KR100646681B1 - 발광 다이오드 모듈 및 그 제조방법 - Google Patents

발광 다이오드 모듈 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 발광 다이오드에 관한 것으로서, 특히 기판부에 천공된 삽입홀에 방열핀을 리벳팅에 의해 결합하고 그 상부가 개방되도록 반사면이 구비된 반사부를 적층함으로써, 간단한 구조로 인해 제조가 용이하면서도 열방출 성능이 우수한 발광 다이오드 모듈 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명은 표면에 발광 다이오드 칩이 실장되고, 인쇄된 회로와 발광 다이오드 칩이 서로 와이어나 플립칩 본딩에 의해 연결되며, 수직으로 천공된 삽입홀에 금속 방열핀이 결합되는 기판부와; 상기 기판부의 상부에 적층되는 것으로서, 수직으로 천공된 반사공이 발광 다이오드 칩과 방열핀의 상부를 개방하고, 반사공의 내주면을 따라 반사면이 형성되는 반사부; 로 구성된다.
발광 다이오드, 모듈, 기판부, 반사부, 방열핀, 알루미나(Al₂O₃)

Description

발광 다이오드 모듈 및 그 제조방법{MODULE OF LED AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
도 1은 본 발명에 따른 발광 다이오드 모듈을 나타내는 단면도,
도 2는 본 발명에 따른 발광 다이오드 모듈의 기판부를 나타내는 단면도,
도 3은 본 발명에 따른 발광 다이오드 모듈의 기판부의 하부면을 나타내는 도면,
도 4는 본 발명에 따른 발광 다이오드 모듈의 반사부를 나타내는 단면도,
도 5는 본 발명에 따른 발광 다이오드 모듈에서 방열핀의 결합을 나타내는 공정도,
도 6은 본 발명에 따른 발광 다이오드 모듈에서 방열핀의 결합의 일실시예를 나타내는 공정도,
도 7은 종래의 발광 다이오드 모듈을 나타내는 단면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10: 기판부 11: 발광 다이오드 칩
12: 본딩 와이어 13: 삽입홀
14: 방열핀 15: 전극
20: 반사부 21: 반사공
22: 반사면 P: 프레스
J: 지그
본 발명은 발광 다이오드에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 구조가 간단하고 제조가 용이하며 열방출 성능이 향상된 발광 다이오드 모듈 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 발광 다이오드(Light Emitting Diode)는 반도체의 P-N 접합구조를 이용하여 주입된 소수캐리어(전자 또는 정공)를 만들어내고, 이들의 재결합에 의하여 발광시키는 것을 말한다.
이것은 종래의 광원에 비해 소형이고 수명이 길며 전기에너지가 빛에너지로 직접 변환하기 때문에 전력이 적게 들고 효율이 높아서 자동차 계기류의 표시소자, 광통신용 광원 등 각종 전자기기의 표시용 램프, 숫자 표시장치나 카드 판독기 등에 사용되고 있다.
이러한 발광 다이오드는 주로 조명장치 등에 장착되기 용이한 모듈형태로 제조되는데, 종래의 발광 다이오드 모듈(1)은 도 7에 도시된 바와 같이, 리드프레임(2)을 구비한 하부세라믹 기판(3)과 반사공이 형성된 상부 세라믹 기판(4)을 포함한다.
그리고, 하부세라믹 기판(3) 상에는 각 리드 프레임(2)에 연결되도록 발광 다이오드(5)가 실장되며, 상부 세라믹 기판(4)의 반사공 측벽에는 원통형 반사판(6)이 구비되고 투명수지(7)로 충진되어 캡슐화된다.
도면에서 미설명부호는 본딩 와이어(8)이다.
상기 발광 다이오드 모듈(1)은 다소 구조가 간단하여 제조공정이 용이하며 불량발생의 위험이 적다는 장점이 있으나, 리드 프레임(2)과 단자에 의한 직접 열방산에 의존할 뿐이어서 전체적인 방열량이 떨어진다는 문제점이 있다.
