KR20230110225A - 매립형 3차원 구조 전자회로 부품 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 3D 프린팅하여 형성되며 절연소재로 되고 박판 삽입부, 전자소자 삽입부, 금속핀 삽입홀 중 선택된 1종 이상이 구비되는 부품 몸체와 상기 부품 몸체에 삽입되며 상면에 전기배선이 인쇄되고 전자소자 삽입홀, 금속핀 삽입홀 중 선택된 1종 이상이 구비되는 전기배선 박판과 상기 부품 몸체에 삽입되어 상기 전기배선을 전기적으로 연결하는 금속핀을 포함한다.
본 발명은 적층 가공에 의한 매립형 3D 구조 전자회로 부품 제작시 전기배선 소재의 긴 건조시간과 높은 건조온도로부터 발생하는 각종 문제점을 해결할 수 있고 적층 가공에 의한 전자회로 부품의 제조 속도 및 공정 효율성을 높일 수 있는 이점이 있다.

Description

매립형 3차원 구조 전자회로 부품 및 그 제조방법{EMBEDDFE 3D ELECTRONIC CIRCUIT COMPONENT, AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 매립형 3차원 구조 전자회로 부품 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는

매립형 3차원 구조 전자회로 부품 및 그 제조방법에 관한 것이다.

최근 전기전자 및 통신기기에 있어 제품의 성능향상 외에도 소형, 경량화 및 다기능화 추세가 뚜렷해지고 있는 것과 관련하여, IoT 관련기술의 발달에 따라 수요가 급증하고 있는 무선센서에 있어서도 소형, 경량화 경향이 두드러지고 있다.

초기 IoT 관련 기술은 유비쿼터스 개념을 도입하여 홈네트워킹과 같이 실내에서의 무선 데이터 송수신에 집중해서 개발되었으나, 최근 IoT 기술이 전방위로 확산 적용됨에 따라 점진적으로 옥외 가혹환경에서 작동하는 각종 설비의 상태진단과 감시, 원격제어를 위한 목적으로도 사용이 증가하고 있다.

그러나 실내에서와 달리 우천 등이 일상적인 옥외 환경에서는 수(습)분, 염분 및 기타 화학물질 등이 전자회로에 미치는 영향까지를 고려하고 짧은 사용수명과 높은 고장장애 빈도수 문제를 해결할 필요가 있다.

또한, 무선 센서모듈은 사용환경, 측정대상 물성치, 통신방식 및 설치부위 형상에 따라 다양한 제작 및 설치조건을 가지므로 형상, 크기 및 성능에 있어 통일된 기준의 제시가 어렵다. 따라서 반영구적인 사용수명과 설계변경 및 성능개선이 용이하고 사용 목적과 설치 환경에 최적화된 맞춤식 무선 센서모듈에 대한 요구가 증가하고 있다.

기존의 무선 센서모듈은 각종 회로소자를 포함하고 전기배선이 인쇄된 평판 형태의 인쇄회로기판(PCB, Printed Circuit Board)이 내부에 위치하고, 외부에는 이러한 회로기판을 각종 기계적 하중으로부터 보호 및 미려한 외관을 목적으로 하는 케이스로 구성된다. 이때 케이스는 충격과 같은 기계적 환경으로부터는 회로기판을 효과적으로 보호할 수 있지만, 수(습)분 및 염분과 같은 화학적 환경으로부터는 완벽한 차단이 불가능하다.

또한, 인쇄회로기판 자체가 정형화된 2차원 평면적 형상을 가지므로, 원천적으로 센서모듈이 가질 수 있는 형상도 2차원적 형상에서 크게 벗어나지 못하며, 인쇄회로기판과 케이스 사이에는 항상 일정한 빈 공간이 존재함으로써 효율적인 공간 활용이 불가하여 센서모듈의 소형화에 결정적 장애물로 작용한다.

따라서 최근에는 주위 환경에 직간접적으로 노출된 종래의 2차원적 무선 센서모듈을 3D 프린팅을 이용한 하이브리드식 적층 가공 기술을 이용하여 주위 환경으로부터 완전히 차단된 매립형 3차원 구조로 제작하려는 시도가 활발히 이루어지고 있다.

매립형 3차원 구조 센서모듈(Embedded 3D Sensor Modules) 또는 전자회로 부품은 상기 언급된 획일적 인쇄회로기판을 사용하지 않는 대신, 케이스 및 몸체(Main Body) 역할을 수행할 수 있는 폴리머 내지 폴리머 기지 복합소재와 같은 절연체를 기판처럼 활용하는 특징을 가진다. 즉, 기존에는 PCB 기판을 이용하여 2차원적 평면 위에 각종 회로소자와 배선을 구성하였다면, 향후에는 입체 구조 기판 속에 각종 회로소자와 배선을 3차원적으로 배치하게 된다.

결국, 회로소자와 배선을 가능한 고집적 재배치하여 부품 내부에 불필요한 빈 공간이 생기지 않도록 공간 활용도를 극대화함으로써, 센서모듈 자체의 크기를 최소화하고 소재 사용량을 줄임으로써 경량화도 함께 달성할 수 있다.

그러나 적층 가공 기술을 이용하여 매립형 3차원 구조 센서모듈 내지 기타 전자회로 부품을 제작함에 있어서, 가장 큰 문제는 전자회로상의 소자와 소자를 상호 연결하는 전기배선의 건조 및 소성 문제이다. 즉, 기존의 잉크젯 또는 스크린 프린팅과 같은 인쇄전자 기술에서는 도전성 잉크를 인쇄한 후 오븐 등을 이용하여 고온에서 완전히 건조, 소성시킨 후 사용하였지만 프린터를 이용한 3D 적층 가공 공정에서는 단일 층의 전기배선 인쇄 후 잉크 내지 페이스트가 완전히 건조될 때까지 매 단계마다 장시간 대기하는 것은 공정속도 및 효율성 측면에서 바람직하지 않다.

