KR101123241B1 - 고방열 특성을 갖는 발광 다이오드 모듈 및 그 제조 방법 - Google Patents

고방열 특성을 갖는 발광 다이오드 모듈 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

LED 소자와 히트 싱크를 열전도 물질(TIM)을 이용하여 직접 부착시킴으로써, 최소한의 열전도 경로를 갖는 고휘도 또는 고출력 LED 모듈을 제공할 수 있다. 히트 싱크는 컵 형상의 반사부를 갖는 상부 히트 싱크와, 전기 와이어가 삽입될 수 있는 오목한 홈을 갖는 하부 히트 싱크로 이루어지고, 하부 히트 싱크 위에 TIM을 이용하여 상기 LED 소자를 부착한다. 하부 히트 싱크의 상기 홈에 전기 와이어를 삽입하여 LED 소자를 전기적으로 연결하고, 상부 히트 싱크와 하부 히트 싱크를 TIM을 이용하여 접합한다.
LED, 고출력, 히트 싱크, 방열

Description

고방열 특성을 갖는 발광 다이오드 모듈 및 그 제조 방법{LED MODULE HAVING HIGH HEAT RADIATION PROPERTY AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 발광 다이오드(LED: Light Emitting Diode) 모듈(module)에 관한 것으로서, 특히, LED의 방열 효율을 향상시키기 위한 고출력 또는 고휘도 LED 모듈 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
LED는 순방향으로 전압을 가했을 때 발광하는 반도체 소자로서, 전광판과 같은 디스플레이 장치에 널리 사용되고 있다. 최근에는 백열등이나 형광등과 같은 조명기기를 대체할 수 있는 조명용 고휘도(HB: High Brightness) LED에 관한 연구가 많이 이루어지고 있다.
통상, 고휘도 LED는 넓게는 개당 1W급 이상의 LED를 의미하며, 좁게는 전반 조명(general lighting)용 LED를 의미하고 있다. LED의 광효율(lm/W)은 1990년대 초에 이미 백열등 수준이 가능했으며, 현재까지 꾸준히 증가하여 적용 분야의 폭이 계속 늘어나고 있다.
현재, 고휘도 LED에서는 입력 전력 증가에 따라 열 방출의 효율도 증가시켜야 하는 문제가 있으며, 이는 방열 문제와 밀접한 관계가 있다. 즉, 고휘도 LED는 작동 중에 상당한 온도 상승이 발생하게 되고, 이러한 온도 상승은 LED 광 효율 및 수명을 감소시켜, LED의 신뢰성을 떨어뜨리게 된다. 이와 같은 방열 문제는 LED 소자(chip) 뿐만 아니라, 이를 포함하는 모듈, 패키지(package) 및 최종 제품에서도 중요한 문제가 되고 있으며, 이를 해결하기 위한 여러 연구가 활발히 진행되고 있다.
도 1에 종래의 일반적인 고휘도 LED 모듈의 구조를 나타내었다.
도 1에서와 같이, 종래의 LED 모듈은, LED 소자(10), LED 소자(10)를 몰딩하는 투명 렌즈(20), 전기적 연결을 위한 와이어(30) 및 리드 프레임(40), LED 소자(10)를 실장하기 위한 다이 본딩(Die bonding)층(50), 열 방출을 위한 히트 슬러그(heat slug)(60), 솔더 패드(solder pad)(70) 등이 기판 위에 형성된 구조로 되어 있다.
기판은 절연층(dielectric layer)(80)과 금속층(metal layer)(90)으로 구성되는 금속 코어 인쇄회로기판(MC-PCB: Metal Core Printed Circuit Board)이 많이 사용되고 있으며, 다이 본딩용 소재로는 공정 솔더(eutectic solder)(Au-Sn)나 실버 에폭시(silver epoxy)가 많이 사용되고 있다.
기판의 하부에는 열 방출을 위해 히트 싱크(heat sink)(110)가 접합되어 있으며, 기판의 금속층(90)과 히트 싱크(110)의 접합을 위해, 열전도 물질(TIM: Thermal Interface Materials)(100)이 사용된다.
