KR101115403B1 - 발광 장치 - Google Patents

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    • Y10S362/80Light emitting diode

Abstract

본 개시는 구동전원이 인가되면 발광하는 몸체부 및 몸체부에 형성되어 구동전원을 인가 받는 전극부를 포함하는 발광 소자(light emitting element)와, 몸체부에 대응하여 제 1면으로부터 제1 면과 대향하는 제2 면까지 관통하는 관통홀이 형성된 절연판, 제1 면에 형성되어 발광 소자와 전기적으로 연결된 전원 전달 패턴 및 관통홀에 채워져 발광 소자에서 발생된 열을 외부로 방출하는 방열부를 갖는 회로 기판을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 장치에 관한 것이다.

Description

발광 장치{LIGHT EMITTING APPARATUS}
본 개시는 전체적으로 발광 장치에 관한 것으로, 특히 방열 효율이 향상된 발광 장치에 관한 것이다.
여기서는, 본 개시에 관한 배경기술이 제공되며, 이들이 반드시 공지기술을 의미하는 것은 아니다(This section provides background information related to the present disclosure which is not necessarily prior art).
일반적으로, 발광다이오드(LED; Light Emitting Diode) 조명 장치 또는 표시장치 등과 같은 전자 장치에서 전자 부품들은 인쇄 회로 기판(printed circuit board) 상에 장착되어 서로 전기적으로 연결되며, 다른 전기 시스템에 접속된다.
인쇄 회로 기판은 에폭시 수지 절연판 또는 패놀 수지 절연판 같은 절연판의 일면 또는 양면에 구리 등의 금속 박판을 부착시킨 후, 금속 박판을 패터닝하여 신호 전달을 위한 회로패턴을 형성하고, 부품들을 탑재하기 위한 홀(hole)을 형성하여 제작된다.
최근에는, 모바일 기기 및 디스플레이 장치 등의 전자제품들의 경박단소화가 급격히 진행됨에 따라 다층 및 다기능을 가진 인쇄회로기판이 널리 사용되고 있다. 특히, LED 조명, LED 백라이트 유닛(back light unit), 열전 소자, 고출력 반도체 소자, PDP용 파워모듈 및 오디오 파워모듈 분야에서는 발열로 인한 문제들이 가장 중요한 해결 과제가 되고 있다. 따라서 전술된 장치들이 효과적인 방열구조를 갖도록 하는 것이 장치의 신뢰성에 매우 중요하다.
LED 소자 등에서 발열문제를 효과적으로 해결하기 위해 대표적으로 금속 인쇄 회로 기판(metal printed circuit board; metal PCB)이 사용되고 있다. 금속 인쇄 회로 기판은 방열효과를 극대화하기 위한 특수기판으로서, 열도율이 좋은 알루미늄(Al), 구리(Cu) 또는 철합금(Fe alloy)이 베이스로 사용된다. 구리 박판을 사용하여 회로층이 형성되며, 금속 재질의 베이스와 회로층을 접합하기 위해 진공 가압 열처리된 에폭시 수지 절연층이 사용되고 있다. 에폭시 수지 절연층에는 열전도도를 높이기 위해 세라믹 충진재(filler)가 약 30-50% 정도 첨가되어 있다.
그러나 에폭시 수지에 세라믹 충진재를 고르게 분산하는 것이 기술적으로 매우 어렵고, 제조 공정이 매우 복잡하다. 따라서 절연층의 가격이 높아지는데 비해 충분한 열전도 특성을 얻을 수 없는 문제점이 있다. 또한, 베이스가 금속층이기 때문에 회로층과 베이스 간에 캐패시턴스가 형성되고 절연파괴 전압을 상승시키는데 문제점이 있는 것으로 알려져 있다.
한편, FR-4(Flame retardant) 인쇄 회로 기판이 부품 실장을 위해 널리 사용되고 있다. FR-4 인쇄회로기판에는 유리섬유에 에폭시를 함침한 절연층과 구리 박판(foil)을 가압 열처리하여 사용하고 있다. FR-4 인쇄회로기판은 금속 인쇄회로기판에 비하여 매우 저렴하며, 에폭시 재질의 베이스를 사용하므로 절연파괴 전압이 충분히 커서 절연성이 좋은 장점이 있다.
