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문제 정의
- 본 연구에서는 LED제품에서 요구하는 높은 기계적 특성을 확보하기 위해 열전도 특성이 높은 Cu에 높은 기계적 강도를 가진 STS소재를 Cu/STS/Cu구조로 적층시킨 후 압연하였다. 또한 이들 소재의 디바이스 응용 시 제품에서 발생하는 열 영향에 대한 소재의 기계 및 열 안정성 평가를 위해 상온에서 200℃까지 50℃씩변화를 주어 기계적 특성 및 열전도 특성을 평가하였다.
제안 방법
- Cu/STS/Cu 클레드 메탈의 기계적 특성은 소재의 응용되는 분야가 LED 리드프레임인 점을 감안하여 마이크로 시험편을 제작하여 측정하였다7-9). 제작된 시험 편의 인장강도는 마이크로인장시험기 (SMT-H50, Space Solution)를 사용하여 로드 셀 50kg·f, 하중부가속도는 100 ㎛/s로 상온에서 200℃까지 50℃ 간격으로 온도의 변화를 주어 측정하였다.
- 2 mN), 유지시간은 10초로 측정하였다. 경도시험은 미세연마를 실시한 표면 중에서 흠이 없고 조도가 가장 좋은 곳을 선택하여 압입자 크기의 5배의 간격으로 5회씩 측정하였다.
- 가공된 클레드 소재의 열 확산 특성은 laser flash법(NanoFlash LFA 447, Netzsch, Germany)으로 상온에서 200℃까지 50℃ 간격으로 측정하였다. 또한 열 확산계수를 측정하기 위해 박판의 아랫면에 Xenon nano-flash laser를 조사하였다. 그리고 박판 샘플의 윗면에서 적외선 온도 센서를 사용하여 온도변화를 전압의 변화를 통해 환산하여 열 확산계수 α 값을 이론적 계산을 통해 구하였다10,11).
- 본 연구에서는 LED제품에서 요구하는 높은 기계적 특성을 확보하기 위해 열전도 특성이 높은 Cu에 높은 기계적 강도를 가진 STS소재를 Cu/STS/Cu구조로 적층시킨 후 압연하였다. 또한 이들 소재의 디바이스 응용 시 제품에서 발생하는 열 영향에 대한 소재의 기계 및 열 안정성 평가를 위해 상온에서 200℃까지 50℃씩변화를 주어 기계적 특성 및 열전도 특성을 평가하였다.
- 제작된 시험 편의 인장강도는 마이크로인장시험기 (SMT-H50, Space Solution)를 사용하여 로드 셀 50kg·f, 하중부가속도는 100 ㎛/s로 상온에서 200℃까지 50℃ 간격으로 온도의 변화를 주어 측정하였다. 미소경도시험은 FUTURETECH사의 JP/FM7을 사용하여 시험하중은 25 gf (245.2 mN), 유지시간은 10초로 측정하였다. 경도시험은 미세연마를 실시한 표면 중에서 흠이 없고 조도가 가장 좋은 곳을 선택하여 압입자 크기의 5배의 간격으로 5회씩 측정하였다.
- 압연공정에서 압연율 85%를 적용하여 Cu/STS/Cu 3층 구조의 클래드메탈 리드프레임 소재를 제조하였다. 제조된 Cu/STS/Cu 클래드메탈 리드프레임 소재는 온도의 안정성을 확보하기 위해 온도 변화에 따른 기계적, 열전도도 특성을 분석 하였다. Cu/STS/Cu 클래드메탈의 기계 및 열전도도 특성에서 다음과 같은 결론을 얻었다.
대상 데이터
- 제작된 클래드메탈의 두께측정 및 표면분석은 광학 현미경(LG-PS2, 제조사 : Olympus) 을 사용하여 측정 및 관찰 하였다. Table 1에서는 시험에 사용된 클래드메탈 Cu/STS/Cu의 재질을 나타내었다.
- 본 실험에서는 클래드메탈 리드프레임 소재의 모재는 높은 기계적 강도를 가진 스테인레스 스틸(STS316L, 제조사: 대양금속)을 사용하였으며 부재는 Cu(C1030, 제조사: 이구산업, Cu-99.96, P-0.0017, O2-0.0038)를 사용하였다. 클래드 메탈의 두께는 스테인레스 스틸의 두께를 400 ㎛, Cu의 상하층 두께를 각각 650 ㎛를 사용하였다.
