KR20160018199A - 융착 방법을 사용한 조명용 엘이디 기판 - Google Patents

Abstract

본 발명은 LED 소자, 와이어 및 LED 기판이 구비되어, LED 소자를 기판에 부착시킬 때,LED 소자 본체를 기판에 부착시킬 때에는 절연성 부착재를 사용하고, 와이어를 기판에 부착시킬 때에는 전기 전도성 부착재를 사용하며, 상기 절연성 부착재의 조성물은 수지, 저온 용융 세라믹 입자 및 세라믹입자을 혼합하여 만들고, 상기 전도 전도성 부착재의 조성물은 수지, 저온 용융 세라믹 입자 및 은 입자를 혼합하여 만들어지므로서, LED 기판과 LED 소자를 부착할 때 접착 재료로 사용되는 물질에 열전도 성이 높은 물질을 사용하고 저온 분해성 수지를 사용하여, 일정한 온도의 가열로 저온 분해성 수지가 분해되어 제거되도록 하지만, 전기 전도 혹은 열전도 특성을 유지하면서도 견고한 접착력을 유지할 수가 있게 된다.

Description

융착 방법을 사용한 조명용 엘이디 기판{LED PLATE FOR LIGHTING USING FUSION METHOD}

본 발명은 융착 방법을 사용한 조명용 LED 기판에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 LED 소자와 LED 기판을 부착할 때 은 융착의 방법을 사용하고, 또한 LED 기판과 방열판을 부착할 때에도 은 융착의 방법을 사용한 조명용 LED 기판에 관한 것이다.

종래의 조명용 발광 다이오드(LED) 기판은 LED 소자의 열에 의하여 빛의 확산성 및 밝기의 저하 현상이 나타나는 문제점이 있다. 따라서, 고휘도의 빛을 발생시키는 데 한계가 있다.

이를 위해 종래 기술 중에는 LED 패키지의 기부(基部)를 열전도성 중합체로 성형함으로써 방열 성능을 향상시키는 방법과, LED로부터 발생하는 고열이 열전 모듈 및 열전도체를 통해 알루미늄 방열체로 신속하게 전도되게 하고, 전도된 열은 방열체 자체의 방열은 물론 열전도체 로부터 집중된 고열을 방열팬과 방열핀을 통해 외부로 방출하는 방법등이 사용되고 있었다.

또한, '메탈 슬러그(metal slug) 위에 열발산 벽면체 또는 방열 흠을 형성시킴으로써, 고전력 LED 칩에 서 발생한 열을 효율적으로 외부로 방출시키는 방법과 '순동 (pure Cu)으로 이루어진 넓은 면적의 리드프레임을 구성하고 상기 리드프레임의 저면에 순동으로 이루어진 방열 판(heat sink)을 초음파 융착을 통하여 융착하여 줌으로써, LED 램프로부터 발생되는 열을 효과적으로 방열시켜 대용량의 전류가 인가되는 경우에도 발생되는 열로 인한 LED 소자의 손상을 최소화시키는 방법 등이 사용되었다.

즉, 대한 민국 공개 특허 10-2009-0002281 에서는 “에폭시 수지 60∼70 중량%와 은(Ag) 입자 20∼25 중량%와 세라믹 입자 10∼15 중량%의 혼합물(Ag/세라믹/에폭시)로 구성된 제 1 층; 방열 부재가 탑재된 메탈 PCB(Printed Circuit Board, 인쇄회로기판)로 구성된 제 2 층; 골드 와이어(gold wire)에 의해 연결되어 있는 LED(Light Emitting Diode, 발광 다이오드) 소자와 PCB 패턴이 에폭시 수지 60∼70 중량%와 은(Ag) 입자 20∼25 중량%와 세라믹 입자 10∼15 중량%의 혼합물(Ag/세라믹/에폭시) 상에 일정한 간격으로 부착되어 있으며, 제 3 층의 나머지 부분에는 투명한 젤 타입 의 실리콘계 물질이 충전되어 있는 제 3 층; 및 실리콘과 형광체의 배합물로 구성된 제 4 층을 포함하고, 상기 제 1 층 위에 상기 제 2 층이 적층되어 있고, 상기 제 2 층 위에 상기 제 3 층이 적층되어 있으며, 상기 제 3 층 위에 상기 제 4 층이 적층되어 있는 것을 특징으로 하는 방열 기능이 향상된 조명용 발광 다이오드 (LED) 모듈”을 제공하고,

또한, 대한 민국 공개 특허 10-2005-0081715에서는 "개구부를 갖는 패키지; 상기 개구부의 중심 영역에 형성되어 있는 금속 리드; 상기 금속 리드의 양측에 개별 리드로 작용하는 전극면; 상기 금속 리드의 내부에 형성된 복수개의 요철 홈에 각각 형성되어 있는 전극 패드들; 및 상기 금속 리드 및 전극면 상에 실장되고, 상기 전극 패드들과 금속 리드에 수평한 방향으로 각각 와이어 본딩되어 배치된 발광 다이오드들을 포함하며, 상기 발광 다이오드 중 두 개의 레드 LED는 직렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 램프.을 제공한다.

