KR102087864B1 - 발광소자 모듈 - Google Patents

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Abstract

발광소자 모듈에 관한 것이다.
발광소자 모듈은 구리 기판, 상기 구리 기판 상에 적층 되는 알루미늄 기판,
상기 알루미늄 기판 상에 마련되며, 카바이드계 절연 물질 또는 질화계 절연 물질을 포함하는 절연층, 상기 절연층 상에 형성되는 회로패턴, 그리고 상기 절연층 상에 탑재되는 발광소자를 포함한다.

Description

발광소자 모듈{luminous element module}
본 발명은 발광소자 모듈에 관한 것이다.
발광소자(luminous element)는 전기를 빛으로 변환하는 소자이다. 대표적인 발광소자로는 발광 다이오드(Light Emitting Diode: LED), 반도체 레이저(Laser Diode: LD) 등이 있다.
발광 다이오드는 전류 인가에 의해 P-N 반도체 접합(P-N junction)에서 전자와 정공이 만나 빛을 발하는 소자로서, 통상 발광 다이오드가 탑재된 모듈의 구조로 제작된다. 발광 다이오드 모듈은 인쇄회로기판(Printed Circuit Board: PCB) 상에 장착되어 그 인쇄회로기판에 형성된 전극으로부터 전류를 인가 받아 발광 동작하도록 구성된다.
이러한 발광 다이오드 모듈에서, 발광 다이오드로부터 발생한 열은 발광 다이오드 모듈의 발광 성능 및 수명에 직접적인 영향을 미친다. 발광 다이오드에서 발생한 열이 발광 다이오드에 오래 머무르면, 발광 다이오드를 이루는 결정 구조에 전위(dislocation) 및 부정합(mismatch)을 발생시켜 발광 다이오드 모듈의 수명을 단축시키는 요인이 된다.
이에 따라, 발광 다이오드로부터 발생한 열의 방출을 촉진시키기 위한 기술들이 제안되고 있다. 일 예로, 발광 다이오드 칩에 세라믹 기판이 결합된 발광 다이오드 패키지를 회로기판에 실장 하거나, 알루미늄 기판을 양극산화(anodizing)처리하여 산화알루미늄(Al2O3) 절연층을 형성한 후 발광 다이오드 칩을 칩온보드(Chip On Board: COB) 방식으로 실장할 수 있다.
발광 다이오드 패키지에 적용되는 세라믹 기판을 위하여 고가의 질화물계인 질화알루미늄(AlN)이 사용될 수 있다. 또한, 내구성을 확보하기 위해서는 세라믹 기판의 두께가 400μm 이상이어야 한다. 이에 따라, 발광 다이오드 패키지에 세라믹 기판을 적용하는 경우 단가가 상승하고, 수직 방향의 열저항을 낮추는데 한계가 있는 문제점이 있다.
산화알루미늄 절연층을 이용한 COB 방식의 경우, 고가의 세라믹 기판이 생략되어 단가를 낮추는 것이 가능하다. 그러나, 세라믹 기판을 적용하는 경우에 비해 높은 열저항과 낮은 내전압 특성을 보이므로 높은 방열 성능 구현이 어렵고, 헤드 램프와 같은 고전력(High Power) 제품에 적용하는 것이 어려운 문제점이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 방열 성능을 높이면서 원가 절감이 가능한 발광소자 모듈을 제공하는 것이다.
본 발명이 일 실시 예에 따른 발광소자용 모듈은, 구리 기판, 상기 구리 기판 상에 적층 되는 알루미늄 기판, 상기 알루미늄 기판 상에 마련되며, 카바이드계 절연 물질 또는 질화계 절연 물질을 포함하는 절연층, 상기 절연층 상에 형성되는 회로패턴, 그리고 상기 절연층 상에 탑재되는 발광소자를 포함한다.
상기 절연층과 상기 회로패턴 사이에 형성되는 씨드층(seed layer)을 더 포함할 수 있다.
상기 씨드층은 니켈 및 크롬을 포함하며, 니켈 대 크롬의 성분비가 80 대 20 내지 97 대 3일 수 있다.
상기 절연층은 진공증착(sputtering) 방식으로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 카바이드계 또는 질화계 절연층을 이용하여 회로기판을 구성하는 경우, 절연층이 발광소자 패키지의 세라믹 기판을 대체하는 것이 가능하여 원가 절감의 효과가 있다.
또한, 열저항이 낮은 카바이드계 또는 질화계 절연층을 사용함으로써, 세라믹 기판의 사용 없이도 발광소자의 방열 기능을 향상시켜 발광소자 모듈을 고전력 제품에 적용하는 것이 가능하다.
