본 연구에서는 고성능의 Metal Core Printed Circuit Board (MCPCB) 제작에 절연층으로 알루미늄 양극산화피막을 적용하기 위한 연구를 수행하였다. 먼저 알루미늄 양극산화피막의 열전도도를 측정하기 위한 방법에 대하여 조사하였고, 실제 시료를 측정함으로써 가장 적합한 측정 방법을 도출하였다. 알루미늄 양극산화피막 형성 시 ...
본 연구에서는 고성능의 Metal Core Printed Circuit Board (MCPCB) 제작에 절연층으로 알루미늄 양극산화피막을 적용하기 위한 연구를 수행하였다. 먼저 알루미늄 양극산화피막의 열전도도를 측정하기 위한 방법에 대하여 조사하였고, 실제 시료를 측정함으로써 가장 적합한 측정 방법을 도출하였다. 알루미늄 양극산화피막 형성 시 전해액 종류 및 온도가 피막의 기공 구조와 화학 조성에 미치는 영향에 대하여 조사하였으며, 이들이 열전도도에 미치는 영향에 대하여 연구함으로써 가장 열전도도가 높은 피막을 형성할 수 있는 극산화 전해조건을 도출하였다. 알루미늄 양극산화의 후처리인 봉공처리를 실시함으로써 기공을 메웠다. 이 때 기공 내에 잔류하는 수분의 유무에 따른 봉공 후 기공 구조 변화를 조사하였다. 또한, 봉공 처리 후 기공 구조 변화에 따른 양극산화피막의 열전도도 및 내식성의 변화를 확인하였다. 양극산화피막 상에 에폭시 코팅과 전해 및 무전해 구리도금을 실시함으로써 Metal Core PCB를 제작하였고, LED chip을 실장하여 절연파괴전압 및 열저항을 측정 및 상용 제품과 비교함으로써 적용 가능성을 제시하였다. 알루미늄 양극산화피막은 전해조건 및 두께에 따라 투명도가 변하기 때문에 Laser-Flash법의 열원인 Laser를 흡수하는 위치가 달라진다. 따라서 본 연구에서 Laster-Flash법을 통한 양극산화피막 측정 결과는 열전도도 특성에 의한 결과이기 보다는 산화피막의 투명도 및 두께에 의한 차이에 의해서 나타났다고 볼 수 있다. 또한 양극산화피막만의 밀도 및 비열 값이 모호하기 때문에 잠재적인 오류요소를 포함하고 있다. 따라서 Laser-Flash법은 알루미늄 양극산화피막 열전도도의 적합한 측정방법으로 볼 수 없다. Flow-Meter 법을 이용해 알루미늄합금 모재의 두께를 변화키는 방법과 알루미늄 양극산화피막의 두께를 변화시키는 방법 두 가지를 사용해서 열전도도를 측정하였다. 알루미늄합금 모재의 두께를 변화시키는 경우 모재의 열전도도가 너무 높아 두께 변화에 따른 열저항의 차이가 뚜렷하게 나타나지 않는다. 그래서 모재 두께 변화에 대한 열저항 변화량을 정확하게 구할 수 없었기에 양극산화피막의 열전도도를 구할 수 없었다. 그러나 양극산화피막의 두께를 변화시키는 경우 두께 변화에 대한 열저항의 변화량인 선형적 비례관계 직선의 기울기를 정확하게 구할 수 있었으며, 이를 통하여 신뢰성과 재현성이 확보되는 알루미늄 양극산화피막의 열전도도를 구할 수 있다. 알루미늄 양극산화피막의 열전도도는 전해액의 종류와 온도에 따라서 0.53 ~ 1.62 W/m·K의 범위 내에서 존재하며, 10℃의 옥살산에서 성장시킨 양극산화피막의 열전도도가 가장 높았다. 측정된 열전도도는 Al2O3의 최소 열전도도인 2.89 W/m·K보다 낮은데, 이러한 결과는 알루미늄 양극산화 피막의 기공을 포함하는 다공성 구조와 순수 Al2O3와는 다른 화학 조성이 원인이 된다. 