KR101363980B1 - 광 모듈 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 COB 형태의 광 모듈 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 전면에 다수의 전면 전극이 형성되고 열 방출용 관통홀을 구비한 PCB 기판, 상기 열 방출용 관통홀의 일부 혹은 전부를 덮으며 상기 PCB 기판 전면에 부착되는 Si 기판 및 상기 Si 기판에 실장되며 상기 PCB 기판의 다수의 전면 전극에 전기적으로 연결되는 발광소자를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 구성으로 Si 기판을 사용하여 열 특성 및 광 반사 능력이 우수하며, 열 방출용 관통홀로 광 모듈 작동시 발생하는 열이 방출되어 수명이 개선되고 광효율이 증가된 표면 실장형 광 모듈을 제작할 수 있다.

Description

광 모듈 및 그 제조 방법{OPTICAL MODULE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 광 모듈 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 COB (Chip On Board) 형태의 광 모듈 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
종래의 일반적인 광 모듈 제조 방법은, 리드 프레임 형태의 패키지 안에 발광소자를 조립하고 형광체를 도포시켜 개별 패키지를 제작하여 이 조립된 소자를 PCB 기판위에 표면 실장하여 조명용 모듈을 제작하고 있다.
그러나, 이 방법은 광 소자의 방열 특성이 저하되어 발광효율이 낮고, 크기의 제약에 의해 기존 조명용 전구의 밝기를 만들기에는 한계가 있고 가격 또한 낮출 수 없는 단점이 있다.
또한, 이러한 단점을 극복하고자 COB(Chip on Board)형태의 기술이 개발되었다. 일반적인 COB 형태의 광 모듈은 MC-PCB (Metal Core-Printed Circuit Board) 을 이용하여 발광소자를 부착할 영역과 소자의 연결을 위한 패턴을 진행한 후 그 위에 발광소자를 조립하고 형광체를 도포하여 COB 형태의 광 모듈을 제작한다.
그러나, 이러한 MC-PCB는 열 전도도가 우수하나 소재 자체의 가격이 높고, 대량 생산을 위해 특별히 고안된 양산 시설을 설치하는 등의 시설투자가 뒤따라야 하며, MC-PCB의 제작시 50um 이하의 미세 공정이 어려운 문제점이 있다. 따라서, 이러한 기술은 조명용 광 모듈을 제작하는데 있어서 효율성이 떨어진다는 평가가 있으며, 가격 또한 높아 조명용 모듈로는 적절치 못하다는 지적이 나오고 있다.
이와 같은 문제를 해결하고자 본 출원인의 대한민국 등록특허 제10-1121151호에서는 MC-PCB 기판 대신 Si 기판을 이용하여 COB 형태의 광 모듈을 제작하는 방법에 대해 개시하고 있다. Si 기판의 경우 MC-PCB 기판에 비하여 열방출 능력이 탁월하고 발광소자에서 방출되는 적외선에 대한 투과특성을 가지고 있어 방열특성이 우월하다. 또한 경면 연마가 가능하므로 발광소자에서 방출되는 빛에 대한 전반사도가 높아져 발광효율이 개선된다.
그러나 이러한 COB 형태의 광 모듈은 개별 패키지 방식의 광 모듈과는 달리 표면 실장형, 즉 SMD(Surface Mount devices) 타입으로는 만들기 어렵다는 단점이 존재한다. 따라서 SMD 타입으로 동작하는 COB 형태의 광 모듈의 구조는 굉장히 제한적이었으며 대부분 기판으로 Al 기판을 사용한다는 점에서 열 방출 특성에서 매우 취약하였다. 또한 COB 형태가 아닌 개별 패키지 방식의 광 모듈의 경우, SMD 타입으로 많이 개발되고는 있으나 여전히 개별 패키지 방식이 가지는 공통적인 단점인 높은 제작단가와 불량률의 문제를 보유한다.
본 발명은 상기 종래기술들이 가지고 있던 문제점에 착안하여 이루어진 것으로 가격이 비교적 저렴하고 회로 및 전자소자의 실장에 유리한 기판인 PCB 기판과, 방열 효율 및 광 반사도에서 우수한 Si 기판을 사용하여 표면 실장이 가능한 COB 형태의 광 모듈 및 그 제조 방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다.
또한 발광소자를 구동하기 위한 구동회로까지 내장하여 단일 모듈화 할 수 있는 COB 형태의 광 모듈 및 그 제조 방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은 광 모듈로서 전면에 다수의 전면 전극이 형성되고 열 방출용 관통홀을 구비한 PCB 기판; 상기 열 방출용 관통홀을 덮으며 상기 PCB 기판 전면에 부착되는 Si 기판; 및 상기 Si 기판에 실장되며 상기 PCB 기판의 다수의 전면 전극에 전기적으로 연결되는 발광소자;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또 다른 실시 예에 따라, 상기 PCB 기판은 그 배면에 전면의 다수의 전극과 전기적으로 연결되는 다수의 배면 전극이 형성되는 것을 특징으로 한다.