- 0038)를 사용하였다. 클래드 메탈의 두께는 스테인레스 스틸의 두께를 400 ㎛, Cu의 상하층 두께를 각각 650 ㎛를 사용하였다. 또한 전체 소재의 클래딩 시 접착력 강화를 위해 소재의 표면에 브러싱작업을 수행한 후, 압연은 2단롤을 사용하여 상온에서 냉간압연하였다.
데이터처리
- 이때 1회당 평균압하비 10% 수준으로 최종 압하율은 85% 수준으로 제어하였다. 제작된 클래드메탈의 두께측정 및 표면분석은 광학 현미경(LG-PS2, 제조사 : Olympus) 을 사용하여 측정 및 관찰 하였다. Table 1에서는 시험에 사용된 클래드메탈 Cu/STS/Cu의 재질을 나타내었다.
이론/모형
- 열확산 특성을 측정하기 위해 25 mm 원형 디스크 형태로 방전 가공된 클래드 소재 표면에 레이저 펄스의 균일 흡수와 반사를 방지하기 위해 콜로이드 흑연입자를 분사하여 처리하였다. 가공된 클레드 소재의 열 확산 특성은 laser flash법(NanoFlash LFA 447, Netzsch, Germany)으로 상온에서 200℃까지 50℃ 간격으로 측정하였다. 또한 열 확산계수를 측정하기 위해 박판의 아랫면에 Xenon nano-flash laser를 조사하였다.
- 클레드 소재의 열전도 특성을 분석하기 위해 각 시편의 비열은 시차 주사 열량계(DSC: differential scanning calorimetry, DSC 204 F1, Netzsch, Germany)로열 흡수량을 측정하였으며, 시편의 밀도는 아르키메데스 (Archimedes)의 수중 부유법으로 측정하였다. 열확산 특성을 측정하기 위해 25 mm 원형 디스크 형태로 방전 가공된 클래드 소재 표면에 레이저 펄스의 균일 흡수와 반사를 방지하기 위해 콜로이드 흑연입자를 분사하여 처리하였다.
성능/효과
- 1) 기계적 인장강도는 상온에서 53.72 kg/mm 2 의가장 우수한 인장강도를 확보 하였다
- 2) 열처리 효과에 따른 마이크로 비커스 경도 측정 결과 열처리 효과에 의한 경도의 변화는 150℃까지는 크게 변화가 나타나지 않아 상온에서 150℃까지의 열안정성을 확보 하였다.
- 3) 온도 변화에 따른 열전도도는 약 270(W/m‧K) 로 높은 열전달 특성을 나타냈으며 온도 변화에 따른 열 전도도는 크게 나타나지 않았다. 따라서 상온에서 200℃까지 우수한 열안정성을 가진 열전달 특성을 확보하였다.
- 따라서 Cu/STS/Cu 3층 클래드메탈은 열전도도가 약 270(W/m·K)수준으로 방열특성은 온도에 영향을 받지 않는 것으로 나타났다. 따라서 본 실험에서 검토된 상온에서 200℃ 까지 열전 달계수의 변화가 전혀 나타나지 않은 것을 고려한다면 클래드소재의 LED 패키징 리드프레임으로 사용 시 칩에서 발열하는 온도 구간인 100 ℃ 전후에서 안정된 방열특성을 나타낼 것으로 판단된다.
- 이는 일반적으로 조명용 등 기구 LED 소자의 칩 패키징 부분에서 발열제한 온도인 80℃ 부근임을 고려한다면, 이보다 높은 100℃에서 150℃ 온도영역에서 인장강도는 50 kgf/mm2 이상을 유지하는 것으로 나타났다. 따라서 본 클래드메탈 소재의 기계적 특성은 150℃까지 온도 안정성이 있는것으로 나타났다.
- 이상의 결론으로부터 Cu/STS/Cu 3층 구조의 클래드메탈 리드프레임 소재는 상온에서 150℃까지 원소재의 특성을 95%이상 유지하는 안정한 기계 및 열전달 특성을 확보하였다. 따라서 LED 패키징용 클래드메탈 리드프레임 소재로 적용 가능 할 것으로 예상된다.
후속연구
- 이상의 결론으로부터 Cu/STS/Cu 3층 구조의 클래드메탈 리드프레임 소재는 상온에서 150℃까지 원소재의 특성을 95%이상 유지하는 안정한 기계 및 열전달 특성을 확보하였다. 따라서 LED 패키징용 클래드메탈 리드프레임 소재로 적용 가능 할 것으로 예상된다.
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