전해액 종류 및 온도 등과 같은 양극산화피막의 전해 조건에 의해서 피막 기공의 구조적 특징과 화학 조성이 결정되며, 이들은 열전도도 에 영향을 미친다. 기공률이 낮은 치밀한 구조일수록 알루미늄 양극산화피 막의 열전도도는 높고, 황산이 포함된 전해액에서 형성된 양극산화피막의 경우 피막 내부에 황산염을 포함하고 있기 때문에 옥살산 전해액에 비해서 더 낮은 열전도도를 가진다. 또한, 양극산화피막의 조성은 다량의 수화 Al2O3를 포함하고 있다는 의미인 1.5 보다 큰 O/Al의 비를 나타내는데, 이 값이 작을수록 높은 열전도도를 보일 것을 예상된다. 기공률의 감소에 의한 치밀한 구조와 1.5에 가까운 O/Al 비는 양극산화피막이 높은 열전도도를 가지기 위한 조건이 될 수 있겠지만, 이들은 전해액의 온도 증가에 따라 기공률은 증가하고, O/Al 비는 감소하는, 서로 반대 방향의 변화 양상을 보인다. 따라서 온도 증가에 따라 증가하는 기공률에 의한 양극산화피막의 열전도도 감소를 감소하는 O/Al의 비에 의해서 어느 정도 상쇄하여 열전도도 감소폭이 줄어든다. 양극산화피막의 기공에 잔류하는 수분은 저온 NiF2 실링 시 반응물이 기공내부로 이동하는 통로를 제공하고, 비등수 실링 시 기공 내부에서 반응이 발생할 수 있도록 한다. 그 결과, 잔류 수분에 의해서 기공 깊숙한 내부에서도 봉공 반응이 발생하기 때문에, 잔류 수분이 존재하는 경우 대부분의 기공이 완전히 봉공 되지만, 봉공처리 전 건조된 경우 다수의 기공이 봉공되지 않은 채로 남겨진다. 또한, 비등수 실링의 경우 산화피막에 열팽창계수의 차이에 의한 크랙을 발생시킨다. 잔류수분에 의해서 완전히 기공이 봉공된 경우, 봉공처리 전 건조에 의해 잔류 수분이 제거된 경우에 비해서, 더 높은 내식성을 보이는데, 이는 기공이 완전히 메워짐에 의해 부식성 물질의 이동이 차단되었기 때문이다. 열전도도 또한 기공이 완전히 봉공될 때 더 크게 증가하였는데, 잔류 수분을 포함하는 양극산화피막의 비등수 실링 후 열전도도는 1.621 W/m·K에서 2.183 W/m·K로 가장 크게 증가하였다. 이는 비등수 실링 시 Al2O3의 수화 반응에 의하여, 열전도도 향상에 효과적인 결정질의 γ-AlO·OH가 기공 내부에 형성되었기 때문이다. MCPCB의 구리 전도층 형성을 위한 무전해 구리도금 시, 절연성이 파괴 될 가능성을 제거하기 위해 1 ~ 2 μm 정도의 에폭시 코팅 후 무전해 및 전해 구리 도금을 실시했다. 알루미늄 양극산화, 에폭시 코팅, 무전해 및 전해 구리도금을 통해 제작한 MCPCB의 절연파괴전압은 양극산화피막의 두께 증가에 비례해 증가하고, 104.3 V/um의 높은 절연강도를 나타내었으며, LED package 실장 후 정상적으로 작동하였다. 본 연구에 따라 제작한 MCPCB에 LED package를 실장 후 측정된 열저항은 양극산화피막의 두께가 17 μm인 경우 3.3 K/W로 가장 낮았으며, 양극산화피막의 두께가 증가 할수록 열저항은 증가하였다. 또한, 양극산화를 이용해 제작한 MCPCB의 열저항은 상용 MCPCB의 열저항에 비해 매우 낮았으며, LED junction 온 도 역시 낮게 나타났다. 또한, 본 연구에서는 기존의 습식 표면처리법들을 적용하여 알루미늄합금을 MCPCB로 제작하였기 때문에 상용화가 용이한 편이며, 고성능의 MCPCB 제작에 적용이 가능할 것이다.