또한, 최근에는 상온에서 급속 건조가 가능한 3D 프린팅용 도전성 잉크 내지 페이스트가 개발되고 있는데, 이것은 상온에서 건조가 가능하긴 하지만 오븐을 이용한 고온건조에 비해 유기물(솔벤트)의 완전 제거가 어려워 소기의 높은 전기전도도 확보가 어려운 단점을 가진다. 이 밖에도 하이브리드식 3D 프린터를 이용한 적층 가공에 의한 전기배선은 아직도 배선의 선폭을 비롯한 해상도가 매우 낮은 문제를 가진다. 이것은 인쇄전자에서 사용하는 도전성 잉크와 달리 3D 프린팅에서는 전기배선도 일정 형상과 체적을 가질 것이 요구되어 폴리머 또는 솔더링 소재와 상당량의 유기물이 포함된 잉크 내지 페이스트를 사용하는 것과 관련이 있다. 따라서 현재는 전자회로라기보다는 전기회로에 가까운 단순하고 조악한 배선 구조만을 구현할 수 있는 수준이다.

결국, 실제로 현장에 적용할 수 있는 수준의 복잡한 전자회로 부품을 3D 프린터를 이용한 적층 가공 방식으로 구현하기 위해서는 현재보다 전기배선의 선폭이 훨씬 작고 균일해야 할 필요가 있다.

이에 따라 매립형 3차원 구조 전자회로 부품의 적층 가공 효율성 제고와 해상도 향상을 위한 공정 개선 기술에 대한 요구가 증가되고 있다.

본 발명의 목적은 적층 가공에 의한 매립형 3D 구조 전자회로 부품 제작시 전기배선 소재의 긴 건조시간과 높은 건조온도로부터 발생하는 각종 문제점을 해결하고 낮은 전기배선 해상도를 향상시킬 수 있는 매립형 3차원 구조 전자회로 부품 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 적층 가공에 의한 전자회로 부품의 제조 속도 및 공정 효율성을 높이고 다양한 소형, 경량 전기전자 부품 제작이 가능하도록 기술 확장성 및 경쟁력 향상이 가능하도록 한 매립형 3차원 구조 전자회로 부품 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 3D 프린팅하여 형성되며 절연소재로 되고 박판 삽입부, 전자소자 삽입부, 금속핀 삽입홀 중 선택된 1종 이상이 구비되는 부품 몸체와 상기 부품 몸체에 삽입되며 상면에 전기배선이 인쇄되고 전자소자 삽입홀, 금속핀 삽입홀 중 선택된 1종 이상이 구비되는 전기배선 박판과 상기 부품 몸체에 삽입되어 상기 전기배선을 전기적으로 연결하는 금속핀을 포함한다.

3D 프린팅하여 형성되며 절연소재로 되고 전자소자 삽입부, 금속핀 삽입홀, 전기배선 와이어 삽입부 중 선택된 1종 이상이 구비되는 부품 몸체와 상기 부품 몸체에 삽입되는 전기배선 와이어와 상기 부품 몸체에 삽입되어 상기 전기배선 와이어를 전기적으로 연결하는 금속핀을 포함한다.

3D 프린터를 이용하여 절연소재로 박판 삽입부, 전자소자 삽입부, 금속핀 삽입홀 중 선택된 1종 이상을 구비하는 부품 몸체를 적층 가공 방식으로 제조하는 단계와 상기 부품 몸체에 전기배선이 인쇄되고 전자소자 삽입홀, 금속핀 삽입홀 중 선택된 1종 이상을 구비하는 전기배선 박판을 삽입하는 단계와 상기 부품 몸체에 전자소자를 삽입하는 단계와 상기 부품 몸체에 금속핀을 삽입하여 상기 전기배선을 전기적으로 연결하는 단계를 포함한다.

3D 프린터를 이용하여 절연소재로 전자소자 삽입부, 금속핀 삽입홀, 전기배선 와이어 삽입부 중 선택된 1종 이상을 구비하는 부품 몸체를 적층 가공 방식으로 제조하는 단계와 상기 부품 몸체에 전자소자를 삽입하는 단계와 상기 부품 몸체에 전기배선 와이어를 삽입하는 단계와 상기 부품 몸체에 금속핀을 삽입하여 상기 전기배선 와이어를 전기적으로 연결하는 단계를 포함한다.

본 발명은 부품 몸체의 적층 가공 과정 중에 미리 제작된 전기배선 박판, 금속핀, 전기배선 와이어 등을 삽입하는 방법으로 전자회로 부품을 제조하므로 매립형 3차원 구조 전자회로 부품의 적층 가공을 연속화하는 것이 가능한 효과가 있다.

또한, 본 발명은 전기배선 박판, 전기배선 와이어가 미리 제작된 후 부품 몸체의 적층 가공 과정 중에 부품 몸체 내부에 삽입되므로 전자회로 부품 제작시 전기배선 소재의 긴 건조시간과 높은건조 온도로부터 발생하는 각종 문제점을 해결할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 전기배선 박판의 경우 전기배선 인쇄시 잉크젯 또는 페이스트를 사용하므로 고해상도 전기배선 패터닝이 가능하여 고집적 전자회로 인쇄가 용이한 효과가 있다.

따라서, 본 발명은 전자회로 부품의 제조 속도 및 공정 효율성을 높이고 보다 효율적으로 매립형 3차원 구조 전자회로 부품을 제작할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 의한 매립형 3차원 구조 전자회로 부품 적층 구조의 일 실시예를 보인 도면.
도 2는 본 발명에 의한 매립형 3차원 구조 전자회로 부품 적층 구조의 다른 실시예를 보인 도면.
도 3은 본 발명에 적용되는 음각의 골 또는 양각의 벽 형상을 보인 도면.
도 4는 본 발명에 적용되는 전자소자의 리드프레임과 전기배선 박판의 전기배선을 솔더링(a)(b) 또는 전기배선 패턴을 포함한 절연체로 연결(c)한 예를 보인 도면.
도 5는 본 발명에 적용되는 금속핀 및 금속핀을 전기배선 와이어와 수직으로 연결하는 모습을 보인 도면.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

본 발명의 매립형 3차원 구조 전자회로 부품은 일 실시예와 다른 실시예의 두 가지로 설명한다.

