WO2010114238A2

WO2010114238A2 - 회로 기판 및 그 제조 방법

Info

Publication number: WO2010114238A2
Application number: PCT/KR2010/001582
Authority: WO
Inventors: 이환철; 김준태
Original assignee: 코아셈㈜
Priority date: 2009-03-30
Filing date: 2010-03-15
Publication date: 2010-10-07
Also published as: WO2010114238A3; KR100934476B1

Abstract

본 발명은 열전달 성능 및 절연파괴 전압을 향상시킨 회로 기판 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 회로 기판은, 모재; 상기 모재 위에 형성되며, 기공을 포함하는 절연층; 상기 절연층 위에 형성되며, 상기 기공을 충진하는 실링층; 상기 실링층 위에 형성된 접착층; 및, 상기 접착층 위에 형성된 배선층을 포함한다.

Description

회로 기판 및 그 제조 방법

본 발명은 회로 기판 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열전달 성능 및 절연파괴 전압을 향상시킨 전자부품 모듈용 회로 기판 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 인쇄 회로 기판(Printed Circuit Board; PCB)은 페놀수지 절연판 또는 에폭시 수지 절연판 등의 한쪽 면에 구리 등의 박판을 부착시킨 후, 미세회로 패턴을 구성하고, 부품들을 부착 탑재하기 위한 홀(hole)을 형성하여 제작된다. 이러한 인쇄 회로 기판은 다수의 전자부품을 유지하고, 탑재된 전자부품 상호간의 전기적 접속과, 인접하는 회로 간을 절연하는 역할을 담당한다. 최근, 이동통신기기와 전자 제품들의 경박단소화가 급격히 확산됨에 따라 인쇄 회로 기판의 기술도 다층 고밀도 및 다기능을 가진 제품으로 급속도로 변화하고 있다. 특히, 오디오 파워 모듈, PDP용 파워모듈, 모터 컨트롤러, LED 조명, LED 백라이트 유닛(light emitting diode back light unit LED BLU), 열전재료, 고출력 반도체 소자 분야에서는 발열문제가 중요하게 대두되고 있으며, 효과적인 방열구조를 채택하지 않으면 제품의 신뢰성에 문제가 발생된다.

도 1은 종래 기술에 따른 인쇄 회로 기판인 FR-4(Flame retardant-4) 인쇄 회로 기판을 도시한 단면도이다. 도시된 바와 같이, 종래의 FR-4 인쇄 회로 기판은, 모재(110)와 상기 모재 위에 형성된 절연층(130)과 상기 절연층 위에 형성된 구리 배선층(120)이 형성된 구조로 되어 있다. 상기 절연층(130)은 옷감을 짜듯이 씨줄과 날줄로 교차하여 만든 유리섬유(132)에 에폭시(131)를 함침하여 만든다. 이러한 절연층(130)은 쉬트 형태로 제공되며, 인쇄 회로 기판을 제조할 때 양면에 전해동박을 진공 열압착하여 CCL(Copper Clad Laminate)을 만든 후, 포토 공정을 이용하여 인쇄 회로 패턴이 형성된 배선층(120)을 형성한다. 포토 공정은 통상적으로 감광막 도포, 노광, 에칭, 감광막 스트립 등의 공정으로 구성되며, 인쇄 회로 기판 업계에서는 공지의 기술이므로 이후부터는 포토 공정이라 한다. 일반적인 FR-4 인쇄 회로 기판에서 절연층(130)의 두께는 60㎛ 이상으로 형성되는데, 유리섬유(132)와 에폭시(131)의 열 전도율이 보통 0.25 W/mK로 매우 낮기 때문에 LED 및 고출력 반도체 소자용 회로 기판으로 사용하기에는 부적절하다. 이러한 절연층(130)의 두께를 줄이면, 같은 열 전도율을 가지더라도 열저항을 감소시킬 수 있으나, 회로 기판에서 요구하는 절연파괴 전압이 떨어지기 때문에 절연층(130)의 두께를 줄이는 데 한계가 있다. 반면, 에폭시 수지의 유전율이 낮기 때문에 충분한 절연성을 얻기 위해서는 두꺼운 절연층을 사용하여야 한다. 절연층의 두께가 두꺼워지면 열저항이 급격하게 증가하는 단점과 함께, 에폭시 수지가 기지 금속과의 접착력이 부족하고 수분을 잘 흡수하기 때문에 제품의 신뢰성에 큰 문제가 있다.

도 2는 종래 기술에 따른 금속 인쇄 회로 기판(metal PCB)을 도시한 단면도이다. 도 2를 참조하면, 도 1의 FR-4 인쇄 회로 기판에서는 에폭시(131)가 함침된 유리 섬유(132)를 절연층(130)으로 사용하는 것과 달리, 금속 인쇄 회로 기판의 절연층(140)은 에폭시 수지(141)에 세라믹 필러(142)를 첨가하여 사용하고 있다. 일반적으로 금속 인쇄 회로 기판은 열 전도율이 우수한 알루미늄(Al)이나 구리(Cu), 철, 티타늄, 마그네슘, 니켈 또는 그 합금을 모재(110)로 이용하고, 전해동박과 모재(110) 사이에 절연층(140)을 넣고 프레스를 이용하여 진공 열 압착하여 제조한다.

