KR20090122180A - 방열 부재, 그것을 이용한 회로 기판, 전자 부품 모듈 및 그의 제조 방법 - Google Patents

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KR20090122180A
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heat
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요시아키 히로세
데츠야 유키
유키노리 미사키
마사키 아라카와
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토요 탄소 가부시키가이샤
도쿠리츠교세이호징 고쿠리츠코토센몬갓코키코
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Abstract

기판이 파손되거나 기판의 총중량이 증가하거나 생산성 저하나 비용의 증가를 초래하거나, 혹은 대형화하거나 하는 일 없이, 전자 부품을 충분히 냉각할 수 있는 방열 부재를 이용한 회로 기판을 제공하는 것을 목적으로 한다. 표면에 배선 패턴(3)이 형성된 기판 본체(4)를 가짐과 아울러, LED 모듈(1)이 상기 배선 패턴(3)에 접속되는 구조의 회로 기판으로서, 상기 기판 본체(4)의 일부에는 표면으로부터 이면까지 관통한 관통구멍(6)이 설치되며, 또한 상기 기판 본체(4)의 이면에는, 상기 관통 구멍(6)의 한쪽 끝을 막도록 방열 부재(5)가 배설(配設)됨과 아울러, 이 방열 부재(5)와 상기 LED 모듈(1)이 직접적으로 맞닿은 상태에서 상기 관통구멍(6) 내에 상기 LED 모듈(1)이 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 회로 기판.

Description

방열 부재, 그것을 이용한 회로 기판, 전자 부품 모듈 및 그의 제조 방법{RADIATING MEMBER, CIRCUIT BOARD USING THE MEMBER, ELECTRONIC PART MODULE, AND METHOD FOR MANUFACTURING THE MODULE}
본 발명은 방열 부재, 그것을 이용한 방열 구조를 가지는 회로 기판, 전자 부품 모듈 및 그들의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 열용량 등을 변화시켜서 제조할 수 있는 소재로 이루어진 방열 부재, 그것을 이용한 공간성이 뛰어나고, 경량 및 저비용이며, 게다가 방열 능력을 조절할 수 있는 방열 구조를 가지는 회로 기판, 전자 부품 모듈 및 그들의 제조 방법에 관한 것이다.
종래, 회로 기판의 방열 구조로는 기판의 한쪽 면 위에 금속 배선을 설치하고, 그 배선 위에 전자 부품을 실장하며, 그 기판의 이면에 구리나 알루미늄 등의 방열판을 면접촉시킨 것과 같은 것이 알려져 있다. 그러나 근래 고속 연산 처리화나 고집적화에 수반하여 전자 부품의 발열량이 증대되는 경향이 있는 것 및 근래 조명 장치로서 주목받고 있는 LED는 온도가 상승하면 발광 효율이 저하되거나 고장나거나 하는 원인이 되는 것 등의 이유로 인하여, 보다 높은 방열 능력을 가지는 방열 구조가 요구되고 있었다.
특히, LED를 고밀도 실장했을 경우에는 총 발광량에 따라 발열량은 증대되 고, LED의 특성 저하 및 고장 발생률이 높아진다. 그렇기 때문에 LED 조명 장치를 대광량(大光量)으로 발광시키기 위해서는 온도 상승을 억제하기 위한 방열 구조를 설치할 필요가 있다.
또한, 방열 구조로서 펠티에 소자(peltier element)의 흡열 효과를 이용한 냉각 수단도 알려져 있으나, 이 경우에는 공간절약화가 곤란하며, 게다가 비용이 비싸진다고 하는 문제가 있다. 또, 회로 기판 위에 구리박을 첨설(添設)하여 열전도를 향상시키고 절연 시트를 통하여 열을 밖으로 방출하는 방법이 알려져 있으나, 구리의 밀도는 9g/c㎥로 비교적 무겁기 때문에, 충분한 방열력을 얻기 위해서 필요한 구리박을 기판에 설치하면 회로 기판이 무거워진다고 하는 과제를 가지고 있었다.
따라서, 이와 같은 것을 고려하여, 이하에 나타내는 것과 같은 제안이 이루어져 있다.
(1) 방열체인 전자 디바이스를 탑재한 기판의 면을 따르도록 혹은 그 반대면에 구리나 알루미늄 등의 각종 금속보다 높은 면 방향 전도율을 가지며, 경량의 흑연 시트 혹은 단결정 시트를 설치한 냉각 구조를 가지는 제안(하기 특허문헌 1 참조).
(2) 기판 본체의 상측과 하측의 사이에 스루홀을 구비하고, 상측에 장착된 적어도 하나의 전기 컴포넌트와, 스루홀 내에 삽입되어 상측으로부터 하측으로 연장되어 있으며 전기 컴포넌트에 열적으로 결합되어 있는 적어도 하나의 열전도 부재를 구비하며, 열전도 부재는 평탄한 상부 부분과 테이퍼가 붙어 있거나 혹은 오 목부가 설치된 아랫부분을 구비함으로써 냉각 능력을 높인 프린트 회로 기판의 제안(하기 특허문헌 2 참조).