히트 싱크(110)의 소재로는 주로 알루미늄이 주로 사용되고 있으며, TIM(100)의 소재로는 상변화 물질(PCM: Phase Change Materials)이나 실버 페이스트(Ag paste) 등을 이용할 수 있다.
LED 모듈의 방열 특징 중 하나는, LED 소자의 위쪽으로는 형광체나 투명 렌즈로 인해 열 방출이 제한되기 때문에, 대부분의 열은 LED 소자의 아래쪽으로 전달되어 방출된다는 것이다. 즉, LED 모듈의 방열은 LED 소자의 아래 방향으로 열이 전도되는 현상에 의존하고 있다.
상기한 종래의 LED 모듈의 경우, LED 소자(10) - 다이 본딩층(50) - 히트 슬러그(60) - 솔더 패드(70) - 기판(80, 90) - TIM(100) - 히트 싱크(110)의 순으로, 열전도 경로(thermal path)를 이루고 있다.
이와 같이, LED 소자(10)로부터 히트 싱크(110) 사이에 형성되어 있는 여러 층들은 모두 LED 소자의 열 방출에 대한 저항체로서 작용하게 되므로, 방열 효율을 떨어뜨리게 된다. 즉, 종래의 LED 모듈은 매우 복잡한 여러 층들을 통과하여 열이 전달되는 구조로 되어 있으므로, 각 층을 이루는 물질들이 모두 직렬로 연결된 방열 저항체로 작용하게 되어, 열 저항이 크고 구조적으로 복잡하다는 단점이 있다.
이와 같은 종래의 열전달 구조의 문제점을 해결하기 위하여, MOAMP(Multichip On Aluminium metal plate)나 COB(chip on board)와 같은 기술을 적용하여, 열적 저항을 감소시키는 기술이 개발되고 있다, 그러나 이러한 기술에서도, LED의 방열 경로에 절연층이나 금속층 등의 다양한 재질의 물질들이 여전히 존재하고 있으므로, 열 방출의 효율을 증가시키는 데에는 한계가 있다.
본 발명은 상기한 종래의 LED 모듈에서의 방열 문제를 해결하고자 하는 것으로서, 최소한의 열전도 경로를 갖는 고휘도 또는 고출력 LED 모듈을 제공함으로써, LED 모듈의 방열 효율을 향상시키고, LED 제품의 수명 안정화 및 제조비용 의 감소를 달성하기 위한 것이다.
상기한 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 LED 소자를 포함하는 LED 모듈의 제조 방법은, 금속을 이용하여, 표면에 컵 형상의 반사부를 갖는 상부 히트 싱크를 성형하고, 또한 전기 와이어가 삽입될 수 있는 오목한 홈을 상기 LED 소자가 부착되는 부분의 양쪽에 갖는 하부 히트 싱크를 성형하는 단계와, 상기 성형된 하부 히트 싱크 위에 열전도 물질(TIM)을 이용하여 상기 LED 소자를 부착하는 단계와, 상기 하부 히트 싱크의 상기 홈에 전기 절연 물질을 도포하거나, 혹은 상기 전기 와이어를 전기 절연 물질로 피복하는 단계와, 상기 전기 와이어를 상기 홈에 삽입하여 상기 LED 소자에 연결시킴으로써 상기 LED 소자가 상기 전기 와이어를 통해 외부와 전기적으로 연결될 수 있게 하고, 상기 상부 히트 싱크와 상기 하부 히트 싱크를 열전도 물질(TIM)을 이용하여 접합하는 단계를 포함한다.
상기 본 발명의 따른 LED 모듈의 제조 방법에서, 상기 상부 히트 싱크와 상기 하부 히트 싱크를 접합하는 열전도 물질(TIM)의 두께가 상기 와이어의 지름보다 클 경우에는, 상기 와이어를 절연하는 단계를 생략할 수 있다.
또한, 상기 성형된 상부 히트 싱크의 반사부 위에, 형광체층을 형성하는 단계를 더 포함할 수도 있다.
