최근 기존보다 더욱 높은 주파수와 성능에서 작동하기 위한 소형화·신속성·비용 효율성이 강조됨에 따라 전자 모듈 및 어셈블리에서 열을 낮춰야 할 필요성이 높아지면서, 이에 대한 대안으로 열 전도성 인쇄 회로 기판 또는 절연 금속 기판이 솔루션으로 주목받고 있다.

따라서 이 글에서는 성능, 구성, 처리, 향후 개발 방향 측면에서 열 전도성 인쇄 회로 기판의 동향에 대해 살펴본다.

전자장치 및 기판의 구성요소 레벨에서 최근 효과적인 열 관리 방안에 대한 관심이 지속적으로 증가하면서 열 전도성 인쇄 회로를 개발하려는 움직임을 보이고 있다.

일반적으로 기판 구성요소를 통해 열을 분산하는 데 사용하는 기본 금속 코어로 구성된 인쇄 회로 기판인 금속절연기판(IMS)이나 금속 코어 인쇄 회로 기판(MCPCB)은 높은 온도의 코어를 효과적으로 낮춰주는 효과가 있다. 이러한 기판은 주로 기존의 히트-싱크/팬 냉각 기법이 효율적이지 못하거나 크기 및 비용 면에서 제약이 발생할 때 사용한다.

이 글의 목적은 성능, 구성, 처리, 향후 개발 방향 측면에서 열 전도성 인쇄 회로 기판의 동향에 대해 살펴보기 위함이다.

특히 절연 금속 코어 기판을 특정 상황에서 응용할 때 적절한 IMS 재료를 선택하는 방안(열 기계적, 열적 성능 및 비용)에 대해서 집중적으로 살펴본다.

우선 효과적인 열 관리를 위한 현재 추세에 대해 알아본다.

• MLB 소형화

• 열 성능

• HDI

• MLB 내의 내장형 기술

• 플렉스 및 형성 가능한 회로

• 발광 다이오드(LEDs)

최근 기존보다 더욱 높은 주파수와 성능에서 작동하기 위한 소형화·신속성·비용 효율성이 강조됨에 따라 전자 모듈 및 어셈블리에서 열을 낮춰야 할 필요성이 높아지고 있다.

한편 자동차 엔지니어링 분야에서 기존에 기계적으로 하던 기능들을 현재는 전자적으로 해결할 수 있는데, 그 대표적인 예가 바로 브레이크와 파워 스티어링이다. 

이를 실현하기 위해서는 전력 전자장치의 DC 전력공급장치, 인버터, 전력제어기, 모터 드라이버의 설계를 달성하는 단계에서 열 관리가 중요한 요소로 꼽히고 있다.

최근 가격대비 효율적인 열관리인 IMS 솔루션에 대한 시장 수요가 커지는 데에는 전 세계적으로 자동차 LED 조명 기술의 성장이 큰 역할을 하고 있다.

▲ 그림 1. IMS 구조

그 이유는 LED 조명이 열을 유발하기 때문인데, 이를 열 관리를 통해 시원하게 유지하면 구성요소 수명이 증가해 궁극적으로는 제품 수명 증가와 신뢰성 확보에 도움이 된다. 또한 고비용이면서 많은 부피를 차지하는 냉각팬과 히트싱크를 제거함으로써 크기를 줄이고 시스템 비용을 절감해야 할 필요성 또한 높아지기 때문에 IMS 사용이 늘어나고 있다.

다음은 LED의 주요 응용 부문을 나타낸다.

• 백라이트 유닛

• 노트북 및 테스크탑 컴퓨터

• 고급 TV

• 의료/산업용 고급 모니터

• 범용 조명

• 거리 안전

• 자동차

HB LED(High Brightness LED) 기술이 급격히 발전함에 따라 전 세계적으로 친환경 LED 조명을 설치하려 하고 있다. 뿐만 아니라 가정, 산업, 자동차 부문에서 HB LED 기술 채용이 폭발적으로 늘어나는 추세다.

이러한 상황에서 표준 FR-4 라미네이트가 약 0.25W/mK의 열 전도성 계수를 가지고 있는 반면, 열 전도성 프리프레스, 라미네이트 및 절연 금속 기판은 최대 8W/mK의 열 전도성 계수를 보유하며 지속적으로 개발이 이루어지고 있다.

