KR101437897B1 - Led 방열기판과 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 도전성 재질의 전도층 및 절연성 재질의 비전도층을 교대로 적층시킨 후 적층된 성형물을 슬라이싱(Slicing) 하여 전도대와 비전도대가 교대로 형성되는 평판상의 방열기판을 제조하고, 전도대에 LED 소자들을 직접 배치함으로써 회로구성을 단순화시킴과 동시에 방열효율을 극대화할 수 있는 LED 방열기판 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

Description

LED 방열기판과 그 제조 방법{Electric substrate of heat sink and making method therefor}
본 발명은 LED 방열기판과 그 제조 방법에 관한 것으로서, 상세하게로는 평면상으로 전도대 및 비전도대를 교대로 배치시키고, 전도대에 LED 소자를 직접 실장함으로써 제조공정 및 구성을 단순화함과 동시에 방열효율을 극대화할 수 있는 LED 방열기판 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
LED(Light Emitting Diode)는 전기에너지를 빛에너지로 변환시키는 반도체소자로서, 수명이 길며 고휘도 및 내충격성이 우수하나, 발광 시 많은 열을 방출하고, 방출된 열이 적정하게 방열되지 않을 경우 패키징 수지를 열화시켜 발광효율을 떨어뜨려 LED 칩의 수명이 단축되는 단점을 갖는다. 이에 따라 LED 발광 시 발생되는 열을 효율적으로 방열시키기 위한, 특히 LED 기판의 재질 및 구성을 변형하여 방열효율을 높이기 위한 다양한 연구가 이루어지고 있다.
종래의 LED 기판은 플라스틱 재질의 인쇄회로기판(PCB)이 주로 적용되었으나, 인쇄회로기판(PCB)은 금속의 리드 프레임이나 세라믹 기판에 비해 방열효율이 떨어지는 단점을 갖는다. 이러한 문제점을 극복하기 위하여 인쇄회로기판의 소자가 실장되는 부분에 관통홀을 다수 형성하고, 관통홀에 도전성이 높은 재료를 충진하는 방법이 연구되었으나, 이러한 방식의 인쇄회로기판은 복수개의 관통홀을 형성하기 위한 사출작업이 복잡하고, 미세한 관통홀을 통해 방열효율을 크게 높이지 못하는 한계를 갖는다.
도 1은 국내등록특허 제1077378호(발명의 명칭: 방열기판 및 그 제조방법)에 개시된 방열기판을 나타내는 단면도이다.
도 1의 방열기판(이하, 종래기술이라 함)(100)은 방열효과를 높이면서도 기판에 설치되는 전기소자를 안정적으로 보호하기 위한 발명이다.
또한 종래기술(100)은 금속층(111), 절연층(112), 및 회로층(113)을 포함하는 베이스기판(110)과, 베이스기판(110)에 형성되는 가공부(140)와, 베이스기판(110)의 하부에 설치되는 방열층(120)과, 가공부(140)에 삽입되어 베이스기판(110)과 방열층(120)을 연결하는 연결수단(130)을 포함한다.
또한 베이스기판(110)을 구성하는 금속층(111)의 타면(111b) 및 측면(111c)의 외측에는 양극산화층(150)이 형성되되고, 회로층(113)의 상부면에 LED 패키지를 비롯한 소자(160)가 설치된다.
이와 같이 구성되는 종래기술(100)은 소자(160)로부터 발생된 열이 열전도체인 금속층(111)과 방열층(120)으로 전달되어 외부로 배출되도록 구성되나, 소자(160) 및 금속층(111) 사이에는 절연층(112)이, 금속층(111) 및 방열층(120) 사이에는 양극산화층(150)이 개재되어 있어 열전달이 방해되어 원활한 방열이 이루어지지 않는 문제점이 존재한다.
또한 종래기술(100)은 LED 패키지 소자(160)를 실장하기 위해서는 금속층(111)의 상면에 절연층(112)을 형성하고, 금속층(111)의 측면 및 하면에 양극산화층(150)을 형성하고, 양극산화층(150)의 하면에 방열층(120)을 형성하여야 하기 때문에 제조공정이 복잡함과 동시에 제조원가가 높고, 제품의 불량률이 높은 단점을 갖는다.
국내등록특허 제10-1032961호(발명의 명칭 : LED 방열기판의 제조 방법 및 그의 구조)에는 LED 방열기판에 복수개의 삽입홀을 형성하고, 삽입홀의 삽입 부위에 솔더링(Soldering)용 물질로 도금을 한 후 각 삽입홀에 도전성이 우수한 방열핀을 삽입시키고, 삽입홀에 삽입된 방열핀과 삽입홀의 접촉부분을 솔더링하여 방열 효율을 높일 수 있는 LED 방열기판이 개시되어 있다.
