KR101255139B1 - Ｌｅｄ 소자의 방열구조 및 이를 형성하는 방법 - Google Patents

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Abstract

LED의 전극과 연결되는 패턴전극이 형성된 회로기판에서, 상기 패턴전극 사이에 상기 회로기판을 관통하는 비아 홀이 형성되고 상기 비아 홀에 열 전도체가 충진되며, 상기 비아 홀은 상기 회로기판의 표면에서 두께 방향으로 제 1 직경을 갖는 부분과 상기 제 1 직경보다 큰 제 2 직경을 갖는 부분으로 구성되는 LED 소자의 방열구조가 개시된다.

Description

ＬＥＤ 소자의 방열구조 및 이를 형성하는 방법{Heat emission structure for LED element and Method for forming the same}
본 발명은 LED 소자의 방열구조에 관한 것으로, 특히 패턴전극 사이의 간격에 관계없이 LED 소자로부터 발생하는 열을 신속하고 효율적으로 방출할 수 있도록 하는 LED 소자의 방열구조를 제공하는 것이다.
일반적으로 발광 다이오드(LED: Light Emitting Diode)는 전류가 흐를 때 빛을 내는 반도체 발광소자이며, GaAs, GaN 광반도체로 이루어진 PN 접합 다이오드(junction diode)로 전기에너지를 빛에너지로 바꾸어 주는 것이다.
이러한 LED는 백열전구와 형광등과 같은 기존의 광원에 비해 저전력소비, 고효율, 장시간 동작 수명 등의 장점이 있어 그 수요가 지속적으로 증가하고 있는 실정이다.
최근에 LED는 모바일 단말기의 소형조명에서 실내외의 일반조명, 자동차 조명, 대형 LCD(Liquid Crystal Display)용 백라이트로 그 적용범위가 점차 확대되고 있다.
반면, 고출력 LED에는 발광시 많은 열을 발생하기 때문에 열에 의해 반도체 소자인 발광 칩이나 패키지 자체가 열화하여 손상되는 것을 방지할 수 있도록 별도의 방열구조를 채용하게 된다.
종래에는 도 1과 같이, 다수의 LED 소자(20)가 회로기판(10)에 형성된 패턴전극(16)에 실장되는데, 패턴전극(16) 사이에 회로기판(10)을 관통하는 비아 홀(via hole, 12)을 형성하고 이 비아 홀(12)에 은이나 납과 같은 열 전도체(14)를 충진한다.
이러한 구조에 의하면, 각 LED 소자(20)로부터 발생하는 열은 LED 소자(20)와 접촉하는 대기로 방출됨과 동시에 비아 홀(12)에 충진되어 LED 소자(20)의 이면에 접촉하는 열 전도체(14)를 통하여 회로기판(10)의 이면으로도 방출되어 신속한 열 방출이 가능해진다.
그러나, 종래 기술에 의하면, LED 소자(20)가 소형화함에 따라 LED 소자(20)의 양 전극이 각각 접촉하는 패턴전극(16) 사이의 폭이 매우 좁기 때문에 비아 홀(12)이 직경이 너무 큰 경우 비아 홀(12)에 충진된 납(14)에 의해 패턴전극(16)끼리 접촉하여 단락된다.
따라서, 비아 홀(12)의 직경의 크기는 패턴전극(16) 사이의 간격 이상의 크기로 형성할 수 없어 효율적인 열 방출이 어렵다는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 패턴전극 사이의 간격에 관계없이 LED 소자로부터 발생하는 열을 신속하고 효율적으로 방출할 수 있도록 하는 LED 소자의 방열구조를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 LED 소자의 방열구조를 효율적으로 형성하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 의하면, LED의 전극과 연결되는 패턴전극이 형성된 회로기판에서, 상기 패턴전극 사이에 상기 회로기판을 관통하는 비아 홀이 형성되고 상기 비아 홀에 열 전도체가 충진되며, 상기 비아 홀은 상기 회로기판의 표면에서 두께 방향으로 제 1 직경을 갖는 부분과 상기 제 1 직경보다 큰 제 2 직경을 갖는 부분으로 구성된 LED 소자의 방열구조가 제공된다.
바람직하게, 상기 비아 홀의 측벽에는 상기 패턴전극과 같은 금속으로 도금이 된다.