일 실시예는 전기배선 구조가 복잡할 경우 적용될 수 있고, 다른 실시예는 전기배선 구조가 간단할 경우 적용될 수 있다.

[일 실시예]

일 실시예의 매립형 3차원 구조 전자회로 부품(이하, "전자회로 부품"이라 칭함)은 부품 몸체, 전기배선 박판, 금속핀을 포함한다.

*부품 몸체는 3D 프린터를 이용하여 FDM(Fused Deposition Modeling), SLA(Stereolithography), Polyjet 등의 적층 가공 방식으로 제조된다.

부품 몸체는 절연소재로 형성되고 박판 삽입부, 전자소자 삽입부, 금속핀 삽입홀 중 선택된 1종 이상이 구비된다.

부품 몸체는 기존의 PCB 기판을 대체할 수 있도록 반복적인 열적, 기계적 스트레스에 견딜 수 있는 폴리머 또는 폴리머 기지 복합소재로 형성된다.

폴리머는 PLA, ABS, PC, Nylon, PPSF/PPSU(polyphenylsulfone), ULTEM 중 선택된 1종 이상을 포함하고, 폴리머 기지 복합소재는 상기 폴리머에 강화재로서 유리섬유를 포함한다.

부품 몸체의 일부는 열전도도 특성이 우수한 방열부로 형성될 수 있다. 구체적으로, 부품 몸체는 몸체부와 몸체부와 다른 절연소재로 된 방열부로 구분 형성될 수 있다.

몸체부는 전기적 절연, 기계적 하중 지탱 및 전자회로 부품의 외관 형상을 구현하고, 방열부는 각종 전자소자에서 발생하는 열을 신속하고 효율적으로 외부로 방출한다.

몸체부는 상술한 폴리머 또는 폴리머 기지 복합소재로 형성되고, 방열부는 폴리머 기지 복합소재로 형성된다.

방열부를 형성하는 폴리머 기지 복합소재는 폴리머와 방열재를 포함한다. 폴리머는 PLA, ABS, PC, Nylon, PPSF/PPSU(polyphenylsulfone), ULTEM 중 선택된 1 종 이상을 포함할 수 있다. 방열재는 탄소소재, 금속소재 중 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. 탄소소재는 흑연, 카본블랙, 탄소섬유, 탄소나노튜브, 그래핀 중 선택된 1종 또는 이들의 혼합물일 수 있고, 금속소재는 은, 구리, 알루미늄, 금, 백금, 아연, 팔라듐 중 선택된 1종 또는 이들의 합금일 수 있다.

박판 삽입부는 전기배선 박판이 삽입된다. 박판 삽입부의 깊이와 형상은 전기배선 박판의 두께와 형상에 따라 결정된다.

전자소자 삽입부는 전자소자가 삽입된다. 전기배선 박판의 두께에 비해 전자소자의 두께가 더 두꺼울 경우 박판 삽입부의 상면에 부가적인 전자소자 삽입부를 더 포함할 수 있다.

전자소자는 리드프레임이 전기배선 박판의 상면에 위치하도록 전기배선 박판의 전자소자 삽입홀을 통해 부품몸체의 전자소자 삽입부에 삽입된다. 리드프레임은 전기배선 박판의 전기배선과 연결된다.

금속핀 삽입홀은 금속핀이 삽입된다. 금속핀 삽입홀은 금속핀의 외경에 대응된다.

부품 몸체는 하나 이상일 수 있다. 부품 몸체는 하나의 전자회로 부품에 단수 또는 복수 개가 포함될 수 있다.

전기배선 박판은 부품 몸체에 삽입되며 상면에 전기배선이 인쇄되고 전자소자 삽입홀, 금속핀 삽입홀 중 선택된 1종 이상이 구비된다.

전기배선 박판은 3D 프린팅하여 평면 형상으로 제조된 후 상면에 도전성 잉크 또는 페이스트로 전기배선을 인쇄한 후 고온에서 건조 및 소성한 것이다.

전기배선 박판은 3D 프린터를 이용하여 적층 가공 방식으로 제작된 평면 형상의 박판과, 박판의 상면에 도전성 잉크 또는 페이스트를 이용하여 형성된 전기배선을 포함한다. 박판은 절연소재로 제작되며 부품 몸체와 동일소재로 제작될 수 있다.

전기배선 박판은 하나 이상일 수 있다. 전기배선 박판은 하나의 전자회로 부품에 단수 또는 복수 개가 포함될 수 있다.

전자소자 삽입홀은 전자소자가 삽입된다. 전자소자 삽입홀은 부품 몸체에 구비되는 전자소자 삽입부와 연통될 수 있다.

금속핀 삽입홀은 금속핀이 삽입된다. 금속핀 삽입홀은 금속핀의 외경에 대응된다.

금속핀은 전기배선을 전기적으로 연결한다. 구체적으로 금속핀은 금속핀 삽입홀에 수직방향으로 삽입되어 전기배선 박판의 전기배선들을 전기적으로 상호 연결한다.

금속핀은 3D 프린터를 이용하여 적층 가공 방식으로 일괄 제조된 것이다.

금속핀은 도전성 금속소재로 형성된다.

도전성 금속소재는 구리, 알루미늄, 은, 백금, 니켈, 아연, 팔라듐 중 선택된 1종 또는 이들의 합금을 포함한다.

