KR101006246B1 - 발광다이오드용 적층 세라믹 방열판 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 발광다이오드 패키지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 발광다이오드 칩의 동작 열을 효과적으로 발산시키기 위한 적층 세라믹 방열판에 관한 것이다.
본 발명에 의하면, 발광다이오드에서 발생한 열을 효율적으로 방출하기 위하여, 발광다이오드 칩이 실장되어 있는 회로기판과 결합하는 발광다이오드용 적층 세라믹 방열판에 있어서, 회로기판과 접하는 제1면과 상기 제1면과 평행한 제2면을 구비한 세라믹 몸체부; 상기 발광다이오드 칩이 삽입될 수 있도록, 상기 세라믹 몸체부의 제1면과 제2면을 관통하여 형성된 캐비티 홀; 상기 캐비티 홀의 표면으로부터 상기 세라믹 몸체부의 내부를 향해, 상기 몸체부의 제1면에 평행하게 형성된 제1방열(放熱)층; 상기 제1방열층과 교차하도록, 상기 몸체부의 제1면으로부터 상기 세라믹 몸체부의 내부를 향해 형성된 방열(放熱) 비아 홀; 및 상기 방열 비아 홀의 내부에 형성된 제2방열층;을 포함하며, 상기 제1방열층 및 제2방열층의 열전도도는 각각 상기 세라믹 몸체부의 열전도도보다 높은 것을 특징으로 하는 발광다이오드용 적층 세라믹 방열판이 제공된다.
발광다이오드, 방열판, 세라믹, 적층,

Description

발광다이오드용 적층 세라믹 방열판{CERAMIC HEAT SINK PLATE FOR LIGHT EMITTING DIODE}
본 발명은 발광다이오드 패키지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 발광다이오드 칩의 동작 열을 효과적으로 발산시키기 위한 적층 세라믹 방열판에 관한 것이다.
모든 전자장비의 고장의 85% 정도가 열로 인한 것이며, 특히 발열이 심한 발광다이오드(Light emitting diode)에 있어서 열관리는 매우 중요하다. 조명 용도로 사용되는 고출력 발광다이오드의 발광 효율이 20~30%로 낮고 또한 칩의 크기가 작기 때문에 전체적인 소비전력이 낮음에도 단위 면적당 발열량은 매우 크다. 따라서 방열대책을 마련하지 않으면 발광다이오드 칩의 온도가 너무 높아져, 칩 자체 또는 패키징 소재가 열화된다. 결국 이것이 조도가 떨어지는 등 발광효율의 저하와 칩의 수명을 줄이는 결과를 초래하게 된다.
종래의 발광다이오드 제품의 경우 칩 단위로 방열 패키지를 사용하거나 PCB 기판에 방열 특성이 포함된 MC-PCB를 사용했으나 고가의 가격, 설계 및 제작의 어려움으로 사용에 제한이 있었다. 칩 단위의 방열 패키지의 경우, 기존의 수지 기판 은 방열 성능이 낮아 고출력 발광다이오드 칩에는 부적합하였으며, 금속 기판은 방열 성능은 좋으나 제조 단가가 높은 단점이 있어 상품성이 없는 것으로 알려져 있었다. 따라서 우수한 방열 특성과 제조 단가가 낮은 세라믹 소재를 이용하여 패키지를 사용하는 예가 늘고 있다.
도 1은 종래의 발광다이오드 패키지를 나타낸 단면도이다. 종래의 발광다이오드 패키지는 발광다이오드가 설치된 회로기판(1)에 방열을 위한 비아 홀(3)이 형성되어 있으며, 발광다이오드 칩 각각에 대해서 회로기판(1)의 상면 발광다이오드 주위에 반사판(2)이 형성되어 있는 구조이다. 반사판(2)의 표면에는 광반사 기능을 향상시키기 위한 금속 층(4)이 형성되어 있다.
