KR101456921B1 - 세라믹 ｐｃｂ를 이용한 ｌｅｄ 광원모듈 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기판; 상기 기판의 상부면에 접착되는 전극회로가 인쇄된 세라믹기판; 상기 세라믹기판의 상부면에 배치되되, 상기 전극회로가 인쇄되지 않은 부분에 대응되도록 접합되는 반사판; 상기 세라믹기판 및 상기 반사판에 증착되는 반사막; 상기 세라믹기판에 실장되는 다수개의 LED칩; 및 상기 다수개의 LED칩을 봉지하는 형광체시트;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 세라믹 ＰＣＢ를 이용한 ＬＥＤ 광원모듈 제공한다. 본 발명은 LED 광원모듈에 있어서, 금속기판위에 얇은 두께의 세라믹 PCB을 배치한 모듈을 이용함으로써, LED 소자의 고열을 보다 효율적으로 분산시켜 우수한 방열특성을 가지며, 공정의 단순화와 원가절감이 가능하고 LED조명의 고출력을 구현할 수 있는 효과가 있다.

Description

세라믹 ＰＣＢ를 이용한 ＬＥＤ 광원모듈 및 그 제조방법{LED Package and LED Light Source Module using Ceramic PCB, and Manufacturing method}

본 발명은 LED 광원모듈에 관한 것으로서, 종래의 MPCB(메탈인쇄회로기판) 또는 MCPCB(메탈코어 인쇄회로기판)를 사용하는 LED 광원모듈에 비해 얇은 세라믹 ＰＣＢ를 이용함으로써 방열효율을 향상시켜 광출력 저하, 고열에 의한 손상, LED 수명저하를 개선하고, 광변효율을 높일 수 있는 세라믹 ＰＣＢ를 이용한 LED 광원모듈 및 그 제조방법에 관한 것이다.

최근 LED조명은 긴수명, 저소비전력, 고휘도 등으로 인하여 광원으로 많이 사용되며 개발되고 있다. 특히, 현재 고출력 고휘도 LED는 디지털카메라, MP3 플레이어, PDA와 스마트폰, 휴대용 비디오게임기, GPS 단말기, 휴대용 DVD플레이어, 노트북 컴퓨터의 휴대용전자기기에서 주로 사용되고 있으며, 전광판 및 광고분야와 자동차의 내외부 장식용 및 디스플레이 부분에 많이 사용되고 있다. 또한, 거리의 교통신호등 및 조명 등으로 우리의 일상생활에서 쉽게 찾아볼 수 있을 만큼 보급되어 있다.

그러나, LED가 고휘도 조명광원으로 사용되어질 경우 LED에서 85% 정도의 에너지가 열로 손실되면서 고열이 발생하고, LED패키지 및 모듈의 성능과 수명은 그 작동온도가 높아짐에 따라 지수적으로 감소될 뿐만 아니라, 작동온도가 일정온도 이상 올라가면 수지의 변색이 발생할 수 있으며 열응력에 의한 손상을 유발할 수 있으므로, LED에서 발생한 열을 방출시키기 위한 방열성능이 매우 중요한 설계고려사항 중 하나이다.

종래 LED칩소자 및 LED 패키지에는, 기존에 출력이 낮은 LED제품에 사용되는 FR4기판보다 방열특성을 개선시키키 위해 LED를 실장하기 위한 인쇄회로기판으로 메탈인쇄회로기판(MPCB)이 주로 사용되었다. 그러나, 이와 같은 메탈인쇄회로기판은 고출력 조명모듈에 적절하지 않을 뿐만 아니라, 금속판에 전도성 회로도선을 구성하기 이전에 전열수지 피막이 형성되어 결과적으로 열전도도가 낮아져 방열특성을 저해하는 요인으로 작용하고 있다. 또한, 메탈인쇄회로기판과 방열판간 접합을 위하여 사용되는 금속이나 세라믹보다 열전도도가 낮은 열전도성 그리스 또는 열전도성 패드 등의 절연수지와 내전압특성을 위한 수지필름의 삽입이 방열판으로 열흐름을 저해하는 요소로 작용하여 방열특성에 한계를 가지고 있다.

