초록 ▼

□ 최종목표
< 총괄 >
- 총괄 워크샵 1회
- 총 1회 운영위원회 및 분기모임 및 세부과제간 희의 실시

< 1세부 >
ㅇ고강도 고전도도 LED frame용 동합금 개발
인장강도: 60 kgf/㎟, 경도: 170 Hv, 열전도도 : 320 W/mK,
전기전도도: 80 %IACS, 굽힘가공성: no crack, 내연화온도: 300℃
접촉저항: 1.5mΩ/100gf, 표면조도 : R_a<0.08, R_max<1

< 2세부 >
ㅇ 고

□ 최종목표
< 총괄 >
- 총괄 워크샵 1회
- 총 1회 운영위원회 및 분기모임 및 세부과제간 희의 실시

< 1세부 >
ㅇ고강도 고전도도 LED frame용 동합금 개발
인장강도: 60 kgf/㎟, 경도: 170 Hv, 열전도도 : 320 W/mK,
전기전도도: 80 %IACS, 굽힘가공성: no crack, 내연화온도: 300℃
접촉저항: 1.5mΩ/100gf, 표면조도 : R_a<0.08, R_max<1

< 2세부 >
ㅇ 고출력 신광원용 복합구조 히트스프레더 개발
- Voltage withstand(1~3KV, 60sec) : 10mA이하
- Temperature cycle(-40~125℃) : 100cycles
- Thermal resistance(IR measuring) : 16K/W이하

< 3세부 >
ㅇ 기존 Heat spreader의 Al 소재를 OFC소재, Cu-X계 복합소재 및 Cu-C계 복합소재로 대체하여 고방열 특성을 갖는 Heat spreader 대체소재 개발

□ 개발내용 및 결과
< 총괄 >
ㅇ 1차년도
- 총괄 워크샵 2회 (2011.1.26-27 부산, 2011.8.31 창원)
- 총 2회 운영위원회 분기모임 및 세부과제간 회의 실시 (총괄 워크샵시 공동실시)
- 대외 조인트 세미나 1회 (2012.2.9 인천)
ㅇ 2차년도
- 총괄 워크샵 3회 (2012년 8월 부산, 2012년 12월 인천, 2013년 2월 인천)
- 세부과제간 회의 수시로 실시
ㅇ 3차년도
- 총괄 워크샵 3회 (2013.08.19 인천, 2013.11.11 인천, 2014.01.13 인천)
- 세부과제간 회의 수시로 실시

< 1세부 >
ㅇ 1차년도
▪ Cu-Ni, Cu-Fe, Cu-Cr, Cu-Ti 등의 이원계 상태도를 이용하여 3원계 및 4원계 상태도의 제조
▪ 고강도, 고열전도도형 합금방안 도출
1) Cu-Ni-Fe-X계 합금 (X= Ti, Si)
- Cu-2at%(NixFe1-x)2Ti : 시효 효과가 입증되었으나 개량 필요 (최대 경도 140Hv, CNFT-2 용체화 후 3시간 시효 조건). Cu-(NixFe1-x)3Ti합금으로 실험 (2차년도 실험 계속 예정)
- Cu-2at%(NixFe1-x)2Si : 용체화처리 후 시효 효과가 적어 후보 합금군에서 탈락
2) Cu-Cr-Ni계 합금
- Ni:Cr ratio = 1:20 ~ 3:20 : 용체화처리 후 시효 실시 (최대 경도 125Hv, 최대 전기전도도 96%IACS, CCN6-1 용체화 후 1시간 시효 조건)
- Cr 함량 증가된 합금 제조 : 용체화처리 후 시효 또는 직접 시효 실시
- 전기전도도 82.2%IACS, 열전도도 393W/mK, 경도 150Hv (CC8 합금,직접 시효 30분), 85.4%IACS, 399W/mK, 145Hv (CCN8-2 합금, 직접 시효 30분)
- 인장강도 490MPa(50kg/mm2) (CC8 합금, 직접 시효 30분), 인장강도 450MPa(46kg/mm2), 447MPa(46kg/mm2) (각각 CCN6-1, CCN8-2 합금, 직접 시효 30분)
- Ni 함량 개선 합금 재주조 및 물성 평가 예정
▪ Cu-Cr-X계 동합금 및 Cu-Fe-Ni-X계 합금의 회귀분석 진행
▪ 시효에 따른 합금별 석출능 분석
▪ 가공경화와 석출경화의 최적조건 도출
▪ 최적 합금성분 선정을 위한 Pilot test
▪ Pilot 실험을 통하여 양산화 제조 공정을 위한 합금 선정 실시
▪ 최적 선정 합금 성분(Cu-Cr-Ni계)의 양산화 제조 공정 적용 Test 실시
▪ 양산화 제조 공정에서 압연 및 시효처리 조건 도출로 목표 물성 확보
▪ Cu-Cr-Ni계 합금의 양산화 적용 공정 확립

