KR101305543B1 - 광반도체 기반 조명장치 및 그것의 제조방법 - Google Patents

Abstract

반도체 광소자 실장용 인쇄회로기판을 히트싱크에 결합하는 것을 포함하는 광반도체 기반 조명장치 제조방법이 개시된다. 이 방법은, 인쇄회로기판의 저면에 메탈라이징층을 형성하기 위한 메탈라이징 공정과, 가열에 의해 용융된 금속 필러로 상기 메탈라이징층과 히트싱크 사이에 금속 접합층을 형성하는 브레이징 공정을 포함한다.

Description

광반도체 기반 조명장치 및 그것의 제조방법{OPTICAL SEMICONDUCTOR BASED LIGHTING APPARATUS AND ITS MANUFACTURING METHOD}

본 발명은 광반도체 기반 조명장치에 관한 것으로서, 더 상세하게는, 방열 성능이 향상된 광반도체 기반 조명장치에 관한 것이다.

아직까지 조명용 광원으로 형광등과 백열등이 많이 이용되어 왔다. 백열등은, 소비전력이 높아 효율 및 경제성이 떨어지며, 이러한 이유로, 그 수요가 크게 감소되는 추세이다. 이러한 감소 추세는 미래에도 계속될 것으로 예측되고 있다. 반면, 형광등은 소비전력이 백열등 소비전력의 대략 1/3 정도로 효율이 높고 경제적이다. 하지만, 형광등은 높은 인가 전압으로 인해 흑화 현상이 진행되어 수명이 짧다는 문제점을 갖는다. 또한, 형광등은, 아르곤 가스와 함께 유해 중금속 물질인 수은이 주입된 진공 유리관을 이용하므로, 환경 비친화적이라는 단점이 있다.

최근 들어서는 광원으로 엘이디와 같은 반도체 광소자를 포함하는 조명장치, 즉, 엘이디 조명장치의 수요가 급격히 증가하고 있다. 엘이디 조명장치는 수명이 길고 저 전력 구동의 장점을 갖는다. 또한, 엘이디 조명장치는 수은과 같은 환경 유해물질을 이용하지 않으므로 환경 친화적이다.

엘이디 조명장치는 인쇄회로기판(Printed Circuit Board)과 그 인쇄회로기판 상에 실장된 복수의 엘이디들을 포함한다. 엘이디들의 구동시 발생하는 열의 신속한 방출을 위해 인쇄회로기판에는 히트싱크가 부착된다.

종래에는 특허출원 제10-2006-0067250호와, 등록실용 제20-0399741호 등과 같이 인쇄회로기판을 히트싱크에 부착하기 위해 양면 접착 기능을 갖는 써멀 패드가 주로 이용되어 왔다. 써멀 패드와 같은 접착 재료는 히트싱크와 비교할 때 열전도성이 나쁘므로, 인쇄회로기판으로부터 히트싱크로의 원활한 열 흐름을 저해할 수 있다.

따라서, 본 발명의 하나의 목적은 인쇄회로기판과 히트싱크의 결합 부분에서의 열전도성을 높여 방열성능을 향상시킨 광반도체 기반 조명장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 광반도체 기반 조명장치를 제조함에 있어서, 인쇄회로기판과 히트싱크를 결합하되 그 결합 부분에서의 열전도성을 높여 방열성능을 향상시킨 히트싱크 결합방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 일측면에 따른 광반도체 기반 조명장치는, 인쇄회로기판과; 상기 인쇄회로기판의 상면에 실장된 복수의 반도체 광소자들과; 상기 인쇄회로기판의 저면에 결합되는 히트싱크와; 브레이징에 의해 상기 인쇄회로기판의 저면과 상기 히트싱크의 상면 사이를 접합하도록 형성된 금속 접합층을 포함한다.

일 실시예에 따라, 상기 인쇄회로기판은 상기 금속 접합층과 접합되는 저면에 메탈라이징층을 포함한다.

일 실시예에 따라, 상기 인쇄회로기판은 비금속 기판(nonmetal substrate)을 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따라, 반도체 광소자 실장용 인쇄회로기판을 히트싱크에 결합하는 것을 포함하는 광반도체 기반 조명장치 제조방법이 제공된다. 상기 광반도체 기반 조명장치 제조방법은, 금속면을 포함하는 인쇄회로기판을 준비하는 인쇄회로기판 준비 공정과; 가열에 의해 용융된 금속 필러로 상기 인쇄회로기판의 금속면과 상기 히트싱크 사이에 금속 접합층을 형성하는 브레이징 공정을 포함한다.

일 실시예에 따라, 상기 인쇄회로기판 준비 공정은 상기 금속면을 포함하는 메탈라이징층을 형성하는 메탈라이징 공정을 포함할 수 있다.

