KR20140122389A - 발광다이오드 패키지의 방열처리방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 발광다이오드에서 발생되는 열을 인쇄회로기판으로 신속하게 전도 확산시킬 수 있는 발광다이오드 패키지의 방열처리구조 및 이러한 구조를 실현하는 방열처리방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 방열처리구조는 열이 발생하는 발광다이오드가 은나노층을 통하여 인쇄회로기판과 접촉되게 하는 구조로서, 발광다이오드에서 발생하는 열을 기판에서 바로 흡수하여 외부로 방열 처리하므로 종래의 열전달구조에 비해 방열효율을 높일 수 있으며, 광방출 효율향상을 통하여 고출력의 발광다이오드 구현이 가능하고 사용수명을 연장할 수 있으며, 또한 발광다이오드와 PCB 기판 사이에 열전달력이 높은 은나노분말만이 얇은 두께로 게재되므로 열전달 효율이 우수하고 열저항이 최소화되며, 고온의 운전조건에서도 발광다이오드와 PCB 기판의 접착력이 유지된다.
또한, 본 발명의 방열처리방법은 발광다이오드와 PCB 기판을 저온에서 융착시킬 수 있으므로 융착 과정에서 발광다이오드 소자가 손상되는 것을 방지하고 발광다이오드 패키지의 제조원가를 절감할 수 있는 이점이 있다.
본 발명에 따른 방열처리구조는 열이 발생하는 발광다이오드가 은나노층을 통하여 인쇄회로기판과 접촉되게 하는 구조로서, 발광다이오드에서 발생하는 열을 기판에서 바로 흡수하여 외부로 방열 처리하므로 종래의 열전달구조에 비해 방열효율을 높일 수 있으며, 광방출 효율향상을 통하여 고출력의 발광다이오드 구현이 가능하고 사용수명을 연장할 수 있으며, 또한 발광다이오드와 PCB 기판 사이에 열전달력이 높은 은나노분말만이 얇은 두께로 게재되므로 열전달 효율이 우수하고 열저항이 최소화되며, 고온의 운전조건에서도 발광다이오드와 PCB 기판의 접착력이 유지된다.
또한, 본 발명의 방열처리방법은 발광다이오드와 PCB 기판을 저온에서 융착시킬 수 있으므로 융착 과정에서 발광다이오드 소자가 손상되는 것을 방지하고 발광다이오드 패키지의 제조원가를 절감할 수 있는 이점이 있다.
Description
본 발명은 발광다이오드에서 발생되는 열을 인쇄회로기판으로 신속하게 전도 확산시킬 수 있는 발광다이오드 패키지의 방열처리구조 및 이러한 구조를 실현하는 방열처리방법에 관한 것이다.
발광장치에는 백열등을 포함하여 형광등, 수은등, 할로겐등의 매우 다양한 종류가 개발되어 사용되고 있으며, 근래에는 에너지 절감과 친환경적인 제품에 대한 요구를 충족시켜 주는 대안으로서 발광다이오드(light emitting diode, LED)가 주목받고 있다.
발광다이오드는 장치의 내부로 흐르는 전류를 빛으로 전환하여 외부로 방출하는 일종의 반도체 다이오드로서, 발광다이오드가 주목받고 있는 이유는 동일한 광출력 대비 전력소모가 적으면서 작고 얇은 형태로 제작이 가능하며, 매우 빠른 속도로 점멸할 수 있고 수명이 길며, 수은과 같은 오염물질을 포함하지 않는 장점을 들 수 있다.
반면에, 발광다이오드에 전원을 인가하면 에너지의 15 % 정도가 광에너지화하고 85 % 정도가 열에너지로 변환되어 발광다이오드 칩에 열이 발생하는데 이러한 열을 효율적으로 제거해주지 못하면 전체의 광효율 특성이 열화되고 또한 온도에 따라 수명이 유동적이라는 단점이 있으므로, 이러한 단점을 해결하기 위하여 구조개선을 통하여 발광장치 내부에서 발생된 열을 효율적으로 외부로 방출하고자 하는 연구가 진행되고 있다.
통상, 발광다이오드는 에폭시 인쇄회로기판 또는 메탈 인쇄회로기판에 실장되고 이러한 인쇄회로기판의 하측에 히트싱크나 알루미늄 또는 동재질에 의한 방열판 등의 방열수단을 결합하여 사용함으로써 발광다이오드에서 발생되는 열을 외부로 방열처리하고 있다.
