33 < 연구논문 > ISSN 1225-8024(Print) ISSN 2288-8403(Online) 한국표면공학회지 J. Kor. Inst. Surf. Eng. Vol. 48, No. 2, 2015. http://dx.doi.org/10.5695/jkise.2015.48.2.33 Metal PCB 에있어서양극산화법으로제작한 Al 2 O 3 절연막의방열특성 조재승 a, 김정호 a, 고상원 b, 임실묵 b* a 주식회사제이스, b 한국산업기술대학교신소재공학과 Heat dissipation of Al 2 O 3 Insulation layer Prepared by Anodizing Process for Metal PCB Jae-Seung Jo a, Jeong-Ho Kim a, Sang-Won Ko b, Sil-Mook Lim b * a Jeis Co., Ltd Gyeonggi-do, Ansan 425-851, Korea b Department of Advanced Materials Engineering, Korea Polytechnic University, Siheung 429-793, Korea (Received March 19, 2015 ; revised April 17, 2015 ; accepted April 20, 2015) Abstract High efficiency LED device is being concerned due to its high heat loss, and such heat loss will cause a shorter lifespan and lower efficiency. Since there is a demand for the materials that can release heat quickly into the external air, the organic insulating layer was required to be replaced with high thermal conductive materials such as metal or ceramics. Through anodizing the upper layer of Al, the Breakdown Voltage of 3kV was obtained by using an uniform thickness of 60 µm aluminum oxide(al 2 O 3 ) and was carried out to determine the optimum process conditions when thermal cracking does not occur. Two Ni layers were formed above the layer of Al 2 O 3 by sputtering deposition and electroplating process, and saccharin was added for the purpose of minimizing the remain stress in electroplating process. The results presented that the 3-layer film including the Ni layer has an adhesive force of 10N and the thermal conductivity for heat dissipation is achieved by 150W/mK level, and leads to improvement about 7 times or above in thermal conductivity, as opposed to the organic insulation layer. Keywords : heat dissipation layer, anodizing aluminum oxide, LED insulation layer, ceramic insulation layer, LED PCB, thermal conductivity 1. 서론 화합물반도체에있어서전자와정공의결합에의해빛을방출하는소자인 LED (Light Emitting Diode) 는저전력소비형조명기구로서활발한보급 1) 이이루어지고있으나, 사용전력의대부분이열로변환 (75-85%) 됨으로써발생열의소자부위축적에따른수명단축및효율저하등이문제로대두되고있어, 2,3) LED 칩의발생열로인한문제를최소화하기위해발광효율을높이거나 4) 패키지의구조개선 5,6) 을 *Corresponding Author : Department of Advanced Materials Engineering, Korea Polytechnic University E-mail : smlim@kpu.ac.kr 통하거나고열전도율재료적용 7,8) 을통한방열효과증대화가활발히연구되고있다. 