또 다른 실시 예에 따라, 상기 전면의 다수의 전면 전극과 상기 배면의 다수의 배면 전극은 상기 PCB 기판에 추가로 구성되는 전기적 연결용 관통홀을 통하여 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 한다.
또 다른 실시 예에 따라, 상기 PCB 기판은 그 전면에서부터 상기 열 방출용 관통홀을 따라 그 배면까지 연장되는 금속층이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
또 다른 실시 예에 따라, 상기 열 방출용 관통홀 내부에는 열 방출을 용이하게 하는 금속물질이 채워진 것을 특징으로 한다.
또 다른 실시 예에 따라, 상기 열 방출을 용이하게 하는 금속물질은 구리 입자를 포함하는 유체물질인 것을 특징으로 한다.
또 다른 실시 예에 따라, 상기 PCB 기판의 배면에는 열을 전달하는 유체물질을 매개로 부착되는 금속 기판을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또 다른 실시 예에 따라, 상기 PCB 기판에는 형광체 도포를 위한 댐이 형성되고 상기 댐 내부에는 형광체가 도포된 것을 특징으로 한다.
또 다른 실시 예에 따라, 상기 PCB 기판에는 상기 발광소자를 구동하기 위한 구동회로가 형성되는 것을 특징으로 한다.
또 다른 실시 예에 따라, 상기 Si 기판 표면에는 절연층이 형성된 것을 특징으로 한다.
또 다른 실시 예에 따라, 상기 Si 기판 상의 발광소자는 상기 PCB 기판의 전면 전극에 금 세선을 통해 전기적으로 연결된 것을 특징으로 한다.
또 다른 실시 예에 따라, 상기 열 방출용 관통홀은 다수이고, 상기 Si 기판은 상기 열 방출용 관통홀의 일부 혹은 전부를 덮으며 상기 PCB 기판 전면에 부착되는 것을 특징으로 한다.
또 다른 실시 예에 따라, 상기 다수의 열 방출용 관통홀 내부에는 열 방출을 용이하게 하는 금속물질이 채워진 것을 특징으로 한다.
또 다른 실시 예에 따라, 상기 열 방출을 용이하게 하는 금속물질은 구리 입자를 포함하는 유체물질인 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은, 광 모듈 제조방법으로서, 기판 전면에 다수의 전면 전극과 열 방출용 관통홀이 형성된 PCB 기판에 발광소자가 실장된 Si 기판을 상기 열 방출용 관통홀의 일부 혹은 전부를 덮도록 부착하는 단계; 및 상기 Si 기판의 발광소자와 상기 PCB 기판의 전면 전극을 전기적으로 연결시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또 다른 실시 예에 따라, 상기 기판 전면에 다수의 전면 전극과 열 방출용 관통홀이 형성된 PCB 기판에 발광소자가 실장된 Si 기판을 상기 열 방출용 관통홀의 일부 혹은 전부를 덮도록 부착하는 단계는 상기 PCB 기판의 상기 전면 전극이 형성된 부분에 추가로 다수의 전기적 연결용 관통홀을 형성하는 단계; 상기 다수의 전면 전극과 전기적으로 연결되도록 상기 전기적 연결용 관통홀의 벽면을 도금하는 단계; 및 상기 PCB 기판 배면에 상기 전기적 연결용 관통홀의 벽면과 전기적으로 연결되도록 다수의 배면 전극을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또 다른 실시 예에 따라, 상기 다수의 전면 전극과 전기적으로 연결되도록 상기 전기적 연결용 관통홀의 벽면을 도금하는 단계는 그 전면에서부터 상기 열 방출용 관통홀을 따라 그 배면까지 연장되는 금속층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또 다른 실시 예에 따라, 상기 Si 기판의 발광소자와 상기 PCB 기판의 전면 전극을 전기적으로 연결시키는 단계는 그 연결 후 상기 PCB 기판 하단에 열을 전달하는 유체물질을 매개로 금속 기판을 부착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또 다른 실시 예에 따라, 상기 Si 기판의 발광소자와 상기 PCB 기판의 전면 전극을 전기적으로 연결시키는 단계는 상기 열 방출용 관통홀에 열 방출을 용이하게 하는 금속물질을 채우는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또 다른 실시 예에 따라, 상기 Si 기판의 발광소자와 상기 PCB 기판의 전면 전극을 전기적으로 연결시키는 단계는 폴리머로 상기 PCB 기판의 표면을 도포하여 도금을 위한 마스크를 형성한 뒤 도금을 진행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면 Si 기판을 사용하여 열 특성 및 광 반사 능력이 우수한 광 모듈을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 열 방출용 관통홀로 광 모듈 작동시 발생하는 열이 방출되어 수명이 개선되고 광효율이 증가된 광 모듈을 제공할 수 있다.
