KR100646198B1 - 엘이디 패키지의 열 방출 구조 및 그 구조를 구비한엘이디 패키지 - Google Patents

엘이디 패키지의 열 방출 구조 및 그 구조를 구비한엘이디 패키지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반도체 엘이디 패키지의 열 방출 구조 및 그 구조를 구비한 반도체 엘이디 패키지에 관한 것이고, 구체적으로 열 방출 효율을 개선시키기 위하여 메탈 슬러그 및 엘이디 패키지의 금속 PCB가 일체형으로 형성된 구조 및 이와 같은 구조를 구비한 엘이디 패키지에 관한 것이다. 본 발명에 따른 열 방출 구조는 LED 칩, 접착 층을 이용하여 상기 LED 칩에 결합된 메탈 슬러그 및 상기 LED 칩을 둘러싼 몰딩을 포함하는 LED 패키지의 열 방출 구조에 있어서, 상기 메탈 슬러그는 상기 LED 칩을 둘러싼 열 발산 벽면체 및 상기 열 발산 벽면체의 외부에 형성된 슬러그 기판을 포함하고, 상기 열 발산 벽면체의 높이는 적어도 LED 칩의 높이와 동일하고 그리고 벽면은 일정한 두께를 이루고 있어 상기 LED 칩으로부터 발생한 열이 상기 열발산 벽면체 및 슬러그 기판으로 전도될 수 있도록 한 것을 특징으로 한다.
메탈 슬러그, 열 발산 벽면체, 슬러그 기판, 방열 기판, 펠티어 소자

Description

엘이디 패키지의 열 방출 구조 및 그 구조를 구비한 엘이디 패키지{A Structure of LED Package for Dispersing Heat and LED Package with the Same}
도 1은 공지의 LED 패키지를 도시한 것이다.
도 2는 공지의 파워 LED(Power LED) 패키지의 단면도를 도시한 것이다.
도 3은 파워 LED의 열 방출 방법을 도시한 것이다.
도 4의 (가), (나) 및 (다)는 본 발명에 따른 LED 패키지의 메탈 슬러그의 실시 예를 각각 도시한 것이다.
도 5는 본 발명에 LED 패키지에서 열 발산 경로를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명에 따른 LED 패키지에 추가적인 열 방출 장치를 부가한 형태에 대한 하나의 실시 예를 도시한 것이다.
도 7은 본 발명에 따른 팰티어 소자를 포함하는 LCD 패키지의 다른 실시 예를 도시한 것이다.
도 8은 본 발명에 따른 열 방출 수단을 구비한 LED 패키지의 또 다른 실시 예를 도시한 것으로서, (가)는 메탈 슬러그 및 PCB 기능을 함께 하는 방열 기판을 포함하는 LED 패키지를 도시한 것이며, (나)는 집속 효율 및 방열 기능을 동시에 구비한 추가적인 방열 홈을 포함하는 LCD 패키지를 도시한 것이다.
도 9는 도 8의 방열 구조를 응용한 LED 패키지의 다른 실시 예를 도시한 것이다.
본 발명은 반도체 엘이디 패키지의 열 방출 구조 및 그 구조를 구비한 반도체 엘이디 패키지에 관한 것이고, 구체적으로 열 방출 효율을 개선시키기 위하여 메탈 슬러그 및 엘이디 패키지의 금속 PCB가 일체형으로 형성된 구조 및 이와 같은 구조를 구비한 엘이디 패키지에 관한 것이다.
일반적으로 LED(Light Emitting Diode)는 발광 다이오드로서 빛을 발하는 반도체 소자를 말한다. 상기 LED는 화합물 반도체의 특성을 이용해서 전기 신호를 적외선 또는 빛으로 변환시켜 신호를 송·수신하기 위하여 사용되는 반도체의 일종이다. 이와 같은 LED는 IRED(Infrared Emitting Diode) 및 VLED(Visible Light Emitting Diode)로 나누어진다. 상기 LED는 저휘도, 저전압, 긴 수명 및 저가격 특징을 가지고 종래에는 램프나 숫자 표시 등 점표시를 중심으로 널리 이용되어 왔으며, 최근에는 평면 디스플레이에 응용되고 있다. 이와 같은 응용 분야를 가지는 LED는 기존의 백열전구가 물체의 발열 작용을 통하여 발광시키는데 비하여 LED는 전자의 전위차를 이용하여 발광시키므로 반-영구적이고, 소비전력이 백열 전구에 비하여 1/5에 지나지 않는다는 이점을 가진다. 아울러 반응시간이 수십 나노초 (nano second)이고 수명 시간의 거의 10만 시간에 이른다. 또한 건물에는 백열등 또는 형광등이 사용되고, 차량 등의 후진등, 미등, 제동등 등을 위하여 램프가 사용되고, 상기 램프는 필라멘트 방식의 전구로서 케이스와 렌즈가 밀폐된 하우징에 장착된 상태로 사용된다. 그러나 상기 필라멘트 방식의 램프는 전원을 인가하면 필라멘트가 가열되고, 이에 따라 온도 방사가 이루어져 발광하는 방식으로 작동한다. 이와 같은 방식으로 작동하는 램프는 전원 인가로부터 온도 방사가 이루어지기까지 일정 시간이 소요되고, 그로 인하여 응답성이 짧을 뿐만 아니라 내구성이 크지 않다는 문제점을 가진다. LED는 램프가 가진 위와 같은 문제점에 대한 해결 방안을 제시하고 있다. 즉, 최근 LED 기술의 급속한 발전으로 인하여 LED 밝기는 급속하게 증가하고 있어 기존의 램프를 대체할 수 있는 수준까지 발전하게 되었고, 향후에는 거의 모든 램프가 LED로 대체될 것으로 기대된다.