종래의 일반적인 발광다이오드 방열구조는 발광다이오드에서 발생하는 열의 대부분이 발광다이오드 하우징 내에 삽입되어 있는 히트싱크 슬러그를 통하여 인쇄회로기판상의 접속부로 전달된 후 인쇄회로기판 하부의 열전도성이 우수한 금속판으로 전도되어 금속판 배면의 넓은 면적을 통하여 외부로 방출되는 구조로 되어 있다.
이러한 구조는 열전도도가 우수한 금속을 이용함으로써 발광다이오드가 밀집된 영역에서 발생된 열을 신속히 금속판 전면으로 전도·확산시켜 발광다이오드로부터 발생하는 열을 저감시킬 수 있으나, 금속의 열전도성에 한계성이 있고 발광다이오드를 둘러싼 상부의 렌즈층 및 하부의 히트싱크 슬러그와 밀봉패키지 포장재 그리고 전원회로기판 표면에 도포된 코팅제 등의 방열성능 한계로 인하여 발광다이오드에서 발생한 열을 낮추는 데는 한계가 있다.
더욱이, 기판 구조는 각각의 재료 재질특성에 따라서 열전도율이 다르고 두께 등에 따라서 열전도율이 달라지며, 발광다이오드의 열이 인쇄회로기판과 방열판 등으로 전달될 때마다 층간에서 열저항이 발생하고 이로 인하여 방열효과가 저하되어 발광다이오드에서 발생하는 열을 효율적으로 방출을 시키는데에 많은 어려움이 있다.
이러한 문제를 개선하기 위하여, 한국공개특허공보 제2011-0053838호에는 도전성 접착제, 이를 이용한 반도체의 실장방법 및 웨이퍼 레벨 패키지에 관한 내용이 개시되어 있다.
상기 발명은 용융 가능한 도전입자; 상기 도전입자의 융점에서 경화가 완료되지 않는 접착성 절연 수지; 및 상기 접착성 절연 수지의 경화가 완료되는 온도에서 용융되지 않는 방열입자를 포함하는 구성으로 이루어지며, 상기 방열입자는 도전성을 갖는 금, 은, 구리, 텅스텐, 탄소나노튜브(CNT) 및 이들의 혼합물이거나 테프론, 폴리에틸렌, 알루미나, 실리카, 글라스 및 실리콘 카바이드 및 이들의 혼합물로 구성된다.
상기 발명의 도전성 접착제는 기판전극과 반도체칩 전극 사이에서 용융 및 경화되어 이들을 접착시키는데, 도전입자에 의해 단자 간의 충분한 전기적 접속을 확보하면서 방열입자에 의해 가열/가압 공정시 열전도율이 뛰어나고 내부에서 발생된 열을 용이하게 방출할 수 있는 효과를 제공할 수 있으나, 도전성 접착제를 구성하는 접착성 절연 수지의 전기전도성 및 열전도성의 한계로 인하여 도전효율과 방열효율이 저하되고 기판전극과 반도체칩 전극과의 층간에서 열저항이 발생하는 문제와 함께 LED에서 발생하는 고온의 열에 장기간 노출되면 이종소재 간의 열팽창 차이에 의해 층간 박리가 발생할 우려가 있다.
또한, 한국등록특허공보 제0610275호에는 LED부가 리드프레임의 방열판에 전열성 결합수단을 게재하여 실장되고, 상기 전열성 결합수단은 납땜, 은(Ag) 페이스트 또는 열전달이 우수한 수지이며, 상기 리드프레임은 상기 LED부의 크기에 대응하여 방열면적이 최대가 되도록 하는 고출력 발광 다이오드 패키지 및 그 제조방법에 관한 내용이 개시되어 있다.
상기 발명은 LED부에서 발생한 열이 전열성 결합수단을 통하여 신속히 방열판으로 방출되어 열전도율이 높고 방열면적을 많이 확보하고 있는 방열판을 통하여 제거되므로 방열효율이 우수한 효과를 제공하나, 상기 전열성 결합수단들은 열전달 능력과 함께 고온의 운전조건 하에서 접착력을 유지하는 것을 동시에 만족하기에는 부족하며, 리드프레임 상에 LED부를 실장하기 위하여 상기 전열성 결합수단을 용융하는 과정에서 고온의 열이 LED부에 전달되어 LED 칩의 손상을 유발하는 문제가 있다.
상기와 같이 발광다이오드 패키지로부터 발생하는 열을 효율적으로 방열시키고자 하는 시도는 계속되고 있으나 여전히 개선의 필요성과 요구가 뒤따르고 있는 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 발광다이오드 소자에서 발생하는 열을 효율적으로 방열할 수 있는 방열처리구조와 이러한 구조를 구현하는 과정에서 발광다이오드 소자가 손상되는 것을 방지할 수 있는 방열처리방법을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 발광다이오드 소자(2)가 실장된 인쇄회로기판(1)의 방열처리구조에 있어서, 상기 인쇄회로기판(1)과 발광다이오드 소자(2) 사이에 지름 30~90 ㎚의 은나노분말이 용융·융착되어 4~8 ㎛의 두께로 형성된 은나노층(6)이 형성되어 있는 발광다이오드 패키지의 방열처리구조를 제공한다.
