KR100990331B1 - Ｆｒ4 ｐｃｂ를 이용한 고출력 ｌｅｄ 방열 구조 - Google Patents

Ｆｒ4 ｐｃｂ를 이용한 고출력 ｌｅｄ 방열 구조 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고출력 LED의 발열을 효과적으로 전도할 수 있는 FR4 PCB를 이용한 고출력 LED 발열 구조에 관한 것으로, FR4 PCB에 고출력 LED를 장착한 방열 구조에 있어서, 상기 FR4 PCB와 LED가 마주 접하는 하단면에 히트 싱크 슬러그가 장착된 LED 소자, 상기 LED 소자와 마주 접하는 FR4 PCB상에서 FR4 PCB를 관통하는 2개 이상의 방열홀, 상기 방열홀의 상·하단 구멍 가장자리와 방열홀의 내주면에 도금된 동박, 및 상기 LED 소자와 마주 접하지 않는 FR4 PCB의 하단면 전체에 0.5~1㎜ 두께로 방열 실리콘이 도포됨과 더불어 동박이 도금된 방열홀 속으로 충진된 방열 실리콘으로 이루어지고, 상기 방열홀의 상단 구멍 가장자리에 도금된 동박과 방열홀 속으로 충진된 방열 실리콘은 LED 소자에 갖추어진 히트 싱크 슬러그와 맞닿게 되어 LED 소자로부터 발생 된 열이 동박과 방열 실리콘을 통해 외부로 방출될 수 있다. 이러한 구조로 이루어진 본 발명에 따른 FR4 PCB를 이용한 고출력 LED 방열 구조는 LED 소자로부터 발생 된 열을 1차적으로 방열홀에 도금된 동박과 방열홀에 충진 된 방열 실리콘으로 전달할 수 있다. 또, 상기 방열 실리콘은 방열홀의 내주면을 감싸고 있는 동박과 밀착되어 동박의 열을 빼앗은 다음, 외부로 방출시킬 수 있다.

Description

ＦＲ4 ＰＣＢ를 이용한 고출력 ＬＥＤ 방열 구조 {Heat Dissipation Structure of High Power LED using FR4 PCB}
본 발명은 고출력 LED로부터 발생 되는 열을 효과적으로 방출시킬 수 있는 FR4 PCB를 이용한 고출력 LED 방열 구조에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고출력 LED와 마주 접하는 FR4 PCB에 2개 이상의 방열홀을 뚫은 다음, 상기 방열홀의 입출구 가장자리와 방열홀의 내부 둘레면에 동박을 입히고, 상기 동박이 입혀진 방열홀에 방열 실리콘을 충진 시켜 고출력 LED의 열을 효과적으로 방출시킬 수 있도록 한 FR4 PCB를 이용한 고출력 LED 방열 구조에 관한 것이다.
일반적으로 각종 전자 기기나 전광판, 신호등, 조명등, 또는 차량 등에 사용되는 발광 다이오드용 조명 수단은 다수개의 발광 다이오드(LED, Light Emitting Diodes)를 하나의 인쇄 회로 기판에 소정의 배열로 집적시킨 상태로 구성된다.
이러한 발광 다이오드를 이용한 조명 수단은 통상적으로 백열등, 네온등, 형광등보다 소비 전력이 작을 뿐만 아니라 밝기 및 가시거리가 뛰어나고 수명이 길어 현재 각종 분야에서 널리 사용되고 있는 실정이다.
하지만, 상기 다수개의 발광 다이오드를 이용한 조명 수단은 다수개의 발광 다이오드들이 인쇄 회로 기판에 집적된 상태로 배열 설치됨으로써 다수개의 발광 다이오드로부터 발생 되는 고온의 열에 의해 인쇄 회로 기판 및 발광 다이오드가 손상될 수 있다는 문제점이 있었다.
한편, 상기와 같이 다수개의 발광 다이오드로부터 발생 되는 열을 외부로 빠르게 전도, 소산 시키기 위하여 상기 LED를 메탈 PCB에 납땜한 다음, 메탈 PCB와 LED 조명 외부케이스 사이에 열전도성 접착제나 그래파이트를 접착하는 방법이 있으나, 조명 외부케이스와 메탈 PCB 사이에 접착이 제대로 이루어지지 못해 LED로부터 발생된 열이 효과적으로 방출될 수 없다는 문제점이 있었다.