고열전도율재료적용의경우주로사용되는 Al 등의금속계 PCB 는 PCB 와 LED 칩과의전기적분리를위해에폭시계의유기물재료가적용되고있으나, 장시간고온환경에의노출에따라박리현상이발생하고열전달특성이낮음으로인해방열특성이저하되는단점이있으며, 이를대체하고자하는산화물계의세라믹 PCB 또한안정적이고내구성있는계면확보의어려움과고가격화에따른적용성제약이문제시되고있다. 11) 고온용산화물계 PCB (Printed Curcuit Board) 대비하여우수한열전도성및내열성의특징을갖는 Al 계 PCB 의일반적인구조 (module on Package) 는 LED 칩, 절연층 (Insulation layer), Al PCB, TIM
34 조재승외 / 한국표면공학회 48 (2015) 33-37 Table 1. Sputtering conditions for Ni electrode layer. Fig. 1. Schematic diagram of LED package structure. Base pressure Working pressure Working gas and flow rate Discharge power substrate temperature 3.3 10-6 Torr 7.5 10-2 Torr Ar, 70 sccm 3kW 150-200 o C (thermal interface material), Heat sink 로구성되어있다 ( 그림 1). 10) 본연구에서는고출력 LED 등고온환경에도적용가능한금속계 PCB 를제작하기위한시도로서, 패키지와 Al PCB 사이에적용되는에폭시를내열성의세라믹으로대체하고자, Al 제의금속 PCB 표면을양극산화법 (Anodizing) 으로처리하여산화알루미늄화 (Al 2 O 3 ) 하여적용함으로써전기적절연성과내열성을확보하고자하였다. 절연성이확보되는조건에서산화알루미늄두께를최저화함으로써고열전도특성을확보하여, PCB 에서발생하는열을신속히외부로방열함으로써고온환경에서내구성이확보되는금속 PCB 형성기술을제안하고자하였다. 양극산화로형성한이산화알루미늄상부에는 Ni 금속전도막을건식스퍼터링법과습식전해도금법을이용하여순차형성시켜전기회로용으로의적용가능성을확인하였으며, 다층성막한피막에대한밀착력등의기계적특성, 절연성및전기전도성의특성을조사하였다. 2. 실험방법 절연층형성을위한양극산화법으로는낮은전압이소요되고비독성공정의특징을갖는황산법을사용하였으며, 산화피막의특성을조정하기위해서처리액의종류와농도, 전해액의온도, 전류밀도와처리시간등을적절히조절하였다. 전해액 ( 황산 ) 농도는 10-20%, 전해조온도는 0 o C, 10 o C 및 20 o C 에서, 사용전압은교류 15-25 V, 직류 12-20V, 전류밀도 0.5-1.3 A/dm 2 조건에서진행하였고, 목표피막두께 60 µm 의형성을위해 5-100 분의공정시간을적용하였다. 전류의공급상태에따라피막의두께및기공크기등의조건이변화하고, 경우에따라양극산화피막의파괴도발생할수있음에따라전류밀도를주요변수로설정하여공급하였다. 시편은 1050 계 Al 판재 (20*20*2 mmt, 순도 99.5%, 알코아 ) 를세정건조하여사용하였고, 양극산화피막에서의크랙발생여부는광학현미경관찰 ( 배율 400 배 ) 로확인하였다. 산화물화로확보되는전기절연 성은절연파괴전압에해당하는내전압을측정 (one ball 법, 승압속도 10 V/s, 5 개소값평균하여채택 ) 하여평가하였고, 피막의외형과단면은광학현미경과주사전자현미경 (Scanning Electron Microscope, Hitachi) 을이용하여관찰하였다. 양극산화피막형성을통해얻은절연층상부에통전성을갖는 Seed layer 용전극은 Ni 타겟 ( 순도 99.9%, Tasco) 을사용하여직류스퍼터링법 (DC magnetron sputtering M/C, 삼한진공 ) 으로약 0.01 µm 두께의 Ni 을성막하였고, 이 Seed layer 를전극으로하여상부에전해도금법으로 Ni 피막을형성시켰다. Seed layer 용 Ni 형성을위한구체적인실험조건은표 1 에표기하였다. 전해도금법으로 Seed layer 상부에형성시키는전기회로용 Ni 박막은도금응력을최소화하기위해 NiSO 4 5H 2 O 를주요전해액으로, stress reducer 로서 saccharin 을사용하여제작하였다. 전해도금에의한 Ni 피막의계면밀착력은 Scratch tester(kipae ENT) 로측정하였고, 열충격저항성 (20 o C 와 120 o C) 은열충격시험기로 5 회반복처리한후표면상태의변화발생유무를관찰하였으며, 피막의잔존응력은 deposit stress analyzer (Specialty Testing, 683EC) 로각각측정하였다. 