LED는 반도체의 p-n 접합 구조를 이용하여 주입된 소수 캐리어(전자 또는 양공)를 만들고 이들을 재결합시키면서 전위차로 발광을 시키는 것으로, 이를 하나의 패키지로 만들어 빛을 발생시킨다. 이와 같은 원리로 작동하는 LED의 구동 방법은 병렬형, 직렬과 병렬의 병용형 및 매트릭스 형으로 나눌 수 있다. 상기 병렬형은 각각의 LED를 독립시켜 구동시키고 숫자 표시나 레벨 미터 등 소수의 LED를 이용한 디스플레이의 구동에 사용된다. 그리고 병용형은 다수의 LED 소자를 사용하는 옥외용 LED 램프 등의 구동에 이용되고, 매트릭스형은 복잡한 문자 또는 화상 표시 등에 이용된다.
LED의 발광 색상은 현재 빨강, 녹색, 노랑 및 오렌지색이 개발되어 있으며 파장은 4백 나노미터 내지 7백 나노미터 사이가 된다. 청색 LED는 가스 광선 내에서의 파장이 형성되지 않고 있지만 향후 기술 개발에 따라 높은 휘도를 가진 청색 LED가 개발될 것으로 예상된다.
도 1은 공지의 LED 패키지(1)를 도시한 것이다.
도 1에 도시된 것처럼 LED 패키지(1)는 LED 칩(11), 캐소드 리드(13) 및 애노드 리드(14)를 포함하고, 캐소드 리드(13)는 LED 칩(11)에 접합되어 LED 칩(11)의 캐소드 전극과 와이어(15)로 전기적 연결이 형성되어 있다. 또한 애노드 리드(14)는 LED 칩(11)의 애노드전극과 와이어(15)로 접속되어 있고, LED 칩(11)은 투명 렌즈(16)에 의하여 몰딩이 되어 있다. 이와 같은 구조로 이루어진 공지의 LED 패키지(1)의 구성 요소들의 설치 방법을 살펴보면, 캐소드 리드(13)의 끝 부분에 엘이디 칩(11)을 접착시킬 때 접착층(12)으로서 은 에폭시(Ag epoxy)가 사용된다. 즉, 캐드소 리드(13)의 끝 부분을 상기 은 에폭시로 도포하고 LED 칩(11)을 위치시킨 후, 오븐(Oven)을 이용하여 소성시켜 LED 칩(11)이 캐소드 리드(13)에 부착이 되도록 한다.
이와 같은 방식으로 제조된 LED 패키지는 방열 효과가 매우 낮고, 이로 인하여 수 mA의 적은 전류에도 온도가 높아져서 회로가 단선이 된다는 문제점을 가진다. LED 패키지가 필요한 밝기를 방출하도록 하기 위해서는 전류의 증가가 요구되지만, 도 1에 제시된 것과 같은 공지의 LED 패키지의 경우에는 원하는 밝기의 빛을 방출하도록 제작될 수 없었다. 위와 같은 문제점을 해결하기 위하여 도 2에 도시된 파워 LED가 제안되었다.
도 2는 공지의 파워 LED(Power LED)(2)의 단면도를 도시한 것이다.
도시된 것처럼, 파워 LED(2)는 열전도성이 뛰어난 소재로 제작된 슬러그(Slug)(28)를 포함한다. 파워 LED(2)의 구조를 살펴보면, LED 칩(27)은 열전도성이 뛰어난 접착층(29)을 이용하여 슬러그(28) 위에 설치된다. 그리고 캐소드 및 애노드 전극은 와이어(20)를 이용하여 전극이 형성된 플라스틱 패키지(21)와 연결되고, LED 칩(27)은 투명 렌즈(22)를 이용하여 몰딩이 된다. 이와 같은 구조로 이루어진 파워 LED(2)의 특징은 LED 칩(27)에서 방출된 열이 열전도성이 우수한 접착층(29) 및 슬러그(28)를 통하여 외부로 신속하게 배출될 수 있다는 점이다. 파워 LED(2)의 열 방출 방법이 도 3에 도시되어 있다.
도 3은 파워 LED(2)의 열 방출 방법을 도시한 것이다.
도 3에 도시된 것처럼 파워 LED(2)는 접착층(29)의 아래쪽으로 LED 칩(27)에 비하여 충분히 넓은 면적을 가진 슬러그(28)를 통하여 열이 방출될 수 있도록 한다. 이와 같이 파워 LED(2)는 도 1에서 제시된 LED 패키지와는 달리 방열 면적이 매우 넓기 때문에 수십 mA 내지 수천 mA에 이르는 높은 전류를 인가하여도 LED 칩(27)의 손상 또는 와이어의 파손이 발생하지 않는다는 이점을 가진다. 아울러 슬러그(28)를 통한 열 방출이 용이하므로 LED 칩(27)의 면적을 증가시킬 수 있다는 장점을 가진다. 도 3에서 설명되지 않는 도면 부호는 도 2와 동일한 장치를 나타낸다.
그러나 도 2에서 제시된 파워 LED는 LED 칩과 슬러그, 그리고 슬러그와 LED 패키지가 부착되는 금속 PCB 사이에 기본적으로 존재하는 열저항으로 인하여 높은 전력을 가진 LED를 제작하기에는 어려움이 있다는 문제점을 가진다. 일반적으로 LED 칩의 손상은 접합 온도(Junction Temperature)가 120℃ 정도에 도달하면 발생하므로, 높은 전류를 인가하는 경우 LED 패키지가 정상적으로 작동할 수 있는 방법이 요구된다. 제시될 수 있는 방안으로는 구성 장치 사이의 열 저항을 감소시키는 것과 추가적인 냉각 장치를 설치하는 것이다.
본 발명은 위와 같은 종래의 LED 패키지의 열 발생 문제를 해결하기 위한 것으로서 아래와 같은 목적을 가진다.
본 발명의 목적은 고-전력 LED의 열 방출 효율을 개선할 수 있는 구조를 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 메탈 슬러그 및 PCB와 일체형으로 이루어진 LED 패키지를 제공하는 것이다.