또한, 하부 세라믹 기판(3)에 복수개의 도전성 홀을 형성함으로써 발광 다이오드(5)의 열방출을 도모할 수 있지만, 칩을 안정적으로 지지하면서도 리드 프레임(2)과 원하지 않는 접속을 방지하기 위해서는 도전성 홀의 크기와 수를 제한할 수밖에 없기 때문에 열방출 효율이 현저히 떨어져서 고전력 발광 다이오드의 발열량을 감당하기 어렵다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 구조가 간단하여 제조공정이 용이하면서도 직접 열방산에 더하여 간접 열방산 특성을 개선하여 전체적인 열방출 효율이 높아서 저전력은 물론 고전력 발광 다이오드의 발열도 원활하게 방출할 수 있는 발광 다이오드 모듈 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 발광 다이오드 모듈은 표면에 발광 다이오드 칩이 실장되고, 인쇄된 회로와 발광 다이오드 칩이 서로 와이어나 플 립칩 본딩에 의해 연결되며, 수직으로 천공된 삽입홀에 금속 방열핀이 결합되는 기판부와;
상기 기판부의 상부에 적층되는 것으로서, 수직으로 천공된 반사공이 발광 다이오드 칩과 방열핀의 상부를 개방하고, 반사공의 내주면을 따라 반사면이 형성되는 반사부;
로 구성되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 기판부의 상부면이나 하부면에는 방열핀과 연결되는 전극이 인쇄되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 방열핀은 기판부의 삽입홀에 리벳팅에 의해 결합되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 기판부와 반사부는 알루미나(Al2O3) 세라믹으로 이루어지며 서로 알루미나(Al2O3)나 수산화 알루미늄(Al(OH)3) 세라믹 본드에 의해 접착되는 것을 특징으로 한다.
대안적으로, 상기 기판부와 반사부는 수지나 글라스에 의해 접착되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 발광 다이오드 모듈 제조방법은 알루미나(Al2O3)에 용매와 바인더를 혼합하여 슬러리를 생성하는 단계와;
상기 슬러리를 테이프 캐스팅한 후 건조시켜 시트형태의 기판부와 반사부를 형성하는 단계와;
상기 시트형태의 기판부와 반사부에 각각 수직으로 삽입홀과 반사공을 천공하는 단계와;
상기 천공된 기판부와 반사부를 1500~1650℃에서 소결하는 단계와;
상기 소결된 기판부의 삽입홀에 금속 방열핀을 결합하는 단계와;
상기 방열핀이 결합된 기판부 상에 반사공이 발광 다이오드 칩과 방열핀의 상부를 개방하도록 반사부를 적층하는 단계: 및
상기 기판부의 표면에 발광 다이오드 칩을 실장하고, 인쇄된 회로와 발광 다이오드 칩을 서로 와이어나 플립칩 본딩에 의해 연결하는 단계;
로 구성되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 기판부와 반사부를 소결한 후 기판부의 상부면이나 하부면에 방열핀과 연결되는 전극을 인쇄하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 기판부에 방열핀을 결합한 후 커팅될 부분을 미리 하프커팅하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 기판부에 방열핀을 결합하는 단계는 리벳팅에 의해 이루어지는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 기판부와 반사부는 알루미나(Al2O3) 세라믹으로 이루어지며, 기판부 상에 반사부를 적층하는 단계는 알루미나(Al2O3)나 수산화 알루미늄(Al(OH)3) 세라믹 본드에 의해 접착되는 것을 특징으로 한다.
대안적으로, 상기 기판부 상에 반사부를 적층하는 단계는 수지나 글라스에 의해 접착되는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 따른 발광 다이오드 모듈을 나타내는 단면도이고, 도 2는 본 발명에 따른 발광 다이오드 모듈의 기판부를 나타내는 단면도이며, 도 3은 본 발명에 따른 발광 다이오드 모듈의 기판부의 하부면을 나타내는 도면이고, 도 4는 본 발명에 따른 발광 다이오드 모듈의 반사부를 나타내는 단면도이다.
도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 발광 다이오드 모듈을 살펴보면, 기본적으로 기판부(10)와 반사부(20)로 이루어진다.
기판부(10)는 표면에 발광 다이오드 칩(11)이 실장되고, 이 발광 다이오드 칩(11)과 표면에 인쇄된 회로(미도시)가 서로 와이어(12)나 플립칩(Flip Chip) 본딩에 의해 전기적으로 연결된다.
그리고, 이 기판부(10)에는 수직으로 삽입홀(13)이 천공되는데, 이 삽입홀(13)에는 방열효과를 향상시키기 위해 금속재질의 방열핀(14)이 결합된다.