일 실시예에 따라, 상기 메탈라이징층은 상기 인쇄회로기판의 비금속면에 형성될 수 있다.

일 실시예에 따라, 상기 브레이징 공정 후에 상기 반도체 광소자를 상기 인쇄회로기판 상에 실장한다.

일 실시예에 따라, 상기 브레이징 공정은 상기 메탈라이징층 및 상기 히트싱크의 융점보다 낮고 상기 금속 필러의 융점 이상의 온도로 상기 금속 필러를 가열한다.

상기 금속 필러의 가열에는 초음파 가열 또는 고주파 가열이 이용될 수 있다.

용어 '반도체 광소자'는 발광다이오드 칩 등과 같이 광반도체를 포함 또는 이용하는 소자를 의미한다. 상기 반도체 광소자가 발광다이오드 칩을 내부에 포함하는 패키지 레벨의 엘이디인 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 인쇄회로기판과 히트싱크 사이의 경계에 열전도성이 좋은 금속 접합층을 브레이징 공정에 의해 용이하게 형성할 수 있으며, 이 금속 접합층에 의해, 광반도체 기반 조명장치의 방열 성능을 크게 높일 수 있다.

FR4 기판 또는 세라믹 기판과 같이 브레이징 공정이 힘든 비금속 기판을 포함하는 인쇄회로기판을 이용하더라도 비금속 기판에 형성된 상기 메탈라이징층에 의해 브레이징 공정을 용이하게 수행하여, 메탈라이징층과 히트싱크 사이에 금속 접합층을 신뢰성 있게 형성할 수 있다.

브레이징에 의해 형성된 상기 금속 접합층은, 종래에 이용되어 왔던 써멀 패드에 비해 우수한 접착 성능을 가지므로, 인쇄회로기판과 히트싱크 사이의 보다 견고하고 신뢰성 있는 결합을 보장한다.

PCB와 히트싱크를 결합하는 다른 방식으로는 스크류 체결 방식이 있는데, 이러한 스크류 체결 방식은 금속 PCB와 히트싱크의 결합에 많이 이용된다. 금속 PCB와 히트싱크의 결합에 스크류와 같은 체결 부품을 이용하는 경우, 그 체결 부품에 의해, 광 손실이 있을 수 있고 또한 서지(surge) 발생시 반도체 광소자 또는 전자부품 등이 손상되거나 조명장치의 작동 부조를 일으킬 우려가 있다. 본 발명에 따르면, 금속 PCB와 히트싱크의 결합에 브레이징을 적용하여, 스크류와 같은 별도의 체결 부품의 이용을 배제함으로써, 상기 체결 부품에 의한 광 손실의 문제점과 서지 발생시 수반되는 전술한 것과 같은 문제점들을 해결할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시에에 따른 광반도체 기반 조명장치를 도시한 분해사시도.
도 2는 본 발명의 일 실시에에 따른 광반도체 기반 조명장치를 확대하여 부분적으로 도시한 단면도로서, 히트싱크와 결합되어 있는 하우징이 생략된 상태로 도시한 단면도.
도 3 내지 도 5는 도 1 및 도 2에 도시된 광반도체 기반 조명장치의 제조방법을 설명하기 위한 도면들.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 다음에 소개되는 실시예들을 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광반도체 기반 조명장치를 도시한 분해사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시에에 따른 광반도체 기반 조명장치를 확대하여 부분적으로 도시한 단면도로서, 히트싱크와 결합되어 있는 하우징이 생략된 상태로 도시한 단면도이다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 광반도체 기반 조명장치(1)는 복수의 반도체 광소자(10)들과, 상기 복수의 반도체 광소자(10)들이 실장되는 인쇄회로기판(20)과, 상기 인쇄회로기판(20)과 열전도적으로 결합되는 히트싱크(30)를 포함한다.

상기 반도체 광소자(10)는 엘이디 칩과 같은 광반도체 칩을 포함한다. 또한, 상기 반도체 광소자(10)는 상기 광반도체 칩이 리드단자들을 갖는 패키지 내에 수용되는 구조를 포함한 채로 인쇄회로기판(20) 상에 실장될 수 있다. 그러나, 인쇄회로기판 상에 직접 실장된 광반도체 칩을 포함하는 반도체 광소자가 전술한 것과 같은 패키지 구조의 반도체 광소자 대신에 이용될 수도 있음에 유의한다.

상기 인쇄회로기판(20)은 FR4 또는 세라믹 기판과 같은 비금속 기판을 기반으로 하며 그 기판의 상면에는 상기 반도체 광소자(10)들과 전기적으로 연결되는 도전성의 전극 패턴들(미도시됨)이 형성된다. 추가로 상기 기판의 상면에는 반도체 광소자(10)로부터 나온 광을 반사시키기 위한 반사막(미도시됨)이 형성될 수 있다.