금속 인쇄 회로 기판이 충분한 절연성을 확보하기 위해서는 최소 75㎛ 내지 200㎛ 두께의 절연층(140)을 형성하여야 하는데, 절연층(140)의 두께가 두꺼워지면 열저항이 급격히 증가하는 단점이 있다. 한편, 일반적인 에폭시 수지(141)의 경우 매우 낮은 열전도율을 가지므로, 이를 개선하기 위하여 에폭시 수지(141)에 비해 상대적으로 열전도율이 우수한 알루미나(Al₂O₃) 또는 질화붕소(BN) 같은 세라믹 필러(142)를 약 30% 내지 50% 정도 절연층(140)에 넣고 있다. 그러나, 이는 절연층(140)의 제조 가격을 높이는데 비해 약 2W/mK 내외의 충분한 열 전도율을 얻지 못하고 있다. 또한, 세라믹 필러(142)의 함량이 많아지면 절연층(140)의 탄력성이 없어지고 깨지기 쉬운 경질층이 되기 때문에 배선층(120)이 박리되거나 절연층(140)이 들뜨는 등의 문제점이 발생한다. 그리고, 금속 인쇄 회로 기판 제조를 위한 후속 드릴링이나 라우팅, 금형 타발 공정을 진행하는데 문제가 있다.

참고로, 열전도율(W/mK)은 재료의 고유 특성이며, 열저항(K/W)은 재료의 두께 변수가 고려된 값이다. 즉, 열전도율이 아무리 좋은 절연층을 사용한다고 하더라도 절연층의 두께가 증가하면 상대적으로 열저항은 커지게 되고, 열전도율이 낮은 재료라고 하더라도 절연층의 두께를 얇게 하면 열저항은 낮아지게 된다. 따라서 절연층의 열전달 성능을 높이기 위해서는 열전도율이 높은 재료를 사용하거나, 절연층의 두께를 얇게 하여 열저항을 낮추어야 한다.

종래의 금속 인쇄 회로 기판을 제조하는 또 다른 방법으로 알루미늄 금속 모재에 아노다이징을 이용하여 알루미나 절연층을 형성하는 방법이 있다. 그러나, 아노다이징에 의해 형성된 알루미나 절연층은 많은 기공을 포함하는데, 이 기공으로 인해 충분한 절연파괴 전압을 확보하기가 어렵다. 또한, 소정의 두께로 균일하게 성장시키기 위해 많은 공정시간이 필요하여 생산성이 저하되는 문제점이 있다.

상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해, 절연층의 열전달 성능을 향상시킬 수 있으면서도, 충분한 절연성을 확보할 수 있는 회로 기판 및 그 제조 방법을 제공한다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 회로 기판은,

모재; 상기 모재 위에 형성되며, 기공을 포함하는 절연층; 상기 절연층 위에 형성되며, 상기 기공을 충진하는 실링층; 상기 실링층 위에 형성된 접착층; 및, 상기 접착층 위에 형성된 배선층을 포함한다.

상기 모재는 알루미늄, 마그네슘, 티타늄 또는 그 합금 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것이 바람직하다.

상기 모재에는 방열핀, 다공성 금속층, 히트 파이프, 또는 CNT 코팅층이 형성될 수 있다.

상기 모재는 표면 처리에 의해 형성된 요철층을 포함할 수 있다.

상기 실링층은 금속염 실링법에 의해 형성된 제1 실링층과 비등수 실링법에 의해 형성된 제2 실링층을 포함하는 것이 바람직하다.

상기 접착층은 에폭시, 폴리이미드, 또는 열경화성 폴리머로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 실링층과 상기 접착층 사이에 형성된 계면 절연층을 포함할 수 있다.

상기 절연층과 실링층을 합한 두께는 5 내지 40㎛인 것이 바람직하며, 상기 계면 절연층은 0.05 내지 20㎛의 두께로 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 따른 회로 기판 제조 방법은,

모재를 마련하는 단계; 상기 모재 위에 아노다이징법으로 절연층을 형성하는 단계; 금속염 실링법으로 상기 절연층을 봉공 처리하여 실링층을 형성하는 단계; 상기 실링층 위에 접착층을 형성하는 단계; 상기 접착층 위에 배선층을 형성하는 단계를 포함한다.

상기 금속염 실링법으로 상기 절연층을 봉공 처리한 후, 비등수 실링법으로 상기 절연층을 2차 봉공 처리하여 실링층을 형성하는 것이 바람직하다. 이때, 상기 금속염 실링법은 니켈아세트산을 5g/L의 농도로 첨가한 후, 상온에서 5분 동안 수행하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 비등수 실링법은 증류수 또는 탈이온수(DI water, De-ionized water)를 90℃ 이상 가열한 후, 5분 동안 수행하는 것이 바람직하다.

상기 모재를 마련하는 단계 후에, 상기 모재 상에 표면 처리에 의해 요철층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 실링층을 형성하는 단계 이후, 상기 실링층 위에 계면 절연층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 이때, 상기 계면 절연층을 형성하는 단계는 스퍼터링법, 진공 증착법, 화학 기상 증착법CVD, 상압 플라즈마 증착법, 졸겔법, 용사법, 스크린 프린팅법, 잉크젯 프린팅법, 디핑법(dipping), 분사법 중 적어도 어느 하나의 방법을 사용하여 형성하는 것이 바람직하다.

상기한 바와 같은 본 발명에 의하면, 모재 위에 아노다이징 방법으로 절연층을 형성한 후, 절연층에 포함된 기공을 2차례 봉공 처리하여 실링층을 형성함으로써 기공으로 인한 절연성 저하를 방지하고, 인쇄 회로 기판의 절연파괴 전압을 크게 향상시킬 수 있다.