한편, 상기한 과제를 달성하기 위한, 본 발명에 따른 LED 모듈은, 금속 재질로 형성되고, 컵 형상의 반사부를 갖는 상부 히트 싱크와, 금속 재질로 형성되고, 전기 와이어가 삽입될 수 있는 오목한 홈을 갖는 하부 히트 싱크와, 열전도 물질(TIM)을 이용하여, 상기 하부 히트 싱크의 반사부 위에 직접 접착되어 있는 LED 소자와, 상기 하부 히트 싱크의 홈에 삽입되어, 상기 LED 소자를 전기적으로 연결하는 전기 와이어를 포함한다.
또한, 상기 LED 모듈에서, 상기 하부 히트 싱크의 상기 홈은 전기 절연 물질로 도포되어 있거나, 혹은 상기 전기 와이어는 전기 절연 물질로 피복될 수도 있다.
또한, 상기 LED 모듈에서, 상기 상부 히트 싱크의 반사부 위에 형광체층이 형성되어 있을 수도 있으며, 상기 상부 히트 싱크 및 하부 히트 싱크는 알루미늄 또는 구리 재질로 하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 LED 모듈은, LED 소자를 히트 싱크에 직접 실장함으로써, LED 모듈에서의 열 저항을 최소화시킬 수 있다. 즉, LED 소자로부터 히트 싱크까지의 열전도 경로를 최소화시켜, LED 모듈을 방열 효율을 극대화할 수 있다.
또한, 히트 싱크를 상부와 하부로 나누고 그 사이에 오목한 홈을 형성함으로 써, LED 소자를 전기적 연결을 용이하게 할 수 있다.
또한, 절연층 및 기판 등을 필요로 하지 않으므로, LED 모듈의 제조비용도 감소시킬 수 있다.
따라서 조명용 LED 모듈의 고출력화 및 고휘도화를 달성할 수 있으며, LED 제품의 신뢰도 및 제품 수명을 향상시킬 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명한다.
도 2에 본 발명에 따른 방열 구조를 갖는 LED 모듈을 개략적으로 도시하였다.
도 2에서, (a)는 LED 모듈의 상부 히트 싱크를 위쪽에서 본 평면도이고, (b)는 LED 모듈의 종단면도이고, (c)는 LED 모듈의 하부 히트 싱크를 위쪽에서 본 평면도이다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 LED 모듈은 LED 소자(200)가 금속 히트 싱크 위에 직접 실장된 구조로 되어 있다.
히트 싱크는 상부 히트 싱크(230)와 하부 히트 싱크(240)로 이루어져 있으며, 열 전도성이 높은 구리나 알루미늄으로 하는 것이 바람직하다. LED 소자(200)는 하부 히트 싱크(240) 위에 부착되며, LED 소자(200)와 하부 히트 싱크(240) 사이에 TIM(220)이 형성되어, 이들을 접합시킨다.
TIM(220)은 열전도 물질로서 전기 절연성도 갖는다. TIM(220)은 방열 그리스(Thermal Grease), 방열 에폭시 접착제(Thermal Bond), 방열 패드(Thermally Conductive Silicone Pad), 방열 테이프(Thermally Conductive Adhesive Tape), 그라파이트 시트(Graphite Sheet), PCM(Thermally Conductive Phase Change Material) 등을 사용할 수 있다.
상부 히트 싱크(230)는 LED 소자(200)로부터 방출되는 광의 지향각을 조절할 수 있는 컵 형상의 반사부가 형성되어 있으며, 상기 반사부의 중앙에 LED 소자(200)가 접착된다. 반사 성능을 더 향상시키기 위해, 상기 컵 형상의 반사부 위에 형광체층(도시하지 않음)을 더 형성할 수도 있다. 또한, 상기 반사부 위에 에폭시 돔(epoxy dome)(도시하지 않음)을 형성하여 지향성을 더 향상시킬 수도 있다.
