JP2013131748A - 放熱基板及び放熱基板の製造方法 - Google Patents

放熱基板及び放熱基板の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】本発明は、放熱基板及び放熱基板の製造方法に関する。
【解決手段】本発明による放熱基板は、金属材質で構成され、一つ以上のビアホールが形成された基板と、前記基板の表面に形成された絶縁層と、前記ビアホールの内壁面に形成された伝導性または非伝導性材質のコーティング層と、前記絶縁層上に形成され、電気的に互いに分離した複数の金属パターンと、前記金属パターンから延長されて前記ビアホールの内壁面のコーティング層上に形成された金属層と、前記ビアホール内の前記金属層の間に充填される非伝導性材質の充填材と、を含む。
【選択図】図1

Description

本発明は、放熱基板及びその製造方法に関し、より詳細には、表面がアノダイジング処理されるとともに、ビアの内壁面が伝導性または非伝導性材料でプラギングされた金属材質の放熱基板とその製造方法に関する。
通常、発光ダイオード(LED:Light emitting diode)を含む様々な形態の発光手段は、基板に実装されて発光体として駆動される場合、発光による熱が発生されるが、この熱を効果的に放熱すると発光手段の効率を向上させ、その寿命を延長することができる。
特に、発光ダイオード(LED:Light emitting diode)は、低い消費電力と高輝度を発揮することができるため、家庭用、産業用の光源として広く使用されている。
近年、発光ダイオードは、照明装置とLCD用バックライト光源として用いられており、このような発光ダイオードは、照明装置などの各種装置に容易に装着するために、パッケージ形態に提供されている。
発光ダイオードパッケージは、基板上に発光ダイオードパッケージが実装され、モールディング材によって発光ダイオードが封入された構造を有している。また、パッケージ自体が発光ダイオードを保護し、発光装置との連結構造を有するだけでなく、発光ダイオードから発生した熱を放出するための放熱性能を有することも重要である。
この際、発光ダイオードは、基板との接触面積が最も大きいため、基板を介して熱を放出することが好ましく、基板を用いる放熱構造に対して多様な開発が行われている。
発光手段の放熱のための最も効果的な手段は、基板を金属材質で形成して発光手段から発生した熱が金属材質の基板を介して外部に排出されるようにすることである。これにより、近年、構造を簡素化し放熱性能を向上して、発光ダイオードの性能を向上させ、寿命を延長できるようにした放熱基板に関する様々な検討が行われている。
韓国公開特許第10−2010−016737号 韓国公開特許第10−2009−010623号
本発明は、従来放熱基板で提起されている前記全ての短所と問題点を解決するために導き出されたものであって、金属材質の基板上に形成されたビア内壁面が伝導性または非伝導性材料でプラギングされ、その内部が非伝導性材料で充填されることにより、ビアホールのサイズが減少した放熱基板及びその製造方法を提供することを発明の目的とする。
本発明の前記目的は、金属材質で構成され、一つ以上のビアホールが形成された基板と、前記基板の表面に形成された絶縁層と、前記ビアホールの内壁面に形成された伝導性または非伝導性材質のコーティング層と、前記絶縁層上に形成され、電気的に互いに分離した複数の金属パターンと、前記金属パターンから延長されて前記ビアホールの内壁面のコーティング層上に形成された金属層と、前記ビアホール内の前記金属層の間に充填される非伝導性材質の充填材と、を含む放熱基板が提供されることによって達成される。
この際、前記基板は、熱伝導度に優れた金属材質で構成され、前記金属は、アルミニウム(Al)であることが好ましい。
また、基板の表面に形成された絶縁層は、アノダイジング処理による酸化皮膜層(Al)で構成されることができる。
また、前記ビアホールは、ドリリング、パンチングなどの機械的加工法またはエッチングなどの化学的加工法により形成されることができる。
また、本発明に他の目的は、金属基板を準備し、前記金属基板を貫通する一つ以上のビアホールを形成する段階と、前記ビアホールを含む前記金属基板の表面に絶縁層を形成する段階と、前記絶縁層が形成された前記ビアホールの内壁面に非伝導性材質のコーティング層を形成する段階と、前記ビアホールの内壁面に形成された前記コーティング層及び前記金属基板の表面に形成された絶縁層の上に、金属層を形成する段階と、前記金属基板の表面の絶縁層上に形成された前記金属層をパターニングして、複数の金属パターンを形成する段階と、前記ビアホールの内壁面に形成されたコーティング層の間に非伝導性材質の充填材が注入される段階と、を含む放熱基板の製造方法が提供されることにある。