금속핀은 외경이 동일하거나 상부를 향하여 외경이 증가하는 기둥과 기둥에 비해 외경이 큰 상부측의 스토퍼와 기둥 하부 양의 곡률을 가지는 반구 형상의 기둥 말단을 포함하는 형상으로 형성된다.

금속핀의 하부 기둥 말단을 반구 형상으로 형성한 것은 전기배선 말단과 접촉 용이성을 위한 것이다. 금속핀은 전기배선의 개수에 대응되는 수로 제작된다.

매립형 3차원 구조 전자회로 부품 제조방법은 3D 프린터를 이용하여 절연소재로 박판 삽입부, 전자소자 삽입부, 금속핀 삽입홀 중 선택된 1종 이상을 구비하는 부품 몸체를 적층 가공 방식으로 제조하는 단계와 부품 몸체에 전기배선이 인쇄되고 전자소자 삽입홀, 금속핀 삽입홀 중 선택된 1종 이상을 구비하는 전기배선 박판을 삽입하는 단계와 부품 몸체에 전자소자를 삽입하는 단계와 부품 몸체에 금속핀을 삽입하여 상기 전기배선을 전기적으로 연결하는 단계를 포함한다.

전기배선 박판은 3D 프린터를 이용하여 적층 가공 방식으로 평면 형상의 박판을 형성하는 단계와 박판의 상면에 도전성 잉크 또는 페이스트를 이용하여 전기배선 패턴을 인쇄하는 단계와 전기배선 패턴 인쇄 후 고온에서 건조 및 소성하는 단계를 포함하여 일괄 제조된 것이다.

금속핀은 금속 3D 프린터를 이용하여 적층 가공 방식으로 일괄 제조된 것이다.

일 실시예의 전자회로 부품을 3D 프린터를 이용하여 제조하는 방법을 예를 들어 더욱 상세하게 설명한다.

도 1은 제1 부품 몸체, 제1 전기배선 박판, 전자소자, 제2 부품 몸체, 제2 전기배선 박판, 금속핀, 전자소자가 반복적으로 적층되는 전자회로 부품의 일 실시예를 도시하고 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 일 실시예에서 부품 몸체는 제1 부품 몸체(100), 제2 부품 몸체(130)의 2개로 구성되고, 제1 부품 몸체(100)에 삽입되는 제1 전기배선 박판(110)과 제2 부품 몸체(130)에 삽입되는 제2 전기배선 박판(140)의 2개로 구성될 수 있다.

도 1에 도시된 바에 의하면, 제1 부품 몸체(100)는 제1 전기배선 박판(110)의 삽입을 위한 제1 박판 삽입부(101)와 제1 전자소자(120)의 삽입을 위한 제1 전자소자 삽입부(102)가 구비된다.

제1 부품 몸체(100)는 기존의 PCB 기판을 대체할 수 있도록 반복적인 열적, 기계적 스트레스에 견딜 수 있는 폴리머 또는 폴리머 기지 복합소재로 제작된다.

제1 부품 몸체(100)는 3D 프린터를 이용하여 적층 가공 방식으로 제조된다.

제1 부품 몸체(100)는 3D 프린터 작업대에 고정되어 제조되며, 제1 부품 몸체(100)에 제1 전기배선 박판(110), 제1 전자소자(120), 제2 부품 몸체(130), 제2 전기배선 박판(140), 금속핀(150), 제2 전자소자(160)를 적층하는 과정을 포함하는 전자회로 부품의 제조공정이 완료될 때까지 3D 프린터 작업대에서 분리하지 않는 것을 원칙으로 한다.

제1 부품 몸체(100)는 일부를 방열부로 형성할 수 있다. 방열부는 각종 전자소자에서 발생하는 열을 신속, 효율적으로 외부로 방출하기 위하여 제1 부품 몸체(100)의 일부를 열전도도 특성이 뛰어난 소재로 제작한 것이다.

제1 박판 삽입부(101)의 깊이와 형상은 제1 전기배선 박판(110)의 두께와 형상에 따라 결정되며, 제1 전기배선 박판(110)의 두께에 비해 제1 전자소자(120)의 두께가 더 두꺼울 경우 제1 박판 삽입부(101)의 상면에 부가적인 제1 전자소자 삽입부(102)를 더 포함할 수 있다.

제1 전자소자(120)는 제1 전기배선 박판(110)의 제1 전자소자 삽입홀(113)을 통해 제1 부품 몸체(100) 상면의 제1 전자소자 삽입부에 삽입하며, 이때 제1 전자소자의 리드프레임(121,161)이 제1 전기배선 박판(110)의 상면에 위치하도록 한다.

제1 전기배선 박판(110)은 기존의 인쇄전자 기술, 예를 들면 잉크젯 프린팅 기술 등을 이용하여 미리 제작한다. 즉, 전자회로 부품 하부 몸체와 동일소재를 사용하여 3D프린팅에 의해 박판을 제작한 후, 박판의 상면에 소정의 패턴에 따라 전기배선을 인쇄한다. 박판은 후술할 제1 전기배선 인쇄시 열변형을 무시할 수 있을 정도의 두께로 적층 가공하여 박판을 제작한 후 그 상면에 소정의 패턴에 따라 전기배선을 인쇄한다.

전기배선 인쇄 소재는 잉크젯 또는 스크린용 도전성 잉크 또는 페이스트를 사용할 수 있다.

잉크젯 또는 스크린용 도전성 잉크 또는 페이스트는 바인더와 도전성 물질을 포함한다.

바인더는 염화비닐, 아세트산 비닐, 아크릴산 히드록시알킬 공중합체 수지 등이 사용될 수 있다. 도전성 물질은 통상의 전기전도성 금속, 금속 전구체 화합물, 탄소나노튜브(CNT), 그래핀(graphene), 흑연(graphene), 탄소섬유(carbon fiber) 등이 포함될 수 있다.

