KR101418008B1 - Ｌｅｄ용 기판 및 ｌｅｄ 방열 구조 - Google Patents

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본 발명은 세라믹 기판, 상기 세라믹 기판의 일면 또는 양면에 DCB(Direct Copper Bonding)법을 사용하여 접합된 구리판을 포함하여 이루어진 LED용 기판을 제공한다. , 본 발명에 의하여 제조된 LED용 기판 및 방열 구조는 기존 제품의 비해 구리 두께의 상승이 가능하며, 이로 인한 열량 방출 단면적의 상승을 통한 구리면에서 발생되는 열량 감소로 LED 성능 발현시 발생되는 발열을 효과적으로 제어할 수 있다.

Description

ＬＥＤ용 기판 및 ＬＥＤ 방열 구조{Substrate for LED and LED heat-sink structure}
본 기재는 LED용 기판 및 LED 방열 구조 등에 관한 것이다.
전류가 흐르면 빛을 방출하는 다이오드의 한 종류인 LED (light emitting diode, 발광 다이오드)는 watt급 LED 및 Φ8mm 50mA급 이상의 제품들에서는 LED에서 발산되는 열을 제어 하는 것이 매우 중요하다. LED를 구동하면 20％는 빛으로, 80％는 열로 나타남에 따라, 열을 제어하지 못하면 LED를 사용할 수 없다고 볼 수도 있을 만큼 열을 효과적으로 제어하는 것이 필요하다. LED는 반도체 칩으로 그 크기가 아주 작으며, LED에 발생하는 열을 잡아야만 수명을 오래 가져 갈 수 있다.
LED는 소비전력이 작아 전력효율이 높은 제품이고, 수명이 알려진 것보다 훨씬 긴 25만시간 이상 사용이 가능한 제품이다. 다만, 열을 잡아야만 가능 한 것이기에, 실제 현재까지의 보급화된 방열기술로는 5만시간을 기준하는 것이 바람직하다 하겠다.
LED의 온도를 20도 이하로만 관리 가능하다면 LED의 수명은 25만시간을 상회할 수 있다. 그러나 자체 발열을 얼마나 빨리 방열시키는가가 관건이며 이 방열에 대하여 적정한 비용을 들여 효과적으로 제어하는 기술이 필요하다. 특히 영상 60도 정도 고온에서의 LED의 방열 특성은 LED 수명과 직결되는 요소이다.
또한, 발생되는 열이 신속히 처리되지 않으면 LED칩은 물론 주변 회로에 영향을 미쳐 제품의 신뢰성을 떨어뜨리는 주요인이 된다. 장기간에 걸쳐 누적된 열 쇼크로 인해 제품의 문제가 발생되게 된다. 관련업계에 따르면 실제로 LED의 고장 발생에 있어 50%이상이 발열에 의한 문제이고, 나머지는 습도, 진동, 충격, 먼지 등에 의해 나타난다고 한다.
현재 LED조명 제품의 트렌드는 고출력화·소형화·경량화·저가화 이상 4가지 특징으로 정의할 수 있다. 즉 출력은 더욱 강해지고, 크기는 작고 가벼워지면서 가격대는 낮아지고 있는 것이다. 이는 LED조명이 연구제품의 단계에서 상품화 단계로 진입함에 따라 나타나고 있는 특징으로 볼 수 있다.
이 같은 트렌드에 따라 LED에서 발생하는 열의 밀도는 더욱 증가할 수밖에 없다. LED출력이 높아지면서 발열은 더욱 증가하고 있는 반면, 열전도 및 방출 공간은 작아지고 있는 까닭이다.　따라서 방열은 LED 사용에 있어 최우선적인 해결과제라고 할 수 있다.
한편, 최근에는 원가절감과 디자인 향상을 통해 상업적 가치를 높이는 것도 중요 요소로 부각되고 있기 때문에 기존의 방식과는 차별화된 형태의 방열기능이 요구되고 있다.

