KR101019249B1 - 고출력 발광 다이오드용 인쇄회로기판 및 이를 이용한 발광다이오드 칩의 방열 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명의 목적은, 고출력 발광 다이오드의 열적 신뢰성을 확보함으로써 고출력 발광 다이오드의 성능을 향상시키고 저가로 제작할 수 있는 고출력 발광 다이오드용 인쇄회로기판 및 이를 이용한 발광 다이오드의 방열구조를 제공하는 것이다. 이를 위하여 본 발명에서는, 절연층과 도전층을 포함하는 인쇄회로기판으로서, 표면에 회로가 인쇄되어 있고, 발광 다이오드 칩과 발광 다이오드 히트 씽크와 리드 프레임을 포함하는 발광 다이오드 패키지가 배치될 위치에 도전층이 일부분 이상 노출되어 있으며, 발광 다이오드 패키지가 배치될 위치에 일면으로부터 반대면을 관통하는 하나 이상의 비아 홀이 형성된 고출력 발광 다이오드용 인쇄회로기판을 제공한다.

Description

고출력 발광 다이오드용 인쇄회로기판 및 이를 이용한 발광 다이오드 칩의 방열 구조{Printed circuit board for high power light emitting diode, and heat dissipation structure of light emitting diode chip using the same}

본 발명은 고출력 발광 다이오드(High Power Light Emitting Diode)용 인쇄회로기판(Printed Circuit Board: PCB) 및 이를 이용한 발광다이오드의 방열구조에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고출력 발광다이오드의 열적 신뢰성을 확보함으로써 고출력 발광 다이오드의 성능을 향상시키고 저가로 제작할 수 있는 고출력 발광다이오드용 인쇄회로기판 및 이를 이용한 발광다이오드의 방열구조에 관한 것이다.

발광 다이오드(Light Emitting Diode: LED)는 주입된 전자와 정공이 재결합할 때 과잉 에너지를 빛으로 방출하는 다이오드로서, GaAsP 등을 이용한 적색 발광 다이오드, GaP 등을 이용한 녹색 발광 다이오드, InGaN/AlGaN 더블 헤테로(double hetero) 구조를 이용한 청색 발광 다이오드 등이 있다. 이러한, 발광 다이오드는 저전압, 저전력이란 장점으로 인해 숫자 문자 표시소자, 신호등 센서, 광결합 소자용 광원 등 여러 분야에 광범위하게 사용되고 있다.

근래의 고출력 발광 다이오드는 접합점의 발열로 인해 광도 저하와 색좌표 쉬프트(shift), 열저항 변화 등의 문제가 화두가 되고 있으며, 이러한 문제를 해결하기 위해 열전도율이 높은 메탈 PCB(Metal PCB: MPCB)를 사용하고 있다.

도 1에는 종래의 MPCB를 사용한 발광 다이오드 칩의 방열구조를 보여주는 도면이 도시되어 있다.

도 1에 도시된 것과 같이, 종래의 MPCB를 사용하는 발광 다이오드 칩의 방열 구조(10)에서 고출력 발광 다이오드의 패키지(package)에서의 열전달 경로는 열원인 발광 다이오드 칩(11)으로부터 발광 다이오드 히트 씽크(heat sink)(12)와 리드 프레임(lead frame)(13)을 통하여 외부로 열을 전달하게 된다. MPCB의 구조는 통상 알루미늄 베이스(14) 위에 도전층(예를 들어 구리)(14a)을 형성하고 있으며, 이러한 도전층(14a)은 알루미늄 베이스(14)와 전기적으로 절연되도록 배치된다. 또한, 리드 프레임(13)과 발광 다이오드 히트 씽크(12)는 전기적으로 절연된다. 발광 다이오드 칩(11)에서 발열된 열은 발광 다이오드 히트 씽크(12)와 도전층(14a), 알루미늄 베이스(14)의 경로를 거쳐 외기로 발산된다. 하지만, 메탈 PCB는 높은 가격으로 인해 고출력 발광 다이오드를 사용한 발광 다이오드 조명 제작 시 제품에 단가를 높이는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 문제를 포함한 여러 가지 문제를 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은, 고출력 발광 다이오드의 열적 신뢰성을 확보함으로써 고출력 발광 다이오드의 성능을 향상시키고 저가로 제작할 수 있는 고출력 발광 다이오드용 인쇄회로기판 및 이를 이용한 발광 다이오드의 방열구조를 제공하는 것이다.