(3) LED의 발광 효율 저하를 억제함과 아울러, 신뢰성이 높은 밝은 긴 수명의 액정 표시가 가능한 LED 백라이트를 가지는 액정 표시 장치를 제공하기 위해서, LED 모듈을 실장하는 기판의 실장면에 실장 금속막, 금속 구동 배선, 금속막 패턴을 이면에 방열용 금속막을 형성하고, 그 사이를 금속 스루홀에 접합시킴과 아울러, LED 모듈을 실장할 때에 실장 금속막과의 사이에 방열재를 개재시킨 제안(하기 특허문헌 3 참조).
특허문헌 1: 일본 특개 2006-245388호 공보
특허문헌 2: 일본 특개 2004-343112호 공보
특허문헌 3: 일본 특개 2006-11239호 공보
발명이 해결하고자 하는 과제
(1) 특허문헌 1에 나타난 기술 과제
해당 문헌에서는 폴리이미드 등의 고분자 물질을 고온 처리한 시트를 기판의 바닥면에 붙이는 것이 개시되지만, 프린트 회로 기판을 통하여 방열되는 구조이기 때문에 높은 방열 능력을 나타내는 것은 어렵다.
또, 폴리이미드 등 고분자 물질을 고온 처리한 시트는 폴리이미드 등의 재료를 탄화시킨다고 하는 제법상의 제약으로 인하여 성형 자유도가 낮고(얇은 것밖에 제작하지 못하고), 높은 방열 능력을 나타내기 위해서 필요한 두께를 확보하는 것이 어려우며, 게다가 비용이 비싸다고 하는 문제가 있다.
(2) 특허문헌 2에 나타난 기술 과제
해당 문헌에는 프린트 회로 기판에 스루홀을 형성하고, 거기에 열전도 부재를 압입하는 기술이 개시된다. 그러나 열전도 부재를 통하여 방열 부재에 열을 전도하는 구성인 것 및 열전도 부재가 구리 등의 금속으로 이루어지기 때문에 전기 컴포넌트와 열 전도 부재 및 열 전도 부재와 히트 싱크와의 접촉을 충분히 확보할 수 없다고 하는 것 등에 기인하여, 전기 컴포넌트(전자 부품)를 충분히 냉각할 수 없다고 하는 과제를 가지고 있다. 이와 같은 문제는 LED 모듈을 고밀도 실장했을 경우에 현저해진다.
또, 열전도 부재가 고온으로 되어 열팽창하면, 기판에 부하가 가해져서 기판이 파손될 우려가 있으며, 게다가 열전도 부재가 구리 등의 금속으로 이루어져 있기 때문에 기판의 총중량이 증가한다.
또한, 해당 문헌의 구성에서는, 열전도 부재를 압입하기 때문에 특별한 장치를 이용한 부가적 공정이 필요하여 생산성의 저하나 비용 증가를 초래한다. 아울러, 기판 표면에 전기 컴포넌트를 배치하는 구조이기 때문에 전기 컴포넌트의 높이 분만큼 모듈이 대형화되는 등의 과제를 가지고 있었다.
(3) 특허문헌 3에 나타난 기술 과제
해당 문헌에는 LED 모듈과 금속 스루홀의 사이에 방열재를 배치하는 취지가 기재되어 있으나, 실장 기판에 스루홀을 형성하고, 거기에 금속을 배치한다고 하는 구성은 상기 특허문헌 2와 같은 구성이다. 따라서 열전도 부재를 스루홀에 압입하는 것에 기인하는 과제 이외에는 상기 특허문헌 2와 동일한 과제를 갖는다.
(4) 그 외 문제점
종래의 방열 부재는 일반적으로 금속으로 구성되어 있기 때문에 크기나 두께를 변경하지 않는 한 열용량을 바꿀 수 없다. 따라서 필요한 열용량의 증감에 맞추어 부재의 부피를 증감시키는 것이 통상적이었다. 그러나 방열 부재의 부피가 증감하면 케이스 내의 부품 배치의 재설계가 필요해져, 개발비의 증대나 개발 지연 등이 발생하는 경우가 있다고 하는 과제를 가지고 있었다.
본 발명은 상기 과제를 고려한 것으로서, 소재의 물성을 제어함으로써 방열체의 방열 특성을 조절할 수 있는 방열 부재를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또, 성형 자유도가 높고, 높은 방열 능력을 가지며, 또한 저비용으로 제작할 수 있는 방열 부재를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 기판이 파손되거나 기판의 총중량이 증가하거나, 생산성 저하나 비용의 증가를 초래하거나, 혹은 대형화하거나 하는 일 없이, 전자 부품을 충분히 냉각할 수 있는 방열 부재를 이용한 회로 기판, 전자 부품 모듈 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
과제를 해결하기 위한 수단
본 발명자들은 제조 등에서 열용량 등을 변화시켜 제조할 수 있는 것으로부터 흑연 재료에 착안하고, 방열 특성인 상승의 변화나, 방열 하에서의 정상 상태에서의 온도를 제어할 수 있는 것이며, 그와 같은 제어를 할 수 있는 재료를 방열 재료로 하는 것을 컨셉으로 하여, 본 발명을 완성시키기에 이르렀다.
