KR20100106933A - 발광다이오드 패키지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 발광다이오드 패키지에 관한 것으로, LED를 포함한 패키지 바디; 상기 패키지 바디의 저면에 형성된 보텀 열전달 금속층; 및 상기 보털 열전달 금속층에 접합된 금속판을 구비한다. 상기 보텀 열전달 금속층은 솔더링 혹은 Ag 에폭시 접착제로 상기 금속판에 접합되고, 상기 금속판은 수지층 없이 금속만을 포함한다.

Description

발광다이오드 패키지{LIGHT EMITTING DIODE PACKAGE}
본 발명은 방열구조를 갖는 발광다이오드 패키지에 관한 것이다.
발광다이오드(light emission diode, 이하 "LED"라 함)는 GaAs, AlGaAs, GaN, InGaN 및 AlGaInP 등의 화합물 반도체(compound semiconductor) 재료를 포함하는 2 단자 다이오드 소자이다. LED는 캐소드단자와 애노드단자에 전원을 인가할 때 전자와 정공이 결합할 때 발생하는 빛에너지로 가시광을 방출한다.
백색광을 방출하는 백색 LED는 적색(Red) LED, 녹색(Green) LED, 청색(Blue) LED 3색 조합으로 구현되거나 청색 LED에 황색 형광체(yellow Phosphor)의 결합으로 구현될 수 있다. 백색 LED의 등장으로 인하여, LED의 적용 분야는 전자제품의 인디케이터(indicator)로부터 생할용품, 광고용 패널(Panel) 등으로 그 응용 범위가 확대되었고, 현재는 LED 칩의 고 효율화에 따라 가로등, 자동차 헤드렘프(Head lamp), 형광등 대체용 일반 조명 광원을 대체할 수 있는 단계에 이르렀다.
고전력 및 고휘도 LED는 다양한 조명 분야에 적용되고 있다. LED의 효율과 수명은 LED의 접합면에서 발생되는 열이 높을 수록 나빠진다. 고전력 및 고휘도 LED 패키지에는 LED 칩(Chip)으로부터 발생되는 열을 방열시키기 위한 설계가 필수적이다.
LED 패키지에 인가되는 에너지의 약 15% 정도는 빛으로 변환되고 약 85%는 열로 소비된다. LED 칩의 온도가 높아질수록 LED 패키지의 불량률(Failure rate)이 높아진다.
수지 몰딩 타입(resin molding type)의 LED 패키지는 플라스틱 수지의 낮은 열 전도도로 인하여 0.2W/mK 이상의 LED 칩에서 효율적인 열방출 구조를 제공하지 못하고 있다. 이 때문에, 수지 몰딩 타입의 LED 패키지는 0.1W 이하의 LED 칩을 사용하는 인디케이터(indicator)나, 저휘도용으로 사용되고 있다. 수지 몰딩 타입의 LED 패키지의 방열 구조를 개선하기 위하여, LED 칩의 하부에 구리(열전도도 300 -400 W/mK)나, 알루미늄(열전도도 150 - 180W/mK) 소재의 히트 싱크(heat sink)를 내장하는 패키지 구조가 개발되었다.
히트 싱크 내장 수지 몰딩 타입의 LED 패키지는 히트 싱크 금속을 통한 직접 방열을 이용하여 방열 효과가 비교적 우수하여 0.1W 이상의 LED 패키지에 적용될 수 있으나, 수지 재료와 히트 싱크용 금속 코아(metal core) 간의 열 팽창 계수 차이로 인하여 그들 사이에서 크랙(crack) 발생으로 인하여 신뢰성에 문제가 있다.
방열 구조를 개선하기 위하여, LED 패키지 바디(Package body)를 금속으로 사용할 수 있다. 패키지 바디의 재료로는 알루미늄이나, 구리 등이 사용될 수 있다. 이 구조는 방열 특성이 우수하나, 빛을 발광하는 부위에 채워지는 투명 실리콘이나, 수지와의 열 팽창계수 차이 때문에 LED 칩의 전극면을 연결하는 금 배선(gold wire)가 끓기거나 실리콘이나 수지와 금속 사이의 계면에 크랙이 발생하여 수분이나 공기 침투로 인한 전극 산화 등 신뢰성에 문제가 있다.
쎄라믹(Ceramic)을 패키지 바디 재료로 사용하는 LED 패키지는 쎄라믹 패키지의 우수한 내 환경성 낮은 열 팽창계수, 내자외선 특성, 실리콘과의 표면 접합 성능 등으로 인하여 고신뢰성이 요구되는 LED 패키지에 사용될 수 있다. 쎄라믹 재료로는 알루미나 혹은 LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic) 재료가 사용될 수 있다. 알루미나의 열전도도가 15 - 20W/mK으로 금속에 비해 낮지만 0.2 - 1 W급 LED 패키지용으로 적합하고, LTCC는 3W/mK의 낮은 열전도도로 인하여 고전력 LED 패키지로 사용하기에는 곤란하다. 이런 취약점을 개선하기 위하여, LED 패키지 내에 써멀 비아홀(thermal via hole)를 형성하고, 그 내부에 은(Ag) 등의 금속을 충진하여 써멀 비아홀을 통한 열방출 효율을 높이려는 시도가 있다.
