KR101587004B1 - 엘이디 어레이 기판 - Google Patents

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KR101587004B1
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이현미
한승준
강민석
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Abstract

본 발명은 엘이디 어레이 기판에 관한 것으로 알루미늄 베이스 층, 상기 알루미늄 베이스 층 상에 애노다이징에 의하여 형성된 알루미나 절연층과 상기 알루미나 절연층 상에 도전성 입자와 내열성 바인더를 포함하는 도전성 페이스트 조성물로 직접인쇄방식에 의하여 형성된 전기회로로 이루어진 LED 어레이 기판을 제공한다.
본 발명의 LED 어레이 기판은 베이스 층과 절연층을 일체로 형성하여 높은 방열구조를 달성함으로써 고휘도를 위한 LED 고집적 어레이 기판에 사용될 수 있는 고 방열구조의 LED 어레이 기판을 제공한다. 또한 이러한 기판의 기본구조와 함께 도전성 입자와 내열성 바인더를 포함하는 도전성 페이스트로 직접 인쇄하여 알루미나 절연층의 절연성을 증가시키면서 전기회로를 형성시켜 제조공정을 단순화하고 공정비용 및 제조시간을 절감할 수 있으며, 폐수발생을 최소화할 수 있다.

Description

엘이디 어레이 기판{a LED array board}
본 발명은 엘이디 어레이 기판, 특히, 방열효과가 뛰어나면서도 제조공정이 단순한 엘이디 어레이 기판에 관한 것이다.
엘이디, 즉, 발광소자(이하 LED, Light Emitting Diode)는 광효율성, 오랜 수명 등의 장점으로 다양한 색상으로 전자기기의 표시소자 및 대형정보 표시장치의 광원 등 여러 분야에 사용되고 있다. 최근에는 다양한 조명과 LCD TV 백라이트 분야에 그 사용범위를 점차 확대하고 있다.
LCD TV 백라이트의 경우와 LED 조명의 경우 등에는 단위 면적당 높은 휘도와 평면발광의 이유 등으로 다수개의 발광소자로 기판에 어레이를 구성하여 사용한다. LED 패키지에 있어서 방열처리는 LED 수명과 효율 등과 같은 품질 유지에 중요한 요소임은 잘 알려져 있다. 특히 LED가 어레이를 구성하는 경우에는 방열이 중첩되므로 LED들에서 발생하는 열을 기판을 통하여 효과적으로 방출하는 것은 아주 중요하다.
단일 칩 LED 패키지에는 원활한 방열을 위하여 구조나 재료의 선택에 의한 다양한 방열 해법이 제시되어 있다. 그러나 이러한 단일 칩 LED 패키지가 개별적으로는 방열 설계가 되어 있다고 하더라도 강렬한 면조명을 위해서는 다수 개의 발광소자로 기판에 집적하여 어레이를 구성하여야 하므로 개별 LED 패키지의 방열 설계에 덧붙여 어레이 기판의 방열 문제가 해결되어야 한다.
LED 어레이 기판에는 주로 원활한 방열을 위하여 동박적층판(CCL) 방식의 PCB 대신에 금속 기판을 포함하는 MCPCB(metal core printed circuit board)을 사용한다. 보통 이러한 MCPCB는 금속 베이스 층+절연층+동박에칭회로의 3층 구조를 이루고 있다. 상기 절연층은 열전도성을 증가시키기 위하여 열전도성 입자를 충진한 에폭시 또는 실리콘 수지를 사용하기도 한다. 이러한 MCPCB를 기반으로 한 LED 기판은 수지 기반 절연층 때문에 방열성능이 크게 제한되는 단점이 있다. 또한, MCPCB의 전기회로 형성은 종래 PCB와 마찬가지로 레지스트 패턴 형성과 식각 등을 포함하는 리소그라피 기술을 이용하여 제조하므로 제조 공정이 매우 복잡하고, 공정 중 다량의 에칭 폐수가 발생하는 문제가 있다.