또한, 상기 비아 홀은 상기 패턴전극 사이에서 상기 회로기판의 폭 방향으로 다수 개 형성될 수 있다.
바람직하게, 상기 제 1 직경부분은 서로 분리되고, 상기 제 2 직경부분은 서로 연통한다.
본 발명의 다른 측면에 의하면, 회로기판의 표면에서 설계된 패턴전극 사이의 위치에서 제 1 직경을 갖는 비아 홀을 형성하는 단계; 상기 회로기판의 이면에서 상기 비아 홀을 일정 깊이로 가공하여 제 2 직경을 갖는 비아 홀을 형성하는 단계; 상기 회로기판 전면에 금속 도금을 하고 에칭 작업을 통하여 상기 설계된 대로 패턴전극을 형성하는 단계; 및 상기 제 1 및 제 2 직경을 갖는 비아 홀을 열 전도체로 충진하는 단계를 포함하는 LED 소자의 방열구조의 형성방법이 제공된다.
본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 제 1 회로기판의 표면에서 설계된 패턴전극 사이의 위치에서 제 1 직경을 갖는 비아 홀을 형성하는 단계; 제 2 회로기판의 표면에서 상기 제 1 회로기판의 비아 홀의 위치를 고려하여 제 2 직경을 갖는 비아 홀을 형성하는 단계; 상기 제 1 회로기판의 이면에 상기 제 2 회로기판을 접착하는 단계; 상기 접착된 제 1 및 제 2 회로기판 전면에 금속 도금을 하고 에칭 작업을 통하여 상기 설계된 대로 패턴전극을 형성하는 단계; 및 상기 제 1 및 제 2 직경을 갖는 비아 홀을 열 전도체로 충진하는 단계를 포함하는 LED 소자의 방열구조의 형성방법이 제공된다.
바람직하게, 상기 제 1 및 제 2 직경을 갖는 비아 홀을 열 전도체로 충진하는 단계에서, 상기 열 전도체를 과 충진한 다음, 돌출된 열 전도체 부분을 연마하여 평탄화한다.
상기의 구조에 의하면, 비아 홀의 제 1 직경부분의 직경이 패턴전극 사이의 간격에 적합한 크기를 갖기 때문에 비아 홀에 충진된 열 전도체에 의해 패턴전극이 서로 단락되지 않으면서, 비아 홀의 제 2 직경부분의 직경은 가능한 크게 형성되어 결과적으로 그 안에 충진되는 열 전도체의 부피도 증가하기 때문에 LED 소자로부터 발생하는 열을 신속하고 효율적으로 외부로 방출할 수 있다.
도 1은 종래의 LED 소자의 방열구조를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 LED 소자의 방열구조를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따라 회로기판의 표면으로부터 본 LED 소자의 방열구조를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 예에 따라 LED 소자의 방열구조를 형성하는 방법을 나타낸다.
도 5는 본 발명의 다른 예에 따라 LED 소자의 방열구조를 형성하는 방법을 나타낸다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 LED 소자의 방열구조를 나타낸다.
패턴전극(160, 162)이 표면에 형성된 회로기판(100)에 다수의 LED 소자(20)가 실장되는데, LED 소자(20)의 양극과 음극은 각각 패턴전극(160, 162)에 전기적으로 접촉한다.
패턴전극(160, 162) 사이에는 회로기판(100)을 두께 방향으로 관통하는 비아 홀(120)이 형성된다. 비아 홀(120)의 측벽은 패턴전극(160, 162)을 구성하는 재질, 가령 구리와 같은 재질로 도금될 수 있다.
본 발명에 따르면, 비아 홀(120)은 회로기판(100)의 표면으로부터 두께방향으로 진행하면서 제 1 직경을 갖는 부분(122, 이하, '제 1 직경부분'이라 함)과 제 1 직경부분보다 큰 제 2 직경을 갖는 부분(124, 이하, '제 2 직경부분'이라 함)으로 구성되고, 비아 홀(120)은 납 등을 포함하는 열 전도체(140)에 의해 충진된다.
이러한 구성에 의하면, 비아 홀(120)의 제 1 직경부분(122)의 직경은 패턴전극(160, 162) 사이의 간격에 적합한 크기를 갖기 때문에 비아 홀(120)에 충진된 열 전도체(140)에 의해 패턴전극(160, 162)이 서로 단락되지 않고, 비아 홀(120)의 제 2 직경부분(124)의 직경은 가능한 크게 형성되어 결과적으로 그 안에 충진되는 열 전도체(140)의 부피도 증가하기 때문에 LED 소자(20)로부터 발생하는 열을 신속하고 효율적으로 외부로 방출할 수 있다.