이 때, 방열핀(14)은 작업이 간편하면서도 견고한 고정을 위해 기판부(10)의 삽입홀(13)에 리벳팅(Rivetting)에 의해 결합되는 것이 바람직하다.
이에 더하여, 기판부(10)의 상부면이나 하부면에는 방열핀(14)과 연결되는 전극(15)이 인쇄될 수 있다.
여기서, 전극(15)은 도 2(a)에서 보는 바와 같이 기판부(10)의 하부에만 형성하거나 도 2(b), 2(c)에서 보는 바와 같이 기판부(10)의 상부와 하부 모두에 형 성할 수 있다.
그리고, 도 2(a)에서 보는 바와 같이 방열핀(14)의 일측단을 전극(15)의 외부로 노출되도록 하거나 도 2(b), 2(c)에서 보는 바와 같이 전극(15)이 방열핀(14)의 일측단을 폐쇄하도록 할 수 있으며, 기타 도 2(d), 3(c)에서 보는 바와 같이 전극(15)을 전혀 형성하지 않을 수 있다.
한편, 도 3(a)에서 보는 바와 같이 전극(15)을 기판부(10)의 상부 또는 하부 전면에 걸쳐 형성하거나 도 3(b)에서 보는 바와 같이 기판부(10)의 상부 또는 하부의 절반면에만 형성하는 등 필요에 따라 전극(15)의 다양한 변경이 가능하다.
반사부(20)는 상기 기판부(10)의 상부에 적층되고, 이 반사부(20)에는 수직으로 반사공(21)이 천공되며 이 반사공(21)은 기판부(10)의 발광 다이오드 칩(11)과 방열핀(14)의 상부를 개방하는 상태로 접착된다.
그리고, 이 반사공(21)의 내주면을 따라 발광 다이오드(11)의 빛을 전방으로 유도하는 반사면(22)이 형성된다.
상기 기판부(10)와 반사부(20)는 알루미나(Al2O3) 세라믹으로 이루어질 수 있고, 이 경우 서로 알루미나(Al2O3)나 수산화 알루미늄(Al(OH)3) 세라믹 본드에 의해 접착된다.
본 발명의 다른 실시예로서, 기판부(10)와 반사부(20)는 기타 수지나 글라스(Glass)에 의해 접착될 수 있다.
기판부(10)와 반사부(20)는 수지 등에 의한 접착 후 재료에 따른 적절한 조 건의 열처리에 의해 완전히 결합된다.
이하, 상기 본 발명의 발광 다이오드 모듈 제조방법을 구체적으로 살펴보면, 먼저 알루미나(Al2O3)에 용매(Solvent)와 바인더(Binder)를 혼합하여 슬러리(Slurry)를 생성하는 단계를 거친다.
이 때, 용매(Solvent)로는 일례로 톨루엔(Toluene)이 사용될 수 있고, 바인더(Binder)로는 폴리비닐부티랄(Poly Vinyl Butyral)이 사용될 수 있다.
그리고, 슬러리(Slurry)를 테이프 캐스팅(Tape Casting)한 후 건조시켜 시트(테이프)형태의 기판부(10)와 반사부(20)를 형성하는 단계를 거친다.
여기서, 테이프 캐스팅(Tape Casting)은 세라믹스 미분말을 물과 같은 액상 용매(溶媒,Solvent)와 혼합하여 생성된 슬러리(Slurry)를 테이프 캐스터(Tape Caster)를 이용하여 바탕 테이프(스테인레스 스틸 테이프, 기름종이 테이프, 마일라(Mylar)나 아클라(Aclar) 같은 고분자 테이프) 위에 얇게 펼친 다음에 용매는 날려 버리고 바탕 테이프에서 떼어냄으로써 테이프형 성형체를 얻는다.
다음으로, 상기 시트(테이프)형태의 기판부(10)와 반사부(20)에 각각 수직으로 삽입홀(13)과 반사공(21)을 천공하는 단계를 거친다.
상기 반사공(21)은 도 4(a)에서 보는 바과 같이 원통형으로 형성할 수 있고, 빛의 반사효율을 높이기 위해 도 4(b)에서 보는 바와 같이 상부로 갈수록 직경이 커지도록 원추형으로 형성할 수 있다.
그리고, 천공된 기판부(10)와 반사부(20)를 원하는 강도를 갖도록 1500~1650 ℃에서 소결하는 단계를 거친다.