글로벌 규정이 더욱 엄격해짐에 따라 에너지 효율성이 더욱 높은 조명에 대한 수요와 보급이 증가했으며, 이로 인해 글로벌 에너지 격차가 벌어지고 있다.

이는 글로벌 조명 시장에서 LED 기술이 2020년까지 46% 이상을 차지할 것이라는 당초 예상과는 달리, 최근 70%가 넘을 것으로 예측한 것을 보면 알 수 있다.

LED를 선택하는 데 있어서 고려해야 할 사항 중 하나는 밝은 조명을 유지하면서 LED 유닛 자체 또는 Junction 과열 없이 컬러 스펙트럼을 유지하기 위해 적절한 열 관리가 병행되는지 여부이다. 

이는 LED의 수명이 작동 온도와 긴밀한 관계가 있기 때문이다. 만약 온도가 10℃ 감소한다면, LED의 수명은 거의 두 배로 늘어날 것이다.

그렇다면 열을 분산하는 효율적인 방법은 무엇이 있을까? 전도, 대류 또는 방사 냉각으로 가능할까? 아마도 열전달의 가장 효율적인 방법은 기판을 통한 전도(conduction)일 것이다.

수많은 전력 전자장치 및 언더-보닛 자동차 장치는 양호한 열 전도성을 갖는 세라믹 DBC(Direct Bonded Cop-per) 기판을 사용해 구축되며, 특히 베릴리아, 질화 실리콘, 질화알루미늄 등의 재료들은 비싸긴 하지만 알루미나보다 열전도율이 훨씬 우수하다는 특징이 있다.

이외에도 IMS 사용에 있어서 눈에 띄는 증가세를 보이는 분야로 전력 변환 시스템(텔레콤, 산업, 고전압 레귤레이터, 전력공급장치) 및 하이브리드/전기 모터 컨트롤 애플리케이션을 꼽을 수 있다. 이 같은 분야는 일반적으로 IMS 인쇄 회로의 보다 복잡한 구조를 사용한다.

▲ 그림 2. 전형적인 LED의 열 분해

주요 LED 기판의 4가지 유형

1. ‌금속 코어 PCBs/IMS·절연 금속 기판

2. ‌전형적인 PCB·mid- 및 High-Tg FR-4

3. DBC·Direct Bonded Copper

4. ‌LTCC·Low Temperature Co-fired Ceramic

LED 제조업체들은 전력 전자장치 분야에서 패키징 기술을 채택함으로써, 반도체부터 기판에 이르기까지 효율적인 열 결합(coupling)을 제공할 수 있다.

일반적으로 인쇄회로 재료는 우수한 전기 절연 특성이 있다고 알려졌지만, 사실 열 절연 또한 매우 우수하다.

기존에는 내부 혹은 외부 열싱크 및 팬을 통합해 열 분산을 촉진하는 방법을 사용했다. 하지만 이런 경우에는 열 비아홀 또는 결합된 알루미늄 열 단계(ladder)를 가진 무거운 구리 내부 층이 적용되더라도 재료 및 성형성 측면에서 잠재적으로 큰 비용이 추가적으로 발생할 것이다.

IMS로 알려진 열 전도성 인쇄 회로 라미네이트 제품군은 HB-LED 응용 회로 제조에 있어서 기본 재료로 선호받고 있다. 또한 특정 구성에 부합하는 광범위한 열 전도성, 양호한 기계 안정성, 간소화된 구성을 통한 비용 효과적인 성능을 제공한다.

열 전도성 측면에서 좋은 다른 재료들을 사용할 수도 있지만, 그 재료들은 아직 성형성, 비용 및 재료 견고성 측면에서 많은 문제가 남아 있다.

다른 열원(Light Source)과 마찬가지로 LED도 열을 발생시키는데, 이러한 열은 LED 칩의 온도를 상승시키는 요인으로 작용한다. 온도가 상승함에 따라 빛 변환 효율성 저하, LED의 장기적 수명저하, 빛의 밝기 저하가 큰 문제로 발생할 수 있다.

LED에 의해 발생한 열은 백열전구에 의해 발생한 열과는 상당히 다른 면이 있다.