본 연구에서는 고성능의 Metal Core Printed Circuit Board (MCPCB) 제작에 절연층으로 알루미늄 양극산화피막을 적용하기 위한 연구를 수행하였다. 먼저 알루미늄 양극산화피막의 열전도도를 측정하기 위한 방법에 대하여 조사하였고, 실제 시료를 측정함으로써 가장 적합한 측정 방법을 도출하였다. 알루미늄 양극산화피막 형성 시 전해액 종류 및 온도가 피막의 기공 구조와 화학 조성에 미치는 영향에 대하여 조사하였으며, 이들이 열전도도에 미치는 영향에 대하여 연구함으로써 가장 열전도도가 높은 피막을 형성할 수 있는 극산화 전해조건을 도출하였다. 알루미늄 양극산화의 후처리인 봉공처리를 실시함으로써 기공을 메웠다. 이 때 기공 내에 잔류하는 수분의 유무에 따른 봉공 후 기공 구조 변화를 조사하였다. 또한, 봉공 처리 후 기공 구조 변화에 따른 양극산화피막의 열전도도 및 내식성의 변화를 확인하였다. 양극산화피막 상에 에폭시 코팅과 전해 및 무전해 구리도금을 실시함으로써 Metal Core PCB를 제작하였고, LED chip을 실장하여 절연파괴전압 및 열저항을 측정 및 상용 제품과 비교함으로써 적용 가능성을 제시하였다. 알루미늄 양극산화피막은 전해조건 및 두께에 따라 투명도가 변하기 때문에 Laser-Flash법의 열원인 Laser를 흡수하는 위치가 달라진다. 따라서 본 연구에서 Laster-Flash법을 통한 양극산화피막 측정 결과는 열전도도 특성에 의한 결과이기 보다는 산화피막의 투명도 및 두께에 의한 차이에 의해서 나타났다고 볼 수 있다. 또한 양극산화피막만의 밀도 및 비열 값이 모호하기 때문에 잠재적인 오류요소를 포함하고 있다. 따라서 Laser-Flash법은 알루미늄 양극산화피막 열전도도의 적합한 측정방법으로 볼 수 없다. Flow-Meter 법을 이용해 알루미늄합금 모재의 두께를 변화키는 방법과 알루미늄 양극산화피막의 두께를 변화시키는 방법 두 가지를 사용해서 열전도도를 측정하였다. 알루미늄합금 모재의 두께를 변화시키는 경우 모재의 열전도도가 너무 높아 두께 변화에 따른 열저항의 차이가 뚜렷하게 나타나지 않는다. 그래서 모재 두께 변화에 대한 열저항 변화량을 정확하게 구할 수 없었기에 양극산화피막의 열전도도를 구할 수 없었다. 그러나 양극산화피막의 두께를 변화시키는 경우 두께 변화에 대한 열저항의 변화량인 선형적 비례관계 직선의 기울기를 정확하게 구할 수 있었으며, 이를 통하여 신뢰성과 재현성이 확보되는 알루미늄 양극산화피막의 열전도도를 구할 수 있다. 알루미늄 양극산화피막의 열전도도는 전해액의 종류와 온도에 따라서 0.53 ~ 1.62 W/m·K의 범위 내에서 존재하며, 10℃의 옥살산에서 성장시킨 양극산화피막의 열전도도가 가장 높았다. 측정된 열전도도는 Al2O3의 최소 열전도도인 2.89 W/m·K보다 낮은데, 이러한 결과는 알루미늄 양극산화 피막의 기공을 포함하는 다공성 구조와 순수 Al2O3와는 다른 화학 조성이 원인이 된다. 전해액 종류 및 온도 등과 같은 양극산화피막의 전해 조건에 의해서 피막 기공의 구조적 특징과 화학 조성이 결정되며, 이들은 열전도도 에 영향을 미친다. 기공률이 낮은 치밀한 구조일수록 알루미늄 양극산화피 막의 열전도도는 높고, 황산이 포함된 전해액에서 형성된 양극산화피막의 경우 피막 내부에 황산염을 포함하고 있기 때문에 옥살산 전해액에 비해서 더 낮은 열전도도를 가진다. 