A Study on Heat Transfer Characteristics of PCBs with a Carbon CCL

카본 CCL에 의한 PCB의 열전달 특성 연구

조승현^1,†·장준영¹·김정철²·강석원²·성 일²·배경윤²

1동양미래대학교 기계공학부

2한국카본㈜

A Study on Heat Transfer Characteristics of PCBs with a Carbon CCL

Seunghyun Cho^1,†, Junyoung Jang¹, Jeong-Cheol Kim², Suk Won Kang², Il Seong² and Kyung Yun Bae²

1Dept. of Mechanical engineering, Dongyang Mirae University, 445 Gyeongin-ro, Guro-gu, Korea

285, Chunhwa-ro, Bubuk-myeonm Miryang-si, Gyeongnam-do, Korea

(Received October 23, 2015: Corrected December 8, 2015: Accepted December 24, 2015)

초 록: 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 개 와 두 개가 적용된 HDI PCB 샘플이 제작되었고, 카본코어는 Pan grade와 pitch grade의 2종이 적용되었으며, 코어 두께 에 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 판 단된다.

Abstract: 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.

Keywords: Carbon CCL, Heat transfer, PCBs, Experiments, FEM

1. 서 론

모바일용 스마트기기의 보급확대와 고기능화로 PCB (Printed Circuit Board)의 방열특성에 대한 수요가 증가하 고 있으며 PCB의 박형화로 warpage를 감소하기 위한 디 자인 및 신소재 개발 에 대한 수요 또한 증가하고 있다.

IC 패키지의 칩 온도는 패키지의 데이터 처리용량과 방 열환경에 따라 150^oC까지 올라갈 수 있는데 칩 온도 3~4^oC는 IC 패키지의 안정성에 매우 중요한 영향을 미치

게 된다.¹⁾

데이터 처리용량의 증가로 인한 발열은 스마트기기의 기능저하로 소비자의 외면을 받을 가능성이 높아 마이크 로프로세스의 발열량을 줄이는 연구 뿐만 아니라 PCB를 통한 방열성능 확대를 위한 다양한 연구가 진행되고 있 다. 일반적인 방식은 히트 싱크(Heat sink), 방열 펜 (Exhaust fan)을 칩위에 설치하여 강제 방열을 시키는 것 인데 이것은 장치를 설치할 공간이 필요하고 장시간 사 용할 경우 진동, 소음 등의 문제를 발생시키게 된다.^2-5) 따

†

Corresponding author

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properly cited.

라서 모바일 기기와 같이 시스템 내부 공간이 대단히 좁 은 환경에서는 사용이 어렵기 때문에 방열특성 향상을 위 한 PCB 연구가 진행되고 있다. PCB 소재에 의한 방열특 성 향상 연구는 고열전도 SR (Solder Resist) 잉크의 적용 에 의한 PCB의 방열효과를 연구와,⁶⁾열전도도 메탈코어 를 삽입한 PCB에 대한 연구가 진행되었고,^7-9) 수치해석 을 통한 연구도 진행되었는데 CFD (Computational Fluid Dynamics), FEM (Finite Element Method) 등 다양한 수치 해석 툴 등이 패키징의 열전도 뿐만 아니라 대류의 냉각 효과를 고려한 열전달 특성해석에 사용되었다.^10-13)

발열문제가 성능에 심각한 문제를 영향을 미치는 LED (Light Emitting Diode)용 PCB는 알루미늄 코어를 사용하 는 것이 보편화되어 있다. 그러나, LED용 PCB는 대부분 단면 회로층이거나 상·하 양면 회로층만이 있는 단순구 조로 패키지나 HDI (High Density Interconnect)용 PCB의 구조에 비해서는 매우 단순하다. 또한, 메탈코어 소재로 고려되는 copper, nikel, Invar 등과 같은 금속은 열전달특 성에 비해 드릴마모도가 증가하고, 내화학성이 부족하여 도금, 에칭공정에 녹는 현상이 발생하여 홀가공 후 충진 공정이 추가되는 등 공정안정성이 부족한 단점이 있다.

따라서, 본 논문에서는 카본 CCL이 PCB의 열전달과 휨에 미치는 영향을 분석하기 위해 카본 2종, FR-4, heavy copper를 코어에 적용된 PCB를 제작하여 온도와 휨을 측 정하였다. 또한, 고다층 PCB내 카본 CCL의 영향 분석을 위해 카본 CCL이 1개와 2개가 적용된 PCB 샘플의 온도 와 휨도 측정하였다. 실험결과의 정량적 분석을 위해 FEM을 이용한 열전달 수치해석을 수행하여 연구의 신뢰 성을 확보하였다.