또한 본 발명에 따르면 발광소자의 구동회로를 쉽게 내장하여 일체화 시킬 수 있는 광 모듈을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른, PCB 기판의 구조를 나타낸 평면도,
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른, 광 모듈의 구조를 나타낸 평면도,
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른, 광 모듈의 측면 단면도,
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른, 표면 실장용 광 모듈의 구조를 나타낸 전면 평면도,
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른, 표면 실장용 광 모듈의 구조를 나타낸 배면 평면도,
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른, 금속층이 부가된, 표면 실장용 광 모듈을 위한 PCB 기판의 구조를 나타낸 전면 평면도,
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른, 금속층이 부가된, 표면 실장용 광 모듈을 위한 PCB 기판의 구조를 나타낸 배면 평면도,
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른, 금속층이 부가된, 표면 실장용 광 모듈의 구조를 나타낸 평면도,
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른, 금속층이 부가된, 표면 실장용 광 모듈의 측면 단면도,
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른, 형광체가 부가된 표면 실장용 광 모듈의 측면 단면도,
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른, 솔더크림을 매개로 금속 기판에 표면 실장된 광 모듈의 측면 단면도,
도 12는 본 발명의 일 실시 예에 따른, 열 방출용 관통홀 내부에는 열 방출을 용이하게 하는 금속물질이 채워진 표면 실장용 광 모듈의 측면 단면도,
도 13은 본 발명의 일 실시 예에 따른, 열 방출을 용이하게 하는 금속물질이 채워진 표면 실장용 광 모듈이 금속 기판에 표면 실장된 구조를 나타내는 측면 단면도,
도 14는 본 발명의 일 실시 예에 따른, 다수의 열 방출용 관통홀을 구비한 PCB 기판의 구조를 나타낸 평면도,
도 15는 본 발명의 일 실시 예에 따른, 다수의 열 방출용 관통홀을 구비한 표면 실장용 광 모듈에 쓰이는 PCB 기판의 구조를 나타낸 전면 평면도,
도 16은 본 발명의 일 실시 예에 따른, 다수의 열 방출용 관통홀을 구비한 표면 실장용 광 모듈에 쓰이는 PCB 기판의 구조를 나타낸 배면 평면도,
도 17은 본 발명의 일 실시 예에 따른, 다수의 열 방출용 관통홀을 구비한 표면 실장용 광 모듈의 평면도,
도 18은 본 발명의 일 실시 예에 따른, 다수의 열 방출용 관통홀을 구비한 표면 실장용 광 모듈의 측면 단면도,
도 19는 본 발명의 일 실시 예에 따른, 다수의 열 방출용 관통홀을 구비하고 형광체가 도포된 표면 실장용 광 모듈의 측면 단면도,
도 20은 본 발명의 일 실시 예에 따른, 솔더크림을 매개로 금속 기판에 표면 실장된 광 모듈의 측면 단면도,
도 21은 본 발명의 일 실시 예에 따른, 열 방출용 관통홀 내부에는 열 방출을 용이하게 하는 금속물질이 채워진 표면 실장용 광 모듈의 측면 단면도,
도 22는 본 발명의 일 실시 예에 따른, 열 방출을 용이하게 하는 금속물질이 채워진 표면 실장용 광 모듈이 금속 기판에 표면 실장된 구조를 나타내는 측면 단면도.
