KR20190006936A

KR20190006936A - 고출력 led용 방열 기판

Info

Publication number: KR20190006936A
Application number: KR1020180102565A
Authority: KR
Inventors: 전현정
Original assignee: 주식회사 제이티엔유; 이병록
Priority date: 2018-08-30
Filing date: 2018-08-30
Publication date: 2019-01-21
Also published as: KR101976627B1

Abstract

본 발명은 금속층간 박리현상을 최소화할 수 있으며, 열전도율을 향상시킬 수 있는 고출력 LED용 방열 기판에 관한 것으로, 몰리브덴, 몰리브덴-구리합금, 텅스텐, 텅스텐-구리합금 중에서 선택되는 금속으로 이루어진 제1 금속층, 일면이 상기 제1 금속층의 양면에 각각 형성되며, 구리, 구리합금, 알루미늄, 알루미늄 합금 중에서 선택되는 금속으로 이루어진 제2 금속층, 일면이 상기 제2 금속층의 타면에 각각 형성되며, 니켈, 니켈합금, 코발트, 코발트 합금, 아연, 아연합금, 주석, 주석합금 중에서 선택되는 금속으로 이루어진 제3 금속층 및 일면이 상기 제3 금속층의 타면에 각각 형성되며, 금, 금 합금, 은, 은 합금, 백금합금 중에서 선택되는 금속으로 이루어진 제4 금속층;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

고출력 LED용 방열 기판{Heat radiating substrate for high power LED}

본 발명은 금속층간 박리현상을 최소화 할 수 있으며, 열전도율을 향상시킬 수 있는 고출력 LED용 방열 기판에 관한 것이다.

조명의 광출력을 높이기 위해서는 LED에 높은 전력을 인가해야하나, LED에 전력을 높이 인가할수록 발열량이 높아져 효율이 떨어지게 된다. 이때, 발생된 열은 방출되지 못하면 LED 소자의 온도를 상승시키며, LED 소자의 수명을 저하시키게 된다.

이에 따라, LED 소자 내부에서 발생하는 열을 배출하기 위해 LED 칩 뒤에 방열판을 부착하거나, LED 칩의 패키지 바닥에 열전도 특성이 좋은 재료를 사용하여 LED 소자 내부의 열을 외부로 방출하는 방식이 적용되고 있다.

최근에는 방열효율을 증가시키기 위해 LED 소자에 전원을 공급하는 금속제 리드프레임의 형태를 변형시키거나, 금속제 기판을 사용하는 등 다양한 방식이 연구 개발되고 있다.

일반적으로 LED 기판으로 사파이어 기판이 사용되고 있으나, 사파이어 기판은 열전도성이이 우수하지 않으며, 열에 의해 변형되어 뒤틀리거나 파손될 위험이 있다. 이에 따라, 우수한 열전도성, 열에 의한 뒤틀림이나 휨이 적은 금속제 방열기판 즉, 메탈 기판이 사용되고 있다.

이와 관련하여 한국 공개특허공보 제10-2014-0086373호에서는 몰리브덴으로 이루어지는 코어재의 양면에 열전도성이 우수한 다층의 금속층을 코팅한 형태의 LED용 웨이퍼에 대해 개시하고 있다.

하지만, 상기와 같은 선행문헌의 경우 몰리브덴층의 양면에 열전도율이 비교적 낮은 니켈이 도금되어 있어 방열특성이 좋지 못하다는 문제점이 있다.

또한, 몰리브덴의 표면에 구리를 코팅할 경우, 몰리브덴과 구리의 밀착성이 좋지 못해 몰리브덴층 및 구리층간의 박리현상 또는 들뜸현상이 발생한다는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 열전도율을 향상시킬 수 있음과 동시에 코팅된 금속층간의 박리현상을 최소화할 수 있는 고출력 LED용 방열기판을 제시하는 데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 고출력 LED용 방열 기판은 몰리브덴으로 이루어진 제1 금속층, 일면이 상기 제1 금속층의 양면에 각각 형성되며, 구리로 이루어진 제2 금속층, 일면이 상기 제2 금속층의 타면에 각각 형성되며, 아연으로 이루어진 제3 금속층 및 일면이 상기 제3 금속층의 타면에 각각 형성되며, 금으로 이루어진 제4 금속층을 포함하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 제2 금속층은 스퍼터링 방식으로 상기 제1 금속층의 양면에 각각 코팅되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제2 금속층의 구리는 탄소가 함유되어 있으며, 상기 제2 금속층은 상기 제1 금속층의 양면을 구리로 스퍼터링 코팅된 후, 상기 스퍼터링으로 코팅된 층에 탄소가 함유된 구리 금속층이 도금되어 형성되는 것을 특징으로 한다.