또한, LED를 메탈PCB에 납땜하여 LED 조명 제작시 LED에서 발생한 열을 전도하는 방식은 각각의 단계에서 접촉저항 증가로 LED의 온도가 상승한다.
또, 상기 제시한 메탈 PCB는 일반 FR4 PCB 보다 단가가 높아 발광 다이오드를 이용한 LED 조명 제품의 제조 단가를 높일 수 있다는 문제점이 있었다.
이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고자, 메탈 PCB 대신 FR4 PCB를 그대로 사용하면서, LED로부터 발생 된 열을 효과적으로 방출시킬 수 있는 FR4 PCB를 이용한 고출력 LED 방열 구조를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 바의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 FR4 PCB를 이용한 고출력 LED 방열 구조는 FR4 PCB에 고출력 LED를 장착한 방열 구조에 있어서, 상기 FR4 PCB와 LED가 마주 접하는 하단면에 히트 싱크 슬러그가 장착된 LED 소자, 상기 LED 소자와 마주 접하는 FR4 PCB상에서 FR4 PCB를 관통하는 2개 이상의 방열홀, 상기 방열홀의 상·하단 구멍 가장자리와 방열홀의 내주면에 도금된 동박, 및 상기 발광 소자와 마주 접하지 않는 FR4 PCB의 하단면 전체에 0.5~1㎜ 두께로 방열 실리콘이 도포됨과 더불어 동박이 도금된 방열홀 속으로 충진된 방열 실리콘으로 이루어지고, 상기 방열홀의 상단 구멍 가장자리에 도금된 동박과 방열홀 속으로 충진된 방열 실리콘은 LED 소자에 갖추어진 히트 싱크 슬러그와 맞닿게 되어 LED 소자로부터 발생 된 열이 동박과 방열 실리콘을 통해 외부로 방출될 수 있다.
이러한 구조로 이루어진 본 발명에 따른 FR4 PCB를 이용한 고출력 LED 방열 구조는 LED 소자로부터 발생 된 열을 1차적으로 방열홀에 도금된 동박과 방열홀에 충진 된 방열 실리콘으로 전달할 수 있다.
또, 상기 방열 실리콘은 방열홀의 내주면을 감싸고 있는 동박과 밀착되어 동박의 열을 빼앗은 다음, 빼앗은 열을 외부로 방출시킬 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 FR4 PCB를 이용한 고출력 LED 방열 구조는 LED 소자로부터 발생 된 열을 효과적으로 방출시켜 LED 소자가 손상됨을 방지할 수 있다.
도면 1은 본 발명에 따른 FR4 PCB를 이용한 고출력 LED 방열 구조의 종단면도,
도면 2는 본 발명에 갖추어진 LED의 종단면도,
도면 3은 LED 소자와 맞닿는 FR4 PCB의 상단면을 설명하기 위한 도면,
도면 4는 방열홀 그룹의 바깥에 부가 설치된 LED 납땜 프레임을 설명함과 더불어, 상기 LED 납땜 프레임에 FR4 PCB상에서 인쇄 배선된 상태를 설명하기 위한 도면,
도면 5는 FR4 PCB 후면에 인쇄 배선된 상태를 설명하기 위한 도면,
도면 6은 본 발명에 갖추어진 FR4 PCB에 2개 이상의 LED가 직렬 연결되는 일 실시 예를 설명하기 위한 도면,
도면 7은 히트 싱크 슬러그가 동판에 납땜 처리된 상태를 설명하기 위한 도면.
먼저, 본 발명의 구체적인 설명에 들어가기에 앞서, 본 발명에 관련된 공지 기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 후술 되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으므로, 그 정의는 본 발명에 따른 FR4 PCB를 이용한 고출력 LED 방열 구조를 설명하는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 자세히 설명한다.
