KR20180090985A - 진공 코어 회로기판 - Google Patents

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KR20180090985A
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알도 콘타리노
마이클 프레이버그
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신 더말 익스체인지 피티이 리미티드
알도 콘타리노
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Abstract

본원은 발열 전자 부품으로부터 열을 방산시키기 위한 진공 코어 회로 기판(10)에 관한것으로, 상기 진공 코어 회로 기판은 하기 구성을 포함하고:
상기 발열 전자 부품(14)이 전기적으로 결합되는 적어도 하나의 회로층(12);
실질적으로 중공 내부(hollow interior)(20)를 갖는 몸체 구조물(19)을 포함하는 베이스층(16); 및
적어도 일부분의 상기 회로층(12) 및 상기 베이스층(16) 사이에 제공된 유전체층(18),
이때 상기 중공 내부(20)는 적어도 부분적으로 진공이다.

Description

진공 코어 회로기판
본 발명은 진공 코어 회로기판에 관한 것이다. 본 발명의 진공 회로기판은 발열 전자부품으로부터의 열 방산에 활용하는 것을 목적으로 한다. 보다 구체적으로, 발열 전자부품은 LED의 형태로 제공 될 수 있다.
이하 배경기술에 대한 논의는 본 발명에 대한 이해를 용이하게 하기 위한 목적이다. 이 논의는 언급된 자료의 어떤 것도 출원의 우선일에서와 같이 보편적인 일반 지식의 일부로서 인정하거나 시인하는 것이 아니다.
전자 장치는 일반적으로 단일 회로기판 또는 인쇄 회로기판(PCB)위에 여러개의 개별 및 집적 회로 패키지로 구성된다. 이러한 패키지의 컴퓨팅 능력(computing power)은 장치 내에서 패키지들의 기능적 크기에 의해 제한되는 것이 아니라 전체 전력 소비 및 발열량에 의해 제한된다. 스마트 폰 장치는 시스템 내에서 수동 또는 전도 냉각을 사용하고, 노트북은 소형 전도, 상 변화 및 팬 강제(fan forced) 냉각을 사용하며, 데스크탑 컴퓨터는 냉각 효율을 높이기 위해 대형 팬 강제 및 상 변화 냉각 기술을 사용한다. 장치가 작을수록 수동 고속 전도 냉각의 필요성이 크다.
PCB의 또 다른 용도는 발광 다이오드(LED)램프이다. LED 램프는 하나 이상의 LED 어레이로 조립된 램프 또는 조명이다. LED 램프는 수명과 전기 효율이 백열 램프보다 몇 배 더 우수하며, 대부분의 형광 램프보다 훨씬 우수하다. 이로 인해 LED 램프는 상업용 및 주거용으로 백열 램프 및 형광 램프를 대체하기 시작했다. 이 교체 기간 동안, LED 조명은 표준 전구 연결 및 모양 (예컨대, Edison 나사 베이스 또는 GU10 베이어닛 피팅(bayonet fitting))을 갖춘 LED 램프로 만들어졌으며 소켓에 공급된 전압과 호환되도록 만들어졌다. 기존 피팅(fitting)과의 호환 필요성이 감소함에 따라, LED 램프를 위해 디자인된 새로운 피팅이 등장하고 있다.
종래의 백열 램프 및 형광 램프에 대한 LED 램프의 급격한 개선에도 불구하고, 종래의 조명을 완전히 대체하기 전에 다루어져야 하는 LED 램프에 대한 몇몇 한계점들이 여전히 존재한다.
LED 램프의 주된 한계점은 LED 효율과 수명이 높은 온도에서 감소한다는 것이다. LED 안의 대부분의 전기는 빛으로 변환되기 보다는 열로 손실된다 (대략 70% 열 및 30% 빛). 만약 이 열이 제거되지 않으면, LED는 높은 온도에서 작동하게 되어, 그 효율을 낮출 뿐만 아니라 다른 경우 보다 LED 신뢰성을 낮춘다. 따라서 기존 필라멘트 및 소형 형광 종류를 물리적으로 대체하는데 사용되는 LED 램프에 사용될 수 있는 전력이 제한된다. 따라서, LED 램프 내부 열의 관리는, 특히 고출력(high-power) LED를 사용하는 경우에, 필수적이다.