그리고 상기 제3 금속층의 아연은 실리콘카바이드가 함유되어 있는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 본 발명에 따른 고출력 LED용 방열 기판은 몰리브덴층의 양면에 열전도율이 높은 구리를 스퍼터링 방식으로 증착시킴으로써 몰리브덴층과 구리층 사이의 밀착력을 향상시킴과 동시에 방열 기판의 열전도율을 향상시킬 수 있다는 이점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 고출력 LED용 방열 기판의 단면을 나타낸 단면도.

이하, 본 발명의 기술적 사상을 첨부된 도면을 사용하여 더욱 구체적으로 설명한다.

첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상을 더욱 구체적으로 설명하기 위하여 도시한 일예에 불과하므로 본 발명의 기술적 사상이 첨부된 도면의 형태에 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명에 따른 고출력 LED용 방열 기판의 단면을 나타낸 단면도이다. 도 1에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 고출력 LED용 방열기판은 제1 금속층, 제2 금속층, 제3 금속층 및 제 4 금속층을 포함한다.

제1 금속층(100)은 몰리브덴, 몰리브덴-구리합금, 텅스텐, 텅스텐-구리합금에서 선택되는 금속으로 이루어져있다. 제1 금속층(100)은 방열 기판(1)의 중심이 되는 베이스 금속층으로 열전도율이 높으며, 열팽창계수가 낮은 금속을 활용하는 것이 바람직하다.

몰리브덴은 열전도율은 300K에서 138W/(mK)이고, 열팽창계수는 25℃에서 4.8 ㅅm/(mㅇK)이다. 텅스텐의 열전도율은 300K에서 173W/(mK)이고, 열팽창계수는 25℃에서 4.5 ㅅm/(mㅇK)이므로 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W) 및 이들의 구리합금은 열전도율이 높고 열팽창률이 낮아 방열판으로 사용하기 적합하다. 하지만, 텅스텐은 고가의 금속이므로 비교적 가격이 저렴한 몰리브덴을 사용하는 것이 바람직하다.

그리고 제2 금속층(200)은 일면이 제1 금속층(100)의 양면에 각각 형성된다. 즉, 제1 금속층(100)의 양면에 코팅된다. 이때, 제2 금속층(200)은 제1 금속층(100)보다 열전도율이 높은 구리, 구리합금, 알루미늄, 알루미늄 합금 중에서 선택되는 금속으로 이루어진다. (구리의 열전도율: 401W/mK, 알루미늄의 열전도율: 237W/mK, 300K기준). 제2 금속층(200)은 제1 금속층(100)보다 열전도율이 높은 금속을 활용하므로 제1 금속층(100)을 통해 전달되는 열을 더 효율적으로 방출할 수 있게 된다.

그리고 제2 금속층(200)은 열전도율이 높은 구리를 사용하는 것이 가장바람직하며, 열전도율을 더 향상시키기 위해 구리 코팅 시, 탄소(흑연)을 첨가하여 코팅할 수 있다.

또한, 구리 및 알루미늄은 몰리브덴 또는 텅스텐에 대한 도금층 형성이 어려운 바, 제1 금속층(100)과의 박리를 방지하고 밀착력을 향상시키기 위해 제2 금속층(200)은 스퍼터링 방식으로 코팅되는 것이 바람직하다. 스퍼터링 방식으로 제1 금속층(100)의 양면을 코팅하는 경우에는 탄소가 함유된 형태로 코팅층을 형성할 수 없으므로, 제1 금속층(100)의 양면을 스퍼터링으로 코팅한 후, 스퍼터링으로 형성된 층을 도금 하지층으로 하여, 추가로 탄소가 함유된 금속층을 형성할 수 있다.

또한, 제1 금속층(100)의 양면은 건식 표면처리 후 제2 금속층(200)이 도금으로 형성될 수 있다. 도금으로 제2 금속층(200)을 코팅하는 경우, 제1 금속층(100) 및 제2 금속층(200)간의 박리현상이 발생할 수 있으므로, 이를 최소화 하고자 제2 금속층(200)이 도금으로 형성되는 경우에는 제1 금속층(100)의 양면을 전처리 해주는 것이 바람직하며, 이때 건식 표면처리로는 플라즈마 에칭처리 해주는 것이 바람직하다.

