KR20180117846A - 주형을 이용한 일체형 히트싱크 제조방법 - Google Patents

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Abstract

방열특성이 우수한 히트싱크 일체형 소자 모듈을 제조할 수 있는 히트싱크 일체형 소자 모듈 제조방법이 제안된다. 본 발명에 따른 히트싱크 일체형 소자 모듈 제조방법은 기판의 일면에 히트싱크를 직접 형성하는 히트싱크 형성단계; 및 기판의 타면에 소자를 실장하는 소자실장단계;를 포함한다.

Description

주형을 이용한 일체형 히트싱크 제조방법{Manufacturing method of integral heat sink using mold}
본 발명은 히트싱크 일체형 소자 모듈 제조방법 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 상세하게는 방열특성이 우수한 히트싱크 일체형 소자 모듈을 제조할 수 있는 히트싱크 일체형 소자 모듈 제조방법에 관한 것이다.
고출력 LED와 같은 소자는 방열 성능에 따라 신뢰성 및 광효율의 변화가 크다. 즉, LED 모듈에서는 LED에서 발생되는 발열현상으로 인하여, 광출력저하가 발생되거나 신뢰성 문제가 빈번히 발생한다. 따라서, LED 모듈의 과열을 방지하기 위하여 높은 수준의 발열성능이 요구된다.
종래 사용된 방열방법에서는 LED 칩이 패키징된 LED 패키지를 인쇄회로기판에 실장하고, 인쇄회로기판의 하면에 히트싱크를 부착하여 방열을 수행하였다. 이와 같은 기술에 따르면, LED 칩에서 발생되는 열이 LED 패키지의 패키지 기판 및 인쇄회로기판을 거쳐 히트싱크로 전달된다. 그러나 이 경우, 열의 전달 경로에 다수의 기판 및 부품이 존재하게 되어 이들의 열 저항이 모두 작용하게 되어 열 저항이 커지게 된다. 결과적으로 LED 칩에서 발생되는 열이 효과적으로 방출되지 못하는 문제가 있었다.
특히, 히트싱크가 인쇄회로기판에 부착되기 위하여 접착물질이 사용되는데 이러한 접착물질로서 열전도성이 있는 열전도성 계면물질(Thermal Interface Material, TIM)을 사용한다. 도 1은 LED 패키지(14)가 실장된 메탈 코어 PCB(11,12,13)의 단면도이고, 도 2는 TIM(16)이 도포된 히트싱크(15)이며, 도 3은 LED 패키지(14)가 실장된 메탈 코어 PCB(11,12,13)와 TIM(16)이 도포된 히트싱크(15)가 결합된 상태의 LED 모듈(10)을 도시한 도면이다. 도 1의 LED 패키지(14)가 실장된 메탈 코어 PCB(11,12,13)와 도 2의 TIM(16)이 도포된 히트싱크(15)를 결합하기 위하여 도 2의 히트싱크(15) 상에는 TIM층(16)이 형성되어 있고, 이에 따라 최종적으로 제조된 LED 모듈(10)에는 TIM층(16)이 위치하게 된다.
TIM은 LED와 같은 발열소자와 히트싱크(Heat sink) 사이에 장착하여 발열소자의 열을 히트싱크으로 전도하여 히트싱크에서 열을 방출하도록 중간에서 열을 전도하는 기능의 계면물질을 말한다. TIM에는 방열그리스(Thermal Grease), 방열에폭시 접착제(Thermal Bond), 방열패드(Thermally Conductive Silicone Pad), 방열테이프(Thermally Conductive Adhesive Tape), 흑연시트(Graphite Sheet), 또는 PCM(Thermally Conductive Phase Change Material) 등이 있다. 방열에 큰 영향을 미치는 TIM의 경우, 고열전도성일수록 고가이다.
기존의 히트싱크가 결합된 LED 모듈에서 방열성능을 저하시키는 주요한 원인으로는 메탈 코어 PCB의 절연층과 TIM의 낮은 열전도성이 지목되고 있다. 또한, TIM을 이용하여 히트싱크과 결합할 경우 PCB와 히트싱크 사이에 공극이 발생하기 쉽고 이러한 공극들 또한 방열 성능을 저하시킨다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 방열특성이 우수한 히트싱크 일체형 소자 모듈을 제조할 수 있는 히트싱크 일체형 소자 모듈 제조방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 히트싱크 일체형 소자 모듈 제조방법은 기판의 일면에 히트싱크를 직접 형성하는 히트싱크 형성단계; 및 기판의 타면에 소자를 실장하는 소자실장단계;를 포함한다.