LED에 의해 발생한 열은 열이 칩에 잡혀있기 때문에 낮은 열 저항 경로를 통해 열을 전도시킬 필요가 있으며, 이를 통해 높은 수명 주기를 달성할 수 있다. 

더 나아가 LED 칩뿐만 아니라 LED 라이트 플랫폼으로부터 열을 제거해야 할 필요가 있다. 

열 싱크는 조명기구 그 자체일 수도 있다. 열의 최고 전도체는 금속이므로, LED 조명을 커다란 금속 물체로 히트싱크하면 최적의 열전도를 제공할 수 있는데, 바로 이 지점에서 IMS 또는 MCPCBs가 개입한다.

하지만 이와는 대조적으로 백열전구는 대부분의 열을 대기로 방사해 전구를 냉각시키는 데 큰 도움을 준다. 또한 Edison 소켓으로 상당한 열을 전도하지 않아 상대적으로 차가운 상태를 유지할 수 있다.

IMS 재료는 일반적으로 열 전도성 유전층(Dielectric Layer)으로 이루어져 있는데, 이 유전층은 세라믹 타입의 필러가 장착되어 있으며 구리 호일과 알루미늄 플레이트 사이에 끼어있다.

알루미늄은 탁월한 기계적 속성으로 인해 보조 기판으로 폭넓게 사용되고 있다(이 외에 구리와 스틸 플레이트도 사용됨).

필러를 선택하는 데 있어 열 전도성, 비용 및 전기 절연 특성 간 균형을 이루는 것이 중요하다. 표 1을 보면 질화알루미늄 및 질화붕소가 우수한 항복 전압을 보이며 최고의 열 전도성을 제공한다는 것을 알 수 있다. 

▲ 표 1. 필러의 열 전도와 파괴 전압 영향, ++ : 매우 좋음, + : 좋음, - : 나쁨,

-- : 매우 나쁨

또한 알루미늄이 더 높은 항복 전압을 제공하지만 열 전도성은 더 낮다는 것을 확인할 수 있다. 많은 자료를 비교해 장기간 신뢰성과 성능 요구사항이 균형을 이루어야 한다는 것을 염두하고 필러 블렌드를 선택해야 한다.

전형적인 PCB 기판은 우수한 전기 절연을 확보할 수 있도록 고안되며, 유리 구성요소로 인해 열 절연체로서도 우수한 성능을 보인다.

열 전도성 세라믹 필러로 수지(resin)를 로딩함으로써, 기존 유리 타입 프리프레그의 열 전도성을 높일 수 있다. 이러한 재료들은 다층 PCB 구조를 만드는 데 사용할 수 있으며, 열 전도성 프리프레그를 사용해 이 다층 PCB 기판을 열 분산 기반에 결합하는 데 사용할 수 있다.

절연 금속 기판은 현재 상용화되어 특정 요건에 맞춘 맞춤형 제작, 우수한 기계적 안정성, 광범위한 열 전도성을 통해 비용 효과성을 제공한다.

IMS는 새로운 개념이 아니다. 이미 1960년대부터 사용되어 왔지만, 최근 들어 많은 수요로 인해 향상된 버전이 개발되고 대량 생산이 되는 것이다.

유전층의 기능

• 열 전도성

• 전기 절연

•‌ 접착제 촉진·구리 및 알루미늄과 결합

•‌ 유리 섬유 강화 또는 비강화 유전체 중에서 선택

유전체는 열전도, 절연, 결합 촉진 등 다양한 기능을 제공한다. 일반적으로 유전체는 세라믹 필러가 장착된 라미네이팅 수지로서, 순수 IMS일 경우 금속 기판, 라미네이트, 구리 호일과의 결합을 우수하게 하기 위해 고안됐다.

전형적인 FR-4 유리 강화 유전체는 열 및 전기 저항력을 갖춘 장벽을 만든다. 이 단계에서 열 전도성 유리 강화 유전체는 표준 FR-4보다 열 전달률이 12배 이상 높고, 비강화 유전체를 사용할 경우에는 무려 25배 이상 열 전달률이 증가한다. 

표 2에서 볼 수 있듯이 강화 유전체 및 비강화 유전체 간의 선택은 상쇄관계라고 볼 수 있다. 