2. 실험 및 수치해석 연구

2.1. PCB 샘플 구조

Table 1은 코어 재료별 열전달과 휨특성을 평가하기 위 해 1개 코어가 삽입된 PCB 샘플의 코어 재료별 층구조

를 보여주고 있다. 카본의 두께는 0.15 mm와 0.23 mm이 고, FR-4의 두께는 0.15 mm와 0.2 mm이며, heavy copper 의 코어두께는 0.2 mm와 0.3 mm이다. 카본과 FR-4 코어 를 사용한 PCB는 4개의 회로층을 갖고 있고 heavy copper 코어를 사용한 PCB는 2개의 회로층을 갖고 있다. Table 2는 다층 PCB내 카본 코어의 열전달과 휨특성 평가를 위 해 2개의 카본 코어를 갖는 PCB 샘플로써 6개의 회로층 을 가진 구조이다. Table 1과 Table 2의 PCB는 회로 외층 의 잔동율이 각각 76%와 83%이고 회로 내층의 잔동율이 100%로 제조되었다. Table 3은 PCB 샘플에 사용된 재료 들의 열적특성값을 보여주고 있다. 카본은 제조방식에 따 라 pan 계열과 pitch 계열의 특성치가 다른데 pitch 계열 이 열적특성이 우수함을 알 수 있다.

2.2. 열전달 특성 평가 방법

발열 칩(chip)의 온도 감소를 위한 PCB의 열전달 특성

Table 1. Structure of PCB sample as one core materials (Unit : mm)

Table 2. Structure of PCB sample with two carbon cores (Unit : mm)

Thickness Materials

0.015 Solder resist

0.017

_(76%)

0.2 Prepreg

0.017

_(100%)

0.08/0.15/0.23 Carbon

0.017

_(100%)

0.4 Prepreg

0.017

_(100%)

0.08/0.15/0.23 Carbon

0.017

_(100%)

0.2 Prepreg

0.017

_(83%)

0.015 Solder resist

을 평가하기 위해서는 칩을 PCB에 실장한 후 칩의 전력 량으로 발생하는 칩의 표면온도를 측정하는 것이 일반적 인 방법이나 발열 칩이 고가이기 때문에 다양한 종류의 PCB를 비교평가하는 것은 효용성이 떨어진다. 따라서 본 연구에서는 PCB의 열전달특성 평가를 위해 온도제어가 가능한 히터를 PCB표면에 접촉시킨 후 히터의 발열에 의 해 히터와 일정한 거리가 떨어진 PCB의 표면온도를 측 정하는 방식으로 PCB의 열전달 특성을 평가하였다.⁷⁾ 예 를 들어 히터의 온도가 100^oC로 고정될 때 히터로부터 일 정거리가 떨어진 PCB 표면의 온도가 높으면 열전달 특 성이 우수한 PCB이고, 온도가 낮으면 열전달 특성이 낮 은 PCB가 되는 것이다.

Fig. 1은 PCB의 열전달 특성을 평가하기 위한 측정장 치이다. 주변온도의 컨트롤을 위한 챔버와 히터의 온도 를 제어할 수 있는 제어박스가 있고, 시간에 따른 온도를 측정하는 데이터로거로 PCB표면의 온도를 측정하였다.

Fig. 2(a), (b)는 챔버내에서 PCB의 표면온도를 측정하는 상태를 보여주는 그림으로써 히터는 크기가 10 mm×10 mm이고 열전달 특성이 우수한 알루미늄으로 제작되었 는데 Fig. 2(a)에서 보여주는 바와 같이 가로, 세로, 높이 방향으로 이동하며 고정되는 전용지그로 PCB 표면에 밀

착되도록 하였다. 칩이 실장되는 위치는 SR 잉크를 제거 되어 내부 회로층에 히터가 접촉되었다. PCB 표면의 온 도는 Fig. 2(b)와 같이 2곳에서 측정하였는데 열전달 정 도를 평가하기 위해 히터에서 55 mm가 떨어진 Ch.1과 110 mm가 떨어진 Ch.2의 위치에 열전대를 부착하여 온 도를 측정하였다. PCB의 열전달특성을 위해 히터의 온 도는 95^oC로 유지되도록 하였고, PCB 각 샘플당 3회를 측정하였다.