소자는 LED 패키지 소자일 수 있다.
히트싱크 형성단계는 기판의 일면에 히트싱크 형상의 주형을 위치시키는 단계; 및 주형에 방열물질을 채우는 단계;를 포함할 수 있다.
방열물질은 고분자 수지 및 방열필러를 포함할 수 있다.
방열필러는 카본블랙, 그라파이트, 카본나노튜브, 그래핀 및 금속 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
주형은 실리콘 화합물일 수 있다.
주형은 열가역성 화합물을 포함하여, 방열물질을 채우는 단계 이후에, 가열로 제거될 수 있다.
주형은 3D프린터에 의해 형성될 수 있다.
기판에는 소자가 실장되는 영역에 관통홀이 형성되어 있고, 히트싱크는 관통홀까지 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 기판; 기판의 일면에 위치하는 소자; 및 소자로부터 발생한 열을 외부로 방출하기 위한 히트싱크로서, 기판의 타면에 직접 형성된 히트싱크;를 포함하는 히트싱크 일체형 소자 모듈이 제공된다.
본 발명의 또다른 측면에 따르면, 소자의 일면에 히트싱크 형상의 주형을 위치시키는 단계; 및 주형에 방열물질을 채우는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 히트싱크 일체형 소자 모듈제조방법이 제공된다. .
본 발명의 또다른 측면에 따르면, 기판; 기판의 일면에 위치하는 소자; 및 소자로부터 발생한 열을 외부로 방출하기 위한 히트싱크로서, 소자의 표면에 직접 형성된 히트싱크;를 포함하는 히트싱크 일체형 소자 모듈이 제공된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, 소자가 실장된 기판 타면에 주형을 이용하여 원하는 형상의 히트싱크가 직접 형성되기 때문에 TIM과 같이 방열효과에 불리한 영향을 미치는 계면물질사용이 불필요하고 계면에 공극발생을 최소화할 수 있어 제조된 모듈의 방열효과를 극대화할 수 있는 효과가 있다.
또한, 기판에 관통홀을 형성한 후 타면에 히트싱크형성물질로 관통홀을 채우게 되면 소자와 히트싱크가 직접 연결될 수 있어 1회의 공정으로 소자로부터 발생하는 열이 직접 히트싱크에 전달되는 연결부가 형성되어 방열효과가 더욱 우수한 효과가 있다.
아울러, 3D 프린팅 방식으로 히트싱크용 주형을 제작하면 형상이 자유롭고, 표면적을 최대화할 수 있어 방열특성을 개선시킬 수 있는 효과가 있다.
나아가, 본 발명에 따라 제조된 히트싱크는 종래 알루미늄 등으로 제작되었던 금속히트싱크보다 중량이 작아 전체 소자 모듈의 경량화가 가능한 효과가 있다.
이외에, TIM을 이용하여 기판과 히트싱크를 결합하는 공정단계가 생략되므로 공정시간 및 재료비가 절감되어 공정효율이 증가되고 생산단가가 낮아지는 효과가 있다.
도 1은 LED 패키지가 실장된 메탈 코어 PCB의 단면도이고, 도 2는 TIM이 도포된 히트싱크이며, 도 3은 LED 패키지가 실장된 메탈 코어 PCB와 TIM이 도포된 히트싱크가 결합된 상태의 LED 모듈을 도시한 도면이다.
도 4 내지 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 히트싱크 일체형 소자 모듈 제조방법의 설명에 제공되는 도면들이다.
도 8 내지 도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 히트싱크 일체형 소자 모듈 제조방법의 설명에 제공되는 도면들이다.
도 12 내지 도 14는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 히트싱크 일체형 소자 모듈 제조방법의 설명에 제공되는 도면들이다.
도 15 내지 도 18은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 히트싱크 일체형 소자 모듈 제조방법의 설명에 제공되는 도면들이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시형태는 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 첨부된 도면에서 특정 패턴을 갖도록 도시되거나 소정두께를 갖는 구성요소가 있을 수 있으나, 이는 설명 또는 구별의 편의를 위한 것이므로 특정패턴 및 소정두께를 갖는다고 하여도 본 발명이 도시된 구성요소에 대한 특징만으로 한정되는 것은 아니다.