또한, 도 1에 도시된 바와 같이 종래의 SMD 타입 LED 패키지를 이용한 모듈은 금속인쇄회로기판(1)위에 수지계열의 절연층(2)을 형성하고, 그 위에 구리로 이루어진 판상형 열분산기(heat spreader)(3)를 배치하며 그 위에 순차적으로 LED 칩소자(4)를 실장하고 와이어본딩(5)으로 연결한 후 형광체(6)로 덮은 구조로 되어 있다. 그러나 이와 같은 종래구조는 구리로 된 열분산기를 사용함으로써 최근 트렌드인 플립칩 형태에는 적용이 불가능하고 와이어본딩타입에만 적용이 가능할 뿐만 아니라, 열분산기 및 절연층을 별도로 배치하는 공정을 행해야 하므로 공정단순화, 생산수율 및 원가절감면에서 바람직하지 않다.

또한, 이와 같은 LED 패키지의 경우 실장되는 LED칩소자 개수 배치에 제한이 따르므로 LED조명의 단점으로 지적되어 온 낮은 광속, 낮은 출력의 문제를 여전히 갖고 있다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 고효율 패키지기술 및 경량화 패키지를 동시에 구현할 수 있을 뿐만 아니라 방열특성이 우수하고 LED의 수명을 개선시키며, 고출력, 공정단순화 및 원가절감이 가능한 세라믹 ＰＣＢ를 이용한 ＬＥＤ 광원모듈을 제공한다.

상술한 바를 달성하기 위하여, 본 발명은 LED광원모듈에 있어서,

기판의 상부면에 접착되는 전극회로가 인쇄된 세라믹기판;

상기 세라믹기판에 실장되는 다수개의 LED칩; 및

상기 다수개의 LED칩을 봉지하는 형광체시트;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 세라믹 ＰＣＢ를 이용한 ＬＥＤ 광원모듈을 제공한다.

또한, 본발명은

기판;

상기 기판의 상부면에 접착되는 전극회로가 인쇄된 세라믹기판;

상기 세라믹기판의 상부면에 배치되되, 상기 전극회로가 인쇄되지 않은 부분에 대응되도록 접합되는 반사판;

상기 세라믹기판 및 상기 반사판에 증착되는 반사막;

상기 세라믹기판에 실장되는 다수개의 LED칩; 및

상기 다수개의 LED칩을 봉지하는 형광체시트;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 세라믹 ＰＣＢ를 이용한 ＬＥＤ 광원모듈을 제공한다.

또한, 본발명은

상기 세라믹기판이 알루미나, 알루미늄나이트라이드, 실리콘카바이드와 같은 파인세라믹스 소재 중에서 선택된 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 세라믹 ＰＣＢ를 이용한 ＬＥＤ 광원모듈을 제공한다.

또한, 본발명은

상기 세라믹기판의 두께가 1~100㎛ 인 것을 특징으로 하는 세라믹 ＰＣＢ를 이용한 ＬＥＤ 광원모듈을 제공한다.

또한, 본발명은

상기 반사판이 다수개의 관통홀을 구비하며, 상기 관통홀의 주변부에는 경사부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 세라믹 ＰＣＢ를 이용한 ＬＥＤ 광원모듈을 제공한다.

또한, 본발명은

상기 다수개의 LED칩이 멀티셀 LED인 것을 특징으로 하는 세라믹 ＰＣＢ를 이용한 ＬＥＤ 광원모듈을 제공한다.

또한, 본발명은

상기 반사막이 알루미나(Al) 또는 실버(Silver)와 같은 고반사 메탈 재질 혹은 다중막으로 구성된 유전체 반사막들로 구성되어진 것을 특징으로 하는 세라믹 ＰＣＢ를 이용한 ＬＥＤ 광원모듈을 제공한다.

또한, 본발명은

세라믹기판을 준비하는 단계;

상기 세라믹기판 상부면에 전극회로를 인쇄하는 단계;

별도의 반사판 구조물을 성형한 후 소성하여 제작하는 단계;

상기 세라믹기판과 상기 반사판을 접합하는 단계;

상기 세라믹기판의 상부면과 상기 반사판에 반사막을 증착하는 단계; 및

상기 세라믹기판의 상부면에 멀티셀 LED를 실장하고 형광체시트를 봉지하여 LED광원모듈을 완성하는 단계;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 세라믹 ＰＣＢ를 이용한 ＬＥＤ 광원모듈 제조방법을 제공한다.

또한, 본발명은

상기 반사막을 증착하기 전에 전극회로간에 쇼트가 발생하지 않도록 마스킹 작업을 실시하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 ＰＣＢ를 이용한 ＬＥＤ 광원모듈 제조방법을 제공한다.