▲ 표 2. 강화 유전체 및 비강화 유전체 비교

유리 강화 재료는 두께 균일성이 약간 더 우수하고, 항복 전압이 더 높은 대신 비용은 저렴한 특성을 같고 있다. 여기서 말하는 상쇄관계는 유리 강화 재료의 최대 열 전도성이 낮아진다는 것인데, 이 점이 단점이라고 볼 수만은 없다. 

그 이유는 해당 작업을 진행하는 데 있어서 최적의 재료를 선택해야 하기 때문이다.

한편 일반적으로 강화 유전체는 열 전도성이 낮고 항복 전압은 더욱 높은 편이며 두께 균일성도 약간 더 우수한 편이다. 

또한 유리 강화 유전체는 비강화 유전체보다 가격이 저렴한데, 그 이유는 비강화 유전체는 초기에 유전 파괴를 유발할 수 있는 이물질 미립자의 흔적을 없애고 필러 분산 균일성을 보장하기 위해 제조 통제를 필요로 하기 때문이다. 

또한 두께 분산 고려사항으로 인해 대부분의 제조업체는 작은 패널 사이즈 상에 비강화 재료를 라미네이트만 진행해 단위 비용을 높이고 잠재적인 응용에 제약을 가져올 수 있다.

IMS 라미네이트의 전형적인 특징을 살펴보자면 알루미늄 두께가 0.5∼ 3.0㎜이고, 기계적 요건을 충족하기 위해 여러 등급에서 사용할 수 있게 했으며, 구리는 18 ∼410um, 유전체 두께는 <50 ∼ 150㎛를 갖는다.

인쇄 회로는 전형적인 인쇄-에칭 기법으로 제조된다. 알루미늄은 벗겨낼 수 있는 필름을 통해 에칭 동안 보호되며, 단일층 기술은 대부분의 응용에서 적합하지만, 다층 구성은 열 전도성 프리프레그로부터 구성된 얇은 라미네이트 및 열 전도성 프리프레그를 사용해 순차적 라미네이션을 통해 실현할 수 있다.

Watt per Metre-Kelvin(W/mK)

W/mK는 열 전도성을 나타낼 때에 보편적으로 사용하는 단위이며, 정의는 다음과 같다.

· 열을 전도하기 위한 물질의 성능을 측정하는 것으로써, 물질에서 해당 영역을 통해 일반적으로 흐르는 열 흐름을 해당 영역으로 나눈 후, 흐름 방향에서 온도 기울기를 뺀 다음 결정한다. 측정은 watts per metre per Kelvin으로 이루어진다.

Symbol λ, k는 전도성을 단축한 형태로써, 열 전도성의 계수로 알려져 있다. 이는 계수이기 때문에 두께와 함께 고려해야 할 필요가 있다. 

또한 열 임피던스는 CTE 대 두께의 비율로써 보다 실용적인 매개변수라고 할 수 있다.

따라서 높은 W/mK 값을 요구하기보다는, 낮은 유전체 두께 하에서 낮은 W/mK가 저렴한 비용으로 동일한 열 임피던스를 제공할 수 있는지를 고려해야 한다. 

만약 유전체의 강도가 충분하다면 높은 작동 전압에서 이 부분이 중요한 고려사항이 될 수 있다. 또한 대부분의 LED와 저전압 애플리케이션의 경우에는 더 낮은 W/mK 값의 재료가 최적이다.

▲ 표 3. 열적 임피던스 변화

유전체 두께와 열 임피던스 절반으로 감소

앞서 기술한 것처럼 열 전도성은 수학적으로 보면 방정식의 일부에 지나지 않는다. 

유전체 두께를 절반으로 줄이면 열 임피던스가 반으로 감소하고, 실질적으로 열 용량은 두 배 가량 늘어난다. 하지만 이로 인해 다음과 같은 문제가 발생할 수 있다.

• 유전체의 두께 제어

• 유전체 파괴 및 하이팟 파괴 위험

• 안정성 문제

현재 50㎛ 두께 이하 유전체의 IMS 재료를 상용화하고 있지만, 다음과 같은 프로그램을 도입하지 않으면 이는 불가능하다.

• 독점 처리 장치 및 코팅 장치

• 초고순도 필러 도입

• 초정밀 필러 도입

• 수지 공급 라인 독점 수정

이 같은 프로그램을 통해 우리는 현재 35㎛까지 낮은 얇은 코어를 상용화할 수 있었다.