ㅇ 2차년도
▪ Cu-Cr, Cu-Mn, Cu-Al, Cr-Mn, Cr-Al 등의 2원계 상태도를 이용하여 3원계 이상의 합금을 설계
▪ 고강도, 고열전도도형 합금방안 도출
1) Cu-Cr-Mn-Al계 합금
- Mn이 첨가된 합금보다 Al이 단독으로 첨가된 합금이 가장 좋은 물성을 보임(전기전도도: 75 %IACS, 경도 168 Hv).
- 450℃에서 30분~60분 열처리 할 경우 최적의 전기전도도 및 경도 값을 보임
2) Cu-Cr-Al 합금
- Al의 양이 0.04~0.05 wt% 일 때 가장 좋은 전기전도도 및 경도값음 보임
- Pre-strain의 값이 70% 일 때 가장 좋은 전기전도도 및 경도값을 보임
- Cu-0.32Cr-0.0458Al 조성의 경우 50% 냉간압연 후 450℃에서 30분 열처리한 뒤 다시 86.5% 냉간압연 할 때 65.2 %IACS의 전기전도도,171.2 Hv의 가장 우수한 물성값을 보임
3) Cu-Cr-Al-Zr 합금
- Zr이 단독으로 들어간 합금의 경우 213 Hv의 경도, 83 %IACS(Cu-0.52Cr-0.14Zr, 420℃ 1시간 열처리)의 물성을 보였으나, Zr의 저감을 위해 Cu-Cr-Al-Zr 합금을 설계
- Cu-0.33Cr-0.07Al-0.03Zr(97.2% 압연, 440℃, 360분 열처리) 합금이 전기전도도 78.5 %IACS, 경도 176 Hv, 인장강도 60.6 kgf/㎟를 보여 2차년도 개발목표치를 달성함.
▪ Cu-Cr-Al-Zr 합금의 양산화 공정 적용 test 진행
▪ 양산화 제조 공정으로 최적의 압연 및 시효처리 조건을 통해 목표물성 달성
▪ Cu-Cr-Al-Zr 합금을 사용한 시제품 준비

ㅇ 3차년도
▪ 상태도 계산을 통한 Cu-Cr-Al-Ti 합금 설계
▪ Cu-0.3Cr-0.06Al-0.015Ti, Cu-0.3Cr-0.06Al-0.035Ti 합금을 가공열처리 그리고 추가 압연을 통해 판재 형태로 제조
▪ 450℃ 6시간 석출처리 후 30%, 50% 각각 추가 압연하였음
1) Cu-0.3Cr-0.06Al-0.015Ti 합금(55% 압연, 450℃ 6시간 열처리)
- 30% 추가 압연 후 58.56kg/㎟의 인장강도, 81.3%IACS 전도도 달성
- 50% 추가 압연 후 60.67kg/㎟의 인장강도, 80.3%IACS 전도도 달성
2) Cu-0.3Cr-0.06Al-0.015Ti 합금(55% 압연, 450℃ 6시간 열처리)
- 30% 추가 압연 후 61.15kg/㎟의 인장강도, 80.1%IACS 전도도 달성
- 50% 추가 압연 후 63.63kg/㎟의 인장강도, 79.9%IACS 전도도 달성

< 2세부 >
ㅇ 1차년도
- 370W/mK의 열전도율을 갖는 OFC Heat spreader 제조공정 확보
- 양산공정에 적합하도록 대형 판재로 제작 (0.5T×560W×650L)
- MCCL 제조시 절연체와의 접착력 향상을 위한 표면처리 기술 확보
- 방열 테스트 결과 기존 Al소재 보다 OFC소재 쪽이 LED chip에서 발생되는 열을 빠르게 흡수