LED 램프의 열 관리 방법 중 하나는 금속 코어 인쇄 회로기판 (MCPCB)을 사용하는 것이다. MCPCB에서 PCB의 기본 재료는 절연체로 만들어진 저렴한 기판과는 달리 열 전도성 금속이다. LED와 금속 코어 사이에는, LED와 금속 코어 사이에서 열 브릿지(thermal bridge) 역할을 하는 열 전도성 유전체층이 제공된다. 종래의 히트 싱크 (heat sink)는 금속 코어로 전달된 열을 방산시키는데 이용될 수 있다. MCPCB와 관련된 한가지 문제점은 비효율적인 열 분배와 관련이 있으며, 이는 기판의 특정 영역에 열점이 형성되는 것을 야기한다. 이러한 열점과 PCB의 나머지 부분 사이의 온도 차이는 층의 좌굴(buckling)과 분리 및 부적절한 열 전달을 야기한다.
히트 싱크 또한 상업용 및 주거용 LED 램프 설치시 수반되는 주로 크기 제한과 관련된 한계점을 가지고 있다. 이러한 공간적 한계는 히트 싱크 복잡성의 증가 및/또는 구조상 특수 합금의 사용으로 개선될 수 있지만, 이는 궁극적으로 LED 램프의 비용을 증가시킨다.
특별히 LED 램프에 적용되는 LED의 또 다른 문제는 "효율 저하(efficiency droop)" 이다. 이것은 전류가 특정 지점을 지나 증가함에 따라 LED의 발광 효능이 감소하는 것을 의미한다. 따라서, 밝기는 일반적으로 하나의 LED 램프에 복수의 LED를 조합함으로써 증가한다. 더 많은 LED에 대한 필요성으로 인해 LED 램프의 생산 비용이 크게 증가했다.
본 명세서 전반적으로, 문맥상 달리 의미하지 않는 한, 단어 "포함하다(comprise)" 또는 이외 변형, 예를 들어 "포함한다(comprises)" 또는 "포함하는(comprising)"은 기재된 정수 또는 정수군을 포함하지만, 임의의 다른 정수 또는 정수군을 배제하지는 않는다는 의미로 이해될 것이다.
본 명세서 전반적으로, 문맥상 달리 의미하지 않는 한, 용어 "진공 코어(evacuated core)" 또는 그 변형은 코어의 적어도 어느 정도의 진공을 의미하는 것으로 이해될 것이며, 완전하거나 전체적인 진공에 한정되지 않는다. 뿐만 아니라, 용어 "진공(evacuation)"은 대기압 보다 낮은 압력을 의미한다.
본 발명에 따라, 발열 전자부품으로부터 열을 방산시키기 위한 진공 코어 회로기판이 제공되며, 상기 진공 코어 회로기판은 하기 구성을 포함하고:
상기 발열 전자부품이 전기적으로 결합되는 적어도 하나의 회로층;
실질적으로 중공 내부(hollow interior)를 갖는 몸체 구조물을 포함하는 베이스층; 및
적어도 일부분의 상기 회로층 및 상기 베이스층 사이에 제공된 유전체층,
이때 상기 중공 내부는 적어도 부분적으로 진공이다.
본 발명의 하나의 양태에 있어서, 상기 베이스층은 금속으로 만들어져 있다.
상기 몸체 구조물은 중공 내부를 둘러싸는 임의의 모양일 수 있다. 본 발명의 하나의 양태에 있어서, 상기 몸체 구조는 실질적으로 대향된 상부 및 하부면에 의해 형성된 단일 플레이트형 구조이다.
당업자에 의해 이해되는 바와 같이, 상기 용어 '적어도 부분적으로 진공'은 상기 중공 내부의 대기압보다 낮은 압력을 의미한다. 이는 상기 중공 내부의 기체 부피를 줄임으로써 달성할 수 있다. 본 출원인에 의해 중공 챔버(chamber)의 적어도 부분적인 진공은 상기 몸체 구조물 및 회로기판에 걸쳐 빠르고 균등한 열의 분배를 가능하게 하는 것으로 이해된다. 상기 몸체 구조물의 중공 내부를 적어도 부분적으로 진공 배기시킴에 따라, 통상적으로 열 복사의 전파를 억제하는 입자가 제거되는 것이 예상된다.
