KR100813418B1 - 고 신뢰성 led 램프 및 led 조립체 - Google Patents

고 신뢰성 led 램프 및 led 조립체 Download PDF

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Abstract

본 발명은 방열성을 개선한 LED 램프 및 LED 램프 조립체에 관한 것으로서, 기판, 상기 기판의 양측면에 각각 형성되는 P형 전극 및 N형 전극을 포함하는 LED 칩; 상부면에 상기 LED 칩의 P형 전극이 본딩되는 리세스를 갖는 컵형 양극 리드; 상기 N형 전극과 와이어 본딩되며, 상기 컵형 양극 리드와 이격되어 위치하는 음극 리드; 및 상기 LED 칩, 컵형 양극 리드 및 음극 리드를 밀봉하는 외장재를 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 램프를 제공한다.
본 발명에 의하면, 칩이 놓인 리드를 양극으로 사용하여 공통(Common)단으로 처리하면 넓은 패턴을 방열처리에 이용할 수 있으며, 또한 여러 개의 LED가 각각의 점멸을 처리하는 과정에서 특정 LED의 점멸 빈도가 높아 열이 집중되는 상황에서도 공통으로 처리된 패턴을 통해 열을 분산하여 각각의 램프가 일정한 열화 특성을 가지게 되므로 특정 가혹 조건의 LED의 열화에 의한 표시소자 전체의 비균일화 현상을 피할 수 있다.
LED, 방열, 양극 리드, 기판.

Description

고 신뢰성 LED 램프 및 LED 조립체{LED Lamp with high reliability and the LED lamp assembly therewith}
도 1은 종래의 일반적인 LED 램프의 구조를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2a는 도 1에 도시된 LED 램프가 장착된 인쇄 회로 기판을 도시한 측면도이다.
도 2b는 도 2에 도시된 인쇄 회로 기판의 평면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 LED 램프의 일 실시예를 개략적으로 도시한 도 1 상당도이다.
도 4a는 본 발명에 따른 LED 램프 조립체의 일 실시예를 개략적으로 도시한 도 2a 상당도이다.
도 4b는 도 4a에 도시된 인쇄 회로 기판의 평면도이다.
본 발명은 방열성을 개선한 고 신뢰성 LED 램프 및 LED 램프 조립체에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 발광소자로 널리 사용되는 LED 램프가 보다 우수한 방열성을 갖도록 한 LED 램프 조립체에 관한 것이다.
일반적으로 발광 다이오드, 즉 LED는 pn접합 구조를 가지며 다이오드에 순방향 전류를 인가하면 칩의 n영역에 있는 전자가 전계에 의해 가속되어 p영역으로 이동하게 되고 p영역에서는 액셉터 준위 또는 가전자대 상태의 정공과 재결합하여 칩 재료에 따라 그 전위차에 상당하는 에너지를 가진 빛이 방사되는데 이러한 현상을 주입형 전계발광이라 하며 이러한 소자를 LED(Light Emitting Diode)라고 한다. 이러한 대표적인 LED의 칩 재료로서는 GaAs, GaAsP, GaP, GaAlAs, SiC, GaN 등이 있으며 이들 재료에 따른 결정 구조로부터 여러 가지의 발광 특성을 나타낸다
도 1은 종래 기술에 따른 LED를 사용한 LED 램프의 단면을 도시한 도면이다. 종래의 일반적인 LED는 LED 칩(1)에 양극 리드(2)와 컵 형태를 갖는 음극 리드(3)가 접속되어 있고 그 주위를 무색 또는 컬러 투광성 수지로 몰딩하여 봉입하는 외장재(4)로 구성된 패키지 형태를 취하고 있다. LED칩(1)의 p형 전극과 양극 리드(2)는 세금선(5)으로 접속되어 있고, n형 전극은 컵형 음극 리드(3)에 형성된 리세스(3a)에 수용된 상태로 접착제(6)에 의해 직접 접착되어 지지되어 있다. 리세스(3a)는 LED칩(1)의 측면으로부터 방출되는 빛을 전방(도면에서 볼때 상방)으로 반사시키는 역할을 한다.