그러나 이러한 방식의 LED 방열기판은 전술하였던 도 1의 종래기술(100)과 마찬가지로 제조공정이 복잡할 뿐만 아니라 미세한 삽입홀에 삽입된 방열핀을 통해 열을 효과적으로 방출시키지 못해 방열효율을 크게 증가시키지 못하는 한계를 갖는다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명은 평면상에서 도전성 재질의 전도대와, 절연성 재질의 비전도대가 교대로 형성되는 방열기판을 제조하고, 방열기판의 전도대에 LED 소자를 직접 실장함으로써 별도의 방열수단을 설치하지 않고도 LED 소자로부터 발생되는 열이 전도대를 통해 외부로 방출시켜 방열효율을 획기적으로 높일 수 있는 LED 방열기판과 그 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.
또한 본 발명의 다른 해결과제는 전도대 및 비전도대가 교대로 형성된 방열기판의 전도대에 LED 소자를 직접 실장하여 별도의 회로층을 형성하지 않고도 LED가 점등되도록 함으로써 제조공정이 간단할 뿐만 아니라 제조원가가 절감되는 LED 방열기판과 그 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.
또한 본 발명의 또 다른 해결수단은 전도대를 형성하는 전도층과, 비전도대를 형성하는 비전도층을 평평한 판재로 형성한 후 적층시키고, 대접부위들을 결속시킨 후 슬라이싱(Slicing) 하는 공정을 통해 전도대 및 비전도대가 교대로 형성되는 방열기판을 제조함으로써 간단한 공정을 통해 다량의 방열기판을 제조할 수 있는 LED 방열기판과 그 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.
또한 본 발명의 또 다른 해결수단은 금속분말, 카본분체 및 바인더가 혼련되어 상기 전도대를 형성하는 혼합물과, 절연체 분말, 카본분체 및 바인더가 혼련되어 상기 비전도대를 형성하는 혼합물을 금속분말사출성형(MIM : Metal Injection Molding)법을 통해 소결시킴으로써 전도대 및 비전도대의 성질을 변형하지 않고도 이들이 견고하게 결속된 LED 방열기판과 그 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.
또한 본 발명의 또 다른 해결수단은 금속성 판재 및 절연성 판재를 교대로 적층시킨 후 니켈 진공 용접을 통해 대접부위를 결속시켜 결속공정시간을 절감시킴으로써 공정시간 대비 다량의 방열기판을 제조할 수 있는 LED 방열기판 및 그 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 수단은 상면에 LED 소자가 직접 설치되고, 상기 LED 소자로부터 방출되는 열을 외부로 방열시키는 LED 방열기판의 제조 방법에 있어서: 금속분말, 카본분체 및 바인더를 혼련시키는 전도대용 혼합물 혼련단계; 절연체 분말 및 바인더를 혼련시키는 비전도대용 혼합물 혼련단계; 상기 전도대용 혼합물 혼련단계에 의해 제조된 혼합물인 전도대용 혼합물과, 상기 비전도대용 혼합물 혼련단계에 의해 제조된 혼합물인 비전도대용 혼합물을 교대로 순차적으로 적층시키는 적층단계; 상기 적층단계에 의해 적층된 예비성형물에 함유된 상기 바인더를 제거하는 탈지단계; 상기 탈지단계를 수행한 예비성형물을 소결시키는 소결단계; 상기 소결단계를 수행한 예비성형물을 냉각시킨 후 슬라이싱(Slicing)하는 슬라이싱 단계를 포함하는 것이 바람직하다.
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또한 본 발명에서 상기 탈지단계는 상기 적층단계에 의해 적층된 예비성형물에 열을 가하여 상기 예비성형물에 함유된 바인더를 증발 및 분해시키는 가열법이 적용되는 것이 바람직하다.
삭제
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상기 과제와 해결수단을 갖는 본 발명에 따르면, 전도층과 비전도층이 교대로 적층된 성형물을 슬라이싱(Slicing) 함으로써 전도대 및 비전도대가 교대로 형성된 평판의 방열기판을 제작하고, 전도대에 LED를 직접 실장함으로써 회로구성을 단순시킴과 동시에 방열효율을 극대화시키고, 별도의 방열수단 및 회로층을 구성하지 않아도 되기 때문에 제조원가를 낮출 수 있다.