한편, 제2 금속층(200)은 코팅 된 후, 제3 금속층(300)과의 밀착성을 향상시키기 위해 표면을 화학적으로 처리하는 과정을 거친다. 이때, 제2 금속층(200)은 알칼리 침지 탈지액에 온도 50도 처리 시간 10분이상 침지하여 표면 이물질을 제거한 후, 가성소다 50~200g/L, 상온에서 전류 밀도 5~20A/dm2, 10~200초간 전해 탈지 후 1~10% 황산, 또는 염산에서 표면 활성화 처리된다.

제3 금속층(300)은 일면이 제2 금속층(200)의 타면에 각각 형성된다. 즉, 샌드위치 형상으로 제2 금속층(200)의 타면에 형성된다. 이때, 제3 금속층(300)은 제2 금속층(200) 타면에 도금으로 형성되며, 니켈, 니켈합금, 코발트, 코발트 합금, 아연, 아연합금, 주석, 주석합금 중에서 선택되는 금속으로 이루어진다. 제3 금속층(300)은 접착층 및 금속 보호층으로 사용될 제4 금속층(400)과 제2 금속층(200)간의 밀착성을 향상을 향상시키고 금속층간의 박리를 방지하기 위한 것으로 다른 도금의 하지로서 용이한 니켈을 사용하는 것이 가장 바람직하다. 이때, 열전도율을 높이기 위해 아연을 도금할 수 있으며 아연 도금 시, 도금액에 전도율이 높은 실리콘카바이드를 첨가하여 도금할 수 있다.

한편 제3 금속층(300)은 도금 하지로서 도금되는 것이므로 제2 금속층(200)보다 얇게 도금된다.

한편, 제3 금속층(300)에 니켈이 무전해 도금될 때는 균일한 도금막을 형성하기 위한 도금액으로 Nickel Sulfate 0.05~0.20mol, Sodium Hypophoshite 0.05~0.2mol, Sodium Acetate 0.01~0.10mol를 투입 후 나머지 증류수로 1L 제조한 용액을 사용하되, 도금 시, 온도를 90℃ 상승시킨 고 pH 측정 후 10% H2SO4로 pH 5까지 보정 후, 10~15분 무전해 도금 실시하는 것이 바람직하다.

그리고, 제3 금속층(300)에 니켈이 전해 도금 될 때는, 균일한 도금막을 형성하기 위해 도금액으로는 Nickel sulfamate 300~450g, Nickel chloride 20~30g, Boric acid 30~45g 와, wetting agent, Anti-pitter, Brightener를 1~5ml 첨가한 후, 나머지를 증류수로한 1L용액을 사용한다. 그리고 45 ~ 55 ℃의 온도에서 펄스전류를 활용하여 전기도금 하되, 전류밀도 는 2~10ASD, 주파수 1k ~ 2kHz, Duty ratio 60~70%, Peak current 6ASD 의 조건에서 도금하는 것이 바람직하다. 이와 같은 조건에서 전기 도금된 니켈층의 평균두께는 2.32㎛이며, 표준편차 : 0.09㎛로 매우 균일하게 도금되는 것으로 나타났다.

제4 금속층(400)은 보호 금속층 및 접착층으로, 제4 금속층(400) 상측 및 하측에 적층된 제1 금속층(100) 내지 제3 금속층(300)을 보호하고, LED소자와 접합 시, 접착층의 역할을 한다. 따라서 제 4금속층은 제3 금속층(300)의 타면에 각각 도금되며, 샌드위치 형상으로 제4 금속층(400)의 내측으로 제1 금속층(100) 내지 제3 금속층(300)이 도금되어 있다.

이때, 제4 금속층(400)은 반응성이 낮은 금, 금 합금, 은, 은 합금, 백금 합금 중에서 선택되는 금속으로 이루어지며, 상기 금속들은 고가의 금속들이며, 단순히 코팅 및 접착을 위해 도금되므로 제4 금속층(400)은 제3 금속층(300)에 비해 두께가 얇은 것이 바람직하다. 열전도율을 향상시키기 위해서는 은을 사용하는 것이 가장 바람직하다.

그리고 제4 금속층(400)에 금이 도금될 때는 균일한 도금막을 형성하기 위해 도금액으로는 KAu 12~15 g, citric acid 90~115g, cobalt sulfate(or accetate)0.1 g을 첨가한 후 나머지를 증류수로한 1L용액을 사용한다. 이때, 용액의 pH는 3.6에서 4.7 사이 인 것이 바람직하다. 그리고 40 ~ 65 ℃의 온도에서 펄스전류를 활용하여 전기도금 하되, 전류밀도 1~2ASD, 주파수 1k ~ 2kHz, Duty ratio 60~70%, Peak current 1.5ASD 의 조건에서 도금하는 것이 바람직하다. 이와 같은 조건에서 전기 도금된 니켈층의 평균두께는 0.26㎛이며, 표준편차 : 0.09㎛로 매우 균일하게 도금되는 것으로 나타났다.