하지만, 상기 기술에는 은과 세라믹 입자가 포함되지만, 열전도성이 낮은 수지류가 주요 성분으로 포함되므로, 열전도를 효과적으로 높이는 데에는 분명한 한계가 존재할 수 밖에 없다. 따라서, 더 효과적이고 효율적인 열전도 방법이 개발되어야 하는 실정이다.

특허문헌 1 : 대한민국 공개특허 : 10-2009-0002281 (2009년01월09일) 특허문헌 2 : 대한민국 공개특허 : 10-2005-0081715 (2005년08월19일)

LED 기판과 LED 소자를 부착할 때 부착 재료로 사용되는 물질에 열전도 성이 높은 물질을 사용하고 수지 성분이 제거되도록 하므로서, LED 소자에서 발생하는 열이 신속하게 LED 기판에 배출되도록 하고, 또한 LED 기판의 열도 신속하게 방열판을 통하여 배출되로록 하는 조명용 LED 기판을 제공하는 데에 그 목적이 있다.

상기 목적은, LED 소자, 와이어 및 LED 기판이 구비되어, LED 소자를 기판에 부착시킬 때, LED 소자 본체를 기판에 부착시킬 때에는 절연성 부착재를 사용하고, 와이어를 기판에 부착시킬 때에는 전기 전도성 부착재를 사용하며, 상기 절연성 부착재의 조성물은 수지, 저온 용융 세라믹 입자 및 세라믹입자을 혼합하여 만들고, 상기 전도 전도성 부착재의 조성물은 수지, 저온 용융 세라믹 입자 및 은 입자를 혼합하여 만들어지므로서 달성된다.

그리고, 절연성 부착재 조성물 혹은 전기 전도성 부착재 조성물을 유기 용매와 혼합시키고, 상기 유기 용매와 혼합된 부착재를 기판 상단의 각각의 위치에 인쇄하고, 1차 가열하여 유기 용매를 증발시키고, 메탈 기판의 인쇄 회로 패턴 상단의 LED 소자가 장착되는 위치에 LED 칩을 부착 시킨 다음 저기압 환경하에서 250∼300℃로 가열하고, 상기 유기 용매와 혼합된 부착재를 메탈 기판이 부착되는 위치의 방열판에 도포하고, 1차 가열하여 유기 용매를 증발시키고, 메탈 기판이 부착되는 위치의 방열판에 메탈 기판을 부착시킨 다음 저기압 환경하에서 250∼300℃로 가열한다.

본 발명은, LED 기판과 LED 소자를 부착할 때 접착 재료로 사용되는 물질에 열전도 성이 높은 물질을 사용하고 저온 분해성 수지를 사용하여, 일정한 온도의 가열로 저온 분해성 수지가 분해되어 제거되도록 하지만, 전기 전도 혹은 열전도 특성을 유지하면서도 견고한 접착력을 유지할 수가 있게 된다.

도 1과 도 2는 LED 기판의 구조를 나타낸 실시예의 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따르는 방열판에 장착된 LED 기판을 나타낸 도면이다.
도 4는 은 융착 방법을 설명하는 실시예의 도면이다.
도 5는 LED 소자층과 메탈 기판층이 부착된 단면을 확대하여 나타낸 사진 이미지이다.
도 6은 제 2 실시예에 따른 본 발명의 제조 방법을 나타낸 도면이다.
도 7 내지 도 10은 LED 소자(칩)이 장착되는 구조를 나타낸 실시예의 도면이다.

이하, 본 발명의 실시 예에 따른 은 융착을 사용한 조명용 LED 기판에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명을 설명하기 위해 필요한 통상의 기술에 대해서는 상세 설명을 생략할 수 있다.

본 발명은 방열 기능이 향상된 조명용 발광 다이오드(LED) 기판에 관한 것이다. 이를 위하여 본 발명에서는 LED 소자와 LED 기판을 부착할 때 은 융착의 방법을 사용하고, 또한 LED 기판과 방열판을 부착할 때에도 은 융착의 방법을 사용하게 된다.

본 발명에 따른 방열 기능이 향상된 조명용 발광 다이오드(LED) 모듈은 백색 광원을 구현함에 있어서 예컨대 질화인듐갈륨(InGaN)계 청색 발광 다이오드(LED)에서 예컨대 YAG(yttrium aluminium garnet, 이트륨 알루미늄 가닛)계 황색 발광체를 여기하는 방식을 이용하거나, 또는 자외선 발광 다이오드(UV LED)에서 적색(R)/녹색(G)/청색(B) 형광체를 여기하는 방식을 이용한다. 또한, 각종 형광체의 조합으로 백색광 이외에도 여러 종류의 발광색을 내는 것이 가능하여 조명으로서의 응용 범위가 넓어진다.