또한, 2차 봉공 처리한 실링층 위에 계면 절연층을 추가로 형성한 경우, 추가된 계면 절연층의 두께 만큼 절연층을 보다 얇게 형성함으로써 열저항은 줄이고 열전달은 향상시킬 수 있다.

또한, 모재에 요철층을 추가로 형성한 경우, 요철층은 앵커 형태로 형성되기 때문에 모재와 절연층의 계면 접착력을 향상시킬 수 있게 되어, 기계적 충격이나 열 충격, 열 피로 등에 의해서도 모재와 절연층이 분리되지 않고 단단히 접착된다.

도 1은 종래 기술에 따른 회로 기판으로써, FR-4 인쇄 회로 기판을 도시한 단면도,

도 2는 종래 기술에 따른 회로 기판으로써, 금속 인쇄 회로 기판을 도시한 단면도,

도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 회로 기판을 도시한 단면도,

도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 회로 기판을 도시한 단면도,

도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 회로 기판을 도시한 단면도,

도 6은 본 발명의 제4 실시예에 따른 회로 기판을 도시한 단면도,

[규칙 제91조에 의한 정정 06.04.2010]　
도 7 내지 도 9는 본 발명의 여러 변형예에 따른 회로 기판을 도시한 단면도,

[규칙 제91조에 의한 정정 06.04.2010]　
도 10 내지 도13은 본 발명의 일 실시예에 따른 회로 기판 제조 방법을 도시한 공정도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

110 : 모재 120 : 배선층

160 : 절연층 170 : 실링층

180 : 계면 절연층 190 : 요철층

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면에서 여러 층 및 각 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 표현하였으며 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭하도록 하였다. 또한, 층, 막, 영역 등의 부분이 다른 부분 “상부에” 또는 “상에” 있다고 표현되는 경우는 각 부분이 다른 부분의 “바로 상부” 또는 “바로 위에” 있는 경우뿐만 아니라 각 부분과 다른 부분의 사이에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.

도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 회로 기판을 도시한 단면도이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 회로 기판은, 모재(110), 상기 모재 위에 형성되며 기공을 포함하는 절연층(160), 상기 절연층 위에 형성되며 상기 기공을 충진하는 실링층(170), 상기 실링층 위에 형성되며 에폭시, 폴리이미드, 또는 열경화성 폴리머로 이루어진 접착층(200), 상기 접착층 위에 형성된 배선층(120)을 포함한다.

상기 모재(110)로서는 금속을 사용한다. 특히, 상기 금속은 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 티타늄(Ti) 또는 이들의 합금 등과 같이 아노다이징을 통해 절연층 형성이 용이하도록 산화력이 높으며, 회로 기판 내부에서 발생되는 열이 외부로 방출되도록 발열성이 높은 금속이 좋다. 일반적으로는 비용 및 상용화 정도를 고려할 때 상기 모재로서 알루미늄이 바람직하지만, 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 모재(110) 위에 형성되는 절연층(160)은 아노다이징 방법에 의해 형성될 수 있다. 아노다이징(anodizing, 양극산화)은 건축 자재, 전기통신 기기, 광학 기기, 장식품, 자동차 부품 등에 광범위하게 활용되는 표면 처리 방법으로서, 모재의 표면에 얇은 산화막을 형성하여 모재의 내부를 보호하며, 모재와 전기 소자가 전기적으로 절연되도록 한다. 주로 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 티타늄(Ti) 등과 같이 산소와 반응하는 정도가 매우 커서 스스로 표면에 산화막을 만드는 금속에 대해 사용되는 방법이다.

아노다이징은 황산, 크롬산, 옥살산, 또는 인산 등의 용액에서 금속이 양극으로 작용하도록 함으로써 금속 표면의 산화 작용을 촉진시켜 균일한 두께의 산화막을 인위적으로 생성시켜주는 방법이다. 이 아노다이징은 아노다이징하려고 하는 알루미늄 등의 금속을 양극으로 하고 통전(通電)시켜 양극에서 발생하는 산소에 의하여 금속면이 산화되어 금속 산화막(예를 들면, 산화 알루미늄(Al₂O₃; 알루미나))을 생성시킨다. 이 금속 산화막은 대단히 견고하고, 내식성이 크며, 직경이 극히 작은 유공성(有孔性)층으로서 여러 가지 색으로 염색할 수 있기 때문에 내식, 내마모성과 같은 실용적인 이유에서 뿐만 아니라 미관상의 이유로 금속 표면에 아노다이징 처리를 행하는 경우가 많다.

아노다이징은 전해액의 조성과 농도, 첨가제, 온도, 전압, 전류, 시간, 모재의 합금성분 등에 따라 금속 산화막의 두께, 밀도, 색상, 경도 등의 특성이 달라지게 된다. 아노다이징 방법으로 형성된 산화막에는 약 20nm 내외의 직경을 갖는 많은 기공이 형성되는데, 이 기공은 산화막의 절연성을 떨어뜨리는 원인이 된다. 따라서, 상기 기공을 충진하는 봉공 처리법을 수행하여 상기 절연층 위에 실링층(170)을 형성한다. 이때, 상기 실링층(170)은 금속염 실링법에 의해 형성된 제1 실링층(미도시)과 비등수 실링법에 의해 형성된 제2 실링층(미도시)을 포함하는 것이 바람직하다.

상기 접착층(200)은 상기 실링층(170)과 배선층(120)을 접착시키기 위해 형성되며, 스크린 프린팅, 잉크젯 프린팅, 또는 디핑 등의 방법으로 에폭시, 폴리이미드, 또는 열경화성 폴리머 계열의 접착 물질로 이루어 진다.

