KR100962706B1 - 파워 ｌｅｄ를 갖는 대형 조명등의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 가로등과 같은 대형 LED 조명등의 고열을 자연 대류형 방열 장치를 통해 대기온도에 신속하게 다중 분산시키도록 한 파워 LED를 갖는 대형 조명등의 제조 방법에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명은, 파워 LED를 갖는 대형 조명등의 제조 방법에 있어서, (A)상기 파워 LED의 리드 프레임(Lead Frame)(+극, -극)을 고정시킬 수 있는 솔더 패드(Solder Pad)를 구비하는 FR-4 소재의 상하부에 동(Cu)박면이 부착된 양면기판(FR-4 PCB)을 상기 파워 LED의 모양 및 크기에 따라 상기 양면기판을 모두 관통하지 않도록 상부 일부만을 펀칭 가공에 의해 하나의 스루 홀을 형성시키는 단계와; (B)상기 하나의 스루 홀과 연장되는 상기 양면기판(FR-4 PCB)의 나머지 일부를 관통시켜 다수의 스루 홀을 형성시키되, 상기 양면기판의 하부 동(Cu)박면은 펀칭되지 않도록 하는 2단 구조의 멀티-스루 홀(Multi-Through Hole)을 형성시키는 단계와; (C)상기 2단 구조의 멀티-스루 홀에는 기계적 장치를 사용하여 히트 슬러그(Heat Slug) 기능을 갖도록 하는 무연납 크림솔더(Pb-free Cream Solder)를 상기 솔더 패드의 높이만큼 주입시키는 단계와; (D)상기 무연납 크림솔더가 주입된 후 상기 파워 LED를 극판에 알맞게 앉혀 상기 무연납 크림솔더를 이동형 고온장비를 사용하여 상기 파워 LED 후면 발열부위의 방열점과 상기 무연납 클림솔더 및 상기 양면기판의 하부 동(Cu)박면이 하나로 일체화되도록 솔더링(Soldering)하여 피씨비 어셈블리(PCB Assy)를 완성하는 단계와; (E)상기 피씨비 어셈블리를 대형 방열구조체인 알루미늄 기구에 취부 고정시켜 LED 조명등으로서의 방열효율을 극대화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 파워 LED를 갖는 대형 조명등의 제조 방법을 제공한다.
따라서 본 발명은 방열효율을 극대화시켜 적은 LED 수량에도 큰 광원을 방사하여 LED 광원 시스템의 발광효율을 높일 수 있으며, 또한 방열처리가 원활하여 가로등과 같은 대형 LED 조명등기구 생산에 따른 파워 LED 소자의 후면 방열처리에 대한 새로운 응용기술을 제안하는 독특한 효과를 갖는다.
파워 LED, 조명등, 방열효율, 양면기판(FR-4 PCB), 멀티-스루 홀, 무연납 크림솔더, 방열구조체

Description

파워 ＬＥＤ를 갖는 대형 조명등의 제조 방법{Manufacture method of the large illuminations with power led}
본 발명은 파워 LED를 갖는 대형 조명등의 제조 방법에 관한 것으로서, 특히 가로등과 같은 대형 LED 조명등의 고열을 자연 대류형 방열장치를 통해 대기온도에 신속하게 다중 분산시키도록 한 파워 LED를 갖는 대형 조명등의 제조 방법에 관한 것이다.
최근 지구온난화의 주범인 이산화탄소(CO2), 아황산가스(SO2), 이산화질소(NO2)의 사용감소가 절실히 요구되는 가운데 조명분야에서도 소비전력과 자원낭비를 현저하게 줄이고 광원효율은 극대화하여 환경(Green)과 경제(Growth)의 상생을 구체화하는 녹색성장의 기술로 각광 받을 수 있는 새로운 조명등의 개발이 불가피하게 되었다.
발광다이오드를 이용한 LED(Light Emitting Diode) 조명등은 저소비전력, 반영구적으로 환경과 경제적 특성을 모두 갖고 있다. 네온 형광등에 비해 최소 8배 이상의 긴 수명과 백열등 전력 대비 67%, 형광등 전력 대비 17%이며 무수은 광원으로 환경 친화적이라고 말할 수 있다. 그러나 발광 효율측면에서 아직까지 극복해야 할 과제들이 남아 있다.
