KR20100137216A - 엘이디 어레이 기판 및 이의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 직접 인쇄방식에 의하여 절연층과 전극회로가 형성되는 엘이디 어레이 기판 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 열전도성 베이스층, 상기 열전도성 베이스층 상에 인쇄방식에 의하여 형성된 절연층 패턴과 상기 절연층 패턴 상에 도전성 페이스트 또는 잉크로 인쇄방식에 의하여 형성된 전극회로로 이루어진 LED 어레이 기판을 제공한다.

본 발명에 의하여 구득이 용이한 금속 기판을 기반으로 절연층 패턴과 전극회로 패턴을 인쇄방법에 의하여 손쉽게 형성할 수 있고 전극이 닿지 않는 LED의 본체 바닥은 열전도성이 높은 기판에 접촉되어 LED에서 발생하는 열이 바로 방출될 수 있어 고휘도를 위한 LED 고집적 어레이 기판으로 사용될 수 있는 고 방열구조의 LED 어레이 기판을 경제적으로 제공한다.

LED, 어레이, 기판, 인쇄방식, 열전도성 베이스층, 절연층 패턴, 페이스트, 은, 도금

Description

엘이디 어레이 기판 및 이의 제조방법{a LED array board and a preparing method therefor}

본 발명은 엘이디 어레이 기판, 특히, 직접 인쇄방식에 의하여 절연층과 전극회로가 형성되는 엘이디 어레이 기판 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

엘이디, 즉, 발광 다이오드(이하 LED, Light Emitting Diode)는 점광원 형태로 다양한 색상으로 단순한 표시소자로 사용되는 것으로 출발하였지만 광효율성, 오랜 수명 등의 장점으로 점차 랩탑/데스크탑 컴퓨터의 모니터 및 면적 표시장치 등 다양한 분야에 사용되고 있다. 특히 최근에는 조명과 LCD TV 백라이트 분야에 그 사용범위를 점차 확대하려고 하는 시점에 있다.

LCD TV 백라이트의 경우와 LED 조명의 경우에는 단위면적당 높은 휘도와 평면발광의 이유 등으로 다수개의 발광소자로 기판에 어레이를 구성하여 사용한다. 이러한 어레이 구성에 의하여 LED에서 발생하는 열을 기판으로 효과적으로 방출하는 것이 LED 수명과 품질 유지에 중요한 요소이다.

LED 어레이 기판은 원활한 방열을 위하여 종래의 PCB에 사용되는 동박적층판(CCL) 대신에 MCPCB(metal core printed circuit board)를 사용한다. 보통 이러 한 MCPCB는 금속 베이스 층+유전층+동박의 3층 구조를 이루고 있다. 상기 유전층은 열전도성을 증가시키기 위하여 열전도성 입자를 충진한 에폭시 수지를 사용하기도 한다. 전극회로의 형성은 종래 PCB와 마찬가지로 리소그라피 기술 등을 이용하여 레지스트 패턴을 형성하고 식각하여 제조한다. 그러나, 이러한 전극회로 형성을 위한 에칭 공정은 제조 공정이 매우 복잡하고, 공정 중 다량의 에칭 폐수가 발생하는 문제가 있다. 또한, MCPCB를 기반으로 한 LED 기판은 에폭시 유전층 때문에 방열성능이 크게 제한되는 단점이 있다.

한국 실용신안 제 20-0404237호에는 MCPCB를 사용하여 전극회로는 에칭으로 형성하고 LED가 장착되는 부위에 절연층까지의 개구부를 만들고 거기에 히트싱크 슬러그를 부착하여 그 위에 나머지 LED 부재를 그 위에 탑재한다는 설명인데 접착된 절연층을 깨끗이 떼어낸다는 것이 어려울 뿐만 아니라 이 또한 상기와 같이 조립방식의 트렌드에 역행하는 것으로 경제적으로 실현가능성이 낮은 기술이다.