미국의 라미나 쎄라믹스(laminar Ceramics)에서 개발된 어레이 타입의 LED 패키지는 열팽창계수가 비슷한 금속과 쎄라믹을 동시에 소성하여, 쎄라믹 층을 통해 전극간 절연을 구현하고 그 쎄라믹 상에 전극과 회로를 설계하여 LED 칩으로부터 발생되는 열이 금속을 통해 방열되도록 설계되어 열방출에 뛰어난 성능을 구현하였다. 그러나 이 LED 패키지는 이질적인 쎄라믹과 금속을 동시에 소결하기 위하여 고가의 특수한 재료를 선택하여야 하고, 매우 복잡한 공정 관리가 요구되므로 제조 비용이 매우 높은 단점이 있다.
전술한 종래의 LED 패키지들은 방열을 위하여 대부분 고가의 금속 PCB(metal printed circuit board), 혹은 다른 명칭으로 써멀 클래드 보드(Thermal clad board) 상에 솔더링(soldering)된다. 이 경우에, LED 패키지에서 발생되는 열은 금속 PCB를 통해 방열된다. 금속 PCB는 알루미늄 금속 기판 상에 수지층. 동박층, 솔더 레지스트(Soler regist) 층이 적층된 구조를 갖는다. 수지층은 전류가 흐르는 동박층과 그 하부의 금속 기판층과의 전기적 절연, 동박층과 하부의 금속 기판 층 사이에 열전달 패스를 형성하는 역할을 한다. LED 패키지로부터 발생된 열은 금속 PCB의 1차적으로 동박층을 통해 1차 전도되고 이렇게 전도된 열이 수지층을 통해 하부의 금속 기판에 전달된다. 따라서, 방열 구조를 효율화하려면 수지층의 열전도도를 높여야만 한다. 금속 PCB에서 사용되는 수지층의 열 전도도는 약 1.0 - 2.2W/mk 정도이다. 금속 PCB에서, 수지층을 사이에 두고 대향하는 알루미늄과 동박의 결합 및 상이한 열 팽창 계수를 가진 두 금속의 신뢰성 있는 접합과, 접합 성능 및 열팽창시 발생하는 두 금속 사이의 응력을 감소시키는 방안이 요구되고 있다. 구리의 열팽창 계수는 약 17ppm/K 이고, 알루미늄의 열팽창 계수는 약 25ppm/K이다. 위와 같이 금속 PCB의 수지층에서 요구되는 성능을 만족하기 위하여, 금속 PCB에서 사용되는 수지층의 두께는 0.075 - 0.30mm정도로 비교적 두껍고 이러한 수지층의 두께로 인하여 금속 PCB에서 동박층과 금속 기판 사이의 열흐름이 원할하지 않은 문제가 있다. 금속 PCB의 열 전달을 구체적으로 설명하면, LED 칩으로부터 발생되는 열은 패키지 바디, 솔더층, 동박층, 수지층, 알루미늄 기판을 경유하는 열전달패스를 따라 방열되는데, 수지층의 낮은 열전도로 인하여 연전도 흐름에서 수지층이 열방출의 병목(bottle neck) 현상을 초래한다.
LED 패키지들이 어레이 형태로 금속 PCB 상에 실장되면, 금속 PCB 만으로는 방열 효과가 낮기 때문에 금속 PCB의 저면에 별도의 히트 싱크를 장착하여 방열시킬 수 있고, 이 경우에 금속 PCB와 히트 싱크 사이의 공기층을 제거하기 위하여 금속 PCB와 히트 싱크 사이에 써멀 그리스(thermal grease) 등을 도포할 수 있다. 그런데, 써멀 그리스(thermal grease)는 그 열전도도가 약 2 -3 W/mK 정도로 낮기 때문에 열 흐름을 방해한다.
본 발명은 상기 종래 기술의 문제점들을 해결하고자 안출된 발명으로써 LED의 효율과 수명을 높일 수 있는 방열 구조를 저가로 구현할 수 있도록 한 LED 패키지를 제공한다. 또한, 본 발명은 상기 LED 패키지와 금속판(또는 히트 싱크)와의 접합 방법 개선을 통한 LED 패키지의 열방출 효율을 증대할 수 있는 방법을 제공한다.
본 발명의 일 양상으로서, 본 발명의 LED 패키지는 LED를 포함한 패키지 바디; 상기 패키지 바디의 저면에 형성된 보텀 열전달 금속층; 및 상기 보털 열전달 금속층에 접합된 금속판을 구비한다.
상기 보텀 열전달 금속층은 솔더링 혹은 Ag 에폭시 접착제로 상기 금속판에 접합되고, 상기 금속판은 상기 금속판은 수지층 없이 금속만을 포함한다.
본 발명의 다른 양상으로서, 본 발명의 LED 패키지는 LED와 제너 다이오드를 포함한 패키지 바디; 상기 패키지 바디를 관통하는 비아홀을 통해 충진된 금속을 포함한 열전달 금속 매립체; 및 상기 열전달 금속 매립체에 접합된 금속판을 구비한다.
상기 열전달 금속 매립체는 솔더링 혹은 Ag 에폭시 접착제로 상기 금속판에 접합되고, 상기 금속판은 상기 금속판은 수지층 없이 금속만을 포함한다.
