KR101248607B1 - 열우물을 이용한 방열구조를 가지는 led 어레이 모듈 - Google Patents

열우물을 이용한 방열구조를 가지는 led 어레이 모듈 Download PDF

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Abstract

LED 패키지로부터 발생하는 열을 전달하는 열전달선로를 인쇄회로기판상에 형성하고, 방열판을 인쇄회로기판의 측면으로 결합시켜 인쇄회로기판의 측면에 결합되는 방열판에 열우물을 형성한 LED 어레이 모듈이 개시된다. 본 발명의 열우물을 이용한 방열구조를 가지는 LED 어레이 모듈은 LED 패키지의 열이 열전달선로를 통하여 열우물에 의하여 발산되도록 하여 열방출효율을 향상시켰을 뿐만 아니라 열전달경로를 수평적으로 형성함으로써 열방출구조를 간단하게 하고 그럼으로써 제조를 용이하게 한다.

Description

열우물을 이용한 방열구조를 가지는 LED 어레이 모듈{LED Array Module Having Heat Sink Structure Using Heat Well}
본 발명은 열우물을 이용한 방열구조를 가지는 LED 어레이 모듈에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, LED 패키지로부터 발생하는 열을 전달하는 열전달선로를 인쇄회로기판상에 형성하고, 방열판을 인쇄회로기판의 하면 및 측면으로 결합시켜 인쇄회로기판의 측면으로 결합하는 방열판에 열우물을 형성함으로써 LED 패키지의 열이 열전달선로를 통하여 열우물에 의하여 발산되도록 하여 열방출효율을 향상시킨 열우물을 이용한 방열구조를 가지는 LED 어레이 모듈에 관한 것이다.
LED 램프는 낮은 소비전력, 긴 수명 등과 같은 경제적 특성 및 환경친화적 특성에 의하여 백열등, 형광등, 메탈할라이드 램프 등을 대체해 가고 있는 추세이다. 그런데 LED 램프는 투입된 전기적 에너지의 약 20% 정도만이 빛으로 외부에 방출되어 활용되고 나머지 80%는 열로서 방출된다. 이러한 열을 적절하게 방출시키지 않으면 LED 소자의 광변환효율이 저하하고 수명이 단축되는 등의 문제가 발생한다.
구체적으로 도 5는 특허등록 제10-1049698호(2011. 07. 11. 등록)에서 종래기술로서 도시된 통상적인 LED 어레이 모듈을 나타낸 것으로서, 여기에서 인용한다. 도 5를 참조하면, LED 칩(9)은 방열 슬러그(Heat Slug; 8) 상에 실장되고, 투명렌즈를 포함하는 플라스틱 봉지재(10)에 의하여 둘러싸임으로써 LED 패키지가 형성된다. LED패키지에서 LED 칩(9)의 캐소드 및 애노드와 전기적으로 연결되는 리드(7)가 외부로 인출된다. 이러한 LED 패키지는 인쇄회로기판(PCB) 상에 실장된다. PCB로는 유리와 에폭시계 물질의 합성물과 같은 절연물질로 제조되는 통상적인 PCB를 사용할 수 있으나, 방열을 위하여 메탈 PCB가 사용되는 것이 보통이다. 메탈 PCB는 간단하게 메탈층(3) 상에 절연층(4)이 형성된 구조의 것이 사용될 수 있다. 절연층(4) 상에는 구리로 된 회로선(5)이 형성된다. LED 패키지는 절연층(4) 상에 방열 페이스트와 같은 접착소재(2)에 의하여 부착되고, 리드(7)는 솔더(6)에 의하여 어레이전극(5), 즉 도선에 결합된다. 또한 방열을 위하여 PCB의 메탈층(3)은 방열 페이스트와 같은 접착소재(2)에 의하여 방열판(1)에 부착된다.