상기 인쇄회로기판(20)은 브레이징(brazing) 공정에 의해 상기 히트싱크(30)와 결합된다.

상기 히트싱크(30)는 상기 인쇄회로기판(20)에 결합된 평평한 상부면을 포함하며, 측면에는 다수의 방열핀(heat radiating fin; 31)들이 형성되어 있다. 히트싱크(30)는 절연성 하우징(2)에 결합될 수 있으며, 상기 절연성 하우징(2)의 하부에는 소켓 베이스(3)와 같이 외부 커넥터 또는 소켓과 접속되는 전기 접속 구조가 설치될 수 있다.

본 실시예에서는, 상기 다수의 방열핀(31)들이 상기 절연성 하우징(2)의 개구부들을 통해 외부로 노출되어 있다. 상기 히트싱크(30) 또는 상기 절연성 하우징(2)의 상부에는 상기 반도체 광소자(10)들을 덮는 광학 커버(4)가 결합된다. 또한, 도면에 도시된 것과 같은 벌브형 구조의 광반도체 기반 조명장치에 대해 주로 설명이 이루어지지만, 본 발명은 히트싱크와 인쇄회로기판과 반도체 광소자를 포함하는 모든 종류의 광반도체 기반 조명장치에 적용될 수 있다.

도 2에 잘 도시된 바와 같이, 브레이징 공정을 통해 상기 히트싱크(30)에 결합될 수 있도록, 상기 인쇄회로기판(20)은 메탈라이징층(22; 도 2 참조)을 저면에 포함한다. 브레이징 공정에 의해 형성되는 금속 접합층(40)이 인쇄회로기판(20)의 테두리면에 부분적으로 접합되는 것을 허용할 수 있도록, 상기 메탈라이징층(22)은 상기 인쇄회로기판(20)의 테두리면까지 연장되어 있을 수 있다. 그러나 상기 인쇄회로기판(20)의 테두리면에는 메탈라이징층이 없어도 된다.

본 실시예에 있어서, 상기 인쇄회로기판(20)은 브레이징이 안 되는 비금속 기판(nonmetal substrate)을 기반으로 하므로 전술한 것과 같은 메탈라이징층(22; 도 2 참조)을 필요로 한다.

인쇄회로기판(Printed Circuit Board; PCB)으로는 금속 기판(metal substrate)을 기반으로 하는 MCPCB(Metal Core PCB)가 이용되기도 하는데, MCPCB의 적용시에는 전술한 것과 같은 상기 금속 기판에 비해 브레이징이 더 잘되는 금속재료가 메탈라이징층의 재료로 이용될 수 있다. MCPCB(Metal Core PCB)의 금속 기판이 브레이징에 적합한 재료라면, 메탈라이징층이 생략되는 것도 고려될 수 있다.

상기 히트싱크(30)의 상부면과 인쇄회로기판(20)의 메탈라이징층(22) 사이에는 브레이징 공정에 의해 금속 필러가 용융되어 형성된 금속 접합층(40)이 개재된다. 금속 접합층(40)은 금속을 재료로 하는 인쇄회로기판(20)의 메탈라이징층(22) 및 금속 히트싱크(30)에 대한 접합 성질이 좋다. 상기 금속 필러 재료로는, 예컨대, Ag, Au, Cu 또는 이들을 포함하는 합금재료와 같이, 열전도성이 좋고 브레이징 공정에 적합한 재료가 이용된다. 금속 접합층(40)과 메탈라이징층(22) 사이의 경계는 육안으로 명확히 구분되지 않을 수 있으나 이해를 편하기 위해 경계가 명확한 적층 상태로 도시하였다.

상기 히트싱크(30)는 예를 들면 Al 또는 그것을 포함하는 합금재료와 같이 열전도성이 좋은 금속 재료로 형성될 수 있다. 이때, 상기 히트싱크(30)는 금속 접합층(40)보다 높은 융점을 갖는다. 또한, 상기 메탈라이징층(22)도 금속 접합층(40)보다 높은 융점을 갖는 재료가 이용된다.

이제 도 3 내지 도 5를 참조하여 광반도체 기반 조명장치의 제조방법에 대하여 설명한다.

먼저 도 3을 참조하면, FR4 또는 세라믹 기판 등과 같은 비금속 기판(nonmetal substrate)을 기반으로 하는 인쇄회로기판(20)이 준비된다. 이 준비 과정에는 인쇄회로기판(20)의 저면 및 테두리면에 대하여 메탈라이징 공정을 수행하는 것이 포함된다. 메탈라이징 공정은 예를 들면, 무전해도금, 용사, 진공증착(PVD), 스패터링, 이온 플레이팅, 기상도금(CVD), 페이스트 부착법 등의 공정이 이용될 수 있다.