본 발명은 LED 광원모듈에 있어서, 금속기판위에 얇은 두께의 세라믹 PCB을 배치한 모듈을 이용함으로써, LED 소자의 고열을 보다 효율적으로 분산시켜 우수한 방열특성을 가지며, 공정의 단순화와 원가절감이 가능하고 LED조명의 고출력을 구현할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래의 ＬＥＤ광원모듈을 나타내는 도면,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 세라믹 ＰＣＢ를 이용한 ＬＥＤ광원모듈의 요부를 개략적으로 나타내는 도면,
도 3의 (a), (b)는 도 2의 세라믹기판위에 접합되는 반사판의 평면도 및 단면도를 나타내는 도면.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 대한 동작 원리를 상세히 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 사용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 세라믹 ＰＣＢ를 이용한 ＬＥＤ광원모듈의 요부를 개략적으로 나타내는 도면, 도 3의 (a), (b)는 도 2의 세라믹기판위에 접합되는 반사판의 평면도 및 단면도를 나타내는 도면이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 세라믹 ＰＣＢ를 이용한 ＬＥＤ 광원모듈은 금속기판(10), 상기 금속기판 상부에 접합되는 회로인쇄 세라믹기판(20), 상기 세라믹기판 상부에 배치되는 반사판(30), 상기 세라믹기판 상부와 반사판에 각각 증착되는 제1 및 제2 반사막(40;50), 상기 제1 반사막 위에 실장되는 다수개의 LED칩(60), 상기 LED칩을 봉지하는 형광체시트(70);를 포함하여 구성된다.

세라믹기판(20)은 강도가 높으며 열전도율이 좋은 소재인 알루미나, 알루미늄나이트라이드, 실리콘카바이드 등의 파인세라믹스 소재 중에서 선택된 적어도 어느 하나의 분말을 HTCC(고온동시소성세라믹) 공정을 이용하여 1600℃에서 소성하여 제조하는 것이 바람직하다.

본 발명에서 세라믹기판(20)의 상부면에는 전극회로가 인쇄되며, 두께(D)는 수십㎛, 바람직하게는 1~100㎛, 가장 바람직하게는 15~30㎛로서, 열전달 경로의 최소화를 위해 얇을수록 좋다. 이와 같이 얇은 세라믹기판을 사용함으로써, LED소자에서 발생한 고열의 열전도도와 열전달 경로의 최소화로 인하여 방열특성이 개선되게 된다.

이와 같은 세라믹기판을 인쇄회로기판으로 이용함으로써, 세라믹기판 자체가 열분산기 역할을 하며, 세라믹기판의 배면온도상승은 9.5 ^oC 보다 작은 반면에, 열전도도(Thermal Conductivity)는 25 W/mK 보다 크다. 이는 종래의 금속인쇄회로기판에서 기판의 배면온도상승은 이고, 기판 및 구비된 방열판의 열전도도가 1~3 W/mK 인 점을 감안할 때, 본 발명은 진보한 고방열모듈이다.

또한, 세락믹기판(20)의 상부면 및 반사판(30)에 증착되는 반사막(40;50)은 반사율을 높여 LED조명의 고출력을 용이하게 하기 위한 것으로, 반사율이 우수한 알루미나(Al), 실버(Silver) 등과 같은 고반사 메탈 재질 혹은 다중막으로 구성된 유전체 반사막들을 증착하여 구성한다.

또한, 반사판(30)은 알루미나 파우더를 일정 형상으로 성형한 후 일정조건하에서 소성하여 두께가 대략 200㎛ 이하로 제작된 구조물이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 반사판(30)은 다수개의 관통홀(35)이 격자무늬로 배열되어 있고 반사판 상부면에서 관통홀(35) 주변부로는 경사부(slope)를 형성하여 인접한 관통홀과 반사판의 타부분의 단면이 이루는 형상이 댐구조를 갖도록 한다. 반사판(30)의 관통홀(35)의 치수는 세라믹기판(20)에 인쇄된 회로와 회로위에 실장되는 LED칩의 개수에 따라 변동될 수 있음은 물론이다.