도 1은 국내등록특허 제1077378호(발명의 명칭: 방열기판 및 그 제조방법)에 개시된 방열기판을 나타내는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 방열기판과 방열기판에 설치된 LED의 사시도이다.
도 3은 도 2의 LED의 결선회로도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예인 방열기판을 제조하는 제조 방법의 일실시예를 나타내는 플로차트이다.
도 5는 도 4의 예비성형단계를 나타내는 플로차트이다.
도 6은 예비성형단계에 적용되는 예비성형물을 나타내는 사시도이다.
도 7은 슬라이싱 단계에 의해 예비성형물이 슬라이싱 되는 모습을 설명하기 위한 사시도이다.
도 8은 본 발명의 일실시예인 방열기판을 제조하는 제조 방법의 제2 실시예를 나타내는 플로차트이다.
도 9는 도 8의 예비성형단계에 적용되는 예비성형물을 나타내는 분해사시도이다.
이하, 첨부된 도면에 따라서 본 발명의 일실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 방열기판과 방열기판에 설치된 LED의 사시도이고, 도 3은 도 2의 LED의 결선회로도이다.
도 2의 방열기판(200)은 직사각형의 판재로 형성되는 도전재질의 전도대(211~217)(210)들과, 전도대(210)들 사이에 설치되되 인접되는 전도대(210)들의 측면에 접합되는 절연재질의 비전도대(221~226)(220)들로 이루어진다.
또한 각 전도대(211~217)들의 상부면에는 복수개의 LED 소자(230)들이 설치된다.
즉 방열기판(200)은 원형 또는 다각형상으로 이루어지며, 평면상에 전도대(210)들과 비전도대(220)들이 상호 교대로, 상세하게로는 전도대(211)와 전도대(212) 사이에 비전도대(221)가 설치되고, 비전도대(221)의 양측면은 전도대(211)와 전도대(212)에 각각 접합되어 결합됨으로써 비전도대(221)에 의하여 전도대(211)와 전도대(212)는 절연되고, 다른 전도대들도 동일한 방식으로 비전도대(220)에 의하여 타 전도대들과 절연되도록 구성된다. 이때 전도대(210)는 비전도대(220)에 비교하여 폭이 크며, 동일한 두께로 형성되는 것이 바람직하다.
LED 소자(230)는 각 전도대(211~217)의 상부면에 설치되되 상부에 접촉전극이 형성되고, 하부에 전도성 기판이 형성되어 직접 전도대(210)에 부착함으로써 별도의 회로공정이 필요 없는 수직형 LED인 것이 바람직하나, 이에 국한되지 않는다.
도 2에 도시된 바와 같이 방열기판(200)의 전도대(211) 쪽을 좌측으로, 전도대(217) 쪽을 우측으로 정의할 때 전원(V)의 '＋'극은 최좌측 전도대(211)에 연결되고, ''극은 최우측 전도대(217)에 연결된다.
또한 방열기판(200)은 최좌측 전도대(211)에 실장된 LED 소자(230)들 각각의 접촉전극과, 우측에 인접한 전도대(212)는 리드선(201)에 의해 연결되고, 전도대(212)에 실장된 LED 소자(230)들의 접촉전극은 동일한 방식으로 우측으로 인접한 전도대(213)에 리드선(201)으로 연결된다.
이와 같이 본 발명의 일실시예인 방열기판(200)은 일측 전도대에 실장된 LED 소자(230)들 각각의 접촉전극이 우측의 전도대에 리드선(201)으로 연결됨으로써 전도대(210)들 각각에 실장된 LED 소자(230)들은 전원을 인가받아 점등되게 된다.
도 3을 참조하여 LED 소자(230)들의 결선 회로도를 살펴보면, 방열기판(200)은 하나의 전도대(210)에 실장되는 LED 소자(230)들을 병렬 연결되며, 인접하는 전도대(210)들에 실장되는 LED 소자(230)들은 직렬 연결된다.
또한 전도대(210)는 카본 분체가 소성된 다공질 소결체를 전도성 금속인 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag)들 중 어느 하나에 함침시킨 후 냉각시킨 전도성 재질로서, 실장된 LED 소자(230)들에 전원공급의 경로를 제공할 뿐만 아니라 히트 싱크(Heat sink)의 기능을 수행하여 LED 소자(230)의발광으로 인한 열을 외부로 방출한다.
이와 같이 본 발명의 일실시예인 방열기판(200)은 전도대(210)와 비전도대(220)를 교대로 접합시킨 후 전도대(210)에 LED 소자(230)들을 실장함으로써 LED 소자(230)에서 발생되는 열을, 히트 싱크로서 직접 외부 공기와 접촉하는 전도대(210)를 통해 외부로 열을 직접 방출하게 됨으로써 방열효율이 개선될 뿐만 아니라 냉각 구조가 간단하게 된다.
