본 논문에서는 PCB용 카본 CCL의 열전달 특성을 실험과 수치해석을 통해 연구하였는데 카본 CCL의 특성 연구를 위해 기존 FR-4 코어와 Heavy copper 코어를 적용한 PCB를 비교하였다. 열전달특성 분석을 위해 코어는 한 개와 두 개가 적용된 HDI PCB 샘플이 제작되었고, 카본코어는 Pan grade와 pitch grade의 2종이 적용되었으며, 코어 두께에 의한 열전달 특성도 평가되었다. 연구결과에 의하면 카본 코어의 열전달 특성은 heavy copper 코어보다는 낮으나 FR-4 코어보다는 우수하였다. 또한, 카본 코어와 heavy copper 코어는 두께가 증가할수록 열전달 특성이 높아졌으나 FR-4 코어는 두께가 증가할수록 열전달 특성이 낮아졌다. heavy copper 코어 적용시 드릴마모도 증가, 무게 증가, 전기절연성 확보를 위한 절연재의 추가로 원가상승을 고려할 때 카본 코어가 PCB의 열전달 특성 향상을 위한 대안이 될 것으로 판단된다.
본 논문에서는 PCB용 카본 CCL의 열전달 특성을 실험과 수치해석을 통해 연구하였는데 카본 CCL의 특성 연구를 위해 기존 FR-4 코어와 Heavy copper 코어를 적용한 PCB를 비교하였다. 열전달특성 분석을 위해 코어는 한 개와 두 개가 적용된 HDI PCB 샘플이 제작되었고, 카본코어는 Pan grade와 pitch grade의 2종이 적용되었으며, 코어 두께에 의한 열전달 특성도 평가되었다. 연구결과에 의하면 카본 코어의 열전달 특성은 heavy copper 코어보다는 낮으나 FR-4 코어보다는 우수하였다. 또한, 카본 코어와 heavy copper 코어는 두께가 증가할수록 열전달 특성이 높아졌으나 FR-4 코어는 두께가 증가할수록 열전달 특성이 낮아졌다. heavy copper 코어 적용시 드릴마모도 증가, 무게 증가, 전기절연성 확보를 위한 절연재의 추가로 원가상승을 고려할 때 카본 코어가 PCB의 열전달 특성 향상을 위한 대안이 될 것으로 판단된다.
In this paper, the heat transfer characteristics of PCB (Printed Circuit Board) with cabon CCL (Copper Claded Layer) were studied through experiments and numerical analysis to compare of PCBs with conventional the FR-4 core and heavy copper cores. For study, samples are producted with HDI (High Dens...
In this paper, the heat transfer characteristics of PCB (Printed Circuit Board) with cabon CCL (Copper Claded Layer) were studied through experiments and numerical analysis to compare of PCBs with conventional the FR-4 core and heavy copper cores. For study, samples are producted with HDI (High Density Interconnection) PCB of mobile phone with variations of thickness of core materials and grades of carbon material to evaluate heat transfer characteristics respectively. From this research results, heat transfer characteristics of the carbon core was rather low than heavy copper, but better than FR-4 core. In addition, even though the carbon and heavy copper core contributed on the heat transfer characteristics as their thickness increases, FR-4 cores disturbed heat transfer characteristics as it's thickness increases. Therefore, carbon core is recommendable to improve the heat transfer characteristics of the PCB because heavy copper core has much disadvantages such as increasing of wear of drill, the weight of PCB, and manufacturing cost by additional insulation materials for electrical insulation.
In this paper, the heat transfer characteristics of PCB (Printed Circuit Board) with cabon CCL (Copper Claded Layer) were studied through experiments and numerical analysis to compare of PCBs with conventional the FR-4 core and heavy copper cores. For study, samples are producted with HDI (High Density Interconnection) PCB of mobile phone with variations of thickness of core materials and grades of carbon material to evaluate heat transfer characteristics respectively. From this research results, heat transfer characteristics of the carbon core was rather low than heavy copper, but better than FR-4 core. In addition, even though the carbon and heavy copper core contributed on the heat transfer characteristics as their thickness increases, FR-4 cores disturbed heat transfer characteristics as it's thickness increases. Therefore, carbon core is recommendable to improve the heat transfer characteristics of the PCB because heavy copper core has much disadvantages such as increasing of wear of drill, the weight of PCB, and manufacturing cost by additional insulation materials for electrical insulation.