본 발명의 또 다른 양상으로서, 본 발명의 LED 패키지는 LED와 제너 다이오드를 포함한 패키지 바디; 상기 패키지 바디를 관통하는 비아홀을 통해 충진된 금속을 포함한 열전달 금속 매립체; 상기 패키지 바디의 저면에 형성된 보텀 열전달 금속층; 및 상기 보텀 열전달 금속층에 접합된 금속판을 구비한다.
본 발명은 수지층이 없는 금속판(또는 히트 싱크)에 LED 패키지를 접합한다. 그 결과, 본 발명은 기존의 금속 PCB에 형성된 수지층으로 인한 열 흐름의 병목현상을 방지하여 방열 효율을 극대화하고, 고가의 금속 PCB 대신 저가의 금속판(또는 히트 싱크)를 사용하므로 경제성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 LED 패키지를 나타내는 단면도이다.
도 2a는 도 1에 도시된 LED 패키지를 위에서 바라 본 평면도이다.
도 2b는 도 1에 도시된 LED 패키지를 아래에서 바라 본 저면도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 LED 패키지를 나타내는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 LED 패키지를 나타내는 단면도이다.
도 5는 도 1, 3 및 4에 도시된 LED 패키지와 히트 싱크의 접합을 보여 주는 단면도이다.
도 6 및 도 7은 도 1, 3 및 4에 도시된 LED 패키지의 회로 구성 예를 보여 주는 도면이다.
도 8a는 본 발명의 제4 실시예에 따른 LED 패키지의 외관을 보여 주는 사시도이다.
도 8b는 도 8a에 도시된 LED 패키지의 단면도이다.
도 8c는 도 8a에 도시된 LED 패키지에 내장된 LED 칩의 등가 회로도이다.
도 9는 도 8a 내지 도 8c에 도시된 LED 패키지를 금속판에 솔더링으로 부착할 때 LED 패키지의 애노드전극과 캐소드전극이 합선되는 예를 보여 주는 단면도이다.
도 10은 도 9와 같은 합선을 방지하기 위하여, LED 패키지의 애노드전극과 캐소드전극을 들어 올린 예를 보여 주는 단면도이다.
도 11은 도 10과 같은 LED 패키지에 배선 연결을 보여 주는 단면도이다.
도 12는 도 10과 같은 LED 패키지의 전극과 배선의 접합 부분을 절연 테이프 또는 절연 튜브로 피복한 예를 보여 주는 단면도이다.
도 13은 도 10과 같은 LED가 접합된 금속판에 절연 패드 또는 절연 시트를 부착하는 예를 보여 주는 단면도이다.
도 14는 도 10과 같은 LED 패키지들을 하나의 금속판에 함께 부착할 때 발생되는 LED 불량 원인을 보여 주는 등가 회로도이다.
도 15는 도 10과 LED 패키지들을 서로 분리된 금속판과 1 : 1로 접합하고 그 LED 패키지들을 직렬로 연결한 예를 보여 주는 단면도이다.
도 16은 도 15와 같이 직렬로 연결된 LED 패키지들의 등가 회로도이다.
도 17은 하나의 금속판에 다수의 LED 패키지들이 직렬로 연결된 예를 보여 주는 단면도이다.
본 발명의 LED 패키지는 패키지 바디의 저면 전체에 솔더링이 가능한 금속을 코팅하고 그 LED 패키지의 저면을 저가의 금속판(또는 히트 싱크)에 직접 솔더링하여 LED 칩으로부터 발생되는 열을 솔더층과 금속판을 통해 방출함으로서 방열 효율을 높인다. 여기서, 저가의 금속판(또는 히트 싱크)은 수지층 없이 금속만을 포함한다. 금속판(또는 히트 싱크)는 동판이나, 혹은 솔더링(soldering)이 가능하도록 표면에 니켈 도금 처리를 한 알루미늄판을 사용할 수 있다. 솔더 재료는 주석(Sn) 96.5%, 은(Ag) 3%, 구리(Cu) 0.5% 정도의 함유량을 가지는 금속이다.
본 발명은 다른 실시예로서 수지층이 없는 저가의 금속판에 열전도도가 약 3W/mK인 Ag 에폭시(epoxy) 등의 접착제(또는 bonder류) 등을 이용하여 LED 패키지를 접합한다. Ag 에폭시 접착제는 은(Ag) 분말이 첨가되어 열전도도가 비교가 높다.
LED 패키지의 저면은 금속판(또는 히트싱크)에 솔더링되거나 얇은 수지층을 통해 금속판에 접착되므로 금속판을 통해 LED 패키지의 애노드 전극과 캐소드 전극의 합선(short circuit)을 방지하기 위하여, 그 전극들은 LED 패키지의 상부에 형성되거나 금속판 위로 구부러진다. 금속판은 그라운드로 사용될 수 있고, 이 경우에는 LED 패키지의 저면 금속층은 애노드 전극이나 캐소드 전극에 연결될 수 있다.
금속판에 솔더링된 LED 패키지는 리드 배선을 통해 외부 전원으로부터 전원을 공급받거나 회로 패턴이 형성된 FR4(Flame Retardant composition 4) PCB와, 그와 연결되는 리드 배선을 통해 외부 전원으로부터 전원을 공급받을 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 실질적으로 동일한 구성요소들을 의미한다. 이하의 설명에서, 본 발명과 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그 상세한 설명을 생략한다.