前記金属基板の表面に絶縁層を形成する段階において、前記絶縁層は、アノダイジング処理による酸化皮膜層で構成されることができる。
前記ビアホールの内壁面にコーティング層を形成する段階は、非伝導性材料がプラギング(plugging)工程によって前記ビアホールの内部に充填される段階と、前記ビアホールの内部に充填された非伝導性材料に貫通孔を形成する段階と、を含んで前記ビアホールの内壁面にコーティング層が形成されることができる。
この際、前記ビアホールの内部に充填された非伝導性材料は、エポキシまたはポリマーの何れか一つで構成されることができ、前記貫通孔は、ドリリングまたはレーザー加工法により形成されることができる。
また、本発明の他の目的は、金属基板を準備し、前記金属基板を貫通する一つ以上のビアホールを形成する段階と、前記ビアホールを含む前記金属基板の表面に絶縁層を形成する段階と、前記絶縁層が形成された前記ビアホールの内壁面に伝導性材質のコーティング層を形成する段階と、前記ビアホールの内壁面に形成された前記コーティング層及び前記金属基板の表面に形成された絶縁層の上に、金属層を形成する段階と、前記金属基板の表面の絶縁層上に形成された前記金属層をパターニングして、複数の金属パターンを形成する段階と、前記ビアホールの内壁面に形成されたコーティング層の間に非伝導性材質の充填材が注入される段階と、を含む放熱基板の製造方法が提供されることにある。
前記ビアホールの内壁面にコーティング層を形成する段階は、伝導性材料及びめっき工程を用いて前記ビアホールの内部がフィル(fill)めっきされる段階と、前記ビアホールの内部にフィルめっきされた伝導性材料に貫通孔を形成する段階と、を含んで前記ビアホールの内壁面にコーティング層が形成されることができる。
また、前記ビアホールの内壁面にコーティング層を形成する段階において、前記コーティング層は、伝導性材料及びめっき工程を用いて前記ビアホールの内壁面にのみシード層として形成されることができる。
以上で説明したように、本発明による放熱基板及びその製造方法は、金属基板を介して上面に実装される発光部材の放熱が効率的に行われることができる長所を有する。
また、本発明は、ビアホールの内壁面に伝導性または非伝導性材料のコーティング層が形成され、コーティング層内部が充填されることによって、ビアサイズを小さく形成することができるため、金属材質の収縮、膨張による金属基板の熱変形によってビアホールの直径が変化されることを最小化する作用効果を発揮することができる。
本発明による放熱基板が図示された断面図である。 本発明による放熱基板に発光手段が実装された状態を示す断面図である。 本発明による放熱基板の一実施形態の製造方法が図示された工程図である。 本発明による放熱基板の一実施形態の製造方法が図示された工程図である。 本発明による放熱基板の一実施形態の製造方法が図示された工程図である。 本発明による放熱基板の一実施形態の製造方法が図示された工程図である。 本発明による放熱基板の一実施形態の製造方法が図示された工程図である。 本発明による放熱基板の一実施形態の製造方法が図示された工程図である。 本発明による放熱基板の一実施形態の製造方法が図示された工程図である。 本発明による放熱基板の一実施形態の製造方法が図示された工程図である。 本発明による放熱基板の他の実施形態の製造方法が図示された工程図である。 本発明による放熱基板の他の実施形態の製造方法が図示された工程図である。 本発明による放熱基板の他の実施形態の製造方法が図示された工程図である。 本発明による放熱基板の他の実施形態の製造方法が図示された工程図である。 本発明による放熱基板の他の実施形態の製造方法が図示された工程図である。 本発明による放熱基板の他の実施形態の製造方法が図示された工程図である。 本発明による放熱基板の他の実施形態の製造方法が図示された工程図である。
本発明による発光ダイオードパッケージの前記目的に対する技術的構成を含む作用効果に関する事項は、本発明の好ましい実施形態が図示された図面を参照する以下の詳細な説明によって明確に理解されるであろう。
先ず、図1は、本発明による放熱基板が図示された断面図である。