도전성 물질에 포함되는 전기전도성 금속은 구리, 알루미늄, 금, 백금, 니켈, 아연, 팔라듐 중 선택된 1종 또는 이들의 합금일 수 있으며, 금속 전구체 화합물은 카르복실산 금속염일 수 있다.

도전성 물질은 상온에서 점도가 10cps~150,000cps 범위가 바람직하나, 필요에 따라 조절할 수 있다.

박판의 상면에 잉크젯 또는 스크린용 도전성 잉크 또는 페이스트를 인쇄하기 전에 전기배선 패턴에 따라 도 3에 도시된 바와 같이 음각의 골(121) 또는 양각의 벽(204)을 만드는 것이 바람직하다.

이때, 음각의 골(121)의 깊이 또는 양각의 벽(204)의 높이는 500㎛~1000㎛로 하는 것이 바람직하다. 그러나 경우에 따라 상기 범위보다 더 줄이거나 늘릴 수 있다. 잉크젯 또는 스크린용 도전성 잉크 또는 페이스트로 인쇄한 제1 전기배선(111)의 완전한 경화를 위하여 오븐 등을 이용하여 고온에서 건조 및 소성 처리한다.

이때, 건조 및 소성은 150℃~350℃ 온도범위에서 10분~30분 실시하는 것이 바람직하나, 필요에 따라 조절 가능하다.

제1 전기배선 박판(110)에는 단수 내지 복수의 제1 전자소자(120)가 관통하는 제1 전자소자 삽입홀(113) 및 제1 전기배선(111)이 구비된다. 제1 전기배선 말단(112)은 금속핀(150)과의 접촉면적을 극대화하기 위해 음의 곡률을 가지는 반구 형상으로 형성된다. 음의 곡률은 오목한 형태를 의미한다.

3D 프린터를 이용한 적층 가공 방식에 의해 제1 부품 몸체(100)의 인쇄가 완료되면, 전술한 방법에 의해 미리 제작한 제1 전기배선 박판(110)을 제1 부품 몸체(100)의 제1 박판 삽입부(101)에 장입한다. 제1 전자소자(120)는 제1 전기배선 박판(110)의 제1 전자소자 삽입홀(113)을 통해 제1 부품 몸체(100)의 제1 전자소자 삽입부(102)에 삽입한다.

제1 전기배선 박판(110) 및 제1 전자소자(120)의 설치는 작업자가 수동으로 설치하거나 픽 앤 플레이스(Pick and Place) 설비를 이용하여 자동으로 수행할 수 있다.

제1 전자소자(120)의 리드프레임(121)과 제1 전기배선(111) 사이의 견고한 연결을 위하여 유도가열 방식의 솔더링을 수행하거나, 도 4의 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같이, 상온 경화형 도전성 접착제(180)를 적용할 수 있다. 또는 도 4의 (c)에 도시된 바와 같이, 폴리머 내지 폴리머 복합소재 등의 절연체(172) 상면에 전기배선 패턴(171)이 인쇄된 박판(170)을 리드프레임(121)과 전기배선(111)의 접속부에 접촉하도록 적용할 수 있다. 이때, 전기배선 패턴(171)이 인쇄된 박판(170)은 제1 전자소자(120)의 리드프레임(121)과 제1 전기배선(111) 사이의 접속부만을 대상으로 형상을 단순화하여 적용할 수 있다.

제1 부품 몸체(100)의 제1 박판 삽입부(101)에 제1 전기배선 박판(110)을 삽입하고 제1 전기배선 박판(110)의 제1 전자소자 삽입홀(113)을 통해 제1 부품 몸체(100)의 제1 전자소자 삽입홀(113)에 제1 전자소자(120)를 삽입한 후, 다시 3D 프린터를 이용한 적층 가공을 수행하여 제1 부품 몸체(100)의 상부에 연속적으로 제2 부품 몸체(130)를 인쇄한다.

제2 부품 몸체(130)에는 제2 전기배선 박판(140)의 삽입을 위한 제2 박판 삽입부(131), 제1 전기배선 박판(110)의 제1 전기배선(111)과 제2 전기배선 박판(140)의 제2 전기배선을 수직으로 연결하기 위한 금속핀 삽입홀(133), 제2 전자소자(160)의 삽입을 위한 제2 전자소자 삽입부(132)가 구비된다.

제2 전자소자 삽입부(132)의 깊이는 제2 전자소자(160)와 제2 전기배선 박판(140)의 두께의 차이로 결정되며, 경우에 따라 생략 가능하다. 제2 부품 몸체(130)의 인쇄가 완료되면 미리 제작된 제2 전기배선 박판(140)을 제2 부품 몸체(130)의 제2 박판 삽입부(131)에 삽입한다.

제2 전기배선 박판(140)은 단수 내지 복수의 전자소자가 관통할 제2 전자소자 삽입홀(143) 및 제2 전기배선(141)이 구비된다. 제2 전기배선 말단(142)은 제2 전기배선(141)을 수직 연결하기 위한 금속핀(150)의 스토퍼(152) 하면과 대응하는 다양한 형상을 가지며 그 중앙이 금속핀(150)의 기둥(150) 외경에 대응하는 내경을 가지는 금속핀 삽입홀(133)이 된다. 금속핀 삽입홀(133)의 주위는 제2 전기배선(141)이 둘러싸면서 금속핀(150)의 스토퍼(152) 하측과 접촉된다.

금속핀(150)은 제1 전기배선 박판(110)의 제1 전기배선(111)과 제2 전기배선 박판(140)의 제2 전기배선(141)을 수직으로 연결하기 위해 사용된다.

금속핀(150)은 금속 3D 프린터를 이용하여 미리 제작되며, 금속핀(150)의 상부측에는 제2 전기배선 박판(140)의 제2 전기배선(141)과 전기적 연결을 위해 외주면에 돌출된 스토퍼(152)가 형성되며, 스토퍼(152)의 하부는 기둥(150)과 기둥 말단(151)으로 구성된다.