본 발명에 따른 FR4 PCB를 이용한 고출력 LED 방열 구조는 도면 1에 도시한 바와 같이, FR4 PCB(1)에 고출력 LED를 장착한 방열 구조에 있어서, 상기 FR4 PCB(1)와 LED가 마주 접하는 하단면에 히트 싱크 슬러그(Heatsink slug)(4)가 장착된 LED 소자(3), 상기 LED 소자(3)와 마주 접하는 FR4 PCB(1)상에서 FR4 PCB(1)를 관통하는 2개 이상의 방열홀(5), 상기 방열홀(5)의 상·하단 구멍(7,9) 가장자리와 방열홀(5)의 내주면에 도금된 동박(11), 및 상기 LED 소자(3)와 마주 접하지 않는 FR4 PCB(1)의 하단면 전체에 0.5~1㎜ 두께로 방열 실리콘이 도포됨과 더불어 동박(11)이 도금된 방열홀(5) 속으로 충진된 방열 실리콘(13)으로 이루어지고, 상기 상단 구멍(7) 가장자리에 도금된 동박(11)과 방열홀(5) 속으로 충진된 방열 실리콘(13)은 LED 소자(3)에 갖추어진 히트 싱크 슬러그(4)와 맞닿게 되어 LED 소자(3)로부터 발생 된 열이 히트 싱크 슬러그(4)와 동박(11) 및 방열 실리콘(13)을 통해 외부로 방출될 수 있다.
상기 LED 소자(3)는 도면 2에 도시한 일 실시 예와 같이, 일정 간격을 사이에 두고 서로 마주보게 배치된 제 1·2 리드 프레임(15,17)과, 상기 제 2 리드 프레임(17)에 얹혀진 LED 칩(19)을 구비한다.
이때, 상기 LED 칩(19)에는 제 2 리드 프레임(17) 위에 얹혀지는 사파이어 기판(21)과, 상기 사파이어 기판(21) 위에 증착되는 N형 질화물 반도체층(23), 상기 N형 질화물 반도체층(23)에 증착되는 활성층(25), 및 상기 활성층(25)에 증착되는 P형 질화물 반도체층(27)을 구비한다.
또한, 상기 P형 질화물 반도체층(27)에는 P형 전극(29)이 적층 되고, 상기 P형 전극(29)과 제 1 리드 프레임(15)에는 본딩 와이어(31)가 연결될 수 있다.
또, 상기 N형 질화물 반도체층(23)에는 N형 전극(33)이 형성될 수 있는바, 상기 N형 전극(33)의 형성 방법은 DRY 에칭 방식으로 P형 질화물 반도체층(27)과 활성층(25)을 깍아 N형 질화물 반도체층(23)이 바깥으로 노출되도록 한 다음, 상기 노출된 N형 질화물 반도체층(23)에 N형 전극(33)을 형성할 수 있다.
이때 상기 N형 전극(33)은 본딩 와이어나 납 등으로 제 2 리드 프레임(17)과 연결될 수 있다.
또, 상기 제 2 리드 프레임(17)의 하단은 도면 2에 도시한 바와 같이, 히트 싱크 슬러그(4)와 마주 접합 되어 N형 질화물 반도체층(23)과 P형 질화물 반도체층(27) 사이에 발생된 열을 외부로 방출시킬 수 있다.
또, 상기 LED 소자(3)에는 상단면이 오목하게 파여 본딩 와이어(31)와 LED 칩(19)을 바깥으로 노출시킬 수 있으면서, 제 1·2 리드 프레임(15,17)과 히트 싱크 슬러그(4)을 붙잡아 고정할 수 있는 패키지 몰드(35)가 갖추어질 수 있고, 상기 패키지 몰드(35) 바깥으로 노출된 본딩 와이어(31)와 LED 칩(19)에는 본딩 와이어(31)와 LED 칩(19)을 보호하면서, LED 칩(19)으로부터 발생 된 빛을 외부로 발산시킬 수 있는 몰딩재(37)가 충진됨이 바람직하다.
또, 상기 몰딩재(37)를 포함한 패키지 몰드(35)의 상단면에는 도면 2에 도시한 바와 같이, 볼록하게 튀어나온 확산 렌즈(39)가 부가 장착될 수 있는바, 이때, 상기 확산 렌즈(39)는 실리콘 재질로 이루어질 수 있다.
이러한 구조로 이루어진 본 발명에 갖추어진 LED 소자(3)는 순방향 전압 인가시 N층의 전자와 P층의 정공(Hole)이 결합되면서 전도대(Conduction band)와 가전대(Valance band)의 높이 차이(에너지 갭)에 해당하는 만큼의 에너지를 발산하는데, 상기 에너지는 빛의 형태로 방출될 수 있다.
한편, 상기 방열홀(5)은 도면 3에 도시한 바와 같이, 3개 내지 9개로 이루어짐이 바람직하며, 상기 동박(11)이 도금된 방열홀(5)의 내경은 1~2mm로 이루어짐이 바람직하다.