LED조명은 적색, 녹색, 청색 등 전기를 흘려주면 자체적으로 빛을 내는 LED소자를 하나, 또는 여러 개 묶어서 만들게 된다. LED의 발광 원리는 1907년 반도체에 전압을 가했더니 빛이 나오는 것이 관측되면서 발견되었다. 반도체의 전자(e)는 외부 전압에 따라 에너지의 편차가 생기게 되는데, 이 때 높은 에너지에서 낮은 에너지로 바뀌는 순간, 빛을 발하게 되는 것이다. 전자의 에너지 차이가 크면 청색, 작으면 적색, 중간 정도면 녹색의 빛을 내게 된다. LED는 1962년 미국 제너럴일렉트로닉스(GE)가 처음으로 적색 LED를 상용화했고, 1993년 일본 니치아화학 공업의 수지 나카무라 박사가 청색 LED를 개발했다. 이어 니치아는 1997년 청색LED에 노란색 형광체를 사용해 하얀 빛을 내는 백색LED를 개발했다. LED는 색의 기본요소인 적/녹/청에 백색까지 내면서 다양한 총천연색 빛을 만들 수 있게 된 것이다. 특히 백색 LED 개발로 인해 LED조명이 전자제품 디스플레이용에서 일반 조명을 대신할 수 있는 램프로 확산할 수 있는 기틀을 다지게 됐다.
이와 같이 일반 조명을 대신할 발광다이오드를 이용한 LED 조명등은 원천기술에 힘입어 다양한 응용기술의 연구개발에 총력을 기울이고 있다. 즉, 고휘도 발광다이오드의 발광효율을 나타내는 루멘/와트[lm/W] 급의 기술은 세계유수의 조명업체들이 앞 다투어 최고의 광원효율을 갖는 제품들을 연구개발하고 있으나, 현재로는 미국의 Cree사, 독일의 오스람사, 일본의 니치아(NICHIA)사로 하는 3대 쌍두 마차가 대부분의 제품들을 출시하여 세계 시장을 지배하고 있는 실정이다.
현재 고휘도 파워 LED 조명등은 3W급 기준으로 하여 VF전압 3.3V IF전류 700mA을 생산하고 있으나, 작은 LED 소자에 큰 전류를 이동시켜 발광하는 과정에서 발생되는 파워 LED의 후면 고열에 대한 방열처리 문제가 최대의 이슈로 떠오르고 있다.
1와트(W)급 이상의 고출력 LED인 파워 LED는 전력이 비교적 많이 소모되며 전류량이 매우 커 발광효율은 높지만 LED 칩의 발열량은 아직 높은 수준이라 따라서 방열대책을 마련하지 않으면 LED칩의 온도가 너무 높아져 칩 자체 또는 패키징 수지가 열화하게 된다. 결국 이것이 조도가 떨어지는 등 발광효율의 저하와 칩의 수명을 단축시키는 결과를 초래하게 된다. LED의 가장 큰 특징인 반영구적인 수명을 손해 보지 않기 위해서는 방열기술의 개발이 필수적이다.
발광다이오드를 이용한 LED를 조명용 광원으로 사용하기 위해서는 반드시 모듈화 기술이 필요하며 그 핵심 기술은 패키지 재료를 바탕으로 한 방열설계 기술이다. 그만큼 방열설계 기술은 LED를 이용한 조명제품을 만들기 위해서 꼭 필요한 핵심 기술이다.
현재 사용되고 있는 파워 LED 패키지는 PCB(배선회로용 기판) 및 수평형 타입으로 사용되며 종류가 다양하다. 그러나 공통된 사항은 PCB 상태에서 고휘도 파워 LED를 사용함으로 부피가 커지는 문제점이 있고, 사용되는 칩의 크기는 20, 28, 40mil(1000분의 1인치)로 사용되는 소비전력은 0.5 ~ 1 와트를 이용하기 때문에 소비전력이 높은 만큼 열이 많이 발생하여 출력을 높이는데 한계가 있다는 문제점이 있다.
파워 LED에서 가장 중요한 부분이 열에 의한 칩의 손실이다. 열로 인해 LED의 노화가 급속히 진행되며 조도가 역시 떨어진다. 이 부분을 해결하기 위해 국내외 패키지 업체들이 앞 다투어 개발하는 분야가 방열판이며 병행되어 개발되고 있는 또 하나의 분야가 저 전류로 고효율을 내는 방법을 연구하고 있다. 기본적으로 빛에너지는 열에 의해서 발광을 하는 구도이므로 열없이 발광 할 수 없다. 이 열을 얼마만큼 빛에너지로 바꾸느냐가 제품의 효율을 높이고 경쟁력을 가질 수 있게 만드는 요인이다.
다시 말해서, 파워 LED에 VF전압과 IF전류를 인가하여 발열점 온도를 일정하게 유지할 경우 현재로서는 지구상에서 가장 발광효율이 좋은 LED 광원으로 자리매김할 수 있겠지만(도 1 참조), 지금까지 파워 LED의 후면 방열처리기술의 과제를 근본적으로 해결하지 못하고 있다. 대신에 파워 LED의 소자가 꺼지지 않을 정도로 VF전압과 IF전류를 줄여 수십mA의 전류로 구동시켜 파워 LED 소자의 발광효율을 30~40% 정도로 낮추는 방식 및 전류는 묶어두고 전압을 올리는 형태로 발열을 잡을 수 있다. 즉 3와트라고 하면 700~750mA를 사용하는 것이 정상이지만 전압을 높이고 전류를 묶어주는 형태로 패키지 하여 출력대비 전류를 작게 함으로 발열을 줄이는 방식의 방열문제를 해결하고 있는 것이 현재의 응용기술이고 현실이다.