한국특허 제 696063호에는 패키징된 LED를 사용하지 않고 LED칩만을 추출하여 함몰장착부, 절연층, 본딩다이, 반사판, 전극을 구성하는 별도의 기판에 장착하는 LED 어레이 기판을 개시하고 있다. 그러나 이러한 기판은 그 성격상 규격이 통일될 수 없고 기계가공, 다양한 층의 형성, 패턴 형성, 기판에 직접몰딩 등 복잡한 가공을 수반하는 것이고 조립방식의 트렌드에 역행하는 것으로 경제적으로 실현가능성이 낮은 기술이다.

LED 어레이 기판은 PCB와는 사용 목적과 환경이 기본적으로 전혀 다르다. 즉 PCB가 주로 신호전류를 보내기 위한 미세한 회로가 상당한 부분을 차지함에 반하여 LED 어레이 기판은 거의 대부분이 매크로한 전극회로로 형성되어 있고 전류밀도가 훨씬 높아 미세가공 보다 방열구조가 주요한 관심사이다. MCPCB가 PCB와 재료를 달리하기는 하나 기본적으로 PCB 형태를 개선한 것으로 이러한 방식으로 LED 어레이 기판에 접근하는 것은 근원적인 해결책이 되지 못한다.

본 발명자들은 LED 고집적 어레이 기판에 사용될 수 있는 고 방열구조의 LED 어레이 기판을 제공하기 위하여 MCPCB와는 전혀 다른 관점에서 접근해야할 필요성을 인지하고 LED 어레이 기판의 성격과 그 요구조건에 맞는 새로운 방식의 기판을 착안하고 본 발명을 완성하였다.

따라서, 본 발명은 고방열구조의 새로운 방식의 LED 어레이 기판 및 그 제조방법을 제공하기 위한 것이다.

또한, 본 발명은 동박 적층이 필요 없고 에칭공정이 필요 없는 LED 어레이 기판 및 그 제조방법을 제공하기 위한 것이다.

또한, 본 발명은 구득용이한 단순한 재료를 사용하고 공정이 단순하여 경제적으로 제공가능한 LED 어레이 기판 및 그 제조방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명에 의하여, 열전도성 베이스층, 상기 열전도성 베이스층 상에 인쇄방 식에 의하여 형성된 절연층 패턴과 상기 절연층 패턴 상에 도전성 페이스트 또는 도전성 잉크로 인쇄방식에 의하여 형성된 전극회로로 이루어진 LED 어레이 기판이 제공된다.

상기 열전도성 베이스층은 기판의 베이스 층으로 기판의 구조 유지와 방열이 주목적으로 열전도성이 좋으면 특별히 그 재료에 제한을 받지 않으며 전기전도성이 높아도 상관 없다. 상기 열전도성 베이스층은, 바람직하게는 경성의 판형 또는 연성의 시트형이다. 그 재료는, 예를 들면, 금속, 세라믹 또는 이들의 복합재료 또는 수지와 도전성 물질의 복합재료이다. 금속 베이스층 재료로는, 예를 들면, 구리, 은, 티타늄, 니오븀, 알루미늄, 스텐레스, 아연, 베릴륨, 마그네슘 등이 있다. 이들 금속 베이스층은 표면에 귀금속 또는 다른 금속으로 도금될 수도 있다, 또한 이들 금속 베이스층은 산화층 또는 다른 피막을 가질 수도 있다. 세라믹 베이스 층으로는, 예를 들면, 금속, 금속과 준금속의 탄화물, 붕화물, 질화물, 탄질화물 또는 이들의 혼합물을 유,무기 바인더와 혼합하여 소성 또는 소결하여 제조한다. 수지와 도전성 물질의 복합재료로는 내열성 수지 또는 열경화성 수지와 도전성 물질과의 복합재료이다. 수지의 예로는, 불포화폴리에스테르, 아크릴 변성 수지, 에폭시 수지, 요소수지, 폴리이미드 수지 등이 있다. 도전성 물질로는 금속, 이들의 산화물, 수산화물, 탄화물, 붕화물, 질화물, 탄질화물의 분말과 카본블랙과 흑연 등 탄소계 분말을 포함한다. 도전성 물질로, 예를 들어 금, 알루미늄, 구리, 인듐, 안티몬, 마그네슘, 크롬, 아연, 규소, 주석, 니켈, 은, 철, 티타늄 및 이들의 합금과 이들의 탄화물, 붕화물, 질화물과 탄질화물 등이 있다. 탄소계 도전성 물질로는 예 를 들면, 천연 흑연 분말, 팽창된 흑연, 그라펜, 카본블랙, 나노카본, 카본나노튜브 등이 있다. 이러한 도전성 물질은 단독 또는 조합하여 사용할 수 있으며 분말 또는 파이버 또는 직조 형태로 수지와 복합재료를 형성한다.