LED칩(60)은 멀티셀 LED(와이어본딩이 필요하거나 혹은 필요없는 모든 LED칩)로서, 플립칩 또는 수직형칩으로 구성된 것으로 이와 같이 LED를 어레이하면 기판위에 수십에서 수백개에 이르는 LED칩을 조밀하게 배치시킨 후 한꺼번에 봉지재를 도포하는 것이 가능하므로, 별도의 패키징 작업 없이 단일공정을 통해 모듈화 가 가능해진다. 이러한 방식을 통해서 약 14mm 크기의 기판에 최대 300개 이상의 LED칩을 실장시키는 것이 가능하다. 또한, 적절한 셀(cell) 배치를 통하여 전류밀도를 조절하여, 고전류 영역에서 효율이 저하되는 드룹(droop)현상을 억제시키는 것이 가능해진다. 따라서 종래 하이파워 LED패키지의 수십배에 달하는 고출력을 구현하게 된다.

또한, 형광체시트(70) 봉지는 백색 LED 제작을 위한 형광체 공정으로, 적절한 LED 칩과 형광체 시트를 활용하여 광변효율 향상시키기 위한 것이다. 예컨대, 실장된 청색 LED 칩을 황색 형광체가 분산된 몰딩 수지로 봉지함으로써, 백색 LED 패키지를 얻을 수 있다. 상기 청색 LED 칩으로부터 460nm 파장대의 빛이 발생하면, 몰딩 수지 내의 상기 황색 형광체에서 545nm 파장대의 빛이 발생하고, 이 2 파장대의 빛이 혼색되어 백색광을 출력할 수 있게 된다.

이러한 LED 광원모듈은 백라이트 유닛(BLU)과 같은 백색 광원 모듈의 광원으로 유용하게 사용될 수 있음은 물론이다.

이하, 본 발명의 실시 예에 따른 세라믹 ＰＣＢ를 이용한 ＬＥＤ 광원모듈을 제조하기 위한 공정순서를 상세히 설명하면 다음과 같다.

(S1) 수십㎛(또는 보다 얇은 두께) 두께의 세라믹기판(20)을 준비한다.

세라믹기판(20)은 강도가 높으며 열전도율이 좋은 소재인 알루미나, 알루미늄나이트라이드, 실리콘카바이드 등의 파인세라믹스 소재 중에서 선택된 적어도 어느 하나의 분말을 HTCC(고온동시소성세라믹) 공정을 이용하여 1600℃에서 소성하여 제조한다. 또한, 세라믹기판(20)의 두께(D)는 15~30㎛로 제조한다.

(S2) 세라믹기판(20) 상부면에 전극회로를 인쇄한다.

(S3) 전극이 인쇄된 기판위에 마스킹을 한다.

후술하는 반사막을 코팅(또는 증착)하기 전에 전극회로간에 쇼트가 발생하지 않도록 마스킹 작업을 실시한다. 이때 마스킹 작업은 포토레지스터를 이용한 노광방법이나 인쇄기법을 사용할 수 있음은 물론이다.

(S4) 별도의 반사판(30) 구조물을 성형한 후 소성하여 제작한다.

알루미나 파우더를 도 3 (a),(b)에 도시된 바와 같은 형상으로 성형한 후 일정조건하에서 소성하여 반사판(30) 구조물을 제작한다.

도 3에 도시된 바와 같이, 반사판(30)에는 다수개의 관통홀(35)이 격자무늬로 배열되어 있고 반사판 상부면에서 관통홀(35) 주변부로는 경사부(slope)를 형성하여 관통홀과 반사판의 타부분의 형상이 댐구조를 갖는다.

(S5) 세라믹기판 상부에 반사판을 접합한다.

반사판의 관통홀이 세라믹기판 상부면의 인쇄회로 기판위에 대응되도록 반사판을 위치시킨후, 세라믹기판과 반사판을 접착제(미도시)를 이용하여 접합한다.

이때, 접합수단으로는 절연성 에폭시수지, 전도성 에폭시수지, 전도성 실리콘, 금속성 접착제, 솔더 페이스트, 직접구리부착(DBC: direct bonded copper), 등 다양한 접합수단을 이용할 수 있으나, 본 발명에서는 접착제로 절연성 에폭시수지를 사용하여 접합한다.

(S6) 세라믹기판 상부면 및 반사판에 제1 및 제2 반사막(40;50)을 증착한다.

세라믹기판의 인쇄회로부분에는 제1 반사막(40)을 증착하고, 반사판의 상부면 및 경사부 등 외표면에는 제2 반사막(50)을 증착한다.