즉, 본 발명은 이하의 (1)~(4)의 방열 부재를 요지로 한다.
(1) 제조 조건에 따라 원하는 열용량으로 가변할 수 있는 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 방열 부재.
(2) 상기 소재가 부피 밀도를 제어함으로써 열용량을 가변할 수 있는 소재인, (1)의 방열 부재.
(3) 상기 소재가 흑연 시트인, (1) 또는 (2)의 방열 부재.
(4) 팽창 흑연의 단위 부피당 중량을 변화시키고, 부피 밀도를 제어함으로써 열용량을 가변할 수 있는 흑연 시트인, (3)의 방열 부재.
또, 본 발명은 이하의 (5)~(10)의 회로 기판을 요지로 한다.
(5) 표면에 배선 패턴이 형성된 기판 본체를 가짐과 아울러, 전자 부품이 상기 배선 패턴에 접속되는 구조의 전자 부품 모듈이며, 상기 기판 본체의 일부에는 표면으로부터 이면까지 관통한 관통구멍이 설치되고, 또한 상기 기판 본체의 이면에는, 상기 관통구멍의 한쪽 끝을 막도록 방열 부재가 배설(配設)됨과 아울러, 이 방열 부재와 상기 전자 부품이 직접적으로 맞닿은 상태에서 상기 관통구멍 내에 상기 전자 부품이 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 회로 기판.
(6) 상기 방열 부재는 제조 조건에 따라 원하는 열용량으로 가변할 수 있는 소재로 이루어진, (5)의 회로 기판.
(7) 상기 소재가 부피 밀도를 제어함으로써 열용량을 가변할 수 있는 소재인, (6)의 회로 기판.
(8) 상기 방열 부재는 팽창 흑연 시트로 이루어진, (7)의 회로 기판.
(9) 상기 팽창 흑연 시트의 부피 밀도가 0.3~2.0Mg/㎥로 규제되는, (8)의 회로 기판.
또, 본 발명은 이하의 (10)~(12)의 전자 부품 모듈을 요지로 한다.
(10) 상기 (5)~(9) 중 어느 하나의 회로 기판을 이용한 전자 부품 모듈.
(11) 상기 전자 부품과 상기 방열 부재가 열전도성 접착제에 의해 밀착되어 있는, (10)의 전자 부품 모듈.
(12) 상기 전자 부품이 LED 모듈인, (10) 또는 (11)의 전자 부품 모듈.
또, 본 발명은 이하의 (13)~(19)의 전자 부품 모듈의 제조 방법을 요지로 한다.
(13) 표면에 배선 패턴이 형성된 기판 본체에서의 전자 부품의 설치 위치에, 표면으로부터 이면까지 관통한 관통구멍을 설치하는 관통구멍 형성 공정과, 상기 관통구멍의 한쪽 끝을 막도록 상기 방열 부재를 상기 기판 본체의 이면에 배설하는 방열 부재 배설 공정과, 상기 전자 부품과 상기 방열 부재를 직접적으로 맞닿은 상태에서 상기 관통구멍 내에 상기 전자 부품을 배치하는 전자 부품 배치 공정을 갖는 것을 특징으로 하는 전자 부품 모듈의 제조 방법.
(14) 상기 방열 부재는 제조 조건에 따라 원하는 열용량으로 가변할 수 있는 소재로 이루어진, (13)의 전자 부품 모듈의 제조 방법.
(15) 부피 밀도를 제어함으로써 열용량을 가변으로 한 방열 부재를 이용하는, (14)의 전자 부품 모듈의 제조 방법.
(16) 상기 방열 부재는 흑연 시트로 이루어진, (15)의 전자 부품 모듈의 제조 방법.
(17) 상기 전자 부품 배치 공정에 있어서, 상기 전자 부품과 상기 방열 부재를 열전도성 접착제에 의해 접착하는, (13)~(16)의 전자 부품 모듈의 제조 방법.
(18) 상기 전자 부품이 LED 모듈인, (13)~(17)의 전자 부품 모듈의 제조 방법.
(19) 상기 전자 부품에는 전극이 설치되며, 이 전극과 상기 배선 패턴을 전기적으로 접속하는 접속 공정을 가지는, (13)~(18)의 전자 부품 모듈의 제조 방법.
발명의 효과
본 발명의 방열 부재는 제조 조건에 따라 원하는 열용량으로 가변할 수 있는 소재, 부피 밀도를 제어함으로써 열용량을 가변할 수 있는 소재(흑연 시트)로 구성되어 있기 때문에 필요한 열용량의 증감에 맞추어 방열 부재의 부피를 증감시킬 필요가 없어진다. 따라서 공간성을 해치지 않고 열용량의 조절이 가능해지므로, 충분한 방열 특성을 확보하면서 전자 부품 실장의 자유도가 향상된다고 하는 효과를 나타낸다.