도 4 내지 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 히트싱크 일체형 소자 모듈 제조방법의 설명에 제공되는 도면들이다. 본 실시예에 따른 히트싱크 일체형 소자 모듈 제조방법은 기판(110)의 일면에 히트싱크(161)를 직접 형성하는 히트싱크 형성단계; 및 기판(110)의 타면에 소자(140)를 실장하는 소자실장단계;를 포함한다.
히트싱크 형성단계와 소자실장단계는 어느 단계이든 먼저 수행가능하다. 예를 들어, 기판(110)의 일면에 히트싱크(161)를 형성하고, 후에 소자(140)를 실장할 수도 있고, 소자(140)가 실장된 기판(110)에 히트싱크(161)를 형성할 수도 있다.
기판(110)은 소자가 실장되는 기판으로서, 기판(110) 상에는 절연층(120) 및 소자의 전기적 연결을 위한 전극층(130)이 형성될 수 있다. 소자(140)는 특히 방열이 필요한 소자인 것이 바람직하며, 특히 소자(140)는 LED 패키지 소자일 수 있다.
도 4에서와 같이 기판(110) 상에 소자(140)가 실장되면, 소자(140)가 실장된 면을 하부에 위치하도록 하여, 타면에 히트싱크(161)를 형성한다. 본 실시예에서는 소자가 실장된 기판(110) 상에 히트싱크(161)를 형성하는 것으로 도시 및 설명하고 있으나, 전술한 바와 같이 기판(110)의 일면에 히트싱크(161)를 형성하고 타면에 소자(140)를 실장할 수도 있다.
기판(110)에 '직접' 히트싱크를 형성한다는 의미는 기판(110)과 히트싱크(161) 사이에 물질 매개없이 직접 접촉하도록 형성하는 것을 의미한다. 이에 따라 소자(140)의 동작에 따라 기판(110)에 전달된 열이 직접 히트싱크(161)로 전달되므로 방열효과가 극대화될 수 있다.
기판(110)에 직접 히트싱크(161)를 형성하기 위하여, 본 실시예에서는 도 5에서와 같이 기판(110)의 일면에 히트싱크 형상의 주형(150)을 위치시키고, 주형(150)에 방열물질(160)을 채워 형성할 수 있다.
히트싱크(161)를 형성하기 위한 방열물질(160)로는 열전도성이 높은 물질이 사용될 수 있다. 예를 들어, 방열물질(160)은 고분자 수지 및 방열필러를 포함할 수 있다. 본 발명에서 사용될 수 있는 방열필러는 유기물, 무기물 또는 금속과 이들의 혼합물일 수 있다. 히트싱크(161)의 열전도성과 함께 복사특성도 향상시키기 위해 방열필러에 복사특성이 우수한 카본계 물질, 예를 들면 카본블랙, 그라파이트, 카본나노튜브 또는 그래핀을 사용할 수 있다.
일반적으로 전기전도성물질이 열전도성이 더 좋기 때문에 전기 전도성을 가지는 전도성 페이스트를 방열물질(160)로 하여 히트싱크(161)를 제작하는 것이 바람직하다.
히트싱크(161)를 형성하기 위한 주형(150)은 내부에 형성하고자 하는 히트싱크(161)의 형상만큼 비어있는 상태로 제조되어, 히트싱크(161)가 완성되면 히트싱크(161)로부터 쉽게 분리될 수 있는 재질로 구현되는 것이 바람직하다. 또한, 대량생산에 적용되기 위하여 주형(150)은 반복 사용가능한 것이 바람직하다. 주형(150)은 실리콘 화합물일 수 있는데, 실리콘 화합물은 이형성과 재사용성이 우수하여 히트싱크(161) 제조 후에 히트싱크(161) 및 기판(110)으로부터 분리가 용이하고 다른 기판(110)에 다시 사용될 수 있다.
도 6에서와 같이 주형(150) 내에 방열물질(160)이 채워지면, 주형(150)은 제거된다(도 7). 이에 따라, 기판(110); 기판(110)의 일면에 위치하는 소자(140); 및 소자(140)로부터 발생한 열을 외부로 방출하기 위한 히트싱크(161)로서, 기판(110)의 타면에 직접 형성된 히트싱크(161);를 포함하는 히트싱크 일체형 소자 모듈(100)을 얻을 수 있다.