상기 열전도성 베이스층은 필요한 위치에 공기와의 접촉 면적을 높게 하는 구조 또는 다수의 핀을 갖는 구조로 가공되어 히트싱크와 일체화 될 수 있다.

상기 열전도성 베이스층이 금속으로 이루어져 있을 때 전기절연성 또는 타 층과의 접착성을 좋게 하기 위하여 편면 또는 양면을 도금을 포함한 피막처리와 산화처리와 같은 표면처리를 할 수 있다. 알루미늄 베이스층을, 예로 들면, 표면을 산화 처리함으로써 알루미나 층을 형성한다. 표면처리 방법에는 크게 열처리 방법, 화학적 처리방법과 전기화학적 처리방법이 있다. 열처리 방법은 공기중 또는 특정 분위기 하에서 높은 온도로 가열한다. 화학적 처리방법은 인산피막처리와 크로메이트 처리와 같은 방법이 있다. 전기화학적 처리방법으로는 양극산화법, 즉 아노다이징에 의하여 산화층이나 도금에 의하여 도금층을 얻을 수 있다. 이러한 금속 베이스층의 표면처리 층은 타층과의 접착성을 좋게 할뿐만 아니라 내식성은 물론 미감을 준다.

본 발명에서 절연층 패턴은 가장 중요한 특징 중의 하나이다. 본 발명에서 절연층을 절연이 필요한 부분, 예를 들면, 전극회로에만 선택적으로 인쇄하여 LED에서 led칩 밑의 반사판과 방열구조(예를 들면, 히트싱크슬러그)로 연결되는 LED 바닥이 절연층을 통하지 않고 바로 열전도성 베이스 층에 접하도록 하여 LED의 방열을 원활하게 한다. 이러한 절연층 패턴을 인쇄방법에 의하여 주로 전극회로 형성 부분에, 바람직하게는, 전극회로 보다 넓게 형성되도록 하여 전극이 충분히 절연되도록 한다.

상기 절연층 패턴은 내열성 수지 또는 알루미나와 같은 세라믹 페이스트를 인쇄방법에 의하여 패턴, 특히 전극회로 보다 약간 넓은 패턴으로 열전도성 베이스 기판 위에 인쇄한다. 내열성 수지로는, 예를 들면, 불포화폴리에스테르, 아크릴 변성 수지, 에폭시 수지, 요소수지, 폴리이미드 수지 등이 사용될 수 있다. 이러한 수지들은 경화조건을 줌으로써 경화시킨다. 예를 들면, 아크릴 변성 수지는 개시제와 혼합하여 패턴 형성 후에 가열하거나 광조사하여 경화시키고 폴리이미드의 경우는 폴리아믹산을 인쇄한 뒤에 가열하여 폐환하여 폴리이미드 패턴을 형성할 수 있다. 이러한 수지에는, 서멀에폭시(thermal epoxy)와 같이 전기전도성이 비교적 낮고 열전도성이 좋은 입자, 예를 들면, 금속 또는 준금속의 산화물, 수산화물, 탄화물, 붕화물, 질화물 또는 탄질화물 입자의 세라믹 입자로 충진될 수 있다, 세라믹 페이스트는 상기의 세라믹 입자와 유,무기 바인더와 비이클로 이루어진다. 인쇄방식은 기판에 스크린인쇄, 프렉소인쇄, 로터리인쇄, 그라비어인쇄, 옵셋 인쇄, 잉크젯 또는 디스펜서 등의 방법으로 이루어진다.