또한, 본 발명은 발광다이오드 소자(2)가 실장되는 인쇄회로기판(1)의 방열처리방법에 있어서, 지방산, 어유, 폴리디알릴디메틸암모니움 클로라이드, 폴리아크릴산 및 폴리스티렌 설포네이트로 이루어진 군 중에서 선택되는 적어도 어느 하나의 유기 분산제; 왁스를 구성하는 단량체, 올리고머, 중합체, 폴리비닐 알코올 및 폴리비닐 부타놀로 이루어진 군 중에서 선택되는 적어도 어느 하나의 유기 바인더; 및 터피놀, 텍사놀 및 부틸 카비톨로 이루어진 군 중에서 선택되는 적어도 어느 하나의 유기용제;를 혼합하여 유기혼합물을 제조하는 단계, 상기 유기혼합물과 지름 30~90 ㎚ 크기의 은나노분말을 10~30:70~90 중량%의 비율로 혼합하여 은나노 페이스트를 제조하는 단계, 및 상기 은나노 페이스트를 인쇄회로기판(1)과 발광다이오드 소자(2) 사이에 도포하고 280 ℃ 이하에서 건조 및 소성하여 융착시키는 단계를 포함하는 발광다이오드 패키지의 방열처리방법을 제공한다.
이때, 상기 은나노층(6)과 인쇄회로기판(1) 사이에 은 성분으로 구성된 1~4 ㎛ 두께의 제1 은도금층(9)이 형성되고, 은나노층(6)과 발광다이오드 소자(2) 사이에 은 성분으로 구성된 0.5~1.0 ㎛ 두께의 제2 은도금층(10)이 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 인쇄회로기판(1)은 메탈코어 인쇄회로기판인 것이 바람직하다.
또한, 상기 은 도금시 도금 면에 니켈, 텅스텐, 티타늄, 몰리브덴 및 탄탈륨으로 이루어진 군 중에서 선택되는 적어도 어느 하나의 은 마이그레이션 배리어 물질을 도포하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 방열처리구조는 열이 발생하는 발광다이오드가 은나노층을 통하여 인쇄회로기판과 접촉되게 하는 구조로서, 발광다이오드에서 발생하는 열을 기판에서 바로 흡수하여 외부로 방열 처리하므로 종래의 열전달구조에 비해 방열효율을 높일 수 있으며, 광방출 효율향상을 통하여 고출력의 발광다이오드 구현이 가능하고 사용수명을 연장할 수 있다.
또한, 발광다이오드와 PCB 기판 사이에 열전달력이 높은 은나노분말만이 얇은 두께로 게재되므로 열전달 효율이 우수하고 열저항이 최소화되며, 고온의 운전조건에서도 발광다이오드와 PCB 기판의 접착력이 유지된다.
또한, 본 발명의 방열처리방법은 발광다이오드와 PCB 기판을 저온에서 융착시킬 수 있으므로 융착 과정에서 발광다이오드 소자가 손상되는 것을 방지하고 발광다이오드 패키지의 제조원가를 절감할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광다이오드 패키지의 단면을 개략적으로 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명에 따른 발광다이오드 패키지의 방열처리구조 및 방열처리방법을 첨부된 도면에 의거 상세히 설명한다.
도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광다이오드 패키지를 도시한 단면도가 도시되어 있으며, 이에 도시된 바와 같이 본 발명의 발광다이오드 패키지는 인쇄회로기판(1), 상기 인쇄회로기판(1)상에 장착된 발광다이오드 소자(2), 인쇄회로기판에 형성된 1 쌍의 외부전극(3), 상기 발광다이오드 소자(2)와 외부전극(3)을 전기적으로 연결하는 1 쌍의 본딩와이어(4), 상기 발광다이오드 소자(2) 상부에 형성된 렌즈부(5) 및 상기 인쇄회로기판(1)과 발광다이오드 소자(2)을 결합하는 은나노층(6)을 포함한다.
또한, 상기 인쇄회로기판(1)과 외부전극(3) 사이에는 이들을 전기적으로 차단하는 절연층(7)이 형성되고, 상기 외부전극 상부에는 배선패턴을 보호하는 포토솔더레지스트층(8, photo solder resist, PSR)이 형성되는 것이 바람직하다.
