KR101762261B1 - 보이드 방지 패턴을 갖는 led 패키지 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동차용 고휘도 LED 패키지 및 그 제조방법에 관한 것으로서 보다 상세하게는, 자동차용 LED 헤드램프용으로 사용되는 고휘도 LED 패키지 제조방법에 있어서, 메탈(Metal) PCB 기판에 대하여 솔더링 공정시 솔더링 가스가 배출될 수 있는 패턴을 포함하는 에어 보이드(Air Void) 방지 구조 적용을 통한 LED 패키지의 내구성을 향상시키는 기술에 관한 것이다.

Description

보이드 방지 패턴을 갖는 LED 패키지 및 그 제조방법{HIGH BRIGHTNESS LED PACKAGE WITH PATTERN FOR PREVENTING AIR VOID AND PRODUCING METHOD THEREOF}

본 발명은 자동차용 고휘도 LED 패키지 및 그 제조방법에 관한 것으로서 보다 상세하게는, 자동차용 LED 헤드램프용으로 사용되는 고휘도 LED 패키지 제조방법에 있어서, 메탈(Metal) PCB 기판에 대하여 에어 보이드(Air Void) 방지 구조 적용을 통한 LED 패키지의 내구성을 향상시키는 기술에 관한 것이다.

일반적으로, LED 패키지에 사용되는 메탈 PCB(Metal PCB)는 LED 칩 기판과의 회로연결과 방열 특성 개선을 위해 사용된다.

통상적으로 LED 패키지에는 고방열성 성능을 갖도록 하기 위하여 일반적으로 알려진 솔더링(soldering) 방식을 사용한다.

상기 솔더링은 PCB(인쇄회로기판)에 부품을 실장한 후 회로를 구성하기 위하여 솔더(Solder, 땜납)를 이용하여 용접하는 과정을 말하는 것으로서, 대부분의 PCB 기판을 사용하는 패키지들에 널리 사용되고 있다.

그러나, 종래의 솔더링 방식은 가스를 발생시키는 문제가 있으며, 이러한 문제는 LED 패키지의 구성에 있어서, LED 칩 기판과 메탈 PCB의 솔더링시 필연적으로 발생하여 문제를 일으킬 수 있었다.

다시말해서, 상기 LED 칩 기판과 메탈 PCB의 솔더링시 발생하는 가스가 적절하게 배출되지 못하고, 상기 LED 칩 기판과 상기 메탈 PCB 사이에 갇힌 상태에서 솔더링이 이루어지면, 솔더 접합층에 가스로 인한 보이드(air void, 공극)가 발생하게된다.

따라서, 상기 솔더 접합층에 형성된 보이드는 결과적으로 LED 패키지 내에서 열 방출 저하 요인으로 작용하고, 열저항 (Thermal resistance)을 증가시키는 작용을 하는 문제가 있었다.

도 1은 상기와 같은 문제를 가지고 있는 종래 기술의 LED 패키지를 간략하게 나타낸다.

도시된 바와 같이, 종래의 LED 패키지는 LED칩, LED 칩 기판, 메탈(Metal) PCB를 포함하고, 상기 메탈 PCB 상에 LED 칩 기판이 배치되고, 상기 LED 칩 기판 상에 LED 칩이 배치되어 서로 접합되어 결합되는 구조로 이루어진다. 이때, 상기 LED 칩 기판과 상기 메탈 PCB의 접합에는 통상의 솔더링 공정이 사용되어 접합된다.

그러나, 상술한 바와 같이, 솔더링 공정시 생성되는 솔더링 가스는 평탄한 접합 표면을 갖는 LED 칩 기판과 평탄한 접합 표면을 갖는 상기 메탈 PCB 기판 사이에 갖혀(trap) 외부로 빠져나가지 못하는 문제가 발생할 수 있다.

이러한 문제는, 고휘도 LED 패키지와 같이 솔더링 면적이 커질수록 솔더링 가스의 배출 경로가 차단되어 내부에 갇힌 솔더링 가스가 외부로 배출되지 못한 상태로 솔더링이 완료되어 접합층에 에어 보이드(air void)(이하 '보이드'라 함)를 형성한다.

도 2는 상기와 같이 형성된 종래의 LED 패키지 내에 형성된 보이드를 나타내는 X-ray 이미지 이다.