상기와 같은 본 발명의 목적은,

절연층과 도전층을 포함하는 인쇄회로기판으로서,

표면에 회로가 인쇄되어 있고,

발광 다이오드 칩과 발광 다이오드 히트 씽크와 리드 프레임을 포함하는 발광 다이오드 패키지가 배치될 위치에 도전층이 일부분 이상 노출되어 있으며,

발광 다이오드 패키지가 배치될 위치에 일면으로부터 반대면을 관통하는 하나 이상의 비아 홀이 형성된 고출력 발광 다이오드용 인쇄회로기판을 제공함으로써 달성된다.

여기서, 상기 인쇄회로기판의 평면상에서 상기 비아 홀은 발광 다이오드 패키지 내부에 배치된 발광 다이오드 칩이 배치될 위치를 벗어난 위치에 형성되어, 상기 발광 다이오드 칩이 배치될 위치와 상기 비아 홀의 위치가 중첩되지 않는 것이 바람직하다.

또한, 여기서, 상기 인쇄회로기판 상에서 차지하는 하나의 비아 홀의 단면적은 상기 발광 다이오드 칩의 평면적에 비해 작은 것이 바람직하다.

또한, 상기와 같은 본 발명의 목적은,

발광 다이오드 칩을 포함하는 발광 다이오드 패키지; 및

표면에 회로가 인쇄된 것으로 상기 발광 다이오드 패키지가 배치되는 인쇄회로기판을 포함하고,

상기 인쇄회로기판에서 상기 발광 다이오드 패키지가 배치된 부분에는 하나 이상의 비아 홀이 형성된 발광 다이오드 칩의 방열 구조를 제공함으로써 달성된다.

여기서, 상기 인쇄회로기판의 평면상에서 상기 비아 홀은 발광 다이오드 패키지 내부에 배치된 발광 다이오드 칩이 배치된 위치를 벗어난 위치에 형성되어, 상기 발광 다이오드 칩의 위치와 상기 비아 홀의 위치가 중첩되지 않는 것이 바람직하다.

또한, 여기서, 상기 비아 홀의 단면적은 상기 발광 다이오드 칩의 평면적에 비해 작은 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 고출력 발광 다이오드의 열적 신뢰성을 확보함으로써 고출력 발광 다이오드의 성능을 향상시키고 저가로 제작할 수 있는 고출력 발광 다이오드용 인쇄회로기판 및 이를 이용한 발광 다이오드의 방열구조를 제공할 수 있다.

이하에서는, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 더욱 상세히 설명한다.

도 2에는 본 발명에 따른 고출력 발광 다이오드용 인쇄회로기판과 발광 다이오드 칩의 방열 구조의 구성을 간략히 보여주는 단면도가 도시되어 있다.

도 2에 도시된 것과 같이, 본 발명에 따른 발광 다이오드 칩의 방열 구조(20)는, 발광 다이오드 패키지 및 인쇄회로기판(24)을 포함한다.

상기 발광 다이오드 패키지는 발광 다이오드 칩(11), 발광 다이오드 히트 씽 크(12)(heat sink) 및 리드 프레임(13)을 포함하는 것으로, 내장된 발광 다이오드 히트 씽크(12)가 후면의 인쇄회로기판(24)과 접하는 면을 통해 발광 다이오드 칩(11)에서 발생하는 열이 주로 방출된다.

상기 인쇄회로기판(24)은 표면에 회로가 인쇄된 것으로, 절연층(24c), 절연층(24c)의 일면 또는 양면에 패턴을 이루면서 형성된 도전층(24a) 및 도전층(24a)과 절연층(24c)의 상면을 일부분 이상 덮도록 형성된 절연 코팅층(24d)을 포함한다. 상기 도전층(24a)은 구리와 같이 전기전도성이 큰 재질로 만들어지는 것이 바람직하고, 필요에 따라서는 납 코팅층(도시하지 않음)이 일부분에 형성되어, 발광 다이오드 패키지의 리드 프레임(13)과 납땜이 잘되도록 할 수 있다.

상기 인쇄회로기판(24)에서 상기 발광 다이오드 패키지가 배치되는 부분에는 하나 이상의 비아 홀(24b)이 형성되어 있다. 상기 인쇄회로기판(24)의 평면상에서 상기 비아 홀(24b)은 발광 다이오드 패키지 내부에 배치된 발광 다이오드 칩(11)이 배치된 위치를 벗어난 위치에 형성된다. 즉, 인쇄회로기판(24)의 평면을 이와 수직한 방향에서 바라볼 때, 상기 발광 다이오드 칩(11)의 위치와 상기 비아 홀(24b)의 위치가 서로 중첩되지 않는다. 또한, 인쇄회로기판(24)의 평면을 이와 수직한 방향에서 바라볼 때, 상기 비아 홀(24b)의 단면적은 상기 발광 다이오드 칩(11)의 평면적에 비해 작은 것이 바람직하다. 상기 발광 다이오드 칩(11)의 평면적이 비아 홀(24b)의 단면적에 비해 더 작은 경우에는 별도의 충전재를 사용하여 발광 다이오드 패키지 내부의 발광 다이오드 히트 씽크(12)가 인쇄회로기판(24) 상에 접하도록 하여야 하는 경우가 생길 수 있다. 한편, 상기 인쇄회로기판(24)의 후면에는 별도의 방열판(25)이 설치될 수 있고, 이 방열판(25)은 다수의 판상의 핀(fin)을 구비한다.