Table 3. Thermal properties of PCB materials

Material Density,

kg/m³

Coefficient of thermal expansion, um/m·^oC

Specific heat, J/kg·K

Conductivity (X,Y direction), W/m·K

Solder resist 1400 60 1040 0.25

Prepreg 2900 35 900 3

Carbon 0.15

(Pan grade) 1546 2 1045 2.2

Carbon 0.15

(Pitch grade) 1632 1 1139 28.1

Carbon 0.23

(Pan grade) 1546 2 1045 2.2

FR-4 1200 14.5 880 0.3

Copper 8940 16.7 385 401

Fig. 1. Test equipments for heat transfer of PCB.

Fig. 2. Temperature measurement setting.

3. 결과 및 토론

3.1. 열전달 특성 실험

Figs. 3~5는 각각 한 개의 카본 코어, FR-4 코어, heavy copper 코어가 적용된 PCB의 표면 온도를 ch.1과 ch.2의 위치에서 시간에 따라 측정한 결과로 측정된 온도의 평 균과 산포를 관찰하기 위해 3회 측정한 결과를 최대, 최 소, 평균값으로 표시하였다. 측정결과에 따르면 0.15 mm 두께의 카본 코어를 적용한 경우 ch.1과 ch.2의 평균온도 는 각각 약 29.3^oC와 26.6^oC로 수렴되었고, 코어의 두께 가 0.15 mm에서 0.23 mm로 증가하면 표면온도가 각각 0.2^oC와 0.3^oC가 증가하여 열전달 특성이 향상된 것을 알 수 있다. 0.15 mm 두께의 FR-4 코어를 적용한 경우의 ch.1 과 ch.2의 평균온도는 각각 약 28.3^oC와 25.8^oC로 수렴되 었는데, 코어의 두께가 0.15 mm에서 0.2 mm로 증가하더 라도 측정된 표면온도의 변화는 각각 0^oC와 0.1^oC로 미 미하기 때문에 코어 두께에 의한 열전달 특성의 향상효 과는 크지않는 것으로 분석되었다. 0.2 mm 두께의 heavy copper 코어를 적용한 경우의 ch.1과 ch.2의 평균온도는 각각 약 33.1^oC와 28.8^oC로 수렴되었고, 코어의 두께가 0.2

mm에서 0.3 mm로 증가하면 표면온도가 각각 1^oC, 1^oC가 증가하여 코어 중 가장 열전달 효과가 증가하였다.

Fig. 6(a)~(h)는 2개의 카본 코어가 적용된 PCB의 ch.1 과 ch.2 위치에서 표면 온도를 관찰한 결과로써 카본 코 어의 두께는 각각 0.08 mm, 0.15 mm, 0.23 mm이다. 그림 에서 알 수 있는 바와 같이 코어가 2개 들어가는 다층구 조에서는 두께차이에 따른 ch1.과 ch.2의 위치에서 온도 가 비슷하지만 ch.1과 ch.2 사이의 온도차이는 두께가 증 가할수록 차이가 발생하였다.

Figs. 3~6의 결과는 PCB의 특정 위치인 ch.1과 ch.2의 온도를 측정한 결과인데, 코어의 종류, 두께에 따른 각 위 치에서 온도변화를 관찰하는데 유효하지만 방열특성을 평가하기에는 부족하다. 이것은 PCB가 열전달 특성이 낮 은 solder resist나 prepreg의 영향이 커 PCB의 열전달 특 성이 낮을 뿐만 아니라 표면의 온도는 주변 온도의 영향 을 많이 받기 때문에 개별 위치의 온도편차가 발생하기 때문이다. 따라서 PCB의 방열특성을 평가하기 위해서는 ch.1과 ch.2의 온도차이를 관찰하는 것이 효과적이다.

즉, ch.1과 ch.2의 온도차이가 크면 클수록 PCB의 열전달 특성이 우수하다는 것을 의미한다. 본 논문에서는 Fig. 7

Fig. 3. Surface temperature of PCB with one carbon core at ch.1 and ch.2 as a function of heating time.

과 같이 PCB 표면의 온도가 수렴된 후 ch.1과 ch.2의 온 도차이를 분석하였다.