다음에, 천공된 기판부(10)의 삽입홀(13)에 금속 방열핀(14)을 결합하는 단계를 거치는데, 이 때 작업이 간편하면서도 견고한 고정을 위해 리벳팅(Rivetting)에 의해 이루어지도록 하는 것이 바람직하다.
구체적으로, 도 5는 본 발명에 따른 발광 다이오드 모듈에서 방열핀의 결합을 나타내는 공정도이고, 도 6은 본 발명에 따른 발광 다이오드 모듈에서 방열핀의 결합의 일실시예를 나타내는 공정도이다.
도 5에서 보는 바와 같이 방열핀(14)으로 스트레이트 핀(Straight Pin)을 사용하는 경우에는 방열핀(14)을 기판부(10)의 삽입홀(13)에 삽입한 후 일측을 지그(J) 상에 위치한 다음 프레스(P)를 이용하여 압착, 고정하며, 방열핀(14)의 반대측도 동일한 방식으로 위치를 바꾸어 압착, 고정한다.
본 발명의 다른 실시예로서, 도 6에서 보는 바와 같이 방열핀(14)으로 네일 헤드 핀(Nail Head Pin)을 사용하는 경우에는 방열핀(14)을 헤드부가 기판부(10)의 표면에 접촉할 때까지 삽입한 후 지그(J) 상에 위치한 다음 프레스(P)를 이용하여 헤드부의 반대측을 압착, 고정한다.
그리고, 기판부(10)에 방열핀(14)을 리벳팅에 의해 고정한 후 기판부(10)의 상부면이나 하부면(20)에 방열핀(14)과 연결되는 전극(15)을 상술한 바와 같이 다양한 형태로 인쇄할 수 있다.
바람직하게는, 상기 기판부(10)와 반사부(20)를 리벳팅에 의해 고정한 다음에는 커팅될 부분을 미리 하프커팅(Half Cutting)하는 단계를 거칠 수 있다.
따라서, 많은 수의 발광 다이오드 모듈을 시트(테이프) 상에 간격을 두고 제작한 다음에 개개의 발광 다이오드 모듈을 절단해냄으로써, 작업공정이 간소화됨은 물론 제조시간, 비용도 현저히 절감된다.
그리고, 상기 방열핀(14)이 결합된 기판부(10) 상에 반사공(21)이 발광 다이오드 칩(11)과 방열핀(14)의 상부를 개방하도록 반사부(20)를 적층하는 단계를 거친다.
바람직하게는, 상기 기판부(10)와 반사부(20)는 알루미나(Al2O3) 세라믹으로 이루어지며, 기판부(10) 상에 반사부(20)를 적층하는 단계는 알루미나(Al2O3)나 수산화 알루미늄(Al(OH)3) 세라믹 본드에 의해 접착되고, 상기 기판부(10) 상에 반사부(20)를 적층하는 단계는 수지나 글라스에 의해 접착된다.
이 때, 수지 등의 접착제에 의해 접착한 다음 재료에 따른 적절한 조건의 열처리에 의해 완전히 결합된다.
여기서, 기판부(10)와 반사부(20)의 결합강도를 증가시키기 위해서는 다소 높은 온도에서 열처리(경화)하는 것이 바람직하다.
마지막으로, 상기 기판부(10)의 표면에 발광 다이오드 칩(11)을 실장하고, 인쇄된 회로와 발광 다이오드 칩(11)을 서로 와이어(12)나 플립칩(Flip Chip) 본딩에 의해 연결하는 단계를 거침으로써, 어레이(Array) 타입의 모듈이 완성된다.
따라서, 기판부(10)의 재질로 일반적인 PCB나 플라스틱 등의 절연수지재료를 사용할 수 있으며, 특히 우수한 방열특성을 위해서 알루미나(Al2O3) 등의 세라믹으 로 조성하고 여기에 금속 방열핀(14)을 결합함으로써, 내열성이 우수해질 뿐만 아니라 프레임이나 단자(15)에 의한 직접 열방산에 부가하여 간접 열방산 특성도 탁월해진다.
또한, 반사부(20)의 재질로 PCB나 플라스틱 등의 절연수지재료를 사용할 수 있다.