제1 반사막 및 제2 반사막은 알루미늄(Al), 실버(Silver) 등과 같은 고반사 메탈 재질 혹은 다중막으로 구성된 유전체 반사막들로 구성된다.

(S7) 멀티셀 LED를 실장하고 형광체시트를 봉지하여 LED광원모듈을 완성한다.

세라믹기판의 제1 반사막 위에는 인쇄회로부분에 대응되는 위치에 멀티셀 LED를 실장하고 그 위에 필요한 형광체시트를 봉지하여 LED광원모듈을 완성한다. LED칩 실장시, solder AuSn, AgSn, Pb free solder 등을 이용한 열압착 본딩 공정을 이용하여 세라믹기판에 LED칩을 본딩한다.

이와 같은 방법으로 LED광원모듈을 제조함으로써, 별도의 패키징 없이 단일공정을 통해 LED광원모듈이 가능하게 된다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

한편, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

20: 세라믹기판 30:반사판
35: 관통홀 40,50:제1 반사막,제2 반사막
60: 멀티셀 LED 70:형광체시트
D:기판의 두께

Claims (10)

1. LED광원모듈에 있어서,
   기판의 상부면에 접착되는 전극회로가 인쇄된 세라믹기판;
   상기 세라믹기판에 실장되는 다수개의 LED칩; 및
   상기 다수개의 LED칩을 봉지하는 형광체시트;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 세라믹 ＰＣＢ를 이용한 ＬＥＤ 광원모듈.
2. 기판;
   상기 기판의 상부면에 접착되는 전극회로가 인쇄된 세라믹기판;
   상기 세라믹기판의 상부면에 배치되되, 상기 전극회로가 인쇄되지 않은 부분에 대응되도록 접합되는 반사판;
   상기 세라믹기판 및 상기 반사판에 증착되는 반사막;
   상기 세라믹기판에 실장되는 다수개의 LED칩; 및
   상기 다수개의 LED칩을 봉지하는 형광체시트;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 세라믹 ＰＣＢ를 이용한 ＬＥＤ 광원모듈.
3. 제2 항에 있어서,
   상기 세라믹기판은 알루미나, 알루미늄나이트라이드, 실리콘카바이드와 같은 파인세라믹스 소재 중에서 선택된 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 세라믹 ＰＣＢ를 이용한 ＬＥＤ 광원모듈.
4. 제2 항에 있어서,
   상기 세라믹기판의 두께는 1~100㎛ 인 것을 특징으로 하는 세라믹 ＰＣＢ를 이용한 ＬＥＤ 광원모듈.
5. 제2 항에 있어서,
   상기 반사판은 다수개의 관통홀을 구비하며, 상기 관통홀의 주변부에는 경사부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 세라믹 ＰＣＢ를 이용한 ＬＥＤ 광원모듈.
6. 제2 항에 있어서,
   상기 다수개의 LED칩은 멀티셀 LED인 것을 특징으로 하는 세라믹 ＰＣＢ를 이용한 ＬＥＤ 광원모듈.
7. 제2 항 내지 제6 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 반사막은 알루미나(Al) 또는 실버(Silver)와 같은 고반사 메탈 재질 혹은 다중막으로 구성된 유전체 반사막들로 구성되어진 것을 특징으로 하는 세라믹 ＰＣＢ를 이용한 ＬＥＤ 광원모듈.
8. 세라믹기판을 준비하는 단계;
   상기 세라믹기판 상부면에 전극회로를 인쇄하는 단계;
   별도의 반사판 구조물을 성형한 후 소성하여 제작하는 단계;
   상기 세라믹기판과 상기 반사판을 접합하는 단계;
   상기 세라믹기판의 상부면과 상기 반사판에 반사막을 증착하는 단계; 및
   상기 세라믹기판의 상부면에 멀티셀 LED를 실장하고 형광체시트를 봉지하여 LED광원모듈을 완성하는 단계;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 세라믹 ＰＣＢ를 이용한 ＬＥＤ 광원모듈 제조방법.
9. 제8 항에 있어서,
   상기 세라믹기판의 두께는 1~100㎛ 인 것을 특징으로 하는 세라믹 ＰＣＢ를 이용한 ＬＥＤ 광원모듈 제조방법.
10. 제8 항 또는 제9 항에 있어서,
    상기 반사막을 증착하기 전에 전극회로간에 쇼트가 발생하지 않도록 마스킹 작업을 실시하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 ＰＣＢ를 이용한 ＬＥＤ 광원모듈 제조방법.

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