이러한 구조에 의하면, LED 칩에 의하여 발생된 열은 방열 슬러그(8), 접착소재(2), 절연층(4), 메탈층(3), 접착소재(2) 및 방열판(1)을 순차적으로 거쳐 발산된다. 그런데 이러한 열전달경로에서 특히 절연층(4)은 열전달의 병목원인이 되어 전체적인 방열효율을 떨어뜨린다.
LED 어레이 모듈에서 방열효율을 개선하기 위하여 많은 제안들이 이루어져 왔는데, 그러한 제안들은 특허등록 제10-1049698호(2011. 07. 11. 등록), 특허등록 제10-0986214호(2010. 10. 01. 등록), 특허등록 제10-1017357호(2011. 02. 17. 등록), 특허등록 제10-1060410호(2011. 08. 23. 등록), 특허등록 제10-0997172호(2010. 11. 23. 등록), 특허등록 제10-0975970호(2010. 08. 09. 등록), 특허등록 제10-0953857호(2010. 04. 13. 등록), 특허공개 제10-2012-0000739호(2012. 01. 04. 공개), 특허등록 제10-1125655호(2012. 03. 05. 등록) 등에서 찾을 수 있다.
상기한 종래기술들은 방열효과를 개선한 것이지만, 대부분 LED 칩으로부터 발생한 열을 수직으로 전달하는 것이었으며, 그러한 열전달경로를 위하여 다소 복잡한 구조를 채택함으로써 LED 어레이 모듈의 제조가 복잡해진다는 문제점이 있었다. 이에, 본 발명자는 발상을 전환하여 열전달경로를 수평으로 형성함으로써 열방출구조를 단순화할 수 있고 그럼으로써 제조를 용이하게 할 수 있음을 인식하고 본 발명에 이르게 되었다.
따라서, 본 발명의 목적은 열방출구조가 간단하고 그럼으로써 제조가 용이하면서 방열효과를 향상시킨 열우물을 이용한 방열구조를 가지는 LED 어레이 모듈을 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 열우물을 이용한 방열구조를 가지는 LED 어레이 모듈은 전기접촉부와 방열부를 가지는 LED 패키지, 상기 LED 패키지가 실장되는 PCB, 및 상기 PCB 아래에서 상기 PCB와 결합하여 상기 LED 패키지로부터 발생되는 열을 발산시킴으로써 상기 LED 패키지를 냉각시키는 방열판을 포함한다.
상기 PCB 상에는 상기 LED 패키지의 상기 전기접촉부와 연결되어 상기 LED 패키지로 외부전원을 공급하는 전류전달선로가 형성되어 있고, 또한 상기 LED 패키지의 상기 방열부와 연결되어 상기 LED 패키지로부터 발생하는 열을 전달하는 열전달선로가 형성되어 있으며, 상기 방열판은 상기 PCB보다 큰 면적을 가지고 있고, 그래서 상기 PCB의 하면과 접촉할 뿐만 아니라 상기 PCB의 최소한 한 측면과 접촉함으로써 상기 PCB의 상기 측면에 인접한 영역에 형성되는 열우물을 가지며, 상기 LED 어레이 모듈은 또한 상기 PCB의 측면과 상기 방열판이 접촉하는 영역에서 상기 PCB 상에 형성된 상기 열전달선로를 상기 방열판의 상기 열우물 영역과 연결시키는 납땜부를 더 포함한다.
상기 방열판의 상기 열우물 영역에서, 상기 방열판 기재는 알루미늄으로 형성되고, 상기 방열판 기재 상에 니켈층이 형성되고, 상기 니켈층 상에 은층이 형성되며, 상기 납땜부는 Pb-Sn의 합금으로 된 연납에 의하여 형성되는 것으로서, 상기 PCB 상의 상기 열전달선로와 상기 방열판의 상기 은층 간을 연결하는 것이 바람직하다.
상기 PCB 상에 형성되는 상기 전류전달선로 및 상기 열전달선로는 구리로 형성되며, 상기 PCB는 절연물질로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 PCB 상에 실장되는 상기 LED 패키지는 복수개로 형성되는 것이고, 상기 복수개의 LED 패키지는 상기 전류전달선로에 의하여 직렬방식으로 서로 연결되는 것이 바람직하다.