Fig. 7은 코어 종류와 두께에 따른 ch.1과 ch.2의 온도 차이를 최대, 최소, 평균값으로 나타낸 결과인데 1개의 코어를 사용한 경우 카본 코어는 두께가 0.15 mm일 때 평균 약 2.7^oC 차이가 발생하였고, 0.23 mm일 때 약 3.2^oC 가 발생하여 뚜렷한 열전달효과의 상승을 관찰할 수 있 었다. 특히, Pich 계열의 0.15 mm 두께의 카본이 적용된

경우 온도차이가 평균 약 3^oC가 발생하여 동일한 두께라 도 pan 계열보다 pitch 계열이 열전달능력이 향상됨을 확 인되었다. 이것은 Table 3에서 보여주는 바와 같이 pitch 계열의 수평방향 열전도도가 28.1 W/m·K로 pan 계열의 2.2 W/m·K보다 높기 때문이다. 0.15 mm 두께의 FR-4 코 어를 적용한 경우 온도차이는 평균 약 2.5^oC로 카본 코어 에 비해 낮게 발생하여 열전달특성이 저하되었고, 두께 가 0.2 mm로 증가하면 온도차이가 평균 약 2.3^oC로 감소 Fig. 4. Surface temperature of PCB with one FR-4 core at ch.1 and ch.2 as a function of heating time.

Fig. 5. Surface temperature of PCB with one heavy copper core at ch.1 and ch.2 as a function of heating time.

Fig. 6. Surface temperature of PCB with two carbon core at ch.1 and ch.2 as a function of heating time.

Fig. 7. Temperature gap between temperature of ch.1 and ch.2.

하여 FR-4의 경우 두께가 증가하면 오히려 열전달특성이 감소하였다. heavy copper 코어를 사용한 경우 온도차이 는 평균 약 4.3^oC로 크게 증가하여 heavy copper의 열전 달 특성 향상을 확인할 수 있었다.

또한 2개의 카본 코어를 사용한 경우 코어 두께가 증가 할수록 온도차이가 증가하여 열전달 특성이 향상된다는 것을 알 수 있다.

3.2. 열전달 특성 수치해석

PCB의 열전달 특성을 정량적으로 분석하기 위해 본 논 문에서는 유한요소법을 이용한 수치해석을 수행하였다.

Fig. 8은 유한요소 모델을 보여주고 있다. 수치해석을 위 해 적용된 경계조건과 가정은 다음과 같다.

① 히터에 의한 95^oC의 온도가 10 mm×10 mm 면적에 가해진다.

② 초기온도는 25^oC로 균일하다.

③ 기판의 층간재료의 계면은 완전하게 접착되어 있고 열저항은 없다.

④ 기판 표면에서 발생하는 대류열전달계수는 10W/

m·^oC로 균일하고, 복사에 의한 냉각은 무시한다.

⑤ 열적 특성값(열전도도, 비열 등)은 온도에 무관하게 균일하다.

⑥ 모든 재료는 등방성(Isotropic)과 균일성(Homogene- ous)을 가지고 있다.

회로층의 물성은 단순 복합체(Simple rule of mixture)을 적용하고 회로층의 잔동율을 고려하여 유닛과 더미영역 을 구분하여 계산하였다. 잔동율은 동일한 회로층 면적

에 회로형성을 위한 구리가 차지하는 면적비율을 의미한 다. 본 논문에서는 유한요소 해석을 위해 범용 프로그램 인 MSC/Software사의 MSC/MARC2014 소프트웨어를 사 용하였다.¹⁴⁾

Fig. 9는 한 개의 코어를 갖는 PCB의 표면온도 분포와 최저 표면온도를 표시한 결과이다. 카본 코어의 경우 동 일한 pan 계열일 때 두께가 0.15 mm에서 0.23 mm로 증 가하면 최저 표면온도는 0.01^oC 높아지고, 동일한 0.15 mm두께에서 재료가 Pan 계열에서 Pitch 계열로 변경되 면 최저 표면온도가 0.46^oC가 높아져서 열전달 특성이 향 상되었음을 알 수 있다. FR-4 코어를 사용한 경우 두께가 0.15 mm와 0.2 mm일 때 최저 표면온도가 각각 26.29^oC, 26.28^oC로 동일한 두께의 카본 코어와 heavy copper 코어 보다 낮았는데, 두께가 증가할수록 오히려 표면온도가 0.01^oC 낮게 발생하여 열전달특성이 감소하였다. heavy copper 코어의 경우 카본 코어와 FR-4 코어에 비해 최저 온도가 크게 상승하였고, 두께가 0.2 mm와 0.3 mm일 때 최저 표면온도는 각각 35.26^oC와 39.87^oC로 두께가 증가 할수록 최저 온도의 증가도 크기 때문에 우수한 열전달 특성이 확인되었다.