도시되어 있지는 않지만, 상기 비아 홀(24b)은 경우에 따라서는 상기 방열판(25)까지 관통하도록 형성될 수 있다. 이 경우 자연 대류를 이용하여 방열 효과가 증대될 수 있다.

도 2에 도시된 본 발명의 발광 다이오드 방열 구조(20)에는 절연층(24c)과 도전층(24a)을 포함하는 인쇄회로기판으로서, 표면에 회로가 인쇄되어 있고, 발광 다이오드 칩(11)과 발광 다이오드 히트 씽크(12)와 리드 프레임(13)을 포함하는 발광 다이오드 패키지가 배치될 위치에 도전층이 일부분 이상 노출되어 있으며, 발광 다이오드 패키지가 배치될 위치에 일면으로부터 반대면을 관통하는 하나 이상의 비아 홀(24b)이 형성된 고출력 발광 다이오드용 인쇄회로기판(24)이 이용되고 있다. 이러한 본 발명에 따른 인쇄회로기판을 직접 제작하여 발광 다이오드의 방열 구조에 적용하고, 다음과 같이 실험을 통해 그 효과를 알아보았다.

도 3에는 본 발명에 따른 고출력 발광 다이오드용 인쇄회로기판의 실험예의 전면을 보여주는 사진이 도시되어 있고, 도 4에는 도 3에 도시된 고출력 발광 다이오드용 인쇄회로기판의 실험예의 후면을 보여주는 사진이 도시되어 있으며, 도 5에는 비교예의 MPCB의 전면을 보여주는 사진이 도시되어 있고, 도 6에는 도 5에 도시된 MPCB의 후면을 보여주는 사진이 도시되어 있다.

도 3 및 도 4에 도시된 것이, 본 발명의 실험예에서 통상의 FR-4 인쇄회로기판에 발광 다이오드가 부착될 부분에는 복수의 관통 홀이 형성되어 있다. 도 3 및 도 4에 도시된 것과 같은 본 발명의 실험예와 도 4 및 도 5에 도시된 것과 같은 알루미늄 판이 후면에 설치된 MPCB를 사용하는 비교예를 가지고 실시한 비교 실험의 경과가 도 7 내지 도 9에 도시되어 있다.

실험에 사용된 발광 다이오드는 서울반도체(주)의 Z power LED, P4 시리즈 32280으로 백색 발광 다이오드이다. 실험이 실시된 온도는 25℃이고, 정전류 700mA에 대해 측정 시간은 10초씩 100회 측정하였다. 실험에 투입된 발광 다이오드의 광학적 특성을 평가하기 위해 CS-100이 사용되었고, 발광 다이오드의 전기적 특성을 평가하기 위해 SourceMeter 2430이 사용되었으며, TEC controller를 사용하여 발광 다이오드들의 온도를 제어하였다. 즉, 발광 다이오드의 온도가 초기의 25℃로 유지되도록 TEC controller가 제어하고, 그 동안에 발광 다이오드의 출력 광량을 측정하여 도 7에 도시된 것과 같은 결과를 얻었다. 도 7에 도시된 것과 같이, 실험예와 비교예 간에 시간에 따른 발광 다이오드 출력의 변화는 거의 없었다. 도 8에 도시된 것과 같이 시간에 따른 발광 다이오드 입력 전압에는 다소 차이가 있었고, 도 9에 도시된 것과 같이 시간에 따른 발광 다이오드 칩 내부 저항의 변화에서도 다소 차이가 있었지만, 이는 발광 다이오드 칩 생성시 변화하는 팩터로 인해 나타날 수 있는 수준이었다.

실험을 통해, 본 발명에 의하는 경우 기존에 단가가 비싼 메탈 PCB를 사용하는 구조를 채용하지 않더라도 보편적으로 사용 되는 PCB, 예를 들어 FR-4와 같은 단가가 낮은 PCB를 사용하여도 메탈 PCB와 거의 동일한 수준의 방열 성능을 얻을 수 있음을 확인할 수 있었다.

지금까지 본 발명을 설명함에 있어, 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

도 1은 종래의 MPCB를 이용한 발광 다이오드 칩의 방열 구조의 구성을 간략히 보여주는 단면도.