도 1은 세라믹 기판이 적용된 발광소자 모듈을 도시한 단면도이다.
도 2는 COB 방식으로 실장되는 발광소자 모듈을 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 발광소자 모듈을 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 씨드층의 니켈-크롬의 성분비에 따른 밀착력 변화를 도시한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 발광소자용 회로기판을 제조하는 방법을 도시한 흐름도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제2, 제1등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2구성요소는 제1구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1구성요소도 제2구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
본 문서에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 문서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
본 문서에서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 "상/위(on)"에 또는 "하부/아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "상/위(on)"와 "하부/아래(under)"는 "직접(directly)" 또는 "다른 층을 개재하여 (indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 각 층의 상부/위 또는 하부/아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다.
또한, 도면에서 각층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
도 1은 발광소자 모듈의 일 예를 도시한 것으로서, 세라믹 기판이 적용된 발광소자 패키지를 사용하는 경우를 예로 도시한 것이다.
도 1을 참조하면, 회로기판(10)은 금속기판(11), 절연층(12), 회로패턴(13), 보호층(14) 등을 포함한다.
회로기판(10)의 일면에는 세라믹 기판(21)이 결합된 발광소자 패키지(20)가 실장된다. 발광소자 패키지(20)는 전도성 접착제(30)를 매개체로 회로기판(10) 상에 접합된다.
한편, 도 1에 도시된 바와 같이, 칩 형태의 발광소자(22)와 세라믹 기판(21)을 패키징하여 회로기판(10)에 실장하는 경우, 세라믹 기판(21) 사용에 따른 단가 상승을 초래한다. 또한, 세라믹 기판(21)에 의해 수직 방향의 열저항이 증가하여 발광소자(22)의 열 방출 성능이 저하될 수 있다.
도 2는 발광소자 모듈의 다른 예를 도시한 것으로서, 산화알루미늄 절연층을 적용한 COB 방식으로 발광소자를 실장하는 경우를 예로 도시한 것이다.
도 2를 참조하면, 회로기판(40)은 금속기판(41), 산화알루미늄(Al2O3) 절연층(42), 씨드층(seed layer)(43), 회로패턴(44), 보호층(45) 등을 포함한다.
금속기판(41)은 산화알루미늄 절연층(42)을 형성하기 위해 알루미늄(Al) 소재로 이루어질 수 있다.
산화알루미늄 절연층(42)은 알루미늄 금속기판(41)의 표면을 양극산화(anodizing)처리하여 형성될 수 있다. 산화알루미늄 절연층(42)의 일면에는, 산화알루미늄 절연층(42)과 회로패턴(44)의 밀착력을 향상시키기 위한 씨드층(43)이 형성되고, 씨드층(43)의 일면에 회로패턴(44)이 형성된다.
발광소자(50)는 전도성 접착제(60)에 의해 세라믹 기판 없이 회로기판(40)의 산화알루미늄 절연층(42) 상에 COB 방식으로 실장된다.
한편, 도 2에 도시된 바와 같이, 산화알루미늄 절연층(42)을 적용하는 경우, 산화알루미늄 절연층(42)이 세라믹 기판을 대체할 수 있어 단가를 낮추는 것이 가능하다. 그러나, 산화알루미늄 절연층(42)의 높은 열저항과 낮은 내전압으로 인해 높은 방열 성능을 구현하는 것이 어렵고, 이로 인해 고전력 제품에 적용하는 것이 어려운 문제점이 있다.
따라서, 본 발명의 실시 예에서는 발광소자 패키지에 적용되는 세라믹 기판을 대체하는 것이 가능하고, 산화알루미늄 절연층에 비해 상대적으로 낮은 열저항과 높은 내전압을 가지는 카바이드(carbide)계 또는 질화(Nitriding)계 절연층을 적용한다.
아래에서는 필요한 도면들을 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 발광소자 모듈 및 발광소자 모듈을 구성하는 회로기판의 제조방법에 대하여 상세하게 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 발광소자 모듈을 도시한 단면도이다.
도 3을 참조하면, 회로기판(100)은 제1금속기판(110), 제2금속기판(120), 절연층(130), 씨드층(140), 회로패턴(150), 보호층(160) 등을 포함한다.
제1금속기판(110)은 열저항이 낮은 구리(Cu) 기판으로 이루어지며, 발광소자(200)에서 발생하는 열을 외부로 방출하는 방열 기능을 수행한다.