스토퍼(152)의 하부측 기둥(150) 부분은 원기둥, 삼각기둥, 사각기둥 등 다양한 형상이 가능하나, 픽 앤 플레이스 자동공정을 감안하여 기둥 상측으로 진행하면서 외경이 증가하는 원기둥 형상으로 형성하는 것이 바람직하다.

또한, 금속핀(150)의 기둥 말단 형상은 제1 전기배선 박판(110)의 제1 전기배선 말단(112)과의 접촉면적을 최대화하기 위하여 반구 형상의 볼록한 형태를 가지는 것이 바람직하다.

또한, 금속핀(150)과 제2 전기배선 박판(140)의 제2 전기배선 말단(142) 간의 전기적 접촉을 견고하게 하기 위해 스토퍼(152) 하부 및 기둥 말단(151)에 상온 경화형 도전성 접착제를 적용할 수 있다. 이것의 도식적 설명은 후술할 도 2의 전기배선 와이어의 예시를 통해 다시 설명하도록 한다.

제2 부품 몸체(130)에 제2 전기배선 박판(140)과 금속핀(150)을 삽입한 후에 제2 전자소자(160)를 제2 전기배선 박판(140)에 구비된 제2 전자소자 삽입홀(143)을 통해 제2 부품 몸체(130)의 제2 전자소자 삽입부(132)에 삽입한다. 이때, 제2 전자소자(160)의 리드프레임(161)과 제2 전기배선(141) 사이의 견고한 연결을 위하여 유도가열 방식의 솔더링을 수행하거나 상온 경화형 도전성 접착제를 적용할수 있다.

또는 도 4의 (c)에 도시된 전기배선 패턴(171)이 인쇄된 박판(170)을 적용할 수 있다. 전기배선 패턴(171)이 인쇄된 박판(170)은 제2 전자소자(160)의 리드프레임과 제2 전기배선 사이의 접속부만을 대상으로 형상을 단순화할 수 있다.

상술한 과정은 필요에 따라 반복적으로 수행할 수 있다.

[다른 실시예]

다른 실시예의 매립형 3차원 구조 전자회로 부품은 부품 몸체, 전기배선 와이어, 금속핀을 포함한다.

다른 실시예의 부품 몸체는 일 실시예의 전기배선 박판 대신 전기배선 패턴을 따라 미리 가공된 전기배선 와이어를 적용한다. 전기배선 와이어를 적용하는 경우 전기배선 박판을 별도로 제작하지 않으며, 도전성 잉크 또는 도전성 페이스트의 건조 및 소성 작업을 생략할 수 있는 장점이 있다.

이를 위해서는 부품 몸체 상면의 전기배선 위치에 전기배선 와이어의 두께 및 폭에 해당하는 깊이와 넓이를 가지는 음각의 골 또는 양각의 벽을 미리 가공한 후, 금속 3D 프린팅을 통해 미리 제작된 전기배선 와이어를 삽입한다. 부품 몸체 상면에 삽입된 전기배선 와이어는 금속핀을 통하여 수직 방향으로 서로 견고하게 연결될 수 있다.

구체적으로, 전자회로 부품은 3D 프린팅하여 형성되며 절연소재로 되고 전자소자 삽입부, 금속핀 삽입홀, 전기배선 와이어 삽입부 중 선택된 1종 이상이 구비되는 부품 몸체와 부품 몸체에 삽입되는 전기배선 와이어와 부품 몸체에 삽입되어 전기배선 와이어를 전기적으로 연결하는 금속핀을 포함한다.

부품 몸체는 일 실시예와 동일한 절연소재로 3D 프린팅하여 형성된다.

전기배선 와이어는 도전성 금속소재로 형성되고, 도전성 금속소재는 구리, 알루미늄, 은, 백금, 니켈, 아연, 팔라듐 중 선택된 1종 또는 이들의 합금을 포함한다.

전기배선 와이어는 부품 몸체에 삽입되는 위치에 따라 금속핀 하부 말단과 접촉되는 말단이 음의 곡률을 가지는 반구 형상으로 형성되거나, 금속핀 기둥이 통과하도록 말단에 금속핀 삽입홀이 형성될 수 있다.

금속핀은 일 실시예와 동일한 도전성 금속소재로 3D 프린팅하여 형성된다.

전자회로 부품의 제조방법은 3D 프린터를 이용하여 절연소재로 전자소자 삽입부, 금속핀 삽입홀, 전기배선 와이어 삽입부 중 선택된 1종 이상을 구비하는 부품 몸체를 적층 가공 방식으로 제조하는 단계와, 부품 몸체에 전자소자를 삽입하는 단계와 부품 몸체에 전기배선 와이어를 삽입하는 단계와 부품 몸체에 금속핀을 삽입하여 전기배선 와이어를 전기적으로 연결하는 단계를 포함한다.

전기배선 와이어는 3D 프린터를 이용하여 적층 가공 방식으로 일괄 제조된 것이다. 금속핀은 금속 3D 프린터를 이용하여 적층 가공 방식으로 일괄 제조된 것이다. 부품 몸체는 전자회로 부품 제조가 완료될 때까지 3D 프린터용 작업대에 고정된다.

다른 실시예의 전자회로 부품을 3D 프린터를 이용하여 제조하는 방법을 예를 들어 더욱 상세하게 설명한다.

도 2는 제1 부품 몸체, 제1 전기배선 와이어, 제1 전자소자, 제2 부품 몸체, 제2 전기배선 와이어, 금속핀, 제2 전자소자가 반복적으로 적층되는 전자회로 부품의 다른 실시예를 도시하고 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 다른 실시예에서 부품 몸체는 제1 부품 몸체(200), 제2 부품 몸체(230)의 2개로 구성되고, 제1 부품 몸체(200)에 삽입되는 제1 전기배선 와이어(210)와 제2 부품 몸체(230)에 삽입되는 제2 전기배선 와이어(240)의 2개로 구성될 수 있다.