이하의 설명에서 사용되는 구성요소들의 명칭은 명세서 작성의 용이함을 고려하여 선택된 것으로서, 실제 제품의 명칭과는 상이할 수 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 LED 패키지(100)는 패키지 바디(20), LED 칩(11), 금 배선(12, 13), 애노드전극(15), 캐소드전극(16), 수지층(14), 탑 열전달 금속층(17), 보텀 열전달 금속층(19) 및 열전달 금속 매립체(18)를 구비한다.
패키지 바디(20)는 수지 혹은, 쎄라믹 소재로 제작될 수 있다. 패키지 바디(20)의 상부에는 오목한 홈이 형성된다. 그 홈의 저면에는 탑 열전달 금속층(17)이 형성되고, 그 탑 열전달 금속층(17) 상에 LED 칩(11)이 땜납으로 솔더링(Soldering)된다. 탑 열전달 금속층(17)은 애노드전극(15)과 캐소드전극(16) 사이에 형성되고 그 전극들(15, 16)과 소정의 간격을 두고 분리된다. 오목한 홈을 정의하는 패키지 바디(20)의 내측벽은 경사진 면을 형성하여 빛의 반사효율을 높인다. 패키지 바디(20)의 경사진 면 즉, 패키지 바디(20)의 상부에는 애노드전극(15)과 캐소드전극(16)이 형성된다. 애노드전극(15)은 금 배선(12)을 통해 LED 칩(11)의 애노드단자에 접속된다. 캐소드전극(16)은 금 배선(13)을 통해 LED 칩(11)의 캐소드단자에 접속된다. 수지층(14)은 LED 칩(11), 탑 열전달 금속층(17), 금 배선(12, 13) 등을 덮도록 패키지 바디(20)의 상부 오목한 홈 내에 매립되어 물리적 충격이나 산소, 수분의 침투로부터 그 소자들을 보호한다. 수지층(14)은 곡면 형태의 표면으로 형성되어 렌즈 역할을 할 수 있다.
패키지 바디(20)에는 상면의 오목한 홈과 하면을 관통하는 하나 이상의 비아홀(Via hole)이 형성되고, 그 비아홀에는 열전달 금속 매립체(18)가 충진된다. 열전달 금속 매립체(18)는 니켈(Ni), 은(Ag) 또는 그 합금을 포함한다. 연절단 매립체(18)는 탑 열전달 금속층(17)과 보텀 열전달 금속층(19)을 연결한다. 탑 열전달 금속층(17)과 보텀 열전달 금속층(19)은 구리(Cu) 전극층이나 은(Ag) 전극층 상에 니켈(Ni), 구리(Cu), 은(Ag), 주석(Sn) 중 어느 한 금속층이 도금된 구조를 갖는다. 탑 열전달 금속층(17)은 LED 칩(11)의 그라운드단자에 접속될 수 있다. 보텀 열전달 금속층(19)은 솔더링 혹은 Ag 에폭시 등의 접착제로 히트 싱크에 접속될 수 있다. 히트 싱크는 그라운드 전원에 접속될 수 있다.
LED 칩(11)으로부터 발생되는 열은 LED 칩(11), 탑 열전달 금속층(17), 열전달 금속 매립체(18), 보텀 열전달 금속층(19)을 포함한 방열패스를 따라 방열된다.
도 2a는 LED 패키지(100)를 위에서 바라 본 평면도이다. 도 2b는 LED 패키지(100)를 아래에서 바라 본 평면도이다. 보텀 열전달 금속층(19)은 도 2b와 같이 패키지 바디(19)의 저면에 형성되어 LED 패키지(100)의 방열 효율을 높인다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 LED 패키지를 나타내는 단면도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 LED 패키지(100)는 패키지 바디(28), LED 칩(21), 금 배선(32, 33), 애노드전극(25), 캐소드전극(26), 수지층(24), 및 보텀 열전달 금속층(27)을 구비한다. 애노드전극(25)과 캐소드전극(26)은 서로 바뀔 수 있다.
패키지 바디(28)는 수지 혹은 쎄라믹 소재로 형성될 수 있다. 패키지 바디(28)의 상부에는 오목한 홈이 형성된다. 오목한 홈의 저면에는 애노드전극(25)과 캐소드전극(26)이 형성되어 있고, 캐소드전극(26) 상에 LED 칩(21)이 형성된다. 오목한 홈을 정의하는 패키지 바디(28)의 내측벽은 경사진 면을 형성하여 빛의 반사효율을 높인다. 애노드전극(25)과 캐소드전극(26)은 패키지 바디(28)의 경사면과 상단면까지 신장된다. 애노드전극(25)은 금 배선(22)을 통해 LED 칩(21)의 애노드단자에 접속된다. 캐소드전극(26)은 금 배선(23)을 통해 LED 칩(21)의 캐소드단자에 접속된다. 캐소드전극(26)은 LED 칩(21)의 아래까찌 연장된다. 수지층(24)은 LED 칩(21), 금 배선(22, 23) 등을 덮도록 패키지 바디(28)의 상부 오목한 홈 내에 매립되어 물리적 충격이나 산소, 수분의 침투로부터 그 소자들을 보호한다.
도 2의 실시예와 달리, 도 3의 실시예에서는 패키지 바디(28)의 상부에 탑 열전달 금속층이 형성되지 않고, 패키지 바디(28)를 관통하는 비아홀이 형성되지 않는다.