그러나, FR-4 인쇄회로기판의 절연층의 열전도도는 대략 0.2 W/mK 정도로 매우 낮으며, 고출력의 LED를 실장하여 사용하기는 어려운 것으로 알려져 있다. 따라서 FR-4 인쇄회로기판과 같이 저렴하고 절연성이 우수하면서도 효과적인 방열 구조를 갖는 인쇄회로기판의 설계가 요구된다. 특히, LED와 같은 부품에서 생성된 열이 방출되기 위해 거치는 부재들의 개수를 감소시키는 것이 중요한 기술적 문제가 되고 있다.
이에 대하여 '발명의 실시를 위한 구체적인 내용'의 후단에 기술한다.
여기서는, 본 개시의 전체적인 요약(Summary)이 제공되며, 이것이 본 개시의 외연을 제한하는 것으로 이해되어서는 아니된다(This section provides a general summary of the disclosure and is not a comprehensive disclosure of its full scope or all of its features).
본 개시에 따른 일 태양에 의하면(According to one aspect of the present disclosure), 구동전원이 인가되면 발광하는 몸체부 및 몸체부에 형성되어 구동전원을 인가 받는 전극부를 포함하는 발광 소자와, 몸체부에 대응하여 제 1면으로부터 제1 면과 대향하는 제2 면까지 관통하는 관통홀이 형성된 절연판, 제1 면에 형성되어 발광 소자와 전기적으로 연결된 전원 전달 패턴 및 관통홀에 채워져 발광 소자에서 발생된 열을 외부로 방출하는 방열부를 갖는 회로 기판을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 장치가 제공된다.
이에 대하여 '발명의 실시를 위한 구체적인 내용'의 후단에 기술한다.
도 1A, 도 1B 및 도 1C는 실시예 1에 따른 발광 장치의 일 예를 제조하는 방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 2는 도 1A, 도 1B 및 도 1C에서 설명된 회로 기판을 사용하여 제조된 발광 장치의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 3은 실시예 2에 따른 발광 장치를 나타내는 도면이다.
도 4는 실시예 3에 따른 발광 장치를 나타내는 도면이다.
이하, 본 개시를 첨부된 도면을 참고로 하여 자세하게 설명한다(The present disclosure will now be described in detail with reference to the accompanying drawing(s)).
도 1A, 도 1B 및 도 1C는 실시예 1에 따른 발광 장치의 일 예를 제조하는 방법을 설명하기 위한 도면들이다.
실시예 1에 따른 발광 장치는 발광 소자(light emitting element) 및 회로 기판(101)을 포함한다. 회로 기판은 절연판(110), 전원 전달 패턴(130) 및 방열부(150)를 포함한다.
발광 장치의 제조를 위해, 먼저, 도 1에 도시된 것과 같은 절연판(110)을 준비한다. 절연판(110)은 서로 대향하는 제1 면(111) 및 제2 면(113)을 포함한다. 예를 들어, 절연판(110)은 유리섬유에 에폭시를 함침하여 제조될 수 있다. 절연판(110)의 제1 면(111) 위에 구리 박판(foil)을 가압 열처리 방법으로 합착시킬 수 있다. 구리 박판이 포토 공정 등의 방법으로 패터닝되어 전원 전달 패턴(130)이 형성된다. 구리 박판의 패터닝은 포토 공정 이외의 방법으로도 실시될 수 있다.
실시예 1에서 회로 기판(101)은 양면 실장형 기판일 수 있다. 이 경우, 도 1B에 도시된 것과 같이 절연판(110)의 제2 면(113)에도 구리 박판을 사용하여 전원 전달 패턴(130)이 형성될 수 있다.
절연판(110) 및 전원 전달 패턴(130)의 결합체를 절연 기판으로 정의한다. 절연 기판은 통상적으로 FR-4(Flame retardant) 인쇄 회로 기판으로 불리는 기판과 실질적으로 유사할 수 있다. FR-4(Flame retardant) 인쇄 회로 기판 등 인쇄회로기판의 제조방법에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 1B에 도시된 것과 같이, 절연 기판에 제1 면(111)으로부터 제2 면(113)까지 관통하는 관통홀(115)이 형성된다. 관통홀(115)은 CNC(Computer Numerical Control) 장비 또는 드릴링 장비 또는 레이저 드릴링 장비를 이용하여 필요한 위치에 형성된다. 관통홀(115)은 후술될 발광 소자가 실장되는 위치에 대응하여 다수가 형성될 수 있다. 관통홀(115)은 적어도 발광 소자에 대응하는 개수로 형성되며, 발광 소자에 대응하는 위치 이외의 위치에도 더 형성될 수 있다.