상기와 같은 발광 다이오드는 소비 전력이 작으며, 대체로 수명이 길고, 진동에 강하고 신뢰도가 높다는 특징을 가지고 있다. 이러한 이유로 인해 근래에 신규한 영상정보 전달 매체로 LED 전광판이 각광을 받고 있다. 초기의 전광판은 단순 문자, 숫자 정보나 단색의 조잡한 화면을 구현하였으나, 현재는 기술의 진보로 각종 CF 영상물, 그래픽, 비디오 화면 등의 동화상을 구현하는 수준에 이르고 있다. 구현 색상도 단색, 적색 또는 황녹색과 같은 제한된 범위만을 구현하였으나 최근에는 청색 다이오드가 개발됨에 따라 적색, 황녹색, 청색을 이용한 컬러 표시가 가능하게 되었다. 또한, LED 칩에 대한 기술의 발전에 따라서 LCD용 백라이트, 신호등 및 가정용 조명기구등에도 LED 램프의 사용이 점차 증가하는 추세이다.
한편, 상기와 같은 종래의 LED 램프는 LED 칩이 얹혀진 컵 리드가 주로 음극이다. LED 칩의 제조시 화합물을 성장시키기 위한 기판의 재료에는 여러 가지가 있으나, 빛의 삼원색의 하나인 적색 LED 칩 제조에 쓰이는 기판은 GaP 재질로서 전기가 통하는 금속 재질이기 때문에 LED 칩의 상단부에 하나의 전극을 부착하고, 하단부의 기판은 LED 램프 리드에 부착된 컵에 도전성 접착제인 Ag Paste를 이용하여 부착한 뒤 도통시킨다. 따라서, P형 전극이 상층부에 위치한 적색 LED 칩의 특성으로 인해 칩의 바닥면인 N형 전극이 도통이 가능한 본드로서 리드의 컵 바닥면에 부착된다. 때문에 컵형 리드 쪽은 음극이 되며 일반 리드 쪽은 양극이 된다.
또한, P형 및 N형 전극이 모두 상층부에 위치하여 각각의 리드로 본딩을 하는 형태를 갖는 LED 칩의 경우에도 적색 램프의 리드와 같이 컵 리드가 음극인 형태를 유지하였다. 즉, 청색과 녹색의 LED칩의 경우, Al2O3(사파이어) 기판을 사용하는데 이는 절연 재질이므로 PN 접합을 이루는 화합물인 GaN에피의 상단부 P층 한부분을 식각에 의해 제거한 뒤 드러난 N층에 전극을 만들어 와이어를 사용하여 두 전극을 연결하여 도통을 시킨다. 이렇게 구성된 LED 램프는 일반적으로 칩이 얹혀 있는 쪽 리드를 음극으로 사용하고 반대쪽을 양극으로 사용한다.
이러한 이유로 종래의 LED 램프는 칩이 얹힌 컵 리드를 음극으로 사용하는 것이 일반화되어 있었다.
한편, 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 정전류 IC를 사용하는 LED 회로에서는 정전류 IC에서 양극을 Common으로 잡기 때문에 양극 리드(2)는 인쇄 회로 기판(10)상에 형성된 넓은 공통의 패턴(12) 위에 부착되고, 반대로 칩(1)이 얹혀진 컵형 음극 리드(3)는 각각 별도로 설계된 라인(14)을 통해 전기를 공급받게 된다.
LED 칩은 열에 약한 제품이므로 칩에서 발생한 열은 음극 리드(3)를 타고 내려온 뒤 인쇄 회로 기판(10)의 패턴을 형성하는 동판을 통해 1차적으로 빠져나가게 된다. 금속재질의 기판을 갖는 적색 LED 램프의 경우 LED 칩으로부터 음극 리드(3)로의 열전도가 빠르기 때문에 상대적으로 칩의 열에 의한 손상이 적다. 하지만, 절연층을 기판으로 갖는 청색 및 녹색의 LED는 기판의 열 전도도가 나쁘기 때문에 음극 리드 및 인쇄 회로 기판상의 패턴을 통한 방열이 나쁠 경우 칩 또는 본딩 부분의 열적 손상이 생긴다.