한편, 제 금속층 및 제4 금속층(400)은 도금을 통해 형성될 수 있으므로, 제3 금속층(300) 및 제4 금속층(400)의 도금 시, 도금액에 방열 기판(1)의 열전도율을 향상시킬 수 있는 첨가제를 첨가할 수 있다. 이때 도금액에 첨가되는 첨가제로 열전도율이 높은 흑연 및 실리콘 카바이드가 사용될 수 있다.

즉, 방열 기판(1)의 열전도율을 높이기 위해 제3 금속층(300) 및 제4 금속층(400)을 도금하기 위한 도금액에는 흑연 및 실리콘카바이드가 분산되어 있다.

한편, 제4 금속층(400)의 표면 조도(Ra)는 0.03μm이하이다. 이는 방열판의 반사율을 향상시키기 위한 것으로, LED의 광효율을 향상시킬 수 있다. 이때, 제4 금속층(400)의 표면 조도를 낮추기 위해 외부로 노출되는 제4 금속층(400)의 표면은 화학적 및 기계적 연마작업이 수행된다. 이때, 표면조도 0.03μm은 일반적인 거울의 표면조도와 같은 수치로, 제4 금속층(400)의 표면 조도가 0.03μm를 초과하게 되면 LED의 방열 기판(1)으로 방출되는 빛을 충분히 반사하지 못하므로 광효율이 떨어질 우려가 있다.

제1 금속층(100), 제2 금속층(200), 제3 금속층(300) 및 제4 금속층(400)의 금속 종류에 따른 방열기판의 열전도율을 실험한 내용은 아래와 같다.

<실험예1>

본 실험예 1에서는 본 발명에 따른 고출력 LED용 방열 기판의 제1 금속층과 제2 금속층사이에 니켈층의 도금여부에 따른 열전도율을 실험하였다.

본 실험예 1에서는 제1 금속층으로 몰리브덴 및 텅스텐을 사용하였고, 제2 금속층은 구리, 제3 금속층은 니켈, 제4 금속층은 금을 사용한 방열 기판(실시예 1, 실시예 2)과, 제1 금속층 및 제2 금속층 사이에 니켈층을 도금한 방열 기판(실시예 3)과, 니켈층을 도금한 방열기판의 열전도율을 향상시키기 위해 제2 금속층 및 제3 금속층을 구리 합금 및 니켈합금을 사용한 방열기판(실시예 4)에 대해 열전도율을 측정하였다. 이때, 열전도율은 열전도율 측정기(Checker HC-10)를 사용하여 측정하였다.

	제1 금속층	니켈층	제2 금속층	제3 금속층	제4 금속층	열전도율 (W/mK)
실시예 1	Mo	-	Cu	Ni	Au	281.8
실시예 2	W	-	Cu	Ni	Au	288.3
실시예 3	Mo	Ni	Cu	Ni	Au	244.8
실시예 4	Mo	Ni	Cu-C	Ni-W	Au	274.2

상기 표 1에 기재된 바와 같이, 제1 금속층 및 제2 금속층 사이에 니켈층이 도금된 방열 기판의 경우, 실시예1 및 실시예 2에 비해 열전도율이 떨어지는 것을 확인할 수 있었다. 특히, 실시예 4의 경우 열전도율을 높이기 위해 구리에 탄소를 첨가하였으며, 니켈-텅스텐 합금을 사용했음에도 불구하고 실시예1 보다 열전도율이 낮게 측정되었다.이에 따라, 방열 기판의 열전도율을 향상시키고자 하는 경우, 제1 금속층에 니켈층을 도금하는 것보다, 제1 금속층의 양면에 구리를 코팅시키는 것이 바람직함을 알 수 있다.

<실험예 2>

본 실험예 2에서는 본 발명에 따른 고출력 LED용 방열 기판의 제2 금속층 및 제3 금속층의 합금화에 따른 열전도율을 실험하였다.

제1 금속층으로는 몰리브덴을 사용하고, 제2 금속층으로는 구리를 사용하고, 제3 금속층으로는 니켈을 사용하고, 제4 금속층으로 금을 사용하였으며(실시예 5), 제2 금속층에 탄소가 함유된 구리를 사용한 방열 기판(실시예 6)과, 제3 금속층에 니켈-텅스텐 합금을 사용한 방열 기판(실시예 7)의 열전도율을 측정하였다. 이때, 열전도율은 열전도율 측정기(Checker HC-10)를 사용하여 측정하였다.