종래 발광다이오드 소자를 인쇄회로기판상에 실장하는데 사용된 접착제는 실리콘, 에폭시, 폴리에스테르 수지 등 열전도도가 낮은 접착제(열전도도:1 W/m-K 이하)를 사용하거나, 수지에 실버분말 또는 세라믹분말을 혼합하여 열전도도를 최대 30 W/m-K로 높인 것을 사용하여 왔다.
그러나 기술의 발달에 따른 전자기기의 고속화, 대용량화, 소형화 및 고출력화의 요구에 부응하여 발광다이오드 소자와 같은 전자부품의 고집적화나 고밀도화를 실현하기 위해서는 발광다이오드 소자에서 발생하는 열을 신속히 방출시켜 광효율 향상과 기기의 수명을 연장할 수 있는 방안이 요구되고 있으나, 수지성분으로 구성되는 접착제로는 열전달 능력에 한계가 있다.
본 발명에서는 이를 극복하는 방안으로서 발광다이오드 소자(2)와 인쇄회로기판(1) 사이에 지름 30~90 ㎚의 나노 크기로 미세하게 분쇄된 은나노분말이 용융·융착된 은나노층(6)을 게재시킴으로써 발광다이오드 소자(2)를 인쇄회로기판(1)에 접착·고정하면서 발광다이오드 소자(2)에서 발생하는 열을 인쇄회로기판(1)으로 신속히 방출할 수 있도록 한다.
은(silver)은 모든 금속 중에서 열전도도가 약 429 W/m-K로 가장 높고 빛의 반사율이 가장 크므로 발광다이오드 소자(2)에서 발생하는 열은 인쇄회로기판(1)으로 신속히 방출하고 발광다이오드 소자(2)에서 발생하는 빛은 렌즈부(5)로 반사시켜 광출력 효율을 향상시킬 수 있다.
상기 은 대신에 열팽창계수가 낮고 비용면에서 유리한 구리를 이용하는 것을 고려할 수 있으나, 구리는 용융시키는 과정에서 200 ℃ 이상 가열할 경우 산화와 동시에 열전도도가 저하되므로 방열 접착소재로서 바람직하지 않다.
상기 은나노층(6)과 인쇄회로기판(1) 사이에는 이들의 접착력을 증가시키기 위하여 은 성분으로 구성된 제1 은도금층(9)이 형성될 수 있고, 은나노층(6)과 발광다이오드 소자(2) 사이에는 이들의 접착력을 증가시키기 위하여 은 성분으로 구성된 제2 은도금층(10)이 형성될 수 있다.
상기 은나노층(6)은 4~8 ㎛의 두께로 형성될 수 있고 상기 제1 은도금층(9)은 1~4 ㎛의 두께로 형성될 수 있으며, 상기 제2 은도금층(10)은 0.5~1.0 ㎛의 두께로 형성될 수 있다.
상기와 같이 열전도도가 높은 은 성분으로 인쇄회로기판(1)과 발광다이오드 소자(2)를 접착시키고 이들 접착부위에 은나노층(6)과 동일 성분으로 구성된 제1 및 제2 은도금층(9, 10)을 게재시켜서 접착력을 증가시키면서 층간 열저항을 최소화한다.
인쇄회로기판(1)은 에폭시 수지, 베이클라이트 수지 등의 수지재질의 기판이거나 세라믹 기판이거나 금속소재의 메탈코어 인쇄회로기판(metal core printed circuit board, MCPCB)일 수 있으며, 방열특성을 고려하여 고방열 성능을 가지는 세라믹 기판 또는 메탈코어 인쇄회로기판이 바람직하고 은나노층(6) 또는 제1 은도금층(9)과의 접착 용이성을 고려하여 메탈코어 인쇄회로기판이 좀더 바람직하다.
발광다이오드 소자(2)는 p-n 접합 구조를 가지고서 가시광선, 자외선, 적외선 중의 어느 하나를 발산하는 발광다이오드를 장착하고 있으며, p층과 n층 각각에 전력을 공급하기 위해 p-n 접합 구조의 상부와 하부 각각에 전력을 공급하는 1 쌍의 본딩와이어(4)가 접속되어 있다.
인쇄회로기판(1)의 상부에는 발광다이오드 소자(2)에 전력을 공급하기 위한 외부전극(3)이 발광다이오드 소자(2)와 이격된 상태에서 본딩와이어(4)로 접속되어 있다.