상기 전극회로는 상기 절연성 패턴 위에 그 패턴 내에서 도전성 페이스트 조성물 또는 도전성 잉크를 사용하여 전극회로 패턴으로 인쇄한다. 도전성 페이스트 조성물은 도전성 입자, 비이클과 상기 도전성 입자를 고정시키는 바인더로 구성된다. 바인더에 따라서 유기계 또는 무기계로 나누어진다. 무기계는 저융점 유리질 물질, 소위 말하는 법랑 물질을 사용하여 비교적 높은 온도에서 소성하여 전극회로 패턴을 고정한다. 이에 반하여 유기계 바인더를 사용하는 경우에는 고분자의 경화시스템을 이용하여 경화시켜 고정한다.

상기 전극회로에 사용되는 유기계 도전성 페이스트는, 예를 들면, 도전성 입자, 수지 바인더와 용매 잔량으로 이루어진다. 무기계 도전성 페이스트는, 예를 들면, 도전성 입자로서 은 분말, 법랑 물질과 비이클로 이루어진다. 필요한 경우에 상기 페이스트 조성물은 금속전구체를 더 포함할 수 있다. 수지 바인더는 절연층 패턴 형성에 사용되는 내열성 수지, 예를 들면, 불포화폴리에스테르, 아크릴 변성 수지, 에폭시 수지, 요소수지, 폴리이미드계 또는 폴리이미드의 전구체인 폴리아믹산이 등이 그대로 사용될 수 있다. 상기 도전성 입자라고 함은 전기 전도성이 있는 물질의 입자로서 특별히 제한되지 않으며 예를 들어 금, 알루미늄, 구리, 인듐, 안티몬, 마그네슘, 크롬, 주석, 니켈, 은, 철, 티탄 및 이들의 합금과 같은 금속, 천연 흑연 분말, 팽창된 흑연, 그라펜, 카본블랙, 나노카본, 카본나노튜브 등과 같은 탄소계 도전성 입자가 있다. 입자의 형태는 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면, 판형, 파이버 형과 나노 크기의 나노입자 나노튜브 등이 사용될 수 있다. 이러한 도전성 입자는 단독 또는 조합하여 사용될 수 있다. 상기 도전성 페이스트 조성물에는 금속 전구체가 더 포함될 수 있다. 여기서 금속 전구체라고 하면 금속이 헤테로 원자 P, S, O와 N를 통하여 착체를 형성하여 금속 용융 온도보다 낮은 온도에서 금속화되는 것을 말한다. 이러한 유기 금속은, 예를 들면, 금속과 케톤기, 머캅토기, 카르복실기, 아닐린기, 에테르기 또는 아황산기 등으로 결합되어 있다.

또한, 본 발명에 의하여, 1) 열전도성 베이스층에 절연층 패턴을 인쇄하는 단계; 2) 절연층 패턴을 경화시키는 단계; 3) 상기 절연층 패턴 위에 전도성 페이스트 또는 전도성 잉크 조성물로 전극회로 패턴을 인쇄하는 단계; 4) 전극회로 패턴을 고착시키는 단계; 및 5) 상기 전극회로 패턴에 통전하여 전해도금하는 단계로 이루어지는 인쇄방식에 의한 LED 어레이 기판을 제조하는 방법이 제공된다. 상기 절연층 패턴을 인쇄한 후 건조한 뒤에 상기 전극회로 패턴을 인쇄하고 상기 절연층 패턴과 전극회로 패턴을 한 사이클로 고착 또는 경화시킬 수도 있다.

전극회로는 상기 절연층 패턴 상에 스크린인쇄, 프렉소인쇄, 로터리인쇄, 그라비어인쇄, 옵셋 인쇄, 잉크젯 또는 디스펜서 등의 인쇄 방법 등으로 인쇄한다.

전극회로를 고착시키기 위하여 기판에 도전성 패턴으로 인쇄된 페이스트를 건조한 다음 경화조건에서 경화시킨다. 금속전구체를 사용하는 경우에는 금속화 온도를 감안하여 별도로 금속화 열처리를 한다. 바인더로 폴리아믹산을 사용하는 경우에는 대략 200℃ 내지 350℃에서 이미드화시켜 고정한다. 이러한 열처리에 의하여 금속전구체는 금속화하고 열경화성 바인더는 가교하여 경화하고 폴리아믹산 바인더는 폐환하여 기판에 고착된다. 열경화성 바인더는 경화 시스템에 따라 가열 없이 광조사에 의하여 경화를 달성할 수도 있다.

