방법.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 세라믹 잉크는 전체 100vol%에 대하여, 세라믹 나노 분말 1~20%, 유기용매 80~99%를 포함하는 것을 특징으로 하는 방열 인쇄회로기판의 제조 방법.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 세라믹 나노 분말은 실리콘(Si), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 보론(B), 및 탄소나노 소재 중 1종 이상을 포함하는 산화물, 질화물 또는 탄화물인 것을 특징으로 하는 방열 인쇄회로기판의 제조 방법.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 세라믹 나노 분말의 직경은 5nm~10㎛인 것을 특징으로 하는 방열 인쇄회로기판의 제조 방법.
  10. 제4항에 있어서,
    상기 유기계 잉크는 전체 100vol%에 대하여, 고분자 수지 1~20%, 유기용매 80~99%를 포함하는 것을 특징으로 하는 방열 인쇄회로기판의 제조 방법.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 금속 나노 분말은 구리(Cu), 은(Ag), 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 팔라듐(Pb), 아연(Zn), 주석(Sn), 납(P), 인듐(In), 알루미늄(Al) 및 니켈(Ni) 중 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 방열 인쇄회로기판의 제조 방법.
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 열을 조사하는 단계는 200~300℃의 열을 가하여 상기 고분자 수지의 경화가 수행되고, 상기 금속 나노 분말의 소결이 수행되는 것을 특징으로 하는 방열 인쇄회로기판의 제조 방법.
  13. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 빛을 조사하는 단계는 자외선, 적외선 또는 백색광을 조사하여 상기 고분자 수지의 경화가 수행되고, 상기 금속 나노 분말의 광소결이 수행되는 것을 특징으로 하는 방열 인쇄회로기판의 제조 방법.
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