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문제 정의
따라서, 본 논문에서는 카본 CCL이 PCB의 열전달과 휨에 미치는 영향을 분석하기 위해 카본 2종, FR-4, heavy copper를 코어에 적용된 PCB를 제작하여 온도와 휨을 측정하였다. 또한, 고다층 PCB내 카본 CCL의 영향 분석을 위해 카본 CCL이 1개와 2개가 적용된 PCB 샘플의 온도와 휨도 측정하였다.
제안 방법
따라서, 본 논문에서는 카본 CCL이 PCB의 열전달과 휨에 미치는 영향을 분석하기 위해 카본 2종, FR-4, heavy copper를 코어에 적용된 PCB를 제작하여 온도와 휨을 측정하였다. 또한, 고다층 PCB내 카본 CCL의 영향 분석을 위해 카본 CCL이 1개와 2개가 적용된 PCB 샘플의 온도와 휨도 측정하였다. 실험결과의 정량적 분석을 위해 FEM을 이용한 열전달 수치해석을 수행하여 연구의 신뢰성을 확보하였다.
본 논문에서는 HDI 기판의 코어로 사용될 수 있는 카본 CCL의 열전달특성을 실험과 CAE를 이용한 수치해석을 통해 분석하였다. 카본 CCL의 특성평가를 위해 기존 FR-4 코어와 heavy copper 코어와 비교하였다.
데이터처리
또한, 고다층 PCB내 카본 CCL의 영향 분석을 위해 카본 CCL이 1개와 2개가 적용된 PCB 샘플의 온도와 휨도 측정하였다. 실험결과의 정량적 분석을 위해 FEM을 이용한 열전달 수치해석을 수행하여 연구의 신뢰성을 확보하였다.
본 논문에서는 HDI 기판의 코어로 사용될 수 있는 카본 CCL의 열전달특성을 실험과 CAE를 이용한 수치해석을 통해 분석하였다. 카본 CCL의 특성평가를 위해 기존 FR-4 코어와 heavy copper 코어와 비교하였다. 실험과 해석결과를 비교하여 실험과 해석결과의 경향성의 상관관계가 있음을 확인함으로써 본 연구에서 제작한 실험장치에 의한 유효성도 확인되었다.
이론/모형
PCB의 열전달 특성을 정량적으로 분석하기 위해 본 논문에서는 유한요소법을 이용한 수치해석을 수행하였다. Fig. 8은 유한요소 모델을 보여주고 있다.
회로층의 물성은 단순 복합체(Simple rule of mixture)을 적용하고 회로층의 잔동율을 고려하여 유닛과 더미영역을 구분하여 계산하였다. 잔동율은 동일한 회로층 면적에 회로형성을 위한 구리가 차지하는 면적비율을 의미한다.
성능/효과
4℃로써 heavy copper의 열전달특성이 가장 우수하고 카본 CCL의 열전달특성이 다음으로 우수하며 FR-4 코어의 열전달특성이 가장 낮았다. Heavy copper 코어는 가장 우수한 열전달특성을 가지고 있지만 무게가 무겁고, 홀가공시 드릴비트의 마모도가 증가하는 단점이 있다. 또한, 전기절연을 위한 절연재를 heavy copper 상·하에 적층해야하기 때문에 원가상승이 되며, 절연층의 추가로 열전달특성이 감소할 것으로 예상되기 때문에 카본 CCL은 방열기판의 CCL로 대안이 될 수 있다.
카본 CCL의 특성평가를 위해 기존 FR-4 코어와 heavy copper 코어와 비교하였다. 실험과 해석결과를 비교하여 실험과 해석결과의 경향성의 상관관계가 있음을 확인함으로써 본 연구에서 제작한 실험장치에 의한 유효성도 확인되었다.