상기 절연층 패턴과 상기 전극회로 패턴의 인쇄는 한 사이클 내에서 시차를 두고 시행할 수 있다. 절연층 패턴을 인쇄한 후 건조 또는 경화한 후에 바로 전극회로 패턴을 인쇄할 수 있다. 예를 들어, 모두 UV 경화 형 바인더를 사용하는 경우에는 상기 절연층 패턴과 상기 전극회로 패턴은, 특히 상기 절연층 패턴은 인쇄 후 UV조사에 의하여 바로 경화될 수 있다. 예를 들면, 광개시제를 함유하는 아크릴 변 성 수지, 즉 광경화성 아크릴계 바인더는 잘 알려져 있다. 또는 광개시제와 열개시제를 동시에 함유하게 하여 광경화에 의하여 일단은 일차 경화시키고 뒤이어 전극회로 패턴을 인쇄한 뒤 함께 열경화에 의하여 충분한 경화를 일으킬 수도 있다. 조건이 맞다면 상기 절연층 패턴과 상기 전극회로 패턴의 인쇄를 연이어 한 후에 경화 고착을 위하여 온도 구배를 달리하여 한 사이클로 열처리 할 수도 있다.

필요한 경우에는 전극회로 패턴을 형성한 뒤 전해도금하여 전극회로 패턴 위에 금, 구리 또는 몰리브덴 등의 도금층을 형성할 수 있다. 베이스층이 금속이라 하드라도 전극회로와 베이스층은 절연층 패턴으로 절연되어 있으므로 전해조에서 전극회로에만 통전함으로써 전극회로에만 선택적으로 도금층을 형성할 수 있다.

본 발명에 의하여 구득이 용이한 금속 기판을 기반으로 절연층 패턴과 전극회로 패턴을 인쇄방법에 의하여 손쉽게 형성할 수 있고 전극이 닿지 않는 LED의 본체 바닥은 열전도성이 높은 기판에 접촉되어 LED에서 발생하는 열이 바로 방출될 수 있어 고휘도를 위한 LED 고집적 어레이 기판으로 사용될 수 있는 고 방열구조의 LED 어레이 기판을 경제적으로 제공한다.

이하 도면과 실시예에 의하여 본 발명을 구체적으로 설명한다.

도1a는 알루미늄 베이스 층(1‘) + 에폭시 절연층(2) + 동박 층(3)으로 이루어진 종래의 3층구조 MCPCB의 개략적인 단면도이다. 최상층의 동박은 에칭방법에 의하여 전극회로를 형성하게 된다. 도1b는 도1a의 종래 3층구조 MCPCB를 에칭하여 전극회로를 형성하여 LED를 장착한 LED 어레이 기판의 단면을 보여 준다. LED 칩(15)과 다이본딩솔더(13)와 연결되는 LED(10)의 히트싱크슬러그(20)의 바닥은 에폭시 절연층(2) 위에나 전극회로(3) 위에 놓여져 방열이 잘 되지 않고 전극회로(3)에 놓인 경우 전극을 오히려 가열하는 역할을 한다.

도2a는 본 발명에서 사용하는 히트싱크(21) 일체형 알루미늄 기판(1)을 보여준다. 그냥 단일층판으로 적층판 구조가 아니다. 도2b는 도2a의 기판 위에 전극회로 패턴에 맞게 서멀에폭시 바인더로 절연층 패턴(4)을 스크린 인쇄 방식으로 인쇄하고 경화시킨 후에 다시 에폭시 바인더를 사용한 은페이스트로 전극회로 패턴(5)으로 인쇄하고 경화시킨 후 그 위에 도금층(6)을 형성한 본 발명의 LED 어레이 기판에 LED를 장착한 것을 보여준다. LED 소자(10) 전극의 리드프레임(11)을 전극회로(5)에 솔더링(8)하여 LED(10)를 장착된다. LED(10)의 히트싱크슬러그(20)는 열전도성 베이스층(1)에 바로 맞닿아 전도성 바인더로 접착시키거나 서멀패드를 게재시켜 LED(10) 내의 열을 전극으로 방출하는 대신에 열전도성 베이스층(1)으로 용이하게 발산한다. 도2c는 LED(10)가 다수 장착된 본 발명의 LED 어레이 기판을 보여 준다.