図1に図示されたように、本発明による放熱基板100は、金属材質の基板110と、基板110の表面に形成された絶縁層120と、基板110に形成されたビアホール111の内壁面に形成されたコーティング層130と、基板110の表面の絶縁層120上に形成された金属パターン150と、コーティング層130上に形成された金属層140と、金属層140の内部に充填される充填材160と、で構成されることができる。
前記基板110は、金属材質で構成され、熱伝導度に優れる代表的な材料であるアルミニウム(Al)が使用されることができ、基板110上には一つ以上のビアホール111が形成されることができる。
この際、前記ビアホール111は、CNCを利用したドリリング加工またはエッチング方式により具現されることができる。また、後述する基板110の上面及び下面に形成された金属パターン150間を電気的に接続する電気的連結手段として使用されることができる。
前記基板110は、ビアホール111の内壁面を含む表面全体に絶縁層120が形成されることができる。絶縁層120は、酸化皮膜層(Al)であり、アルミニウム材質からなる基板110上にアノダイジング(anodizing)処理を施して形成されることができる。この際、アノダイジング処理は、有機酸、硫酸またはこれらの混合物などを利用して行われることができる。
基板110の材料として使用されるアルミニウムは、比較的低価で、簡単に得られる金属材料であって、熱伝導度が非常に優秀であり、アノダイジング処理により表面に形成される酸化皮膜層も約10〜30W/mKの比較的高い熱伝導度を有するとともに薄い厚さの絶縁体で形成されることができるため、低い熱抵抗性を具現することができる長所がある。
従って、アルミニウムで構成される基板110は、従来の基板材料として使用される銅またはセラミック材質に比べて優れた放熱性能を有しているだけでなく、アノダイジング処理工程も比較的容易であり、その工程コストと時間を低減することができる。
前記ビアホール111の内壁面にはコーティング層130が形成されるが、前記コーティング層130は、金属材質の伝導性材質で構成されたりエポキシまたはポリマーなどの非伝導性材質で構成されることができる。
この際、前記コーティング層130が伝導性材質で構成される場合にはめっき工程によって形成されることができ、前記コーティング層130が非伝導性材質で構成される場合にはビアホール111の内部が完全に埋立されるように非伝導性材料を充填した後、ドリリングまたはレーザー加工により貫通孔を形成することで、前記ビアホール111の内壁面にのみコーティング層130が形成されることができる。
また、前記金属パターン150は、前記絶縁層120上で隣接した金属パターンと電気的に分離して形成され、上部に発光手段、例えば、発光ダイオード(LED)などの実装される電極部分が形成されることができる。この際、金属パターン150は、ビアホール111の内部に延長されてコーティング層130上の金属層140に形成されることができ、電極の機能とともに熱放出の機能を同時に行うことができる。
前記金属パターン150は、図1に図示されたように、絶縁層120上に形成されることができ、前記絶縁層120の一部分が除去されて基板110の上面が露出した部位に形成されることができ、この場合、基板110の上面に金属パターン150の下面が直接接触し、金属パターン150の上面に発光ダイオードが実装されることによって、発光ダイオードの熱放出効果をさらに増大することができる。
このように、ビアホール111の内部には絶縁層120とコーティング層130及び金属パターン150から延長された金属層140が順に形成されることができ、前記金属層140の間には貫通孔が形成されてその貫通孔に充填材160が充填されることができる。この際、充填材160は非伝導性材質のエポキシまたはポリマーで構成されることができ、充填材160によってビアホール111の内部に形成された金属層140を短絡させて金属パターン150間のショートを防止することができる。
また、本発明の目的でも説明したように、金属基板110の特性上、ドリリングまたはパンチング加工によって比較的大きく形成されるビアホール111の内部に絶縁層120とコーティング層130及び金属層140が順に形成されることによって、ビアホール111の直径を縮小させることができ、縮小されたビアホール111の内部に充填材160を注入することができる。