반도체의 조립 공정에서 마이크로칩이나 다이를 회로판에 직접 부착하는 기술인 COB(chip-on-board) 기술을 응용하여 패키징 되기 전의 LED 칩을 성형된 MCPCB나 메탈층+전기회로가 형성된 LTCC로 된 세라믹 복합 보드에 직접 실장하고 패키징하는 기술이 시도되고 있다. 그러나 COB 기술로 LED 어레이 패키지를 만들기 위해서는 LED 칩을 수용하는 그루브의 성형, 도전층 성막과 전극회로 형성을 위한 에칭과 반사경 형성이나 칩 실장 후 봉입과 렌즈 형성 등 복잡하고 정밀한 공정이 수반된다. 이러한 복잡성과 정밀성은 다양한 용도에 대한 적응성을 낮게 할 뿐만 아니라 고가의 공정 비용을 필요로 한다. 예를 들면, LED 칩의 크기 및 개수에 따른 그루브, 반사경과 LED 칩 접합점 등이 정밀하게 설정되어야 하고 칩 실장이 하나라도 잘못되면 전체 패키지가 불량이 된다. 또한 MCPCB의 수지 절연층이나 상당한 두께의 LTCC 등에 의하여 방열성능이 여전히 제한된다.
본 발명은 LED 고집적 어레이 기판에 사용될 수 있는 고 방열구조의 LED 어레이 기판을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 동박 적층이나 금속 증착이 필요 없고 에칭공정이 필요 없어 공정이 매우 단순하여 염가로 제공 가능하면서도 방열 성능이 우수하고 용도에 따른 적응성이 뛰어난 LED 어레이 기판을 제공하기 위한 것이다.
본 발명에 의하여, 알루미늄 베이스 층, 상기 알루미늄 베이스 층 상에 애노다이징에 의하여 형성된 알루미나 절연층과 상기 알루미나 절연층 상에 도전성 입자와 내열성 바인더를 포함하는 도전성 페이스트 조성물로 직접인쇄방식에 의하여 형성된 전기회로로 이루어진 LED 어레이 기판이 제공된다. 상기 LED 어레이 기판은 이면에 공정상 또는 편면 처리에 의한 휨을 방지하기 위하여 동일 애노다이징에 의하여 형성된 알루미나 층을 가질 수 있다. 필요하다면, 상기 이면 알루미나 층 하에는 또 다른 전기회로가 상기 전면의 전기회로와 동일한 방법으로 형성될 수 있다. 본 발명에서 "전기회로"라 함은 LED에 전력을 공급하기 위한 전극회로 또는 제어를 위한 신호회로를 의미한다. 이러한 하부 전기회로는 전면에 실장되는 LED를 위한 신호회로 또는 전극회로로 사용되고 경우에 따라서는 LED를 이면 실장하는 데 필요한 전기회로로 사용될 수 있다. 이러한 양면 회로 또는 양면 실장의 경우 양면 서로 간의 통전은 종래의 비어홀 기술에 의하여 달성된다.
필요하다면, 본 발명의 LED 어레이 기판의 알루미나 절연층에 절연파괴전압을 향상시키기 위하여 전기회로 인쇄 전 또는 인쇄 후에 실링처리를 할 수 있다. 상기 LED 어레이 기판은 직접인쇄방식에 의하여 형성된 전기회로 위에 그 패턴에 따라 도전성과 납땜성을 향상시키기 위하여 전해도금에 의한 도금층을 더 가질 수 있다. 또한, 상기 LED 어레이 기판은 전기회로를 보호하기 위하여 LED 접속부분을 제외하고 전기회로를 덮는 전기회로 보호절연층을 더 가질 수 있다. 이러한 전기회로 보호절연층은, 바람직하게는, 인쇄에 의하여 LED와의 접점을 노출시키는 패턴의 형태로 적층된다.
상기 알루미늄 베이스 층은 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어진다. 상기 알루미늄 베이스 층의 이면부는 공기와의 접촉 면적을 크게 하는 구조 즉 다수의 핀을 갖는 구조로 가공되어 히트싱크와 일체화될 수 있다. 또한, 냉각을 위하여 상기 알루미늄 베이스 층은 히트파이프 또는 열전소자 등이 매입되거나 부착될 수 있다.
