본고에서는 전해동박의 개발 연혁, 제조 공정 및 주요 적용 사례에 대해 소개한다. 전해동박이 전자 소재에 적용되는 대표적인 사례는 Li 이차전지의 음극 집전체 및 인쇄회로기판의 회로이다. Mobile Device의 슬림화 및 다기능화에 따라 Li 이차전지의 용량 증대 및 인쇄회로기판의 협피치화가 필요하다. 따라서 Li 이차전지의 단위 부피당 용량 증대를 위해서는 음극 집전체로 적용되는 동박은 극박화 및 고강도 특성이 요구되고 있다. 인쇄회로기판의 협피치화에 따라 이들 제품에 적용되고 있는 동박은 두께 및 조도를 저감시키는 방향으로 기술이 전개되고 있다. 본고에서는 전자 소재용으로 적용되고 있는 전해 동박의 최근 제품 및 기술 동향과 향후 제품 전개 방향에 대해 논의하고자 한다.
기존의 연성인쇄회로기판(FPCB)은 top down방식에 의한 에칭기술이 일반화되어 있으나, 고가의 장비를 사용한 제조방식과 복잡한 공정으로 인하여 품질수준은 높은 편이나 제조단가가 매우 비싼 편이다. 기존의 값비싼 top down방식을 대체하여 저렴한 가격으로 FPCB를 대체하려는 기술들이 지속적으로 연구되고 있다. 그중에서 가장 기술개발이 활발한 분야가 인쇄(잉크젯 혹은 레이저)방식이지만 아직 인쇄노즐의 크기와 잉크의 전도도에 한계가 있어 사용에 많은 제약이 있다. 그러나 금속미세회로(MMP)기술은 도금방식에 의한 bottom up기술로 회로의 정밀도와 전도도가 높으면서 연속제조방식에 의한 대량생산이 가능하므로 저렴하게 생산할 수 있어, 기존의 FPCB제조공정을 대체할 기술로 각광받고 있다.
본 연구는 작업 순서에 따라 달라지는 준비비용을 갖는 인쇄회로기판의 생산 일정계획 문제를 다룬다. 본 연구에서 다루는 문제는 생산할 인쇄회로기판의 유형들이 주어져있으며, 이는 한 대의 부품장착 설비를 통해 생산되는 환경에서, 작업 투입 순서에 따라 달라지는 준비 비용의 총합을 최소화는 작업 투입순서를 결정하는 것이다. 이 문제는 NP-hard로 알려져 있으며, 이에 해를 도출하기 위한 메타 휴리스틱 기법을 제시한다.
본 논문에서는 인쇄회로기판과 도전체 샤시(Chassis)가 연결되었을 때의 복사성 방사(Radiated Emission)의 감소에 대해서 연구하였다. Current Driven 메커니즘 등가회로를 사용하여 전자파 방사의 주요한 원인중 하나인 Common-mode Current를 인쇄회로기판과 Chassis가 연결된 구조에 적용하였다. Chassis의 유무에 따라 복사성 방사의 감소를 확인하고자 2-layer 인쇄회로기판과 SECC(Steel Electro galvanized Cold-rolled Coil) 재질의 Chassis를 나사(Screw)를 통하여 전기적으로 연결하였을 때를 시뮬레이션 하였고, 제작된 구조물을 3m 무반향실에서 복사성 방사를 측정한 후 시뮬레이션과 결과를 비교하였다. 결과로 30MHz$\sim$45MHz에서 최대 10dB 감소의 효과가 있음을 확인하였다.
최근 인쇄회로기판의 실장용 표면처리 개발에서 전도성이 우수하며, 또한 실장성도 우수한 치환형 무전해 은도금의 개발이 진행되고 있다. KENNY 등은 인쇄회로기판에서 가장 우수한 실장용 표면처리의 치환형무전해 은도금기술을 발견하였다. 이 기술은 무전해 니켈도금/치환금도금과 비교하여 비교적 낮은 비용으로 양산이 가능하며, 우수한 솔더링 특성과 신뢰성이 높은 것이 특징이다. 개발한 치환형 무전해 은도금은 무전해 니켈도금/치환금도금에 비해서 저온에서 처리가 가능하며, 처리시간도 짧은 것이 특징이다. 특히 대량생산과 미세한 블라인드 비어홀(BVH, Blind Via Hole) 내부로의 균일 석출을 위한 수평컨베이어나 수직침적라인 등에 모두 적용이 가능하다.
최근 인쇄회로기판(PCB)의 제품트랜드는 박형화, 고밀도화로 대표되지만 휨(Warpage) 억제, 신뢰성확보와 같은 기술적 난제로 인해 박형화와 고밀도화에 많은 제약을 받고 있다. $B^2it$(Buried Bump Interconnection Technology) 공법은 기판의 핵심공정 중 하나인 드릴링 공정이 생략되어 인쇄회로기판을 낮은 제조비용으로 박형화할 수 있는 기술로 개발되고 있다. 본 논문은 $B^2it$공법이 적용된 인쇄회로기판의 열적-기계적 거동특성을 유한요소해석(FEA)을 통해 고찰한 논문으로서 패키징레벨에서 방열효과와 신뢰성 등에 벙프의 재료, 형상 등이 미치는 영향 등을 분석하였다. 해석결과에 의하면 $B^2it$공법이 적용한 인쇄회로기판은 기존 비아구조를 가진 인쇄회로기판에 비해 칩에서 발생하는 열의 확산이 신속하고 패키징의 휨을 억제하는데도 유리하며 칩에서 발생하는 응력도 낮추지만 솔더-조인트의 응력은 증가시키게 된다. 따라서 패키징의 신뢰성을 향상시키기 위해서는 범프의 형상, 재료 등을 패키징을 구성하고 있는 모든 요소들을 고려하여 최적화하는 것이 필요하다.