도 1과 도 2는 LED 기판의 구조를 나타낸 실시예의 도면이다.

즉, 도 1은 인쇄된 패턴(10)을 나타내는 도면이다. 그리고, 상기 패턴(10)에는 구리(Cu)가 도금 된다.

도 2는 기판에 LED 소자(20)의 납땜이 완료된 상태의 도면이다. 상기 패턴(10)에서 LED 소자(칩)이 부착되는 부분에 접착 재료를 사용하여 LED 칩을 부착하게 되는 것이다.

한편, 종래의 방법은, 기판 혹은 필름형 인쇄회로 부착방식의 LED 모듈을 사용하고, 이를 위하여는 PI(폴리이미드)필름의 이형지를 제거하는 제1단계와, 상기 이형지가 제거된 PI 필름에 에폭시, 실리콘 또는 아크릴계의 접착제를 열과 압력을 가하여 코팅하는 제2단계와, 상기 접착제가 코팅된 PI 필름면에 전도성 물질을 포함한 페이스트를 이용하여 다양한 패턴으로 인쇄하는 단계와, 상기 전도성 페이스트가 인쇄된 PI 필름을 Cu 전해액에 담근 후 전기 분해를 통하여 도금하는 단계와, 상기 Cu가 도금된 PI 필름 면에 SR 페이스트를 인쇄하는 단계와, 상기 SR 페이스트가 인쇄된 PI 필름 패턴 면에 부착 재료를 인쇄하는 단계와, 상기 부착 재료의 인쇄부에 LED 칩을 자동으로 실장하는 단계를 포함하게 된다. 또한, LED 칩 실장 후 열을 가하여 LED 칩을 납땜하는 단계 후에 LED 칩 실장 상태, 납땜상태 등을 자동으로 검사하는 단계를 추가로 구성할 수 있는 것이다.

이에 반하여, 본 발명은 메탈 PCB(Printed Circuit Board, 인쇄회로기판) 기판(30)에 LED 칩(20)을 실장하는 것을 특징으로 한다. 메탈 PCB(Printed Circuit Board, 인쇄회로기판) 기판(30)은 일반적인 PCB에 비하여 방열 효과가 우수하다. 그러나, LED 칩의 고밀도 집적화, LED 모듈의 소경량화 등의 경향으로 인하여 LED 소자에서 발생하는 대량의 열을 방열시키기에는 한계가 있을 수 있으므로, 발광시 수반되는 열로 인한 LED 소자의 손상 위험을 최소화하기 위해 메탈PCB는 방열 판을 구비하는 것이 바람직하다.

- 실시예 1 -

도 3은 본 발명의 실시예에 따르는 방열판에 장착된 LED 기판을 나타낸 도면이다.

도면에서처럼, 본 발명에서는 은 융착의 방법에 의하여 LED 소자(20)를 LED 기판(30)에 장착하고, 다시 상기 LED 기판(30)을 방열판(60)에 장착하게 된다, 그리고, LED 소자(20)와 LED 기판(30) 사이에 은 나노 층(40)이 위치하고, 또한 LED 기판(30)과 방열판(60)사이에도 은 나노 층(50)이 위치하게 된다.

또한, 본 발명에서 별도 도시는 생략하였디만, 메탈 LED 기판(30)에 LED 소자를 장착하는 방법은 다음과 같다.

본 발명에서는 LED 소자(20)와 LED 기판(30) 사이와 LED 기판(30)과 방열판(60)사이에 은 나노 층(40)(50) 만이 존재하게 되지만, 실제로는 은 나노 입자와 저온 소성 폴리머를 함께 혼합하여 사용하게 된다,

즉, 저온 소정 폴리머 60∼70 중량%와 은(Ag) 입자 30∼40 중량%로 혼합된 부착재를 기판의 인쇄 패턴(10)에서 LED 소자(20)가 장착될 위치에 인쇄 방법을 사용하여 도포시킨다. 이때, 은 입자의 평균 직경은 30∼250 nm인 것이 바람직하다

그리고, 도포된 부착재 상단에 개별 LED 칩을 일정한 간격으로 배치시키고, 그런 다음 열을 가하여 저온 소성 공정을 갖게 된다. 그렇게 되면, 부착재 내에 저온 소성 폴리머는 분해되어 증발되고 은 나노 입자만 남게 된다. 즉 LED 기판과 LED 소자 사이에 은 나노 입자(층)(40) 만 남게 되는 것이다.

그런 다음, 골드 와이어(gold wire) 본딩에 의하여 LED 소자를 메탈 기판의 패턴과 연결시킨다. 또한, 투명한 젤 타입의 실리콘계 물질을 LED 소자상에 평탄하고 균질하게 도포한 후 열풍 건조한다. 그리고 그 상단에 실리콘과 형광체의 배합물을 균일하게 도포한 후 열풍 건조하여 추가 층을 적층시켜 LED 캡(21)을 만든다.

이때, 본 발명에서 사용되는 부착재에 포함된 저온 분해성 수지의 조성물은 아래와 같다.