일반적인 FR-4(Flame retardant) 인쇄 회로 기판에서는 관통홀(115) 내주면에 구리 등의 금속으로 도금하며 제1 면(111) 및 제2 면(113)에 형성된 전원 전달 패턴(130)들을 전기적으로 연결하는 공정이 추가로 수행된다. 그러나, 실시예 1에 따른 발광 장치에서는 절연 기판에 형성된 관통홀(115)의 내주면을 구리로 도금하는 도금 공정이 생략될 수 있다. 따라서 절연 기판 상태에서 제1 면(111) 및 제2 면(113)에 형성된 전원 전달 패턴(130)은 전기적으로 분리되어 있을 수 있다.
실시예 1에서 절연판(110)은 절연파괴 전압이 매우 커서 제1 면(111) 및 제2 면(113)에 형성된 전원 전달 패턴(130)들 사이에 형성되는 캐패시턴스를 거의 무시할 수 있다. 따라서 금속 인쇄회로기판 사용시 문제될 수 있는 절연파괴 전압을 충분히 상승시킬 수 있어서 고출력 발광 소자를 사용할 수 있다.
계속해서, 관통홀(115)에 방열부(150)를 형성한다. 예를 들어, 도전성 물질, 바람직하게는 전원 전달 패턴(130)을 이루는 재질과 동일한 도전성 물질로 관통홀(115)을 충진하여, 도 1C에 도시된 것과 같이, 방열부(150)를 형성한다. 실시예 1에서 방열부(150)는 제1 면(111) 및 제2 면(113)에 형성된 전원 전달 패턴(130)과 전기적으로 연결되도록 형성된다. 예를 들어, 도 1C에 도시된 것과 같이, 방열부(150)는 제1 면(111) 및 제2 면(113)에 형성된 전원 전달 패턴(130) 위로 연장될 수 있다. 따라서 방열부(150)는 제1 면(111) 및 제2 면(113)에 형성된 전원 전달 패턴(130)을 전기적으로 연결한다.
관통홀(115)에 방열부(150)를 형성하기 위해 플러깅(plugging) 기술을 이용하여 관통홀(115)에 도전성 물질을 충진할 수 있다. 플러깅 기술을 적용하는 경우, 관통홀(115)에 전기 전도성이 있는 금속 페이스트를 프린팅하여 채워 넣는다. 이후, 관통홀(115)에 채워진 금속 페이스트를 열처리하는 공정을 포함한다. 플러깅 기술에 대한 더 이상의 상세한 설명은 생략한다. 물론 PTH(Plated Through Hole) 기술 등 플러깅 기술 이외의 방법으로도 방열부(150)가 형성될 수 있으며, 형성하는 방법에는 제한이 없다. 방열층의 산화를 막기 위해 플럭스 처리 또는 금도금을 추가로 행할 수 있다.
도 2는 도 1A, 도 1B 및 도 1C에서 설명된 회로 기판을 사용하여 제조된 발광 장치의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 전술된 것과 같이 제조된 회로 기판(101)의 제1 면(111) 위에 발광 소자(170)를 표면 실장(surface mounting)한다. 발광 소자는 LED 패키지일 수 있다. 발광 소자는 몸체부(171), 제1 리드 전극(173) 및 제2 리드 전극(175)을 포함할 수 있다. 몸체부(171)는 발광칩을 포함하며, 몸체부(171)의 하면으로 방열을 위한 히트슬러그가 노출될 수 있다.
전원 전달 패턴(130)을 보호하기 위해 솔더레지스트(solder resist)로 불리는 절연층(도시되지 않음)이 발광 소자(170)의 실장 전에 형성될 수 있다. 솔더레지스트는 방열부(150) 및 제1 리드 전극(173) 및 제2 리드 전극(175)이 접속될 전원 전달 패턴(130)을 노출시킨다.