상기 알루미나 절연층은 상기 알루미늄 베이스 층의 표면을 양극산화(애노다이징) 처리함으로써 형성되는데, 상세하게는, 황산, 옥살산, 인산 또는 크롬산 용액에서, 그 중에서도 바람직하게는, 옥살산 용액에서 알루미늄 기판에 양 전압을 인가하여 산화 작용을 촉진시켜 균일한 두께의 표면 알루미나 층을 형성하여 얻는다. 필요한 경우에는 옥살산 용액에 황산동, 젖산, 구연산, 아세트산, 황산알루미늄, 황산마그네슘 등의 첨가제를 가할 수 있다. 상기 알루미나 절연층은 알루미늄 판에 마스킹 처리를 통하여 패턴 형태로 또는 부분적으로 형성할 수 있다. LED 어레이 기판의 이면을 이용하기 위하여 또는 편면 애노다이징에 의한 휨을 방지하기 위하여 이면에도 한번의 애노다이징으로 알루미나 절연층을 형성시킬 수 있다. 이 알루미나 층은 대단히 견고하고, 내식성이 크며, 수 십 nm 내외의 직경을 갖는 많은 기공이 형성되는데, 이 기공은 일반적인 경우 산화막의 절연성을 떨어뜨리는 원인이 되어 실링처리가 필수적이다. 그러나 본 발명에서는 실링처리를 생략하거나 애노다이징으로 형성된 알루미나 절연층 위에 전기회로를 인쇄한 후에, 필요에 따라, 실링처리를 할 수 있다. 실링처리 전에 알루미나 절연층에 전기회로를 인쇄함으로써 기공에 의한 표면 요철 구조에 바인더가 결합함으로써 전기회로 부착력을 증대시키면서 페이스트의 바인더 성분이 실링의 보조 역할을 하게 하는 장점이 있다. 잔존된 기공은 실링처리에 의하여 완결된다. 이러한 실링처리는 금속염 용액에 알루미나 절연층을 침적시킨 후에 열수를 가하여 완료한다.
상기 전기회로 형성용 도전성 페이스트 조성물은, 바람직하게는, 도전성 입자 0.01 내지 96 중량부, 내열성 바인더 0.5 내지 96 중량부 및 유기 용매 잔량를 포함한다. 본 발명에서 사용하는 내열성 바인더는, 예를 들면, 아크릴계, 우레탄계, 에폭시계, 폴리이미드계 등이 있다. 본 발명에서, 도전성 입자라고 함은 전기 전도성이 있는 물질의 입자로서 특별히 제한되지 않으며 도전성이 있는 금속, 비금속 분말과 흑연 등 탄소계 분말을 포함한다. 도전성 입자는 예를 들어 금, 알루미늄, 구리, 인듐, 안티몬, 마그네슘, 크롬, 주석, 니켈, 은, 철, 티탄 및 이들의 합금의 입자이다. 탄소계 도전성 입자로는 예를 들면, 천연 흑연, 팽창된 흑연, 그라펜, 카본블랙, 나노카본, 카본나노튜브 등의 입자이다. 입자의 형태는, 예를 들면, 판형, 파이버 형과 나노 크기의 나노입자 나노튜브 등이 사용될 수 있다. 이러한 도전성 입자는 단독 또는 조합하여 사용될 수 있다. 이러한 도전성 입자는, 바람직하게는, 0.1 내지 10㎛ 크기의 판형 은 입자이다.
직접인쇄방식은 스크린인쇄, 프렉소인쇄, 로터리인쇄, 그라비어인쇄, 옵셋 인쇄와 잉크젯 등의 인쇄 방법 등을 포함한다. 알루미나 절연층 위에 전기회로 패턴으로 인쇄된 도전성 페이스트를 가열 또는 광조사하여 경화시킨다. 도전성 페이스트의 바인더 성분은 도전성 입자를 고정하여 회로를 형성하고 알루미나 절연층에 형성된 미세기공을 메워 알루미나 절연층의 절연성을 증가시키는 역할을 한다. 전기회로의 전도성을 증가시키기 위하여 도금욕조에서 전기회로 패턴에 전압을 인가하여 도금함으로써 전기회로 위에 도금층을 더 형성할 수 있다.
필요하다면, 전기회로를 보호하기 위하여 LED 접속부분을 제외하고 전기회로를 덮는 전기회로 보호절연층을 열경화형 수지 조성물을 사용하여 LED와의 접점을 제외하는 패턴의 형태로, 인쇄에 의하여 적층한다.
본 발명의 LED 어레이 기판에는 전극이 노출된 반제품 또는 완제품 상태의 LED가 솔더링 또는 SMT 방식을 포함한 전자기술 분야에서 알려진 다양한 방법으로 장착된다. 예를 들면, 노출된 전기회로에는 솔더크림을 사용하여 LED 소자를 장착하고 리플로우 공정으로 접합한다. 접합 전에 필요에 따라, 노출된 전기회로에는 LED 패키지와의 접속을 위해 OSP(organic solder preserve), ENIG(Electro-less Nickel Immersion Gold), ENEPIG(Electro-less Nickel Electro-less Palladium Immersion Gold) 등과 같은 표면처리를 할 수 있다.