또, 흑연 시트는 예를 들어 팽창 흑연을 압축하여 가압 성형하는 것만으로 방열 부재를 제작할 수 있으므로(즉, 폴리이미드 등의 재료를 탄화시킨다고 하는 제법상의 제약이 없기 때문에), 성형의 자유도가 높고(원하는 형상의 것을 용이하게 제작할 수 있어), 이 점에서도 전자 부품 실장의 자유도가 향상된다. 또한, 팽창 흑연을 압축하여 가압 성형하는 것만으로 방열 부재를 제작할 수 있기 때문에 방열 부재나 그것을 이용한 회로 기판, 전자 부품 모듈을 저비용으로 제작할 수 있다고 하는 효과도 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 방열 부재와 전자 부품이 직접적으로 맞닿아 있기(스루홀에 배치된 열전도 부재를 통하지 않고 열전달할 수 있기) 때문에 종래보다 높은 방열 능력이 발휘된다.
아울러, 흑연 시트는 금속에 비해 비중이 작기 때문에 방열 구조의 경량화를 도모할 수 있다. 또, 게다가 흑연 시트는 금속에 비해 탄력성이 풍부하므로 전자 부품과의 접착 면적이 커져, 보다 높은 방열 효과를 얻을 수 있다. 게다가, 기판 본체의 표면이 아니라 기판 본체에 형성된 관통구멍 내에 전자 부품을 배치하는 구조이기 때문에 전자 부품의 높이 분만큼 모듈이 대형화되는 등의 과제도 해결할 수 있다.
발명을 실시하기 위한 바람직한 형태
본 발명은 발열체인 전자 부품의 이면에 방열 부재를 직접적으로 맞닿게 하는 구조를 갖는다. 방열 부재를 전자 부품의 이면의 적어도 일부 바람직하게는 전부에 맞닿게 함으로써, 열전도율이 낮은 프린트 회로 기판에 의한 단열 효과를 해소하는 것이 가능하다. 또, 방열 부재를 전자 부품의 이면에 직접적으로 맞닿게 함으로써 다른 부재를 개재시켰을 경우에 발생하는 열저항이 커지는 것과 같은 문제를 해소할 수 있다. 여기서, 직접적으로 맞닿게 하는 태양에는, 전자 부품의 이면에 미리 첩부된 종래의 방열 부재를 통하여 맞닿게 하는 태양이나 실리콘 그리스 등의 접착제를 통하여 맞닿게 하는 태양도 포함된다. 예를 들어, 수 W 이상의 고출력 LED 모듈은 방열 구조가 불가결하여, 종래는 이면에 알루미늄 방열판 등이 배설되어 있으나, 고출력 LED 모듈과 본 발명의 방열 부재를 직접적으로 맞닿게 해도 된다.
방열 부재는 높은 열전도율을 가지며, 알루미늄보다 경량(약 1/2의 중량)이고, 열팽창율이 낮으며, 시판되는 폴리이미드 등의 고분자 물질을 고온 처리한 시트보다 염가인 소재인 흑연 시트를 이용하는 것이 바람직하다. 여기서, 흑연 시트는 두께가 0.1㎜ 이상인 것이면 되고, 두께가 수 cm인 판 모양의 것도 흑연 시트라고 부르기로 한다. 흑연 시트는 여러 가지 형상으로 가공하는 것이 가능하며, 예를 들어 프린트 회로 기판에 설치된 오목부에 끼워 맞춰지는 돌기를 설치하는 것도 가능하다.
바람직한 형태의 본 발명은, 회로 기판에 전자 부품을 실장할 때 전자 부품의 절연층과 방열 부재인 흑연 시트를 직접 밀착하는 것을 본질적인 부분으로 하고, 그것에 의해 높은 방열 능력을 나타낼 수 있기 때문에 전자 부품의 온도 상승을 효과적으로 억제할 수 있다.
흑연 시트는 강도면에서의 문제가 없으면, 바람직하게는 두께 0.1~1.5㎜, 보다 바람직하게는 0.3~1.0㎜인 것을 이용한다.
흑연 시트는 부피 밀도를 가변으로 함으로써 열용량의 조절이 가능하다고 하는 뛰어난 특징을 갖는다. 바람직한 흑연 시트의 부피 밀도는 0.3~2.0Mg/㎥의 범위에서 적절히 선택된다. 이와 같이 규제하는 것은 부피 밀도가 2.0Mg/㎥를 넘으면 면 방향의 열전도율이 높아지나 유연성은 낮아져서, 전자 부품 등과의 밀착성이 저하되는 경우가 있는 한편, 부피 밀도가 0.3Mg/㎥ 미만이 되면 유연성이 높아져서 전자 부품 등과의 밀착성은 향상하지만 면 방향의 열전도율이 저하되기 때문이다.