[참고 선행기술문헌]
일본 공개특허공보 특개2011-119343호(2011.06.16 공개)
먼저 고려할 수 있는 방열 방식으로서, 세라믹에 laser via hole을 가공하고 Ti-Cu sputtering 및 chemical Cu plating, Cu-plating을 통해 구리를 형성시켜 방열 구조를 형성하는 방법을 생각하였다. 그러나 이 경우에는 구리의 두께가 50㎛정도로 얇게 형성되어 방열 특성이 떨어지는 문제점이 있다.
본 발명의 다양한 실시예는, 상기와 같은 여러 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 다음과 같은 어느 하나 이상의 과제를 목적으로 한다.
즉, 본 발명은 발열에 대한 문제점을 개선하고자 구리 두께 50㎛에서 500㎛까지 두께 상승에 의한 전기 통전 단면적을 증가시켜 구리면에 발생되는 열량 감소로 열적 특성을 향상시킬 수 있는LED용 기판 및 방열 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 간소화된 공정을 통하여 저비용을 실현할 수 있는 LED용 기판 및 방열 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기의 과제를 해결하기 위한 수단으로서,
본 발명은 세라믹 기판; 상기 세라믹 기판의 일면 또는 양면에 DCB(Direct Copper Bonding)법을 사용하여 접합된 구리판;을 포함하여 이루어진 LED용 기판을 제공한다.
또한, 상기 구리판의 두께는 50~500㎛ 범위내인 것을 특징으로 하는 LED용 기판을 제공한다.
또한, 상기 세라믹 기판은 도전 물질로 충전된 비아홀이 형성된 것을 특징으로 하는 LED용 기판을 제공한다.
또한, 상기 비아홀의 직경은 0.01 ~ 1.0mm 범위내인 것을 특징으로 하는 LED용 기판을 제공한다.
또한, 상기 세라믹 기판의 일면 또는 양면에 형성된 구리판은 에칭되어 회로 패턴이 형성된 것을 특징으로 하는 LED용 기판을 제공한다.
또한, 상기 세라믹 기판의 일면 또는 양면에 형성된 구리판은 에칭되어 회로 패턴이 형성되고, 상기 회로 패턴은, LED 구동을 위한 전기적 연결부와, LED의 방열을 위한 방열부로 구분되는 것을 특징으로 하는 LED용 기판을 제공한다.
또한, 상기 방열부에 LED가 실장되고, 상기 전기적 연결부와 LED 가 와이어로 통전되는 것을 특징으로 하는 LED용 기판을 제공한다.
또한, 상기 전기적 연결부와, 방열부는 모두 상부 구리판, 도전 물질로 충진된 비아홀, 하부 구리판을 포함하여 구성된 것 특징으로 하는 LED용 기판을 제공한다.
또한, 상기 전기적 연결부와, 방열부는 동일한 공정으로 함께 제조되는 것을 특징으로 하는 LED용 기판을 제공한다.
본 발명은 또한, 전술한 한 항의 LED 용 기판; 상기 LED 실장용 기판의 어느 일면에 실장된 LED;를 포함하여 이루어진 LED 방열 구조를 제공한다.
본 발명에 따른 회로기판은 다음의 효과를 적어도 하나 이상 제공한다.
즉, 본 발명에 의하여 제조된 LED용 기판 및 방열 구조는 기존 제품의 비해 구리 두께의 상승이 가능하며, 이로 인한 열량 방출 단면적의 상승을 통한 구리면에서 발생되는 열량 감소로 LED 성능 발현시 발생되는 발열을 효과적으로 제어할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 LED용 기판 및 LED 방열 구조를 도시한 개략 단면도이다.
이하, 본 발명에 따른 LED용 기판 및 LED 방열 구조를 상세하게 설명한다. 하기의 설명은 본 발명의 이해를 돕기 위한 구체적 설명으로서, 비록 한정적인 표현이나 단정적인 표현이 있더라도 특허청구범위로부터 정해지는 권리범위를 제한하는 것은 아니다.