상기 보이드는 솔더 재료가 고밀도로 형성되어야 하는 접합층에 빈 공간을 형성하고, LED 패키지에서 방출된 열이 상기 보이드에 갇혀 방출되지 못하도록 작용하기 때문에, 발열에 의한 LED 수명을 저하(일 예에서 수명이 50% 저하됨)의 시키는 문제를 가져온다.

다시말해서, 솔더링된 접합층에 상기와 같이 보이드가 형성되는 경우, 이러한 구조는 LED 패키지의 열전달 흐름 특성을 저하시키고, 열저항 품질에 산포를 발생시키는 문제가 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 창안된 것으로서,

자동차용 LED 헤드램프용으로 사용되는 고휘도 LED 패키지 제조방법에 있어서, 메탈(Metal) PCB 기판에 대하여 솔더링 공정시 솔더링 가스가 배출될 수 있는 패턴을 포함하는 에어 보이드(Air Void) 방지 구조 적용을 통한 LED 패키지의 내구성을 향상시키는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은,

LED 패키지에 있어서, 메탈 PCB 기판층; 상기 메탈 PCB 기판층 상부에 형성되는 회로 연결부; 상기 회로 연결부가 형성된 부분을 제외한 상기 메탈 PCB 기판층 상부에 형성되는 절연층; 및 상기 회로연결부 및 상기 절연층의 상부에 형성되되, 보이드 방지 패턴을 포함하는 회로층;을 포함하고, 상기 보이드 방지 패턴은 상기 보이드 방지 패턴을 최소한 둘 이상의 구획으로 분리하여 이격시키는 하나 이상의 간극을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 보이드 방지 패턴이 포함하는 하나 이상의 간극은, 상기 회로층의 상부 표면으로부터 형성된 소정의 깊이를 갖는 하나 이상의 홈으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 보이드 방지 패턴이 포함하는 하나 이상의 간극은, 상기 보이드 방지 패턴(100)의 일단으로부터 타단까지 연장하는 일자형으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 보이드 방지 패턴은 최소한 둘 이상의 간극을 포함하고, 상기 최소한 둘 이상의 간극이 서로 교차하여 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 보이드 방지 패턴이 포함하는 하나 이상의 간극은, 간극의 깊이는 30 ± 20 ㎛ 범위를 가지고, 간극의 폭은 200 ± 50 ㎛ 범위를 가지며, 간극 사이의 거리는 800 ± 800 ㎛ 범위를 가지는 것을 특징으로 한다.

한편, 보이드 방지 패턴을 갖는 LED 패키지를 제조하는 방법에 있어서, 메탈 PCB 기판층을 형성하는 단계; 회로 연결부를 상기 메탈 PCB 기판층의 상부에 형성하는 단계; 상기 메탈 PCB 기판층 상에 절연층을 형성하는 단계; 상기 구리층 및 상기 절연층의 상부에 회로층을 형성하는 단계; 및 상기 구리층이 형성된 부분에 하나 이상의 간극을 포함하는 보이드 방지 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성을 갖는 본 발명은 이하의 특징적인 장점을 제공한다.

먼저, 종래의 LED 패키지에서 접합층 보이드 발생에 의하여 유발된 열저항 산포가 LED 칩 온도 산포로 이어져 결과적으로 LED 패키지 수명을 단축시키는 문제점을, 솔더링 가스를 배출시키는 패턴을 메탈 PCB에 적용하여 보이드 발생을 감소시킴으로써 열저항 품질의 안정적 산포를 가질 수 있도록 하는 효과가 있다.

또한, 상기와 같이 솔더링 가스를 자연적으로 배출시키고 보이드 발생을 억제하여 열저항 품질의 안정적 산포를 획득함으로써, 전체 LED 패키지의 수명을 증대시키는 효과가 있다.

도 1은 종래 기술의 LED 패키지를 간략하게 나타낸다.
도 2는 종래의 LED 패키지 내에 형성된 보이드를 나타내는 X-ray 이미지 이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 자동차용 고휘도 LED 패키지를 개략적으로 나타내는 평면도이다.
도 4는 상기 도 3에 도시된 고휘도 LED 패키지상에 형성되는 회로층의 단면을 나타내는 측단면도이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 보이드 방지 패턴을 갖는 LED 패키지를 형성하는 방법을 나타낸다.