주형(150)은 내부에 기판(110)이 노출되도록 형성되므로, 방열물질(160)은 기판(110)과 직접적으로 접촉한다. 따라서, 히트싱크(161)와 기판(110) 사이에 공극발생이 최소화되어 방열효과가 높아진다.
도 8 내지 도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 히트싱크 일체형 소자 모듈 제조방법의 설명에 제공되는 도면들이다. 본 실시예에 따르면, 기판(110)은 소자(140)가 실장되는 영역에 관통홀(170)이 형성되어 있고, 히트싱크(161)는 관통홀(170)까지 형성될 수 있다.
본 실시예의 기판(110)은 관통홀(170)이 형성되어 있는데, 절연층(120)이 형성된 경우라면 절연층(120)까지 관통홀(170)이 형성되어 소자(140)가 실장된 면의 타면에 소자(140)이 하부가 노출되어 있다(도 8).
기판(110)에 형성된 관통홀(170)에 의해 소자(140)가 주형(150)이 위치할 기판(110)의 상부로 노출된 상태에서 방열물질(160)을 주형(150)에 채우게 되면, 물은 관통홀(170)을 채우게 된다(도 9). 방열물질(151)은 관통홀을 모두 채우게 되면 기판(110)에 히트싱크(161)로 형성되게 된다(도 10). 이에 따라, 최종적으로 형성된 히트싱크 일체형 소자 모듈(100)은 소자(140)와 히트싱크(161)가 관통홀(170)을 통해 직접적으로 연결된다(도 11). 따라서, 본 실시예에 따른 히트싱크 일체형 소자 모듈(100)은 소자(140)에서 발생하는 열이 절연층(120) 및 기판(110)을 통해 히트싱크(161)에 전달되는 것이 아니라 소자(140)의 열이 히트싱크(161)에 직접 전달되므로 보다 효과적인 방열특성을 나타낼 수 있다.
도 12 내지 도 14는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 히트싱크 일체형 소자 모듈 제조방법의 설명에 제공되는 도면들이다. 본 실시예에서는 주형(150)을 3D프린터(미도시)를 이용하여 기판(110) 상에 직접 형성한다.
본 발명에서는 FDM(Fused Deposition Modeling), SLA (Stereolithography), DLP (Digital Light Processing), BJ (Binder Jetting), MJ (Material Jetting / Wax Casting)방식 등 다양한 3D 프린팅 방식을 이용하여 주형(150)을 형성할 수 있다.
본 발명에서는 기판(110)의 일면에 TIM물질의 매개없이 직접 히트싱크(161)를 형성하여 히트싱크 일체형 소자 모듈(100)을 제조한다. 따라서, 3D프린터(미도시)를 이용하여 주형(150)을 제작하면, 도 12에서와 같이 주형내부형상(151)은 보다 자유로운 형상으로 제조가능하다. 이에 따라 더욱 다양하고 복잡한 돌기 형성이나 세밀한 형상 형성이 가능하여 방열특성을 결정하는 표면적의 극대화가 가능하고 방열효과 대비 히트싱크가 차지하는 면적을 최소화할 수 있어 히트싱크 일체형 소자 모듈(100)의 소형화가 가능하다.
이 때, 주형(150)은 히트싱크(161) 형성 후(도 13) 제거되는 것이 바람직한데, 본 실시예에서와 같이 주형내부형상(151)이 복잡하고 크고 작은 돌기들이 다수 형성되어 있으면 도 5에서와 같이 내부가 평평한 주형(150)을 제거하는 경우보다 어려울 수 있다. 따라서, 주형(150)을 열가역성 화합물로 구현하는 경우 방열물질(160)을 주형(150)에 채운 후에 가열하여 주형(150)을 쉽게 제거할 수 있다(도 14). 본 발명에서 사용할 수 있는 열가역성 화합물은 가열에 의해 가교결합이 분리되고, 온도가 낮아지면 다시 가교결합할 수 있는 화합물이라면 어떤 것이든 사용될 수 있다.