제시된 본 발명의 목적을 이루기 위하여, 본 발명의 적절한 실시 형태에 따르면, LED 패키지의 열 방출 구조는 LED 칩, 접착 층을 이용하여 상기 LED 칩에 결합된 메탈 슬러그 및 상기 LED 칩을 둘러싼 몰딩을 포함하는 LED 패키지의 열 방출 구조에 있어서, 상기 메탈 슬러그는 상기 LED 칩을 둘러싼 열 발산 벽면체 및 상기 열 발산 벽면체의 외부에 형성된 슬러그 기판을 포함하고, 상기 열 발산 벽면체의 높이는 적어도 LED 칩의 높이와 동일하고 그리고 벽면은 일정한 두께를 이루고 있어 상기 LED 칩으로부터 발생한 열이 상기 열발산 벽면체 및 슬러그 기판으로 전도될 수 있도록 한다.
본 발명의 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 상기 몰딩은 열 발산 벽면체를 둘러싸고 있거나, 상기 몰딩은 열 발산 벽면체의 내부로 형성되거나 또는 상기 열 발산 벽면체는 알루미늄으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 상기 열 발산 벽면체는 위쪽이 개방된 박스 형태 또는 실린더 형태가 될 수 있다.
본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 상기 열 발산 벽면체는 슬러그 기판과 일체로 제작되거나, 상기 열 발산 벽면체의 내부 벽은 은 또는 은 합금 물질로 코팅이 되거나, 상기 열 발산 벽면체의 벽면은 상기 LED 칩을 중심으로 대칭이 될 수 있다.
본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 상기 열 발산 벽면체는 상기 LED 칩에 인접할 수 있다.
본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, LED 칩, 접착 층을 이용하여 상기 LED 칩에 결합된 메탈 슬러그 및 상기 LED 칩을 둘러싼 몰딩을 포함하는 LED 패키지에 있어서, 상기 메탈 슬러그는 상기 LED 칩을 둘러싼 열 발산 벽면체 및 상기 열 발산 벽면체의 외부에 형성된 슬러그 기판을 포함하고, 상기 열 발산 벽면체는 상기 LED 칩에 인접하여 설치되고 그리고 열 발산 벽면체의 높이는 적어도 LED 칩의 높이와 동일하고 그리고 벽면은 일정한 두께로 형성되고, 상기 몰딩은 열발산 벽면체를 둘러싸고 있거나 또는 열반산 벽면체 내부로 형성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 상기 열발산 벽면체의 높이 는 LED 칩의 높이와 적어도 동일할 수 있거나, 상기 열 발산 벽면체는 슬러그 기판과 일체로 제작되거나 또는 상기 열발산 벽면체의 내부벽은 은 또는 은 합금 물질로 코팅이 될 수 있다.
본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면,LED 칩, 접착 층을 이용하여 상기 LED 칩에 결합된 메탈 슬러그, 상기 LED 칩을 둘러싼 몰딩 및 상기 메탈 슬러그의 열을 방출하기 위한 열 전달 장치를 포함하는 LED 패키지의 열 방출 구조에 있어서, 상기 메탈 슬러그는 상기 LED 칩을 둘러싼 열 발산 벽면체를 포함하고 그리고 상기 열전달 장치는 상기 메탈 슬러그에 직접 결합되고, 상기에서 열 발산 벽면체는 LED 칩과 적어도 동일한 높이로 LED 칩에 인접하여 설치되어 LED 칩에서 발생한 열이 열 발산 벽면체 및 메탈 슬러그를 경유하여 열 전달 장치를 통하여 외부로 방출이 될 수 있다.
본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 상기 열 전달 장치는 히트 파이프가 되거나, 상기 열 전달 장치는 펠티어 소자가 될 수 있다.
본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 상기 열 전달 장치의 끝 부분에는 히트 싱크가 설치되거나 또는 상기 히트 싱크는 방열 핀 또는 방열 팬이 될 수 있다.
본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 상기 열 발산 벽면체의 내부 벽면은 은 또는 은 합금 물질로 코팅이 될 수 있다.
본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, LED 칩, 상기 LED 칩을 둘러싼 몰딩 및 상기 LED 칩에 결합된 메탈 슬러그를 포함하는 LED 패키지에 있어서, 상기 LED 칩과 적어도 동일한 높이로서 상기 LED 칩에 인접하여 상기 메탈 슬러그 위에 형성된 열 발산 벽면체; 및 상기 메탈 슬러그와 직접 연결된 열 전달 장치를 포함하고, 상기에서 열 발산 벽면체는 상기 몰딩 내부 또는 외부에 설치되고 그리고 상기 열 전달 장치는 히트 펌프 또는 펠터어 소자가 될 수 있다.
본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 상기 열전달 장치의 끝 부분에는 히트 싱크가 설치되거나, 또는 상기 열 발산 벽면체의 내부 벽면은 은 또는 은 합금 물질로 코팅이 될 수 있다.
본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, LED 칩, 상기 LED 칩과 와이어로 연결된 캐소드리드 및 상기 LED 칩과 와이어로 연결된 애노드 리드를 포함하는 LED 패키지의 열 방출 구조에 있어서, 상기 LED 패키지는 상기 LED 칩이 내장되는 방열 홈이 형성된 방열 기판을 포함하고, 상기에서 방열 홈의 깊이는 상기 LED 칩의 높이와 적어도 동일하고 상기 방열 기판은 메탈 슬러그와 PCB 기능을 가짐으로서 상기 LED 칩으로부터 발생한 열이 상기 방열 홈과 상기 방열 기판을 통하여 외부로 방출될 수 있다.
본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 상기 방열 기판은 아래쪽에 형성된 금속층 및 상기 금속층 위쪽에 형성된 절연층을 포함하거나, 상기 방열 홈의 내부 벽면은 은 또는 은 합금 물질로 코팅이 되거나, 상기 방열 기판은 알루미늄 또는 구리로 이루어지거나 또는 상기 방열 홈은 수평 단면이 원형 또는 사각형이 될 수 있다.
본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 적어도 하나의 LED 칩, 상기 LED 칩과 와이어로 연결된 캐소드리드 및 상기 LED 칩과 와이어로 연결된 애노드 리드를 포함하는 LED 패키지에 있어서, 상기 적어도 하나의 LED 칩, 상기 캐소드 리드 및 상기 애노드 리드가 배치되는 방열 기판 및 상기 방열 기판 위에서 형성되어 상기 적어도 하나의 LED 칩을 내장하는 방열 홈을 포함하고, 상기에서 방열 홈의 깊이는 상기 적어도 하나의 LED 칩의 높이와 적어도 동일하고, 상기 방열 기판 위에 설치되는 소자들은 칩 온 보드 방식으로 배치될 수 있다.