본 발명의 하나의 양태에 있어서, 상기 중공 내부는 부분적으로 진공 처리된 공기를 함유한다. 본 발명의 다른 양태에 있어서, 상기 중공 내부는 감압 상태에서 상 변화 물질을 함유한다. 당업자에 의해 이해되는 바와 같이, 상 변화 물질은 높은 융해열을 가져, 많은 양의 열 에너지를 저장하고 방산할 수 있다. 바람직하게는, 상기 상 변화 물질은 물, 암모니아, 중수(deuterium oxide), 염화 나트륨, 안티몬, 클로로플루오로카본(chlorofluorocarbon), 수소화불화탄소(hydrofluorocarbon), 에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 퍼플루오로폴리에테르 불화 유체(perfluoropolyehter fluorinated fluid), 및 헵탄 중 어느 하나에서 선택된다. 이론에 구애됨이 없이, 상이한 상 변화 물질의 선택은 전자부품의 작동 온도에 의해 결정됨이 본 출원인에 의해 이해된다. 예를 들어, 1400
Figure pct00001
C 이상 작동 온도에서는 염화나트륨 또는 안티몬이 적합하다.
본 발명의 다른 양태에 있어서, 상기 몸체 구조물은 원통 모양이다. 상기 몸체 구조물의 모양은 회로층 위 열원의 배열 및 진공 코어 회로기판이 활용되는 적용을 포함하는 다수의 요인에 의존할 것으로 예상된다.
바람직하게는, 상기 몸체 구조물이 단일 플레이트형 구조일 때, 상부 및 하부면은 상기 몸체 구조물의 중공 내부를 형성하도록 실질적으로 균일하게 간격을 두고 있다. 더 바람직하게는, 상기 상부 및 하부면은 그 내부 표면적의 상당 부분에 걸쳐 실질적으로 균일하게 간격을 두고 있다.
본 발명의 하나의 양태에 있어서, 상기 발열 전자부품은 발광 다이오드(LED) 조명이다.
발열 전자부품이 그 자체의 히트 슬러그(heat slug)를 갖는 경우, 히트 슬러그는 베이스층에 직접 결합될 수 있는 것으로 예상된다. 바람직하게는, 상기 히트 슬러그는 상기 베이스층에 리플로우 되거나(reflowed) 직접 부착된다. 필요시 상기 히트 슬러그가 전기 전도 경로의 일부를 형성할 수 있는 것으로 예상된다.
본 발명의 하나의 양태에 있어서, 상기 진공 코어 회로기판은 발열 부품을 기판의 베이스층에 직접 연결하기 위해 접착제를 추가로 포함한다. 바람직하게는, 상기 접착제는 금, 은, 동, 주석-납 솔더(solder), 및 무연 솔더 중에서 선택된다. 더 바람직하게는, 상기 무연 솔더는 주석-은-구리 솔더; 주석-은-구리-아연 솔더 및 주석-은-구리-망간 솔더 중에서 선택된다.
본 발명의 하나의 양태에 있어서, 상기 접착제의 적용 및 부품의 결합은 당 업계에 공지된 임의의 수단에 의한 것이다. 바람직하게는, 상기 접착제는 솔더 리플로우(solder reflow); 스퍼터링(sputtering), 진공 증착, 화학 결합, 전기 도금, 유도 용접/납땜 중 임의의 한가지에 의해 도포된다; 더 바람직하게는, 상기 접착제의 도포는 솔더 리플로우 과정에 의해 수행된다.
상기 회로층은 바람직하게는 구리, 은, 금, 알루미늄과 같이 전기 저항이 낮은 금속이다.
상기 유전체층은 전기적으로 절연성이지만, 열 전도성인 유전 물질로 구성된다. 상기 유전체층은 플라스틱 및 탄성 재료, 유리, 세라믹, 프리-프레그(Pre-Preg) (유리 섬유), 섬유, 탄소 섬유/튜브, 열 전도성인 중합체, 및 클래드(clad) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 본 발명의 하나의 양태에 있어서, 상기 열 전도성인 중합체는 액정 중합체(liquid crystalline polymer, LCP)이다. 당업자에 의해 이해되는 바와 같이, LCP는 파라-하이드록시벤조산 및 관련 단량체를 주성분으로 하는 부분 결정성 방향족 폴리에스테르이다. 본 발명의 다른 양태에 있어서, 상기 열 전도성인 중합체는 NCO 골격 중합체이다.
본 발명의 또 다른 양태에 있어서, 상기 유전체층은 전기적으로 절연되도록 형성된 결정구조를 갖는 원소탄소(elemental carbon)이다. 바람직하게는, 상기 탄소는 저온 진공 증착의 방법에 의해 도포된다. 바람직하게는 상기 탄소는 약 2.0 nm의 두께로 베이스 위에 부착된다. 이 구성은 좋은 전기적 절연 특성을 유지하면서 높은 열 전도율을 제공한다는 것이 본 출원인에 의해 이해된다.