잔존응력은성막필름을수직방향으로설치한후, 필름이휘어지는방향을통해인장혹은압축응력의형성여부를판단하고, 필름이휘어지는정도를하부에설치한응력환산표 (MPa) 를목시관측하여채택하였다. 3 층막으로형성된다층피막의열전도성은 IR 센서에의한비접촉식상승온도측정법 (KS L 1604:2007) 으로측정 (NETZCH, LFA447) 하였다. 본연구에서진행한실험의전반적인흐름을그림 2 에나타내었다. 3. 실험결과및고찰 3.1 양극산화법에의한 Al 2 O 3 절연층형성및특성세정등의전처리를진행한알루미늄시편양극에전압을가한후통전하여양극산화반응을진행하여표면에산화알루미늄 (Al 2 O 3 ) 피막을형성시켰다. 형성된피막의전자현미경관찰상인그림 3 을
조재승외 / 한국표면공학회 48 (2015) 33-37 35 Fig. 4. Thermal shock test for Al 2 O 3 layer anodized with various H 2 SO 4 composition and temperature. Fig. 2. Experimental flow for film making and measurement. Fig. 5. Breakdown voltage and pore size of Al 2 O 3 layer with various thickness. Fig. 3. Cross-sectional (a, X500) and surface (b, X50,000) SEM image of Al 2 O 3 thin film on Al substrate. 통해확인되는바와같이, 산화알루미늄피막은다수의연구결과 12,13) 와유사한매우작고균일된많은수의다공성피막형태로성장하였음이확인되었고, 두께는 60 µm 내외로측정되었다. 이산화알루미늄피막의내열특성이제조조건특히황산의조성및양극산화반응조의온도에따라변화함에따라황산조성및반응온도를변화시켜시료를제조한후, 열충격시험에대한표면상태를광학현미경으로관찰하여, 그결과를그림 4 에나타내었다. 열변화에대한내충격성을갖는최적의양극산화피막은황산 10%, 온도는 0-20 o C ( 약간의 Powdering 현상있음 ), 전류밀도 1A/dm 2, 전해반응유지시간 30 분의제조공정조건에서확보할수있었다. 산화알루미늄의두께는실험조건에의해 10-100 µm 범위내에서비교적자유로이조정가능하며, 내전압특성은그림 5 에나타내는바와같이두께의변화에의존하는경향을알수있다. 양극산화막표면에형성되는 pore 의크기는 10-30nm 범위의직경 (50,000 배율의전자현미경관찰상에서직경대표성을갖는 20 개 pore 를대상으로측정한평균값 ) 을가지며동일조건의양극산화법내에서는두께변화에대해특정한경향의의존성을갖지않음이확인되었다. 3.2 회로용 Ni 전극막형성및특성 Al 2 O 3 절연막상부에회로용 Ni 막을전해도금으로형성시키기위한도전전극용으로 DC-Magnetron sputtering 법을이용한 0.8 µm 두께의박막 Ni 을형성시키고, 이 Ni 막을전극으로이용하여 40 µm 두께의 Ni 막을전해도금법으로순차형성시켰다. 그림 6 에아노다이징처리한 Al 2 O 3 층위에 Ni 층이형
36 조재승외 / 한국표면공학회 48 (2015) 33-37 Fig. 6. Cross-sectional SEM image of two Ni layers by sputtering and electroplating on Al 2 O 3. (sputtering 법에의한 Ni 및전해도금법에의한 Ni 박막 ) 의계면밀착력측정을위해 scratch test 를실시하였다. Al 표면에형성시킨 3 개층의다층박막이보이는계면밀착력은 Scratch tester 에의해 10N 으로측정되어, 일반적인증착법에의한동박형성에대한결과치 ( 약 4N) 대비우수수준으로, 캐스팅및라미네이팅방식에대한결과치 ( 약 10N) 대비동등수준으로확인되어, 보편적인환경에서의 PCB 적용에는문제가없는것으로판단된다. 14,15) IR 센서에의한비접촉식상승온도측정법에의해다층박막의열전도특성을측정한결과, 150 W/mK 의결과를얻었다. 이는일반 Metal PCB( 본연구결과와열특성을비교하기위해동일형태및동일구조로제작하되절연층만을에폭시수지물질로적용한것 ) 에서얻는 20.8 W/mK 의 7 배이상의고열전도특성에해당하는값이다. 4. 결론 Fig. 7. Total stress of Ni electro-plated layer with various Saccharin concentration. 성된단면이미지를표기하였으며, EDS 로확인한 Ni 박막은잔존탄화수소로인한탄소이외의불순물이존재하지않는순수 Ni 층임을확인하였다. 