여기서, 제 1 및 제 2 직경부분(122, 124)의 두께방향으로의 길이는 상황에 맞게 적절하게 조정될 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따라 회로기판(100)의 표면으로부터 본 LED 소자의 방열구조를 나타낸다. 도시의 편의를 위하여 LED 소자는 생략하였다.
도 3(a)을 참조하면, 패턴전극(160, 162) 사이에는 회로기판(100)의 폭 방향으로 2개의 비아 홀(120, 120a)이 일정간격으로 형성되도록 한다.
이러한 구조에 의하면, 비아 홀(120, 120a)에 의해 이에 충진된 열 전도체(140)의 부피가 증가함으로써 결과적으로 방열효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
이 실시 예에서는 2개를 예로 들었지만, 제 2 직경부분(124, 124a)의 직경을 조정하여 다수 개 형성할 수 있음은 물론이다.
또한, 도 3(b)을 참조하면, 패턴전극(160, 162) 사이에는 회로기판(100)의 폭 방향으로 2개의 비아 홀(120, 120a)을 일정간격으로 형성하고, 이들 각 비아 홀(120, 120a)의 제 1 직경부분(122, 122a)은 분리되도록 하지만 제 2 직경부분(124)은 서로 겹쳐지도록 하여 서로 연통하도록 한다.
이러한 구조에 의하면, 비아 홀(120, 120a)의 제 2 직경부분(124)이 차지하는 부피를 최대한 크게 할 수 있어 충진된 열 전도체(140)의 부피를 최대한으로 증가시킴으로써 결과적으로 방열효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
이하, 본 발명에 의한 LED 소자의 방열 구조를 형성하는 방법에 대해 설명한다.
도 4는 본 발명의 일 예에 따라 LED 소자의 방열구조를 형성하는 방법을 나타낸다.
회로기판(100)에서 설계된 패턴전극(160, 162) 사이의 위치에서 제 1 직경을 갖는 비아 홀(120)을 형성한다(도 4a 참조).
이어, 회로기판(100)의 이면에서 비아 홀(120)을 일정 깊이로 가공하여 제 2 직경을 갖는 제 2 직경부분(124)을 형성하며, 이에 따라 가공되지 않은 부분은 자연적으로 제 1 직경부분(122)이 된다(도 4b 참조).
여기서, 비아 홀(120)은 드릴링 머신이나 라우터 등을 이용하여 형성할 수 있다.
다음, 회로기판(100) 전면에 구리 도금을 한 다음, 소정의 에칭 작업을 통하여 설계된 대로 패턴전극(160, 162)을 형성한다(도 4c 참조).
가공된 비아 홀(120)에 납이나 은(Ag)과 같은 열 전도체(140)를 채우는데, 충진의 신뢰성을 위해 회로기판(100)의 이면으로부터 다소 돌출되도록 과충진한다(도 4d 참조).
여기서, 이 실시 예에 따르면, 열 전도체(140)는 구리 도금층 위에 적층되지만, 패턴전극(160, 162)을 미리 형성한 후에 비아 홀(120)을 형성하는 과정을 수행하는 경우에는 열 전도체(140)가 회로기판(100)에 직접 접촉된다.
이어, 회로기판(100)의 이면으로부터 돌출된 열 전도체(140)를 연마하여 이면을 평탄하게 한다(도 4e 참조).
마지막으로, 회로기판(100) 표면의 패턴전극(160, 162)에 LED 소자(20)를 가령 표면실장기술(SMT) 등을 이용하여 솔더링한다(도 4f 참조).
도 5는 본 발명의 다른 예에 따라 LED 소자의 방열구조를 형성하는 방법을 나타낸다.
제 1 회로기판(100)에서 설계된 패턴전극(160, 162) 사이의 위치에서 제 1 직경을 갖는 비아 홀(120)을 형성하고, 제 2 회로기판(200)에서 제 1 회로기판(100)의 비아 홀(120)의 위치를 고려하여 제 2 직경을 갖는 비아 홀(220)을 형성한다(도 5a 참조).