본 발명은 LED 패키지 구성에 관한 것으로서, 특히 자동차에 사용되는 고휘도 LED 패키지에 적용되는 기술에 관한 것이다.

보다 상세한 본 발명의 기술 구성은, 자동차용 LED 헤드램프용으로 사용되는 고휘도 LED 패키지에 있어서, 상기 고휘도 LED 패키지의 제조시, 솔더링 공정에 의하여 생성되는 솔더링 가스의 트랩(trap)을 방지하고, 상기 솔더링 가스의 트랩에 의하여 생성되는 보이드(void)로 인한 단점들을 해결하도록, 상기 고휘도 LED 패키지를 구성하는 메탈(Metal) PCB 기판에 대하여 보이드 방지 패턴을 적용하는데 기술의 특징이 있다.

이를 통하여 본 발명은, LED 패키지의 제조시 메탈 PCB 기판 상에 적용되는 솔더링 공정에 의하여 유발되는 솔더링 가스가 상기 보이드 방지 패턴을 통하여 추가 공정 없이 자동적으로 배출되도록 함으로써, 솔더링 가스의 트랩을 미연에 방지하고 보이드의 생성을 억제함으로써 필연적으로 보이드를 발생시키고 이에대한 단점들이 상존하는 종래 기술의 단점을 해결하도록 구성된다. 결과적으로, 본 발명이 적용된 자동차용 LED 헤드램프는 보이드가 가져오는 단점들, 즉, 열의 방출을 방해하고, 이를 통하여 제품 내구성 및 수명을 저해하는 단점들을 해결하도록 이루어진다.

이하 도면을 참조하여 상기와 같은 구성의 본 발명을 바람직한 실시예를 통하여 상세하게 기술한다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 보이드 방지 패턴을 갖는 LED 패키지가 적용된 자동차용 고휘도 LED 패키지를 개략적으로 나타내는 평면도이다. 도 4는 상기 도 3에 도시된 고휘도 LED 패키지상에 형성되는 회로층의 단면을 나타내는 측단면도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 보이드 방지 패턴을 갖는 LED 패키지는 고휘도 LED 패키지를 형성함에 있어서, 메탈 PCB 기판층(미도시) 상에 형성되는 절연층 및 회로층을 포함하여 이루어진다.

본 발명은 상기 회로층의 구성에 있어서, 솔더링 가스 배출을 위한 보이드 방지 패턴(100)이 적용된다.

상기 보이드 방지 패턴(100)은 상술한 바와 같이, 솔더링 공정에 의하여 생성되는 솔더링 가스의 트랩(trap)을 방지하고, 상기 솔더링 가스의 트랩에 의하여 생성되는 보이드(void)의 생성을 방지하기 위한 구성으로, 바람직하게는 서로 이격된 최소한 둘 이상의 부분들의 조합으로 이루어진다.

바람직하게는 상기 보이드 방지 패턴(100)은 LED 칩의 솔더링이 이루어지도록 할당된 상기 회로층의 일부분(이하 '솔더링부'라 함)(복수의 갯수로 형성될 수 있음은 당업자에게 자명하다)에 적용되며, 도 3에 도시된 실시예에서는 상기 보이드 방지 패턴(100)이 적용된 회로층의 상단으로부터 하단까지 연장하는 간극이 복수의 갯수로 평행하게 형성된다.

상기 보이드 방지 패턴(100)의 형상은 상기한 구조에 한정하는 것은 아니고, 이하의 구조가 모두 고려될 수 있으며, 그 외의 구성 역시 본 발명의 기술 사상을 벗어나지 않는 한 발명의 기술 범위에 해당한다는 것은 당업자에게 자명하게 이해될 것이다.

1) 상기 회로층의 상부 표면으로부터 형성된 소정의 깊이를 갖는 최소한 하나 이상의 일자형 홈이 형성되는 구조

2) 상기 보이드 방지 패턴(100)을 최소한 둘 이상의 구획으로 분리하여 이격시키는 최소한 하나 이상의 간극을 포함하는 구조

3) 복수의 일자형 홈 또는 간극이 서로 교차하여 형성되는 구조

3) 솔더링 부위 및 목적에 따라 다양한 형태의 모양(선형, 원형, 다각형 등)을 갖는 간극 또는 홈이 형성된 구조

상기 보이드 방지 패턴(100)은 솔더링시 유발되는 솔더링 가스의 배출을 위한 목적을 달성하기 위하여 적용되는 구성요소로서, 솔더링 가스의 배출을 위하여 상기 회로층에 형성되는 어떠한 간극 또는 표면상에 형성되는 홈이라도 본 발명의 기술 범위 내에 있는 것으로 간주할 수 있다.