제1 부품 몸체(200)는 제1 전기배선 와이어(210)의 삽입을 위한 제1 전기배선 와이어 삽입부(201)와 제1 전자소자(220)의 삽입을 위한 제1 전자소자 삽입부(203)가 구비된다.

제1 전기배선 와이어 삽입부(201)는 음각의 골로 구성된다. 제1 전기배선 와이어 삽입부 말단(202)은 금속핀(250)의 스토퍼(252) 형상에 대응하는 다양한 형상을 가질 수 있으나, 원형인 것이 바람직하다.

제1 부품 몸체(200)는 절연소재로 제작된다. 절연소재는 상술한 일 실시예의 절연소재와 동일하므로 자세한 설명은 생략한다.

또한, 제1 부품 몸체(200)의 일부는 각종 전자소자에서 발생하는 열을 신속하고 효율적으로 외부로 방출하기 위하여 열전도도 특성이 우수한 소재로 형성한 방열부로 구성할 수 있다.

제1 부품 몸체(200)는 3D 프린터를 이용하여 적층 가공 방식으로 제작된다. 제1 부품 몸체(200)의 제작이 완료되면, 제1 부품 몸체(200)를 3D 프린터의 작업대에 고정한 상태에서 상면의 제1 전기배선 와이어 삽입부(201)에 제1 전기배선 와이어(210)를 삽입한다.

제1 전기배선 와이어(210)는 전기배선 패턴에 따라 미리 금속 3D 프린터를 이용하여 제작된 것이다. 제1 전기배선 와이어의 단면은 원, 삼각형, 사각형, 사다리꼴 형태 등 다양한 형태가 채택 가능하나 사각 형태 와이어를 사용하는 것이 바람직하다.

제1 전기배선 와이어(210)는 전기전도도를 가지는 도전성 금속소재로 형성된다. 도전성 금속소재는 구리, 알루미늄, 은, 백금, 니켈, 아연, 팔라듐 중 선택된 1종 또는 이들의 합금을 포함한다.

제1 전기배선 와이어(210)는 금속핀(250) 기둥 말단(251)과 접촉되는 말단(211)이 음의 곡률을 가지는 반구 형상으로 형성된다. 이는 제1 전기배선 와이어(210)와 금속핀(250)의 하부 말단(251)과의 접촉면적을 높인다.

도 5에 도시된 바와 같이, 제1 전기배선 와이어(210)는 금속핀의 하부 말단(251)과 접촉면적을 최대화하기 위해 중앙부(212)가 반구의 오목한 형상을 가진다.

제1 부품 몸체(200)의 제1 전기배선 와이어 삽입부(201)에 제1 전기배선 와이어(210)를 삽입한 후, 제1 전자소자(220)를 제1 부품 몸체(200)의 제1 전자소자 삽입부(203)에 삽입한다. 이때, 제1 전자소자(220)의 리드프레임(221)과 제1 전기배선 와이어(210) 사이의 견고한 연결을 위하여 리드프레임(221)과 제1 전기배선 와이어(210)의 접속부에 전자유도가열 방식의 솔더링을 수행하거나 상온 경화형 도전성 접착제를 적용할 수 있다.

제1 부품 몸체(200)에 제1 전기배선 와이어(210)와 제1 전자소자(220)를 삽입한 후에는 다시 3D 프린터를 이용한 적층 가공을 계속 수행하여 제1 부품 몸체(200)의 상부에 연속적으로 제2 부품 몸체(230)를 인쇄한다.

제2 부품 몸체(230)에는 제2 전기배선 와이어(240)를 삽입하기 위한 음각의 골 형태의 제2 전기배선 와이어 삽입부(231)와 제2 전자소자(260)를 삽입하기 위한 제2 전자소자 삽입부(233)가 구비된다.

제2 전자소자 삽입부(233)의 깊이와 형상은 제2 전자소자(260)의 두께 및 형상에 따라 결정된다. 또한, 제2 전기배선 와이어 삽입부(231)의 말단에는 제1 전기배선 와이어와 제2 전기배선 와이어(240)를 연결하기 위한 금속핀(250)을 삽입할 수 있는 금속핀 삽입홀(232)이 구비된다. 이를 위해, 제2 전기배선 와이어 말단(241)에 금속핀(250)을 삽입할 수 있는 금속핀 삽입홀(242)을 더 포함한다.

제2 부품 몸체(230)의 인쇄가 완료되면, 제2 부품 몸체(230)의 제2 전기배선 와이어 삽입부(231)에 미리 제작된 제2 전기배선 와이어(240)를 삽입하고, 제2 전자소자 삽입부(233)에 제2 전자소자(260)를 삽입한다.

다음으로, 제1 전기배선 와이어(210)와 제2 전기배선 와이어(240)를 수직으로 상호 연결하기 위하여 금속핀(250)이 삽입된다.

금속핀(250)은 금속 3D 프린터를 이용하여 미리 제작된 것이다. 금속핀(250)의 제작 방법 및 형상은 일 실시예에서 기재하고 있는 금속핀과 동일하다.

금속핀(250)에서 스토퍼(252)는 원형, 사각형, 육각형, 팔각형 등 다양한 형상으로 제작할 수 있으나, 후속적인 적층 가공 공정을 감안하면 사각형으로 형성하는 것이 바람직하다.

금속핀(250)의 기둥 말단(251)은 제1 전기배선 와이어 말단(211)과 접촉면적을 최대화하기 위하여 반구의 볼록한 형태를 가지도록 한다.

도 5에는 상부로 갈수록 외경이 증가하는 기둥을 가지는 금속핀(250)을 보이고 있다. 금속핀(250)은 도 1의 전기배선 박판을 사용하는 경우와 동일하게 적용될 수 있다.