그러나 대형조명등이 요구되는 가로등, 보안등, 공원등, 터널등, 공장등, 광장 후광등, 채낚기조업용등, 특수 활동을 수행하는 군부대용, 서찌라이프등과 같은 큰 광원을 필요로 하는 장소에서 파워 LED를 사용할 경우에는, VF전압과 IF전류를 줄이기보다는 오히려 높여 수백㎃의 높은 전류로 구동시켜 LED 소자의 시스템 효율을 70~85%로 업그레이드해야 한다.
한편, 최근 국내에서도 자동차 전조등에 적용 가능한 2500루멘/와트[lm/W], 열저항 1캘빈/와트(K/W)의 백색 조명용 LED 광원모듈을 개발 완료한 바 있으나, 방열처리를 위해서는 열저항 0.95K/W에 70개의 방열 칩이 사용되었다.
이와 같이, 파워 LED 후면 발열부위의 방열점에서는 상당한 고열이 발생하기 때문에 방열처리 문제를 해결하지 않을 수 없으며 방열처리 기능을 갖는 고휘도 파워 LED 조명등기구만이 경쟁력을 유발할 수가 있다.
따라서 본 발명은 대형 LED 조명등기구 생산에 따른 파워 LED 소자의 후면 방열설계에 대한 새로운 응용기술을 제안하고자 한다.
따라서 본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 구체적인 목적은 파워 LED 후면 발열부위의 방열점과 대형 방열구조체인 알루미늄 기구와 직접 접촉시킬 수 있는 멀티-스루 홀 내의 열전달 매체에 의해 축적된 발열을 대기온도에 신속하게 다중 분산시키도록 함으로써, 방열효율을 극대화시켜 적은 LED 수량에도 큰 광원을 방사하여 LED 소자의 광원 시스템 효율을 높여 대형 LED 조명등기구 생산이 가능하도록 한 파워 LED를 갖는 대형 조명등의 제조 방법을 제공하는데 있다.
상기 목적들을 달성하기 위하여, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는,
파워 LED를 갖는 대형 조명등의 제조 방법에 있어서,
(A)상기 파워 LED의 리드 프레임(Lead Frame)(+극, -극)을 고정시킬 수 있는 솔더 패드(Solder Pad)를 구비하는 FR-4 소재의 상하부에 동(Cu)박면이 부착된 양면기판(FR-4 PCB)을 상기 파워 LED의 모양 및 크기에 따라 상기 양면기판을 모두 관통하지 않도록 상부 일부만을 펀칭 가공에 의해 하나의 스루 홀을 형성시키는 단계와;
(B)상기 하나의 스루 홀과 연장되는 상기 양면기판(FR-4 PCB)의 나머지 일부를 관통시켜 다수의 스루 홀을 형성시키되, 상기 양면기판의 하부 동(Cu)박면은 펀칭되지 않도록 하는 2단 구조의 멀티-스루 홀(Multi-Through Hole)을 형성시키는 단계와;
(C)상기 2단 구조의 멀티-스루 홀에는 기계적 장치를 사용하여 히트 슬러그(Heat Slug) 기능을 갖도록 하는 무연납 크림솔더(Pb-free Cream Solder)를 상기 솔더 패드의 높이만큼 주입시키는 단계와;
(D)상기 무연납 크림솔더가 주입된 후 상기 파워 LED를 극판에 알맞게 앉혀 상기 무연납 크림솔더를 이동형 고온장비를 사용하여 상기 파워 LED 후면 발열부위의 방열점과 상기 무연납 클림솔더 및 상기 양면기판의 하부 동(Cu)박면이 하나로 일체화되도록 솔더링(Soldering)하여 피씨비 어셈블리(PCB Assy)를 완성하는 단계와;
(E)상기 피씨비 어셈블리를 대형 방열구조체인 알루미늄 기구에 취부 고정시켜 LED 조명등으로서의 방열효율을 극대화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 파워 LED를 갖는 대형 조명등의 제조 방법을 제공한다.