IMS 재료는 현재 저전력 LED 응용 부문에 적합한 약 1.0W/mK로부터 열 전도성 값으로 사용할 수 있는데, 전력 전자 장치의 경우에는 약 8W/mK 정도이다.

참고로 알아보면 구리는 380W/mK, 알루미늄은 200W/mK, 그리고 FR-4 라미네이트는 약 0.2W/mK이다.

열 전도성, 전기 항복 강도 등 데이터시트 값을 생성하는 데 사용하는 테스트 방법으로 인해 특정 임계변수를 지나치게 강조하는 데이터시트 정보에 의존하는 것 보다는 특정 애플리케이션용 IMS 재료를 체계적으로 평가하거나 특성화하는 것이 중요하다.

일반적으로 절연 금속 기판은 무연 솔더링 프로세스와 호환된다. 하지만 구성이 신뢰성에 상당한 영향을 미치며, 수지 화학은 열 응력 및 열 충격 상태에서 신뢰성에 영향을 주는 Tg(T glass transition temperature) 및 Td(T decomposition temperature) 등의 특성을 결정하는 역할을 한다.

전형적인 LED 가로등 응용 분야에서 절연 금속 기판에 대한 주요 신뢰성 문제가 유전 파괴 때문은 아니다. 

낮, 밤 및 계절적 주변 온도, 습도 변화와 더불어 작동 전압이 상대적으로 낮지만, 파워 온/오프 간 심각한 열 주기 동안 구리, 유전체, 알루미늄 간 CTE 차이로 인해 발생하는 전단 응력 영향도 있다.

IMS를 위한 유전체 타입 및 두께를 결정할 때 고려해야 할 요소는 다음과 같다.

•‌ 설계

-성능/신뢰성/비용 상쇄관계의 열/전기/기계 성능 요구사항 이해

•‌ 유전체의 열 전도성

-더 낮은 열 전도성

-‌더 얇은 유전체가 필요한가? 혹은 더 높은 열 전도성

-더 두꺼운 유전체가 가능한가?

 구리 두께

두꺼운 구리는 더 큰 열 프로파일을 가지고 있음

알루미늄/구리/철강 백킹의 처리된 표면과 구리 처리 사이의 peak-to-peak 유전 분리를 고려해야 한다. 그 이유는 이것은 전기절연 파괴 성능과 신뢰성에 직접적으로 영향을 미치기 때문이다.

<=105 μm copper-75-100 μm dielectric

>=140 μm copper-100-150 μm dielectric

얇은 구리 유전체가 필요하다면, RTF 호일 사용을 고려해 볼 수 있지만 박리 강도가 줄어들 수 있다.

▲ 표 4. 유전체 비교

데이터시트 값과 제조업체 요구사항 파악

일부 제조업체들은 인하우스 테스트 방법에 기인해 수치를 인용하는 경향이 있으며, 심지어 열 전도성 데이터는 일부 생산자의 인증된 테스트 방법보다 훨씬 더 강조되고 있다.

아마 IMS 시장이 더욱 커지고 표준 테스트 방법이 규정될 때까지 이 상황은 지속될 수 있다.

유전 파괴 및 유전 저항(Dielectric Withstand) 값, 즉 결과는 보편적으로 사용되는 일부 테스트 방법을 위한 테스트 쿠폰 설계에 의해 좌우되며, 제조업체로서는 잘 알려진 IPC-TM650 방법을 사용하려는 경향이 있다.

가이드로서 데이터시트 값을 사용한다는 것은 다음을 의미한다.

•‌ 정확한 테스트 방법이 명시되지 않은 수치 정확성에 의존하지 말아야 한다.

•‌ 알려져 있는 테스트 방법이 명시되어 있을 때에도 결과를 너무 있는 그대로 받아들여서는 안 된다.

•‌ 상용 전력 주파수에서 고체 전기 절연 재료의 유전 파괴 전압 및 유전 강도를 위한 표준 테스트 방법인 ASTM D149로부터 인용한다.

이 방법을 통해 얻은 결과는 실제 응용에서 재료의 유전적 거동을 결정하는 데 직접적으로 사용되는 경우는      거의 없다.