여기서, 열용량은 C = m·Cp[여기서, m은 질량(g)이다. 또, Cp는 비열(J/k)이며, 상온(23℃ 전후)에서는 0.7J/g·K이다]의 관계식이 있다. 따라서 흑연 시트의 부피 밀도(팽창 흑연가루의 단위 부피당 중량)를 변화시키는 것에 의해서 질량이 변화하므로 흑연 시트의 열용량을 조절하는 것이 가능해진다.
흑연 시트의 제조 방법의 일례를 도 12에 개시한다.
동일한 도면에서 부호 11은 본 발명에 바람직한 흑연 시트의 원료가 되는 팽창 흑연을 나타내고 있다. 팽창 흑연(11)은 천연 흑연이나 키쉬 흑연 등을 황산이나 질산 등의 액체에 침지시킨 후 400℃ 이상에서 열처리를 실시함으로써 형성된 면상(綿狀)의 흑연(팽창 흑연)으로 이루어진 시트상 원료이다. 이 팽창 흑연(11)은 두께가 1.0~50.0㎜, 부피 밀도가 0.1~0.3Mg/㎥이며, 이 팽창 흑연(11)을 두께 0.1~3.0㎜, 부피 밀도 0.2~1.1Mg/㎥까지 압축하여 가압 성형하여 원(原) 시트(12)를 형성한다. 또한, 두께 2.0㎜, 부피 밀도 0.1Mg/㎥의 팽창 흑연(11)을 두께 0.2㎜, 부피 밀도 1.0Mg/㎥의 원 시트(12)가 되도록 압축하면, 압축시에 기포 등의 발생을 막을 수 있어 균질한 원 시트(12)를 제조할 수 있다. 그러면 흑연 시트(14)에서의 열전도율의 불균일을 보다 확실하게 막을 수 있기 때문에 바람직하다.
그 후, 할로겐 가스 등에 의해서 원 시트(12)에 포함되는 유황이나 철분 등의 불순물을 제거하여, 원 시트(12)에 포함되는 불순물의 총량이 10ppm 이하, 특히 황이 1ppm 이하가 되도록 처리하여 순화 시트(13)를 형성한다. 또한, 순화 시트(13)에서의 불순물의 총량은 바람직하게는 5ppm 이하로 하면, 흑연 시트(14)를 설치한 부재나 장치의 열화를 보다 확실히 막을 수 있다.
또한, 원 시트(12)로부터 불순물을 제거하는 방법은 상기의 방법으로 한정되지 않고, 원 시트(12)의 두께나 부피 밀도에 맞추어 최적의 방법을 채용하면 된다.
상기 순화 시트(13)를 롤 압연 등에 의해서 두께 0.05~1.5㎜, 부피 밀도 0.3~2.0Mg/㎥가 되도록 더욱 가압 압축하면 본 발명에 적합한 흑연 시트(14)가 형성된다. 이상의 순서에 의해 제조되는 흑연 시트는 면 방향으로 350w/(m·k) 이상이라고 하는 높은 방열 특성을 갖는다. 또한, 상세한 것에 대하여는 일본 특허 제3691836호 공보에 개시되어 있는 바와 같다.
이상과 같이, 본 발명의 흑연 시트의 바람직한 태양은 산처리 흑연을 열처리하여 팽창시켜 면상이 된 팽창 흑연을 주재료로 하는 팽창 흑연 시트이다.
본 발명의 방열 구조를 가지는 전자 부품 모듈은, 표면에 전기 배선을 구비하며 표면으로부터 이면에까지 관통한 관통구멍을 설치한 기판 본체와, 기판 본체의 관통구멍을 이면측에 배설한 흑연 시트와, 기판 본체의 표면측으로부터 관통구멍을 통하여 마주보는 흑연 시트에 직접적으로 피착되며, 또한 전기 배선으로부터의 급전(給電)에 의해 발열하는 전자 부품으로 구성된다. 기판 본체는 유리 에폭시제(製)를 비롯한 일반적인 프린트 기판이다.
본 발명의 제1 구성예는 도 1에 나타내는 바와 같이, 표면(41)에 전기 배선(금속으로 이루어진 배선 패턴)(3)이 설치되어 있는 기판 본체(4)의 이면(42)에는, 전체 면에 걸쳐 흑연 시트로 이루어진 방열 부재(5)(부피 밀도: 1Mg/㎥)가 배설되어 있다. 기판 본체(4)에는 LED 모듈(1)을 실장하는 부분에 미리 관통구멍(6)이 설치되어 있고, LED 모듈(1)은 관통구멍(6) 내에 배치되어 방열 부재(5)와 직접적으로 밀착하도록 배설된다.
본 발명의 제2 구성예는 도 2에 나타내는 바와 같이, 기판 본체(4)의 이면(42)의 일부에 방열 부재(5)가 배설되어 있다. 도 1과 비교해서 방열 부재(5)의 면적이 좁기 때문에 두께를 증가시킴으로써 방열 효과를 높이고 있다. 또, 방열 부재(5)의 두께를 늘림으로써 강도가 증가된다고 하는 효과도 있다. 또한, 도 1 및 도 2에서, 2는 와이어 본딩의 와이어이며, LED 모듈(1)과 기판 본체(4)상의 전기 배선(3)을 전기 접속하고 있다.