중합성 아크릴계 화합물을 사용할 수 있으며, 아크릴레이트 5 내지 40 질량부와, 우레탄아크릴레이트 10 내지 40 질량부와, 인산에스테르형아크릴레이트 0.5 내지 5 질량부를 병용하는 것이 바람직하다. 여기서, 아크릴레이트는 경화물의 응집력을 향상시키며, 우레탄 아크릴레이트는 폴리이미드에 대한 접착성 향상을 위해 배합되어, 인산에스테르형 아크릴레이트는 금속에 대한 접착성 향상을 위해 배합된다. 그리고, 통상적으로 사용되는 접찹제의 첨가제가 1에서 5 질량부로 더 첨가된다.

또 다른 저온 분해성 유기 접착제의 예는 천연 고무, 동일한 형태의 합성 고무, 부틸 고무, 폴리이소프렌 고무, 스티렌-부타디엔 고무, 스티렌-이소프렌-스티렌 블록 공중합체 고무 및 스티렌-부타디엔-스티꿴 블록 공중합체 고무와 같은 중합체 단독으로 제조된 유기 접착제, 및 상기 중합체 또는 아크릴 또는 메타크릴 알킬 에스테르 중합체를 주요 성분으로서 포함하는 중합체 100중량부 중에 석유 수지, 테르펜 수지, 로진, 크실렌 수지 및 쿠마론-인덴 수지와 같은 점착성 수지 10 내지 300중량부 및 연화제, 충전제와 같은 배합제를 혼입함으로서 수득한 유기 접착제를 포함한다.

도 4는 은 융착 방법을 설명하는 실시예의 도면이다.

도 3의 설명에서처럼, 저온 분해성 수지와 평균 직경 30∼250 nm인 은(Ag) 입자가 혼합된 부착재를 LED 소자(20)와 메탈 기판(30) 사이에 도포한 다음, 1 차적으로 가열하게 된다. 즉, 메탈 기판(30) 상단의 인쇄 회로 기판에서 LED 소자가 위치할 곳에 부착재를 인쇄하는 것이다. 도포 방법은 실크스크린을 이용한 인쇄 방법이 사용될 수 있으며, 부착재 도포시 도포 막의 두께는 0.05에서 0.2 mm 정도가 적당하다.

이때 1차 가열 온도는 100 ℃ 에서 150 ℃가 적당하며 시간은 10초에서 20초 이내가 적당하다.

그리고, 1차 가열을 한 다음, 2차 가열을 하게 된다. 즉, 300도 이상으로 30분에서 120 분 정도의 시간으로 2차 가열한다. 이때, 압력판(70)을 LED 소자 상단에 위치하여 일정 압력도 함께 가하도록 한다. 그리고 압력의 정도는 10cm2 에 0.5kg중에서 1.5kg중(중 : 중력가속도) 정도로 그리 높지 않은 압력으로도 가능하다.

결과적으로 1차 가열을 하게 되면, 부착재에 포함된 저온 소성 폴리머는 경화를 하게 되어, LED 소자가 메탈 기판에 부착되고, 그 다음에 압력을 가하면서 2 차 가열을 하게되면, 저온 소성 폴리머는 분해되어 증발되어 은 입자만 남게 된다.

그러므로, LED 소자(20)와 메탈 기판(30) 사이에 존재하였던 부착재에서 저온 소성 폴리머는 분해되어 증발되고, 나노 은 입자 층만 존재하게 된다. 따라서, LED 소자의 열이 메탈 기판에 더 잘 전달되게 된다.

한편 본 발명에서는 LED 소자가 장착된 메탈 기판(30)을 방열판에 부착할 때에도 동일한 은 융착 방법을 사용하게 된다. 즉, 방열판(60)에서 메탈 기판(30)이 부착되는 면적에 본 발명의 부착재를 부착한 다음(혹은 메탈 기판 아래에 부착재를 도포한 다음)에, 1차 가열과 2차 가열을 하여 방열판(60)과 메탈 기판(30)을 부착하게 된다.

결과적으로 본 발명에서는, LED 소자(30), 메탈 기판(20) 및 방열판(60)이 모두 하나로 연결되는 효과를 갖게 되어 LED 소자(30)에서 발생하는 열이 효과적으로 방열판(60)을 통하여 배출되게 되는 것이다. 다시말해서, LED 소자와 메탈 기판 사이에 수지층이나 공기층이 존재하지 않고 은 나노 층만 존재하므로, 열전달 효과가 뛰어 날 수 밖에 없고, 메탈 기판과 방열판 사이에도 수지층이나 공기층이 존재하지 않고 은 나노 층 만 존재하므로 열전달 효과가 뛰어 날 수 밖에 없게 된다.

도 5는 LED 소자층과 메탈 기판층이 부착된 단면을 확대하여 나타낸 사진 이미지이다.