또, 상기 3개 내지 9개의 방열홀(5)로 이루어진 방열홀 그룹(6)의 양 옆에는 도면 4에 도시한 바와 같이, 방열홀 그룹(6)과 일정 간격을 사이에 두고 FR4 PCB(1)상에 도금된 LED 납땜 프레임(41a,41b)이 갖추어져 LED 소자(3)에 갖추어진 제 1·2 리드 프레임(15,17)이 상기 LED 납땜 프레임(41a,41b)에 납땜 처리될 수 있다.
또, 상기 3개 내지 9개의 방열홀(5)로 이루어진 방열홀 그룹(6)은 도면 4에 도시한 바와 같이, FR4 PCB(1)상에서 2개 이상으로 이루어질 수 있고, 상기 방열홀 그룹(6)에 갖추어진 어느 하나의 LED 납땜 프레임(41a~41d)은 다른 방열홀 그룹(6)에 갖추어진 어느 하나의 LED 납땜 프레임(41a~41d)과 인쇄 회로를 통해 배선될 수 있다.
따라서, 본 발명에 갖추어진 2개 이상의 LED 소자(3)는 인쇄 회로를 통해 도면 6에 도시한 바와 같이, 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있다.
한편, 상기 LED 소자(3)에 갖추어진 히트 싱크 슬러그(4)는 도면 7에 도시한 바와 같이, 방열홀(5)의 상단 구멍(7) 가장자리에 도금된 동박(11)과 납땜 되어 LED 소자(3)로부터 발생 된 열을 동박(11)으로 내보낼 수도 있다.
또, 상기 방열홀(5)의 하단 구멍(9)을 통해 유입된 방열 실리콘(13)은 도면 7에 도시한 바와 같이, 상단 구멍(7)의 가장자리에 도금된 동박(11)과 맞닿고 있는 히트 싱크 슬러그(4)까지 충진 되어 히트 싱크 슬러그(4)와 맞닿을 수 있다.
따라서, 상기 방열 실리콘(13)은 1차적으로 히트 싱크 슬러그(4)로부터 전달된 열을 충진된 방열 실리콘을 통하여 외부로 방출시킬 수 있고, 방열홀(5)의 내주면에 도금된 동판(11)과 밀착되어 동판(11)으로 전달된 열을 빼앗은 다음 외부로 방출시킬 수도 있다.
이러한 구조로 이루어진 본 발명에 따른 FR4 PCB를 이용한 고출력 LED 방열 구조는 LED 소자(3)로부터 발생 된 열을 1차적으로 방열홀(5)에 도금된 동박(11)과 방열홀(5)속에 충진 된 방열 실리콘(13)으로 전달할 수 있다.
또, 상기 방열 실리콘(13)은 방열홀(5)의 내주면을 감싸고 있는 동박(11)과 밀착되어 동박(11)의 열을 빼앗은 다음, 동박(11)으로부터 전달된 열을 외부로 방출시킬 수도 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환과 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시 예 및 도면에 한정되는 것이 아니다.