	제1 금속층	제2 금속층	제3 금속층	제4 금속층	열전도율 (W/mK)
실시예 5	Mo	Cu	Ni	Au	288.3
실시예 6	Mo	Cu-C	Ni	Au	304.6
실시예 7	Mo	Cu	Ni-W	Au	289.4

상기 표 2에 기재된 바와 같이, 제2 금속층을 탄소가 함유된 구리합금을 쓰는 것이 가장 열전도율이 높게 나온 것을 확인할 수 있었다. 니켈-텅스텐 합금을 사용한 경우에도 열전도율이 증가하였으나, 탄소가 함유된 구리합금을 사용한 것보다는 낮은 수치였다.이에 따라, 제2 금속층에는 탄소가 함유된 구리를 사용하는 것이 방열 기판의 열전도율을 극대화할 수 있다는 것을 알 수 있다.

<실험예 3>

본 실험예 3에서는 본 발명에 따른 고출력 LED용 방열 기판의 제3 금속층으로 니켈대신 아연, 아연합금, 주석을 사용함에 따른 열전도율을 실험하였다.

제1 금속층으로는 몰리브덴을 사용하고, 제2 금속층으로는 구리를 사용하고, 제3 금속층으로 아연(실시예 8), 아연-실리콘카바이드(실시예 9), 구리-아연 합금(실시예 10), 주석(실시예11)사용하고, 제 4 금속층으로는 금을 사용하였다. 아연-실리콘카바이드(실시예 9)를 사용하는 경우에는 열전도율을 극대화하기 위해 제4 금속층으로 은을 사용하였다.

	제1 금속층	제2 금속층	제3 금속층	제4 금속층	열전도율 (W/mK)
실시예 1	Mo	Cu	Zn	Au	274.4
실시예 2	Mo	Cu	Zn-SiC	Ag	301.5
실시예 3	Mo	Cu	Cu-Zn	Au	279.3
실시예 4	Mo	Cu-C	Sn	Au	267.2

상기 표 3에 도시된 바와 같이, 제3 금속층으로 아연을 사용하면, 니켈을 사용한 것보다 열전도율이 향상되는 것을 확인할 수 있었으며, 특히 아연-실리콘카바이드 합금을 사용하며, 제4 금속층으로 은을 사용하는 경우 열전도율이 매우 높아지는 것을 확인할 수 있었다. 제3 금속층으로 주석을 사용하는 경우, 열전도율이 향상되기는 하나, 아연에 비해 높은 수치는 아닌 것으로 확인되었다.이에 따라, 제3 금속층으로 아연-실리콘카바이드 합금을 사용하면서, 제4 금속층으로 은을 사용하는 것이 열전도율을 극대화할 수 있다는 것을 알 수 있다.

이에 따라, 제2 금속층은 코팅될 때, 탄소를 첨가하여 코팅되며, 제3 금속층은 실리콘 카바이드가 첨가된 도금액을 활용하여 도금되는 방열 기판의 열전도율을 극대화할 수 있다는 것을 알 수 있다.

상기 실험예들은 예시일 뿐이며, 제2 금속층 및 제3 금속층에는 열전도율을 향상시키기 위해 다양한 첨가제가 첨가될 수 있다.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.

1: 방열 기판
100: 제1 금속층
200: 제2 금속층
300: 제3 금속층
400: 제4 금속층

Claims

몰리브덴으로 이루어진 제1 금속층;
일면이 상기 제1 금속층의 양면에 각각 형성되며, 구리로 이루어진 제2 금속층;
일면이 상기 제2 금속층의 타면에 각각 형성되며, 아연으로 이루어진 제3 금속층;및
일면이 상기 제3 금속층의 타면에 각각 형성되며, 금으로 이루어진 제4 금속층;을 포함하며,
상기 제2 금속층의 구리는 탄소가 함유되어 있으며,
상기 제3 금속층의 아연은 실리콘카바이드가 함유되어 있으며,
상기 제2 금속층은 스퍼터링 방식으로 상기 제1 금속층의 양면에 각각 코팅되며,
상기 제2 금속층은 상기 제1 금속층의 양면을 구리로 스퍼터링 코팅된 후, 상기 스퍼터링으로 코팅된 층에 탄소가 함유된 구리 금속층이 도금되어 형성되는 것을 특징으로 하는 고출력 LED용 방열 기판.