하부 히트 싱크(240)에는 오목한 홈(350)이 LED 소자(200)의 부착 부분으로부터 양쪽으로 형성되어 있다. 상기 홈(250)은 LED 소자의 전기적 연결을 위한 와이어(wire)(210)가 삽입되는 경로이다. 상기 와이어(210)와 히트 싱크(230, 240)와의 전기적 절연을 위하여, 상기 와이어(210)를 피복하여 사용하거나, 상기 홈(250)에 전기 절연 물질을 도포할 수 있다.
상기 상부 히트 싱크(230)와 하부 히트 싱크(240)는 TIM 등을 이용하여 접합되어 있다. 상부 히트 싱크(230)와 하부 히트 싱크(240)를 접합하는 TIM의 두께가 충분할 경우, 상기 와이어(210)는 피복되지 않은 것을 사용할 수도 있다. 즉, 상기 TIM의 두께가 상기 와이어(210)의 지름보다도 충분히 크면, TIM에 의해 상기 와이어(210)와 히트 싱크(230, 240)가 자연적으로 절연될 수 있기 때문이다.
본 발명에 따른 LED 모듈은, 상기와 같이 히트 싱크(240)에 LED 소자(200)가 직접 부착되는 COH(Chip On Heat-sink) 구조이므로, LED 모듈에서의 열 저항을 최소화시킬 수 있다. 즉, LED 소자(200)로부터 히트 싱크(240)까지의 열 저항체의 수를 1개로 줄인 열전도 경로를 달성함으로써, 방열 효율을 현저히 높일 수 있다. 또한, 히트 싱크의 상부와 하부 사이에 형성한 홈을 이용함으로써, LED 소자를 전기적 연결을 용이하게 할 수 있다.
이하에서는, 도 3을 참조하여 상기한 본 발명에 따른 LED 모듈의 제조방법에 대해 설명한다.
먼저, 열 전도성이 높은 금속을 이용하여 상부 히트 싱크(230) 및 하부 히트 싱크(240)를 성형한다(단계 1). 상기 상부 히트 싱크(230)에는 LED 소자(200)로부터 방사되는 광의 지향각을 자유롭게 조절할 수 있는 컵 형상의 반사부를 형성한다. 필요에 따라, 상부 히트 싱크(230)의 컵 형상 반사부에 형광체를 접착하거나, 지향성 향상을 위한 에폭시 돔을 접합할 수도 있다. 상기 하부 히트 싱크(240)에는 전기 와이어(210)가 삽입되는 오목한 홈(250)을, LED 소자(200)가 부착되는 부분의 양쪽에 형성한다.
다음으로, 상기 성형된 하부 히트 싱크(240) 적절한 TIM(220) 물질을 이용하여 LED 소자(200)를 부착한다(단계 2).
다음으로, 상기 하부 히트 싱크(240)의 홈(250)에 전기 절연 물질을 도포하거나, 혹은 상기 전기 와이어(210)를 전기 절연 물질로 피복한다(단계 3).
다음으로, 상기 전기 와이어(210)를 상기 홈(250)에 삽입하여 상기 LED 소자(200)에 연결시킴으로써 상기 LED 소자가 상기 전기 와이어를 통해 외부와 전기적으로 연결될 수 있게 하고, 상기 상부 히트 싱크(230)와 하부 히트 싱크(240)를 TIM을 사용하여 접합한다(단계 4).
이 때, 상기 상부 히트 싱크(230)와 하부 히트 싱크(240)을 접합하는 TIM의 두께가 상기 와이어(210)를 절연시킬 수 있을 만큼 충분할 경우, 상기 단계 3은 생략할 수도 있다. 즉, 상기 상부 히트 싱크(230)와 하부 히트 싱크(240)를 접합하는 TIM의 두께를 상기 와이어(210)의 지름보다 크게 하면, 상기 TIM에 의해 상기 와이어(210)와 상기 히트 싱크(230, 240)가 절연될 수 있으므로, 상기 와이어(210)를 별도로 절연시킬 필요가 없다.