당업자에 의해 이해되는 바와 같이, 유전체층의 두께 및 구조는 회로층이 단락(short out)되지 않으면서, 높은 열 성능을 유지하도록 설계되어야 한다. 본 발명의 하나의 양태에 있어서, 이 층의 두께는 2nm 내지 0.2nm이다. 전기 부품의 전압 및 전류에 따라 더 두껍거나 더 얇은 층이 사용될 수 있는 것으로 예상된다.
상기 유전체층은 당업계에 공지된 임의의 통상적인 수단을 통해 베이스층에 도포될 수 있다. 본 발명의 하나의 양태에 있어서, 상기 유전체층은 물리적 기상 증착을 통해 상기 베이스층에 도포된다. 본 발명의 다른 양태에 있어서, 상기 유전체층은 스퍼터 증착(sputter deposition)을 통해 상기 베이스층에 도포된다. 또 다른 양태에 있어서, 상기 유전체층은 증발 기술을 통해 상기 베이스층에 도포된다. 당업자에 의해 이해되는 바와 같이, 증발 기술은 유전체 화합물이 이후에 증발되거나 다음의 적용에 사용되는 용매로 확산되는 것을 포함한다.
본 발명의 하나의 양태에 있어서, 상기 베이스층은 상기 회로층의 일부를 형성한다. 본 발명의 이러한 양태에 있어서, 상기 베이스층의 표면은 전도층 및 유전체층의 섹션들로 부착된다.
본 발명의 다른 양태에 있어서, 상기 유전체층은 상기 표면에 도포되고, 일부는 에칭되어 전도성 부분을 노출시킨다. 당업자에 의해 이해되는 바와 같이, 에칭은 화학적 또는 광적 (레이저) 수단에 의해 달성될 수 있다.
본 발명의 하나의 양태에 있어서, 상기 중공 내부의 표면은 표면 처리 물질로 처리될 수 있다. 바람직하게는, 상기 표면 처리 물질은 높은 데바이(Debye) 온도를 갖는다. 더 바람직하게는, 표면 처리는 고도로 정렬된 결정 구조를 갖는다. 본 발명의 하나의 양태에 있어서, 상기 표면 처리 물질은 탄소, 베릴륨, 사파이어(sapphire), 티타늄 다이옥사이드(titanium dioxide), 티타늄 나이트라이드(titanium nitride), 티타늄 카보네이트(titanium carbonate), 하프늄 다이보라이드(hafnium diboride), 지르코늄 다이보라이드(zirconium diboride), 티타늄 다이보라이드(titanium diboride), 스칸듐 나이트라이드(scandium nitride), 바나듐 카바이드(vanadium carbide), 크롬, 루테늄, 실리콘 및 탄산 칼슘 중 하나 이상이다. 본 발명의 하나의 양태에 있어서, 상기 표면 처리 물질은 적어도 600k의 데바이 온도를 갖는다. 더 바람직하게는, 상기 표면 처리 물질은 적어도 1000k의 데바이 온도를 갖는다. 당업자에 의해 이해되는 바와 같이, 물질의 데바이 온도는 사실상 물질의 원자 구조를 숫자로 표현한 것이며 고체 안에 에너지가 유지되어있는 방법과 관련이 있다.
본 발명의 하나의 양태에 있어서, 상기 표면 처리 물질은 나노미립자이다. 바람직하게는, 상기 표면 처리 물질의 평균 입자 크기는 약 1nm 내지 40nm이다.
본 발명의 하나의 양태에 있어서, 상기 상부 및 하부면에 특징적인 표면이 제공되어 있다. 바람직하게는, 상기 특징적인 표면은 주름(corrugation)을 강조하는 다수의 표면적을 포함한다. 더 바람직하게는, 주름의 모습은 사인파(sinusoidal) 또는 핀 형(fin like) 형상이다. 더 바람직하게는, 상기 주름의 높이는 상기 몸체 구조물의 폭의 세배 이하이다.
바람직하게는, 상기 몸체 구조물은 구리 또는 알루미늄과 같은 낮은 열 및 전기 저항을 갖는 물질로 구성된다. 상기 몸체 구조물의 일부는 회로 내의 특정 전자부품을 상기 베이스층을 통해 방산되는 열로부터 보호하기 위해 열적 절연체로 제공될 수 있는 것이 예상된다.