본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 상기 방열 기판은 아래쪽에 형성된 금속층 및 상기 금속층 위쪽에 형성된 절연층을 포함하거나, 상기 방열 홈의 내부는 은 또는 은 합금 물질로 코팅이 되거나 또는 방열 기판은 알루미늄 또는 구리로 만들어질 수 있다.
아래에서 본 발명은 제시된 실시 예로서 첨부된 도면을 이용하여 상세하게 설명되지만, 상기 실시 예는 예시적인 것으로서 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것은 아니다.
도면과 관련된 실시 예의 설명에서 렌즈와 몰딩은 동일한 명칭을 사용하거나 또는 동일한 도면 부호로서 표시한다.
도 4의 (가), (나) 및 (다)는 본 발명에 따른 LED 패키지(4)의 메탈 슬러그(43)의 실시 예를 각각 도시한 것이다.
도 4의 (가)에 도시된 것처럼 본 발명에 따른 LED 패키지(4)는 LED 칩(47) 및 메탈 슬러그(43)를 포함한다. 그리고 메탈 슬러그(43)는 열발산 벽면체(431) 및 슬러그 기판(432)를 포함한다. LED 칩(47)은 와이어(40)에 의하여 전력 공급원 등 외부 전기 장치와 전기적으로 접속된다. 또한 LED 칩(47)은 접착층(49)을 이용하여 메탈 슬러그(43)와 결합되고 렌즈 또는 몰딩(42)은 LED 칩(47)을 보호하고 또한 LED 칩(47)으로부터 방출된 빛을 집속시켜 외부로 방출시키는 기능을 한다. 본 발명에 따른 메탈 슬러그(43)는 도 4의 (가)에서 A로 표시된 부분에 도시된 것처럼 LED 칩(47)을 둘러싼 형태로 만들어진다. 높은 열 방출 효율을 위하여 메탈 슬러그(43)의 표면적은 최대한 넓어질 필요가 있다. 본 발명에 따른 메탈 슬러그(43)는 판 형태의 평면 위에 다시 LED 칩(47)을 벽으로 둘러싼 열 발산 벽면체(431)를 포함하여 메탈 슬러그(43)의 면적이 최대한 넓어질 수 있도록 한다. 이와 같은 본 발명에 따른 메탈 슬러그(43)의 첫 번째 특징은 열 방출이 이루어지는 표면적이 가장 넓어지는 형태가 되는 것을 특징으로 한다. LED 칩(47)을 둘러싼 열 발산 벽면체(431)은 위쪽이 개방되고 또한 벽면의 단면은 넓은 것이 유리하다 이는 벽의 두께가 넓을수록 열 방출을 위하여 필요한 표면적이 넓어지기 때문이다. 또한 LED 칩(47)을 둘러싸고 위쪽이 개방된 박스 형태를 이루는 열발산 벽면체(431)는 전체적인 형태가 사각형, 실린더 형 또는 임의의 기하학적 형태로 만들어 질 수 있다. 그러나 표면적이 가장 넓은 형태로 되는 것이 유리하다. 또한 LED 칩(47)과 열발산 벽면체(431) 사이에 빈 공간이 형성되는 경우 열전달 효율이 감소된다는 점을 감안할 때 LED 칩(47)에 가까이 인접하여 설치되는 것이 유리하다. 그러나 만약 LED 칩(47)에 너무 가깝게 설치되는 경우에는 벽이 표면적이 좁아지고 또한 열발산 벽면체(431)가 금속 소재가 될 수 있다는 점을 감안할 때 전기적인 문제, 예를 들어 누전 현상이 발생할 수 있다는 점이 고려되어야 한다. 본 발명에 따른 메탈 슬 러그(43)의 열 발산 벽면체(431)는 바람직하게는 속이 빈 직육면체의 박스 형태를 이루며 마주보는 벽면들은 LED 칩(47)을 중심으로 대칭을 이루는 것이 바람직하다. 또한 열 발산 벽면체(431)는 LED 칩(47)에 전기적으로 문제를 발생시키지 않는 최대 근접 위치에 설치되는 것이 바람직하다. 실지로 열 발산 벽면체(431)는 실린더 형태로 만들어지는 것이 표면적을 가장 넓힐 수 있다. 그러나 LED 칩(47)이 사각형 형태인 점을 고려할 때 박스 형태로 만들어지는 것이 바람직하다. 상기 열 발산 벽면체(431)는 임의의 금속 소재로 제작될 수 있지만 바람직하게는 열전도율이 우수한 알루미늄으로 제작될 수 있다. 한편 열 발산 벽면체(431)의 벽면의 높이는 제한 없이 만들어질 수 있다. 그러나 적어도 LED 칩(47)의 높이와 동일한 높이로 만들어지는 것이 유리하다. 실지로 열 발산 벽면체(41)의 높이가 높을수록 전체 열 발산 벽면체(41)의 표면적이 넓어진다. 또한 높이가 높을수록 효과적으로 열 방출이 이루어질 수 있다. 그러나 LED 패키지(47) 전체의 크기가 커진다는 문제점을 가진다. 도 4의 (나)는 열발산 벽면체(431)의 벽면의 높이가 LED 칩(47)의 높이보다 더 높게 형성된 실시 예를 도시한 것이다.