이하, 본 발명에 따른 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 PCB 기판의 구조를 나타낸 평면도이다. 상기 PCB 기판(100) 중앙에는 열 방출용 관통홀(110)이 형성되어 있으며 그 주변으로 발광소자와 전기적으로 연결되기 위한 다수의 전면 전극(120)이 형성되어 있다. 또한 상기 열 방출용 관통홀(110)과 전면 전극(120) 사이에는 도금층(130)이 형성되어 있는데 이 도금층은 발광소자와의 와이어 본딩을 위한 것으로서 금으로 형성하는 것이 바람직하다. 상기 도금층(130)은 전면 전극(120)과 전기적으로 연결되어 있는데 본 실시 예에서는 도금층(130)을 전면 전극(120) 상에 형성하여 전기적으로 연결하였다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광 모듈의 구조를 나타낸 평면도이며 도 3은 그 측면에 대한 단면도이다. 열 방출용 관통홀(110)이 형성된 PCB 기판(100) 상에 Si 기판(300)을 상기 관통홀(110)을 덮도록 부착시킨다. 상기 Si 기판 상단에는 하나 혹은 다수의 발광소자(400)가 예를 들어 4 X 4의 배열 등으로 형성되고, 다수의 발광소자가 형성된 경우 각 발광소자들은 병렬 내지 직렬 혹은 양 방식의 혼합한 형태로 전기적으로 연결된다. 이러한 기판에 대한 발광소자의 배치 및 소자 간 전기적 연결에 대한 구성은 모두 공지된 바에 의할 것이며 본 발명의 특징과는 관련이 없으므로 본 도면 및 이하 도면에서는 개념화된 이미지로만 도시하였다. 이 발광소자(400)는 모두 상기 PCB 기판(100)의 다수의 전면 전극(120)과 전기적으로 연결되는데 본 실시예에서는 도금층(130)과의 와이어 본딩(140)을 통해 전면 전극(120)과 전기적으로 연결된다. 또 다른 실시 예에 따라 상기 Si 기판(300)에 도금층을 추가적으로 구성하고 상기 발광소자(400)는 Si 기판의 도금층으로 와이어 본딩되고 다시 Si 기판의 도금층에서 상기 PCB 기판의 도금층(130)으로 와이어 본딩될 수도 있으며 이러한 와이어 본딩의 구성 역시 공지 기술이라 할 것이며 본 발명의 특징으로 볼 수 없다. 따라서, 본 발명에서 Si 기판 상의 발광소자가 PCB 기판의 전극에 전기적으로 연결된다는 것은 발광소자로부터 PCB 기판의 도금층으로 와이어 본딩에 의해 직접 연결되는 경우와, 발광소자로부터 Si 기판 상의 도금층을 통해 PCB 기판의 도금층으로 와이어 본딩에 의해 연결되는 경우 모두를 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다. 여기서 Si 기판(300)은 상면에 절연층이 형성되는 것이 바람직하며 와이어 본딩(140)은 금 세선인 것이 바람직하다. 전면 전극(120)은 추후에 발광소자(400)를 구동할 수 있는 구동전원과 연결되어 발광소자를 발광시키게 된다. 또한 실시 예에 따라 상기 PCB 기판(100)에는 발광소자(400)를 구동하기 위한 구동회로가 내장될 수 있는데 이렇게 본 발명에서는 COB형 광 모듈에 있어 PCB 기판이 사용되므로 전극은 물론 발광소자(400)를 구동하기 위한 구동회로를 내장하는 것이 손쉽게 가능해진다는 장점이 있다. 그리고 상기 도면에서와 같이 PCB 기판에 열 방출용 관통홀(110)을 구성함으로써 발광소자가 실장된 Si 기판이 하단의 PCB 기판의 구성에 관계없이 하부로 직접 노출될 수 있으며 따라서 히트싱크 등 열 배출 구조의 부가가 용이하다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 SMD 타입의 광 모듈의 구조를 나타낸 평면도이다. 본 도면에서 볼 수 있듯이 도 2에서의 광 모듈 구조에서 복수의 전기적 연결용 관통홀(150)을 추가로 구비하고 있다. 상기 관통홀은 전면 전극(120) 상에 형성되고, 관통홀 벽면에 상기 전면 전극(120)과 배면의 배면 전극(160)과 접촉하도록 금속이 도금되어 있어 양 전극을 전기적으로 연결시킨다.
도 5는 도 4의 실시 예에 따른 SMD 타입의 광 모듈의 배면 평면도로서 PCB 기판(100)의 배면에 상기 전면 전극(120)과 대응되는 위치에 배면 전극(160)이 형성되어 있다. 배면 전극(160)은 전기적 연결용 관통홀(150)을 덮도록 형성되어 있으며 전술한 바 대로 상기 전기적 연결용 관통홀(150)의 벽면이 상기 전면 전극과 상기 배면 전극과 접촉하도록 도금되어 있으므로 이를 통하여 전면 전극(120)은 배면 전극(160)과 전기적으로 연결되어 표면 실장형의 광 모듈로서 작동될 수 있다. 특히 본 광 모듈을 솔더크림이나 써멀 그리스 등의 열 전달력이 좋은 물질을 이용하여 표면 실장하게 되는 경우 Si 기판(300) 하단의 열 방출용 관통홀(110)을 통해 솔더크림이나 써멀 그리스 등이 흡입되어 직접 Si 기판에 접촉하게 되므로 이를 통한 열 방출이 원활하게 이루어져 모듈의 특성을 향상시킬 수 있다.