이와 같이, 본 발명의 회로 기판은 모재 위에 아노다이징 방법으로 절연층을 형성한 후, 절연층에 포함된 기공을 1차례 이상 봉공 처리하여 실링층을 형성함으로써 기공으로 인한 절연성 저하를 방지하고, 후술하는 실험예에서 보듯이 기판의 절연파괴 전압을 크게 향상시킬 수 있게 된다.

도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 회로 기판을 도시한 단면도이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 회로 기판은, 모재(110), 상기 모재 위에 형성되며 기공을 포함하는 절연층(160), 상기 절연층 위에 형성되며 상기 기공을 충진하는 실링층(170), 상기 실링층 위에 형성된 계면 절연층(180), 상기 계면 절연층 위에 형성된 접착층(200), 상기 접착층 위에 형성된 배선층(120)을 포함한다.

제2 실시예에 따른 회로 기판은 제1 실시예와 비교하면, 실링층(170)과 접착층(200) 사이에 계면 절연층(180)이 더 포함된다는 점이 상이하고, 다른 부분에 대한 설명은 제1 실시예와 동일하므로 이에 대한 설명은 생략한다.

상기 계면 절연층(180)은 상기 절연층(160)을 60㎛ 미만으로 얇게 형성하더라도 충분한 절연파괴 전압 및 접착성을 가질 수 있게 한다. 즉, 절연층을 얇게 형성함으로써 열저항은 줄이고 열전달은 향상시키며, 얇은 절연층으로 인해 감소된 절연 파괴 전압 및 접착성은 계면 절연층(180)에 의해 보완된다.

상기 계면 절연층(180)은 절연층(160)에 비해 상대적으로 열저항이 작고 접착성이 뛰어나며 절연 강도가 높은 물질을 사용하는 것이 바람직하다. 이를 위해 상기 계면 절연층(180)은 유기질의 절연 물질 또는 무기질의 절연 물질로 이루어지는 것이 바람직하다. 보다 구체적으로 상기 계면 절연층(180)은 산소 또는 질소를 포함하는 산화물 또는 질화물 계통의 박막인 것이 바람직하다.

상기 계면 절연층(180)은 스퍼터링법, 진공 증착법, 화학 기상 증착법(Chemical Vapor Deposition: CVD), 상압 플라즈마 증착법, 졸겔법, 용사법, 스크린 프린팅법, 잉크젯 프린팅법, 디핑법(dipping), 분사법 등을 이용하여 무기질 또는 유기질의 계면 절연층(180)을 형성할 수 있다.

상기 절연층(160)은 전술한 바와 같이 아노다이징 방법으로 형성되는데, 상기 절연층(160)과 실링층(170)을 합한 두께는 5 내지 40㎛인 것이 바람직하다. 상기 두께를 5㎛ 미만으로 형성하면 충분한 절연성을 확보하기가 어렵고 두께 제어가 용이하지 않아서 생산성이 저하된다. 또한, 상기 두께가 40㎛을 초과하면 두꺼운 두께로 인해 열저항이 증가하고 이에 따라 열전달 성능이 저하된다. 또한, 상기 계면 절연층(180)의 두께는 0.05 내지 20㎛로 형성되는 것이 바람직하다. 상기 계면 절연층(180)이 0.05㎛ 미만의 두께로 형성되는 경우 절연성이 부족해지며, 20㎛를 초과하는 두께로 형성하는 것은 일반적으로 수시간의 공정 시간을 필요로 하여 생산성이 저하되며, 두꺼운 두께로 인해 계면 절연층(180) 내부에 크랙이나 결함이 내재할 가능성이 높아지기 때문이다. 따라서, 상기 절연층(160)과 실링층(170), 계면 절연층(180)을 합한 두께는 5 내지 60㎛인 것이 바람직하다. 상기 두께로 형성되면 회로 기판의 절연성은 높일 수 있고, 절연층(160)의 두께를 효과적으로 감소시킬 수 있게 되어 열전달 성능을 향상시킬 수 있게 된다.

상기와 같이 본 발명의 제2 실시예에 따른 회로 기판은 모재(110) 위에 아노다이징 방법으로 절연층(160)을 형성하고, 절연층 위에 실링층(170)을 형성하며, 실링층 위에 계면 절연층(180)과 접착층(200)을 형성한 후, 그 위에 배선층(120)을 형성한다. 이와 같이 추가된 계면 절연층의 두께 만큼 절연층(160)을 보다 얇게 형성함으로써 열저항은 줄이고 열전달은 향상시킬 수 있게 되며, 얇은 절연층으로 인해 감소된 절연 파괴전압 및 접착성은 계면 절연층(180)으로 보완하게 된다.

도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 회로 기판을 도시한 단면도이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제3 실시예에 따른 회로 기판은, 모재(110), 상기 모재 상부에 표면 처리에 의해 형성된 요철층(190), 상기 요철층 위에 아노다이징 방법으로 형성되며 기공을 포함하는 절연층(160), 상기 절연층 위에 형성되며 상기 기공을 충진하는 실링층(170), 상기 실링층 위에 형성된 접착층(200), 상기 접착층 위에 형성된 배선층(120)을 포함한다.

제3 실시예에 따른 회로 기판은 제1 실시예와 비교하면, 모재 상부에 표면 처리에 의해 요철층(190)이 형성된다는 점이 상이하고, 다른 부분에 대한 설명은 제1 실시예와 동일하므로 이에 대한 설명은 생략한다.