또한, 양극산화피막의 조성은 다량의 수화 Al2O3를 포함하고 있다는 의미인 1.5 보다 큰 O/Al의 비를 나타내는데, 이 값이 작을수록 높은 열전도도를 보일 것을 예상된다. 기공률의 감소에 의한 치밀한 구조와 1.5에 가까운 O/Al 비는 양극산화피막이 높은 열전도도를 가지기 위한 조건이 될 수 있겠지만, 이들은 전해액의 온도 증가에 따라 기공률은 증가하고, O/Al 비는 감소하는, 서로 반대 방향의 변화 양상을 보인다. 따라서 온도 증가에 따라 증가하는 기공률에 의한 양극산화피막의 열전도도 감소를 감소하는 O/Al의 비에 의해서 어느 정도 상쇄하여 열전도도 감소폭이 줄어든다. 양극산화피막의 기공에 잔류하는 수분은 저온 NiF2 실링 시 반응물이 기공내부로 이동하는 통로를 제공하고, 비등수 실링 시 기공 내부에서 반응이 발생할 수 있도록 한다. 그 결과, 잔류 수분에 의해서 기공 깊숙한 내부에서도 봉공 반응이 발생하기 때문에, 잔류 수분이 존재하는 경우 대부분의 기공이 완전히 봉공 되지만, 봉공처리 전 건조된 경우 다수의 기공이 봉공되지 않은 채로 남겨진다. 또한, 비등수 실링의 경우 산화피막에 열팽창계수의 차이에 의한 크랙을 발생시킨다. 잔류수분에 의해서 완전히 기공이 봉공된 경우, 봉공처리 전 건조에 의해 잔류 수분이 제거된 경우에 비해서, 더 높은 내식성을 보이는데, 이는 기공이 완전히 메워짐에 의해 부식성 물질의 이동이 차단되었기 때문이다. 열전도도 또한 기공이 완전히 봉공될 때 더 크게 증가하였는데, 잔류 수분을 포함하는 양극산화피막의 비등수 실링 후 열전도도는 1.621 W/m·K에서 2.183 W/m·K로 가장 크게 증가하였다. 이는 비등수 실링 시 Al2O3의 수화 반응에 의하여, 열전도도 향상에 효과적인 결정질의 γ-AlO·OH가 기공 내부에 형성되었기 때문이다. MCPCB의 구리 전도층 형성을 위한 무전해 구리도금 시, 절연성이 파괴 될 가능성을 제거하기 위해 1 ~ 2 μm 정도의 에폭시 코팅 후 무전해 및 전해 구리 도금을 실시했다. 알루미늄 양극산화, 에폭시 코팅, 무전해 및 전해 구리도금을 통해 제작한 MCPCB의 절연파괴전압은 양극산화피막의 두께 증가에 비례해 증가하고, 104.3 V/um의 높은 절연강도를 나타내었으며, LED package 실장 후 정상적으로 작동하였다. 본 연구에 따라 제작한 MCPCB에 LED package를 실장 후 측정된 열저항은 양극산화피막의 두께가 17 μm인 경우 3.3 K/W로 가장 낮았으며, 양극산화피막의 두께가 증가 할수록 열저항은 증가하였다. 또한, 양극산화를 이용해 제작한 MCPCB의 열저항은 상용 MCPCB의 열저항에 비해 매우 낮았으며, LED junction 온 도 역시 낮게 나타났다. 또한, 본 연구에서는 기존의 습식 표면처리법들을 적용하여 알루미늄합금을 MCPCB로 제작하였기 때문에 상용화가 용이한 편이며, 고성능의 MCPCB 제작에 적용이 가능할 것이다.
The present study involves studies on the thermal conductivity measurement methods of aluminum anodic oxide, and its thermal conductive property and application for metal core printed circuit boards (MCPCBs). Laser-Flash and Flow-Meter methods, which are considered to measure the thermal conduct...