이때, 도전성 전극패턴들이 형성된 인쇄회로기판(20)의 상면이 마스크(M)로 가려진 상태에서 메탈라이징 공정이 수행될 수 있으며, 이에 의해, 상기 인쇄회로기판(20)의 저면과 테두리면에만 메탈라이징층(22)이 형성될 수 있다. 메탈라이징 공정이 수행된 후 마스크(M)는 제거된다.

전술한 메탈라이징 공정에 의해, 상기 인쇄회로기판(20)은 원래는 비금속면으로 존재하였던 저면이 상기 비금속면에 형성된 메탈라이징층(22)에 의해 금속면이 된다.

다음 도 4를 참조하면, 메탈라이징층(22)을 갖는 인쇄회로기판(20)이 히트싱크(30)의 상면에 배치된다. 또한 금속 필러(F)가 인쇄회로기판(20)과 인접하도록 히트싱크(30) 상에 배치된다. 이 상태로 금속 필러(f)를 예를 들면, 초음파 가열, 고주파 가열, 또는 직접 가열 방식으로 금속 필러(f)를 용융한다. 금속 필러(F)의 용융물은 인쇄회로기판(20)의 메탈라이징층(22)과 히트싱크(30)의 상면 사이에 존재하는 틈으로 흘러 들어간다. 그 후, 금속 필러(F)의 용융물이 상기 인쇄회로기판(20)의 메탈라이징층(22)과 상기 히트싱크(30)의 상면 사이에서 경화되어, 전술한 것과 같은 금속 접합층(40)을 형성한다.

다음 도 5를 참조하면, 히트싱크(30)가 결합되어 있는 인쇄회로기판(20) 상에 반도체 광소자(10)들이 실장된다. 히트싱크(30)가 결합되기 전에 인쇄회로기판(20)에 반도체 광소자(10)들을 실장하는 것을 고려할 수 있지만, 본 실시예에서는, 브레이징 공정 중의 열에 의해 반도체 광소자(10)들이 손상되는 것을 막기 위해, 히트싱크(30)와 인쇄회로기판(20)의 결합 후에 반도체 광소자(10)들을 실장하였다.

도면에는 벌브형 광반도체 기반 조명장치에 대해 도시되어 있지만, 본 발명은 다양한 종류의 광반도체 기반 조명장치에 적용될 수 있음에 유의한다.

10: 반도체 광소자 20: 인쇄회로기판
22: 메탈라이징층 30: 히트싱크
31: 방열핀 40: 금속 접합층

Claims (8)

1. 인쇄회로기판;
   상기 인쇄회로기판의 상면에 실장된 복수의 반도체 광소자들;
   상기 인쇄회로기판의 저면에 결합되는 히트싱크;
   브레이징에 의해 상기 인쇄회로기판의 저면과 상기 히트싱크의 상면 사이를 접합하도록 형성된 금속 접합층; 및
   상기 금속 접합층과 접합되는 상기 인쇄회로기판의 측면 및 저면에 형성된 메탈라이징층;을 포함하는 광반도체 기반 조명장치.
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서, 상기 인쇄회로기판은 비금속 기판(nonmetal substrate)을 포함하는 것을 특징으로 하는 광반도체 기반 조명장치.
4. 반도체 광소자 실장용 인쇄회로기판을 히트싱크에 결합하는 것을 포함하는 광반도체 기반 조명장치 제조방법에 있어서,
   메탈라이징 공정에 의하여 측면 및 저면에 금속면을 포함하는 메탈라이징층을 형성한 인쇄회로기판을 준비하는 인쇄회로기판 준비 공정과;
   가열에 의해 용융된 금속 필러로 상기 인쇄회로기판의 금속면과 상기 히트싱크 사이에 금속 접합층을 형성하는 브레이징 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 광반도체 기반 조명장치 제조방법.
5. 삭제
6. 청구항 4에 있어서, 상기 브레이징 공정 후에 상기 반도체 광소자를 상기 인쇄회로기판 상에 실장하는 것을 특징으로 하는 광반도체 기반 조명장치 제조방법.
7. 청구항 4에 있어서, 상기 브레이징 공정은 상기 히트싱크의 융점보다 낮고 상기 금속 필러의 융점 이상의 온도로 상기 금속 필러를 가열하는 것을 특징으로 하는 광반도체 기반 조명장치 제조방법.
8. 청구항 4에 있어서, 상기 메탈라이징층은 상기 인쇄회로기판의 비금속면에 형성되는 것을 특징으로 하는 광반도체 기반 조명장치 제조방법.

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