도 4의 (나)에 도시된 것처럼 열 발산 벽면체(431)의 높이가 LED 칩(47)의 높이보다 더 높은 경우에도 LED 칩(47)으로부터의 열전달 효율을 고려하여 높이가 결정되어야 한다. 열 발산 벽면체(431)의 벽면이 높아지는 경우 벽면의 위쪽 끝 부분은 실지로 가장 많을 열을 발생시키는 LED 칩(47)의 아래쪽 부분과 먼 거리에 위치하게 되어 열 발산 효과를 나타내지 못할 수 있기 때문이다. 도 4의 (가) 또는 (나)에 도시된 것처럼 렌즈 또는 몰딩(42)이 열 발산 벽면체(431)를 감싸는 경 우에는 몰딩(42)의 형상을 고려하여 열발산 벽면체(431)의 높이가 결정되어야 한다. 위에서 설명한 것처럼 열발산 벽면체(431)는 LED 칩(47)에 가장 근접한 위치에 설치되므로 몰딩(42)은 LED 칩(47)과 열발산 벽면체(431)를 모두 감싸는 형태로 형성되는 것이 유리하다. 이 경우에는 열발산 벽면체(431)의 높이는 낮을수록 LED 패키지(4)의 설계에 유리하다. 그러나 본 발명에 따른 메탈 슬러그(43)의 열 발산 벽면체(431)는 도 4의 (다)에 도시된 것처럼 몰딩(42)을 감싸는 형태로 설치될 수도 있다.
도 4의 (다)는 본 발명에 따른 메탈 슬러그(43)의 또 다른 형태를 도시한 것으로 몰딩(42)은 LED 칩(47)만을 감싸고 있으며 열 발산 벽면체(431)는 몰딩(42)을 감싸는 형태로 만들어진다. 도 4의 (다)에 도시된 열 발산 벽면체(431)의 벽면의 높이는 LED 칩(47)과 적어도 같은 높이가 되는 것이 바람직하다. 도 4의 (가)와 관련하여 설명한 것처럼 도 4의 (다)에 도시된 열 발산 벽면체(431)의 형태도 임의의 형태가 될 수 있지만 바람직하게 위쪽이 열린 박스 형태가 될 수 있다. 그러나 몰딩(42)의 형상을 고려하여 렌즈 또는 몰딩(42)의 외부 형태와 동일한 형태가 되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 열발산 벽면체(431)는 슬러그 기판(432)과 동일한 소재로 제작될 수 있으며, 또한 일체로 제작되는 것이 바람직하다. 예를 들어 알루니늄과 같은 열전도성이 뛰어난 금속 소재를 이용하여 열발산 벽면체(431) 및 슬러그 기판(432)을 일체로 제작하는 것이 열전달 효율 및 제조비용의 관점에서 유리하다.
본 발명에 따른 메탈 슬러그(43)의 열발산 벽면체(431)는 LED 칩(47)을 둘러 싼 형태로 설치된다. 그러므로 열발산 벽면체(431)의 내부 벽면은 LED 칩(47)으로부터 방출된 빛을 반사시킬 수 있는 것이 유리하다. 예를 들어, 은 또는 은 합금 물질인 실플렉스(Silflex)와 같은 물질로 열 발산 벽면체(431)의 내부 벽면을 코팅하여 반사율을 높이는 것이 유리하다.
도 4의 (가),(나) 및 (다)에서 동일한 도면 부호는 동일한 장치를 나타낸다.
도 5는 본 발명에 LED 패키지(4)에서 열 발산 경로를 도시한 것이다.
위에서 설명한 것처럼 본 발명에 따른 LED 패키지(4)의 메탈 슬러그(43)는 슬러그 기판(432) 및 열 발산 벽면체(431)를 포함하고, 열 발산 벽면체(431)는 몰딩(42) 내부 또는 몰딩(42) 외부에서 LED 칩(47)을 둘러싸고 있다. 도 5에 도시된 것은 몰딩(42)의 외부에서 LED 칩(47)을 둘러싸고 있다. 열 발산 벽면체(431)가 몰딩(42)의 외부에 형성되는 경우에는 LED 칩(47)을 둘러싸고 벽면은 상기 칩(47)의 높이보다 높게 형성될 수 있다. LED 칩(47)에서 방출된 빛은 몰딩(42)을 통하여 외부로 방출된다. 그러나 상기 방출된 빛의 일부는 열 발산 벽면체(431)의 내부 벽에 반사되어 LED 패키지(4)의 외부로 방출된다. 열 발산 벽면체(431)의 내부벽은 빛의 반사를 위하여 적절하게 은 또는 은 합금 물질인 실플렉스와 같은 소재로 박막 코팅이 될 수 있다.
다른 한편으로 LED 칩(47)에서 발생한 열의 대부분은 접착층(49)을 통하여 직접적으로 메탈 슬러그(43)로 전달된다. 그리고 일부 열은 몰딩(42) 또는 공기층을 통하여 열발산 벽면체(431)로 전달된다. 접착층(49)을 통하여 전달된 열은 메탈 슬러그(43) 전체로 전달된다. 메탈 슬러그(43)는 열 발산 벽면체(431)의 넓은 표면 적을 이용하여 접착층(49)을 통하여 전달된 열을 보다 효과적으로 메탈 슬러그(43) 전체에 분포시킬 수 있게 된다. 이후 메탈 슬러그(43)에 전달된 열은 LED 패키지(4) 외부로 배출된다. 이와 같이 본 발명에 따른 메탈 슬러그(43)의 열 발산 벽면체(431)는 LED 칩(47)으로부터 열을 흡수할 뿐만 아니라 메탈 슬러그(43)의 전체 표면적을 넓게 함으로서 LED 칩(47)으로부터 전달된 열을 효과적으로 외부로 방출할 수 있도록 한다. 뿐만 아니라 LED 칩(47)에서 큰 양의 열이 발생하는 경우에도 열발산 벽면체(431)의 넓은 표면적으로 인하여 메탈 슬러그(43)가 발생된 열을 효과적으로 흡수하여 외부로 방출할 수 있도록 한다.