Fig. 10은 두 개의 카본 코어를 적용한 경우 PCB의 표 면에서 발생한 온도분포의 결과로써 재료종류의 영향도 분석은 pan 계열과 pitch 계열의 두께가 0.15 mm로 동일 한 경우를 비교하였고, 코어두께의 영향도 분석은 pan 계 열을 대상으로 두께가 0.08 mm, 0.15 mm, 0.23 mm인 경 우를 비교하였다. 해석결과에 따르면 카본코어가 0.15 mm pitch 계열일 때 최저 표면온도가 29.17^oC로 가장 높 Fig. 8. Structure of PCB for numerical analysis by FEM.

아 열전달특성이 가장 우수함을 보였고, pan 계열일 때 코어의 두께가 0.08 mm, 0.15 mm, 0.23 mm일 때 최저 표 면온도가 증가할수록 최저 온도가 각각 28.04^oC, 28.05^oC, 28.06^oC로 증가하여 열전달특성이 향상되었음을 확인하 였고 이와같은 해석결과의 경향은 실험을 통한 분석결과 와 동일하였다.

4. 결 론

본 논문에서는 HDI 기판의 코어로 사용될 수 있는 카 본 CCL의 열전달특성을 실험과 CAE를 이용한 수치해석 을 통해 분석하였다. 카본 CCL의 특성평가를 위해 기존 FR-4 코어와 heavy copper 코어와 비교하였다. 실험과 해 Fig. 9. Temperature distributions on surface of PCB with one core after 90 minute.

석결과를 비교하여 실험과 해석결과의 경향성의 상관관 계가 있음을 확인함으로써 본 연구에서 제작한 실험장치 에 의한 유효성도 확인되었다.

연구결과에 의하면 동일한 온도의 열원이 PCB 표면에 가해지고 코어의 두께가 동일할 때 heavy copper 코어, 카 본 코어와 FR-4 코어를 적용한 PCB의 열원 근처(ch.1) 표 면온도는 각각 약 33^oC, 29^oC, 28^oC이고, 열원 근처(ch.1) 와 PCB 끝단(ch.2)의 온도차는 각각 약 4.3^oC, 3.2^oC, 2.4^oC 로써 heavy copper의 열전달특성이 가장 우수하고 카본 CCL의 열전달특성이 다음으로 우수하며 FR-4 코어의 열 전달특성이 가장 낮았다. Heavy copper 코어는 가장 우수 한 열전달특성을 가지고 있지만 무게가 무겁고, 홀가공 시 드릴비트의 마모도가 증가하는 단점이 있다. 또한, 전 기절연을 위한 절연재를 heavy copper 상·하에 적층해 야하기 때문에 원가상승이 되며, 절연층의 추가로 열전 달특성이 감소할 것으로 예상되기 때문에 카본 CCL은 방열기판의 CCL로 대안이 될 수 있다. 한편, 코어의 두 께에 따른 열전달특성 연구결과에 따르면 카본 코어와 heavy copper 코어는 두께가 증가할수록 열전달특성이 좋 아지지만 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 좋 으나 heavy copper의 두께가 증가하면 위에서 언급한 드 릴비트 마모가 증가하고 무게가 증가하는 문제점이 증가 하기 때문에 카본 코어를 적용하는 것이 바람직하다는 것 을 의미한다.

본 논문에서는 카본 CCL의 열전달 특성의 우수성을 확

인하였고 향후에는 카본 CCL이 적용된 PCB의 warpage 특성과 신뢰성 분석, 드릴 가공성 등에 대한 연구결과를 수행하여 종합적인 카본 CCL의 PCB 적용특성을 분석할 계획이다.

감사의 글

본 연구는 동양미래대학교의 2015년도 교내연구지원 사업에 의해 수행되었습니다. 또한, 한국카본㈜의 지원을 받아 수행되었으며, 이에 한국카본(주) 관계자 여러분께 감사드립니다.

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Fig. 10. Temperature distributions on surface of PCB with two carbon after 90 minute.

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