The present study involves studies on the thermal conductivity measurement methods of aluminum anodic oxide, and its thermal conductive property and application for metal core printed circuit boards (MCPCBs). Laser-Flash and Flow-Meter methods, which are considered to measure the thermal conduction through the aluminum anodic oxide (AAO), were compared. In the case of the Laser-Flash method, some errors were raised, due to the uncertain properties of AAO, such as the density and heat capacity. Moreover, the transparency of AAO, affecting the absorbance and emissivity, caused ambiguous results. The thermal resistance of the sample was measured by the Flow-Meter method, and there were two techniques to obtain the thermal conductivity from the thermal resistance. One is to calculate the thermal conductivity from the y-intercept of a linearly fitted line, which can be obtained from the thermal resistance versus the thickness of aluminum substrate plot. By this technique, distinguishable thermal resistances were not measured, due to the high thermal conductivity of aluminum alloy substrate, and thus a suitable linear function could not be obtained. The other is to calculate the thermal conductivity of AAO from the reciprocal slope of a linearly fitted line, which could be obtained from the thermal resistance versus the thickness of AAO plot. By this technique, a suitable linear function was achieved, with reproducibility. To ensure the reliability of the Flow-Meter method, the thermal conductivity of Nimonic 80A, as a well know material, was verified, and the measured thermal conductivity was shown to be in good agreement with that in the data sheet of Nimonic 80A. To fabricate MCPCB with a high heat dissipation performance, the relation between thermal conductivity and electrolysis conditions of AAO was investigated. The electrolyte composition and temperature affected the pore structure and chemical compositions of AAO. The measured thermal conductivities of AAO with respect to the electrolyte types were as follows: 1.31 - 1.62 W/m·K for oxalic acid, 0.53 - 1.01 W/m·K for sulfuric acid, and 0.82 - 1.12 W/m·K for mixed acid. The thermal conductivity of AAO was affected by the porosity and chemical composition, which were found to be dependent on the electrolyte type and temperature. The presence of pores and hydrated Al2O3 were considered to be the reason for the lower thermal conductivity of AAO than the minimum value of Al2O3. A relatively dense pore structure and anhydrous oxide composition are considered to be desirable for the high thermal conductivity of AAO. However, they cannot be achieved simultaneously, because the porosity is increased with an increase of electrolyte temperature, while the O/Al ratio is decreased. In addition, sulfuric acid, which induces the formation of sulfate chemical in the AAO, was undesirable for the thermal conductivity. Residual water in the pores prior to the sealing of AAO provided migration paths for cold NiF2 sealing and facilitated plugging the inner pores for hydrothermal sealing, and thus the completely sealed AAO could be obtained. For this reason, completely sealed AAO by the residual water showed higher corrosion resistance and thermal conductivity. The cold NiF2 sealing is more effective for improving the corrosion resistance than the hydrothermal sealing, which caused cracks in the AAO. Before sealing, the thermal conductivity of AAO was 1.62 W/ m·K, and increased to 2.02 and 2.18 W/m·K by hydrothermal and cold NiF2 sealing, respectively. AAO sealed by hydrothermal sealing showed higher thermal conductivity than cold NiF2 sealing, because the hydrothermal sealing led to the formation of a higher fraction of crystalline boehmite, which is believed to improve the movement of phonon. Consequently, the cold NiF2 sealing has an advantage in corrosion resistance, whereas the hydrothermal sealing is more effective for the thermal conduction of AAO. For the highest thermal conductivity of AAO, 10 ℃ oxalic acid and hydrothermal sealing were selected. However, the cracks generated during the hydrothermal sealing, were considered to undermine the electrical insulation of AAO, because ions penetrate through cracks to aluminum alloy substrate, and they react with aluminum to form metal particles in AAO during electroless copper deposition. Therefore, thin epoxy layer to prevent the absorption of metal ions was coated on the AAO. The breakdown voltage of 17 μm AAO was 1718 V, and the average dielectric strength was 104.3 V/μm. An LED chip mounted on the MCPCB operated properly. The thermal resistance of MCPCB, affecting the LED junction temperature, increased with an increase of AAO thickness, and the minimum value was 3.3 K/W for 17 μm AAO. The MCPCB with AAO layer, fabricated in this study, showed higher heat dissipation performance than the conventional MCPCB.