최근 전자제품들의 소형화, 경량화, 다기능화가 활발히 진행됨에 따라, 고성능의 고출력용 인쇄회로기판(PCB)의 개발이 요구되고 있다. PCB는 전자제품의 각 부품을 전기적으로 연결하는 통로로서 전자제품의 소형화, 다기능화에 따라 고집적화가 요구되고 있다. 하지만 모든 전자장비의 고장의 85% 정도가 발열에 의한 것으로, PCB의 고집적화에 따른 발열문제가 매우 중요한 이슈가 되고 있다. 최근에는 이러한 문제점을 해결하기 위해 PCB의 방열층으로 양극 산화막을 금속 기판 위에 형성하고 이 절연층 위에 금속층을 회로로서 형성하는 방열 PCB 기판에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 최근까지, 금속층 회로 형성을 위해 무전해 Ni 도금에 대한 연구가 활발히 이루어져 왔다. 하지만 주로 화학적, 전기화학적 관점에서 많은 연구자들에 의해 조사 연구되어 왔다. 본 실험에서는 anodized Al 절연층 위의 회로전극 부분으로 스크린 방법으로 Ag paste를 패턴 인쇄한 뒤, 무전해도금 방식으로 저렴한 Ni 전면 회로전극을 형성하여 전기전도도를 높이고, 저항을 낮출 수 있는 회로로서 기판의 손상을 최소화하고 선택적으로 Ag 패턴에만 Ni 전극회로를 형성시키는 것을 목표로 연구하였다. Ni-B 무전해 도금시 도금조의 온도는 $65^{\circ}C$, 무전해 도금액의 pH는 ~7 (중성)로 유지하였다. Al2O3 기판을 이용한 Ag Paste 패턴 위에 증착된 Ni-B 박막의 특성을 분석하기 위해 X-ray diffraction (XRD), AFM (Atomic Force Microscopy), SEM (Scanning Electron Microscope), XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy)을 이용하여 Ni-B 박막의 특성을 분석하였다.
전자기기부품에 적용되는 회로기판의 패키지 공정상에서 가해지는 온도변화에 따른 신뢰성 평가시 발생되는 문제들은, 주로 회로기판을 구성하고 있는 기본 재료들의 열팽창 계수 차이 및 시간의존성 물성에 의해 영향을 받는다. 특히, 인쇄회로기판 내부 회로층 사이에서 절연 역할을 수행하는 유리섬유강화 복합재료와 같은 수지몰딩 고분자 재료는 온도에 따른 물성변화 뿐만 아니라, 변형 및 하중이 가해지는 시간에 대한 물성변화도 고려해야 하는 점탄성 성질을 나타낸다. 본 논문에서는 인쇄회로기판에 사용되는 주요 고분자 재료인 유리섬유강화 복합재의 시간 및 온도에 따른 점탄성 특성을 규명하기 위하여, 단축인장 모드의 응력완화 시험과 크리프 시험을 각각 수행하였다. 또한, 고분자 재료 점탄성 물성의 영향성을 파악하기 위하여, 유한요소해석을 이용한 인쇄회로기판의 예비가열 공정 상에서 가해지는 온도변화에 따른 열변형을 평가하였다. 이러한 해석결과를 바탕으로, 인쇄회로기판과 같이 고분자재료를 사용하는 전자회로 구조물의 수치해석 기반의 열변형 예측시 점탄성 물성의 고려 필요성을 검증하였다.
고속 회로의 발전과 함께 고주파 잡음의 발생 가능성이 커지고, 이러한 시스템의 잡음 억제를 위해 다중 접지(multipoint ground)가 사용되고 있다. 이 가운데 스크류를 이용한 인쇄회로기판의 접지는 인접 스크류들 사이에 접지 루프를 형성하여 방사잡음을 유발한다. 본 논문에서는 이러한 문제를 해결하기 위하여 기구물(chassis)에 대한 인쇄회로기판의 접지 구조를 제안하였다. 제안된 구조는 전파흡수체와 전도성 구리 테이프를 이용해서 전파 흡수량을 증가시킨 것이다. 1~3 ㎓대역에서 기판의 방사 잡음을 측정한 결과, 제안된 접지 구조는 스크류 접지 구조에 비해 2 ㎓ 이하의 대역에서 방사 잡음이 2.62 dBuV/m 감소되었다.
현재 선진국에서는 전자기기에서 복사되는 전자파 및 이에 노출되었을 때의 내성에 대해서 동시에 규제하고 있다. 따라서 전자기기에서 사용하는 신호의 주파수가 점점 높아지고 회로가 집적화되므로 회로설계에 포함되지 않는 기생 소자의 영향도 연구되어져야 한다. 그러므로 이러한 조건을 모두 고려하여 초고주파 회로를 완전하게 설계제작할 수 있다면 이는 이상적인 기술이라 할 수 있을 것이다. 이것을 이루려면 많은 시간 동안의 연구와 분석을 통해 최종 생산물이 되기까지 대단한 노력이 요구된다. 본문에서는 초고주파 인쇄 회로 기판을 설계할 때 고려해야 할 점, 즉, 유전율 및 유전체의 두께, 소자 실장, 접지면 부착 및 회로의 패키지화에 관해서 소개하고자 한다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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