본 발명의 하나의 양태에 있어서, 상기 베이스층 및 몸체 챔버는 전기 회로의 일부를 포지티브 또는 네거티브 레일(positive or negative rail)로서 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 양태에 있어서, 상기 주름은 상기 단일 몸체의 위도 축으로부터 오프셋 방향으로 상기 단일 몸체의 표면에 걸쳐 연장된다. 바람직하게는, 상기 주름은 상기 단일 몸체의 위도 축으로부터 45도 방향으로 상기 단일 몸체의 표면에 걸쳐 연장된다.
본 발명의 하나의 양태에 있어서, 상기 단일 몸체 상부 표면의 주름의 방향은 일반적으로 상기 단일 몸체 하부 표면의 주름의 방향에 대향한다. 바람직하게는 상기 방향은 90도만큼 대향된다. 상기 단일 몸체의 상부 표면 및 하부 표면의 주름 방향을 대향시킴으로써, 본 출원인은 상기 상부 표면으로부터 방사된 열 방사가 국부적 공기 및 와류를 상기 하부 표면으로부터 열적으로 들뜬 공기와 혼합하고 상기 몸체 구조물로부터 흘러나오는 것을 이해한다. 상기 와류는 팬(fan) 없이도 열을 방산하므로 히트 싱크 설계에 매우 유리하다.
효율을 증가시키고 LED 광원의 불필요한 열 에너지를 관리함으로써, 본 출원인은 LED 램프의 전반적인 성능을 향상시킬 수 있다. 이러한 방식으로, 최대 가시광은 LED로부터 활용될 수 있는 반면, 불필요한 에너지는 LED 램프로부터 제거된다.
본 발명의 추가 특징들은 몇몇 비제한적인 하기 실시 양태의 설명에서 보다 더 충분하게 기술된다. 이러한 설명은 본 발명을 예시하기 위한 목적으로만 포함된다. 이는 전술한 본 발명의 광범위한 요약, 개시 또는 설명에 대한 제한으로 이해되어서는 안 된다. 단지 예시의 방법으로서 첨부되는 도면을 참조하여 다음과 같이 설명 될 것이다:
도 1은 본 발명의 제 1 측면에 따른 진공 코어 회로기판의 단면도이다;
도 2는 본 발명의 제 1 측면에 따른 진공 코어 회로기판의 측면도이다;
도 3은 본 발명의 제 1 측면에 따른 진공 코어 회로기판의 상부 투시도이다;
도 4는 실시 예 1의 결과를 나타내는 그래프이다.
도 1 내지 도 3에는 본 발명에 따른 진공 코어 회로기판(10)이 나타나있다. 진공 코어 회로기판(10)은 발열 전자부품, 예를 들어 LED(14)가 전자적으로 결합되는 회로층(12)을 포함한다. 진공 코어 회로기판(10)은 베이스층(16)을 더 포함한다. 유전체층(18)은 적어도 일부분의 회로층(12)과 베이스층(16) 사이에 제공된다. 유전체층(18)은 LED(14)의 단락을 방지하기 위해 전기적으로 절연되어있다. 도 1에 도시된 바와 같이, LED의 적어도 하나의 부분은 베이스층에 직접 결합될 수 있다. 대안적으로, LED는 유전체층 상부 또는 내부에 있는 회로층에 결합될 수 있다.
베이스층(16)은 실질적으로 중공 내부(20)를 갖는 본체 구조물(19)을 포함한다. 실질적으로 중공 내부(20)는 표면 코팅(도시되지 않음)으로 코팅된다. 베이스층(16)은 상부면(22) 및 하부면(24)을 갖는 단일 플레이트형 구조로 만들어졌다.
열이 전도, 대류 또는 복사에 의해 전파될 수 있다는 것은 잘 알려져 있다. 전자제품에 사용되는 일반적인 열 전달 방법은 열원에서 열을 제거하기 위해 전도에 의존한다. 이러한 배열에서, 열원으로부터 열이 제거될 수 있는 속도는 열이 고체를 통해 전도하는 속도에 의해 제한된다. 상기 몸체 구조물(19)을 제공함으로써, 열원에 의해 발생된 열의 적어도 일부가 중공 내부(20)를 통해 복사의 방법으로 전달될 수 있음이 출원인에 의해 이해된다. 당업자에 의해 이해되는 바와 같이, 열이 복사의 방법에 의해 전파하는 속도는 전도에 의한 속도보다 빠르다.