표면 처리에 의해 형성된 요철층(190)은 모재(110) 상부에 형성되며, 모재(110)의 일면에 형성될 수도 있고, 모재(110)의 타면 및 측면을 포함한 전체에 형성될 수도 있다. 이러한 모재(110) 위에 표면 처리에 의해 형성된 요철층(190)은 그릿 블래스팅 또는 샌드 블래스팅, 래핑, 화학적 에칭에 의해 모재(110) 상에 형성될 수 있다. 그릿 블래스팅은 예를 들어 각형 알루미나 또는 탄화규소 분말을 이용하여 실시하고, 그릿 블래스팅을 실시한 후 아세톤 또는 알코올을 이용하여 초음파 세척한다. 이러한 표면 처리에 의해 모재(110) 상부에 형성된 요철층(190)은 약 1㎛ 내지 15㎛의 두께로 형성되는 것이 바람직하다. 상기 요철층(190)을 형성한 후, 그 위에 아노다이징 방법으로 절연층(160)을 형성한다. 모재 표면의 요철층이 1㎛ 미만이 되면 아노다이징 효율이 떨어지게 되고, 15㎛를 초과하면 모재 표면의 전체적인 요철이 너무 심해서 평탄도가 요철층 위에 절연층(160)을 얇게 형성하는 데 문제가 있다. 또한, 그릿 블래스팅이나 샌드 블래스팅의 경우, 고압으로 그릿이나 샌드를 블래스팅해 주기 때문에 2㎜ 이하 두께의 알루미늄이나 마그네슘, 구리와 같이 기계적 강도가 낮은 판재가 휘는 현상이 발생한다. 그러므로, 두께가 얇은 판재의 경우, 적절한 표면 요철층(190)을 형성할 수 있도록 래핑이나 화학적 에칭을 적용하여 접착력을 향상시킬 수 있다.

상기한 바와 같이 본 발명의 제3 실시예에 따른 회로 기판은 모재(110) 상부에 표면 처리에 의해 형성된 요철층(190)을 포함하며, 이 요철층(190)은 앵커 형태로 형성되기 때문에 모재(110)와 절연층(160)의 계면 접착력을 향상시킬 수 있다. 따라서, 기계적 충격이나 열 충격, 열 피로 등에 의해서도 모재(110)와 절연층(160)이 분리되지 않고 단단히 접착되게 된다.

도 6은 본 발명의 제4 실시예에 따른 회로 기판을 도시한 단면도이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제4 실시예에 따른 회로 기판은, 모재(110), 상기 모재 상부에 표면 처리에 의해 형성된 요철층(190), 상기 요철층 위에 아노다이징 방법으로 형성되며 기공을 포함하는 절연층(160), 상기 절연층 위에 형성되며 상기 기공을 충진하는 실링층(170), 상기 실링층 위에 형성된 계면 절연층(180), 상기 계면 절연층 위에 형성된 접착층(200), 상기 접착층 위에 형성된 배선층(120)을 포함한다.

제4 실시예에 따른 회로 기판은 제1 실시예와 비교하면, 모재 상부에 표면 처리에 의해 요철층(190)이 형성된다는 점과, 실링층(170)과 배선층(120) 사이에 계면 절연층(180)이 더 포함된다는 점이 상이하고, 다른 부분에 대한 설명은 제1 실시예와 동일하므로 이에 대한 설명은 생략한다. 여기서, 요철층(190)은 전술한 제3 실시예와 동일하며, 계면 절연층(180)은 전술한 제2 실시예와 동일하므로 이에 대한 설명은 생략한다.

상기한 바와 같이 본 발명의 제4 실시예에 따른 인쇄 회로 기판은 모재(110) 상부에 표면 처리에 의해 형성된 요철층(190)에 의해, 모재(110)와 절연층(160)의 계면 접착력을 향상시킬 수 있다. 또한, 실링층(170) 위에 계면 절연층(180) 및 접착층(200)을 형성한 후, 그 위에 배선층(120)을 형성하는 데, 이와 같이 추가된 계면 절연층의 두께 만큼 절연층(160)을 보다 얇게 형성할 수 있게 됨으로써 열저항은 줄이고 열전달은 향상시킬 수 있게 되며, 얇은 절연층으로 인해 감소된 절연 파괴전압 및 접착성은 계면 절연층(180)으로 보완하게 된다.

도 7 내지 도 9는 본 발명의 여러 변형예에 따른 회로 기판을 도시한 단면도이다.

도 7을 참조하면, 모재의 방열 특성을 향상시키기 위해, 모재(110)의 일 면에 다수개의 방열핀(112)을 형성할 수 있다. 즉, 다수개의 방열핀이 형성된 히트 싱크를 모재로 사용할 수 있다. 상기 모재(110) 위에 아노다이징 방법으로 형성되며 기공을 포함하는 절연층(160), 상기 절연층 위에 형성되며 상기 기공을 충진하는 실링층(170), 상기 실링층 위에 형성되는 접착층(200), 그리고 상기 접착층 위에 형성되는 배선층(120)을 포함한다. 이와 같이 방열핀이 형성된 히트싱크를 모재(110)로 사용하여 금속 인쇄 회로 기판을 제작하면, 종래에 금속 인쇄 회로 기판과 히트 싱크를 별도로 사용하고 계면에 실리콘과 같은 열전달 물질을 충진하여 결합하는 방식에 비해 재료 및 제조공정을 단순화하고 열저항을 크게 낮출 수 있는 장점을 가진다.