보텀 열전달 금속층(27)은 구리(Cu) 전극층이나 은(Ag) 전극층 상에 니켈(Ni), 구리(Cu), 은(Ag), 주석(Sn) 중 어느 한 금속층이 도금된 구조를 갖는다. 보텀 열전달 금속층(27)은 솔더링 또는 Ag 에폭시 등의 접착제로 금속판(또는 히트 싱크)에 부착될 수 있다. 금속판은 그라운드 전원에 접속될 수 있다.
LED 칩(21)으로부터 발생되는 열은 LED 칩(21), 캐소드전극(26), 패키지 바디(28), 보텀 열전달 금속층(27)을 포함한 방열패스를 따라 방열된다. 보텀 열전달 금속층(27)은 도 2b와 같이 패키지 바디(28)의 저면에 형성되어 LED 패키지(100)의 방열 효율을 높인다.
도 3의 LED 패키지(100)는 도 5와 같이 솔더링(51)을 통해 금속판(또는 히트 싱크)(52)과 접합된다.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 LED 패키지를 나타내는 단면도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 LED 패키지(100)는 패키지 바디(38), LED 칩(31), 금 배선(32, 33), 애노드전극(35), 캐소드전극(36), 수지층(34), 탑 열전달 금속층(40), 보텀 열전달 금속층(37) 및 열전달 금속 매립체(39)를 구비한다. 애노드전극(35)과 캐소드전극(36)은 서로 바뀔 수 있다.
패키지 바디(38)는 수지 혹은, 쎄라믹 소재로 형성될 수 있다. 패키지 바디(38)의 상부에는 오목한 홈이 형성된다. 오목한 홈의 저면에는 애노드전극(35), 캐소드전극(36) 및 탑 열전달 금속층(40)이 형성된다. LED 칩(31)은 탑 열전달 금속층(4) 상에 형성된다. 탑 열전달 금속층(40)은 애노드전극(35)과 캐소드전극(36) 사이에 형성되고 그 전극들(35, 36)과 소정의 간격을 두고 분리된다. 오목한 홈을 정의하는 패키지 바디(38)의 내측벽은 경사진 면을 형성하여 빛의 반사효율을 높인다. 애노드전극(35)과 캐소드전극(36)은 패키지 바디(38)의 경사면과 상단면까지 신장된다. 애노드전극(35)은 금 배선(32)를 통해 LED 칩(31)의 애노드단자에 접속된다. 캐소드전극(36)은 금 배선(33)를 통해 LED 칩(31)의 캐소드단자에 접속된다. 수지층(34)은 LED 칩(31), 상부 전극들(32, 33), 금 배선(32, 33) 등을 덮도록 패키지 바디(38)의 상부 오목한 홈 내에 매립되어 물리적 충격이나 산소, 수분의 침투로부터 그 소자들을 보호한다.
패키지 바디(28)에는 상면의 오목한 홈과 하면을 관통하는 큰 크기의 단일 비아홀이 형성되고, 그 비아홀에는 단일 열전달 금속 매립체(39)의 금속이 충진된다. 단일 열전달 금속 매립체(39)의 금속은 니켈(Ni), 은(Ag) 또는 그 합금을 포함한다. 단일 연절단 매립체(39)는 탑 열전달 금속층(40)과 보텀 열전달 금속층(37)을 연결한다. 탑 열전달 금속층(40)과 보텀 열전달 금속층(37)은 구리(Cu) 전극층이나 은(Ag) 전극층 상에 니켈(Ni), 구리(Cu), 은(Ag), 주석(Sn) 중 어느 한 금속층이 도금된 금속을 포함한다. 보텀 열전달 금속층(37)은 솔더링 혹은 Ag 에폭시 등의 접착제로 금속판(또는 히트 싱크)에 접속될 수 있다. 금속판(또는 히트 싱크)은 그라운드 전원에 접속될 수 있다.
보텀 열전달 금속층(37)은 니켈이 성막된 알루미늄을 포함한다. 알루미늄 상에 도금된 니켈층 상에는 금/은/구리 중 하나 이상이 적층될 수 있다. 보텀 열전달 금속층(37)은 솔더링 또는 Ag 에폭시 등의 접착제로 금속판(또는 히트 싱크)에 부착될 수 있다.
LED 칩(31)으로부터 발생되는 열은 LED 칩(31), 탑 열전달 금속층(40), 단일 연전달 매립체(39), 보텀 열전달 금속층(37)을 포함한 방열패스를 따라 방열된다. 보텀 열전달 금속층(37)은 도 2b와 같이 패키지 바디(38)의 저면에 형성되어 LED 패키지(100)의 방열 효율을 높인다.
도 4의 LED 패키지(100)는 도 5와 같이 솔더링(51)을 통해 저가의 금속판(또는히트 싱크)(52)와 접합되고 리드 배선들(53, 54)을 통해 외부 전원으로부터 전원을 공급받는다.
도 1 내지 도 4에 도시된 LED 패키지(100)의 저면에 형성된 보텀 열절단 금속층(19)에는 도 5와 같이 솔더링(51)을 통해 수지층이 없는 저가의 금속판(또는 히트 싱크)(52)이 부착될 수 있다. 보텀 열절단 금속층(19)과 금속판(52)의 솔더링(51)이 가능하도록, 금속판(52)은 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au), 니켈(Ni) 중 어느 한 금속이 도금된 알루미늄으로 제작될 수 있다. 이는 알루미늄에 솔더링이 어렵지만, 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au), 니켈(Ni) 등의 표면에는 솔더링이 가능하기 때문이다. 알루미늄에 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au), 니켈(Ni) 등의 금속을 형성하는 방법으로는 무전해 도금방법이 있다. 도 5에서 LED 패키지(100)의 열은 LED 칩(11), 탑 열전달 금속층(17), 열전달 금속 매립체(18), 보텀 열전달 금속층(19), 솔더링재료(금속), 금속판(또는 히트 싱크)(52)를 포함하는 열전달 패스를 따라 방열된다.