본 발명은 세라믹 기판, 상기 세라믹 기판의 일면 또는 양면에 DCB(Direct Copper Bonding)법을 사용하여 접합된 구리판을 포함하여 이루어진 LED용 기판을 제공한다. 상기 적어도 하나의 구리판은 방열판의 역할을 수행한다. DCB 방식은 구리판의 두께를 300~500㎛정도까지도 높일 수 있게 되어 기존의 LED 방열 방식에 비하여 구조적으로 단순하면서도 방열 특성을 현저히 우수하게 할 수 있다.
상기 세라믹 기판은 다양한 소재로 만들어질 수 있으며 제한되지 않는다. 예를 들어, 상기 세라믹기판(10)은 알루미나(Al2O3), 질화알루미늄(AlN), 탄화규소(SiC) 및 질화규소(Si3N4) 등의 세라믹소재로 만들어질 수 있다. 세라믹 소재의 다양한 적용 가능성에 의해 고 신뢰성 및 열적 특성 향상에 대한 추가 개선도 가능할 수 있다.
상기 구리판은 제한되지 않으며, DCB에 이용될 수 있는 구리판이 사용된다. 구리판은 세라믹 기판의 어느 일면 또는 양면에 DCB 방법으로 접합될 수 있다. DCB 접합 방식 그 자체는 잘 알려진 방법으로서, 잘 알려져 있으므로 그에 의한다. 일례의 DCB 접합 방식은 구리와 산소의 공융점 이상의 온도에서 실행된다. 최초 Copper Sheet는 얇은 산화 피막을 형성시키고 세라믹 기판과 공정 중에 접촉된 상태에서 공융점 이상인 1065℃ 와 구리의 녹는점인 1085℃ 사이의 온도까지 가열한다. 그러면, 순수한 구리는 고체상태로 남아있게 되고, 구리 및 산소의 공융 혼합물은 액상으로 형성되어 세라믹에 친밀한 성질을 갖게 되고 세라믹 기판 표면에 젖어들어(wetting) 구리판과 세라믹 기판이 접합되게 된다.
구리판의 두께는 제한되지 않으나 50~500㎛ 범위내인 것이 좋다. 50㎛ 미만에서는 방열특성이 떨어지며, 500㎛를 초과하는 경우에는 세라믹과 구리의 접합계면에서 열팽창 계수에 차이에 의한 세라믹 크랙이 유발될 수 있는 등 물성저하가 문제될 수 있다.
상기 세라믹 기판은 도전 물질로 충전된 비아홀이 형성될 수 있다. 도전 비아홀을 구성함으로써 세라믹 기판의 양면을 비아홀을 통하여 통전시킬 수 있다. 비아홀의 충전 물질로는 제한되지 않으나 도전 페이스트, 도전 파우더 등을 이용할 수 있다. 한편, 비아홀은 LED에서 발생한 열을 세라믹 기판의 반대 면으로 방열하는 기능을 수행할 수 있다. 이를 위해서 세라믹 기판보다 열전달 특성이 좋은 재료로 비아홀을 충전할 수 있다. 특히 후술하는 방열부의 비아홀은 방열 특성이 좋은 재료로 충전될 수 있다. 비아홀의 직경은 제한되지 않으나 0.01 ~ 1.0mm 범위내인 것이 좋다. 0.01mm 미만의 경우에는 저항이 커지고 방열 특성이 떨어질 수 있으며, 1.0mm를 초과하는 경우에는 방열 특성 향상에 비하여 충진 물질 사용으로 인한 비용 증가가 발생할 수 있으며, 집적도 및 기판 내구성이 문제될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 LED용 기판 및 LED 방열 구조를 도시한 개략 단면도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 세라믹 기판(10)의 일면 또는 양면에 형성된 구리판이 에칭되어 구리 패턴(20, 30, 50, 60)이 형성될 수 있다. 에칭방법은 종래의 포토리쏘그래피 방법을 이용할 수 있으며 제한되지 않는다. 세라믹 기판(10)에 LED(70)가 실장되고, 상기 구리 패턴에 LED가 와이어 등의 방법으로 전기적으로 연결될 수 있다.