발광 소자(170)의 몸체부(171)는 방열부(150) 바로 위에 배치되며, 몸체부(171)에 형성된 히트슬러그는 방열부(150)에 직접 접촉될 수 있다. 제1 리드 전극(173) 및 제2 리드 전극(175)은 솔더링 또는 초음파 접합 등 방법으로 전원 전달 패턴(130)에 접합될 수 있다.
방열부(150)는, 도 2에 도시된 것과 같이, 전원 전달 패턴(130)에 전기적으로 연결되어 전기 신호, 예를 들어, 발광 소자(170)의 구동전원 전달 통로가 될 수 있다.
이후, 방열 시트 또는 방열 테이프와 같은 방열 부재(160)를 제2 면(113)에 부착한다. 방열 부재(160)는 제2 면(113)에 형성된 전원 전달 패턴(130) 및 제2 면(113)으로 노출된 방열부(150)에 접한다.
발광 소자(170)의 몸체부(171)가 직접 방열부(150)에 접촉된다. 따라서 발광 소자(170)와 방열 부재(160) 사이에 수지(resin) 재질의 절연층 등을 경유하지 않고 열전도성이 우수한 금속재질로 형성된 방열부(150)를 통해 직접 열이 전달된다. 따라서 발광 소자(170)로부터 발생된 열이 신속하게 방열부(150)를 통해 제2 면(113)에 부착된 방열 부재(160)로 전달되어 외부로 방출될 수 있다. 방열부(150)는 제2 면(113)에 형성된 전원 전달 패턴(130)과 연결되어 있기 때문에 방열 효율이 더욱 향상된다. 따라서 발광소자의 발광 효율이 시간이 지남에 따라 저하되지 않고, 발광 소자(170) 및 발광 장치의 수명이 향상된다.
도 3은 실시예 2에 따른 발광 장치를 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 실시예 2의 발광 장치는 발광 소자(370)의 타입을 제외하고는 도 1A, 1B, 도 1C 및 도 2에서 설명된 발광 장치와 실질적으로 동일 유사하다. 따라서 대응하는 요소에는 대응하는 참조번호를 부여하고 중복된 설명은 생략한다.
도 3에 도시된 발광 장치에서, 발광 소자(370)는 수직형 LED 소자로서 제1 전극(373)이 몸체부(371)의 하면에 형성되어 있다. 따라서 몸체부(371)는 방열부(350)의 바로 위에 배치되며, 제1 전극(373)은 충분한 면적을 갖고서 방열부(350)에 접하게 배치된다. 따라서 방열부(350)는 제1 전극(373)에 구동전원을 인가하는 전극으로 기능한다. 몸체부(371)의 상면에는 제2 전극(375)이 형성되어 있다. 제2 전극(375)은 제1 면(311)에 형성된 전원 전달 패턴(330)에 와이어에 의해 전기적으로 연결되어 있다.
몸체부(371)로부터 발생된 열은 절연성 재질을 통과하지 않고 직접적으로 제1 전극(373)-방열부(350)-방열부재를 통해 외부로 방출된다.
도 4는 실시예 3에 따른 발광 장치를 나타내는 도면이다.
도 4를 참조하면, 실시예 3에 따른 발광 장치는 방열부(550)가 전원 전달 패턴(530)과 전기적으로 절연된 것을 제외하고는 도 1A, 1B, 1C 및 도 2에서 설명된 발광 장치와 실질적으로 동일 유사하다. 따라서 대응하는 요소에는 대응하는 참조번호를 부여하고 중복된 설명은 생략한다.
도 4에 도시된 발광 장치에서 방열부(550)는 제1 면(511) 및 제2 면(513)에 형성된 전원 전달 패턴(530)과 전기적으로 절연되어 있다. 절연 기판에는 도통홀(through hole)(517)이 형성되어 있다. 도통홀(517)의 내주면은 도전성 물질로 도금되어 있다. 따라서 제1 면(511) 및 제2 면(513)에 형성된 전원 전달 패턴(530)은 도통홀(517) 내주면에 형성된 도전층에 의해 서로 전기적으로 연결되어 있다.