바람직하게는, 상기 2단 구조의 멀티-스루 홀은, 상기 파워 LED 발열부위의 방열점과 수직으로 일치하는 지점에 천공되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 2단 구조의 멀티-스루 홀은, 상기 양면기판(FR-4 PCB) 가공시에 미리 천공되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 2단 구조의 멀티-스루 홀의 형태는 원형 또는 사각형으로 천공되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 하나의 스루 홀은, 상기 하나의 스루 홀에 주입된 상기 무연납 크림솔더가 상기 이동형 고온장비에 의해 납땜구조의 열전달 매체가 되어 상기 파워 LED 발열부위의 방열점에서 발생된 고열을 축적시키는 기능을 갖는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 다수의 스루 홀은, 상기 하나의 스루 홀에 축적된 고열을 신속하게 다중 분산시키는 기능을 갖는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 무연납 클림솔더는, 상기 양면기판(FR-4 PCB)에 상기 파워 LCD를 취부하기 전에 먼저 주입되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 피씨비 어셈블리는, 솔더링(Soldering, 납땜) 또는 써멀 그리스(Thermal Grease)에 의해 대형 방열구조체인 알루미늄 기구에 취부 고정되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.
본 발명에 의하여, 파워 LED 후면 발열부위의 방열점과 대형 방열구조체인 알루미늄 기구와 직접 접촉시킬 수 있는 멀티-스루 홀 내의 열전달 매체에 의해 축적된 발열을 대기온도에 신속하게 분산 방사하도록 함으로써,
(1) 방열효율을 극대화시켜 적은 LED 수량에도 큰 광원을 방사하여 LED 광원 시스템의 발광효율을 높일 수 있다.
(2) 방열처리가 원활하여 가로등과 같은 대형 LED 조명등기구 생산이 가능하다.
(3) 대형 LED 조명등기구 생산에 따른 파워 LED 소자의 후면 방열설계에 대한 새로운 응용기술을 제안하는 독특한 효과를 갖는다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1의 (가),(나)는 파워 LED의 VF-IF 특성 및 방열효율-수명에 대한 이론적 고찰을 나타낸 그래프이다.
도 1을 참조하면, 고휘도 파워 LED의 발광출력을 3W라 하면 방전개시를 위한 VF전압 3.3V, IF전류 700mA를 인가시에 발열점의 온도를 일정하게 유지할 수 있으므로, 1,000시간 100%, 10,000시간 95%, 100.000시간 90% 이상의 발광효율을 유지하는 LED가 갖는 긴 수명의 장점을 그대로 보존시킬 수 있다.
고휘도 파워 LED를 조명용으로 사용하기 위해서는 수백mA 이상의 큰 전류를 흘러야 하는데 이때 LED 칩의 온도가 너무 높아져 칩 자체 또는 패키징 수지가 열화하게 되어 결국은 조도가 떨어지는 등 발광효율의 저하와 칩의 수명을 단축시키는 결과를 초래하게 된다. LED의 가장 큰 특징인 반영구적인 수명을 유지하기 위해서는 방열설계기술의 개발이 필수적이다. 따라서 본 발명의 핵심 기술은 LED 칩에서 발생하는 고온의 열을 대기온도에 방사하는 자연 대류형으로 설계한 것에 그 특 징이 있다.
도 2는 파워 엘이디(Light Emitting Diode : LED)의 일반적인 구조를 나타낸다.
도 2를 참조하면, 고휘도 파워 LED는 극판(101)에 고정되는 V자형 반사경(110)과 상기 극판 일측에는 애노우드(Anode : A) 단자(120)가 접속되고 상기 애노우드(A) 단자(120)에는 부재간의 전기적 접촉을 확실히 하기 위해 금(Au)으로 된 반원형의 금(Au) 본딩 와이어Gold bonding wire)(130)가 캐소오드(cathode : K) 단자(150)쪽으로 휘어져 있다. 또한 상기 V자형 반사경(110) 중앙에는 오목렌즈(140)가 안착되고 그 하단에는 캐소오드(K) 단자(150)가 연결되어 있다. 상기 애노우드(A) 단자(120)와 캐소오드(K) 단자(150)에 전압을 인가하면 상기 애노우드(A) 단자(120)와 연결된 금(Au) 본딩 와이어(130)를 통해 상기 캐소오드(K) 단자(150)로 반도체 전자(e)가 높은 에너지에서 낮은 에너지로 이동하는 편차에 의해 방전개시와 동시에 빛을 발생하게 된다. 또한 상기 V자형 반사경(110) 내부는 수지몰드(160)로 충진되고 그 상부에 볼록렌즈(170)가 안착되어 있다. 그리고 파워 LED 발열부위(180)에는 방열점(190)이 형성되어 있다.
도 3의 (가),(나),(다)는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 파워 LED를 갖는 대형 조명등의 제조방법에 대한 피씨비 어셈블리(PCB Assy)(500) 제작 과정을 나타낸다.
먼저, 도 3의 (가)를 참조하면, 양면기판(FR-4 PCB)(200)에 파워 LED의 모양 및 크기에 따라 펀칭 가공에 의해 2 단구조의 멀티-스루 홀(Multi-Through Hole)을 형성시키는 것으로 되어 있다.