이하 발명의 특징적인 기술 구성을 설명함에 있어서, 편의를 위하여 상기 보이드 방지 패턴(100)이 간극을 포함하는 바람직한 실시예를 기준으로 설명하도록 한다.

상기 최소한 하나 이상의 간극들은 LED 칩의 솔더링시 솔더링 가스가 배출될 수 있는 통로로서 작용하므로, 솔더링 접합층 내에 보이드의 발생을 억제하는 기능을 제공한다.

바람직하게는, 상기 보이드 방지 패턴(100)은 상기 간극들의 갯수가 다수의 갯수로 형성될수록, 그리고, 상기 다수의 간극들 사이의 거리가 적을수록 그리고, 그 깊이가 클 수록 보이드 발생 억제에 유리하다.

그러나, 보이드 발생 억제를 위해서 상기 간극들의 갯수를 더 많이 형성할수록 그리고, 그들 사이의 거리를 적게할수록 또는 깊이를 크게 형성할수록 이 역시 열전달 흐름에 방해하는 요소로 작용하기 때문에, 사전에 실험적으로 도출된 결과를 토대로 열저항 특성에 영향을 주지 않는 범위 내에서 그 구성을 선택적으로 결정하도록 하는 것이 바람직하다.

예를 들어, 바람직한 보이드 방지 패턴(100)은 이하의 구성을 가질 수 있다.

- 간극들 또는 표면에 형성된 홈 들의 깊이 : 30 ± 20 ㎛

- 간극들 또는 표면에 형성된 홈 들의 폭 : 200 ± 50 ㎛

- 간극들 또는 표면에 형성된 홈 들 사이의 거리 : 800 ± 800 ㎛

그러나, 상기 보이드 방지 패턴(100)을 구성하는 구체적인 수치들은 일 실시예에 불과하며, 상기한 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 한 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 당업자에게 자명하다.

도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 보이드 방지 패턴을 갖는 LED 패키지를 형성하는 방법을 나타낸다. 도 5의 좌측에 도시된 (a)공정은 메탈 PCB 기판층(10)의 형성에 있어서, 회로 연결부(20)를 별도 형성하여 접합하여 메탈 PCB 기판층(10)을 형성하는 공정을 나타내며, 상기 도 5의 우측에 도시된 (b)공정은 메탈 PCB 기판층(10)을 메탈 PCB 기판층(10)의 일부를 삭제하여 회로 연결부(20)를 형성하는 공정을 나타내고 있다. 이 공정상 차이는 발명의 주된 기술 구성이 아니므로, 상세한 설명은 생략한다.

먼저, LED 패키지 제조제 있어서, 메탈 PCB 기판층(10)을 형성하고(S001), 상기 메탈 PCB 기판층(10)의 상부에 회로 연결부(20)를 형성한다(S002). 상기 회로 연결부(20)는 도 5의 메탈 PCB 기판 상의 중심부에 위치된 것으로 도시하였으나, 사전 설정된 LED 칩이 접합되는 위치, 즉, 솔더링이 이루어지는 위치에 대응하여 그 위치가 가변적으로 설정될 수 있다.

이후, 상기 메탈 PCB 기판층(10)의 상부에 절연층(30)을 부설하는 공정을 수행한다(S003). 이때, 상기 절연층(30)은 상기 회로 연결부(20)가 형성된 부분을 제외하고 형성되며, 그 두께가 상기 회로 연결부(20)와과 동일한 두께를 가짐으로써, 상기 절연층(30)이 상기 메탈 PCB 기판층(10)의 상부에 형성되더라도, 상기 회로 연결부(20)가 상부로 노출되도록 이루어진다. 따라서, 상기 회로 연결부(20)는 이하 형성되는 회로층(40)의 형성시 상기 회로층(40)과 연결되도록 구성된다.