발광 소자(570)의 몸체부(571)는 방열부(550)에 직접 접하게 배치된다. 제1 리드 전극(573) 및 제2 리드 전극(575)은 제1 면(511)에 형성된 전원 전달 패턴(530)에 전기적으로 연결되어 있다.
실시예 3의 경우, 방열부(550)가 전기 신호 전달 통로로서 부적합한 전기전자 장치에 유용하게 적용될 수 있다. 전기 신호의 전달은 별도로 형성된 도통홀(517)을 통해 이루어 지며, 방열부(550)는 발광 소자(570)와 방열 부재(560)를 직접 연결하는 열전달 통로로 기능한다.
이하, 본 개시의 다양한 실시 형태에 대하여 설명한다.
(1) 전술된 실시예 들에서, 방열부 위에 배치되는 전자 부품의 예로 LED를 설명하였지만, 이에 한정되지 않고 방열부 위에는 고출력 반도체 소자, PDP용 파워모듈 및 오디오 파워모듈의 전기 소자 등 다양한 전자 부품이 배치될 수도 있다.
(2) 전술될 실시예들과 다르게, 제1 면 및 제2 면에 형성된 전원 전달 패턴을 전기적으로 연결하기 위해 관통홀의 내주면을 구리 도금하는 공정이 추가될 수 있다. 이 경우, 방열부는 내주면이 구리 도금된 관통홀에 형성된다.
(3) 전술된 실시예들에서, 회로 기판의 제1 면에만 LED가 도시되어 있지만, 이에 한정되지 않고, 전자 부품은 제2 면에도 실장될 수 있다. 이 경우, 방열 부재는 제2 면에 실장된 전자 부품을 제외한 영역에만 부착될 수도 있다.
본 개시에 따른 발광 장치에 의하면, 방열 효율이 향상되어 성능 및수명이 증가된 발광 장치를 제공할 수 있다. 따라서 본 개시에 따른 발광 장치는 LED 조명, LED 백라이트 유닛(back light unit), 열전 소자, 고출력 반도체 소자, PDP용 파워모듈 및 오디오 파워모듈 등의 분야에서 발열로 인한 문제들을 해결하는 데에 적용될 수 있다.
115 : 관통홀 130 : 전원 전달 패턴
150 : 방열부 170 : 발광 소자

Claims (6)

  1. 제 1면 및 제1 면과 대향하는 제2 면을 포함하며, 제1 면으로부터 제2 면까지 관통하는 관통홀이 형성된 절연판과, 제1 면 및 제2 면에 각각 분리되게 형성된 전원 전달 패턴과, 관통홀에 채워지며 제1 면 및 제2 면에 형성된 전원 전달 패턴을 전기적으로 연결하는 방열부를 갖는 회로 기판; 및
    회로기판의 외부에서 제1 면측에서 방열부 위에 위치하며 구동전원이 인가되면 발광하는 몸체부와, 몸체부에 구비되며 제1 면측의 전원 전달 패턴과 전기적으로 연결되어 구동전원을 인가받는 전극부를 포함하는 발광 소자;를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서, 발광 소자의 몸체부는 방열부에 접하는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  4. 청구항 3에 있어서, 제2 면에 형성된 전원 전달 패턴 및 방열부에 접하는 시트(sheet) 형상의 방열 부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  5. 청구항 1에 있어서, 전극부는 몸체부의 하면에 형성되며, 전극부는 방열부에 접하는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  6. 제 1면 및 제1 면과 대향하는 제2 면을 포함하며, 제1 면으로부터 제2 면까지 관통하는 관통홀이 형성된 절연판과, 제1 면에 형성된 전원 전달 패턴과, 관통홀에 채워진 방열부를 갖는 회로 기판; 및
    회로기판의 외부에서 방열부 위에 위치하며 구동전원이 인가되면 발광하는 몸체부와, 몸체부에 구비되며 전원 전달 패턴과 전기적으로 연결되어 구동전원을 인가받는 전극부를 포함하는 발광 소자;를 포함하며,
    방열부는 전원 전달 패턴과 전기적으로 절연되며, 절연판에는 제1 면으로부터 제2 면까지 관통하는 도통홀(through hole)이 더 형성되고, 전원 전달 패턴은 도통홀의 내주면 및 제2 면으로 연장되어 형성된 것을 특징으로 하는 발광 장치.
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