본 발명의 LED 어레이 기판은 베이스 층과 절연층을 일체로 형성하여 높은 방열구조를 달성함으로써 고휘도를 위한 LED 고집적 어레이 기판에 사용될 수 있는 고 방열구조의 LED 어레이 기판을 제공한다. 또한 이러한 기판의 기본구조와 함께 도전성 입자와 내열성 바인더를 포함하는 도전성 페이스트로 직접 인쇄하여 알루미나 절연층의 절연성을 증가시키면서 전기회로를 형성시켜 제조공정을 단순화하고 공정비용 및 제조시간을 절감할 수 있으며, 폐수발생을 최소화할 수 있다.
도1은 본 발명 일 실시양태의 LED 어레이 기판의 층간분리된 개념적 사시도이고
도2는 도1 LED 어레이 기판에 LED가 장착된 개략적 조립 사시도이다.
이하 실시예와 도면에 의하여 본 발명을 상세히 설명한다.
<실시예1>
305 X 255 X 1 ㎜ 크기의 알루미늄 판(1)을 주성분이 NaOH, Na2CO3, NaHCO3 , 계면활성제와 물로 이루어진 전영화학의 SZ-9 탈지제 속에 침지하여 50~60℃에서 15분 동안 유지하여 탈지한다. 탈지된 알루미늄 판(1)을 수세한 후에 60℃의 10 g/L NaOH 수용액에 3분 동안 침지한 후 물로 세척한다. 상온에서 10% 황산 수용액에 상기 알루미늄 판(1)을 침지하고 알루미늄 판(1)을 양극으로 하고 전류밀도 0.5 A/dm2로 60분간 통전하여 각각 33.2, 31.7㎛ 두께의 알루미나 층(2와 6)을 형성하였다.
평균 입자 크기가 1.97㎛ 인 판형의 은 파우더 650 g, 금호P&B화학의 KER1009 에폭시를 50% 농도로 노르말터피네올에 용해시킨 바인더 240 g와 부틸셀루솔부(2-부톡시에탄올의 상품명) 용제 잔량으로 이루어진 1 Kg을 완전히 혼합하여 은 페이스트를 제조하였다. 상기 은 페이스트를 사용하여 상기 알루미늄 판의 알루미나 층(2) 위에 평판스크린 인쇄기를 이용하여 전극회로 패턴(3)을 인쇄하였다. 인쇄물을 190℃에서 12분간 열처리하면 전극회로의 표면전기저항은 8.6X10-5 Ω·㎝, 접착력은 5B, 경도는 5H를 나타내었다.
전극이 형성된 알루미늄 기판을 상온에서 2 g/L 니켈아세트산으로 수용액에 5분간 침지한 후 95℃ 증류수에서 10분간 가열하여 실링처리를 하였다. 처리된 알루미늄 기판의 절연파괴전압은 CHROMA AC/DC/IR HIPOT TESTER model 19052를 사용하여 측정한 결과 2.71 Kv/㎜이었다.
전극회로가 형성된 기판에 보호절연층(5) 형성을 위해 서울화학연구소의 열경화형 솔더레지스트 SCR-1000W를 사용하여 스크린 인쇄하여 150℃에서 50분간 열처리하였다. 알루미늄 기판(10)의 노출된 전극회로의 접점(12)에 솔더크림을 바르고 서울반도체의 1608 type LED(11)의 리드를 올린 후 리플로우 공정을 거쳐 LED 어레이를 구성하였다.
<실시예2>
305 X 255 X 1 ㎜ 크기의 알루미늄 판(1)을 주성분이 NaOH, Na2CO3, NaHCO3 , 계면활성제와 물로 이루어진 전영화학의 SZ-9 탈지제 속에 침지하여 50~60℃에서 15분 동안 유지하여 탈지한다. 탈지된 알루미늄 판(1)을 수세한 후에 60℃의 10 g/L NaOH 수용액에 3분 동안 침지한 후 물로 세척한다. 상온에서 50 g/L 옥살산에 10 g/L 붕산, 3 g/L 젖산, 1 g/L 황산마그네슘이 첨가된 수용액에 상기 알루미늄 판(1)을 침지하고 알루미늄 판(1)을 양극으로 하여 전류밀도 1.5 A/dm2으로 60분간 진행하여 각각 33.6과 32.5 ㎛ 두께의 알루미나 층(2와 6)을 형성하였다.