적절히 높은 방사율을 보이는 중공 내부(20)의 디자인에서 직면하게 되는 어려움은 고체 표면으로부터 중공 내부로 방출되는 열의 양을 증가시켜 그 속도가 고체를 통한 전도와 경쟁하게 하는 것이다.
당업자에 의해 이해되는 바와 같이, 물체의 온도가 절대 영도보다 높을 때, 원자간 충돌은 원자 또는 분자의 운동 에너지를 변화시킨다. 이는 전자기 복사를 생성하는 전하 가속 및/또는 쌍극자 진동을 초래한다.
이론에 구애됨이 없이, 본 출원인은 물질의 방사율은 여러가지 요소에 의존 함을 이해한다. 이러한 요소에는 재료의 화학적 조성 및 물리적 구조, 물질의 온도, 물질의 데바이 온도 및 관련 포논(phonon) 진동률, 이러한 진동의 통과 각도, 및 마지막으로 그 물질의 극성이 포함된다. 이러한 요인들은 방사선의 흡수에 유사하게 영향을 미친다. 이러한 요소들 중 어느 하나의 미세한 조율은 방사에 의한 열 방출 및 흡수를 향상시킬 수 있다.
본 발명자들은 높은 데바이 온도 또는 낮은 1몰 당 비열을 갖는 물질이 방사선을 보다 쉽게 방출하고 흡수한다는 것을 발견했다. 이론에 구애됨이 없이, 이것은 물질의 원자 구조 및 온도에서 입자의 높은 진동률 때문인 것으로 이해된다.
방사선을 생성하는 것은 쌍극자 진동이므로, 물질의 표면에서만 방사선 방출이 일어날 수 있다. 추가적으로, 방사는 한번의 쌍극자 진동마다 한번만 일어날 수 있다. 따라서, 포논 진동률이 높은 물질을 사용하고 표면적을 최대화하는 것이 유리하다. 이론에 구애됨이 없이, 본 발명자는 중공 내부의 내부 표면을 약 1 내지 40 nm 크기 범위의 결정성 나노입자를 포함하는 표면 코팅으로 코팅함으로써 표면적 및 전파 속도가 증가될 수 있다는 것을 발견했다. 방출 및 흡수 표면적을 증가시킴으로써, 열 전달 또한 증가한다. 추가적으로, 입자 크기는 물질의 열 전달 속도에 반비례할 수도 있다. 입자 크기가 구조와 데바이 온도에 영향을 미칠 것이므로 물질은 신중하게 선택되어야 한다.
쌍극자 진동률은 방출 파장에 영향을 주며, 그 진동률은 포논 진동률에 의해 좌우된다. 높은 진동률을 견딜 수 있는 물질은 더 많은 전달을 허용한다. 이상적으로, 흡수하는 물질은 방출하는 물질과 유사한 파장 및 포논 진동을 가지며, 이 후에는 일치되어야 한다. 이는 중공 내부(22)를 통한 최대 열 전달을 제공하는 것으로 이해된다.
도 1 내지 도 3에 나타난 실시 예에서, 몸체 구조물(19)은 플레이트형이지만, 그 모양은 특정 열원에 알맞게 될 수 있는 것으로 예상된다. 예를 들어, 상기 몸체 구조물(19)은 휴대전화 또는 랩탑 및 개인용 컴퓨터에서의 사용을 위해 크기 설정 및 형상화될 수있다.
발열 전자부품이 자체의 히트 슬러그(26)를 갖는 경우, 히트 슬러그는 유전체층(18)의 구멍을 통해 베이스층으로 직접 리플로우된다.
상부면(22)과 하부면(24)에는 그 표면을 따라 일련의 주름이 제공되어있다. 도 2 및 도 3에 나타난 실시 예에서, 상기 주름의 방향은 베이스층(16)의 가로축으로부터 45도 오프셋된다. 상부면(22) 및 하부면(24)의 주름은 90도만큼 오프셋된다.
중공 내부(20)는 배기관(28)을 통해 진공처리된다. 상기 중공 내부가 진공처리 되면, 그 안에 진공을 유지하기 위해 배기관(28)이 밀봉된다.
효율을 증가시키고 LED 광원의 불필요한 열 에너지를 관리함으로써, 본 출원인은 LED 램프의 전반적인 성능을 향상시킬 수 있다. 이러한 방식으로, 최대 가시광은 LED로부터 활용될 수 있는 반면, 불필요한 에너지는 LED 램프로부터 제거된다.