도 6은 도 4의 실시 예에서 보여준 광 모듈 구조에서 열 방출력을 높이기 위한 금속층(170) 구조를 추가한 PCB 기판(100)의 실시 예를 평면도로 보여준다. 상기 금속층(170)은 도금 공정을 통해 형성하며 열 방출용 관통홀(110)의 벽면을 따라 PCB 기판(100)의 배면에까지 연장된다.
도 7은 도 6의 PCB 기판의 배면을 보여주는 평면도로서 기판의 전면에서부터 열 방출용 관통홀(110)을 통하여 연장된 금속층(170)이 전면에서와 마찬가지의 형상으로 형성되어 있다.
도 8은 도 6의 실시 예의 PCB 기판에 발광소자(400)가 실장된 Si 기판(300)을 상기 열 방출용 관통홀(110)을 덮도록 부착시킨 SMD 타입의 광 모듈의 구조를 나타낸 평면도이며 도 9는 동 광 모듈을 측면에서 자른 단면도이다. 도 4에서 살펴본 바와 같이 발광소자(400)는 와이어 본딩(140)으로 도금층(130)과 연결되며 전면 전극(120) 및 전기적 연결용 관통홀(150)을 거쳐 배면 전극(160)에까지 전기적으로 연결된다. 상기 도면들에서 볼 수 있듯이 Si 기판(300)은 PCB 기판 상의 금속층(170) 상에 부착되며, 따라서 본 모듈을 작동시키게 되면 상기 발광소자(400)에서 발생되는 열은 Si 기판(300)을 거쳐 금속층(170)으로 전달되고 상기 금속층(170)은 상기 PCB 기판(100)의 배면에까지 연장되므로 열이 상기 PCB 기판 하부로 쉽게 배출된다. 또한 상기 광 모듈을 금속 기판에 표면 실장하는 경우, 금속 기판으로의 열 전달률이 높아져 광 모듈에서 발생하는 열의 방출이 매우 원활해질 수 있으며 이러한 금속층(170)이 주는 유리한 효과는 전술했던 솔더크림이나 써멀 그리스 등을 이용한 표면 실장의 경우에도 적용될 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따라 형광체를 도포한 광 모듈의 측면을 자른 단면도를 나타낸다. 도 6에서의 PCB 기판(100) 상에 댐(180)을 추가로 형성하고 발광소자(400)가 실장된 Si 기판(300)을 부착한 뒤 와이어 본딩(140)을 형성하고 마지막으로 형광체(190)를 도포하여 형광체가 도포된 광 모듈을 완성한다. 여기서 형광체(190)는 발광소자(400) 및 도금층(130), 와이어 본딩(140)을 습기나 먼지 등의 외부물질로부터 보호하는 봉지재의 역할을 할 수 있으며 또한 형광 물질을 통하여 발광소자(400)의 발광특성을 향상시킨다.
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 금속 기판 상에 실장된 광 모듈에 대한 단면도이다. 상기 광 모듈(500)은 상기 금속 기판(200)에 솔더링 공정을 통해 실장되며 이에 따라 솔더크림(600)을 매개로 광 모듈의 배면 전극(160)과 금속 기판(200)의 표면에 형성되어 있는 표면 전극(210)이 전기적으로 연결된다. 이와 같이 표면 실장시 솔더크림을 이용하는 경우 솔더크림(600)이 상기 열 방출용 관통홀(110)로 흡입되어 금속 기판(200) 및 금속층(170), Si 기판(300)과 접촉하게 된다. 따라서 Si 기판(300)의 열이 금속층(170)으로 전달되고 이것이 다시 솔더크림(600)을 통해 하부의 금속 기판(200)으로 배출되므로 열 방출력이 상당히 우수해진다. 또한 실시 예에 따라 솔더크림(600) 대신 써멀 그리스를 사용할 수도 있다.
도 12는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른, 금속물질(700)이 열 방출용 관통홀(110)을 채운 표면 실장용 광 모듈에 대한 측면 단면도이다. 이와 같이 열 방출을 용이하게 하는 금속물질(700)을 관통홀(110)에 채워 발광소자(400)에서 발생한 열이 Si 기판(300)을 통하여 금속물질(700)로 전달되므로 이러한 광 모듈을 표면 실장 하는 경우 표면 실장되는 기판으로의 열 방출이 매우 원활해진다. 특히 열 방출을 용이하게 하는 금속물질(700)로는 구리 입자가 포함된 액체 물질을 사용할 수 있는데 이 경우, 열 방출 능력이 솔더크림이 흡입되는 실시 예의 경우보다 더욱 향상되는 효과가 있다.