이어, 제 1 회로기판(100)의 이면에 제 2 회로기판(200)을 접착하는데, 가령 액상 접착제가 이들 사이에 개재하도록 도포하고 경화하여 서로 접착시킬 수 있다(도 5b 참조).
다음, 접착된 회로기판(100, 200) 전면에 구리 도금을 한 다음, 소정의 에칭 작업을 통하여 설계된 대로 패턴전극(160, 162)을 형성한다(도 5c 참조).
가공된 비아 홀(120, 220)에 납이나 은(Ag)과 같은 열 전도체(140)를 채우는데, 충진의 신뢰성을 위해 회로기판(200)의 이면으로부터 다소 돌출되도록 과충진한다(도 5d 참조).
이어, 회로기판(200)의 이면으로부터 돌출된 열 전도체(140)를 연마하여 이면을 평탄하게 한다(도 5e 참조).
마지막으로, 회로기판(100) 표면의 패턴전극(160, 162)에 LED 소자(20)를 가령 표면실장기술(SMT) 등을 이용하여 솔더링한다(도 5f 참조).
이상에서는 본 발명의 실시 예를 중심으로 설명하였지만, 당업자의 수준에서 다양한 변경을 가할 수 있음은 물론이다. 따라서, 본 발명의 권리범위는 상기한 실시 예에 한정되어 해석될 수 없으며, 이하에 기재되는 특허청구범위에 의해 해석되어야 한다.
20: LED 소자
100: 회로기판
120: 비아 홀
122: 제 1 직경부분
124: 제 2 직경부분
140: 열 전도체

Claims (7)

  1. LED의 전극과 연결되는 패턴전극이 형성된 회로기판에서, 상기 패턴전극 사이에 상기 회로기판을 관통하는 비아 홀이 형성되고 상기 비아 홀에 열 전도체가 충진되며,
    상기 비아 홀은 상기 회로기판의 표면에서 두께 방향으로 제 1 직경을 갖는 부분과 상기 제 1 직경보다 큰 제 2 직경을 갖는 부분으로 구성되고,
    상기 비아 홀은 상기 패턴전극 사이에서 상기 회로기판의 폭 방향으로 다수 개 형성되는 것을 특징으로 하는 LED 소자의 방열구조.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 비아 홀의 측벽에는 상기 패턴전극과 같은 금속으로 도금이 된 것을 특징으로 하는 LED 소자의 방열구조.
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 1 직경부분은 서로 분리되고, 상기 제 2 직경부분은 서로 연통하는 것을 특징으로 하는 LED 소자의 방열구조.
  5. 회로기판의 표면에서 설계된 패턴전극 사이의 위치에서 상기 회로기판의 폭 방향으로 제 1 직경을 갖는 비아 홀을 다수 개 형성하는 단계;
    상기 회로기판의 이면에서 상기 비아 홀 각각을 일정 깊이로 가공하여 제 2 직경을 갖는 비아 홀을 형성하는 단계;
    상기 회로기판 전면에 금속 도금을 하고 에칭 작업을 통하여 상기 설계된 대로 패턴전극을 형성하는 단계; 및
    상기 제 1 및 제 2 직경을 갖는 비아 홀을 열 전도체로 충진하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 소자의 방열구조의 형성방법.
  6. 제 1 회로기판의 표면에서 설계된 패턴전극 사이의 위치에서 상기 회로기판의 폭 방향으로 제 1 직경을 갖는 비아 홀을 다수 개 형성하는 단계;
    제 2 회로기판의 표면에서 상기 제 1 회로기판의 비아 홀 각각에 대응하는 위치에 제 2 직경을 갖는 비아 홀을 형성하는 단계;
    상기 제 1 회로기판의 이면에 상기 제 2 회로기판을 접착하는 단계;
    상기 접착된 제 1 및 제 2 회로기판 전면에 금속 도금을 하고 에칭 작업을 통하여 상기 설계된 대로 패턴전극을 형성하는 단계; 및
    상기 제 1 및 제 2 직경을 갖는 비아 홀을 열 전도체로 충진하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 소자의 방열구조의 형성방법.
  7. 청구항 5 또는 6에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 직경을 갖는 비아 홀을 열 전도체로 충진하는 단계에서, 상기 열 전도체를 과 충진한 다음, 돌출된 열 전도체 부분을 연마하여 평탄화하는 것을 특징으로 하는 LED 소자의 방열구조의 형성방법.
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