발광다이오드 소자(2)의 상부에는 렌즈부(5)가 형성되어 있는데, 상기 렌즈부(5)를 형성하는 소재는 발광다이오드 소자(2)의 휘도 향상을 위해 가시광선, 자외선 또는 적외선을 투과하는 물질로 이루어질 수 있으나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 유백색을 띄는 물질로 이루어질 수도 있다.
상기 외부전극(3)과 인쇄회로기판(1) 사이에는 외부전극(3)의 절연특성 향상을 위해 비전도성 물질로 이루어진 절연층(7)이 형성될 수 있으며, 상기 외부전극의 상부에는 각 소자의 접합과정에서 발생할 수 있는 솔더볼(solder ball)이나 솔더브릿지(solder bridge) 등을 방지할 수 있도록 포토솔더레지스트층(8)이 형성될 수도 있다.
상기 포토솔더레지스트층(8)은 발광다이오드 소자(2)로부터 발산되는 빛을 투과시키는 물질로 이루어져 광 조사 범위를 확장하거나, 발광다이오드 소자(2)로부터 발산되는 빛을 반사시키는 물질로 이루어져 빛을 전방으로 집중시킴으로써 광 조사 범위를 축소할 수도 있다.
이하, 본 발명에 따른 발광다이오드 패키지의 방열처리방법에 대하여 상세히 설명한다.
먼저, 지방산(fatty acid ), 어유(fish oil), 폴리디알릴디메틸암모니움 클로라이드(polydiallyldimethylammoniumn chloride), 폴리아크릴산(polyacrylic acid), 폴리스티렌 설포네이트(polystyrene sulfonate) 등의 유기 분산제; 폴리비닐 알코올(polyvinyl alcohol), 폴리비닐 부타놀(polyvinyl acetal butanol), 왁스(wax: 단량체, 올리고머 또는 중합체) 등의 유기 바인더; 및 터피놀(terpineol), 텍사놀(texanol), 부틸 카비톨(butyl carbitol) 등 비점이 320 ℃ 미만의 유기용제;를 혼합하여 유기혼합물을 제조한다.
다음은 상기 유기혼합물과 은나노분말을 10~30:70~90 중량%의 비율로 혼합하여 은나노 페이스트를 제조한다.
상기 은나노 페이스트는 발광다이오드 소자(2)를 인쇄회로기판(1)상에 융착시키는 접착제로 사용되는데, 상기 은나노 페이스트를 인쇄회로기판(1) 상부와 발광다이오드 소자(2) 하부에 디스펜싱(dispensing), 스탬핑(stamping) 또는 인쇄(printing) 등의 방법으로 도포하고 280 ℃ 이하에서 가압 또는 상압 조건으로 건조 및 소성하여 융착시킨다.
은을 이용하여 인쇄회로기판(1)과 발광다이오드 소자(2)을 접착하기 위해서는 은을 융점 이상으로 가열하여 용융시킨 후 인쇄회로기판(1)과 발광다이오드 소자(2) 사이에 도포하여 접착시켜야 하는데, 은은 융점이 약 961 ℃이어서 이러한 고온에 노출된 인쇄회로기판(1)과 발광다이오드 소자(2)가 손상되고 인쇄회로기판(1)이 휘어지며, 칩 온 보드(chip on board), COB)의 봉지제인 폴리프탈아미드(polyphthal amide, PPA) 등의 렌즈를 올리는 면이 무너져서 렌즈를 올릴 수가 없고 인쇄회로기판(1) 상부의 페인트가 변색하는 문제가 발생한다.
이에 따라 은의 융점을 낮추어 융착온도를 낮출 필요가 있으며, 이를 위하여 본 발명에서는 은을 지름 30~90 ㎚의 나노 크기로 미세하게 분쇄하여 상기 유기혼합물과 혼합하여 은나노 페이스트를 제조하며, 은을 미세하게 분쇄할수록 융점이 낮아지고 상기 나노 크기의 범위에서 은나노분말의 융점이 280 ℃ 미만으로 낮아지므로 인쇄회로기판(1)과 발광다이오드 소자(2)를 저온에서 융착·접착시킬 수 있다.
인쇄회로기판(1)과 발광다이오드 소자(2)를 융착하는 과정에서 은나노 페이스트에 함유된 유기혼합물은 가열에 의해 증발하여 제거되는데, 유기혼합물이 접착부위에 잔존할 경우 열전달저항이 높아져 방열효율이 낮아지고 접착강도가 저하되어 발광다이오드 패키지의 사용 중에 발생하는 열에 의해 발광다이오드 소자(2)가 인쇄회로기판(1)으로부터 이탈될 우려가 있다.
상기 가열온도가 너무 낮을 경우 유기혼합물이 완전히 제거되지 못하므로 상기 융착·접합 온도를 250~280 ℃로 유지하는 것이 바람직하다.