도 5에서, 도면부호 '53'은 LED 패키지(100)의 애노드전극(15)을 인쇄회로보드(PCB)에 전기적으로 접속시키는 정극성 리드 배선이며, '54'는 LED 패키지(100)의 캐소드전극(16)을 인쇄회로보드에 전기적으로 접속시키는 부극성 리드 배선을 나타낸다. 외부 전원은 인쇄회로보드(PCB)와 리드 배선(53, 54), 애노드전극(15), 캐소드전극(16) 및 금 배선(12, 13)를 통해 LED LED 칩(11)에 전류를 공급한다.
도 5에서 LED 패키지(100)와 히트 싱크(52)는 솔더링(51) 대신에, 방열 효과가 다소 낮아질 수 있지만, Ag 에폭시 등의 접착제로 접합될 수 있다.
도 6은 전술한 실시예들에서 설명한 LED 패키지들(100)을 어레이 회로 형태로 결선한 예이다.
LED 패지지들(100)을 100W LED 패키지로 구현할 때 회로 구성예를 설명하면, 청색 LED 칩의 구동 전압은 약 3.4V로 대부분의 경우에 교류전원을 직류전원으로 변환하는 아답터(Adaptor)를 통해 직류 12V, 혹은 직류 24V의 직류 전원을 공급받는다.
12V 직류전원을 사용할 때 3개의 LED 패키지들(100)을 직렬로 연결하면 전원을 10.2V로 조정하고 LED 칩에 흐르는 과전류를 조정하기 위하여 저항을 사용한다. 12V와 10.2V의 차이인 1.8V정도를 저항이 보상하여야 하기 때문에 LED 칩에 공급되는 전류의 효율도 떨어지고, 저항에서도 열이 발생하여 방열 시스템에 부담으로 작용한다.
직류 24V로 사용하고 도 6과 같이 7 개의 LED 패키지들을 직렬로 연결하면 그 직렬회로에 필요한 직류전압이 23.8V이므로 저항으로 소비되는 전력이 적어 저항에서 발생하는 열을 줄일 수 있다.
도 6의 LED 어레이는 LED 패키지들(100)을 직렬로 연결하기 위한 회로가 형성된 다수의 FR4 PCB(61)와, FR4 PCB(61)와 LED 패키지들(100) 각각이 솔더링으로 접합된 금속판(64)을 구비한다. 하나의 FR4 PCB(61)에는 두 개의 LED 열이 접속된다. LED 열 각각은 7 개의 LED 패키지들(100)을 포함한다. LED 패키지들(100)은 리드 배선들(53, 54)을 통해 FR4 PCB(61)의 단자들(62, 63)에 접속된다. FR4 PCB는 커넥터 및 케이블을 통해 24V의 외부 전원에 접속된다.
도 6과 같은 LED 어레이에 포함되는 LED 패키지들(100) 각각에 포함되는 LED 칩을 2W LED 칩으로 구현하고, 그 LED 어레이에 구성되는 LED 패키지들(100)의 개수가 49개이면 기존의 100W 형광등을 대체할 수 있다. 금속판(64)은 솔더링이 가능한 구리판, 또는 은(Ag), 금(Au), 니켈(Ni) 등의 금속이 도금된 알루미늄판으로 구현될 수 있다.
도 7은 LED 패키지(100)를 외부 전원과 연결하는 예이다.
도 7을 참조하면, 금속판(71)에는 리벳 조임홀(reveted joint hole)(71a, 71b)이 형성되고, LED 패키지(100)와 FR4 PCB(74)가 솔더링으로 접합된다. FR4 PCB(74)에는 LED 패키지(100)는 리드 배선(53, 54)과 외부 전원(80)의 배선(75,76)을 연결하기 위한 회로와 단자들(72, 73)이 형성된다. 금속판(71)은 솔더링이 가능한 구리판, 또는 은(Ag), 금(Au), 니켈(Ni) 등의 금속이 도금된 알루미늄판으로 구현될 수 있다.
도 8a는 본 발명의 제4 실시예에 따른 LED 패키지의 외관을 보여 주는 사시도이다. 도 8b는 도 8a에 도시된 LED 패키지의 단면도이다. 도 8c는 도 8a에 도시된 LED 패키지에 내장된 LED 칩의 등가 회로도이다.
도 8a 내지 도 8c를 참조하면, 본 발명의 제4 실시예에 따른 LED 패키지(100)는 패키지 바디(50), 애노드전극(45), 캐소드전극(46), 렌즈(44), 열전달 금속 매립체(49)를 구비한다.