상기 양면기판(FR-4 PCB)(200)은, 상기 파워 LED를 위치시키기 위한 수단으로, 상기 파워 LED의 리드 프레임(Lead Frame)(+극, -극)을 고정시킬 수 있는 솔더 패드(Solder Pad)를 구비하는 FR-4 소재(210)의 상하부에 동(Cu)박면(220, 221)이 부착되어 있다.
또한 상기 양면기판(FR-4 PCB)은 고가의 MC PCB(Metal Core Printed Circuit Board) 및 써멀 패드(Thermal Pad)에 비하여 원감절감이 가능하고 전체 모듈 부재의 경량화와 인쇄회로기판의 접착 평탄도가 좋은 피씨비 어셈블리(PCB Assy)를 제공한다.
상기 멀티-스루 홀(Multi-Through Hole)(230)은, 2단 구조를 갖고 상기 파워 LED 발열부위(180)의 방열점(190)으로부터 고온의 열을 방열구조체인 알루미늄 기구(600)로 전달하기 위한 열전달 매체를 수용하는 관통구로서, 상기 양면기판(FR-4 PCB)(200)의 상부에는 상기 파워 LED가 위치하는 곳마다 하나의 스루 홀(231)이 형성되고 상기 하나의 스루 홀(231)과 연장되는 그 하부에는 다수의 스루 홀(232a ~ 232d)을 펀칭 가공에 의해 형성시킨다. 이때 상기 양면기판(FR-4 PCB)(200)의 하부 동(Cu)박면(221)은 펀칭되지 않도록 주의 한다.
여기서 상기 양면기판(FR-4 PCB)(200)의 하부 동(Cu)박면(221)을 천공하지 않는 이유는, 후술하는 이동형 고온장비(400)에 의해 솔더링(Soldring, 납땜)되는 무연납 크림솔더(Pb-free Cream Solder)(300)와 접촉되어 상기 파워 LED에서 발생한 고온의 열을 대형 방열구조체인 알루미늄 기구(600)로 전달하기 위함이다.
또한, 도 3의 (나)를 참조하면, 양면기판(FR-4 PCB)(200)에 파워 LED의 모양 및 크기에 따라 펀칭 가공에 의해 2 단구조의 멀티-스루 홀(Multi-Through Hole)이 형성된 관통구에 무연납 크림솔더(Pb-free Cream Solder)(300)를 주입한 상태를 보여주고 있다.
상기 무연납 크림솔더(300)는, 히트 슬러그(Heat Slug)(310) 기능을 갖는 열전달 매체로서 상기 멀티-스루 홀(230)내에 기계적 장치를 사용하여 상기 솔더 패드의 높이만큼 주입시킨다.
또한, 도 3의 (다)를 참조하면, 양면기판(FR-4 PCB)(200)에 파워 LED(100)의 모양 및 크기에 따라 펀칭 가공에 의해 2 단구조의 멀티-스루 홀(Multi-Through Hole)이 형성된 관통구에 무연납 크림솔더(300)를 주입한 후 이동형 고온장비(400)로 솔더링(Soldering, 납땜)한 상태를 나타낸다.
상기 이동형 고온장비(400)는, 상기 무연납 크림솔더(300)에 고온의 열을 가하여 열전달 매체로 고착화시키는 장비로, 상기 무연납 크림솔더(300)가 주입된 후 상기 파워 LED(100)를 극판(+. -)에 알맞게 앉혀 상기 무연납 크림솔더(300)를 솔더링(Soldering)하고 또한 상기 파워 LED(100)의 리드 프레임(혹은 애노우드 및 캐소오드)과 연결시키는 솔더 패드(Solder Pad)(320)를 고온으로 솔더링 한다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 파워 LED를 갖는 대형 조명등의 제조방법에 대한 완성된 피씨비 어셈블리(PCB Assy)(500)를 나타낸다.
도 4를 참조하면, 상기 피씨비 어셈블리(PCB Assy)(500)는, 상기 파워 LED(100)와 상기 양면기판(FR-4 PCB)(200) 및 상기 무연납 크림솔더(300)를 하나로 패키지화한 수단으로, 상기 이동형 고온장비(400)에 의해 상기 파워 LED(100) 후면 발열부위(180)의 방열점(190)과 상기 멀티-스루 홀(230) 내에 주입된 무연납 클림솔더(300) 및 상기 양면기판(FR-4 PCB)의 하부 동(Cu)박면(221)이 하나로 일체화되어 열전달 매체가 되도록 납땜구조를 갖고 고정형 가대구조로서 양극을 형성하여 구조화된 수단이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 파워 LED를 갖는 대형 조명등의 제조 방법에 대한 피씨비 어셈블리(500)를 대형 방열구조체인 알루미늄 기구(600)에 취부 고정한 상태를 나타낸다.