상기 PCB 상에 형성되는 상기 열전달선로의 폭은 상기 전류전달선로의 폭보다 넓은 것이 바람직하다.
상기 PCB의 상기 측면에 결합되는 상기 방열판의 상기 열우물 영역과 상기 PCB 간에는 단차가 없는 것이 바람직하다.
상기 열전달선로는 상기 방열판과 접촉하는 상기 PCB의 상기 측면에 인접한 상기 PCB 영역상에서는 상기 PCB의 상기 측면을 따라 길게 형성되는 말단부를 가지는 것이고, 상기 납땜부는 상기 열전달선로의 상기 말단부와 상기 방열판의 상기 열우물 영역을 연결하도록 상기 PCB의 상기 측면을 따라 길게 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명의 열우물을 이용한 방열구조를 가지는 LED 어레이 모듈은 LED 패키지로부터 발생하는 열을 전달하는 열전달선로를 인쇄회로기판상에 형성하고, 방열판을 인쇄회로기판의 측면으로 결합시켜 인쇄회로기판의 측면에 결합되는 방열판에 열우물을 형성함으로써 LED 패키지의 열이 열전달선로를 통하여 열우물에 의하여 발산되도록 하여 열방출효율을 향상시켰을 뿐만 아니라 열전달경로를 수평적으로 형성함으로써 열방출구조를 간단하게 하고 그럼으로써 제조를 용이하게 한다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 열우물을 이용한 방열구조를 가지는 LED 어레이 모듈의 측면도를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1의 LED 어레이 모듈의 평면도를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 도 1에 대한 부분확대도이다.
도 4는 LED 패키지를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 종래기술에 따른 방열구조를 가지는 LED 어레이 모듈을 개략적으로 나타낸 도면이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 LED 어레이 모듈은 LED 패키지(100), PCB(200), 방열판(300) 및 납땜부(400)를 포함한다.
본 발명에서 사용되는 LED 패키지(100)로는 도 5에 도시된 것과 동일한 통상적인 LED 패키지가 사용될 수 있다. 본 명세서에서는 설명의 단순화를 위하여 LED 패키지(100)를 도 4에 도시한 바와 같이, 전기접촉부(110), 방열부(120) 및 발광부(130)로 구분하여 언급한다. 전기접촉부(110)는 LED 칩의 양극 및 음극과 전기적으로 연결되는 리드부를 칭하는 것으로서, 양극(112) 및 음극(114)으로 구분된다. 방열부(120)는 LED 칩으로부터 발생하는 열을 외부로 방출하기 위한 방열 슬러그를 칭하는 것으로서, LED 패키지의 아래부분에 위치하는 것이다. 발광부(130)는 LED 칩, 플라스틱 봉지재 및 렌즈로 된 부분으로서 LED 칩에 의하여 발생한 빛을 외부로 방출하는 역할을 하는 것이다.
본 발명에서 사용되는 PCB(200)는 유리와 에폭시계 물질의 합성물과 같은 절연물질로 제조되는 것일 수도 있고, 방열을 위하여 사용되는 메탈 PCB일 수도 있다. 본 발명의 LED 어레이 모듈은 메탈 PCB에 의하지 않더라도 아래에서 설명하는 바와 같이 열우물 구조에 의하여 충분한 방열을 달성할 수 있으므로, 굳이 메탈 PCB를 사용할 필요는 없고, 통상적인 절연성 PCB를 사용하더라도 무방하며, 경제적인 측면에서는 후자가 유리하다.