패키지 바디(50)는 수지 혹은, 쎄라믹 소재로 형성될 수 있다. 패키지 바디(50)의 상부에는 오목한 홈이 형성된다. 오목한 홈 내에 도시하지 않은 LED 칩애노드전극(45)과 캐소드전극(46)은 패키지 바디(50)의 측면을 통해 외부로 돌출된다. 애노드전극(45)은 LED 칩의 애노드단자에 접속된다. 캐소드전극(46)은 LED 칩의 캐소드단자에 접속된다. 렌즈(44)는 LED 칩을 덮도록 패키지 바디(50)의 상부에 형성되어 물리적 충격이나 산소, 수분의 침투로부터 LED 칩을 보호한다.
패키지 바디(50)는 비아홀이 형성되고, 그 비아홀에는 열전달 금속 매립체(49)의 금속이 충진된다. 열전달 금속 매립체(49)의 금속은 니켈(Ni), 은(Ag) 또는 그 합금을 포함한다.
패키지 바디(50)의 열전달 금속 매립체(49)는 솔더링 혹은 Ag 에폭시 등의 접착제로 금속판(또는 히트 싱크)에 직접 접합될 수 있다. 다른 실시예로서, 열전달 금속 매립체(49)와 연결되도로고 패키지 바디(50)의 저면에 별도로 형성된 보텀 열전달 금속층(도시하지 않음)은 솔더링 혹은 Ag 에폭시 등의 접착제로 금속판(또는 히트 싱크)에 부착될 수 있다. 금속판(또는 히트 싱크)은 그라운드 전원에 접속될 수 있다.
본 발명의 제4 실시예에 따른 LED 패키지(100)의 LED 칩은 도 8c와 같이 열전달 금속 매립체(49)를 통해 제너 다이오드(42)와 연결된다. 도 8c에서, 도면 부호 '41'은 LED 칩의 LED를 의미한다. LED(41)와 제너 다이오드(42)는 열전달 금속 매립체(49)를 통해 병렬 연결된다. LED(41)의 애노드단자는 열전달 금속 매립체(49)를 통해 제너 다이오드(42)의 캐소드단자에 연결되고, LED(41)의 캐소드단자는 제너 다이오드(42)의 애노드단자에 연결된다.
본 발명의 제4 실시예에 따른 LED 패키지(100)를 그대로 도 9와 같이 금속판(80)에 솔더링하거나 Ag 에폭시로 접착하면 LED 패키지(100)의 애노드전극(45)과 캐소드전극(46)이 금속판(80)에 접촉되어 애노드전극(45)과 캐소드전극(46)이 합선된다. 이 경우에, LED(41)는 애노드 전압과 캐소드 전압이 등전위로 되어 발광되지 못한다. 따라서, LED 패키지(100)의 애노드전극(45)과 캐소드전극(46)을 도 10과 같이 위로 들어 올려 금속판(80)으로부터 이격시킨다.
LED 패키지(100)에 외부 전원을 인가하거나 다른 LED와 연결하기 위하여, 도 11과 같이 LED 패키지(100)의 애노드전극(45)과 캐소드전극(46)은 솔더링(111)으로 배선들(110)에 연결될 수 있다. LED 패키지(100)의 전극들(45, 46)과 금속판(80)의 절연을 확실하게 유지하기 위하여, 도 12와 같이 LED 패키지(100)의 전극들(45, 46)과 배선(111)의 접합 부분을 절연 테이프 혹은 절연 튜브(열 수축 튜브)로 피복하는 방법이나, 도 13과 같이 금속판(80) 위에 절연 패드 혹은 절연 시트(120)를 부착할 수 있다. 절연 패드 혹은 절연 시트(120)는 LED 패키지(100)의 저면과 금속판(80)의 접합면을 제외한 다른 면에 부착되어야 한다. 절연 패드 혹은 절연 시트(120)는 전극들(45, 46)과 배선(110)의 접합 부분에 대향하는 금속판(80)의 일부에만 부착될 수도 있다. 절연 시트(120)는 조명 효율을 높이기 위하여 반사 시트로 구현될 수도 있다.
본 발명의 제4 실시예에 따른 LED 패키지들(100)은 하나의 금속판(80)에 부착될 수 없다. 이는 도 14와 같이 제1 및 제2 LED 패키지들(100)을 함께 솔더링 또는 Ag 에폭시 접착제로 하나의 금속판(80)에 접합하면, 열전달 금속 매립체(49)와 금속판(80)을 통해 LED(41)와 제너 다이오드(42)의 전극들이 합선되어 그 전극들의 전압이 등전위로 된다. 이 경우에, 제1 및 제2 LED 패키지들의 LED(41)는 발광되지 못한다. 따라서, 도 15와 같이 LED 패키지들(100)은 서로 분리된 금속판(80)과 1 : 1로 접합되어야 한다. 도 15에서, 도면부호 '90'은 각각 하나의 LED 패키지(100)가 접합된 금속판들(80)을 지지하고 그 금속판들(80)을 전기적으로 분리시키는 절연 프레임이다. 절연 프레임(90)은 전기적으로 절연체이고 열전도도가 높은 재료가 바람직하다. LED 패키지들(100)은 배선(110)을 통해 직렬로 연결된다. 도 16은 도 15와 같이 직렬로 연결된 LED 패키지들(100)의 등가 회로도이다.
LED와 제너 다이오드가 열전달 금속 매립체를 통해 연결되지 않고, 열전달 금속 매립체가 LED의 애노드단자와 캐소드단자에 연결되지 않는 LED 패키지 예를 들면, 도 1, 도 3 및 도 4와 같은 LED 패키지(100)의 경우에, 다수의 LED 패키지들(100)을 하나의 금속판(80)에 함께 접합할 수 있다. 이는 다수의 LED 패키지들(100)을 금속판(80)에 접합하더라도 LED 패키지들(100)이 합선되지 않기 때문이다.