연구결과에 의하면 동일한 온도의 열원이 PCB 표면에 가해지고 코어의 두께가 동일할 때 heavy copper 코어, 카본 코어와 FR-4 코어를 적용한 PCB의 열원 근처(ch.1) 표면온도는 각각 약 33℃, 29℃, 28℃이고, 열원 근처(ch.1)와 PCB 끝단(ch.2)의 온도차는 각각 약 4.3℃, 3.2℃, 2.4℃로써 heavy copper의 열전달특성이 가장 우수하고 카본 CCL의 열전달특성이 다음으로 우수하며 FR-4 코어의 열전달특성이 가장 낮았다. Heavy copper 코어는 가장 우수한 열전달특성을 가지고 있지만 무게가 무겁고, 홀가공시 드릴비트의 마모도가 증가하는 단점이 있다.
한편, 코어의 두께에 따른 열전달특성 연구결과에 따르면 카본 코어와 heavy copper 코어는 두께가 증가할수록 열전달특성이 좋아지지만 FR-4 코어는 두께가 증가할수록 열전달특성이 약화되는 것을 확인하였다. 이와 같은 결과는 HDI기판의 방열효과를 증가시키기 위해서는 열전달특성이 우수한 heavy copper나 카본 코어의 두께를 증가시키는 것이 좋으나 heavy copper의 두께가 증가하면 위에서 언급한 드릴비트 마모가 증가하고 무게가 증가하는 문제점이 증가하기 때문에 카본 코어를 적용하는 것이 바람직하다는 것을 의미한다.
또한, 전기절연을 위한 절연재를 heavy copper 상·하에 적층해야하기 때문에 원가상승이 되며, 절연층의 추가로 열전달특성이 감소할 것으로 예상되기 때문에 카본 CCL은 방열기판의 CCL로 대안이 될 수 있다. 한편, 코어의 두께에 따른 열전달특성 연구결과에 따르면 카본 코어와 heavy copper 코어는 두께가 증가할수록 열전달특성이 좋아지지만 FR-4 코어는 두께가 증가할수록 열전달특성이 약화되는 것을 확인하였다. 이와 같은 결과는 HDI기판의 방열효과를 증가시키기 위해서는 열전달특성이 우수한 heavy copper나 카본 코어의 두께를 증가시키는 것이 좋으나 heavy copper의 두께가 증가하면 위에서 언급한 드릴비트 마모가 증가하고 무게가 증가하는 문제점이 증가하기 때문에 카본 코어를 적용하는 것이 바람직하다는 것을 의미한다.
후속연구
본 논문에서는 카본 CCL의 열전달 특성의 우수성을 확인하였고 향후에는 카본 CCL이 적용된 PCB의 warpage 특성과 신뢰성 분석, 드릴 가공성 등에 대한 연구결과를 수행하여 종합적인 카본 CCL의 PCB 적용특성을 분석할 계획이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
히트 싱크, 방열 팬을 칩 위에 설치하여 강제 방열을 시키는 방법의 문제점은?
데이터 처리용량의 증가로 인한 발열은 스마트기기의 기능저하로 소비자의 외면을 받을 가능성이 높아 마이크로프로세스의 발열량을 줄이는 연구뿐만 아니라 PCB를 통한 방열성능 확대를 위한 다양한 연구가 진행되고 있다. 일반적인 방식은 히트 싱크(Heat sink), 방열 펜 (Exhaust fan)을 칩 위에 설치하여 강제 방열을 시키는 것인데 이것은 장치를 설치할 공간이 필요하고 장시간 사용할 경우 진동, 소음 등의 문제를 발생시키게 된다.2-5) 따라서 모바일 기기와 같이 시스템 내부 공간이 대단히 좁은 환경에서는 사용이 어렵기 때문에 방열특성 향상을 위한 PCB 연구가 진행되고 있다.
LED용 PCB의 구조는 어떻게 되어있는가?