도 15 내지 도 18은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 히트싱크 일체형 소자 모듈 제조방법에 따라 제조된 히트싱크 일체형 소자 모듈의 단면도이다. 본 실시예에서는 소자(140)의 일면에 히트싱크 형상의 주형(150)을 위치시키는 단계; 및 주형(150)에 방열물질(160)을 채우는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 히트싱크 일체형 소자 모듈제조방법이 제공된다. 본 실시예에서는 기판(110) 상의 소자(140) 표면에 직접 히트싱크(161)를 형성한다.
소자(140)가 CPU나 GPU와 같이 발열량이 높고, 면적이 넓은 경우에는 소자(140)가 실장된 기판(110)의 후면에 히트싱크를 결합하는 것보다는 소자(140)표면에 직접 히트싱크(161)를 형성하는 것이 바람직하다(도 15). 따라서, 도 16과 같이 소자(140)의 면적에 적당한 크기의 주형(150)을 위치시키고, 주형(150)에 방열물질(160)을 채우게 되면(도 17), 히트싱크(161)는 기판(110)이 아닌 소자(140) 표면에 형성된다. 발열하는 소자(140)의 표면과 히트싱크(161)가 직접 접촉하고 있으므로 기판(110)을 통해 열이 전달되는 경우보다 방열효율은 극대화된다.
주형(150)을 제거하면, 기판(110); 기판(110)의 일면에 위치하는 소자(140); 및 소자(140)로부터 발생한 열을 외부로 방출하기 위한 히트싱크(161)서, 소자(140)의 표면에 직접 형성된 히트싱크(161);를 포함하는 히트싱크 일체형 소자 모듈(100)을 얻는다(도 18).
이상, 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
10 LED 모듈 11 기판
12 절연층 13 전극층
14 LED 패키지 100 히트싱크 일체형 소자 모듈
110 기판 120 절연층
130 전극층 140 소자
150 주형 151 주형 내부 형상
160 방열물질 161 히트싱크
170 관통홀

Claims (12)

  1. 기판의 일면에 히트싱크를 직접 형성하는 히트싱크 형성단계; 및
    상기 기판의 타면에 소자를 실장하는 소자실장단계;를 포함하는 히트싱크 일체형 소자 모듈 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 소자는 LED 패키지 소자인 것을 특징으로 하는 히트싱크 일체형 소자 모듈 제조방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 히트싱크 형성단계는
    상기 기판의 일면에 상기 히트싱크 형상의 주형을 위치시키는 단계; 및
    상기 주형에 방열물질을 채우는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 히트싱크 일체형 소자 모듈 제조방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 방열물질은 고분자 수지 및 방열필러를 포함하는 것을 특징으로 하는 히트싱크 일체형 소자 모듈 제조방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 방열필러는 카본블랙, 그라파이트, 카본나노튜브, 그래핀 및 금속 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 히트싱크 일체형 소자 모듈 제조방법.
  6. 청구항 3에 있어서,
    상기 주형은 실리콘 화합물인 것을 특징으로 하는 히트싱크 일체형 소자 모듈 제조방법.
  7. 청구항 3에 있어서,
    상기 주형은 열가역성 화합물을 포함하여,
    상기 방열물질을 채우는 단계 이후에, 가열로 제거되는 것을 특징으로 하는 히트싱크 일체형 소자 모듈 제조방법.
  8. 청구항 3에 있어서,
    상기 주형은 3D프린터에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 히트싱크 일체형 소자 모듈 제조방법.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 기판에는 상기 소자가 실장되는 영역에 관통홀이 형성되어 있고,
    상기 히트싱크는 상기 관통홀까지 형성된 것을 특징으로 하는 히트싱크 일체형 소자 모듈 제조방법.
  10. 기판;
    상기 기판의 일면에 위치하는 소자; 및
    상기 소자로부터 발생한 열을 외부로 방출하기 위한 히트싱크로서, 상기 기판의 타면에 직접 형성된 히트싱크;를 포함하는 히트싱크 일체형 소자 모듈.
  11. 소자의 일면에 히트싱크 형상의 주형을 위치시키는 단계; 및
    상기 주형에 방열물질을 채우는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 히트싱크 일체형 소자 모듈 제조방법.
  12. 기판;
    상기 기판의 일면에 위치하는 소자; 및
    상기 소자로부터 발생한 열을 외부로 방출하기 위한 히트싱크로서, 상기 소자의 표면에 직접 형성된 히트싱크;를 포함하는 히트싱크 일체형 소자 모듈.
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