도 1 및 도 2의 구성에 공통되는 것이나, 보다 강도를 높이고 싶은 경우에는 방열 부재(5)의 이면에 도시하지 않은 금속 등의 보강 부재를 배접해도 된다.
상기 전자 부품 모듈의 제조 방법은, 표면에 전기 배선을 구비하며 표면으로부터 이면에까지 관통한 관통구멍을 설치한 기판 본체의 이면에 흑연 시트를 배설하는 제1 공정과, 기판 본체의 관통구멍을 통하여 원하는 흑연 시트상에 발열체인 전자 부품(상기예에서는, LED 모듈(1))을 직접적으로 피착하는 제2 공정과, 전자 부품과 기판 본체상의 전기 배선을 전기 접속하는 제3 공정을 갖는다. 제1 공정과 제2 공정의 순서는 부동이다.
전자 부품의 피착 방법은, 흑연 시트상에 열전도성 접착제(예를 들어, 열가소성 수지 또는 열경화성 수지)에 의해 전자 부품을 피착하는 것인 것이 바람직하다. 이때 흑연 시트와 전자 부품의 맞닿음면에 공극이 생기지 않도록 양자의 간극이 열전도성 접착제에 의해 매설되어 있는 것이 바람직하다.
열가소성 수지로는 고온에 의해 가역적으로 연화되는 공지의 플라스틱을 이용할 수 있다. 구체적으로는, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 염화비닐, 폴리스티렌, 아크릴 수지, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리카보네이트 등을 예시할 수 있다.
열경화성 수지로는 고온에서 딱딱해지는 공지의 플라스틱을 이용할 수 있다. 구체적으로는, 에폭시 수지, 페놀 수지, 멜라민 수지, 실리콘 수지 등을 예시할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 구성예이다.
도 2는 본 발명의 제2 구성예이다.
도 3은 실시예 1에 관한 간이 계측 장치의 구성 개요도이다.
도 4는 실시예 1에 관한 LED 모듈의 기초 특성을 나타내는 그래프이다.
도 5는 상이한 소재의 방열 부재에서의 접합 (junction) 온도 산출 결과이다.
도 6은 온도계 T1에서의 측정 결과이다.
도 7은 온도계 T2에서의 측정 결과이다
도 8은 실시예 2에 관한 LED 모듈을 실장한 기판의 모식도이다.
도 9는 상이한 면적의 방열 부재의 온도 변화를 측정한 결과이다.
도 10은 팬 없음 상태에서 상이한 소재의 방열 부재에 대해 온도 변화를 측정한 결과이다.
도 11은 팬 있음 상태에서 상이한 소재의 방열 부재에 대해 온도 변화를 측정한 결과이다.
도 12는 본 발명의 방열 부재에 적합한 흑연 시트의 제조 순서를 나타내는 플로우 차트이다.
도 13은 흑연 시트에서의 온도 T와 비열 Cp의 관계를 나타내는 그래프이다.
부호의 설명
1 LED 모듈
2 와이어
3 전기 배선(배선 패턴)
4 기판 본체
5 방열 부재
6 관통구멍
이하에서는 본 발명의 상세를 실시예로 설명하겠으나, 본 발명은 실시예에 의해서 하등 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
실시예 1에서는, LED 모듈의 발열을 효과적으로 방열할 수 있는 방열 구조에 있어서, 상이한 소재의 방열 부재를 이용하여 방열 효과를 확인하였다.
일반적으로 LED에 사용할 수 있는 최대 온도는 LED 칩 표면 온도(접합 온도(junction temperature): Tj)로 정해져 있으나, 실제로 Tj 온도를 직접 측정할 수가 없다.
여기서, LED에는 접합 온도가 상승하면 순방향 전압(Vf)은 낮아지는 특성이 있다. 따라서 순방향 전압(Vf)을 측정함으로써 접합 온도의 변화 경향을 계측하기로 하였다.
접합 온도는 예비 실험에서 구한 LED 전압과 접합 온도의 특성으로부터 산출할 수 있다. 이 결과로부터 일정한 정밀도로 접합 온도를 산출할 수 있다.
본 실시예에서 이용한 LED 모듈(1)은 금속층 및 절연층 등으로 적층되어서 이루어진 베이스 기판을 베이스로 하고, 그 위에 반사판 및 렌즈 수지가 적층된 구성이다. 본 실시예의 LED 모듈(1)의 사양을 하기에 나타낸다.
《LED 모듈의 사양》
메이커명: LumiLEDs사 LXHL LW3C
순방향 전류 최대 정격: 1000(mA)
내열 온도: 135(℃)
동작 온도: -40~120(℃)
《측정 방법》
도 3에 나타낸 간이 측정 장치에 의해 접합 온도의 변화 경향을 측정하였다. 또한, 도 3에 있어서, 1은 LED 모듈, 5는 방열 부재, 8은 LED 설치 구멍, T1, T2는 온도계이다. 또, LED 모듈(1)로부터 온도계 T1까지의 거리는 32㎜, LED 모듈(1)로부터 온도계 T2까지의 거리는 52㎜이다.