실시예 1
전술한 바와 같이, 본 발명자들은 LED 광원으로부터 열을 방산시키기 위한 금속 코어 회로기판의 사용을 확인했다. LED 램프의 제조에서 직면하게 되는 어려움은 더 높은 전류가 LED 광원으로부터의 높은 조도를 야기할 때, LED의 작동 온도 또한 증가시킨다는 것이다. 이러한 작동 온도의 증가는 LED 광원의 효율 또한 감소시킨다. 일반적인 전도성 히트 싱크는 발열로 인해 LED 효율이 영향을 받기 전에 전류가 특정 지점까지만 증가되도록 허용한다. 본 발명의 금속 코어 회로기판을 일반적인 히트 싱크와 비교하기 위해, 증가된 전류가 본 발명의 금속 코어 회로기판상의 단일 1와트 LED와 산업용 표준 히트 싱크 기술에 의해 냉각된 동일한 단일 1와트 LED에 미치는 효과를 비교하는 일련의 테스트가 수행되었다. 금속 코어 회로기판의 베이스층은 99.98% 순 구리로 만들어졌으며, 구리는 실질적으로 대향된 상부 및 하부면에 의해 형성된 단일 플레이트형 구조로 압축되었다. 중공 내부는 약 1 내지 40nm 크기의 나노입자로 구성된 표면 처리 물질로 코팅되었으며, 물질은 원소 또는 분자 성질을 가지고, 사파이어 나노입자, 탄소 나노입자, 티타늄 나이트라이드 나노입자 및 탄산 칼슘 나노입자를 포함한다. 본 발명자들에 의해 복수의 나노입자 원소 또는 분자가 사용될 수 있음이 이해된다. 상기 물질은 챔버 내에 주입되고 표면을 균일하게 코팅하는 약 50mg의 물질이 균일하게 혼합된 것이다. 코팅 후, 상기 챔버는 진공 처리되고 밀봉되었다. 단일 LED가 회로층에 솔더되었다.
각각의 단일 1 와트 LED는 0.35 A의 특정된 동작 전류를 가졌다. 각 LED를 통한 전류의 증가는 여러 단계에 걸쳐 이루어졌으며, 각 단계는 전류를 다음 단계로 증가시키기 전에 5분간 유지되었다. 이 테스트의 결과는 도 4에 나타나있다.
도 4에서 볼 수 있듯이, 0.35A에서 두 제품간 럭스는 매우 비슷하다. 그런 다음 2x 동작 전류에서는 급격한 차이가 발생한다. 3x ~ 4x 동작 전류에서는 열 캐스케이드(thermal cascade)가 일어나 더 많은 전력이 공급되더라도 LED에서 발생하는 열이 조도를 떨어뜨린다.
실시 예 1은 단일 LED 광에 관하여 본 발명의 진공 코어 회로기판의 장점을 입증하였고, 이러한 효과는 LED 광의 상업적 용도로 합성된다. 광 출력을 증가시키려는 시도에서, 상업적 제조업체는 기판에 더 많은 LED를 배치하여 낮은 작동 전류에서의 낮은 광 출력을 보완한다. 일반적인 상업용 LED 광은 단일 기판 위에 최대 9개의 LED를 가질 수 있다. 본 발명자에 의해 밝혀진 바와 같이, 광 출력은 온도에 비례하며, LED 접합부의 온도 및 히트 싱크를 통한 열 전달 속도가 전체적인 광 출력에서 중유한 요소임이 이해된다. 전술한 상업적 예에서, 전체 열에 각각 기여하고 따라서 전체적인 광 효율에 기여하는 9개의 독립된 LED가 있다. 히트 싱크의 성능을 향상시킴으로써, 발명자들은 보다 적은 LED를 사용하여 더 많은 빛이 더 높은 신뢰성을 가지고 생산된다는 것을 발견했다.
당해 분야의 기술자는 본원에 기술된 본 발명이 구체적으로 기재된 것 이외로 변형 및 수정이 가능하다는 것을 이해할 것이다. 본 발명은 이러한 모든 변형 및 수정을 포함한다. 본 발명은 또한 명세서에서 언급되거나 제시된 모든 단계, 특징, 제형 및 화합물을 개별적으로 또는 일괄적으로, 그리고 예외없이 전부 포함하고 임의의 2 이상의 단계 또는 특징 또한 포함한다.