도 13은 도 12의 실시 예의 광 모듈이 금속 기판(200)에 표면 실장된 구조를 나타내는 측면 단면도이다. 본 도면에서 볼 수 있듯이 열 방출을 용이하게 하는 금속물질(700)이 하부의 금속 기판(200)과 접촉하여 Si 기판(300)과 금속층(170), 금속물질(700)을 지나 금속 기판(200)까지 이어지는 열 방출 경로가 형성되어 발광소자(400)에서 발생되는 열의 방출력이 높아져 소자 효율 및 수명을 개선한다.
도 14는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 PCB 기판(100)의 구조를 나타낸 평면도이다. 열 방출용 관통홀(110)이 PCB 기판 상에 다수 형성되어 있으며 추후에 발광소자와 전기적으로 연결되기 위한 도금층(130)과 전면 전극(120)이 형성되어 있으며 따라서 상기 전면 전극과 구동 전원을 연결하는 것으로 발광소자(400)를 발광시킬 수 있다.
도 15는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 SMD 타입의 광 모듈을 위한 PCB 기판(100)을 도시한 평면도이다. 복수의 전기적 연결용 관통홀(150)이 역시 구비되어 있으며 이 관통홀의 일측 벽면은 도금되어 금속 도금 영역(150a)을 형성하고 있으므로 전면 전극(120)과 도 16에서 볼 수 있는 배면 전극(160)을 전기적으로 연결시켜 준다.
도 16은 도 15의 실시 예에 따른 PCB 기판(100)의 배면을 나타낸 평면도이다. 전술한 바와 같이 전기적 연결용 관통홀(150)의 일측 벽면에 구성된 금속 도금 영역(150a)이 전면 전극(120)과 배면 전극(160)을 전기적으로 연결시켜 주고 있으므로 전면 Si 기판 상의 발광소자(400)와 배면 전극이 전기적으로 연결되므로 표면 실장형의 광 모듈로서 동작할 수 있다.
도 17은 도 15의 실시 예에 따른 PCB 기판(100)을 이용한 표면 실장이 가능한 광 모듈을 나타낸 평면도이며 도 18은 상기 광 모듈을 전기적 연결용 관통홀(150) 부분에서 측면으로 절단한 단면도이다. 상기 PCB 기판(100)의 중앙부에 열 방출용 관통홀(110)의 일부를 덮도록 Si 기판(300)을 부착시키며 상기 Si 기판에는 발광소자(400)가 형성되어 있다. 와이어 본딩(140)을 통해 발광소자는 도금층(130)과 연결되고 이러한 전기적 연결은 전면 전극(120)까지 이어지게 된다. 전기적 연결용 관통홀(150)의 일측 벽면에는 상기 도면에서와 같이 금속 도금 영역(150a)이 전면 전극(120)과 배면 전극(160)과 접촉하도록 형성되어 있어 전면 전극(120)과 배면 전극(160)을 전기적으로 연결시킨다. 이와 같은 구조에서 볼 수 있듯이 상기 광 모듈을 솔더링 공정을 통하여 금속 기판에 표면 실장하는 경우 솔더크림이 상기 열 방출용 관통홀(110)에 흡입되어 솔더크림을 통한 상기 Si 기판(300)과 하부의 금속 기판까지 이어지는 열 방출 경로가 형성되어 열 방출 능력이 상당히 높아진다.
도 19는 도 17의 실시 예에 따른 광 모듈에 형광체(190)를 도포한 구조를 나타내는 측면 단면도이다. 다수의 관통홀이 형성된 PCB 기판(100) 상에 댐(180)을 형성하고 Si 기판(300) 부착 및 발광소자(400)와 도금층(130)과의 전기적 연결을 마친 뒤 형광체(190)를 도포하여 발광소자(400)를 보호하고 그 발광특성을 향상시킨다.
도 20은 도 19의 다수의 관통홀이 형성된 광 모듈이 솔더크림(600)을 통하여 금속 기판(200) 상에 표면 실장된 모습을 나타내는 측면 단면도이다. 이와 같이 표면 실장시 솔더크림을 이용하는 경우 솔더크림(600)이 상기 다수의 열 방출용 관통홀(110)로 흡입되어 금속 기판(200) 및 PCB 기판(100), Si 기판(300)과 접촉하게 되며, 이에 따라 상기 발광소자(400)에서 발생하는 열의 배출이 원활해진다.
도 21은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따라 금속물질(700)이 열 방출용 관통홀(110)을 채운 표면 실장용 광 모듈에 대한 측면 단면도이다. 전술했던 바 대로 이렇게 표면 실장되기 전에 미리 관통홀에 열 방출을 용이하게 하는 금속물질을 채우고 표면 실장할 수도 있으며 역시 이 금속물질(700)이 PCB 기판(100) 및 Si 기판(300)과 접촉하며 발광소자(400)에서 발생되는 열의 방출을 돕는다.