이하에, 측정 순서를 나타낸다.
우선 LED 모듈(1)에 정격 전류 700[mA]를 20분간 흐르게 하여 발광시킴과 아울러 측정을 개시하였다. 계속해서, 20초마다 온도계 T1, T2의 온도와 LED의 전압을 측정하였다. LED 모듈(1)의 전압은 측정 장치에 의해서 수시(0.1초마다) 자동으로 기록된다. 여기서, 온도 기록시에는 약 1초간 LED에 흐르는 전류를 15[mA]로까지 떨어뜨리고 있다. 측정 중에 LED의 발광에 의해 접합 온도가 오르는 것을 방지하기 위해서이다.
순방향 전압(Vf)과 접합 온도(Tj)의 관계는 예비 실험으로 산출하였다. 본 실시예에서 이용한 LED 모듈(1)의 기초 특성을 도 4에 나타낸다.
《비교 시험》
상기 구성 및 측정 방법에 의해, 방열 부재(5)를 구리, 알루미늄 및 흑연 시트로 했을 때의 방열 능력의 비교 시험을 실시하였다. 방열 부재(5)의 두께는 구리 및 알루미늄이 1.5㎜, 흑연 시트가 1.5㎜이다. 이 흑연 시트로서 출원인이 제조하는 흑연 시트(부피 밀도: 2.0Mg/㎥, 무게 18g)를 이용하였다.
도 5는 상이한 소재로 이루어진 방열 부재의 접합 온도 비교 결과를 나타낸 그래프이고, 도 6은 온도계 T1의 온도 변화를 나타낸 그래프이며, 도 7은 온도계 T2의 온도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 5에 나타내는 바와 같이, 비정상 상태(대략 0~500초의 범위)에서는, 흑연 시트는 구리나 알루미늄보다 온도의 상승이 빠른 것을 알 수 있다. 이것은 열용량이 작은 것이 요인으로 되어 있다. 금속에 의한 방열 부재에 있어서는, 그 크기 등에 따라 열용량을 변화시키는 것은 상투수단이지만, 그 물성 그 자체를 제어함으로 써 비정상시에서의 상승 특성의 향상이나 정상시의 온도 레벨을 제어하는 것은 곤란하다.
또, 도 6 및 도 7로부터, 방열 부재(5)로 흑연 시트를 이용했을 경우가 가장 높은 방열 능력을 가지는 것을 알 수 있다.
종래 히트 싱크 등의 형상 변경에 따른 설계 변경에 있어서는, 몇 차례 벽에 방해받는 일이 적지 않으나, 본 실시예의 방열 구조에 의하면 방열 부재의 소재를 바꾸는 것만으로 몇 차례 벽을 깰 수 있는 것으로, 그 의의는 매우 크다.
실시예 2
본 실시예에서는, 상이한 면적의 흑연 시트에서의 온도 비교 시험을 실시하였다. 본 실시예에서는, 실시예 1에서 이용한 LED 모듈(1)을, 도 8에 나타내는 바와 같이 기판(4)상에 7개 실장하였다. 방열 부재(5)와 LED 모듈(1) 사이에는 실리콘 그리스(G-747)를 도포하였다. 실리콘 그리스를 도포함으로써 밀착 면적을 늘릴 수 있으므로 보다 높은 방열 효과를 나타내는 것이 가능해진다. 방열 부재(5)의 사양은 하기와 같으며, 그 외 구성은 실시예 1과 동일하다. 따라서, 흑연 시트의 부피 밀도는 모두 2.0Mg/㎥이며, 두께 D는 1.5㎜로 되어 있다.
《방열 부재의 사양》
메이커명: 토요탄소 주식회사
형식: PF-150UHP
두께: 1.5㎜
형상 등:
실험예 1(면적이 430㎠인 정사각형 모양을 이루며, 또 질량은 129g이므로, 열용량은 45.15J/K가 되고 있다)
실험예 2(면적이 215㎠인 정사각형 모양을 이루며, 또 질량은 64g이므로, 열용량은 22.54J/K가 되고 있다)
실험예 3(면적이 144㎠인 정사각형 모양을 이루며, 또 질량은 43g이므로, 열용량은 15.12J/K가 되고 있다)
실험예 4(면적이 107.5㎠인 정사각형 모양을 이루며, 또 질량은 32g이므로, 열용량은 11.27J/K가 되고 있다)
실험예 5(면적이 51.3㎠인 정육각형 모양을 이루며, 또 질량은 15g이므로, 열용량은 5.39J/K가 되고 있다)
또한, 실험예 1은 기판 본체(4)와 동일 면적이다.
도 9는 상이한 면적의 흑연 시트의 접합 온도 비교 결과를 나타낸 표이다. 도 9로부터 방열 부재(5)의 면적에 따라 방열 능력이 향상되는 것을 확인할 수 있다. 본 실시예에서는 7개의 LED 모듈을 실장하였으나, 보다 다수의 LED 모듈을 집적 실장하는 경우에는 발열량이 더욱 팽대해지는 것이 상정되며, 그 경우에는 본 실시예의 방열 구조가 매우 효과적이다.