従って、金属材質の基板110を介して放熱が行われる場合、金属基板の特性上、熱によってビアホール111の収縮と膨張が行われるが、ビアホール111の直径を内壁面に形成されたコーティング層130によって縮小させることによって、基板110の熱変形によるビアホール111の直径変化が最小化されるようにすることができる。
このように構成された本発明の放熱基板上には、各種の発光手段が実装されることができ、発光手段のうち発光ダイオード(LED)が実装された構造を一例として以下で簡単に説明する。
図2は、本発明による放熱基板に発光手段が実装された状態を示す断面図である。
一つ以上のビアホール111が備えられ、上、下面に金属パターン150が形成された金属材質の基板110上には発光手段200、例えば、発光ダイオード(以下、LEDチップとする)が実装されることができる。
前記LEDチップ200は、垂直電極構造のLEDチップであって、LEDチップ200に形成された一電極(不図示)は、金属パターン150に直接連結され、他の電極(不図示)は、ワイヤ210を介して前記LEDチップ200が実装されていない金属パターン150に電気的に接続されることができる。この際、ワイヤ210を介してLEDチップ200に接続される金属パターン150は、ビアホール111の内部に延長された金属層140を介して金属基板110の下面にまで延長形成されることができる。
また、前記基板110の上部にはLEDチップ200及びワイヤ210をカバーするモールディング部220が形成されることができる。モールディング部220は、シリコン樹脂、エポキシ樹脂またはエポキシモールディングコンパウンド(EMC)などを使用してインジェクションモールディング、トランスファーモールディングまたはピンゲートモールディング方式などにより所望の形状に形成されることができる。
このように構成された放熱基板の製造方法について説明すると次のとおりである。
図3a〜図3hは、本発明による放熱基板の一実施形態の製造方法が図示された工程図である。
図3a〜図3hに図示されたように、本実施形態の放熱基板の製造方法は、先ず、図3aのように、金属基板110を準備する。この際、前記金属基板110は、表面に存在する有機物などのような汚染物の洗浄段階を経たアルミニウム基板で構成されることが好ましい。
また、金属基板110は、主に四角形状に構成されることができ、加工されたアルミニウム基板によって長方形または円形などの多様な形状を有することができる。また、金属基板110の厚さは工程進行による信頼性を考慮して約0.1mm以上に形成されることが好ましい。
次に、図3bに図示されたように、金属基板110を貫通する一つ以上のビアホール111を形成する。ビアホール111は、ドリリング、パンチングまたはエッチング工程により形成されることができる。
また、前記ビアホール111を含む金属基板110の表面にアノダイジング処理を施して絶縁層120を形成することができる。
次に、絶縁層120が形成された前記ビアホール111の内壁面に非伝導性材質のコーティング層130を形成することができる。前記コーティング層130は、絶縁層120が形成されたビアホール111の内部に非伝導性材料であるエポキシまたはポリマーなどの樹脂材を充填し、図3eのようにビアホールの内部に充填された非伝導性材料の中央部を貫通する貫通孔131を形成することにより構成されることができる。この際、前記貫通孔131は、ドリリングまたはレーザー加工により形成されることができる。
次に、図3fに図示されたように、ビアホール111の内壁面に形成されたコーティング層130を含む前記金属基板110の絶縁層120上に金属層140を形成することができる。金属層140は、電解めっき、無電解めっきまたは金属蒸着などの方式で形成されることができる。
この際、前記金属層140を形成する過程において、ビアホール111の内部が金属層140によって完全に埋立されるようにしたり、ビアホール111の内壁面のコーティング層130上に薄く形成されるようにすることができる。ビアホール111の内部に金属層140が完全に埋立される場合、以前工程、即ちビアホールの内部に充填された非伝導性材料に貫通孔131を形成する工程のように、ビアホール111の内部に充填された金属層140が短絡されるように貫通孔を再度形成する工程(不図示)が行われることができる。
このように、前記ビアホール111の内部の壁面にコーティング層130と金属層140をさらに形成することによってビアホール111のサイズを減少させることができ、金属基板110の熱変形による収縮、膨張の際にビアホール111のサイズ変化が最小化されるようにすることができる。