도 2에 상세하게 표시된 바와 같이, PCB(200) 상에는 전류전달선로(210)와 열전달선로(220)가 구분되게 형성되어 있다. 전류전달선로(210)는 LED 패키지(100)의 전기접촉부(110)와 연결되어 LED 패키지(100)로 외부전원을 공급하는 역할을 하는 것이다. 이러한 전류전달선로(210)는 LED 패키지가 실장되는 통상적인 PCB에 인쇄되는 도선과 동일한 것이다. LED 어레이 모듈에서 복수의 LED 패키지가 직렬로 연결되는 경우, 제1열의 첫번째 LED 패키지의 음극(114)은 전류전달선로(210)에 의하여 외부전원이 연결되는 음극단자(214)에 연결되고, 제1열의 첫번째 LED 패키지의 양극(112)은 제1열의 두번째 LED 패키지의 음극(114)과 전류전달선로(210)를 통하여 연결된다. 이와 같은 방식으로 제1열의 LED 패키지들은 서로 전기적으로 연결된다. 제1열의 마지막 LED 패키지의 양극은 제2열의 첫번째 LED 패키지의 음극과 전류전달선로(210)를 통하여 연결된다. 동일한 방식으로 제2열 및 제3열의 LED 패키지들은 서로 전기적으로 연결되며, 제3열의 마지막 LED 패키지의 양극은 전류전달선로(210)에 의하여 외부전원이 연결되는 양극단자(212)에 연결된다.
한편, 본 발명에서 사용되는 PCB(200)에는 통상적인 PCB와 달리 열전달선로(220)가 형성된다. 열전달선로(220)는 LED 패키지(100)의 방열부(120)와 연결되어 LED 패키지(100)로부터 발생하는 열을 수평으로 전달하는 것이다. 이를 위하여 열전달선로(220)는 제1열의 LED 패키지의 방열부로부터 시작하여 제1열의 마지막 LED 패키지의 방열부를 지나 PCB의 측면부까지 연장된다. 이러한 열전달선로(220)는 제1열에 배치된 모든 LED 패키지(100)의 방열부(120)와 연결된다. 이렇게 배치되는 열전달선로(220)를 제1열 열전달선로라고 부를 수 있다. 열전달선로(220)의 너비 또는 폭은 도 2에 도시된 바와 같이, LED 패키지(100)의 너비보다 큰 것이 바람직하고, 또한 전류전달선로(210)의 너비보다 큰 것이 바람직하다.
제2열 LED 패키지들에 대해서는 위와 동일하게 제2열 열전달선로가 형성되고, 또한 제3열 LED 패키지들에 대해서도 동일하게 제3열 열전달선로가 형성된다.
한편, 제1열, 제2열 및 제3열 열전달선로들(220)은 PCB(200)의 한 측면에서 그 연장을 마치는데, 아래에서 설명하는 바와 같이, 방열판(300)의 열우물 영역과의 열적 연결을 더욱 좋게 하기 위하여, PCB(200)의 해당 측면을 따라 길게 형성되는 말단부(222)를 가진다. 이러한 말단부(222)에 의하여 제1열, 제2열 및 제3열 열전달선로들(220)은 서로 연결된다.
상기에서, 전류전달선로(210) 및 열전달선로(220)의 재료로는 전류 및 열을 전달하기에 적합한 금속들이 제한없이 사용될 수 있지만 통상적으로 구리가 사용된다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에서 사용되는 방열판(300)은 PCB(200)보다 큰 면적을 가진다. 그래서 PCB의 하면과 접촉할 뿐만 아니라 PCB(200)의 최소한 한 측면과도 접촉한다. 도 2에는 하나의 측면에서 접촉하는 예를 도시하였지만, 전원이 인가되는 측면을 제외한 나머지 측면들에서 접촉하도록 구성할 수도 있다. 그래서, PCB(200)의 해당 측면에 인접하는 방열판(300)의 영역에는 열우물(310)이 형성된다. 본 명세서에서 방열판(300)의 영역 중 PCB(200)의 하부에 있는 영역을 제외하고, PCB(200)의 측면쪽에 있는 방열판(300)의 영역, 특히 PCB(200)의 해당 측면에 인접하는 방열판(300)의 영역을 열우물 영역이라고 부르는데, 그 이유는 LED 패키지들에 의하여 발생된 열이 열전달선로(220)를 통하여 열우물 영역(310)으로 전달되고 그곳에서 발산되고 또한 방열판(300)의 다른 영역으로 더욱 전달되기 때문이다. 방열판(300)의 재료로는 열을 원활하게 전달할 수 있는 금속들은 제한없이 사용될 수 있지만, 통상적으로 알루미늄이 사용된다.