금속핀(250)은 제1 및 제2 전기배선 와이어(240)와의 전기적 접촉을 견고하기 위해 금속핀(250)의 스토퍼(252) 하부 및 기둥 말단(251)에 상온 경화형 접착제를 적용할 수 있다.

금속핀(250)은 제2 전기배선 와이어 말단(241)의 금속핀 삽입홀(242), 제2 부품 몸체(230)의 금속핀 삽입홀(232)을 통해 삽입된 후 제1 전기배선 와이어 말단(211)에 접촉시킨다. 이후 제2 전자소자(260)를 제2 부품 몸체(230)의 상면에 구비된 제2 전자소자 삽입부(233)에 삽입한다.

상기한 과정은 필요에 따라 반복적으로 수행할 수 있다.

이하 본 발명에 따른 매립형 3차원 구조 전자회로 부품의 제조방법의 효과를 설명한다.

매립형 3차원 구조 전자회로 부품 제조방법은 하이브리드식 3D 프린터를 이용한 적층 가공시 전기배선을 직접 실시간으로 인쇄하지 않아도 된다.

전기배선이 인쇄된 전기배선 박판을 인쇄전자 기술을 이용하여 미리 제작한 후 부품 몸체 적층 가공 도중 필요한 시점에 부품 몸체의 삽입부에 삽입하고, 수직 방향으로는 금속핀을 이용하여 전기배선 박판의 전기배선을 전기적으로 연결하면 된다.

즉, 전기배선이 인쇄된 전기배선 박판과 금속핀을 미리 제작한 후, 부품 몸체 적층 과정 중에 사용하여 매립형 3차원 구조 전자회로 부품의 적층 가공을 연속화 한다.

전기배선 박판의 경우, 기존 확립된 인쇄전자 기술(잉크젯 또는 스크린 프린팅 기술)을 응용하여 고해상도 전기배선 패터닝을 가능하므로 고집적 전자회로 인쇄도 용이하다.

또한, 전기배선 구조가 비교적 간단한 경우에는 전기배선 패턴과 동일하게 금속 3D 프린터로 전기배선 와이어를 실시간으로 부품 몸체의 적층 가공시 부품 몸체 내부에 삽입할 수 있다.

즉, 부품 몸체의 적층 가공시 부품 몸체에 전기배선 와이어가 삽입될 음각의 골 또는 양각의 벽을 가공한 다음, 음각의 골 또는 양각의 벽 내에 전기배선 와이어를 삽입하고 그 위에 부품 몸체 적층 가공을 연속하여 수행할 수 있다.

본 발명은 제조조건과 필요에 따라 부품 몸체의 전체 또는 일부를 대상으로 실시간 적층 가공 방식을 수행할 수 있어 신속하게 매립형 3차원 구조 전자회로 부품을 제작할 수 있다.

본 발명은 도면과 명세서에 최적의 실시예들이 개시되었다. 여기서, 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 발명 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면, 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 권리범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

100: 제1 부품 몸체 101: 제1 박판 삽입부
102: 제1 전자소자 삽입부 110: 제1 전기배선 박판
111: 제1 전기배선 112: 제1 전기배선 말단
113: 제1 전자소자 삽입홀 120: 제1 전자소자
121: 리드프레임 130: 제2 부품 몸체
131: 제2 박판 삽입부 132: 제2 전자소자 삽입부
133: 금속핀 삽입홀 140: 제2 전기배선 박판
141: 제2 전기배선 142: 제2 전기배선 말단
143: 제2 전자소자 삽입홀 150: 금속핀(기둥)
151: 기둥 말단 152: 스토퍼
160: 제2 전자소자 161: 리드프레임
200: 제1 부품 몸체
201: 제1 전기배선 와이어 삽입부(음각의 골)
202: 제1 전기배선 와이어 삽입부 말단
204: 양각의 골
203: 제1 전자소자 삽입부 210: 제1 전기배선 와이어
211: 말단 212: 중앙부
220: 제1 전자소자 221: 리드프레임
230: 제2 부품 몸체 231: 제2 전기배선 와이어 삽입부
232: 금속핀 삽입홀 233: 제2 전자소자 삽입부
240: 제2 전기배선 와이어 241: 제2 전기배선 와이어 말단
242: 금속핀 삽입홀 250: 금속핀
251: 하부 말단 252: 스토퍼
260: 제2 전자소자 261: 리드프레임

Claims (1)

1. 3D 프린팅하여 형성되며 절연소재로 되고 박판 삽입부, 전자소자 삽입부, 및 금속핀 삽입홀이 구비되는 부품 몸체;
   상기 부품 몸체에 삽입되는 전기배선 와이어; 및
   상기 부품 몸체에 삽입되어 상기 전기배선 와이어를 전기적으로 연결하는 금속핀;을 포함하되,
   상기 부품 몸체는,
   상기 부품 몸체의 일부를 형성하며 전자소자에서 발생하는 열을 외부로 방출 시키도록 열전도 특성이 우수한 소재인 폴리머 기지 복합소재로 형성된 방열부를 포함하며,
   상기 폴리머 기지 복합소재는,
   PLA, PPSF/PPSU(polyphenylsulfone), ULTEM 중 선택된 1종 이상을 포함하는 폴리머와 방열재를 포함하는 것으로,
   상기 방열재는 탄소소재, 금속소재 중 선택된 1종 이상을 포함하며,
   상기 탄소소재는 흑연, 카본블랙, 탄소섬유, 탄소나노튜브, 그래핀 중 선택된 1종 또는 이들의 혼합물을 포함하고,
   상기 금속소재는 구리, 알루미늄, 금, 백금, 아연, 팔라듐 중 선택된 1종 또는 이들의 합금을 포함하며,
   상기 전기배선 와이어는 상기 금속핀 하부 말단과 접촉되는 말단이 음의 곡률을 가지는 반구 형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 매립형 3차원 구조 전자회로 부품.