ㅇ 2차년도
- 334W/mK의 열전도율을 갖는 C19210 Heat spreader 제조공정 확보
- 양산공정에 적합하도록 대형 판재로 제작 (0.5T×560W×670L)
- 가격경쟁력을 확보하기위하여 저가의 스크랩을 이용하여 생산할 수 있는 Cu-Fe-P계 합금인 C19210 합금을 적용하고 0.3T로 소재 두께를 감소시킴.
- Flexible 특성이 있어서 평면형의 제품이 아닌 3차원의 형상의 제품에도 적용이 가능함.
- 방열 테스트 결과 기존 Al소재 보다 C19210소재 쪽이 LED chip에서 발생되는 열을 빠르게 흡수

◦ 3차년도
- 402W/mK의 열전도율을 갖는 Cu-C계 Heat spreader 제조공정 확보
- 양산화를 위해서 기계적 교반을 양산설비로 이용하여 시작품 제작
- C계 물질로 박리 그라파이트(xGnP) 선택
- 라만분광법을 통하여 C계 물질이 소재 내에 균일하게 분산됨을 확인
- Cu-C계 복합소재와 Al소재, C19210소재와의 방열특성을 비교평가→ Cu-C계 복합소재에서 LED chip의 온도와 열저항(TR)값이 가장 낮음 → 수명 및 효율에 있어서 가장 우수 것으로 사료됨

< 3세부 >
ㅇ 최종목표
- 기존의 Cu/절연층(폴리머)/Al의 히트스프레더 구조를 Cu/Al2O3/Al으로 개발하여 우수한 방열소재를 개발하고 실제 제품화하여 산업적 측면에서의 원천기술을 개발.
ㅇ 1차년도 개발 목표
- Single-step anodizing 최적화 기술개발
- 신광원 방열모듈용 회로층 형성 기술개발
- 금속-세라믹계 접합을 위한 Surface controlled direct bonding 기초기술개발

ㅇ 2차년도 개발목표
- Multi-step anodizing 최적화 기술개발
- 신광원 방열모듈 회로형성 기술개발
- 금속-세라믹계 접합을 위한 HV-SCDB(High Vacuum Surface Controlled Direct Bonding) 요소기술 개발

ㅇ 3차년도 개발목표
- 제조공정변수 최적화 제어기술개발
- 신광원 방열모듈 제품기술개발
- 금속-세라믹계 접합을 위한 HV-SCDB 기술 최적화
- HV-SCDB 금속-세라믹계 방열소재의 특성 향상기술
- HV-SCDB 금속-세라믹 방열소재 시제품 제조 및 특성평가

□ 기술개발 배경
< 1세부 >
LED 프레임이란 LED 패키지의 주요부품으로서, LED 칩과 외부회로를 연결시켜 주는 전선 역할과 LED 패키지를 전자회로 기판에 고정시켜주는 버팀대 역할을 수행하는 금속기판으로서 최근에 폭발적인 수요를 나타내는 LED용 리드프레임이라고 할 수 있다. LED 프레임은 열화를 방지하기 위해, 발생하는 열을 방출하는 기능과 LED의 발광효율을 높이는 반사경으로서의 역할이 매우 중요하여, LED 장치의 수명과 성능을 좌우하는 중요한 요인으로 작용하고 있다.
기존 리드프레임의 인장 강도는 40-70kgf/㎟ 수준이며, 연신율은 수에서 십 수 %이며, 리드프레임 재료의 종류에는 Cu-Fe-P계, Cu-Ni-Si계,42alloy(42% NiFe)계 등이 있다. LED devices에 요구되는 주 특성은 고성능화, 소형화, 고밀도화, 고신뢰성 등으로서 이를 위한 다양한 개발이 시도되고 있다.
본 연구에서는 리드프레임 소재로 사용되는 동합금의 고강도 고전도도 물성 확보를 위해 합금 설계 및 가공열처리를 연구하여 리드프레임용 소재 제조 기술의 국산화와 함께 해외기술 대비 향상된 기술을 확보하고자 한다.