또한 방열기판(200)은 LED 소자(230)의 하부면을 직접 전도대(210)에 접착시키고, 상부면의 접촉전극을 인접된 전도대에 리드선(201)으로 연결시켜 별도의 회로배선이 불필요한 매우 단순한 방식으로 LED 소자(230)가 실장됨으로써 제조원가 및 불량률이 현저히 절감된다.
도 4는 본 발명의 일실시예인 방열기판을 제조하는 제조 방법의 일실시예를 나타내는 플로차트이고, 도 5는 도 4의 예비성형단계를 나타내는 플로차트이고, 도 6은 예비성형단계에 적용되는 예비성형물을 나타내는 사시도이고, 도 7은 슬라이싱 단계에 의해 예비성형물이 슬라이싱 되는 모습을 설명하기 위한 사시도이다.
도 4를 참조하여 도 2의 방열기판(200)의 제조 방법을 살펴보면, 방열기판(200)의 제조 방법은 전도대용 혼합물 혼련단계(S10)와, 비전도대용 혼합물 혼련단계(S20), 예비성형단계(S30), 탈지단계(S40), 소결단계(S50), 냉각단계(S60), 슬라이싱 단계(S70)로 이루어진다. 즉 방열기판의 제조 방법은 금속분말사출성형(MIM : Metal Injection Molding)법을 적용하여 전도대를 형성하는 층과 비전도대를 형성하는 층이 교대로 적층되도록 한다.
전도대용 혼련단계(S10)는 알루미늄 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag)들 중 어느 하나이거나 또는 혼합물인 금속분말과, 1㎛ ~ 500㎛의 입도를 갖는 카본 분체와, 금속분말 및 탄소나노튜브의 유동성을 높이기 위한 바인더를 혼련시킴으로써 도 2의 전도대(210)를 형성하는 전도대용 혼합물(A1)을 제조하는 단계이다. 이때 바인더는 폴리옥시메틸렌, 열가소성 수지, 왁스제 및 계면활성제들 중 어느 하나인 것이 바람직하다.
비전도대용 혼합물 혼련단계(S20)는 절연성질을 갖는 절연체 분말과, 바인더를 혼련시켜 비전도대(220)를 형성하는 비전도대용 혼합물(A2)을 제조하는 단계이다. 이때 절연체 분말은 유리, 에보나이트, 황, 폴리스티롤, 폴리에틸렌, 데플론, 산화계 세라믹스 등과 같이 전기 전도율이 작은 물질의 분말이며, 상세하게로는 SiC 분체인 것이 바람직하다.
예비성형단계(S30)는 도 5에 도시된 바와 같이 전도대용 혼합물 혼련단계(S10)에 의해 제조된 전도대용 혼합물(A1)을 면적 및 두께를 갖는 판재의 전도대용 성형물(P1)로 성형하는 전도대용 성형물 성형단계(S110)와, 비전도대용 혼합물 혼련단계(S20)에 의해 제조된 비전도대용 혼합물(A2)을 제1 성형단계(S110)에 의해 성형된 전도대용 성형물(P1)과 동일한 면적을 갖되 두께가 얇은 판재의 비전도대용 성형물(P2)로 성형하는 비전도대용 성형물 성형단계(S120)와, 도 6에 도시된 바와 같이 전도대용 성형물 성형단계(S110)에 의해 제조된 전도대용 성형물(P1) 및 비전도대용 성형물 성형단계(S120)에 의해 제조된 비전도대용 성형물(P2)을 교대로 순차적으로 적층시키는 적층단계(S130)로 이루어진다.
즉 예비성형단계(S30)는 전도대용 혼합물 혼련단계(S10)에 의해 제조된 전도대용 혼합물(A1)과, 비전도대용 혼합물 혼련단계(S20)에 의해 제조된 비전도대용 혼합물(A2)을 평평한 판재(P1), (P2)로 성형한 후 이를 순차적으로 적층시킨 예비성형물(400)을 제조한다.
탈지단계(S40)는 예비성형물(400)의 내부에 남아있는 바인더를 제거하는 단계이고, 상세하게로는 예비성형물(400)을 가열하여 바인더를 증발 및 분해시킨다.