먼저 도 5를 참조하면, 상기 피씨비 어셈블리(500)는 대형 방열구조체인 알루미늄 기구(600)에 취부 고정되어 LED 조명등으로서의 방열효율을 극대화하도록 구성하였으며, 또한 상기 피씨비 어셈블리(500)를 다수개로 사용하여 가로등과 같은 대형 LED 조명등기구를 제작할 수 있는 실물형태의 모습을 보여주고 있다.
한편, 도 6은 상기 도 3의 (가),(나),(다) 내지 도 5에 따른 파워 LED를 갖는 대형 조명등의 제조 방법을 설명한 플로워 챠트(Flow Chart)를 나타낸다.
도 6을 참조하면, 본 발명은 파워 LED를 갖는 대형 조명등의 제조 방법에 있어서,
(A)상기 파워 LED의 리드 프레임(Lead Frame)(+극, -극)을 고정시킬 수 있는 솔더 패드(Solder Pad)(320)를 구비하는 FR-4 소재(210)의 상하부에 동(Cu)박면(220, 221)이 부착된 양면기판(FR-4 PCB)(200)을 상기 파워 LED의 모양 및 크기에 따라 상기 양면기판을 모두 관통하지 않도록 상부 일부만을 펀칭 가공에 의해 펀칭 가공에 의해 하나의 스루 홀을 형성시키는 S100 단계를 갖는다.
(B)상기 하나의 스루 홀(231)과 연장되는 상기 양면기판의 나머지 일부를 관통시켜 다수의 스루 홀(232a ~ 232d)을 형성시키되, 상기 양면기판(FR-4 PCB)(200)의 하부 동(Cu)박면(221)은 펀칭되지 않도록 하는 2단 구조의 멀티-스루 홀(Multi-Through Hole)(230)을 형성시키는 S200 단계를 갖는다.
여기서 도 7을 참조하면, 상기 2단 구조의 멀티-스루 홀(230)은, 상기 파워 LED 발열부위(180)의 방열점(190)과 수직으로 일치하는 지점에 천공되는 것을 특징으로 한다(S210).
또한, 상기 2단 구조의 멀티-스루 홀(230)은, 상기 양면기판(FR-4 PCB) 가공시에 미리 천공되는 것을 특징으로 한다(S220).
또한, 상기 2단 구조의 멀티-스루 홀(230)은, 상기 파워 LED의 모양 및 크기에 따라 원형(240) 또는 사각형(250)으로 천공되는 것을 특징으로 한다(S230).
또한, 상기 하나의 스루 홀(231)은, 상기 하나의 스루 홀(231)에 주입된 상기 무연납 크림솔더(300)가 상기 이동형 고온장비(400)에 의해 납땜구조의 열전달 매체가 되어 상기 파워 LED 발열부위(180)의 방열점(190)에서 발생된 고열을 축적시키는 기능을 갖는 것을 특징으로 한다(S240).
그리고 상기 다수의 스루 홀(232a ~ 232d)은, 상기 하나의 스루 홀(231)에 축적된 고열을 신속하게 다중 분산시키는 기능을 갖는 것을 특징으로 한다(S250).
이와 같이 본 발명의 실시예에 따른 핵심 기술적 사상은, 상기 하나의 스루 홀(231) 및 상기 다수의 스루 홀(232a ~ 232d)을 구비한 2단 구조의 멀티-스루 홀(230)을 구성한 것에 그 특징이 있다. 즉, 상기 파워 LED 발열부위(180)의 방열점(190)에서 발생되는 열은 가로등과 같은 대형 LED 조명등일수록 발광효율을 높이기 위해 전류를 증가하게 되고 전류가 증가할수록 발열부위의 방열점 온도는 높아지게 된다. 이때 상기 다수의 스루 홀(232a ~ 232d)보다 넓은 체적의 히트 슬러그(Heat Slug) 기능을 갖는 열전달 매체를 수용하는 상기 하나의 스루 홀(231)에서 방열을 순간 축적시킨 후, 이를 마침 넓은 관에서 좁은 관으로 빠져나가는 빠른 유속의 원리를 갖는 베르누이 정리처럼 높은 열팽창계수를 갖는 고온의 방열을 상기 하나의 스루 홀(231)보다 체적이 작은 다수의 스루 홀(232a ~ 232d)로 신속하게 다중 분산시킴으로써 방열효과를 배가시킬 수 있도록 한 것이다.