평균 입자 크기가 1.97 ㎛ 인 판형의 은 파우더 650 g, 금호P&B화학의 KER1009 에폭시를 50% 농도로 노르말터피네올에 용해시킨 바인더 240 g와 부틸셀루솔부(2-부톡시에탄올의 상품명) 용제 잔량으로 이루어진 1 Kg을 완전히 혼합하여 은 페이스트를 제조한다. 상기 은 페이스트를 사용하여 상기 알루미늄 판(1)의 알루미나 층(2) 위에 평판스크린 인쇄기를 이용하여 전극회로 패턴(3)을 인쇄한다. 인쇄물을 190℃에서 12분간 열처리하면 전극회로의 전기저항은 8~9X10-5 Ω·㎝, 접착력은 5B, 경도는 5H를 나타내었다.
전극이 형성된 알루미늄 기판을 상온에서 5 g/L 불화니켈 수용액에 20분간 침지한 후 90℃ 니켈아세트산 수용액에서 20분간 가열하였다. 제조된 알루미늄 기판의 절연파괴전압은 CHROMA AC/DC/IR HIPOT TESTER model 19052를 사용하여 측정한 결과 2.66 Kv/㎜이었다. 상기의 기판에 대해서 HOT Disk AB사의 TPA-501 모델을 사용하여 열전도율을 측정한 결과 56.49 W/m·K로 측정되었다. 일반적인 MCPCB에 대하여 열전도율이 대략 2.0 W/m·K 이하임을 감안하면 상기 기판의 열전도율이 월등하게 뛰어남을 확인하였다.
황산동 220 g, 황산 63 g, 염소 10 ppm, 방청 첨가제인 IBC사의 5007-MU 10 g, 5000-A 0.5 g, 5007-B 0.5 g와 물 1 L 로 이루어진 도금욕에 상기 알루미늄 기판을 침지하고 35℃ 이하의 조건에서 전류밀도 5 A/dm2 로 통전하여 인쇄된 전극회로에 30분간 전해도금을 수행하여 도금두께 3㎛ 이고 표면저항 값이 5X10-6 Ω·㎝인 도금층(4)을 얻었다.
전극회로가 형성된 기판에 보호절연층(5) 형성을 위해 서울화학연구소의 열경화형 솔더레지스트 SCR-1000W를 사용하여 스크린 인쇄하여 150℃에서 50분간 열처리하였다. 완성된 LED 어레이 알루미늄 기판(10)의 노출된 전극회로의 접점(12)에 솔더크림을 바르고 서울반도체의 1608 type LED(11)의 리드를 올린 후 리플로우 공정을 거쳐 LED 어레이를 구성하였다. 부착된 LED의 부착강도를 측정한 결과 2.67 Kgf를 나타내었다.
1 : 알루미늄 판 2 : 알루미나 층 3 : 전극회로 패턴
4 : 도금층 5 : 보호절연층 6 : 이면 알루미나 층
10 : LED 어레이 기판 11 : LED 12 : 접점

Claims (11)

  1. 삭제
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  6. 알루미늄 베이스 층, 상기 알루미늄 베이스 층 양 면에 애노다이징에 의하여 형성된 알루미나 절연층, 상기 알루미나 절연층 상에 도전성 입자와 내열성 바인더를 포함하는 도전성 페이스트 조성물로 직접인쇄방식에 의하여 형성된 전기회로와 상기 전기회로 위에 그 패턴에 따라 도금에 의하여 형성된 전해 도금층으로 이루어지고 상기 알루미나 절연층은 금속염으로 실링 처리되는 LED 어레이 기판
  7. 제 6항에 있어서, 상기 LED 어레이 기판은 LED와의 접점을 제외하고 상기 전기회로를 덮는 전기회로 보호절연층을 더 가지는 LED 어레이 기판
  8. 제 7항에 있어서, 상기 접점은 OSP(organic solder preserve), ENIG(Electro-less Nickel Immersion Gold) 또는 ENEPIG(Electro-less Nickel Electro-less Palladium Immersion Gold)로 표면처리되는 LED 어레이 기판
  9. 삭제
  10. 제 6항에 있어서, 상기 알루미나 절연층은 옥살산 용액에서 황산동, 젖산, 구연산, 아세트산, 황산알루미늄, 황산마그네슘과 이들의 혼합물로 이루어지는 군에서 선택되는 첨가제를 가하여 상기 알루미늄 베이스 층을 애노다이징함으로써 얻어지는 LED 어레이 기판
  11. 제 6항 있어서, 상기 도전성 입자는 0.1 내지 10 ㎛ 크기의 판형 은 입자인 LED 어레이 기판
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