전해도금법의 Ni 박막화과정에도입되는인장응력과압축응력의잔존응력은시간의경과에따라다층박막의박리현상으로이어짐에따라, 응력의최소화를위한완화제로서 Saccharin 을사용하여제거하고자하였다. 응력완화제의투입농도에따른 Ni 박막의잔존응력을측정하여그림 7 에나타내었다. 잔존응력은수직방향으로설치한박막형성부의휘어지는방향에따라인장응력과압축응력여부를판단하였다. 목시관측으로판단한결과로, 응력완화제미적용시에는 25 MPa 수준의높은인장응력형성결과이나, 완화제로서 Saccharin 적용시필름의곡률이확인되지않을수준으로대부분제거됨이확인되었으며, Saccharin 0.005M 이상의결과에서는약간의인장응력형성내지는응력의대부분이해소된결과를얻을수있었다. 3.3 다층박막의특성양극산화막 (Al 2 O 3 ) 과상부에형성시킨전극막 본연구에서는 Metal PCB 의방열특성을개선시키기위해기존에절연층으로적용되어온에폭시계수지물질을산화물 (Al 2 O 3 ) 로대체하고자양극산화법을이용하여절연층을형성시키고, 그상부에스퍼터링법과전해도금법으로회로용전극물질을순차형성하여그특성을평가하였다. 양극산화법을이용해 50-60µm 두께로형성한이산화알루미늄피막에서내전압값은약 3kV 내외의결과를얻었으며, 안정적인열충격저항을갖는최적의제조조건을확보하였다. 이산화알루미늄상부에형성시킨회로용 Ni 박막을포함하는 3 층박막에있어서의계면밀착력은 10N 이상값을확보하였고, 방열특성을위한열전도특성은 150 W/mK 수준으로기존기술이적용되는유기물질계대비하여약 7 배이상의개선효과를얻었다. References 1. Z. G. Piao, E. A. Moon, I. J. Kim, G. B. Cho, and H. C. Kim ; J. of Advanced Engineering and Technology, 2 (2009) 165. 2. J. Hu, L. Yang, and M. W. Shin ; J. Phys. D: Appl. Phys., 41 (2008) 035107. 3. M. H. Shin and J. P. Kim ; Introduction to LED Packaging Technology, Bookshill co., (2008) 289. 4. S. Y. Jung and T. Y. Seong ; Electron. Mater. Lett., 8 (2012) 549. 5. J. C. Hsieh, D. T. W. Lin, and C. H. Cheng ; IEEE Transaction on Electron Devices, 58 (2011) 1141.
조재승외 / 한국표면공학회 48 (2015) 33-37 37 6. L. Kim and M, W. Shin ; IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies, 30 (2007) 897. 7. H. H. Kim, S. H. Choi, S. H. Shin, Y. K. Lee, S. M. Choi, and S. Yi ; Microelectron. Reliab., 48 (2008) 445. 8. M. K. Ko, J. H. Ahn, Y. C. Lee, K. S. Kim, J. W. Yoon, and S. B. Jung ; Korean J. Met. Mater., 50 (2011) 71. 9. Y. B. Yoon and J. W. Park ; IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies, 32 (2009) 825. 10. D. W. Hong, S. J. Lee and J. H. Cho ; Korean Journal of Optics and Photonics, 20 (2009) 236. 11. Kelvin Shih ; LED Junction Temperature Measurement and its Applications to Automotive Lamp Design, SPE international, (2004) 25. 12. J. H. Yuan, F. Y. He, D. C. Sun, and X. H. Xia ; Chem. Mater., 16 (2004) 1841. 13. W. Bensalahy, M. Feki, M. Wery and H.F. Ayedi ; J. Mater. Sci. Technol., 26(2010) 113. 14. 장동규, 신영의, 최명기, 남원기, 신현필, 박영상 ; PCB SMT 품질관리, 도서출판골드, 서울 (2006) 667. 15. 장동규, 신영의, 최명기, 남원기, 홍태환 ; PCB 핵심기술핸드북, 도서출판골드, 서울 (2005) 441.