도면에서처럼, LED 소자(20)와 메탈 기판(20) 사이에 수지 성분은 존재하지 않고 은 나노 입자층만 존재하는 것을 알 수 있다. 따라서 LED 소자와 메탈 기판을 효과적으로 일체화된 구조를 갖게 되는 것이다. 마찬가지로 메탈 소자와 방열판도 효과적으로 일체화된 구조를 갖게 된다.

이렇게 하므로서, LED 소자(20)와 메탈 기판(20) 사이 및 메탈 기판(20)과 방열판(60) 사이에 은 입자 층만 존재하므로, LED 소자(20)에 발생하는 열이 신속히 방열판으로 전달되는 효과를 갖게 되는 것이다.

- 실시예 2 -

실시예 2에서는 또 다른 실시예의 은 융착 방법을 제공한다.

도 6은 실시예 2의 방법에 따른 순서도를 나타낸 도면이다.

실시예 1에서는 가열한 다음 저온 분해성 수지를 증발시키는 방법을 사용하므로서, 기판과 LED 소자 사이에 은 입자만 존재하도록 하므로서 열도율을 높이고자 하는 방법을 사용하였다.

그러나, 2 차 가열을 한 후에도 저온 분해성 수지가 잔존할 수 있으며, 또한 수지가 증발한 곳에 공기층이 존재할 수 있고, 또한 실질적으로 접착제 역할을 하는 저온 분해성 수지가 증발하게 됨으로서, LED 칩과 기판 사이에 견고한 접착력을 유지하기가 어렵다. 따라서, 실시예 2는 이러한 문제를 해결하기 위해 제시하는 방법이다.

도 6에서 도시된 바와 같이 본 발명의 제 2 실시예를 실행하기 아래와 같은 단계를 가진다.

- 접착 조성물(부착재)을 준비한다. (도 3에서 은나노층(40)(50)에 해당되는 부분이 도 6의 접착 조성물이다.)

평균 직경 30∼250 nm인 은(Ag) 입자 50∼60 중량%, 저온 분해성 폴리머 5∼10 중량%, 평균 직경 30∼250 nm인 저온 용융 세라믹 입자 30∼45 중량% 를 혼합하여, 접착 조성물을 제조한다.

- 유기 용매에 접착 조성물을 녹인다.

그리고, 상기 접착 조성물(부착재)을 100 g 준비했을 때, 200에서 300g 정도의 톨루엔을 준비하여, 상기 접착 조성물을 녹인다.

- 메탈 기판 상단에 LED 소자가 위치할 곳에 유기 용매에 녹인 접착 조성물을 인쇄한다.

실시예 1의 방법으로 메탈 기판의 인쇄 회로 패턴 상단에 LED 소자가 장착될 위치에 톨루엔에 녹인 접착 조성물을 인쇄 방법으로 도포한다.

- 70 ℃ 이상 가열하여 유기 용매인 톨루엔을 증발 시킨다.

본 발명에서의 첩착 조성물에는 접착재 기능을 하는 저온 분해성 수지를 5∼10 % 정도만 포함시키게 되며, 그럴 경우 인쇄성이 좋지 않기 때문에 유기 용매에 녹여 인쇄성을 좋게 한 다음, 메탈 기판에 도포를 하는 효과를 갖도록 하기 위해서이다. 그리고, 인쇄한 다음 용매를 증발시키게 되면, 원래의 은 입자, 저온 용융 세라믹 입자 및 저온 소성 폴리머 만 존재하는 접착 조성물 만 남게 된다.

- 메탈 기판 상단의 접착 조성물이 인쇄된 부분에 LED 칩을 부착 시킨다.

- 저기압 환경하에서 250∼300℃로 가열하여, 메탈 기판에 부착된 LED 칩을 완성하게 된다.

이때, 저기압 환경하라는 것은 0.5 기압에서 0.7 기압의 환경하라는 것을 의미한다. 즉 본 발명에서는 LED 칩이 부착된 메탈 기판을 오븐에 장착한 다음 오븐의 압력을 낮춘 상태에서 250∼300℃로 가열한다는 것을 의미한다.

즉, 1 기압(1013.25 hPa(hectopascal), 혹은 101300 N/m2)의 0.5 에서 0.7 배의 압력인 506.6 hPa에서 709.3 hPa 까지의 압력하에서 250∼300℃ 온도 환경에 노출시킨다는 것이다.

그리고, 본 발명에서 사용되는 저온 용융 세라믹은 다음과 같다.

- 저온 용융 세라믹은 한가지 종류의 물질을 사용할 수도 있고, 2 가지 이상의 물질을 혼합하여 사용할 수도 있다.

1)오산화인(P2O5)을 사용한다. 오산화인은 멜팅 포인트가 340 °C 이므로, 250∼300℃로 가열할 때에 0.7 기압(709.3 hPa)의 환경하에서 가열하게 된다. 그렇게 되면, 오산화인이 녹게 된다,

2)저온 용융 세라믹 조성물을 100% 로 하였을 때, 오산화인을 90 중량 % 이상, RO2 (R=Zr, Ti)을 1∼5 중량 % 및 R2O3 (R=B, Al, Bi, La)를 1∼5 중량 % 로 한 저온용융 세라믹 조성물을 만든다. 이때, 저온 용용 세라믹의 Tg는 440-460℃ 가 된다. 띠리서. 0.5 기압(506.6 hPa) 환경하에서 250∼300℃로 가열하게 된다.