다시 말해서 상기 파워 LED 발열부위(180)의 방열점(190)에서 발생된 발열을 1차적으로는 히트 슬러그(Heat Slug) 기능을 갖는 하나의 스루 홀(231) 내에 주입된 무연납 크림솔더(300)에서 순간 축적시킨다. 이때 상기 하나의 스루 홀(231)에서 축적된 파워 LED의 방열은 높은 열팽창계수를 갖게 된다. 2차적으로는 상기 하나의 스루 홀(231)에서 축적된 방열을 상기 다수의 스루 홀(232a ~ 232d) 내에 주입된 무연납 크림솔더(300)가 상기 양면기판(FR-4 PCB)(200)의 하부 동(Cu)박면(221)과 솔더링(Soldring)에 의해 직접 납땜되어 상기 하나의 스루 홀(231)에서 축적된 방열을 신속하게 다중 분산시킨다. 그리고 3차적으로는 상기 양면기판(FR-4 PCB)(200)의 하부 동(Cu)박면(221)과 대형 방열구조체인 알루미늄 기구(600)와 직접 취부 고정시킴으로써 방열범위를 보다 확산시켜 방열효과를 극대화할 수 있게 된다.
이와 같은 기술적 구성은 아직까지 연구 개발된 적이 없는 본 출원인만의 독특한 방열설계 기술이라고 말할 수 있다.
(C)상기 2단 구조의 멀티-스루 홀(230)에는 기계적 장치를 사용하여 히트 슬러그(Heat Slug) 기능을 갖도록 하는 무연납 크림솔더(Pb-free Cream Solder)(300)를 상기 솔더 패드의 높이만큼 주입시키는 S300 단계를 갖는다.
여기서 도 8을 참조하면, 상기 무연납 크림솔더(300)는, 상기 양면기판(FR-4 PCB)(200)에 상기 파워 LED를 취부하기 전에 먼저 주입되는 것을 특징으로 한다(S310).
(D)상기 무연납 크림솔더(300)가 주입된 후 상기 파워 LED(100)를 극판에 알맞게 앉혀 상기 무연납 크림솔더(300)를 이동형 고온장비(400)를 사용하여 상기 파워 LED 후면 발열부위의 방열점과 상기 무연납 클림솔더 및 상기 양면기판의 하부 동(Cu)박면이 하나로 일체화되도록 솔더링(Soldering)하여 피씨비 어셈블리(PCB Assy)(500)를 완성하는 S400 단계를 갖는다.
(E)상기 피씨비 어셈블리(500)를 대형 방열구조체인 알루미늄 기구(600)에 취부 고정시켜 LED 조명등으로서의 방열효율을 극대화하는 S500 단계를 갖도록 구성되어진다.
여기서 도 8을 참조하면, 상기 피씨비 어셈블리(500)와 대형 방열구조체인 알루미늄 기구(600)는, 솔더링(Soldering, 납땜) 또는 써멀 그리스(Thermal Grease)에 의해 취부 고정되는 것을 특징으로 한다(S510).
이와 같이 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 본 발명은 파워 LED 후면 발열부위의 방열점과 대형 방열구조체인 알루미늄 기구와 직접 접촉시킬 수 있는 멀티-스루 홀 내의 열전달 매체에 의해 축적된 고열을 대기온도에 신속하게 다중 분산시킴으로써, 가로등과 같은 대형 LED 조명등기구 생산에 따른 파워 LED 소자의 후면 방열설계 방법에 대한 새로운 응용기술을 제안하는 독특한 특징이 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1의 (가),(나)는 파워 LED의 VF-IF 특성 및 방열효율-수명에 대한 이론적 고찰을 나타낸 그래프.
도 2는 파워 엘이디(Light Emitting Diode : LED)의 일반적인 구조를 나타낸 도면
도 3의 (가),(나),(다)는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 파워 LED를 갖는 대형 조명등의 제조 방법에 대한 피씨비 어셈블리(PCB Assy) 제작 과정을 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 파워 LED를 갖는 대형 조명등의 제조 방법에 대한 완성된 피씨비 어셈블리(PCB Assy)를 나타낸 도면.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 파워 LED를 갖는 대형 조명등의 제조 방법에 대한 피씨비 어셈블리를 대형 방열구조체인 알루미늄 기구에 취부 고정한 상태를 나타낸 도면.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 파워 LED를 갖는 대형 조명등의 제조 방법을 설명한 플로워 챠트(Flow Chart).
도 7은 상기 도 6에 따른 파워 LED를 갖는 대형 조명등의 제조 방법에 대한 2단 구조의 멀티-스루 홀을 설명한 플로워 챠트(Flow Chart).
도 8은 상기 도 6에 따른 파워 LED를 갖는 대형 조명등의 제조 방법에 대한 무연납 크림솔더와 피씨비 어셈블리를 대형 발열구조체인 알루미늄 기구에 부착하는 단계를 설명한 플로워 챠트(Flow Chart).