The present study involves studies on the thermal conductivity measurement methods of aluminum anodic oxide, and its thermal conductive property and application for metal core printed circuit boards (MCPCBs). Laser-Flash and Flow-Meter methods, which are considered to measure the thermal conduction through the aluminum anodic oxide (AAO), were compared. In the case of the Laser-Flash method, some errors were raised, due to the uncertain properties of AAO, such as the density and heat capacity. Moreover, the transparency of AAO, affecting the absorbance and emissivity, caused ambiguous results. The thermal resistance of the sample was measured by the Flow-Meter method, and there were two techniques to obtain the thermal conductivity from the thermal resistance. One is to calculate the thermal conductivity from the y-intercept of a linearly fitted line, which can be obtained from the thermal resistance versus the thickness of aluminum substrate plot. By this technique, distinguishable thermal resistances were not measured, due to the high thermal conductivity of aluminum alloy substrate, and thus a suitable linear function could not be obtained. The other is to calculate the thermal conductivity of AAO from the reciprocal slope of a linearly fitted line, which could be obtained from the thermal resistance versus the thickness of AAO plot. By this technique, a suitable linear function was achieved, with reproducibility. To ensure the reliability of the Flow-Meter method, the thermal conductivity of Nimonic 80A, as a well know material, was verified, and the measured thermal conductivity was shown to be in good agreement with that in the data sheet of Nimonic 80A. To fabricate MCPCB with a high heat dissipation performance, the relation between thermal conductivity and electrolysis conditions of AAO was investigated. The electrolyte composition and temperature affected the pore structure and chemical compositions of AAO. The measured thermal conductivities of AAO with respect to the electrolyte types were as follows: 1.31 - 1.62 W/m·K for oxalic acid, 0.53 - 1.01 W/m·K for sulfuric acid, and 0.82 - 1.12 W/m·K for mixed acid. The thermal conductivity of AAO was affected by the porosity and chemical composition, which were found to be dependent on the electrolyte type and temperature. The presence of pores and hydrated Al2O3 were considered to be the reason for the lower thermal conductivity of AAO than the minimum value of Al2O3. A relatively dense pore structure and anhydrous oxide composition are considered to be desirable for the high thermal conductivity of AAO. However, they cannot be achieved simultaneously, because the porosity is increased with an increase of electrolyte temperature, while the O/Al ratio is decreased. In addition, sulfuric acid, which induces the formation of sulfate chemical in the AAO, was undesirable for the thermal conductivity. Residual water in the pores prior to the sealing of AAO provided migration paths for cold NiF2 sealing and facilitated plugging the inner pores for hydrothermal sealing, and thus the completely sealed AAO could be obtained. For this reason, completely sealed AAO by the residual water showed higher corrosion resistance and thermal conductivity. The cold NiF2 sealing is more effective for improving the corrosion resistance than the hydrothermal sealing, which caused cracks in the AAO. Before sealing, the thermal conductivity of AAO was 1.62 W/ m·K, and increased to 2.02 and 2.18 W/m·K by hydrothermal and cold NiF2 sealing, respectively. AAO sealed by hydrothermal sealing showed higher thermal conductivity than cold NiF2 sealing, because the hydrothermal sealing led to the formation of a higher fraction of crystalline boehmite, which is believed to improve the movement of phonon. Consequently, the cold NiF2 sealing has an advantage in corrosion resistance, whereas the hydrothermal sealing is more effective for the thermal conduction of AAO. For the highest thermal conductivity of AAO, 10 ℃ oxalic acid and hydrothermal sealing were selected. However, the cracks generated during the hydrothermal sealing, were considered to undermine the electrical insulation of AAO, because ions penetrate through cracks to aluminum alloy substrate, and they react with aluminum to form metal particles in AAO during electroless copper deposition. Therefore, thin epoxy layer to prevent the absorption of metal ions was coated on the AAO. The breakdown voltage of 17 μm AAO was 1718 V, and the average dielectric strength was 104.3 V/μm. An LED chip mounted on the MCPCB operated properly. The thermal resistance of MCPCB, affecting the LED junction temperature, increased with an increase of AAO thickness, and the minimum value was 3.3 K/W for 17 μm AAO. The MCPCB with AAO layer, fabricated in this study, showed higher heat dissipation performance than the conventional MCPCB.
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