종래의 발광다이오드 패키지는 회로기판 쪽으로는 방열에 필요한 방열 비아 홀(thermal via hole)을 설치하나 측면 반사판에는 반사 기능만 있고 방열 기능이 없는 구조이다. 따라서 종래의 조명장치의 위치별 온도를 측정하면, 세라믹 패키지를 사용했음에도 발광다이오드 주변부 표면 온도가 상당히 높음을 확인할 수 있다. 이는 칩 자체 수명에 많은 악영향을 미친다. 또한, 종래의 발광다이오드 패키지는 각각의 발광다이오드별로 별도의 방열판을 구비하여야 하므로 공정이 복잡하고 비용이 많이 소요된다는 문제가 있었다.
본 발명에 의하면, 발광다이오드에서 발생한 열을 효율적으로 방출하기 위하여, 발광다이오드 칩이 실장되어 있는 회로기판과 결합하는 발광다이오드용 적층 세라믹 방열판에 있어서, 회로기판과 접하는 제1면과 상기 제1면과 평행한 제2면을 구비한 세라믹 몸체부; 상기 발광다이오드 칩이 삽입될 수 있도록, 상기 세라믹 몸체부의 제1면과 제2면을 관통하여 형성된 캐비티 홀; 상기 캐비티 홀의 표면으로부터 상기 세라믹 몸체부의 내부를 향해, 상기 몸체부의 제1면에 평행하게 형성된 제1방열(放熱)층; 상기 제1방열층과 교차하도록, 상기 몸체부의 제1면으로부터 상기 세라믹 몸체부의 내부를 향해 형성된 방열(放熱) 비아 홀; 및 상기 방열 비아 홀의 내부에 형성된 제2방열층;을 포함하며, 상기 제1방열층 및 제2방열층의 열전도도는 각각 상기 세라믹 몸체부의 열전도도보다 높은 것을 특징으로 하는 발광다이오드용 적층 세라믹 방열판이 제공된다.
본 발명에 따른 발광다이오드용 적층 세라믹 방열판는 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 발광다이오드에서 발생하는 열을 방열판의 내부에 형성되어 있는 방열층을 통해서 직접 열확산판 및 히티싱크 방향으로 전달하기 때문에 발광다이오드 주변의 온도를 효과적으로 낮출 수 있다.
둘째, 종래의 발광다이오드 패키지에서는 빚을 반사하는 기능만을 수행하였던 반사판 부분에까지 방열층이 형성되어 발광다이오드 주변의 온도를 효과적으로 낮출 수 있다.
셋째, 발광다이오드별로 각각의 방열판을 구비하고 있는 종래의 발광다이오드 패키지와 달리 다수의 발광다이오드를 하나의 방열판을 통해서 방열할 수 있기 때문에 공정이 간단해지고 비용이 절감된다.
이하, 본 발명의 일실시예에 따른 발광다이오드용 적층 세라믹 방열판에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 실시예는 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 층 및 영역의 길이, 두께 등은 편의를 위해서 과장되어 표현될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 발광다이오드용 적층 세라믹 방열판의 단면도이며, 도 3은 도 2에 도시된 발광다이오드용 적층 세라믹 방열판을 구비한 발광 다이오드 조명의 사시도이며, 도 4는 도 3에 도시된 발광 다이오드 조명의 분해 사시도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 발광다이오드용 적층 세라믹 방열판(100)의 하부에는 발광다이오드가 실장되어 있는 회로기판(300)이 결합되며, 상부에는 렌즈(200)가 결합된다. 회로기판(300)의 하부에는 발광다이오드에서 발생한 열을 히트싱크(500)에 전달하기 위한 열확산판(400)이 결합한다. 본 발명의 일실시예에 따른 발광다이오드용 적층 세라믹 방열판(100)는 발광다이오드에서 발생한 열을 회로기판(300)의 하부에 위치하는 열확산판(400)에 효과적으로 전달하는 기능을 한다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 발광다이오드용 적층 세라믹 방열판(100)은 세라믹 몸체부(10), 캐비티 홀(20), 제1방열층(30) 및 방열 비아 홀(40)을 포함한다.