발열문제가 성능에 심각한 문제를 영향을 미치는 LED (Light Emitting Diode)용 PCB는 알루미늄 코어를 사용하는 것이 보편화되어 있다. 그러나, LED용 PCB는 대부분 단면 회로층이거나 상·하 양면 회로층만이 있는 단순구조로 패키지나 HDI (High Density Interconnect)용 PCB의 구조에 비해서는 매우 단순하다. 또한, 메탈코어 소재로 고려되는 copper, nikel, Invar 등과 같은 금속은 열전달특성에 비해 드릴마모도가 증가하고, 내화학성이 부족하여 도금, 에칭공정에 녹는 현상이 발생하여 홀가공 후 충진 공정이 추가되는 등 공정안정성이 부족한 단점이 있다.
PCB의 방열성능 확대를 위한 가장 일반적인 방식은?
데이터 처리용량의 증가로 인한 발열은 스마트기기의 기능저하로 소비자의 외면을 받을 가능성이 높아 마이크로프로세스의 발열량을 줄이는 연구뿐만 아니라 PCB를 통한 방열성능 확대를 위한 다양한 연구가 진행되고 있다. 일반적인 방식은 히트 싱크(Heat sink), 방열 펜 (Exhaust fan)을 칩 위에 설치하여 강제 방열을 시키는 것인데 이것은 장치를 설치할 공간이 필요하고 장시간 사용할 경우 진동, 소음 등의 문제를 발생시키게 된다.2-5) 따라서 모바일 기기와 같이 시스템 내부 공간이 대단히 좁은 환경에서는 사용이 어렵기 때문에 방열특성 향상을 위한 PCB 연구가 진행되고 있다.
참고문헌 (14)
A. Bar-Cohen, "Thermal management of microelectronics in the 21st century", IEEE/CPMT Electron Packaging Technology Conference, 29 (1997).
Q. Zou, Y. Miao, Y. Chen, U. Sridhar, C. S. Chong, T. Chai, Y. Tie, C. H. L. Teh, T. M. Lim and C. K. Heng, "Microassembled multi-chamber thermal cycler for low-cost reaction chip thermal multiplexing", Sensors and Actuators A: Physical, 102(1-2), 114 (2002).
T. Zhou, M. Hundt, C. Vila, R. Bond and T. Lao, "Thermal Study for Flip Chip on FR-4 Boards", Proc. 47th Electronic Componets and Technology Conference (ECTC), 879 (1997).
S. R. J. Axelsson, "Improved Fourier modelling of soil temperature using the fast Fourier transform algorithm", IEEE T. Geoscience and Remote Sensing, 1, 79 (1997).
S. H. Cho ans J. Y. Lee, "Heat dissipation of printed circuit board by the high thermal conductivity of photo-imageable solder resist", Electronic Materials Letters., 6(4), 167 (2011).
S. H. Cho, "Heat dissipation effect of Al plate embedded substrate in network system", Microelectronics Reliability, 48(10), 1696 (2008).
X. J. Fan, "Combined thermal and thermomechanical modeling for a multichip QFN package with metal-core printed circuit board", The Ninth Intersociety Conference on Thermal and Thermomechanical Phenomena in Electronic Systems (ITHERM), 2, 377 (2004).
X. J. Fan and S. Haque, "Emerging MOSFET packaging technologies and their thermal evaluation", Proc. 8th Thermal and Thermomechanical Phenomena in Electronic Systems (ITHERM), San Diego, 1102 (2002).
R. Lee, "An Investigation of Thermal Enhancement on Flip Chip Plastic BGA Packages Using CFD Tool", IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies, 23(3), 481 (2000).
J. Lohan, V. Eveloy and P. Rodgers, "Visualization of Forced Air Flows over a Populated Printed Circuit Board and Their Impact on Convective Heat Transfer", Proc. 8th Intersociety Conference on Thermal and Thermomechanical Phenomena in Electronic Systems (ITHERM), San diego, 501, IEEE (2002).
B. Chamber, T.-Y. T. Lee and W. Blood, "Steady State and Trasient Thermal Analysis of Chip Scale Packages", Journal of Electronics Manufacturing, 9(2), 131 (1999).
S. H. Cho and E. T. Chang, "Thermo-mechanical Behavior Characteristic Analysis of B2it(Buried Bump Interconnection Technology) in PCB (Printed Circuit Board)", J. Microelectron. Packag. Soc., 19(3), 57 (2009).
MARC 2014 user manual, Volume A : Theory and user information, (2014).
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