도 8을 참조하면, 모재의 방열 성능을 향상시키기 위해 상기 모재(110)의 타면에 순차적으로 형성된 하부 접합층(113)과 기공(115)이 포함된 다공성 금속층(114)을 더 포함할 수 있다. 상기 하부 접합층(113)은 모재(110)와 다공성 금속층(114)을 접합하기 위한 것으로, 모재(110)와 다공성 금속층(114)을 접합시키기 위해서는 솔더 접합, 용접, 초음파 접합, 체결부를 이용한 접합 등 다양한 공지의 기술이 있으므로 이에 대한 설명은 생략한다. 상기 다공성 금속층(114)은 예를 들어 구리, 알루미늄, 철, 니켈 등의 다공성 금속으로 이루어질 수 있으며, 상기 다공성 금속층(114)을 통해 본 발명의 인쇄 회로 기판에 실장될 전자부품에서 발생한 열을 효과적으로 방출할 수 있게 된다.

도 9를 참조하면, 모재의 방열 특성을 향상시키기 위해, 모재(110)에 히트 파이프(116)를 형성시킬 수 있다. 일반적으로 히트 파이프(116)는 열전도율이 높은 구리 또는 알루미늄 내부에 공극(118)을 형성하고, 상기 공극 내부에는 대기압 이하의 진공를 유지시킨다. 그리고, 물, 아세톤, 알콜과 같은 작동유체가 윅(117)(wick)이라는 다공성 채널을 통해 고속으로 이동하면서 열흡수 및 열방출을 하는 원리를 이용하고 있다. 따라서, 회로 기판의 모재(110)에 히트 파이프(116)를 형성하면, 히트 파이프(116)의 고속 열전달 특성에 의해 보다 열방출 특성을 향상시킬 수 있다. 도 9에서는 설명의 편의상 평판형 히트 파이프(116)의 단면을 예시하였으나, 컴퓨터 본체의 CPU(중앙처리장치) 소자의 방열을 위해서 통상적으로 많이 사용하는 히트 파이프 및 방열핀이 결합된 히트 파이프도 본 발명의 기술적 사상에 포함됨을 밝히며, 상세한 설명은 생략한다. 여기서, 도 7 내지 도 9의 모재(110) 상부를 표면 처리하여 요철층(미도시)을 형성시킬 수도 있으며, 이 요철층에 의해 모재(110)와 절연층(160)의 계면 접착력을 향상시킬 수도 있다. 또한, 실링층 위에 계면 절연층(미도시)을 더 형성할 수도 있다. 이 계면 절연층(미도시)의 두께 만큼 절연층(160)을 보다 얇게 형성함으로써 열저항은 줄이고 열전달은 향상시킬 수 있게 되며, 얇은 절연층으로 인해 감소된 절연 파괴전압 및 접착성은 계면 절연층으로 보완하게 된다.

또 하나의 변형예로서 도면으로는 도시하지는 않았지만 열전달 특성을 향상시키기 위해 모재(110) 하부에 카본나노튜브(CNT) 코팅을 실시함으로써 회로 기판의 열전달 특성을 향상시킬 수 있다. 일반적으로 CNT는 방열 특성이 매우 우수한 재료로 잘 알려져 있다. 이러한 CNT를 폴리에틸렌 또는 에폭시, 아크릴, 실리콘과 같은 폴리머 물질과 혼합하여 CNT 코팅액을 만든다. 이러한 CNT 코팅액을 모재(110) 하부 표면에 약 1 내지 30㎛의 두께로 분사한 후 경화 열처리하면, 대기로의 열방사율을 높일 수 있게 되어 금속 인쇄 회로 기판의 열전도율을 높일 수 있다.

다음으로, 도 10 내지 도 13를 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 회로 기판의 제조 방법을 설명한다.

본 발명의 실시예들에 따른 인쇄 회로 기판의 제조 방법은, 모재를 마련하는 단계, 상기 모재 위에 아노다이징법으로 절연층을 형성하는 단계, 금속염 실링법으로 상기 절연층을 1차 봉공 처리하는 단계, 비등수 실링법으로 상기 절연층을 2차 봉공 처리하는 단계, 상기 봉공 처리에 의해 형성된 실링층 위에 접착층을 형성하는 단계, 상기 접착층 위에 배선층을 형성하는 단계를 포함한다. 상기 단계들에 의하면 본 발명의 제1 실시예에 따른 인쇄 회로 기판을 제조할 수 있게 된다. 여기서, 상기 모재를 마련하는 단계 후에는, 상기 모재 상에 표면 처리에 의해 요철층을 형성하는 단계를 더 포함하여 본 발명의 제3 실시예에 따른 인쇄 회로 기판을 제조할 수 있게 된다. 또한, 상기 절연층을 2차 봉공 처리하여 실링층을 형성한 후에, 상기 실링층 위에 계면 절연층을 형성하는 단계를 더 포함하여 본 발명의 제2 실시예에 따른 인쇄 회로 기판을 제조할 수 있게 된다. 물론, 상기 더 포함되는 단계를 모두 포함시키면 본 발명의 제4 실시예에 따른 인쇄 회로 기판을 제조할 수 있게 된다.

전술한 제1 실시예 내지 제4 실시예에서 아노다이징 방법으로 절연층(160)을 형성하는 방법, 계면 절연층(180)을 형성하는 방법, 모재(110) 상에 표면처리에 의해 요철층(190)을 형성하는 방법에 대해 설명하였으므로, 이에 대한 설명은 생략한다.