은나노 페이스트에 의한 인쇄회로기판(1)과 발광다이오드 소자(2)의 접착력을 좀더 향상시키기 위하여, 상기 인쇄회로기판(1) 상부에 전해도금, 전자빔 증착(E-beam evaporation), 스퍼터링(sputtering) 등의 방법을 이용하여 두께 1~4 ㎛의 은 도금을 실시하고, 발광다이오드 소자(2) 하부에는 전자빔 증착, 스퍼터링 등의 방법을 이용하여 두께 0.5~1.0 ㎛의 은 도금을 실시할 수 있다.
상기 은 도금은 은나노 페이스트에 함유된 은이 낮은 온도에서 인쇄회로기판(1) 또는 발광다이오드 소자(2) 표면에 확산 침투하여 융착하기 쉬운 환경을 조성하기 위함으로써, 다른 종류의 금속을 사용할 경우 산화되기 쉽고 은과는 상용성이 부족한 이질금속이어서 낮은 온도에서 융착되기 어렵다.
또한, 상기 은 도금시 도금 면에 은 마이그레이션 배리어 물질(silver migration barrier material)인 니켈, 텅스텐, 티타늄, 몰리브덴, 탄탈륨 등을 층간에 도포하여 도금하는 것이 은 도금과 은나노 페이스트의 은 성분이 서로 좀더 결합될 수 있도록 하는 면에서 바람직하다.
은나노 페이스트는 융착·접합하는 과정에서 은나노 페이스트에 함유된 유기혼합물이 고온에 의해 제거되면서 남은 은나노분말 성분이 서로 융착되며, 인쇄회로기판(1)과 발광다이오드 소자(2)에 도금된 제1 및 제2 은도금층(9, 10)에 확산·침투하여 융착되므로, 인쇄회로기판(1)과 발광다이오드 소자(2)가 은나노층(6)을 사이에 두고 서로 견고하게 접합된다.
통상, 인쇄회로기판(1)은 종류에 따라 열팽창계수의 차이가 크고 발광다이오드 소자(2)를 인쇄회로기판(1) 상에 실장하는 과정에서 열 충격을 받아 열 응력에 의한 은나노층(6)의 균열이 발생하기 쉬우나, 본 발명에서는 상기와 같이 저온에서 은나노 페이스트를 융착시키므로 열 충격에 의한 열 응력을 완화시킬 수 있어서 발광다이오드 소자(2)의 접착내구성이 향상되고 발광다이오드 패키지의 사용수명을 연장할 수 있는 효과가 있다.
상기 인쇄회로기판(1) 상부의 은 도금은 발광다이오드 소자(2)와 은나노층(6)을 지지하여야 하므로 두께가 두꺼울수록 접착력이 증가하여 유리하나 그만큼 비용이 증가하고, 발광다이오드 소자(2) 하부의 은 도금은 표면에 도금이 형성되는 것만으로도 충분한 역할을 수행할 수 있으므로 두께가 얇을수록 비용면에서 유리하나 상기 범위가 은 도금의 한계두께이다.
또한, 은나노 페이스트가 융착되면서 유기혼합물이 제거되고 남은 은나노층(6)은 4~8 ㎛의 두께를 가져서 상하의 인쇄회로기판(1)과 발광다이오드 소자(2)에 도금된 제1 및 제2 은도금층(9, 10)과 충분한 결합력을 유지할 수 있다.
다음은 인쇄회로기판(1)의 상부에 발광다이오드 소자(2)에 전력을 공급하기 위한 1 쌍의 외부전극(3)과, 발광다이오드 소자(2)와 외부전극(3)을 전기적으로 연결하는 1 쌍의 본딩와이어(4)를 설치하며, 발광다이오드 소자(2)의 상부에는 광을 투과하는 물질로 이루어진 렌즈부(5)를 형성한다.
상기 렌즈부(5)는 몰딩(molding), 캐스트(cast) 또는 미리 제조된 렌즈를 부착하여 형성할 수 있다.
또한, 상기 외부전극(3)의 절연특성 향상을 위해 외부전극(3)과 인쇄회로기판(1) 사이에 비전도성 물질로 이루어진 절연층(7)을 형성하거나, 외부전극의 상부에 각 소자의 접합과정에서 발생할 수 있는 솔더볼이나 솔더브릿지 등을 방지할 수 있도록 포토솔더레지스트층(8)을 형성될 수도 있다.