이와 같이 구성된 본 발명의 발광 다이오드 모듈 및 그 제조방법은 간단한 구조로 인해 제조가 용이하면서도 내열성이 우수하고 직접 열방산에 부가하여 간접 열방산 특성도 탁월하여 전체적인 열방출 효율이 높기 때문에 저전력은 물론 고전력 발광 다이오드의 발열도 원활하게 방출할 수 있는 유용한 효과를 발휘한다.
본 발명은 기재된 구체예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 사상과 범위내에서 다양하게 변경 또는 변형하여 실시할 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자에게는 자명한 것이며, 따라서 그러한 변경 또는 변형은 첨부된 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.

Claims (11)

  1. 표면에 발광 다이오드 칩이 실장되고, 인쇄된 회로와 발광 다이오드 칩이 서로 와이어나 플립칩 본딩에 의해 연결되며, 수직으로 천공된 삽입홀에 금속 방열핀이 결합되는 기판부와;
    상기 기판부의 상부에 적층되는 것으로서, 수직으로 천공된 반사공이 발광 다이오드 칩과 방열핀의 상부를 개방하고, 반사공의 내주면을 따라 반사면이 형성되는 반사부;로 구성되며,
    상기 방열핀은 기판부의 삽입홀에 리벳팅에 의해 결합되는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 모듈.
  2. 표면에 발광 다이오드 칩이 실장되고, 인쇄된 회로와 발광 다이오드 칩이 서로 와이어나 플립칩 본딩에 의해 연결되며, 수직으로 천공된 삽입홀에 금속 방열핀이 결합되는 기판부와;
    상기 기판부의 상부에 적층되는 것으로서, 수직으로 천공된 반사공이 발광 다이오드 칩과 방열핀의 상부를 개방하고, 반사공의 내주면을 따라 반사면이 형성되는 반사부;로 구성되며,
    상기 기판부와 반사부는 알루미나(Al2O3) 세라믹으로 이루어지며 서로 알루미나(Al2O3)나 수산화 알루미늄(Al(OH)3) 세라믹 본드에 의해 접착되는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 모듈.
  3. 삭제
  4. 제 1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 기판부의 상부면이나 하부면에는 방열핀과 연결되는 전극이 인쇄되는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 모듈.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 기판부와 반사부는 수지나 글라스에 의해 접착되는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 모듈.
  6. 알루미나(Al2O3)에 용매와 바인더를 혼합하여 슬러리를 생성하는 단계와;
    상기 슬러리를 테이프 캐스팅한 후 건조시켜 시트형태의 기판부와 반사부를 형성하는 단계와;
    상기 시트형태의 기판부와 반사부에 각각 수직으로 삽입홀과 반사공을 천공하는 단계와;
    상기 천공된 기판부와 반사부를 1500~1650℃에서 소결하는 단계와;
    상기 천공된 기판부의 삽입홀에 금속 방열핀을 결합하는 단계와;
    상기 방열핀이 결합된 기판부 상에 반사공이 발광 다이오드 칩과 방열핀의 상부를 개방하도록 반사부를 적층하는 단계: 및
    상기 기판부의 표면에 발광 다이오드 칩을 실장하고, 인쇄된 회로와 발광 다이오드 칩을 서로 와이어나 플립칩 본딩에 의해 연결하는 단계;
    로 구성되는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 모듈 제조방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 기판부와 반사부를 소결한 후 기판부의 상부면이나 하부면에 방열핀과 연결되는 전극을 인쇄하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 모듈 제조방법.
  8. 제 6항 또는 제 7항에 있어서,
    상기 기판부에 방열핀을 결합한 후 커팅될 부분을 미리 하프커팅하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 모듈 제조방법.
  9. 제 6항 또는 제 7항에 있어서,
    상기 기판부에 방열핀을 결합하는 단계는 리벳팅에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 모듈 제조방법.
  10. 제 6항 또는 제 7항에 있어서,
    상기 기판부와 반사부는 알루미나(Al2O3) 세라믹으로 이루어지며, 기판부 상에 반사부를 적층하는 단계는 알루미나(Al2O3)나 수산화 알루미늄(Al(OH)3) 세라믹 본드에 의해 접착되는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 모듈 제조방법.
  11. 제 6항 또는 제 7항에 있어서,
    상기 기판부 상에 반사부를 적층하는 단계는 수지나 글라스에 의해 접착되는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 모듈 제조방법.
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