3)저온 용융 세라믹 조성물을 100% 로 하였을 때, 오산화인을 90 % 중량 이상, ZnO를 1∼5 중량 % 및 RO(R=Ca, Ba, Zn)를 1∼5 중량 % 로한 저온 용융 세라믹 조성물을 만든다. 이때, 저온 용용 세라믹의 Tg는 440-460℃ 가 된다. 따라서 300℃에거 용용되기 위해서는 0.5 기압(506.6 hPa) 환경하에서 가열하여야 한다.

또한, 본 발명에서는 저온 분해성 수지, 은 입자, 저온 용융 세라믹을 혼합한 접착 조성물(부착재)을 100g 준비했을 때. 톨루엔을 200∼300 g 정도 사용하여 혼합하여 인쇄 가능한 접착 조성물을 제조한 다음, 상기 유기 용매에 녹인 접착 조성물을 메탈 기판이 부착되는 위치의 방열판에 코팅 도포한다. 그리고 열을 가하여 용매를 증발 시킨 다음, LED 메탈 기판을 방열판에 부착하게 된다. 그리고, 상기의 방법과 마차가지로 저 기압의 환경하에서 250∼300℃로 가열하게 된다.

이러한 방법을 사용하게 되므로서, 본 발명에서는 견고한 접착력을 가짐은 물론 열전도도 상승하는 효과를 가지는 접착 방법을 제시하게 된다.

예를들어, 은 나노 입자와 폴리머 만을 사용하여 접착 조성물(부착재)을 만들게 되면, 폴리머의 접착력을 유지하여야 하므로 적어도 폴리머를 35 % 이상 포함시켜야 한다. 따라서, 폴리머로 인해 열전도도 크게 떨어지는 문제를 가지게 된다. 그러므로, LED 칩에서 메탈 기판으로 전달되는 열이 충분한 속도로 전달되지 않게 되는 문제가 생긴다. 따라서, 본 발명에서는 이러한 종래 문제를 해결하기 위하여, 본 발명의 실시예1 에서는 폴리머를 저온 폴리머로 사용하여 고온으로 소성 시켜 폴리머를 증발 시키는 방법을 사용하게 되었다.

하지만, 본 발명의 실시예 1에서 제시한 방법은 폴리머가 증발되므로서 폴리머로 인한 열전도도가 즐어드는 문제를 줄일 수 있는 장점이 존재하지만, 접착 기능을 하는 폴리머가 증발되므로서 접착력이 떨어지는 문제점이 발생하게 된다. 따라서, 본 발명의 실시예 2 에서는 저온 용융 세라믹 입자를 더 포함하도록 하여 저온 세라믹 입자가 용융되게 하므로서, 저온 세라믹이 접착 기능을 대신하도록 하게 한다.

결과적으로 실시예 2 에서는 저온 소성 폴리머는 초기 단계에서 은 입자와 저온 용융 세라믹 입자를 혼합하는 역할을 하는 데에 사용하며, 따라서 실시예 2 에서는 10 % 이하 5% 정도만 폴리머가 사용되게 된다. 이럴 경우 도포기능과 인쇄성이 떨어지게 되므로, 유기 용매를 사용하여 점도를 낮추어 혼합물이 인쇄 가능하게 되는 것이다.

따라서, 인쇄가 된 다음에는 유기 용매를 증발시키게 되며, 저온 소성 폴리머 마저 증발 시키게 되어 접착력이 사라지게 되지만, 저온 용융 세라믹이 용융되어 은 입자 사이 침투되므로서 LED 기판과 메탈 기판 사이에 견고한 접착력을 유지할 수가 있게 되는 것이다.

- 실시예 3 -

도 7 내지 도 10은 LED 소자(칩)이 장착되는 구조를 나타낸 실시예의 도면이다.

도 7은 메탈 기판(30)에 LED 소자(칩)(20)이 구비되는 경우의 실시예의 도면이다. 일반적으로 메탈 기판(30) 표면(LED 칩이 장착되는 표면)은 절연층(30a)이 코팅되어 있다. 그리고 상기 절연층(30a) 위에 도 1의 실시예에 설명된 바와 같이 인쇄회로 패턴(10)이 형성된다.

도 7에서는 상기 인쇄회로 패턴(10)의 도시는 생략되었지만, 절연층 상단에 코팅되어 상기 인쇄회로 패턴(10)에 LED 소자(20)가 전기적으로 연결된다. 따라서, 도전성 부착재(40)와 절연층(30a)에 인쇄회로 패턴(10)이 존재하게 된다.