본 발명은 인쇄회로기판(1)과 발광다이오드 소자(2) 사이의 방열특성을 향상시키면서 접착력을 증가시키는데 특징이 있으며, 상기와 같이 외부전극(3), 본딩와이어(4), 렌즈부(5), 절연층(7), 포토솔더레지스트층(8)의 구성은 본 발명의 이해를 돕기 위하여 일 실시예로 예시한 것일 뿐 본 발명이 이러한 구성에 한정되는 것이 아니고 공지된 발광다이오드 패키지의 구성을 적용하는 것이 가능하다.
이하, 본 발명을 하기의 실시예 및 시험예에 의거하여 좀더 상세하게 설명한다.
단, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명이 하기 실시예에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 치환 및 균등한 타 실시예로 변경할 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.
<실시예>
폴리디알릴디메틸암모니움 클로라이드 10 g, 폴리비닐 알코올 30 g 및 부틸 카비톨 100 g을 혼합하여 유기혼합물을 제조한 후 여기에 지름 50 ㎚의 은나노분말 560 g을 혼합하여 은나노 페이스트를 제조하였다.
칩 온 보드(chip on board)형 메탈코어 인쇄회로기판(1) 상부에 1 ㎛ 두께의 은 도금층(9)을 전자빔 증착방식으로 도금하고 발광다이오드 소자(2) 하부에 0.5 ㎛ 두께의 은 도금층(10)을 스퍼터링 방식으로 도금하였다.
상기 은나노 페이스트를 메탈코어 인쇄회로기판(1) 상부의 은 도금층(9)에 디스펜싱 방식으로 도포한 다음 도포면 위에 발광다이오드 소자(2)의 은 도금층(10)이 접하도록 적층하고 1 bar의 압력으로 가압하면서 270 ℃의 온도로 가열하여 발광다이오드 소자(2)를 인쇄회로기판(1)에 융착시켰다.
가압·가열하는 동안 은나노 페이스트 중의 유기혼합물은 증발하여 제거되었으며, 융착이 완료된 후 은나노 페이스트가 고형화된 은나노층(6)의 두께는 6 ㎛이었다.
다음은 상기 인쇄회로기판(1)의 상부에 발광다이오드 소자(2)와 이격되도록 절연층(7), 외부전극(3) 및 포토솔더레지스트층(8)을 순차적으로 적층·형성하고 발광다이오드 소자(2)의 p극과 n극을 본딩와이어(4)로 외부전극(3)과 연결하였다.
상기 발광다이오드 소자(2)를 실리콘 봉지제로 몰딩하여 발광다이오드 패키지를 제조하였다.
<시험예> 방열특성 측정
상기에서 제조된 발광다이오드 패키지의 방열특성을 분석하기 위하여, 시중에서 유통되는 발광다이오드 패키지를 대조군으로 하여 운전 중의 온도와 열저항 특성을 측정하였다.
대조군으로서 Bridgelux사(미국) 제품과 아이솔레이터(Isolator)가 구비된 칩 온 보드형 한국산 제품을 이용하였고 발광다이오드 소자의 크기는 모두 1×1 ㎜이었으며, 측정조건 및 측정결과를 하기 표 1에 나타내었다.
| 실시예 | Bridgelux사 제품 | 한국산 제품 | |
| 배열 | 5×6 | 10×10 | 1×10 |
| 전원 | 16.5 V, 2 A | 32 V, 1 A | 32 V, 0.3 A |
| 발광다이오드 소자 상단부 온도 | 124 ℃ | 158 ℃ | 148 ℃ |
| 열저항 | 1.36 K/W | 3.65 K/W | 10 K/W |
상기 표 1에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 발광다이오드 패키지는 종래의 제품보다 2 배 이상 열저항 특성이 우수하여 발광다이오드 소자의 상단부에서 24 ℃ 이상 차이를 보이는 것을 알 수 있다.
이러한 결과를 바탕으로 본 발명의 발광다이오드 패키지는 발광다이오드 소자에 전달할 수 있는 전원을 4 배 이상 증가시킬 수 있어서 광출력을 높여 백열등과 형광등을 대체하는 조명용으로의 이용이 가능하다.
이와 같이 밝은 광원을 얻을 수 있으므로 공장의 작업등, 운동장의 조명탑, 오징어배의 집어등, 수술실의 조명등 등에 적용할 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 방열처리구조는 열이 발생하는 발광다이오드가 은나노층을 통하여 인쇄회로기판과 접촉되어 발광다이오드에서 발생하는 열을 기판에서 바로 흡수하여 외부로 방열 처리하므로, 종래의 열전달구조에 비해 열 저항을 최소화하여 방열효율을 높일 수 있으며, 광방출 효율향상을 통하여 고출력의 발광다이오드 구현이 가능하고 고온의 운전조건에서도 사용수명이 연장되는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 방열처리방법은 발광다이오드와 PCB 기판을 저온에서 융착시킬 수 있으므로 융착 과정에서 발광다이오드 소자가 손상되는 것을 방지할 수 있는 이점이 있다.