그러나, 상술한 바와 같이 별도의 외장재(4)로 밀봉된 LED 램프의 구조상 별도의 방열구조를 갖추는 것이 불가능한 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 단점을 극복하기 위해 안출된 것으로서, LED 램프의 구조를 크게 변경하지 않고 방열성을 개선할 수 있는 LED 램프 조립체를 제공하는 것을 기술적 과제로 삼고 있다.
상기와 같은 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은, 기판, 상기 기판의 양측면에 각각 형성되는 P형 전극 및 N형 전극을 포함하는 LED 칩; 상부면에 상기 LED 칩의 P형 전극이 본딩되는 리세스를 갖는 컵형 양극 리드; 상기 N형 전극과 와이어 본딩되며, 상기 컵형 양극 리드와 이격되어 위치하는 음극 리드; 및 상기 LED 칩, 컵형 양극 리드 및 음극 리드를 밀봉하는 외장재를 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 램프를 제공한다.
즉, 본 발명에서는 컵형 리드가 종래에는 음극으로 사용되던 것을 양극으로 사용하도록 변경한 것이다. 이로 인해, LED 칩이 장착되는 컵형 리드가 비교적 넓은 폭을 갖는 공통의 양극 패턴에 실장될 수 있으므로 종래에 비해서 방열성을 개선할 수 있는 것이다.
바람직하게는, 상기 컵형 양극 리드가 음극 리드보다 길게 형성되는 것이 좋다.
한편, 상기 LED 칩은 GaN 반도체 층으로 구성되어 있으며, 이 경우 상기 LED 칩의 기판은 Al2O3 재질로 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명은 기판과, 상기 기판의 상부에 각각 위치하는 P형 전극 및 N형 전극을 갖는 LED 칩; 상부면에 상기 LED 칩이 본딩되는 리세스를 가지며, 상기 P형 전극과 와이어 본딩되는 컵형 양극 리드; 상기 N형 전극과 와이어 본딩되며, 상기 컵형 양극 리드와 이격되어 위치하는 음극 리드; 및 상기 LED 칩, 컵형 양극 리드 및 음극 리드를 밀봉하는 외장재를 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 램프를 제공한다.
본 발명은 또한, 상술한 LED 램프; 및 상기 LED 램프가 실장되며, 공통(common)의 양극 패턴 및 상기 양극 패턴보다 좁은 폭을 갖는 별도의 전원 공급 패턴을 갖는 인쇄 회로 기판을 포함하며, 상기 LED 램프의 컵형 양극 리드가 상기 공통의 양극 패턴에 실장되며, 상기 음극 리드가 상기 전원 공급 패턴에 실장되는 것을 특징으로 하는 LED 램프 조립체를 제공한다.
한편, 본 명세서에서 LED 램프라 함은 리드 프레임을 가진 LED 램프와 SMD LED 램프 등과 같이, 단독으로 점등이 가능한 모든 형태의 LED 패키지를 통칭한다.
이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 LED 램프 및 LED 램프 조립체의 실시예에 대해서 상세하게 설명하도록 한다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 LED 램프의 제1 실시예(100)가 도시되어 있다. 상기 실시예에서 LED 칩(101)은 GaP 재질로 이루어지는 기판을 가지며, 상기 기판의 양측면에 각각 P형 전극 및 N형 전극을 포함하는 통상의 구조를 갖는다. 다만, 상기 LED 칩(101)은 컵형 양극 리드(103)에 도전성 접착제를 이용하여 부착되는데, 이 때 종래의 LED 칩과 달리 N형 전극이 아닌, P형 전극이 컵형 양극 리드(103)의 상부면에 형성된 리세스(103a)의 바닥면에 부착된다. 상기 리세스(103a)는 오목한 형태를 가져서, LED 칩(101)의 측면으로부터 조사된 빛을 반사시키며, 컵형 양극 리드(103)는 음극 리드(102)보다 길게 형성되어, 조립시에 극성을 용이하게 파악할 수 있도록 한다.