상기와 같은 방법으로 사용함으로써, LED 소자(200)와 히트 싱크(240) 사이의 열전도 경로를 최소화한 COH(Chip On Heat-sink) 구조의 LED 모듈을 제작할 수 있다.
본 발명은 상기한 바람직한 실시예와 첨부한 도면을 참조하여 설명되었지만, 본 발명의 개념 및 범위 내에서 상이한 실시예를 구성할 수도 있다. 따라서 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위에 의해 정해지며, 본 명세서에 기재된 특정 실시예에 의해 한정되지 않는 것으로 해석되어야 한다.
도 1은 종래의 LED 모듈의 구조를 나타내는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 LED 모듈의 구조를 나타내는 개략도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 LED 모듈의 제조 방법을 나타내는 흐름도이다.

Claims (7)

  1. LED(Light Emitting Diode) 소자를 포함하는 LED 모듈의 제조 방법에 있어서,
    금속을 이용하여, 표면에 컵 형상의 반사부를 갖는 상부 히트 싱크를 성형하고, 또한 전기 와이어가 삽입될 수 있는 오목한 홈을 상기 LED 소자가 부착되는 부분의 양쪽에 갖는 하부 히트 싱크를 성형하는 단계와,
    상기 성형된 하부 히트 싱크 위에 열전도 물질(TIM)을 이용하여 상기 LED 소자를 부착하는 단계와,
    상기 하부 히트 싱크의 상기 홈에 전기 절연 물질을 도포하거나, 혹은 상기 전기 와이어를 전기 절연 물질로 피복하는 단계와,
    상기 전기 와이어를 상기 홈에 삽입하여 상기 LED 소자에 연결시킴으로써 상기 LED 소자가 상기 전기 와이어를 통해 외부와 전기적으로 연결될 수 있게 하고, 상기 상부 히트 싱크와 상기 하부 히트 싱크를 열전도 물질(TIM)을 이용하여 접합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 모듈의 제조 방법.
  2. LED 소자를 포함하는 LED 모듈의 제조 방법에 있어서,
    금속을 이용하여, 표면에 컵 형상의 반사부를 갖는 상부 히트 싱크를 성형하고, 또한 전기 와이어가 삽입될 수 있는 오목한 홈을 상기 LED 소자가 부착되는 부분의 양쪽에 갖는 하부 히트 싱크를 성형하는 단계와,
    상기 성형된 하부 히트 싱크 위에 열전도 물질(TIM)을 이용하여 상기 LED 소자를 부착하는 단계와,
    상기 전기 와이어를 상기 홈에 삽입하여 상기 LED 소자에 연결시킴으로써 상기 LED 소자가 상기 전기 와이어를 통해 외부와 전기적으로 연결될 수 있게 하고, 상기 와이어의 지름보다 큰 두께의 열전도 물질(TIM)을 이용하여 상기 상부 히트 싱크와 하부 히트 싱크를 접합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 모듈의 제조 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 성형된 상부 히트 싱크의 반사부 위에, 형광체층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 모듈의 제조 방법.
  4. 금속 재질로 형성되고, 컵 형상의 반사부를 갖는 상부 히트 싱크와,
    금속 재질로 형성되고, 전기 와이어가 삽입될 수 있는 오목한 홈을 갖는 하부 히트 싱크와,
    열전도 물질(TIM)을 이용하여, 상기 하부 히트 싱크의 반사부 위에 직접 접착되어 있는 LED 소자와,
    상기 하부 히트 싱크의 홈에 삽입되어, 상기 LED 소자를 전기적으로 연결하는 전기 와이어를 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 모듈.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 하부 히트 싱크의 상기 홈에 전기 절연 물질이 도포되어 있거나, 혹은 상기 전기 와이어는 전기 절연 물질로 피복되어 있는 것을 특징으로 하는 LED 모듈.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 상부 히트 싱크의 반사부 위에 형성된 형광체층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 모듈.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 상부 히트 싱크 및 하부 히트 싱크는 알루미늄 또는 구리 재질로 된 것을 특징으로 하는 LED 모듈.
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