이때 본 발명에서는 설명의 편의를 위해 탈지단계(S40)가 열을 가하여 바인더를 제거하는 방법인 공지된 가열법을 적용하는 것으로 예를 들어 설명하였으나, 탈지단계(S40)는 바인더의 종류 및 성질에 따라 가열법 뿐만 아니라 용매추출법, 광분해형 바인더에 의한 방법 등의 다양한 방법 및 기술이 적용될 수 있다.
소결단계(S50)는 진공 상태를 형성하는 수용공간 내에 탈지단계(S40)를 통해 탈지된 예비성형물(400)을 수용한 후 금속분말의 녹는점에 따라 500℃ ~ 1300℃까지 가열하며, 가열된 상태를 40 ~ 80분간 유지시켜 함유된 분말들을 소결시키는 단계이다.
냉각단계(S60)는 소결단계(S50)를 통해 소결된 예비성형물(400)을 냉각시키는 단계이다.
슬라이싱 단계(S70)는 냉각단계(S60)를 통해 냉각된 예비성형물(500)을 도 7에 도시된 바와 같이 슬라이싱(Slicing) 하여 본 발명의 일실시예인 방열기판(200)을 제조한다.
이때 슬라이싱은 슬라이싱 된 방열기판(200)을 수평으로 놓았을 때 도 2에서 전술하였던 바와 같이 전도대(210) 및 비전도대(220)가 교대로 배치될 수 있도록 이루어진다.
도 8은 본 발명의 일실시예인 방열기판을 제조하는 제조 방법의 제2 실시예를 나타내는 플로차트이고, 도 9는 도 8의 예비성형단계에 적용되는 예비성형물을 나타내는 분해사시도이다.
도 8을 참조하여 도 2의 방열기판(200)을 제조하기 위한 제조 방법의 제2 실시예를 살펴보면, 방열기판(200)의 제조 방법의 제2 실시예는 적층단계(S210)와, 진공용접 단계(S220), 슬라이싱 단계(S230)로 이루어진다.
적층단계(S210)는 도 9에 도시된 바와 같이 기 제조된 금속성 판재(601) 및 절연성 판재(603)들을 순차적으로 교대로 적층시키되 대접되는 금속성 판재(601) 및 절연성 판재(603) 사이에 접합소재(605)인 니켈 분말(Nickel Powder)을 위치시키는 단계이다.
이때 금속성 판재(601)는 절연성 판재(603)와 동일한 면적을 갖는 판재 형상으로 형성되되 두께가 크게 형성되도록 한다.
또한 접합소재(605)는 대접되는 금속성 판재(601) 및 절연성 판재(603)들 중 하부를 형성하는 판재의 대접면에 촘촘히 뿌려지도록 한다.
진공 용접단계(S220)는 진공상태를 형성하는 공간에 적층단계(S210)에 의해 적층 형성된 대상물(600)을 위치시킨 후 고속전자 빔을 이용하여 판재들 사이의 접합소재(605)를 발열시켜 대접되는 금속성 판재(601) 및 절연성 판재(603)들을 결합시키는 단계이다.
슬라이싱 단계(S230)는 전술하였던 도 4의 슬라이싱 단계(S70)와 동일한 방식으로 진행되며, 진공 용접단계(S220)에 의해 결합된 대상물(600)을 슬라이싱 하는 단계이다.
200:방열기판 201:리드선 210:전도대
220:비전도대 230:LED 소자 400:예비성형물

Claims (7)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 상면에 LED 소자가 직접 설치되고, 상기 LED 소자로부터 방출되는 열을 외부로 방열시키는 LED 방열기판의 제조 방법에 있어서:
    금속분말, 카본분체 및 바인더를 혼련시키는 전도대용 혼합물 혼련단계;
    절연체 분말 및 바인더를 혼련시키는 비전도대용 혼합물 혼련단계;
    상기 전도대용 혼합물 혼련단계에 의해 제조된 혼합물인 전도대용 혼합물과, 상기 비전도대용 혼합물 혼련단계에 의해 제조된 혼합물인 비전도대용 혼합물을 교대로 순차적으로 적층시키는 적층단계;
    상기 적층단계에 의해 적층된 예비성형물에 함유된 상기 바인더를 제거하는 탈지단계;
    상기 탈지단계를 수행한 예비성형물을 소결시키는 소결단계;
    상기 소결단계를 수행한 예비성형물을 냉각시킨 후 슬라이싱(Slicing)하는 슬라이싱 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 방열기판 제조 방법.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 탈지단계는 상기 적층단계에 의해 적층된 예비성형물에 열을 가하여 상기 예비성형물에 함유된 바인더를 증발 및 분해시키는 가열법이 적용되는 것을 특징으로 하는 LED 방열기판 제조 방법.
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