1. FR4 PCB 3. LED 소자
4. 히트 싱크 슬러그 5. 방열홀
6. 방열홀 그룹 7. 상단 구멍
9. 하단 구멍 11. 동박
13. 방열 실리콘 15. 제 1 리드 프레임
17. 제 2 리드 프레임 19. LED 칩
21. 사파이어 기판 23. N형 질화물 반도체층
25. 활성층 27. P형 질화물 반도체층
29. P형 전극 31. 본딩 와이어
33. N형 전극 35. 패키지 몰드
37. 몰딩재 39. 확산 렌즈
41a~41d. LED 납땜 프레임

Claims (5)

  1. FR4 PCB(1)에 고출력 LED를 장착한 방열 구조에 있어서,
    상기 FR4 PCB(1)와 LED가 마주 접하는 하단면에 히트 싱크 슬러그(4)가 장착된 LED 소자(3);
    상기 LED 소자(3)와 마주 접하는 FR4 PCB(1)상에서 FR4 PCB(1)를 관통하는 2개 이상의 방열홀(5);
    상기 방열홀(5)의 상·하단 구멍(7,9) 가장자리와 방열홀(5)의 내주면에 도금된 동박(11);
    상기 LED 소자(3)와 마주 접하지 않는 FR4 PCB(1)의 하단면 전체에 0.5~1㎜ 두께로 도포됨과 더불어 동박(11)이 도금된 방열홀(5) 속으로 충진된 방열 실리콘(13)으로 이루어지고,
    상기 방열홀(5)의 상단 구멍(7) 가장자리에 도금된 동박(11)과 방열홀(5) 속으로 충진된 방열 실리콘(13)은 LED 소자(3)에 갖추어진 히트 싱크 슬러그(4)와 맞닿아 LED 소자(3)로부터 발생 된 열이 동박(11)과 방열 실리콘(13)을 통해 외부로 방출되며,
    상기 방열홀(5)은 3개 내지 9개이고,
    상기 동박(11)이 도금된 방열홀(5)의 내경은 1~2mm이며,
    상기 LED 소자(3)에 갖추어진 히트 싱크 슬러그(4)는 방열홀(5)의 상단 구멍(7) 가장자리에 도금된 동박(11)과 납땜 되고,
    상기 방열홀(5)의 하단 구멍(9)을 통해 유입된 방열 실리콘(13)은 상단 구멍(7)의 가장자리에 도금된 동박(11)과 맞닿고 있는 히트 싱크 슬러그(4)까지 충진 되며,
    상기 LED 소자(3)는 일정 간격을 사이에 두고 서로 마주보게 배치된 제 1·2 리드 프레임(15,17)과, 상기 제 2 리드 프레임(17)에 얹혀진 LED 칩(19)을 구비하고,
    상기 LED 칩(19)에는 제 2 리드 프레임(17) 위에 얹혀지는 사파이어 기판(21)과, 상기 사파이어 기판(21) 위에 증착되는 N형 질화물 반도체층(23), 상기 N형 질화물 반도체층(23)에 증착되는 활성층(25), 및 상기 활성층(25)에 증착되는 P형 질화물 반도체층(27)을 구비하며,
    상기 P형 질화물 반도체층(27)에는 P형 전극(29)이 적층 되고, 상기 P형 전극(29)과 제 1 리드 프레임(15)에는 본딩 와이어(31)가 연결되고,
    상기 N형 질화물 반도체층(23)에는 N형 전극(33)이 형성되고, 상기 N형 전극(33)의 형성 방법은 DRY 에칭 방식으로 P형 질화물 반도체층(27)과 활성층(25)을 깍아 N형 질화물 반도체층(23)이 바깥으로 노출되도록 한 다음, 노출된 N형 질화물 반도체층(23)에 N형 전극(33)을 형성하며,
    상기 N형 전극(33)은 본딩 와이어나 납으로 제 2 리드 프레임(17)과 연결되고,
    상기 LED 소자(3)에는 상단면이 오목하게 파여 본딩 와이어(31)와 LED 칩(19)을 바깥으로 노출시킬 수 있으면서, 제 1·2 리드 프레임(15,17)과 히트 싱크 슬러그(4)을 붙잡아 고정할 수 있는 패키지 몰드(35)가 갖추어지고, 상기 패키지 몰드(35) 바깥으로 노출된 본딩 와이어(31)와 LED 칩(19)에는 본딩 와이어(31)와 LED 칩(19)을 보호하면서, LED 칩(19)으로부터 발생 된 빛을 외부로 발산시킬 수 있는 몰딩재(37)가 충진되며,
    상기 몰딩재(37)를 포함한 패키지 몰드(35)의 상단면에는 볼록하게 튀어나온 확산 렌즈(39)가 부가 장착되고, 상기 확산 렌즈(39)는 실리콘 재질로 이루어지며,
    3개 내지 9개의 방열홀(5)로 이루어진 방열홀 그룹(6)의 양 옆에는 방열홀 그룹(6)과 일정 간격을 사이에 두고 FR4 PCB(1)상에 도금된 LED 납땜 프레임(41a,41b)이 갖추어져 LED 소자(3)에 갖추어진 제 1·2 리드 프레임(15,17)이 상기 LED 납땜 프레임(41a,41b)에 납땜 처리되는 것을 특징으로 하는 FR4 PCB를 이용한 고출력 LED 방열 구조.
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  4. 삭제
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KR1020100058616A 2010-06-21 2010-06-21 Ｆｒ4 ｐｃｂ를 이용한 고출력 ｌｅｄ 방열 구조 KR100990331B1 (ko)

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