도 22는 도 21에 따른 광 모듈이 금속 기판(200)에 표면 실장된 구조를 보여주는 측면 단면도이다. 열 방출을 용이하게 하는 금속물질(700)이 하단의 금속 기판(200)과 접촉하며 발광소자(400)에서 발생되는 열의 방출 경로를 형성한다.
다음으로 도 10에 도시한 광 모듈을 제조하는 방법에 대해 상세히 설명한다. 여기서 발광소자(400)로는 LED를 이용한다.
먼저 Si 기판을 절연 처리하여 LED 실장을 위한 기판을 만든다. 이 경우 본 출원인의 대한민국 등록특허 제10-1121151호, “LED 모듈 및 그 제조방법”에 기재된 대로 Si 기판 상에 5 nm 이하의 나노 포어(pore)가 형성된 산화 알루미늄 (AAO) 층과 산화실리콘 (SiO2) 층으로 절연층을 형성함으로써 절연 처리된 Si 기판(300)을 제작할 수 있다. 그 후 PCB 기판의 중앙부에 관통홀(110)을 보유하도록 성형하고 다음으로 상기 PCB 기판 상에 전면 전극(120)을 양극과 음극으로 나누어 형성한다. 이러한 전면 전극 상에 소형의 전기적 연결용 관통홀(150)을 형성한 후 Cu 도금을 진행하여 상기 전기적 연결용 관통홀(150)의 벽면을 도금하고, 양극과 음극으로 이루어진 배면 전극(160)을 도금으로 형성하여 전면 전극(120)과 배면 전극(160)을 전기적으로 연결시킨다. 그리고 도금층(130)이 형성될 영역과 Si 기판이 부착될 영역 및 전면 전극(120), 배면 전극(160)이 형성된 영역만을 제외하고 폴리머로 상기 PCB 기판을 도포하는데, 이는 선택적 도금을 진행하기 위한 마스크의 역할과 함께 PCB 기판의 산화 방지 및 광 모듈 제작 후 발생되는 빛의 반사율을 높이기 위한 막의 역할을 한다. 이러한 선택적 도금 작업을 진행하여 도금층(130)을 형성한 후 형광체 도포를 위한 댐 공정을 진행하여 댐(180)을 제작하여 PCB 기판(100)을 완성한다. 다음으로 이렇게 제작된 PCB 기판(100)에 상기 절연 처리된 Si 기판(300)을 부착하는데 이 때 도전성 에폭시를 이용하여 부착하는 것이 열 전달에 유리하다. 그리고 상기 Si 기판(300)에 LED 소자를 다이 본딩(Die Bonding)한 후 다시 도금층(130)과 와이어 본딩하여 전면 전극(120), 배면 전극(160)과 LED 소자 간의 전기적 연결을 완성한다. 그리고 마지막으로 댐(180)으로 둘러쌓인 영역에 형광체(190)를 도포하여 광 모듈 제조를 완료한다. 또한 여기에, 전술한 바 있는 열 방출을 용이하게 하는 금속물질을 상기 열 방출용 관통홀(110)에 채우는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
추가적으로, 이렇게 광 모듈 제조를 완료한 뒤, 금속 기판에 광 모듈을 표면 실장할 수 있다. 이 경우 솔더크림이나 써멀 그리스 등 열 전달력이 좋은 유체물질을 매개로 표면 실장하는 것이 바람직하다.
이상 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하였으나, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 상기에서 설명된 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 “연결”되어 있다고 할 때, 이는 “직접적으로 연결”되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 “전기적으로 연결”되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
100: PCB 기판 110: 열 방출용 관통홀
120: 전면 전극 130: 도금층
140: 와이어 본딩 150: 전기적 연결용 관통홀
160: 배면 전극 170: 금속층
180: 댐 190: 형광체
200: 금속 기판 210: 표면 전극
300: Si 기판 400: 발광소자
500: 광 모듈 600: 솔더크림
700: 금속물질

Claims (21)

  1. 전면에 다수의 전면 전극이 형성되고 열 방출용 관통홀을 구비한 PCB 기판; 및
    상기 열 방출용 관통홀을 덮도록 상기 PCB 기판 전면에 부착되며, 표면에 절연층이 형성되고 절연층 표면에 발광소자가 실장되는 Si 기판;을 포함하고,
    상기 발광소자는 상기 PCB 기판의 다수의 전면 전극에 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 광 모듈.
  2. 제1항에 있어서, 상기 PCB 기판은 그 배면에 전면의 다수의 전극과 전기적으로 연결되는 다수의 배면 전극이 형성된 것을 특징으로 하는 광 모듈.