한편, 상기 음극 리드(102)는 상기 컵형 양극 리드(103)와 이격되어 평행하게 배치되어 있으며, 그 상단부는 와이어(105)를 통해서, 상기 LED 칩(101)의 상부 면에 위치하는 N형 전극과 도통된다. 또한, 상기 LED 칩(101), 음극 리드(102) 및 컵형 양극 리드(103)의 단부에는 외장재(104)가 도포되어 LED 칩(101) 및 와이어(105) 등을 보호하게 된다.
따라서, 상기 실시예(100)에서는 컵형 양극 리드(103)를 통해 인가되는 전류는 도전성 접착제 - P형 전극 - 기판 - N형 전극 - 와이어(105) - 음극 리드(102)를 통해서 도통되고, 이 과정에서 LED 칩(101)이 빛을 발하게 되는 것이며, 결과적으로 컵형 양극 리드(103)가 양극으로서 사용되는 것이다.
본 발명에 따른 LED 램프의 제2 실시예에서 LED 칩은 Al2O3 재질로 이루어지는 기판을 가지며, 상기 기판의 상부면에 P형 전극 및 N형 전극을 포함하는 구조를 갖는다. 상기 기판이 절연성을 가지므로, 상기 LED 칩은 컵형 양극 리드에 접착제를 이용하여 부착될 수 있다. 이 때 종래의 LED 칩과 달리 컵형 양극 리드의 상부면에 형성된 리세스의 바닥면에 부착된다. 상기 리세스는 오목한 형태를 가져서, LED 칩의 측면으로부터 조사된 빛을 반사시키며, 컵형 양극 리드는 음극 리드보다 길게 형성되어, 조립시에 극성을 용이하게 파악할 수 있도록 한다.
한편, 상기 음극 리드는 상기 컵형 양극 리드와 이격되어 평행하게 배치되어 있으며, 그 상단부는 와이어를 통해서, 상기 LED 칩의 상부 면에 위치하는 N형 전극과 도통된다. 또한, 상기 LED 칩의 P형 전극은 또 다른 와이어를 통해서 상기 컵형 양극 리드와 도통된다. 상기 LED 칩, 음극 리드 및 컵형 양극 리드의 단부에는 외장재가 도포되어 LED 칩 및 와이어등을 보호하게 된다.
따라서, 상기 실시예에서는 컵형 양극 리드를 통해 인가되는 전류는 양극 리드 - 와이어 - P형 전극 - 에피층 - N형 전극 - 와이어 - 음극 리드를 통해서 도통되고, 이 과정에서 LED 칩이 빛을 발하게 되는 것이며, 결과적으로 컵형 양극 리드가 양극으로서 사용되는 것이다.
도 4a 및 4b를 참조하면, 상기 제2 실시예가 실장된 LED 램프 조립체의 일 실시예가 도시되어 있다.
상기 LED 램프 조립체의 실시예는 표면에 다수의 패턴을 갖는 인쇄 회로 기판(210)을 포함하며, 상기 인쇄 회로 기판(210) 상에 상기 제2 실시예(200)가 실장되어 있다. 여기서, 상기 인쇄 회로 기판(210)은 정전류 IC를 사용하며, 정전류 IC에서는 양극 공통(common)전극으로 잡기 때문에, 상기 제2 실시예(200)의 컵형 양극 리드(203)가 상대적으로 폭이 넓은 양극 패턴(212)에 실장되며, 상기 음극 리드(202)는 상대적으로 폭이 좁은 전원 공급 패턴(214)에 실장된다.
따라서, LED 램프가 동작하는 동안에 LED 칩(201)으로부터 발생된 열은 컵형 양극 리드(203)를 통해서 공통의 양극 패턴(212)으로 전달되고, 상기 패턴을 형성하는 금속을 통해서 효율적으로 외부로 배출되게 된다. 상기 공통의 양극 패턴은 LED 램프 뿐만 아니라 조립체를 구성하는 모든 구성요소로 연장되는 것이므로, 전원 공릅 패턴(214)에 비해서 보다 빠르게 열을 배출할 수 있다.