도 2는 본 발명에 따른 발광 다이오드 칩의 방열 구조의 구성을 간략히 보여주는 단면도.

도 3은 본 발명에 따른 고출력 발광 다이오드용 인쇄회로기판의 실험예의 전면을 보여주는 사진.

도 4는 도 3에 도시된 고출력 발광 다이오드용 인쇄회로기판의 실험예의 후면을 보여주는 사진.

도 5는 비교예의 MPCB의 전면을 보여주는 사진.

도 6은 도 5에 도시된 MPCB의 후면을 보여주는 사진.

도 7 내지 도 9는 본 발명의 실험예에 따른 발광 다이오드 칩의 방열 구조와 MPCB를 사용하는 비교예에서의 발광 다이오드의 동작 특성을 비교한 실험 결과를 보여주는 그래프.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10, 20: 발광 다이오드 방열 구조 11: 발광 다이오드 칩

12: 발광 다이오드 히트 씽크 13: 리드 프레임

14: 알루미늄 베이스 14a: 도전층

15: 리드 와이어 24: 인쇄회로기판

24a: 도전층 24b: 비아 홀

24c: 절연층 24d: 절연 코팅층

Claims (6)

1. 절연층과 도전층을 포함하는 인쇄회로기판으로서,

   표면에 회로가 인쇄되어 있고,

   발광 다이오드 칩과 발광 다이오드 히트 씽크와 리드 프레임을 포함하는 발광 다이오드 패키지가 배치될 위치에 도전층이 일부분 이상 노출되어 있으며,

   발광 다이오드 패키지가 배치될 위치에 일면으로부터 반대면을 관통하는 하나 이상의 비아 홀이 형성되고,

   상기 발광 다이오드 패키지가 배치된 위치의 후면에는 방열판이 설치되어 있으며,

   상기 방열판에는 상기 비아 홀과 연통되는 관통 홀이 형성되어서,

   비아 홀에 존재하는 공기가 발광 다이오드 칩으로부터 발생된 열에 의해 데워져서 기체 운동 에너지가 증가하면, 상기 비아 홀과 연통된 상기 관통 홀을 통해 대기 중으로 배출되고 대기 중의 다른 공기가 유입되어 발광 다이오드의 방열이 원활하게 이루어지는 고출력 발광 다이오드용 인쇄회로기판.
2. 제1항에 있어서,

   상기 인쇄회로기판의 평면상에서 상기 비아 홀은 발광 다이오드 패키지 내부에 배치된 발광 다이오드 칩이 배치될 위치를 벗어난 위치에 형성되어, 상기 발광 다이오드 칩이 배치될 위치와 상기 비아 홀의 위치가 중첩되지 않는 것을 특징으로 고출력 발광 다이오드용 인쇄회로기판.
3. 제1항에 있어서,

   상기 인쇄회로기판 상에서 차지하는 하나의 비아 홀의 단면적은 상기 발광 다이오드 칩의 평면적에 비해 작은 것을 특징으로 하는 고출력 발광 다이오드용 인쇄회로기판.
4. 발광 다이오드 칩을 포함하는 발광 다이오드 패키지; 및

   표면에 회로가 인쇄된 것으로 상기 발광 다이오드 패키지가 배치되는 인쇄회로기판을 포함하고,

   상기 인쇄회로기판에서 상기 발광 다이오드 패키지가 배치된 부분에는 하나 이상의 비아 홀이 형성되고,

   상기 인쇄회로기판에서 상기 발광 다이오드 패키지가 배치된 위치의 후면에는 방열판이 설치되어 있으며,

   상기 방열판에는 상기 비아 홀과 연통되는 관통 홀이 형성되어서,

   비아 홀에 존재하는 공기가 발광 다이오드 칩으로부터 발생된 열에 의해 데워져서 기체 운동 에너지가 증가하면, 상기 비아 홀과 연통된 상기 관통 홀을 통해 대기 중으로 배출되고 대기 중의 다른 공기가 유입되어 발광 다이오드의 방열이 원활하게 이루어지는 발광 다이오드 칩의 방열 구조.
5. 제4항에 있어서,

   상기 인쇄회로기판의 평면상에서 상기 비아 홀은 발광 다이오드 패키지 내부에 배치된 발광 다이오드 칩이 배치된 위치를 벗어난 위치에 형성되어, 상기 발광 다이오드 칩의 위치와 상기 비아 홀의 위치가 중첩되지 않는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 칩의 방열 구조.
6. 제4항에 있어서,

   상기 비아 홀의 단면적은 상기 발광 다이오드 칩의 평면적에 비해 작은 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 칩의 방열 구조.

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