전술한 바와 같이, 본 발명은 LED 패키지(100)의 저면에 수지층이 없는 금속판을 접합하여 LED 패키지 열을 상기 금속판을 통해 방열시킴으로써 열로 인한 LED 칩의 효율 저하와 수명 단축을 예방하여 신뢰성을 향상시킬 수 있고, 기존 대비 동일 소비 전력으로 더 많은 광량을 얻을 수 있으므로 조명 광원에 필요한 LED 패키지와 히트 싱크의 개수를 줄일 수 있고, 제조 원가 절감은 물론 제품 외형을 콤팩트하고 슬림화할 수 있다. 나아가, 본 발명은 고가의 금속 PCB 대신에 저가의 금속판과 FR4 PCB를 사용하므로 조명 광원 제품의 제조 원가를 더 줄일 수 있다.
본 발명의 LED 패키지(100)는 배경기술에서 설명된 어떠한 조명 광원에도 적용될 수 있다.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.
100: LED 패키지 11 : LED 칩
12, 13 : 금 배선 15 : 애노드 전극
16 : 캐소드 전극 17 : 탑 열전달 금속층
18 : 열전달 금속 매립체 19 : 보텀 열전달 금속층

Claims (10)

  1. LED를 포함한 패키지 바디;
    상기 패키지 바디의 저면에 형성된 보텀 열전달 금속층; 및
    상기 보털 열전달 금속층에 접합된 금속판을 구비하고,
    상기 보텀 열전달 금속층은 솔더링 혹은 Ag 에폭시 접착제로 상기 금속판에 접합되고,
    상기 금속판은 수지층 없이 금속만을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 패키지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 보텀 열전달 금속층은 구리(Cu) 전극층이나 은(Ag) 전극층 상에 니켈(Ni), 구리(Cu), 은(Ag), 주석(Sn) 중 어느 한 금속이 도금된 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 패키지.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 패키지 바디를 관통하는 비아홀을 통해 충진된 금속을 포함한 열전달 금속 매립체를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 패키지.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 LED를 포함한 LED 칩 아래에 형성되도록 상기 패키지 바디 내에 내장되는 탑 열전달 금속층을 더 구비하고,
    상기 탑 열전달 금속층은 상기 연전달 매립체를 통해 상기 보텀 열전달 금속층과 연결되는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 패키지.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 패키지 바디는,
    상기 LED의 애노드단자에 연결된 애노드전극, 및
    상기 LED의 캐소드단자에 연결된 캐소드전극을 더 포함하고,
    상기 캐소드전극과 상기 애노드전극은 상기 패키지 바디의 상부에 형성되는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 패키지.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 발광다이오드 패키지는 하나의 금속판에 복수 개 접합되어 직렬 연결되는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 패키지.
  7. LED와 제너 다이오드를 포함한 패키지 바디;
    상기 패키지 바디를 관통하는 비아홀을 통해 충진된 금속을 포함한 열전달 금속 매립체; 및
    상기 열전달 금속 매립체에 접합된 금속판을 구비하고,
    상기 열전달 금속 매립체는 솔더링 혹은 Ag 에폭시 접착제로 상기 금속판에 접합되고,
    상기 금속판은 수지층 없이 금속만을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 패키지.
  8. LED와 제너 다이오드를 포함한 패키지 바디;
    상기 패키지 바디를 관통하는 비아홀을 통해 충진된 금속을 포함한 열전달 금속 매립체;
    상기 패키지 바디의 저면에 형성된 보텀 열전달 금속층; 및
    상기 보텀 열전달 금속층에 접합된 금속판을 구비하고,
    상기 보텀 열전달 금속층은 솔더링 혹은 Ag 에폭시 접착제로 상기 금속판에 접합되고,
    상기 금속판은 수지층 없이 금속만을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 패키지.
  9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 발광다이오드 패키지는 금속판에 1 : 1로 접합되고,
    상기 발광다이오드 패키지가 1 : 1로 접합된 복수 개의 금속판들은 서로 절연되도록 분리되고, 상기 금속판들에 접합된 복수 개의 발광다이오드 패키지들은 배선들을 통해 직렬 연결되며,
    상기 패키지 바디는,
    상기 LED의 애노드단자에 연결된 애노드전극, 및
    상기 LED의 캐소드단자에 연결된 캐소드전극을 더 포함하고,
    상기 캐소드전극과 상기 애노드전극은 상기 패키지 바디의 측면으로부터 돌출되고 상기 금속판으로부터 이격되도록 구부러지는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 패키지.
  10. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 패키지 바디는,
    상기 LED의 애노드단자에 연결된 애노드전극, 및
    상기 LED의 캐소드단자에 연결된 캐소드전극을 더 포함하고,
    상기 캐소드전극과 상기 애노드전극은 상기 패키지 바디의 측면으로부터 돌출되고 상기 금속판으로부터 이격되도록 구부러지고,
    상기 전극들과 배선은 솔더링으로 접합되고, 그 접합부분이 절연체로 피복되거나 상기 전극들과 상기 배선의 접합부분에 대향하는 금속판의 일부에 절연체가 부착되는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 패키지.
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