제1금속기판(110)의 일면에는 제2금속기판(120)이 적층 결합된다. 제2금속기판(120)은 알루미늄 기판으로 이루어지며, 구리 소재의 제1금속기판(110)과 절연층(130) 간의 접착력을 향상시키는 기능을 한다.
제1금속기판(110) 및 제2금속기판(120)은 회로기판(100)의 내구성을 향상시키기 위해 클래드(clad) 기판으로 마련될 수 있다. 클래드 기판은 제1금속기판(110) 및 제2금속기판(120)을 열간 또는 냉간 압연 방식으로 결합하여 형성된다.
알루미늄 소재인 제2금속기판(120)은 구리 소재인 제1금속기판(110)에 비해 상대적으로 경량이며 높은 열저항을 가진다. 따라서, 클래드 기판을 구성하는 제2금속기판(120)의 두께는 발광소자 모듈이 적용되는 제품의 특성에 따라 다르게 설계될 수 있다.
일 예로, 고전력 제품에 적용되는 경우 방열 성능이 중요하므로, 상대적으로 열저항이 높은 제2금속기판(120)의 두께는 200μm이하로 설계될 수 있다. 반대로, 경량화가 목적인 제품에 적용하는 경우, 상대적으로 경량인 제2금속기판(120)의 두께를 200μm 이상으로 높여서 설계할 수도 있다.
제2금속기판(120)의 일면에는 절연층(130)이 형성된다.
절연층(130)은 열전도도 150W/mK 이상인, 탄화규소알루미늄(AlSiC) 등의 카바이드계 절연 물질 또는 질화알루미늄(AlN), 질화규소알루미늄(AlSiN) 등의 질화계 절연 물질을 포함한다.
절연층(130)은 제2금속기판(120) 상에 진공증착(sputtering) 방식으로 형성된다. 절연층(130)은 회로기판(100)의 내전압 신뢰성을 높이기 위해 50μm이상의 두께를 가지도록 형성된다.
절연층(130)의 일면에는 씨드층(seed layer)(140)이 진공증착 방식으로 형성된다.
씨드층(140)은 절연층(130)과 회로패턴(150) 간의 고온 밀착력을 향상시키기 위한 것으로서, 니켈-크롬(Ni-Cr)으로 이루어진다. 씨드층(140)의 밀착력은 씨드층(140)의 두께 및 니켈 대 크롬의 성분비에 따라 달라진다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 씨드층의 니켈-크롬의 성분비에 따른 밀착력 변화를 도시한 그래프이다.
도 4를 참조하면, 상온에서 니켈-크롬 성분비가 93:7인 니켈-크롬 씨드층은 평균 0.81 kgf/cm2, 표준편차 0.056 kgf/cm2의 밀착력을 보인다. 또한, 상온에서 니켈-크롬 성분비가 80:20인 니켈-크롬 씨드층은 평균 0.85 kgf/cm2, 표준편차 0.052 kgf/cm2의 밀착력을 보인다.
한편, 150°C 이상의 고온에서 168시간 이상 노출시키는 고온 환경에서, 니켈-크롬 성분비가 93:7인 니켈-크롬 씨드층은 평균 0.38 kgf/cm2, 표준편차 0.080 kgf/cm2의 밀착력을 보인다. 니켈-크롬 성분비가 93:7인 니켈-크롬 씨드층의 경우, 고온 환경에서 상온 환경에 비해 밀착력이 55% 저하됨을 알 수 있다.
또한, 고온 환경에서, 니켈-크롬 성분비가 80:20인 니켈-크롬 씨드층은 평균 0.69 kgf/cm2, 표준편차 0.090 kgf/cm2의 밀착력을 보인다. 니켈-크롬 성분비가 80:20인 니켈-크롬 씨드층의 경우, 고온 환경에서는 상온 환경에 비해 밀착력이 18% 저하됨을 알 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 니켈-크롬 씨드층에서 크롬의 성분비가 높아질수록 고온 환경에서의 밀착력 저하가 줄어듦을 알 수 있다. 그러나, 크롬의 성분비가 소정 비율 예를 들어, 30% 이상인 경우 회로패턴(150)의 에칭(ething) 시 절연층(130)의 표면에 크롬이 잔류하여 패턴 단락(short)의 원인이 될 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시 예에 따른 씨드층(140)의 니켈 대 크롬의 성분비는 80:20 내지 97:3 이내로 형성된다.
다시, 도 3을 보면, 씨드층(130)의 일면에는 회로패턴(150)이 형성된다. 회로패턴(150)은 구리 또는 구리를 주성분으로 하는 금속층을 이용하여 형성된다.