LED 패키지들(100)에 의하여 발생된 열이 열전달선로(220)를 통하여 방열판(300)의 열우물 영역(310)으로 원활하게 전달되도록 하기 위하여, LED 어레이 모듈은 납땜부(400)를 더 포함한다. 납땜부(400)에 사용되는 재료로는 통상적으로 사용하는 재료를, 즉 연납이든 경납이든 제한없이 사용할 수 있지만, 열전도성 및 취급성을 고려할 때 Pb-Sn 합금으로 된 연납을 사용하는 것이 좋다. 납땜부(400)는 열전달선로(220)의 말단부(222)와 방열판(300)의 열우물 영역(310)을 연결하기 위한 것이므로, 도 2에 도시된 바와 같이, 납땜부(400)도 열전달선로(220)의 말단부(222)와 동일하게 PCB(200)의 해당 측면을 따라 길게 형성되어, 열전달선로(220)의 말단부(222)와 방열판(300)의 열우물 영역(310)에 걸쳐 결합한다.
한편, 방열판 기재가 알루미늄으로 형성되고, 납땜부는 Pb-Sn의 합금으로 된 연납으로 형성되는 경우에는, 도 3에 도시된 바와 같이, 방열판(300)의 열우물 영역(310)이 납땜부(400)와 잘 결합되도록 하기 위하여, 방열판(300)의 열우물 영역(310)에는 방열판 기재 상에 니켈층(312)이 형성되고, 니켈층(312) 상에는 은(Ag)층(314)이 형성된다. 니켈층(312)과 은층(314)은 납땜부(400)와의 결합을 위한 소위 버퍼층 역할을 하는 것이다. 그리하여 납땜부(400)는 PCB(200) 상에 형성된 열전달선로(220)와 방열판(300)의 열우물 영역(310)에 형성된 은층(314) 간을 연결하게 된다. 알루미늄으로 된 방열판상에는 은층이 직접적으로 적층될 수 없는데, 그것은 알루미늄층과 은층 간의 결합력이 약하기 때문이다. 그리하여 알루미늄층과 잘 결합하면서 또한 은층과도 잘 결합하는 니켈층(312)을 알루미늄층(310)에 먼저 형성한 후 니켈층(312)상에 은층(314)을 형성하는 것이다. 이때 니켈층(312)은 연납으로 된 납땜부와 잘 결합하지 않으므로, 니켈층(312)상에는 은층(314)이 적층되어야 한다.
한편, 납땜부(400)에 의하여 기계적 연결 및 열적 연결을 더욱 완전하게 하기 위하여, 도 3에 도시된 바와 같이, PCB(200) 기재층은 방열판(300)의 열우물 영역(310) 기재와 일치하여 단차가 없는 것이 좋다. PCB(200) 기재층상에 형성되는 열전달선로의 구리층의 두께는 PCB 기재의 두께에 비하여 매우 작고, 또한 방열판(300)의 열우물 영역(310)상에 형성되는 니켈층(312) 및 은층(314)의 두께는 방열판(300)의 두께에 비하여 매우 작기 때문에 그러한 금속층들에 의하여 발생할 수 있는 단차는 매우 작기 때문에 그러한 금속층들에 의한 단차는 납땜부(400)의 결합에 큰 영향을 주지는 않는다.
이러한 방열구조에 의하면, LED 패키지들(100)에 의하여 발생된 열은 열전달선로(220)를 통하여 방열판(300)의 열우물 영역(310)으로 수평적으로 전달되기 때문에 LED 어레이 모듈의 구조가 간단하게 되고 또한 제작이 용이하게 되며, 또한 방열판(300)의 열우물 영역(310)을 통하여 방열판(300) 전체로 열이 전달되고 발산되기 때문에 방열효율도 향상된다.