대부분의 경우, 이러한 결과는 특정 재료에 대한 중요성을 평가하기 위해 기타 기능 테스트 또는 다른 재료에서의 테스트, 또는 이 둘로부터 얻은 결과와 비교해 평가해야 할 필요가 있다

IMS 생산에 있어서 국가적 기준치, 그리고 문제의 일부인 Metal Backed 회로는 현재 구체적인 표준이 정해져 있지 않은 상태이다.

위원회는 IMS 및 전도성 기판을 위한 표준을 개발하기 위해 구성됐으며, 수 많은 제조업체 및 주요 고객들과 더불어 표준을 개발하기 위한 작업에 참여하고 있다. 이 문제가 해결될 때까지 구매자는 많은 주의를 기울여야 할 것이다.

지난 몇 년간 IMS 제조업체가 급증하고 있는 추세에 있다. 현재 시장에서 관심을 갖는 가장 큰 요소로 장기 신뢰성을 꼽을 수 있는데, 저렴한 재료도 많이 있지만 저가의 재료로 만들어진 PCB가 현장에서 얼마나 오랜 기간 정상 가동할지, 또는 이러한 재료들이 열 전도성 기판인지에 대한 부분이 중요하다.

기존에 사용하던 조명에서 LED 조명으로 교체하는 데 사용한 투자금을 고려할 때, 만약 LED 조명으로 교체한 것이 장기 신뢰성 면에서 실패한다면, 이는 엄청난 손실이 아닐 수 없다.

간단히 말해서 제품 실패 비용이나 평판 등을 잃고난 후 후회해봤자 아무 소용이 없다. 

만약 몇 페니가 더 투자되더라도, IMS 공급업체는 장기 신뢰성을 고려해야 한다는 것이다.

PCB 제조 시 고려사항

1. 열 프리프레그 ML 라미네이션

열 프리프레그 ML 라미네이션의 경우 필러가 장착되어 무거워지면 ‘저유량’ 프리프레그 특성을 유발할 수 있다. 따라서 급격한 온도 상승과 라미네이션 압력을 초기에 적용할 필요가 있다. 2 oz. 구리 트랙을 캡슐화할 수는 있지만 더 무거운 구리의 경우에는 몇 가지 해결해야 하는 문제가 있다.

2. 머시닝

IMS에서 필러 종류 및 함량으로 인해 도구가 급격히 마모될 수 있다.

주로 언더컷, 다이아몬드 코팅된 드릴 비트가 선호되며, 스핀들 속도는 FR-4용으로 사용된 것의 약 80%가 된다. 

또한 Two-flute end mills는 알루미늄 상에서 최상의 마감처리를 제공하며, 필러로 인한 국부적 마모를 보완하기 위해서는 50%의 도구 수명에서 커터 깊이를 조정해야 한다.

3. 무연 솔더링 및 열 주기

일반적으로 절연 금속 기판은 무연 솔더링 프로세스와 호환되지만, 구성이 신뢰성에 있어서 중요한 영향을     미친다. 유전체의 직포 유리 강화는 XY 평면에서 열 팽창 계수를 줄여주며, 수지 화학은 열 응력 및 열 충격 상태에서 신뢰성에 영향을 미치는 Tg 및 Td와 같은 특성을 결정한다. 

본딩에 앞서 알루미늄 표면 처리를 하는 것이 금속 잔해로 인한 고저항 단락을 방지하고, 높은 결합 강도를 달성하는 데 있어 중요하다.

요약

전자장치 및 PCB의 비용 효과적인 열 관리에 대한 관심이 끊임없이 증가함에 따라 열 전도성 인쇄 회로 기판 또는 절연 금속 기판이 이러한 요구사항을 충족할 수 있는 솔루션으로 각광받고 있다.

재료를 선택할 때에는 atts per metre Kelvin의 열 전도성 수치에 대해 모든 것을 판단하기 보다는 IMS 재료의 실제 열 임피던스 측면에서 고려하는 것이 중요하다. 

또한 각 응용 부문에 적합한 재료를 선택해야 하며, 고유한 자격 증명 테스트를 수행해야 한다. 아울러 데이터시트 값을 있는 그대로 맹신하는 것을 금해야 한다.

Ian Mayoh  Ventec Europe Limited

This article is republished with permission from I-Connect007/SMT.