세라믹 몸체부(10)는 서로 평행한 상면과 하면을 구비한 판 형태를 이루고 있다.
캐비티 홀(20)은 세라믹 몸체부(10)를 관통하여 형성되어 있으며, 상면에서 하면으로 갈수록 캐비티 홀(20)의 폭이 좁아지도록 표면이 경사져있다. 발광다이오드에서 발생하는 빚은 반사하여 발광다이오드 조명의 광효율을 향상시키기 위한 것 이다. 캐비티 홀(20)의 표면에서 광반사 기능을 향상시키기 위해 금속으로 이루어진 반사층(60)을 형성한다. 캐비티 홀(20)의 깊이는 광반사 기능을 향상시키기 위해서 적절하게 변경될 수 있다.
제1방열층(30)은 세라믹 몸체부(10)의 표면과 평행하도록 형성되어 있으며, 일부분이 캐비티 홀(20)의 표면으로 노출되어 있다. 제1방열층(30)은 은과 같이 열전도도가 세라믹 몸체부(10)에 비해서 높은 재질로 이루어져 있다. 따라서 발광다이오드에서 발생한 열은 주로 제1방열층(30)을 따라서 확산되며, 열에 취약한 발광다이오드 칩과 회로기판(300)의 상부면으로는 잘 확산되지 않는다.
방열 비아 홀(40)은 세라믹 몸체부(10)의 하면에서 세라믹 몸체부(10)의 내부방향으로 연장되어 형성되어 있다. 방열 비아 홀(40)은 세라믹 몸체부(10)의 내부에서 제1방열층(30)과 교차하도록 형성되어 있다. 비아 홀의 내부에는 제2방열층(50)이 형성되어 있다.
제2방열층(50)은 제1방열층(30)과 마찬가지로 세라믹 몸체부(10)에 비해서 열전도도가 높은 재질로 이루어져 있다. 따라서 제1방열층(30)을 통해서 환산된 열은 제2방열층(50)을 따라서 세라믹 몸체부(10)의 하면 방향으로 선택적으로 방열된다. 세라믹 몸체부(10)의 열전도도가 제1방열층(30) 및 제2방열층(50)에 비해서 낮기 때문에 대부분의 열이 방열층(30, 50)을 따라 세라믹 몸체부(10)의 하부 방향으로 전달된다. 제1방열층(30)과 제2방열층(50)을 따라서 전달될 열은 회로기판(300), 열확산판(400) 및 히트싱크(500)를 거쳐서 방열된다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 발광다이오드용 적층 세라믹 방열판(100) 는 세라믹 몸체부(10)의 하면에서 내부를 향해서 형성되어 있는, 냉각핀 연결 홀(70)을 구비하고 있다. 냉각핀 연결 홀(70)에는 열확산판(400)에 형성되어 있는 냉각핀(370)이 삽입되어 회로기판(300)을 통하지 않고 직접 세라믹 몸체부(10)에서 열확산판(400)으로 연결할 수 있다. 냉각핀 연결 홀(70)도 방열 비아 홀(40)과 마찬가지로 제1방열층(30)과 연결될 수 있다. 냉각핀 연결 홀(70)은 냉각핀(370)과 결합하여 열을 열확산판(400)에 전달하는 기능과 세라믹 몸체부(10)와 회로기판(300) 및 열확산판(400)을 결합하는 기능을 한다.