1:인쇄회로기판, 2:발광다이오드 소자, 3:외부전극, 4:본딩와이어, 5:렌즈부, 6:은나노층, 7:절연층, 8:포토솔더레지스트층, 9:제1 은도금층, 10:제2 은도금층
Claims (7)
- 발광다이오드 소자(2)가 실장된 인쇄회로기판(1)의 방열처리구조에 있어서,
상기 인쇄회로기판(1)과 발광다이오드 소자(2) 사이에 지름 30~90 ㎚의 은나노분말이 용융·융착되어 4~8 ㎛의 두께로 형성된 은나노층(6)이 형성되어 있는 발광다이오드 패키지의 방열처리구조. - 청구항 1에 있어서,
상기 은나노층(6)과 인쇄회로기판(1) 사이에 은 성분으로 구성된 1~4 ㎛ 두께의 제1 은도금층(9)이 형성되고, 은나노층(6)과 발광다이오드 소자(2) 사이에 은 성분으로 구성된 0.5~1.0 ㎛ 두께의 제2 은도금층(10)이 형성된 것을 특징으로 하는 발광다이오드 패키지의 방열처리구조. - 청구항 1에 있어서,
상기 인쇄회로기판(1)은 메탈코어 인쇄회로기판인 것을 특징으로 하는 발광다이오드 패키지의 방열처리구조. - 발광다이오드 소자(2)가 실장되는 인쇄회로기판(1)의 방열처리방법에 있어서,
지방산, 어유, 폴리디알릴디메틸암모니움 클로라이드, 폴리아크릴산 및 폴리스티렌 설포네이트로 이루어진 군 중에서 선택되는 적어도 어느 하나의 유기 분산제; 왁스를 구성하는 단량체, 올리고머, 중합체, 폴리비닐 알코올 및 폴리비닐 부타놀로 이루어진 군 중에서 선택되는 적어도 어느 하나의 유기 바인더; 및 터피놀, 텍사놀 및 부틸 카비톨로 이루어진 군 중에서 선택되는 적어도 어느 하나의 유기용제;를 혼합하여 유기혼합물을 제조하는 단계,
상기 유기혼합물과 지름 30~90 ㎚ 크기의 은나노분말을 10~30:70~90 중량%의 비율로 혼합하여 은나노 페이스트를 제조하는 단계, 및
상기 은나노 페이스트를 인쇄회로기판(1)과 발광다이오드 소자(2) 사이에 도포하고 280 ℃ 이하에서 건조 및 소성하여 융착시키는 단계를 포함하는 발광다이오드 패키지의 방열처리방법. - 청구항 4에 있어서,
상기 은나노 페이스트가 융착되어 형성되는 은나노층(6)의 두께는 4~8 ㎛인 것을 특징으로 하는 발광다이오드 패키지의 방열처리방법. - 청구항 4에 있어서,
상기 은나노 페이스트를 융착시키는 단계 이전에, 인쇄회로기판(1) 상부에 두께 1~4 ㎛의 은 도금을 실시하고, 발광다이오드 소자(2) 하부에 두께 0.5~1.0 ㎛의 은 도금을 실시하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 패키지의 방열처리방법. - 청구항 6에 있어서,
상기 은 도금시 도금 면에 니켈, 텅스텐, 티타늄, 몰리브덴 및 탄탈륨으로 이루어진 군 중에서 선택되는 적어도 어느 하나의 은 마이그레이션 배리어 물질을 도포하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 패키지의 방열처리방법.
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| KR20130038975A KR20140122389A (ko) | 2013-04-10 | 2013-04-10 | 발광다이오드 패키지의 방열처리방법 |
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| KR20140122389A true KR20140122389A (ko) | 2014-10-20 |
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20170122006A (ko) * | 2016-04-26 | 2017-11-03 | 주식회사 엔씨테크 | Led 방열용 연성 pcb 기판 |
| KR20240031617A (ko) | 2022-09-01 | 2024-03-08 | 서울과학기술대학교 산학협력단 | 소결 접합용 필름의 제조 방법과 전력 반도체 패키지의 제조 방법 |
| CN118658941A (zh) * | 2024-08-19 | 2024-09-17 | 南昌凯捷半导体科技有限公司 | 一种反极性850nm红外发光LED芯片及其制作方法 |
-
2013
- 2013-04-10 KR KR20130038975A patent/KR20140122389A/ko not_active Application Discontinuation
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