이후, 상기 회로 연결부(20) 및 상기 절연층(30)의 상부에 LED 패키기가 적용되는 대상의 목적 및 구성에 대응하는 회로 패턴을 포함하는 회로층(40)을 형성한다(S004). 상기 회로층(40)의 소재는 예를 들어, 구리(Cu)가 될 수 있으며, 상기 메탈 PCB 기판의 소재와 동일하게 이루어질 수 있다.

회로층(40)이 형성되면, 상기 회로층(40) 상에 솔더링이 적용될 위치, 즉, 상기 회로 연결부(20)가 형성된 위치에 하나 이상의 간극들을 포함하는 보이드 방지 패턴(100)을 형성하여 자동차용 고휘도 LED 패키지를 완성한다(S005).

도 6은 본 발명의 다른 실시예를 도시한다.

상술한 본 발명의 바람직한 실시예에서, 상기 보이드 방지 패턴(100)은 그 상단에서 하단까지 연장하는(세로방향) 복수의 간극들을 형성하는 것을 기준으로 설명되었지만, 도 6에 도시된 바와 같은 일측단에서 타측단까지 연장하는(가로방향) 복수의 간극들을 형성하도록 간극의 배치가 이루어질 수 있다. 이 실시예에서는 상기 보이드 방지 패턴(100)의 형성에 있어서, 세로방향 간극들과 가로방향 간극들이 교차하여 형성된다.

이상으로 본 발명의 보이드 방지 패턴을 갖는 LED 패키지의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하였으나, 이는 본 발명에 대한 이해를 돕기 위하여 특정한 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도, 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 고안이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.

10: 메탈 PCB 기판층
20: 회로 연결부
30: 절연층
40: 회로층
100: 보이드 방지 패턴

Claims (6)

1. LED 패키지에 있어서,
   메탈 PCB 기판층;
   상기 메탈 PCB 기판층 상부에 형성되는 회로 연결부;
   상기 회로 연결부가 형성된 부분을 제외한 상기 메탈 PCB 기판층 상부에 형성되는 절연층; 및
   상기 회로연결부 및 상기 절연층의 상부에 형성되되, 보이드 방지 패턴을 포함하는 회로층;을 포함하고,
   상기 보이드 방지 패턴은 상기 보이드 방지 패턴을 최소한 셋 이상의 구획으로 분리하여 이격시키는 최소한 둘 이상의 간극을 포함하며,
   상기 보이드 방지 패턴이 포함하는 최소한 둘 이상의 간극은, 상기 보이드 방지 패턴의 일단으로부터 타단까지 연장하는 일자형으로 이루어지되, 서로 교차하여 형성되고,
   상기 절연층의 두께는 상기 회로 연결부와 동일한 것을 특징으로 하는 보이드 방지 패턴을 갖는 LED 패키지.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 보이드 방지 패턴이 포함하는 하나 이상의 간극은,
   상기 회로층의 상부 표면으로부터 형성된 소정의 깊이를 갖는 하나 이상의 홈으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 보이드 방지 패턴을 갖는 LED 패키지.
   
3. 삭제
4. 삭제
5. 제 1항에 있어서,
   상기 보이드 방지 패턴이 포함하는 하나 이상의 간극은,
   간극의 깊이는 30 ± 20 ㎛ 범위를 가지고,
   간극의 폭은 200 ± 50 ㎛ 범위를 가지며,
   간극 사이의 거리는 800 ± 800 ㎛ 범위를 가지는 것을 특징으로 하는 보이드 방지 패턴을 갖는 LED 패키지.
   
6. 제 1항, 제 2항 또는 제5항 중 어느 한 항에 따르는 보이드 방지 패턴을 갖는 LED 패키지를 제조하는 방법에 있어서,
   메탈 PCB 기판층을 형성하는 단계;
   회로 연결부를 상기 메탈 PCB 기판층의 상부에 형성하는 단계;
   상기 메탈 PCB 기판층 상에 절연층을 형성하는 단계;
   상기 회로 연결부 및 상기 절연층의 상부에 회로층을 형성하는 단계; 및
   상기 회로층에 최소한 둘 이상의 간극을 포함하는 보이드 방지 패턴을 형성하는 단계;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 보이드 방지 패턴을 갖는 LED 패키지를 제조하는 방법.

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