즉, 도전성 부착재는 LED 칩의 와이어(22)와 기판(30)의 인쇄 회로 패턴(10)과 연결하는 기능을 하게 된다. 이때, 상기 와이어(22)는 전기가 잘 통하는 가는 금속 선으로 LED 칩에 전원을 공급하는 역할을 하게 된다.

또한, 절연성 부착재(41)를 사용할 필요도 존재하게 된다. 즉, LED 칩(20) 본체도 기판(30)에 고정되어 구비되어야 하며, 따라서 LED 칩(20)과 기판도 부착재를 사용하여 부착하게 되는 데, 이때 사용되는 부착재는 절연성 부착재(41)가 된다.

한편, LED 칩(20)은 캡(21)의 형태로 보호하게 되는 데 실질적으로는 수지로 된 실링제라고 할 수 있으며, 제조시 상기 실링제가 퍼져나가지 못하도록 댐(23)이 더 구비되기도 한다. 즉, LED 칩 위에 수지를 캡(21) 모양으로 형성하여 보호하며, 상기 수지가 퍼져나가지 못하게 댐을 형성한다는 것이다. 그리고, 댐(23)이 형성되고 수지로 캡(21)을 만드는 방법은 통상의 방법을 사용하므로 본원 발명에서는 상세 설명을 생략한다.

결과적으로 본원 발명에서는 LED 칩을 기판에 부착시킬 때에는 절연성 부착재(41)를 사용하고, 와이어(22)를 기판에 부착시킬 때에는 도전성 부착재(40)를 사용한다.

도 8은 플라스틱 기판(30)에 LED 소자(칩)(20)이 구비되는 경우의 실시예의 도면이다. 일반적으로 플라스틱 기판(30) 표면(LED 칩이 장착되는 표면)에도 인쇄회로 기판 및 절연층은 형성된다.

그리고, 상기 플라스틱 기판에 비어 홀(hole)을 형성하고 상기 비어 홀(hole)에 금속 충전부(31)(32)가 만들어지게 된다. 플라스틱은 열전도 및 전기전도가 안되기 때문에 금속충전부가 만들어지게 되는 것이다.

즉, 와이어(22)가 연결되는 부분은 전기가 통하도록 전기 전도성 금속 충전부(32)가 만들어지고, LED 칩(20)이 장착되는 부분은 방열이 잘되도록 방열 금속 충전부(31)가 만들어진다.

이때, 상기 금속 충전부는 금속으로 된 재질의 핀이나 바(bar)를 플라스틱 수지에 관통시켜 만들게 된다. 그리고, 전기 전도성 금속 충전부는 외부로 노출되는 부분을 절연으로 만들지 않은 것이며, 방열 금속 충전부는 외부로 노출되는 부분을 절연으로 만든 것이다.

또한, 배면(LED 칩이 부착되는 표면과 반대 쪽의 표면)에서 방열 금속 충전부(31)는 방열 배선 패턴(33)과 연결되고, 전기 전도성 금속 충전부는 전원 배선 패턴(34)과 연결되게 된다.

그리고, LED 칩(20)을 방열 금속 충전부(31)에 부착시킬 때에는 절연성 부착재(41)를 사용하고, 전기 전도성 금속 충전부(32)에 와이어를 부착시킬 때에는 일반적인 부착재(40a)를 사용하게 된다.

본원 발명에서는 저온 세라믹 용융 방법에 의한 부착재를 사용하며, 이를 위해서는 300℃ 이상의 오븐(oven) 환경하에 노출되어야 한다. 따라서, 플라스틱 기판에서 LED 칩(20)을 방열 금속 충전부(31)에 부착시키기 위하여 절연성 부착재(41)를 사용할 때, 후술하는 별도의 다른 방법을 사용하여야 한다.

또한, 저온 세라믹 용융 방법에 의한 부착재를 사용하기 위해서는 300℃ 이상의 오븐(oven) 환경하에 노출되어야 하기 때문에, 플라스틱 기판에서 와이어(22)를 전기 전도성 금속 충전부(32)에 부착시킬 때에는 일반적인 부착재(40a)를 사용할 수 밖에 없다.

도 9는 LED 칩(20)을 방열 금속 충전부(31)에 부착시키는 실시예의 도면이다. 도 9의 (A) LED 칩을 나타내며 도(B)는 방열 금속 충전부(31)에 본원 발명의 절연성 부착재를 코팅한 다음, LED 칩(20)을 부착하고 도 2의 실시예의 방법으로 가공하면, LED 칩(20)은 방열 금속 충전부(31)에 부착된 상태가 된다.

그런다음, 풀라스틱 기판(30)의 미리 만들어진 홀(발열 금속 충전부(31)가 삽입되어 지는 위치에 미리 만들어진 홀(hole))에 LED 칩(20)이 부착된 방열금속 충전부(31)를 삽입하게 된다.