  3. 제2항에 있어서, 상기 전면의 다수의 전면 전극과 상기 배면의 다수의 배면 전극은 상기 PCB 기판에 추가로 구성되는 전기적 연결용 관통홀을 통하여 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 광 모듈.
  4. 제1항에 있어서, 상기 PCB 기판은 그 전면에서부터 상기 열 방출용 관통홀을 따라 그 배면까지 연장되는 금속층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 광 모듈.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열 방출용 관통홀 내부에는 열 방출을 용이하게 하는 금속물질이 채워진 것을 특징으로 하는 광 모듈.
  6. 제5항에 있어서, 상기 열 방출을 용이하게 하는 금속물질은 구리 입자를 포함하는 유체물질인 것을 특징으로 하는 광 모듈.
  7. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 PCB 기판의 배면에는 열을 전달하는 유체물질을 매개로 부착되는 금속 기판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광 모듈.
  8. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 PCB 기판에는 형광체 도포를 위한 댐이 형성되고 상기 댐 내부에는 형광체가 도포된 것을 특징으로 하는 광 모듈.
  9. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 PCB 기판에는 상기 발광소자를 구동하기 위한 구동회로가 형성되는 것을 특징으로 하는 광 모듈.
  10. 삭제
  11. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 Si 기판 상의 발광소자는 상기 PCB 기판의 전면 전극에 금 세선을 통해 전기적으로 연결된 것을 특징으로 하는 광 모듈.
  12. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열 방출용 관통홀은 다수이고, 상기 Si 기판은 상기 열 방출용 관통홀의 일부 혹은 전부를 덮으며 상기 PCB 기판 전면에 부착되는 것을 특징으로 하는 광 모듈.
  13. 제12항에 있어서, 상기 다수의 열 방출용 관통홀 내부에는 열 방출을 용이하게 하는 금속물질이 채워진 것을 특징으로 하는 광 모듈.
  14. 제13항에 있어서, 상기 열 방출을 용이하게 하는 금속물질은 구리 입자를 포함하는 유체물질인 것을 특징으로 하는 광 모듈.
  15. 제12항에 있어서, 상기 PCB 기판의 배면에는 열을 전달하는 유체물질을 매개로 부착되는 금속 기판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광 모듈.
  16. 기판 전면에 다수의 전면 전극과 열 방출용 관통홀이 형성된 PCB 기판에, 표면에 절연층이 형성된 Si 기판 위에 발광소자가 실장된 Si 기판을, 상기 열 방출용 관통홀의 일부 혹은 전부를 덮도록 부착하는 단계; 및
    상기 Si 기판의 발광소자와 상기 PCB 기판의 전면 전극을 전기적으로 연결시키는 단계;를 포함하는 광 모듈 제조 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 기판 전면에 다수의 전면 전극과 열 방출용 관통홀이 형성된 PCB 기판에 발광소자가 실장된 Si 기판을 상기 열 방출용 관통홀의 일부 혹은 전부를 덮도록 부착하는 단계는
    상기 PCB 기판의 상기 전면 전극이 형성된 부분에 추가로 다수의 전기적 연결용 관통홀을 형성하는 단계;
    상기 다수의 전면 전극과 전기적으로 연결되도록 상기 전기적 연결용 관통홀의 벽면을 도금하는 단계; 및
    상기 PCB 기판 배면에 상기 전기적 연결용 관통홀의 벽면과 전기적으로 연결되도록 다수의 배면 전극을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 모듈 제조 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 다수의 전면 전극과 전기적으로 연결되도록 상기 전기적 연결용 관통홀의 벽면을 도금하는 단계는 상기 PCB 기판의 전면에서부터 상기 열 방출용 관통홀을 따라 그 배면까지 연장되는 금속층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 모듈 제조 방법.
  19. 제16항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 Si 기판의 발광소자와 상기 PCB 기판의 전면 전극을 전기적으로 연결시키는 단계는 그 연결 후 상기 PCB 기판 하단에 열을 전달하는 유체물질을 매개로 금속 기판을 부착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 모듈 제조 방법.
  20. 제16항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 Si 기판의 발광소자와 상기 PCB 기판의 전면 전극을 전기적으로 연결시키는 단계는 상기 열 방출용 관통홀에 열 방출을 용이하게 하는 금속물질을 채우는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 모듈 제조 방법.
  21. 제16항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 Si 기판의 발광소자와 상기 PCB 기판의 전면 전극을 전기적으로 연결시키는 단계는 폴리머로 상기 PCB 기판의 표면을 도포하여 도금을 위한 마스크를 형성한 뒤 도금을 진행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 모듈 제조 방법.
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