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100 : 파워 LED 101 : 극판
110 : 반사경 120 : 애노우드(A)
130 : 금(Au) 본딩 와이어 140 : 오목렌즈
150 : 캐소오드(K) 160 : 수지몰드
170 : 블록렌즈 180 : 발열부위
190 : 방열점 200 : 양면기판(FR-4 PCB)
210 : FR-4 소재 220 : 상부 동(Cu)박면
221 : 하부 동(Cu)박면 230 : 2단 구조의 멀티-스루 홀
231 : 하나의 스루 홀 232a~232d : 다수의 스루 홀
240 : 원형 250 : 사각형
300 : 무연납 크림솔더 310 : 히트 슬러그
320 : 솔더 패드 400 : 이동형 고온장비
500 : 피씨비 어셈블리 600 : 대형 방열구조체인 알루미늄 기구

Claims (8)

  1. 파워 LED를 갖는 대형 조명등의 제조 방법에 있어서,
    (A)상기 파워 LED의 리드 프레임(Lead Frame)(+극, -극)을 고정시킬 수 있는 솔더 패드(Solder Pad)를 구비하는 FR-4 소재의 상하부에 동(Cu)박면이 부착된 양면기판(FR-4 PCB)을 상기 파워 LED의 모양 및 크기에 따라 상기 양면기판을 모두 관통하지 않도록 상부 일부만을 펀칭 가공에 의해 하나의 스루 홀을 형성시키는 단계와;
    (B)상기 하나의 스루 홀과 연장되는 상기 양면기판의 나머지 일부를 관통시켜 다수의 스루 홀을 형성시키되, 상기 양면기판(FR-4 PCB)의 하부 동(Cu)박면은 펀칭되지 않도록 하는 2단 구조의 멀티-스루 홀(Multi-Through Hole)을 형성시키는 단계와;
    (C)상기 2단 구조의 멀티-스루 홀에는 기계적 장치를 사용하여 히트 슬러그(Heat Slug) 기능을 갖도록 하는 무연납 크림솔더(Pb-free Cream Solder)를 상기 솔더 패드의 높이만큼 주입시키는 단계와;
    (D)상기 무연납 크림솔더가 주입된 후 상기 파워 LED를 극판에 알맞게 앉혀 상기 무연납 크림솔더를 이동형 고온장비를 사용하여 상기 파워 LED 후면 발열부위의 방열점과 상기 무연납 크림솔더 및 상기 양면기판의 하부 동(Cu)박면이 하나로 일체화되도록 솔더링(Soldering)하여 피씨비 어셈블리(PCB Assy)를 완성하는 단계와;
    (E)상기 피씨비 어셈블리를 대형 방열구조체인 알루미늄 기구에 취부 고정시켜 LED 조명등으로서의 방열효율을 극대화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 파워 LED를 갖는 대형 조명등의 제조 방법.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 2단 구조의 멀티-스루 홀은, 상기 파워 LED 발열부위의 방열점과 수직으로 일치하는 지점에 천공되는 것을 특징으로 하는 파워 LED를 갖는 대형 조명등의 제조 방법.
  3. 제2 항에 있어서, 상기 2단 구조의 멀티-스루 홀은, 상기 양면기판(FR-4 PCB) 가공시에 미리 천공되는 것을 특징으로 하는 파워 LED를 갖는 대형 조명등의 제조 방법.
  4. 제3 항에 있어서, 상기 2단 구조의 멀티-스루 홀의 형태는 원형 또는 사각형으로 천공되는 것을 특징으로 하는 파워 LED를 갖는 대형 조명등의 제조 방법.
  5. 제1 항에 있어서, 상기 하나의 스루 홀은, 상기 하나의 스루 홀에 주입된 상기 무연납 크림솔더가 상기 이동형 고온장비에 의해 납땜구조의 열전달 매체가 되어 상기 파워 LED 발열부위의 방열점에서 발생된 고열을 순간적으로 축적시키는 기능을 갖는 것을 특징으로 하는 파워 LED를 갖는 대형 조명등의 제조 방법.
  6. 제5 항에 있어서, 상기 다수의 스루 홀은, 상기 하나의 스루 홀에 순간적으로 축적된 고열을 빠른 유속형태를 갖고 다중 분산시키는 기능을 갖는 것을 특징으로 하는 파워 LED를 갖는 대형 조명등의 제조 방법.
  7. 제1 항에 있어서, 상기 무연납 크림솔더는, 상기 양면기판(FR-4 PCB)에 상기 파워 LED를 취부하기 전에 먼저 주입되는 것을 특징으로 하는 파워 LED를 갖는 대형 조명등의 제조 방법.
  8. 제1 항에 있어서, 상기 피씨비 어셈블리와 대형 방열구조체인 알루미늄 기구는, 솔더링(Soldering, 납땜) 또는 써멀 그리스(Thermal Grease)에 의해 취부 고정되는 것을 특징으로 하는 파워 LED를 갖는 대형 조명등의 제조 방법.
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