먼저, 도 10에 도시된 바와 같이, 모재(110)를 마련한다. 상기 모재로서는 금속을 사용하는 것이 바람직하다. 특히, 상기 금속은 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 티타늄(Ti) 또는 이들의 합금 등과 같이 아노다이징을 통해 절연층 형성이 용이하도록 산화력이 높으며, 인쇄 회로 기판 내부에서 발생되는 열이 외부로 방출되도록 발열성이 높은 금속이 좋다. 일반적으로는 비용 및 상용화 정도를 고려할 때 상기 모재로서 알루미늄이 바람직하지만, 이에 한정되는 것은 아니다.

그 다음, 도 11에 도시된 바와 같이 상기 모재 위에 절연층(160)을 형성한다. 이때, 상기 절연층은 아노다이징 방법으로 형성할 수 있다. 아노다이징 방법으로 형성된 산화막에는 많은 기공이 형성되는데, 이 기공은 산화막의 절연성을 떨어뜨리는 원인이 된다.

따라서, 이를 방지하기 위해, 도 12에 도시된 바와 같이, 상기 기공을 충진하는 봉공 처리법을 수행하여 상기 절연층 위에 실링층(170)을 형성한다. 여기서, 종래보다 절연성이 강화된 실링층을 형성하기 위해, 적어도 1차례 이상의 봉공 처리 작업을 수행한다. 이를 위해 먼저, 예를 들어 니켈아세트산 등을 사용하는 금속염 실링법으로 상기 절연층을 1차 봉공 처리한다.

상기 금속염 실링법은 금속염 수용액에 양극산화 피막을 침지해 봉공하는 처리 방법이다. 이때, 금속염으로는 니켈, 코발트, 카드늄, 아연, 동, 알루미늄, 납 등의 착산염, 질산염, 황산염 등을 사용한다. 봉공의 메커니즘으로써는 이들 금속염 수용액이 양극산화 피막의 미세공에 들어가 가수분해하여, 수산화물이 침전되어 봉공하는 것이다. 일반적으로 사용되는 금속염은 착산니켈 또는 착산코발트이다. 본 발명에서 상기 금속염 실링법은 니켈아세트산을 5g/L의 농도로 첨가한 후, 상온에서 5분 동안 수행하는 것이 바람직하다.

그 다음, 비등수(沸騰水) 실링법으로 상기 절연층을 2차 봉공 처리한다. 상기 비등수 실링법은 양극산화 처리에 의해 형성된 Al₂O₃를 보오마이트(Al₂O₃H₂O)로 변화시키는 방법이다. 본 발명에서 상기 비등수 실링법은 증류수 또는 탈이온수(DI water, De-ionized water)를 90℃ 이상 가열한 후, 5분 동안 수행하는 것이 바람직하다. 후술하는 실험예를 살펴보면 비등수 실링 시간이 증가함에 따라 절연파괴 전압이 증가함을 알 수 있으며, 실험에 의하면 비등수 실링 시간은 2분 이상인 것이 더욱 바람직하다.

그 다음, 도 13에 도시된 바와 같이, 상기 실링층(170) 위에 접착층(200) 및 배선층(120)을 형성한다.

상기 접착층(200) 및 배선층(120)을 형성하는 방법은 크게 2가지로 나뉜다. 첫 번째 방법은 상기 실링층(170) 위에 에폭시, 폴리이미드, 또는 열경화성 폴리머 계열의 접착 물질을 스크린 프린팅, 잉크젯 프린팅, 또는 디핑 등의 방법으로 접착층(200)을 형성한 후, 상기 접착층 위에 일정 두께의 전해동박을 배치시키고 진공가압 열처리를 하여 패턴이 없는 배선층을 형성한다. 그 다음, 포토 공정을 수행하여 배선층(120)을 형성한다.

두 번째 방법은 에폭시, 폴리이미드, 또는 열경화성 폴리머 계열의 접착층 물질을 스크린 프린팅, 잉크젯 프린팅, 또는 디핑하고, 경화 열처리한 다음, 예를 들어 접착력이 우수한 크롬(Cr) 또는 티타늄-텅스텐 합금(TiW) 등과 같은 물질을 약 0.05 내지 0.3㎛의 두께로 스터터링하여 접착층을 형성한다. 그 다음, 상기 접착층 상에 금속 시드층(seed layer)을 코팅한다. 이때, 시드층은 접착층과 비슷한 두께로 형성될 수 있다. 이 후 전기 도금을 이용하여 패턴이 없는 배선층을 형성한다. 그 다음, 포토 공정을 수행하여 배선층(120)을 형성한다. 상기 포토 공정은 PCB 업계 및 반도체 업계에서 일반적으로 사용하는 어떤 재료나 공정을 이용할 수 있다.

실험예

[표1]은 아노다이징 방법으로 형성된 절연층에 니켈아세트산으로 1차 실링을 한 후, 비등수로 2차 실링한 인쇄 회로 기판의 절연파괴 전압 변화를 나타낸 표이다. 아노다이징 방법으로는 황산법을 사용하였으며, 이때 모재로써 사용한 금속은 알루미늄 합금 1050(알루미늄 함유량 99.5%이고, 불순물의 함유량이 0.5%인 알루미늄 합금계열), 아노다이징 수행시 황산의 농도는 10%, 전압은 15V, 전류 밀도는 1.5A/dm²에서 15㎛ 두께로 절연층을 성장시켰다. 이렇게 아노다이징으로 제조한 알루미나 산화막을 니켈아세트산으로 1차 실링을 수행하였다. 그 후, 비등수 실링을 추가적으로 시간에 따라 해 준 것이며, 그에 따른 절연파괴 전압을 각 10회씩 측정하여 평균한 것이다.