한편, 전기 전도성 금속 충전부(32)와 방열 금속 충전부(31)는 통상의 금속으로 구리등이 사용될 수 있으며, 방열 금속 충전부(31)에 한해서는 세라믹 소재가 사용될 수도 있다. 즉, 전기 전도성 금속 충전부(32)와 방열 금속 충전부(31)는 종래 통상의 소재와 방법을 따른다.

도 10은 플라스틱 수지에 LED 칩을 고정하는 방법을 나타낸 도면이다. 도면에서처럼, 방열 금속 충전부(31) 상단의 표면에 절연성 부착재 조성물을 코팅한 다음 LED 소자를 부착하게 된다. 이때, 절연성 부착재를 코팅하는 방법 및 용제를 증발시키는 방법은 본원 발명의 제 2 실시예의 방법을 따른다.

그리고 저 기압하에서 250℃ - 300℃ 로 가열한다. 그런 다음 LED 칩이 부착된 방열 금속 충전부를 플라스틱 기판의 홀에 삽입한다. 이때, 상기 홀은 플라스틱 기판(30)에서 방열 금속 충전부(31)가 삽입될 수 있도록 미리 만들어 놓은 홀이 된다.

그리고, 플라스틱 기판에 미리

- 전도성 부착재와 절연성 부착재 -

1) 전기 전도성 부착재

전기 전도성 부착재는 본원 발명의 실시예 2 에서 재조된 부착재를 의미한다.

2) 절연성 부착재

절연성 부착재는 전기 전도성 부착재와 조성 및 제조 방법은 비슷하지만, 절연성 부착재는 은나노 입자 대신 절연성 세라믹 입자를 포함시킨다.

즉, 평균 직경 30∼250 nm인 절연성 세라믹 입자 입자 50∼60 중량%, 저온 분해성 폴리머 5∼10 중량%, 평균 직경 30∼250 nm인 저온 용융 세라믹 입자 30∼45 중량% 를 혼합하여, 접착 조성물을 제조한다.

그리고 제조 방법은 본원 발명의 제 2 실시예의 방법에 준하게 된다.

그리고, 절연성 세라믹은 다양한 종류가 사용될 수 있으며, 일반적으로는 알루미늄나이트라이드 분말, 보론나이트라이드 분말, 알루미나(Al2O3) 분말 중 적어도 어느 하나가 사용된다. 그리고, 지르코니아(ZrO2), 실리카(SiO2), 지르콘(ZrSiO4), 마그네시아(MgO), 이트륨(Y2O3), 코지라이트(2MgO·2Al2O3·5SiO2), β스포듀민(Li2O·Al2O3·4SiO2), 멀라이트(Al2O3·3SiO2), 티탄산알루미늄(Al2O3·TiO2)등도 사용될 수 있으며, 또한 포괄적으로는 산화알루미늄(Al oxide),탄산칼슘(CaCO3 ) 및 마이카([0056] Si)등도 사용 가능하다.

즉, 상기 소재의 입자는 열 전도성은 좋지만 전기 절연성을 가져 절연성 부착재로서 사용이 가능하게 된다.

10 : 인쇄 회로 패턴 20 : LED 소자
30 : 메탈 기판 40, 50 : 부착재
41 : 도전 부착재 23 : 댐
60 : 방열판 21 : 캡(실링재)
22 ; 와이어 23 ; 댐
31 : 방열 금속 충전부 32 : 전기 도전용 금속 충전부
33 : 방열 배선 패턴 34 : 전원 배선 패턴

Claims (2)

1. LED 소자, 와이어 및 LED 기판이 구비되어, LED 소자를 기판에 부착시킬 때,
   LED 소자 본체를 기판에 부착시킬 때에는 절연성 부착재를 사용하고,
   와이어를 기판에 부착시킬 때에는 전기 전도성 부착재를 사용하며,
   상기 절연성 부착재의 조성물은 수지, 저온 용융 세라믹 입자 및 세라믹입자을 혼합하여 만들고,
   상기 전도 전도성 부착재의 조성물은 수지, 저온 용융 세라믹 입자 및 은 입자를 혼합하여 만들어지는 것을 특징으로 하는 융착 방법을 사용한 LED 조명용 기판.
2. 제 1항에 있어서, 절연성 부착재 조성물 혹은 전기 전도성 부착재 조성물을 유기 용매와 혼합시키고, 상기 유기 용매와 혼합된 부착재를 기판 상단의 각각의 위치에 인쇄하고,
   1차 가열하여 유기 용매를 증발시키고,
   메탈 기판의 인쇄 회로 패턴 상단의 LED 소자가 장착되는 위치에 LED 칩을 부착 시킨 다음 저기압 환경하에서 250∼300℃로 가열하고,
   상기 유기 용매와 혼합된 부착재를 메탈 기판이 부착되는 위치의 방열판에 도포하고, 1차 가열하여 유기 용매를 증발 시키고,
   메탈 기판이 부착되는 위치의 방열판에 메탈 기판을 부착시킨 다음 저기압 환경하에서 250∼300℃로 가열하는 것을 특징으로 하는 융착 방법을 사용한 조명용 LED 기판.

Images