본 발명의 일실시예에 따른 발광다이오드용 적층 세라믹 방열판(100)는 다음과 같은 방법으로 제조한다. 우선, 세라믹 파우더, 바인더 및 솔벤트 등을 혼합하여 슬러리를 제조한다. 제조된 슬러리를 PET필름이나 금속판 등에 코팅하여 세라믹 그린 시트를 제조한다. 방열 비아 홀(40)과 캐비티 홀(20)을 형성하기 위한 펀칭을 한다. 세라믹 그린 시트에 제1방열층(30)와 제2방열층(50)을 형성하기 위해 금속 분말, 바인더 및 솔벤트 등이 혼합된 금속 페이스트를 코팅한다. 이상의 공정을 거쳐서 필요한 홀이 형성되고, 방열층(30, 50)이 형성된 다수의 세라믹 그린 시트를 순서에 따라서 적층하여 그린 바를 만든다. 만들어진 그린 바를 압착하고, 필요한 크기로 절단한 후 가소 공정 및 소성 공정을 거쳐서 방열판을 제조한다. 이러한 제조방법은 동시소성기판의 일반적인 제조방법과 동일하므로 자세한 설명을 생략하기로 한다.
앞에서 설명되고, 도면에 도시된 본 발명의 일실시예는 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기 재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.
도 1은 종래의 발광다이오드 패키지를 나타낸 단면도
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 발광다이오드용 적층 세라믹 방열판의 단면도
도 3은 도 2에 도시된 발광다이오드용 적층 세라믹 방열판을 구비한 발광다이오드 조명의 사시도
도 4는 도 3에 도시된 발광 다이오드 조명의 분해 사시도이다.
<도면부호의 간단한 설명>
100 : 발광다이오드용 적층 세라믹 방열판
10 : 세라믹 몸체부 20 : 캐비티 홀
30 : 제1방열층 40 : 방열 비아 홀
50 : 제2방열층 60 : 반사층
70 : 냉각핀 연결 홀

Claims (7)

  1. 발광다이오드에서 발생한 열을 효율적으로 방출하기 위하여, 발광다이오드 칩이 실장되어 있는 회로기판과 결합하는 발광다이오드용 적층 세라믹 방열판에 있어서,
    회로기판과 접하는 제1면과 상기 제1면과 평행한 제2면을 구비한 세라믹 몸체부;
    상기 발광다이오드 칩이 삽입될 수 있도록, 상기 세라믹 몸체부의 제1면과 제2면을 관통하여 형성된 캐비티 홀;
    상기 캐비티 홀의 표면으로부터 상기 세라믹 몸체부의 내부를 향해, 상기 몸체부의 제1면에 평행하게 형성된 제1방열(放熱)층;
    상기 제1방열층과 교차하도록, 상기 몸체부의 제1면으로부터 상기 세라믹 몸체부의 내부를 향해 형성된 방열(放熱) 비아 홀; 및
    상기 방열 비아 홀의 내부에 형성된 제2방열층;
    을 포함하며,
    상기 제1방열층 및 제2방열층의 열전도도는 각각 상기 세라믹 몸체부의 열전도도보다 높은 것을 특징으로 하는 발광다이오드용 적층 세라믹 방열판.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 캐비티 홀은 상기 발광다이오드 칩에 가까워질수록 폭이 감소하도록 경 사진 것을 특징으로 하는 발광다이오드용 적층 세라믹 방열판.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 발광다이오드의 빛을 반사하도록, 상기 캐비티 홀의 표면에 형성된 반사층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드용 적층 세라믹 방열판.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 회로기판은 이를 관통하는 냉각핀을 구비하며,
    상기 냉각핀이 삽입되도록, 상기 세라믹 몸체부의 제1면으로부터 상기 세라믹 몸체부의 내부를 향해 형성된 냉각핀 연결 홀을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드용 적층 세라믹 방열판.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 냉각핀 연결 홀은 상기 제1방열층과 교차하도록 형성된 것을 특징으로 하는 발광다이오드용 적층 세라믹 방열판.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 반사층은 금속 층인 것을 특징으로 하는 발광다이오드용 적층 세라믹 방열판
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1방열층은 금속 층인 것을 특징으로 하는 발광다이오드용 적층 세라믹 방열판
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