도1a는 종래의 3층구조 MCPCB의 개략적인 단면도이고

도1b는 도1a의 LED 어레이 기판을 사용한 예의 개략적인 단면도이고

도2a는 일 실시예로서 본 발명에서 사용하는 단층구조 히트싱크 일체형 알루미늄 베이스층의 개략적인 단면도이고

도2b는 일 실시예로서 본 발명의 LED 어레이 기판을 사용한 예의 개략적인 단면도이다.

도2c는 일 실시예로서 LED(10)가 다수 장착된 본 발명의 LED 어레이 기판의 평면도이다.

* 주요도면 부호의 설명 *

1‘; 종래 MCPCB 금속 베이스층, 2; 종래 MCPCB의 에폭시 절연층

3; 종래 MCPCB의 동박층 1; 단층구조 히트싱크 일체형 알루미늄 베이스층

4; 절연층 패턴 5; 전극회로 6; 도금층 8; 솔더링

10; LED 11; LED 리드프레임 12; LED 패키지 보디 14; 렌즈

15; LED 칩 20; LED히트싱크슬러그 21; 히트싱크

Claims (11)

1. 열전도성 베이스층, 상기 열전도성 베이스층 상에 인쇄방식에 의하여 형성된 절연층 패턴과 상기 절연층 패턴 상에 도전성 페이스트로 또는 도전성 잉크로 인쇄방식에 의하여 형성된 전극회로로 이루어진 LED 어레이 기판
2. 제1항에 있어서, 상기 열전도성 베이스층은 경성의 판형 또는 연성의 시트형인 LED 어레이 기판
3. 제2항에 있어서, 상기 열전도성 베이스층은 금속, 세라믹 또는 수지와 도전성 물질의 복합재료인 LED 어레이 기판
4. 제2항에 있어서, 상기 금속 베이스 층은 구리, 알루미늄, 베릴륨 또는 이들은 산화층 피막을 가지는 LED 어레이 기판
5. 제1항에 있어서, 상기 열전도성 베이스 층은 히트싱크 일체형인 LED 어레이 기판
6. 제1항에 있어서, 상기 전극회로 위에 전해도금층을 갖는 LED 어레이 기판
7. 제1항에 있어서, 상기 절연층 패턴과 상기 전극회로는 인쇄된 뒤에 같이 열처리되는 LED 어레이 기판
8. 제1항에 있어서, 상기 절연층 패턴은 인쇄후 광경화 된 뒤 바로 상기 전극회로가 인쇄되는 LED 어레이 기판
9. 제1항에 있어서, 상기 전극회로 위에 전해도금층을 갖는 LED 어레이 기판
10. 1) 열전도성 베이스층에 절연층 패턴을 인쇄하는 단계;

    2) 절연층 패턴을 경화시키는 단계;

    3) 상기 절연층 패턴 위에 전도성 페이스트 또는 전도성 잉크 조성물로 전극회로 패턴을 인쇄하는 단계;

    4) 전극회로 패턴을 고착시키는 단계; 및

    5) 상기 전극회로 패턴에 통전하여 전해도금하는 단계로 이루어지는 인쇄방식에 의한 LED 어레이 기판을 제조하는 방법
11. 1) 열전도성 베이스층에 절연층 패턴을 인쇄하는 단계;

    2) 절연층 패턴을 건조시키는 단계;

    3) 상기 절연층 패턴 위에 전도성 페이스트 또는 전도성 잉크 조성물로 전극회로 패턴을 인쇄하는 단계;

    4) 상기 절연층 패턴과 상기 전극회로 패턴을 고착시키는 단계; 및

    5) 상기 전극회로 패턴에 통전하여 전해도금하는 단계로 이루어지는 인쇄방식에 의한 LED 어레이 기판을 제조하는 방법

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