위에서 설명한 것처럼 본 발명에 따른 LED 패키지는 열 발산 벽면체를 포함하는 메탈 슬러그를 특징으로 한다. 이와 같은 메탈 슬러그를 포함하는 LED 패키지는 추가적인 열 방출 장치를 포함할 수 있다. 공지의 LED 패키지는 금속 PCB 위에 접착제를 사용하여 결합된다. 이와 같은 공지의 LED 패키지의 결합 방식은 열저항이 큰 접착제로 인하여 LED 칩을 효율적으로 냉각시킬 수 없다는 문제점을 가지고 있었다. 본 발명에 따른 LED 패키지는 열 발산 벽면체를 이용하여 효율적으로 LED 칩으로부터 발생한 열을 LED 패키지의 외부로 열을 방출할 수 있지만, 다른 한편으로 메탈 슬러그로부터 전달된 열을 다시 외부로 방출시킬 수 있는 추가적인 장치가 요구된다. 또한 상기 추가적인 장치는 LED 패키지에 포함될 수 있다. 본 명세서에서는 LED 패키지의 열 방출을 위하여 추가되는 장치를 LED 패키지에 포함되는 장치로서 이해하고 또한 그러한 의미로 사용된다. 즉 LED 칩의 열 발산을 위하여 메탈 슬러그에 결합되는 추가적인 장치는 LED 패키지에 포함되는 장치가 된 다.
도 6은 본 발명에 따른 LED 패키지(6)에 추가적인 열 방출 장치를 부가한 형태에 대한 하나의 실시 예를 도시한 것이다.
도 6에 도시된 것처럼 메탈 슬러그(43)에는 열 방출을 위한 추가적인 장치가 결합된다. 종래의 LED 패키지의 경우 메탈 PCB에 메탈 슬러그(43)가 접착제를 이용하여 접착이 되므로 열 저항이 큰 접착제 층으로 인하여 방열 효율이 감소된다는 문제점을 가졌다. 일반적으로 접착제를 사용할 경우 열 저항이 15℃/W 이상이 되기 때문에 만약 LED에 1W가 인가되면 LED 칩의 온도는 15℃ 이상 추가적으로 상승하게 된다. 이로 인하여 높은 전압이 인가됨에 따라 발열량이 많아지고 방열 효율이 감소하게 된다. 그러므로 이러한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명에 따른 LED 패키지에서 메탈 슬러그(43)는 히트 파이프(61) 등과 같은 열 방출 장치에 직접적으로 연결된다. 이와 같이 메탈 슬러그(43)를 히트 파이프(61)에 직접 연결시키는 경우에는 접착제 층을 사용할 필요가 없게 된다. 즉 메탈 슬러그(43)는 메탈 PCB의 역할을 동시에 수행하게 된다. 이로 인하여 본 발명에 따른 LED 패키지(4)에서는 메탈 슬러그(43)가 PCB의 역할을 함으로서 열 저항이 감소되어 공지의 LED 패키지에 비하여 1W 당 15℃ 정도로 LED 칩(47)의 온도를 낮출 수 있게 된다. 히트 파이프(61)는 자연 대류 현상과 다공질 물질의 모세관 현상을 이용하여 소음이 없이 효과적으로 열을 교환할 수 있도록 만들어진 장치를 말한다. 또한 히트 파이프(61)는 액체와 기체 사이의 상태 변화를 이용한 냉각 수단으로서 이 분야에서 공지되어 있다. 히트 파이프(61)의 끝 부분에는 방열 핀 또는 팬(63)이 설치되어 히프 파이프(61)로부터의 열을 효율적으로 외부로 배출할 수 있도록 한다. 상기 방열 핀 또는 팬(63)은 히트 싱크 역할을 하는 것으로서 전도된 열을 효율적으로 외부로 배출할 수 있도록 넓은 표면적을 가지도록 만들어진 열 방출 수단을 말하며 이 분야에서 공지된 임의의 형태가 사용될 수 있다. 예를 들어, 알루미늄으로 만들어진 방열 판이 히트 싱크로서 사용될 수 있다.
추가적인 열 방출 장치를 포함하는 LED 패키지의 다른 실시 예가 도 7에 도시되어 있다.
도 7은 본 발명에 따른 팰티어 소자(76)를 포함하는 LCD 패키지(6)의 다른 실시 예를 도시한 것이다.
도 7을 참조하면, 메탈 슬러그(43)는 펠티어 소자(76)에 직접 연결되어 별도의 접착체 층이 없이 메탈 슬러그(43)가 금속 PCB의 기능을 한다. 메탈 슬러그(43)는 펠티어 소자(76)에 직접 연결되어 LED 칩(47)으로부터 발생한 열을 외부로 방출한다. 펠티어(Peltier) 소자(76)는 종류가 다른 두 금속 또는 반도체를 접속하여 폐회로를 구성한 후 전류를 통하게 하여 줄(Joule) 열 이외의 열이 접점에서 발생 또는 흡수되는 현상을 이용한 열 방출 소자를 말한다. 이와 같은 펠티어 소자(76)는 도 6에 도시된 실시 예에서 히프 파이프와 유사한 역할을 한다. 본 발명에 따른 LED 패키지(6)의 열 방출 과정을 살펴보면, LED 칩(47)에서 발생한 열은 메탈 슬러그(43)의 열 발산 벽면체 및 슬러그 기판으로 전도가 된다. 이와 같이 메탈 슬러그(43)로 전도된 열을 일부는 외부로 직접적으로 방출되고 일부는 펠티어 소자(76)를 이용하여 히트 싱크(77)로 전달된다. 히트 싱크(77)는 펠티어 소자 (76)로부터 전달된 열을 신속하게 외부로 방출시키기 위한 장치로서 알루미늄 등으로 제작된 팬 또는 핀의 형태로 만들어 질 수 있다. 이와 같이 펠티어 소자(76)는 열 펌프 작용을 하여 LED 칩(47)으로부터 발생한 열을 펠티어 소자(76)를 통하여 히트 싱크(77)로 신속하게 전달시키는 역할을 한다.
위와 같이 본 발명에 따른 LED 패키지는 히트 파이프 또는 펠티어 소자와 같은 열전달 수단 또는 냉각 수단을 이용하여 LED 칩으로부터 발생한 열을 효과적으로 외부로 방출될 수 있도록 한다. 아울러 본 발명에 따른 LED 패키지는 상기 히트 파이프 또는 펠티어 소자와 연결된 열 배출 수단으로 히트 싱크 또는 방열 핀을 포함하여 히트 파이프 또는 펠티어 소자로부터 전달된 열을 신속하게 외부로 배출될 수 있도록 한다. 도 6 및 도 7에서는 도시되어 있지 않지만 필요한 경우에는 냉각 팬 또는 쿨러와 같은 공지된 냉각 수단이 히트 싱크 또는 방열 핀 주위에 설치될 수 있다.