한편, 상기 구리 패턴은, LED 구동을 위한 전기적 연결부(A)와, LED의 방열을 위한 방열부(B)로 구분되어 설계될 수 있다. 즉, 상기 방열부(B)에는 LED(70)가 실장되는 위치에 구리 패턴(50)이 형성될 수 있다. 이 구리 패턴(50)은 LED(70)와 접합되면서 LED(70)에서 발생하는 열을 방출하는 역할을 하게 된다. 보다 효과적인 방열을 위해, 비아홀(40) 및 타면의 구리판(또는 구리 패턴, 60))이 형성될 수 있다. 비아홀(40)을 통하여 타면에 형성된 구리판(또는 구리 패턴, 60)으로 열을 전달함으로써 신속하게 LED(70)에서 발생한 열을 방출할 수 있게 된다. 이 경우에는 비아홀이 효과적으로 열전달 역할을 수행하기 위해, 통전을 위한 비아홀에 비하여 직경을 크게 할 수 있다. 바람직하기로는 방열부 비아홀의 직경은, 통전을 위한 비아홀의 직경 대비 1 ~ 10배일 수 있다.
LED 구동을 위한 전기적 연결부(A)의 구리 패턴(20)은 LED(70) 위치에 인접하게 형성되어 LED(70)와 와이어(80) 등의 방법으로 통전된다.
상기 전기적 연결부(A)와, 방열부(B)는 모두 상부 구리판, 도전 물질로 충진된 비아홀, 하부 구리판을 포함하여 구성될 수 있다. 여기서 구리판은 구리 회로 패턴으로 형성된 것도 포함하는 의미이다. 전기적 연결부와 방열부는 동일한 공정으로 함께 제조될 수 있다. 즉, 구리판은 DCB에 의해 접합함으로써 동시에 제조될 수 있으며, 구리 패턴을 형성하는 경우에도 동시에 에칭함으로써 함께 제조될 수 있다. 또한, 비아홀 형성 및 도전 물질 충진도 함께 수행될 수 있다. 따라서, 방열부 형성 공정을 간소화할 수 있다.
본 발명의 또 다른 일실시예에 따른 LED 방열 구조는 전술한 LED 용 기판의 어느 일면에 실장된 LED를 포함하여 이루어진 LED 방열 구조를 제공한다(도 1 참고). LED는 방열부에 실장됨으로써 보다 효과적으로 열 방출이 일어날 수 있으며, 방열에 충분한 두께의 구리판을 형성할 수 있어 열량 방출 단면적의 상승을 도모할 수 있다.
10: 세라믹 기판
20, 30, 50, 60: 구리판(구리 패턴)
40: 비아홀
70: LED
80: 와이어

Claims (10)

  1. 세라믹 기판;
    상기 세라믹 기판의 양면에 DCB(Direct Copper Bonding)법을 사용하여 접합된 구리판;을 포함하여 이루어지고,
    상기 구리판의 두께는 300~500㎛ 범위내이고,
    상기 양면의 구리판은 에칭되어 회로 패턴이 형성되고,
    상기 회로 패턴은 LED 구동을 위한 전기적 연결부와, 외부 단자와 전기적으로 연결되지 않는 LED의 방열을 위한 방열부로 구분되고,
    상기 전기적 연결부와, 방열부는 모두 패턴화된 상부 구리판, 도전 물질로 충진된 비아홀, 및 패턴화된 하부 구리판을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 LED용 기판.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 세라믹 기판은 도전 물질로 충전된 비아홀이 형성된 것을 특징으로 하는 LED용 기판.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 비아홀의 직경은 0.01 ~ 1.0mm 범위내인 것을 특징으로 하는 LED용 기판.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 방열부에 LED가 실장되고, 상기 전기적 연결부와 LED 가 와이어로 통전되는 것을 특징으로 하는 LED용 기판.
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 전기적 연결부와, 방열부는 동일한 공정으로 함께 제조되는 것을 특징으로 하는 LED용 기판.
  10. 제1항, 제3항 내지 제4항, 제7항, 및 제9항 중 어느 한 항의 LED 용 기판;
    상기 LED 실장용 기판의 어느 일면에 실장된 LED;를 포함하여 이루어진 LED 방열 구조.
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