본 명세서에서는 LED 램프 조립체에 대한 실시예를 LED 램프의 제2 실시예를 실장한 경우에 대해서만 설명했지만, 제1 실시예에 따른 LED 램프에 대해서도 마찬가지로 적용할 수 있다. 다만, 제1 실시예의 경우 LED 칩이 도전성의 기판을 갖기 때문에 LED 칩으로부터 리드로의 열전도가 빠르므로 상대적으로 열에 의한 칩의 손상이 적지만, 제2 실시예와 같이 기판이 절연층을 갖는 경우에는 기판의 열 전도도가 나쁘기 때문에 리드프레임 및 PCB 기판상의 패턴을 통한 방열이 나쁠 경우 칩 또는 본딩 부분의 열적 손상이 생길 우려가 높으므로, 상대적으로 효용성이 배가된다.
상기와 같은 구성을 갖는 본 발명에 의하면, 칩이 놓인 리드를 양극으로 사용하여 공통(Common)단으로 처리하면 넓은 패턴을 방열처리에 이용할 수 있으며, 또한 여러 개의 LED가 각각의 점멸을 처리하는 과정에서 특정 LED의 점멸 빈도가 높아 열이 집중되는 상황에서도 공통으로 처리된 패턴을 통해 열을 분산하여 각각의 램프가 일정한 열화 특성을 가지게 되므로 특정 가혹 조건의 LED의 열화에 의한 표시소자 전체의 비균일화 현상을 피할 수 있다.

Claims (14)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 기판, 상기 기판의 상하면에 각각 형성되는 N형 전극 및 P형 전극을 포함하는 LED 칩;
    상부면에 상기 LED 칩의 P형 전극이 본딩되는 리세스를 갖는 컵형 양극 리드;
    상기 N형 전극과 와이어 본딩되며, 상기 컵형 양극 리드와 이격되어 위치하는 음극 리드; 및
    상기 LED 칩, 컵형 양극 리드 및 음극 리드를 밀봉하는 외장재를 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 램프가 실장되며, 공통(common)의 양극 패턴 및 상기 양극 패턴보다 좁은 폭을 갖는 별도의 전원 공급 패턴을 갖는 인쇄 회로 기판을 포함하며,
    상기 LED 램프의 컵형 양극 리드가 상기 공통의 양극 패턴에 실장되며, 상기 음극 리드가 상기 전원 공급 패턴에 실장되는 것을 특징으로 하는 LED 램프 조립체.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 컵형 양극 리드가 음극 리드보다 길게 형성되는 것을 특징으로 하는 LED 램프 조립체
  11. 기판과, 상기 기판의 상부에 각각 위치하는 P형 전극 및 N형 전극을 갖는 LED 칩;
    상부면에 상기 LED 칩이 본딩되는 리세스를 가지며, 상기 P형 전극과 와이어 본딩되는 컵형 양극 리드;
    상기 N형 전극과 와이어 본딩되며, 상기 컵형 양극 리드와 이격되어 위치하는 음극 리드; 및
    상기 LED 칩, 컵형 양극 리드 및 음극 리드를 밀봉하는 외장재를 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 램프가 실장되며, 공통(common)의 양극 패턴 및 상기 양극 패턴보다 좁은 폭을 갖는 별도의 전원 공급 패턴을 갖는 인쇄 회로 기판을 포함하며,
    상기 LED 램프의 컵형 양극 리드가 상기 공통의 양극 패턴에 실장되며, 상기 음극 리드가 상기 전원 공급 패턴에 실장되는 것을 특징으로 하는 LED 램프 조립체.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 컵형 양극 리드가 음극 리드보다 길게 형성되는 것을 특징으로 하는 LED 램프 조립체.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 LED 칩은 GaN 칩인것을 특징으로 하는 LED 램프 조립체.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 LED 칩의 기판은 Al2O3 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 LED 램프 조립체.
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