< 2세부 >
현재 Heat spreader로 사용되고 있는 소재는 경량성과, 가격적인 측면에서 Al소재를 대부분 사용하고 있다. 그러나 향후 LED의 출력이 증가되고, 고성능화, 고수명화, 높은 신뢰성이 요구됨에 따라 열전도율,열팽창성이 우수한 Cu, AlN, Al2O3 및 기타 복합소재등의 대체소재가 기대되고 있다.
순 알루미늄의 열전도도는 약 240W/m․K에 이나 Heat spreader로 사용시 가공성 및 기계적 특성이 요구되기 때문에 마그네슘과 크롬을 미량 첨가한 5052계 합금(97.2%Al-2.5%Mg-0.25%Cr)을 사용한다. 그러나 첨가원소에 의하여 열전도율은 저하되기 때문에 137W/m․K의 열전도율을 갖는다.
Cu소재는 열전도율이 350W/m․K 이상으로 Al-5052 소재에 비하여 약 2.5배 높다. 또한 가공성이 우수하여 열간 및 냉간압연을 통하여 대량으로 제조가 가능한 장점이 있다.
이에 따라 기존 Heat spreader의 Al 소재를 Cu계 소재로 대체하여 고방열 특성을 갖는 Heat spreader로 개발하고, LED의 수명 및 효율을 향상시키고자 하였다.

< 3세부 >
최근 LED제품의 개발동향을 보면, 10W급 LED가 시제품으로 개발될 만큼 고출력화되어 LED칩에서 발생되는 열을 제어하는 기술이 이슈화되고 있다. 그러나, 기존 LED 모듈용 히트스프레더는 폴리머절연체의 낮은 열전도도(~1W/mK)에 의하여 발열특성의 한계성을 나타내고 있으므로 새로운 방열재료의 개발이 시급한 실정

□ 핵심개발 기술의 의의
< 1세부 >
- 합금설계 및 최적 가공열처리 등 리드프레임 소재 제조 기술의 국산화
- 기존 기술 대비 향상된 강도 및 열전도도 확보
- 기존 공정 장비에 적용할 수 있는 최적 공정 도출

< 2세부 >
정부의 LED보급정책 및 세계적인 CO₂ 감축정책으로 국가전체 전력사용량의 17.3%를 차지하고 있으나 효율개선 여지가 매우 높은 조명부문을 LED 조명으로 교체할 필요성이 제기 되고 있다.
현재에는 가격적인 측면 때문에 Al계열의 heat spreader가 대부분 사용되고 있으나, 점차 LED 조명은 소형화, 고출력, 고성능화 뿐만 아니라 긴 수명이 요구됨에 따라서 방열문제의 해결방안이 필요하다.
이에 대한 방열 개선으로 기존 Al Heat spreader를 열전도도가 높은 Cu계 소재로의 대체 할 수 있는 기술을 확보하였고, 수요 발생시 Cu계 소재는 물론 MCCL 및 MPCB로 제조할 수 있는 양산기술을 확보하였다.

< 3세부 >
AAO process
- AAO(Anodic Aluminum Oxide) 공정시스템 구축
AAO morphology
- AAO pore size: 47~53nm, AAO interpore distance: 45~55nm, AAO thickness: 3~45um, Process capability(Cpk): 1.53(USL: 65um, LSL:35um)
Peel strength
- Copper 회로층 및 AAO 층간 접착강도 평가 및 분석 (접착강도가 최대 1.0kgf/cm이상)
Withstanding voltage
- AAO 형상에 따른 내전압 특성 분석 (내전압 최적조건: 3kV, 0.59mA(@AAO thickness 30um))
HV-SCDB process
- High Vacuum-Surface Direct Bonding 공정 시스템 구축
기존의 Al/절연층(폴리머)/Cu의 히트스프레더 구조를 Al/Al₂O₃/Cu로 개발함으로써
우수한 방열특성 예상
Surface Controlled Direct Bonding 기술을 이용한 Al-Al₂O₃ 접합 소재 제조

□ 적용 분야
- LED frame, 동 및 동합금 제품
- 차량 전장용 조명, 의료 및 방산용 조명, 공장등, 가로등, 터널등
- 가정용 실내조명, 자동차 헤드라이트, 전자기기, 선박통신, 의료전자기기

( 출처 : 초록 )

목차 Contents

• 표지 ... 1제 출 문 ... 2기술개발사업 최종보고서 초록 ... 3기술개발사업 주요 연구성과 ... 18목차 ... 29제 1 장 서론 ... 30 제 1 절 과제의 개요 ... 30제 2 장 과제 수행의 내용 및 결과 ... 53 제 1 절 최종 목표 및 평가 방법 ... 53 제 2 절 단계 목표 및 평가 방법 ... 55 제 3 절 연차별 개발 내용 및 개발 범위 ... 85제 3 장 결과 및 사업화 계획 ... 93 제 1 절 연구개발 최종 결과 ... 93 제 2 절 연구개발 추진 체계 ... 116부록 ... 117끝페이지 ... 138