표 1

비등수 실링 시간에 따른 절연파괴전압의 변화

구 분	최소값	최대값	표준편차	평균값
니켈아세트산 실링	420	880	154	592
2분 비등수 실링	460	1280	327	939
5분 비등수 실링	680	1350	234	1055
10분 비등수 실링	860	1490	196	1122

비등수 실링의 시간이 증가함에 따라 절연파괴 전압이 증가하였으며, 비등수 실링을 한 인쇄 회로 기판의 절연파괴 전압의 표준편차도 감소하였다. 따라서 아노다이징 방법으로 형성된 알루미나 산화막을 1차로 니켈아세트산 실링을 해 주고, 2차로 비등수 실링을 추가적으로 해 주었을 경우, 15㎛ 두께의 얇은 산화막에서도 충분히 높은 절연파괴 전압을 얻을 수 있음을 알 수 있다.

참고적으로 현재까지 LED용 금속 인쇄 회로 기판의 표준이나 규격은 전세계적으로 전혀 정해지지 않은 상태이다. 그러나 LED 칩은 통상적으로 3V 내외의 입력 전압을 가지므로, LED용 회로 기판의 경우 대략적으로 500V 이상의 절연파괴전압을 가지면 응용하는데 거의 문제가 없는 것으로 알려져 있다. 따라서 상기 [표1]을 참조하면 니켈아세트산 실링 공정을 최적화하면, 추가적인 2차 실링을 하지 않더라도 LED용 회로 기판으로 사용할 수 있을 것으로 예측된다. 그러나 고출력 반도체용 회로 기판 등에 응용하기 위해서는 수 kV 이상의 절연파괴전압을 요구하고 있다. 따라서 본 발명에서의 1차 금속염 실링 및 2차 비등수 실링을 통해 충분히 절연파괴 전압을 높이고 난 후, 추가적으로 에폭시와 폴리이미드, 열경화성 폴리머 등과 같은 접착층을 통해서 절연파괴전압을 한층 더 높일 수 있다. 보통 에폭시의 종류와 특성에 따라 다르지만 10㎛의 두께가 수백 V의 절연파괴 전압을 상승시키는 것으로 알려져 있다.

이상과 같이 본 발명에 따른 회로 기판 및 그 제조 방법을 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상 범위내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.

Claims

모재;

상기 모재 위에 형성되며, 기공을 포함하는 절연층;

상기 절연층 위에 형성되며, 상기 기공을 충진하는 실링층;

상기 실링층 위에 형성된 접착층; 및,

상기 접착층 위에 형성된 배선층

을 포함하는 회로 기판.
청구항 1에 있어서,

상기 모재는 알루미늄, 마그네슘, 티타늄 또는 그 합금 중 적어도 어느 하나를 포함하는 회로 기판.
청구항 1에 있어서,

상기 모재는 방열핀, 다공성 금속층, 히트 파이프, 또는 CNT 코팅층이 형성된 회로 기판.
청구항 1에 있어서,

상기 모재는 표면 처리에 의해 형성된 요철층을 포함하는 회로 기판.
청구항 1에 있어서,

상기 실링층은 금속염 실링법에 의해 형성된 제1 실링층과 비등수 실링법에 의해 형성된 제2 실링층을 포함하는 회로 기판.
청구항 1에 있어서,

상기 접착층은 에폭시, 폴리이미드, 또는 열경화성 폴리머로 이루어진 회로 기판.
청구항 1에 있어서,

상기 실링층과 상기 접착층 사이에 형성된 계면 절연층을 포함하는 회로 기판.
청구항 1에 있어서,

상기 절연층과 실링층을 합한 두께는 5 내지 40㎛인 회로 기판.
청구항 7에 있어서,

상기 계면 절연층은 0.05 내지 20㎛의 두께로 형성되는 회로 기판.
모재를 마련하는 단계;

상기 모재 위에 아노다이징법으로 절연층을 형성하는 단계;

금속염 실링법으로 상기 절연층을 봉공 처리하여 실링층을 형성하는 단계;

상기 실링층 위에 접착층을 형성하는 단계;

상기 접착층 위에 배선층을 형성하는 단계

를 포함하는 회로 기판 제조 방법.
청구항 10에 있어서,

상기 금속염 실링법으로 상기 절연층을 봉공 처리한 후, 비등수 실링법으로 상기 절연층을 2차 봉공 처리하여 실링층을 형성하는 회로 기판 제조 방법.
청구항 10에 있어서,

상기 모재를 마련하는 단계 후에, 상기 모재 상에 표면 처리에 의해 요철층을 형성하는 단계를 포함하는 회로 기판 제조 방법.
청구항 10에 있어서,

상기 실링층을 형성하는 단계 이후, 상기 실링층 위에 계면 절연층을 형성하는 단계를 포함하는 회로 기판 제조 방법.
청구항 13에 있어서,

상기 계면 절연층을 형성하는 단계는 스퍼터링법, 진공 증착법, 화학 기상 증착법CVD, 상압 플라즈마 증착법, 졸겔법, 용사법, 스크린 프린팅법, 잉크젯 프린팅법, 디핑법(dipping), 분사법 중 적어도 어느 하나의 방법을 사용하여 형성하는 회로 기판 제조 방법.