次に、図3gに図示されたように、前記ビアホール111内の金属層140の内部に充填材160を注入してビアホール111の内部が完全に満たされるようにすることができる。この際、充填材160は、非伝導性材質であるエポキシまたはポリマーなどが使用されることができる。
最後に、図3hに図示されたように、前記絶縁層120の表面に形成された金属層140をパターニングして前記金属基板110の上面及び下面の絶縁層120上で電気的に分離した複数の金属パターン150を形成することができる。
図4a〜図4gは、本発明による放熱基板の他の実施形態の製造方法が図示された工程図である。
図4a〜図4gに図示されたように、本実施形態の放熱基板の製造方法は、先ず、図4aのように金属基板110を準備する。この際、前記金属基板110は、表面に存在する有機物などのような汚染物の洗浄段階を経たアルミニウム基板で構成されることが好ましい。
また、金属基板110は、主に四角形状に構成されることができ、加工されたアルミニウム基板によって長方形または円形などの多様な形状を有することができる。また、金属基板110の厚さは工程進行による信頼性を考慮して、約0.1mm以上に形成されることが好ましい。
次に、図4bに図示されたように、金属基板110を貫通する一つ以上のビアホール111を形成する。ビアホール111は、ドリリング、パンチングまたはエッチング工程により形成されることができる。
また、図4cのように、前記ビアホール111を含む金属基板110の表面にアノダイジング処理を施して絶縁層120を形成することができる。
次に、図4dに図示されたように、絶縁層120が形成された前記ビアホール111の内壁面に伝導性材質のコーティング層130を形成することができる。前記コーティング層130は、絶縁層120が形成されたビアホール111の内部にめっき工程によって形成されることができ、前記ビアホール111の内壁面の絶縁層120上に電解めっきまたは無電解めっきによりシード層として形成されることができる。
また、前記コーティング層130は、伝導性材料及びめっき工程を用いて前記ビアホール111の内部がフィル(fill)めっきされた後、ビアホール111の内部にフィルめっきされた伝導性材料に貫通孔131を形成してビアホール111内壁面にのみ形成されるようにすることができる。この際、前記貫通孔131は、ドリリングまたはエッチング工程によって形成されることができる。
次に、図4eに図示されたように、ビアホール111の内壁面に形成されたコーティング層130を含む前記金属基板110の絶縁層120上に金属層140を形成することができる。金属層140は、電解めっき、無電解めっきまたは金属蒸着などの方式で形成されることができる。
この際、前記金属層140を形成する過程で、ビアホール111の内部が金属層140によって完全に埋立されるようにしたり、ビアホール111の内壁面のコーティング層130上に薄く形成されることができる。ビアホール111の内部に金属層140が完全に埋立される場合、以前工程、即ちビアホールの内部に充填された非伝導性材料に貫通孔131を形成する工程のようにビアホール111の内部に充填された金属層140が短絡されるように貫通孔を再度形成する工程が行われることができる。
このように、前記ビアホール111の内部の壁面にコーティング層130と金属層140をさらに形成することによって、ビアホール111のサイズを減少させることができ、金属基板110の熱変形による収縮、膨張の際にビアホール111のサイズ変化が最小化されるようにすることができる。
次に、図4fに図示されたように、前記ビアホール111内の金属層140の内部に充填材160を注入してビアホール111の内部が完全に満たされるようにすることができる。この際、充填材160は、非伝導性材質であるエポキシまたはポリマーなどが使用されることができる。
最後に、図4gに図示されたように、前記絶縁層120表面に形成された金属層140をパターニングして、前記金属基板110の上面及び下面の絶縁層120上で電気的に分離した複数の金属パターン150を形成することができる。
以上、好ましい実施形態を参照して本発明に対して説明したが、本発明に属する技術分野において通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された本発明の思想及び領域を外れない範囲内で本発明を多様に修正及び変更できることを理解するのであろう。
110 基板