도 8은 본 발명에 따른 열 방출 수단을 구비한 LED 패키지의 또 다른 실시 예를 도시한 것이다. 도 8에서 (가)는 메탈 슬러그 및 PCB 기능을 함께 하는 방열 기판(80)을 포함하는 LED 패키지(4)를 도시한 것이며, (나)는 집속 효율 및 방열 기능을 동시에 구비한 추가적인 방열 홈(805)을 포함하는 LCD 패키지(6)를 도시한 것이다.
도 8의 (가)에 도시된 것처럼 본 발명에 다른 LED 패키지(6)는 LED 칩(47), 와이어(49)를 이용하여 LED 칩(47)의 캐소드 전극과 전기적으로 연결된 캐소드 리드(801), 와이어(49)를 이용하여 LED 칩(47)의 애노드 전극과 전기적으로 연결된 애노드 리드(803) 및 방열 기판(80)을 포함한다. 방열 기판(80)은 도 8의 (나)에 도시된 것처럼 열 전도성이 뛰어나고, 그리고 방열 기판(80)의 아래쪽 부분을 형성하는 금속 층(81) 및 위쪽 부분을 형성하는 절연 층(83)을 포함한다. 방열 기판(80) 위에는 LED 칩(47)이 칩 온 보드(Chip On Board) 방식으로 설치된다. 방열 기판(80)은 전체적으로 알루미늄 또는 구리와 같은 금속 소재로 제작되고 절연 층(83)은 금속 층(81) 위에 코팅 또는 얇은 박막 형태로 형성된다. 절연 층(83)은 LED 전극 사이의 누전을 방지하기 위한 것이므로 만약 누전을 방지할 수 있는 다른 방법, 예를 들어 와이어(49), 캐소드 리드(801) 또는 애노드 리드(803)의 절연 피복과 같은 방법이 구비되어 있는 경우에는 절연 층(83) 층이 형성되지 않을 수 있다. 방열 기판(80)은 메탈 슬러그 및 PCB의 두 가지 기능을 동시에 가진다. 위와 같은 구조를 가진 본 발명에 따른 칩 온 보드 방식의 LED 패키지(6)의 제작 과정을 살펴보면 방열 기판(80)이 먼저 제작되고 그리고 방열 기판(80) 위에 직접 LED 칩(47)이 결합(bonding)이 되는 방법으로 제작된다. 이와 같은 방법으로 제작되는 본 발명에 따른 칩 온 보드 방식의 LED 패키지(6)는 제작이 용이하고 그리고 렌즈의 형상을 자유롭게 형성할 수 있다는 장점을 가진다. 아울러 알루미늄 또는 구리 등으로 제작된 방열 기판(80)으로 인하여 방열 효율이 뛰어나고 또한 한 개의 방열 기판(80) 위에 다수 개의 LED 칩(47)을 원하는 형태로 설치할 수 있다는 이점을 가진다. 또한 도 8의 (나)에 도시된 것처럼 방열 홈(805)을 형성함으로서 광 집속 효율 및 방열 효율을 높일 수 있다. 방열 홈(805)은 도 8의 (나)에 도시된 것처럼 LED 칩(47)이 형성될 수 있도록 방열 기판(80) 위에 오목하게 형성된 홈을 말한다. 도 8의 (나)에는 원형의 방열 홈(805)이 도시되어 있지만 LED 렌즈의 형상에 따라 다양한 형태로 만들어 질 수 있다. 또한 추가적인 렌즈 또는 광 집속 장치 등이 사용되는 경우에도 상기 장치에 적합하도록 사각형 또는 원형 등 다양한 형태로 만들어 질 수 있다. 바람직하게는 방열 홈(805)의 안쪽에는 은 또는 은합금 물질 등으로 반사 코팅이 되어 광 집속 효율을 높일 수 있다. 방열 홈(805)의 깊이는 적어도 LED 칩(47)의 높이보다 큰 것이 바람직하지만 반드시 필요한 것은 아니다. 즉 방열 홈(805)의 깊이는 임의의 크기가 될 수 있다.
위에서 설명한 것처럼 본 발명에 따른 LED 패키지(6)의 방열 홈(805)은 두 가지 기능을 가진다. 먼저 LED 칩(47)이 방열 기판(80) 내부로 함입됨으로서 광 집속 효율을 높일 수 있다. 그리고 다음으로 방열 홈(805)은 측면 벽면이 형성되어 표면적이 커지고 또한 열전도율이 좋은 방열 기판(80)에 형성됨으로 열 방출 효율을 높일 수 있도록 한다. 이와 같은 방열 기판(80) 및 방열 홈(805)을 이용하여 고-전력 LED 패키지에서 발생하는 많은 열이 용이하게 외부로 방출될 수 있도록 함으로서 LED 패키지의 기능이 유지될 수 있도록 한다.
도 9는 도 8의 방열 구조를 응용한 LED 패키지(6)의 다른 실시 예를 도시한 것이다.
도 9에 도시된 LED 패키지(6)는 4개의 LED 칩(47)이 방열 기판(80) 위에 결합된(bonding) 형태를 도시한 것이다. 도시된 것처럼, 4개의 방열 칩(47)은 방열 홈(805) 내에 배열되고 방열 기판(80) 위에는 LED 칩(47)에 해당하는 수의 캐소드 리드(801) 및 애노드 리드(803)가 설치된다. 필요에 따라 LED 칩(47)의 수는 다양 하게 될 수 있고 이에 따라 방열 홈(805)의 형태도 그에 적합하게 형성될 수 있다. 또한 이미 설명한 것처럼 방열 기판(80)은 절연 층 및 금속 층을 포함할 수 있고 또한 전체적으로 알루미늄 또는 구리 등을 이용하여 제작될 수 있어 메탈 슬러그 및 PCB 두 가지 기능을 함께 가짐으로 방열 효율을 높일 수 있도록 만들어 질 수 있다. 또한 방열 홈(805)은 내부 벽면이 반사 코팅이 되어 내장된 LED 칩(47)의 광 출력 또는 광 집속 효율을 높일 뿐만 아니라 열 방출 효율을 높일 수 있다. 이와 같이 본 발명에 따른 칩 온 보드 방식의 LED 패키지는 높은 열 방출 효율 및 광 집속 효율을 가질 수 있다.