Claims (21)

  1. 발열 전자부품으로부터 열을 방산시키기 위한 진공 코어 회로기판에 있어서, 상기 진공 코어 회로기판은 하기 구성을 포함하고:
    상기 발열 전자부품이 전기적으로 결합되는 적어도 하나의 회로층;
    실질적으로 중공 내부(hollow interior)를 갖는 몸체 구조물을 포함하는 베이스층; 및
    적어도 일부분의 상기 회로층 및 상기 베이스층 사이에 제공된 유전체층,
    이때 상기 중공 내부는 적어도 부분적으로 진공인, 진공 코어 회로기판.
  2. 제1항에 있어서, 상기 몸체 구조물은 실질적으로 대향된 상부 및 하부면에 의해 형성된 단일 플레이트형 구조인, 금속 코어 회로기판.
  3. 제2항에 있어서, 상기 상부 및 하부면은 상기 몸체 구조물의 중공 내부를 형성하도록 실질적으로 균일하게 간격을 두고 있는 것인, 금속 코어 회로기판.
  4. 제2항에 있어서, 상기 상부 및 하부면은 그 내부 표면적의 상당 부분에 걸쳐 실질적으로 균일하게 간격을 두고 있는 것인, 금속 코어 회로기판.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 중공 내부는 부분적으로 진공 처리된 공기를 함유하는 것인, 금속 코어 회로기판.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 중공 내부는 감압 상태에서 상 변화 물질을 함유하는 것인, 금속 코어 회로기판.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 발열 전자부품은 발광 다이오드(LED) 조명인 것인, 금속 코어 회로기판.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 회로층을 상기 베이스층에 결합시키기 위해 상기 회로층과 상기 베이스층 사이에 접착제 층을 더 포함하는, 금속 코어 회로기판.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 베이스층은 상기 회로층의 일부를 형성하는 것인, 금속 코어 회로기판.
  10. 제9항에 있어서, 상기 베이스층의 표면은 전도층 및 유전체층의 섹션들로 부착되는 것인, 금속 코어 회로기판.
  11. 제9항에 있어서, 상기 유전체층은 상기 전도층의 표면에 도포되고, 일부는 에칭되어 전도성 부분을 노출시키는 것인, 금속 코어 회로기판.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 중공 내부의 내부 표면은 표면 처리 물질로 처리 될 수 있는 것인, 금속 코어 회로기판.
  13. 제12항에 있어서, 상기 표면 처리 물질은 높은 데바이(Debye) 온도를 갖는 것인, 금속 코어 회로기판.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 내부 표면 처리 물질은 적어도 600k의 데바이(Debye) 온도를 갖는 것인, 금속 코어 회로기판.
  15. 제13항 또는 제14항에 있어서, 상기 표면 처리 물질은 탄소, 베릴륨, 사파이어(sapphire), 티타늄 다이옥사이드(titanium dioxide), 티타늄 나이트라이드(titanium nitride), 티타늄 카보네이트(titanium carbonate), 하프늄 다이보라이드(hafnium diboride), 지르코늄 다이보라이드(zirconium diboride), 티타늄 다이보라이드(titanium diboride), 스칸듐 나이트라이드(scandium nitride), 바나듐 카바이드(vanadium carbide), 크롬, 루테늄, 실리콘 및 탄산 칼슘 중 하나 이상인 것인, 금속 코어 회로기판.
  16. 제13항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 표면 처리 물질은 나노 미립자인 것인, 금속 코어 회로기판.
  17. 제16항에 있어서, 상기 표면 처리 물질의 평균 입자 크기는 약 1nm 내지 40㎚ 인 것인, 금속 코어 회로기판.
  18. 제2항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 상부 및 하부면에 특징적인 표면이 제공된 것인, 금속 코어 회로기판.
  19. 제18항에 있어서, 상기 특징적인 표면은 주름(corrugation)을 최대화하는 다수의 표면적을 포함하는 것인, 금속 코어 회로기판.
  20. 제19항에 있어서, 상기 주름은 상기 단일 몸체의 위도 축으로부터 오프셋 방향으로 상기 단일 몸체의 표면에 걸쳐 연장되는 것인, 금속 코어 회로기판.
  21. 제1항 내지 제20항의 진공 코어 회로기판 상에 배열된 하나 이상의 LED를 포함하는 LED 램프 어레이(lamp array).
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