100: LED 패키지 110: 전기접촉부
112: 양극 114: 음극
120: 방열부 130: 발광부
200: PCB 210: 전류전달선로
220: 열전달선로 222: 열전달선로 말단부
300: 방열판 310: 열우물 영역
312: 니켈층 314: 은층
400: 납땜부

Claims (7)

  1. 전기접촉부와 방열부를 가지는 LED 패키지, 상기 LED 패키지가 실장되는 PCB, 및 상기 PCB 아래에서 상기 PCB와 결합하여 상기 LED 패키지로부터 발생되는 열을 발산시킴으로써 상기 LED 패키지를 냉각시키는 방열판을 포함하는 LED 어레이 모듈에 있어서,
    상기 PCB 상에는 상기 LED 패키지의 상기 전기접촉부와 연결되어 상기 LED 패키지로 외부전원을 공급하는 전류전달선로가 형성되어 있고, 또한 상기 LED 패키지의 상기 방열부와 연결되어 상기 LED 패키지로부터 발생하는 열을 전달하는 열전달선로가 형성되어 있으며,
    상기 방열판은 상기 PCB보다 큰 면적을 가지고 있고, 그래서 상기 PCB의 하면과 접촉할 뿐만 아니라 상기 PCB의 최소한 한 측면과 접촉함으로써 상기 PCB의 상기 측면에 인접한 영역에 형성되는 열우물을 가지며,
    상기 LED 어레이 모듈은 또한 상기 PCB의 측면과 상기 방열판이 접촉하는 영역에서 상기 PCB 상에 형성된 상기 열전달선로를 상기 방열판의 상기 열우물 영역과 연결시키는 납땜부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열우물을 이용한 방열구조를 가지는 LED 어레이 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 방열판의 상기 열우물 영역에서, 상기 방열판 기재는 알루미늄으로 형성되고, 상기 방열판 기재 상에 니켈층이 형성되고, 상기 니켈층 상에 은층이 형성되며, 상기 납땜부는 Pb-Sn의 합금으로 된 연납에 의하여 형성되는 것으로서, 상기 PCB 상의 상기 열전달선로와 상기 방열판의 상기 은층 간을 연결하는 것임을 특징으로 하는 열우물을 이용한 방열구조를 가지는 LED 어레이 모듈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 PCB 상에 형성되는 상기 전류전달선로 및 상기 열전달선로는 구리로 형성되는 것임을 특징으로 하는 열우물을 이용한 방열구조를 가지는 LED 어레이 모듈.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 PCB 상에 실장되는 상기 LED 패키지는 복수개로 형성되는 것이고, 상기 복수개의 LED 패키지는 상기 전류전달선로에 의하여 직렬방식으로 서로 연결되는 것임을 특징으로 하는 열우물을 이용한 방열구조를 가지는 LED 어레이 모듈.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 PCB 상에 형성되는 상기 열전달선로의 폭은 상기 전류전달선로의 폭보다 넓은 것임을 특징으로 하는 열우물을 이용한 방열구조를 가지는 LED 어레이 모듈.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 PCB 상의 상기 열전달선로의 두께는 상기 방열판의 상기 열우물 영역에 형성된 상기 니켈층의 두께와 상기 은층의 두께를 합한 것과 일치하는 것임을 특징으로 하는 열우물을 이용한 방열구조를 가지는 LED 어레이 모듈.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 열전달선로는 상기 방열판과 접촉하는 상기 PCB의 상기 측면에 인접한 상기 PCB 영역상에서는 상기 PCB의 상기 측면을 따라 길게 형성되는 말단부를 가지는 것이고, 상기 납땜부는 상기 열전달선로의 상기 말단부와 상기 방열판의 상기 열우물 영역을 연결하도록 상기 PCB의 상기 측면을 따라 길게 형성되는 것임을 특징으로 하는 열우물을 이용한 방열구조를 가지는 LED 어레이 모듈.
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