위에서 본 발명은 실시 예로서 상세하게 설명이 되었지만, 이 분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상의 범위를 벗어나지 않고 상기 실시 예에 대한 다양한 변형 및 수정 발명을 만들 수 있을 것이다. 이러한 변형 및 수정 발명에 의하여 본 발명의 범위는 제한되지 않으며, 다만 아래에 첨부된 특허 청구 범위에 의하여서만 제한된다.
본 발명에 따른 반도체 LED의 열 방출 구조는 메탈 슬러그 위에 열발산 벽면체 또는 방열 홈을 형성함으로서 고전력 LED 칩에서 발생한 열을 효율적으로 외부로 방출될 수 있도록 한다. 또한 본 발명에 따른 반도체 LED의 열 방출 구조는 메탈 슬러그가 PCB의 기능을 함께 가짐으로서 접착층을 설치할 필요성을 방지하고, 아울러 추가적인 방열 수단을 구비함으로서 보다 간단한 구조로서 보다 용이하게 LED 칩에서 발생한 열이 외부로 용이하게 방출될 수 있도록 한다. 특히 본 발명에 따른 칩 온 보드 방식의 LED 패키지는 금속 소재로 제작된 방열 기판을 이용함으로서 열 방출 효율을 높이고 제작이 용이하도록 함과 아울러 방열 홈을 이용하여 광 집속 효율을 높일 수 있다는 장점을 가진다.

Claims (20)

  1. LED 칩, 접착 층을 이용하여 상기 LED 칩에 결합된 메탈 슬러그 및 상기 LED 칩을 둘러싼 몰딩을 포함하는 LED 패키지의 열 방출 구조에 있어서,
    상기 메탈 슬러그는 상기 LED 칩을 둘러싼 열 발산 벽면체 및 상기 열 발산 벽면체의 외부에 형성된 슬러그 기판을 포함하고, 벽면은 상기 LED 칩으로부터 발생한 열이 상기 열발산 벽면체 및 슬러그 기판으로 전도될 수 있도록 하며,
    상기 메탈 슬러그는 열전달 장치에 직접 결합되며, 상기 열 발산 벽면체는 LED 칩에 인접하여 설치되어 LED 칩에서 발생한 열이 상기 열 발산 벽면체 및 상기 메탈 슬러그를 경유하여 상기 열 전달 장치를 통하여 외부로 방출되는 것을 특징으로 하는 LED 패키지의 열 방출 구조.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 몰딩은 열 발산 벽면체를 둘러싸고 있는 것을 특징으로 하는 열 방출 구조.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 몰딩은 열 발산 벽면체의 내부로 형성된 것을 특징으로 하는 열 방출 구조.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 열 발산 벽면체는 알루미늄으로 이루어진 것을 특징으로 하는 열 방출 구조.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 열 발산 벽면체는 위쪽이 개방된 박스 형태 또는 실린더 형태가 되는 것을 특징으로 하는 열 방출 구조.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 열 발산 벽면체는 슬러그 기판과 일체로 제작된 것을 특징으로 하는 열 방출 구조.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 열 발산 벽면체의 내부 벽은 은 또는 은 합금 물질로 코팅이 된 것을 특징으로 하는 열 방출 구조.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 열 발산 벽면체의 벽면은 상기 LED 칩을 중심으로 대칭이 되는 것을 특징으로 하는 열 방출 구조.
  9. 청구항 1에 있어서, 상기 열 발산 벽면체는 상기 LED 칩에 인접하여 형성된 것을 특징으로 하는 열 방출 구조.
  10. 삭제
  11. 청구항 1 에 있어서, 상기 열 전달 장치는 히트 파이프가 되는 것을 특징으로 하는 열 방출 구조.
  12. 청구항 1 에 있어서, 상기 열 전달 장치는 펠티어 소자가 되는 것을 특징으로 하는 열 방출 구조.
  13. 청구항 1 에 있어서, 상기 열 전달 장치의 끝 부분에는 히트 싱크가 설치되는 것을 특징으로 하는 열 방출 구조.
  14. 청구항 13에 있어서, 상기 히트 싱크는 방열 핀 또는 방열 팬이 되는 것을 특징으로 하는 열 방출 구조.
  15. 청구항 1 에 있어서, 상기 열 발산 벽면체의 내부 벽면은 은 또는 은 합금 물질로 코팅이 되는 것을 특징으로 하는 열 방출 구조.
  16. LED 칩, 상기 LED 칩과 와이어로 연결된 캐소드리드 및 상기 LED 칩과 와이어로 연결된 애노드 리드를 포함하는 LED 패키지의 열 방출 구조에 있어서,
    상기 LED 패키지는 상기 LED 칩이 내장되는 방열 홈이 형성된 방열 기판을 포함하고, 상기 방열 기판은 메탈 슬러그와 PCB 기능을 가짐으로서 상기 LED 칩으로부터 발생한 열이 상기 방열 홈과 상기 방열 기판을 통하여 외부로 방출되는 것을 특징으로 하는 LED 패키지의 열 방출 구조.
  17. 청구항 16 에 있어서, 상기 방열 기판은 아래쪽에 형성된 금속층 및 상기 금속층 위쪽에 형성된 절연층을 포함하는 열 방출 구조.
  18. 청구항 16 에 있어서, 상기 방열 홈의 내부 벽면은 은 또는 은 합금 물질로 코팅이 되는 것을 특징으로 하는 열 방출 구조.
  19. 청구항 16 에 있어서, 상기 방열 기판은 알루미늄 또는 구리로 이루어지는 것을 특징으로 하는 열 방출 구조.
  20. 청구항 16 에 있어서, 상기 방열 홈은 수평 단면이 원형 또는 사각형이 되는 것을 특징으로 하는 열 방출 구조.
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