회로패턴(150)의 일면에는 보호층(160)이 형성된다. 보호층(160)은 회로기판(100)에 대한 전기적 절연 및 전기적/물리적 충격 완화 기능을 수행한다.
보호층(160)은 솔더 레지스트(Solder Resist), 커버레이(coverlay) 등을 이용하여 형성된다.
발광소자(200)는 세라믹 기판이 생략된 COB 방식으로 회로기판(100) 상에 탑재된다. 즉, 발광소자(200)는 전도성 접착제(300)를 매개체로 회로기판(100)의 절연층(120) 상에 직접 실장된다. 또한, 발광소자(200)의 애노드(anode) 및 캐소드(cathode) 단자에 연결되는 각 와이어는 회로패턴(150)에 전기적으로 연결된다.
전도성 접착제(300)는 전기 전도성을 가진 접착제로서, 금속 페이스트 등이 사용된다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 발광소자 모듈을 구성하는 회로기판을 제조하는 방법을 도시한 흐름도이다.
도 5를 참조하면, 구리 소재의 제1금속기판(110) 상에 알루미늄 소재의 제2금속기판(120)을 적층하고, 냉간 또는 열간 압연하여 클래드 기판을 준비한다(S101).
다음으로, 제2금속기판(120)의 일면에 진공증착 공정을 통해 카바이드계 또는 질화계 절연층(130)을 형성한다(S103).
다음으로, 절연층(130)의 일면에 회로패턴(150)의 밀착력 향상을 위한 씨드층(140)을 형성한다(S104). 씨드층(140)은 진공증착 공정을 통해 형성된다.
다음으로, 에칭 공정 등을 통해 씨드층(140)의 일면에 회로패턴(150)을 형성한다.
전술한 바와 같이, 카바이드계 또는 질화계 절연층을 이용하여 회로기판을 구성하는 경우, 절연층이 발광소자 패키지의 세라믹 기판을 대체하는 것이 가능하여 원가 절감의 효과가 있다.
또한, 열저항이 낮은 카바이드계 또는 질화계 절연층을 사용함으로써, 세라믹 기판의 사용 없이도 발광소자의 방열 기능을 향상시켜 발광소자 모듈을 고전력 제품에 적용하는 것이 가능하다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 회로기판 110: 구리 기판
120: 알루미늄 기판 130: 절연층
140: 씨드층 150: 회로패턴
160: 보호층 200: 발광소자
300: 전도성 접착제

Claims (4)

  1. 구리 기판,
    상기 구리 기판 상에 적층 되는 알루미늄 기판,
    상기 알루미늄 기판 상에 마련되며, AlSiC 및 AlSiN 중 적어도 하나로 이루어지는 절연층,
    상기 절연층의 일부 상에 배치되고, 니켈 및 크롬을 포함하는 씨드층,
    상기 씨드층 상에 배치되는 회로패턴, 그리고
    상기 절연층의 다른 일부 상에 전도성 접착제를 매개체로 실장되는 발광소자를 포함하고,
    상기 알루미늄 기판의 두께는 상기 구리 기판의 두께보다 작고,
    상기 구리 기판 및 상기 알루미늄 기판은 클래드 기판이고,
    상기 회로패턴의 일부 상에 보호층이 더 배치되며,
    상기 회로패턴의 다른 일부는 와이어에 의하여 상기 발광소자와 연결되는 발광소자 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 니켈 대 상기 크롬의 성분비가 80 대 20 내지 97 대 3인 발광소자 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 절연층은 진공증착(sputtering) 방식으로 형성되는 발광소자 모듈.
  4. 구리 기판 상에 알루미늄 기판을 적층한 후 압연하여 클래드 기판을 준비하는 단계,
    상기 알루미늄 기판의 일면에 진공증착 공정을 통해 AlSiC 및 AlSiN 중 적어도 하나로 이루어지는 절연층을 형성하는 단계,
    상기 절연층의 일부 상에 니켈 및 크롬을 포함하는 씨드층을 형성하는 단계,
    상기 씨드층 상에 회로패턴을 형성하는 단계,
    상기 회로패턴의 일부 상에 보호층을 형성하는 단계,
    상기 절연층의 다른 일부 상에 전도성 접착제를 매개체로 발광소자를 실장하는 단계, 그리고
    상기 회로패턴의 다른 일부와 상기 발광소자를 와이어로 연결하는 단계를 포함하는 발광소자 모듈을 제작하는 방법.
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