111 ビアホール
120 絶縁層
130 コーティング層
140 金属層
150 金属パターン
160 充填材

Claims (13)

  1. 金属材質で構成され、一つ以上のビアホールが形成された基板と、
    前記基板の表面に形成された絶縁層と、
    前記ビアホールの内壁面に形成された伝導性または非伝導性材質のコーティング層と、
    前記絶縁層上に形成され、電気的に互いに分離した複数の金属パターンと、
    前記金属パターンから延長されて前記ビアホールの内壁面のコーティング層上に形成された金属層と、
    前記ビアホール内の前記金属層の間に充填される非伝導性材質の充填材と、
    を含む放熱基板。
  2. 前記基板は、熱伝導度に優れた金属材質で構成され、
    前記金属は、アルミニウム(Al)である請求項1に記載の放熱基板。
  3. 前記基板の表面に形成された絶縁層は、アノダイジング処理による酸化皮膜層(Al)で構成される請求項1に記載の放熱基板。
  4. 前記ビアホールは、ドリリング、パンチングなどの機械的加工法またはエッチングなどの化学的加工法により形成される請求項1に記載の放熱基板。
  5. 前記金属パターンは、前記絶縁層の一部分が除去されて、前記基板の上面が露出した部位に形成される請求項1に記載の放熱基板。
  6. 前記充填材は、非伝導性材質のエポキシまたはポリマーで構成される請求項1に記載の放熱基板。
  7. 金属基板を準備し、前記金属基板を貫通する一つ以上のビアホールを形成する段階と、
    前記ビアホールを含む前記金属基板の表面に絶縁層を形成する段階と、
    前記絶縁層が形成された前記ビアホールの内壁面に非伝導性材質のコーティング層を形成する段階と、
    前記ビアホールの内壁面に形成された前記コーティング層及び前記金属基板の表面に形成された絶縁層の上に、金属層を形成する段階と、
    前記金属基板の表面の絶縁層上に形成された前記金属層をパターニングして、複数の金属パターンを形成する段階と、
    前記ビアホールの内壁面に形成されたコーティング層の間に非伝導性材質の充填材が注入される段階と、
    を含む放熱基板の製造方法。
  8. 前記金属基板の表面に絶縁層を形成する段階において、
    前記絶縁層は、アノダイジング処理による酸化皮膜層で構成される請求項7に記載の放熱基板の製造方法。
  9. 前記ビアホールの内壁面にコーティング層を形成する段階は、
    非伝導性材料がプラギング(plugging)工程によって前記ビアホールの内部に充填される段階と、
    前記ビアホールの内部に充填された非伝導性材料に貫通孔を形成する段階と、
    を含む請求項7に記載の放熱基板の製造方法。
  10. 前記ビアホールの内部に充填された非伝導性材料は、エポキシまたはポリマーの何れか一つで構成されることができ、
    前記貫通孔は、ドリリングまたはレーザー加工法により形成される請求項1に記載の放熱基板の製造方法。
  11. 金属基板を準備し、前記金属基板を貫通する一つ以上のビアホールを形成する段階と、
    前記ビアホールを含む前記金属基板の表面に絶縁層を形成する段階と、
    前記絶縁層が形成された前記ビアホールの内壁面に伝導性材質のコーティング層を形成する段階と、
    前記ビアホールの内壁面に形成された前記コーティング層及び前記金属基板の表面に形成された絶縁層の上に、金属層を形成する段階と、
    前記金属基板の表面の絶縁層上に形成された前記金属層をパターニングして、複数の金属パターンを形成する段階と、
    前記ビアホールの内壁面に形成されたコーティング層の間に非伝導性材質の充填材が注入される段階と、
    を含む放熱基板の製造方法。
  12. 前記ビアホールの内壁面にコーティング層を形成する段階は、
    伝導性材料及びめっき工程を用いて前記ビアホールの内部がフィル(fill)めっきされる段階と、
    前記ビアホールの内部にフィルめっきされた伝導性材料に貫通孔を形成する段階と、
    を含む請求項11に記載の放熱基板の製造方法。
  13. 前記ビアホールの内壁面にコーティング層を形成する段階において、
    前記コーティング層は、伝導性材料及びめっき工程を用いて前記ビアホールの内壁面にのみシード層として形成される請求項11に記載の放熱基板の製造方法。
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