실시예 3
본 실시예에서는, 팬 있음 상태와 팬 없음 상태에서, 상이한 소재의 방열 부재에서의 온도 변화를 측정하였다.
본 실시예에서 이용한 팬의 사양을 하기에 나타낸다. 또, 팬은 흑연 시트의 이면으로부터 10cm 떨어져 배치하고 있다.
《팬의 사양》
메이커명: 일본서보 주식회사
형식: VE55B5
최대 풍량: 0.55(㎥/min)
최대 정압: 4.3(㎜H2O)
소음: 30(dB(A))
도 10이 팬 없음 상태에서의 측정 결과이고, 도 11이 팬 있음 상태에서의 측정 결과이다. 도 10 및 도 11로부터, 팬을 조합시킴으로써 높은 방열 효과를 얻을 수 있음을 확인할 수 있다.
본 발명은 발열량이 많은 전자 부품의 냉각에 적절하며, 특히 고밀도 실장한 대광량 LED 조명 장치에 바람직하다. 대광량 LED 조명 장치의 용도로는 자동차의 헤드램프에서의 이용을 예시할 수 있다.

Claims (19)

  1. 제조 조건에 따라 원하는 열용량으로 가변할 수 있는 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 방열 부재.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 소재가 부피 밀도를 제어함으로써 열용량을 가변할 수 있는 소재인 방열 부재.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 소재가 흑연 시트인 방열 부재.
  4. 청구항 3에 있어서,
    팽창 흑연의 단위 부피당 중량을 변화시키고, 부피 밀도를 제어함으로써 열용량을 가변할 수 있는 흑연 시트인 방열 부재.
  5. 표면에 배선 패턴이 형성된 기판 본체를 가짐과 아울러, 전자 부품이 상기 배선 패턴에 접속되는 구조의 회로 기판으로서,
    상기 기판 본체의 일부에는 표면으로부터 이면까지 관통한 관통구멍이 설치되고, 또한 상기 기판 본체의 이면에는 상기 관통구멍의 한쪽 끝을 막도록 방열 부 재가 배설됨과 아울러, 이 방열 부재와 상기 전자 부품이 직접적으로 맞닿은 상태에서 상기 관통구멍 내에 상기 전자 부품이 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 회로 기판.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 방열 부재는 제조 조건에 따라 원하는 열용량으로 가변할 수 있는 소재로 이루어진 회로 기판.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 소재가 부피 밀도를 제어함으로써 열용량을 가변할 수 있는 소재인 회로 기판.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 방열 부재는 팽창 흑연 시트로 이루어진 회로 기판.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 팽창 흑연 시트의 부피 밀도가 0.3~2.0Mg/㎥로 규제되는 회로 기판.
  10. 청구항 5 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 기재된 회로 기판을 이용한 전자 부품 모듈.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 전자 부품과 상기 방열 부재가 열전도성 접착제에 의해 밀착되어 있는 전자 부품 모듈.
  12. 청구항 10 또는 청구항 11에 있어서,
    상기 전자 부품이 LED 모듈인 전자 부품 모듈.
  13. 표면에 배선 패턴이 형성된 기판 본체에서의 전자 부품 설치 위치에, 표면으로부터 이면까지 관통한 관통구멍을 설치하는 관통구멍 형성 공정과,
    상기 관통구멍의 한쪽 끝을 막도록, 상기 방열 부재를 상기 기판 본체의 이면에 배설하는 방열 부재 배설 공정과,
    상기 전자 부품과 상기 방열 부재를 직접적으로 맞닿은 상태에서 상기 관통구멍 내에 상기 전자 부품을 배치하는 전자 부품 배치 공정을 갖는 것을 특징으로 하는 전자 부품 모듈의 제조 방법.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 방열 부재는 제조 조건에 따라 원하는 열용량으로 가변할 수 있는 소재로 이루어진 전자 부품 모듈의 제조 방법.
  15. 청구항 14에 있어서,
    부피 밀도를 제어함으로써 열용량을 가변으로 한 방열 부재를 이용하는 전자 부품 모듈의 제조 방법.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 방열 부재는 흑연 시트로 이루어진 전자 부품 모듈의 제조 방법.
  17. 청구항 13 내지 청구항 16 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전자 부품 배치 공정에 있어서, 상기 전자 부품과 상기 방열 부재를 열전도성 접착제에 의해 접착하는 전자 부품 모듈의 제조 방법.
  18. 청구항 13 내지 청구항 17 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전자 부품이 LED 모듈인 전자 부품 모듈의 제조 방법.
  19. 청구항 13 내지 청구항 18 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전자 부품에는 전극이 설치되고, 이 전극과 상기 배선 패턴을 전기적으로 접속하는 접속 공정을 가지는 전자 부품 모듈의 제조 방법.
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