WO2010071290A1 - 방열구조 엘이디모듈 - Google Patents

방열구조 엘이디모듈 Download PDF

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WO2010071290A1
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heat
substrate
heat dissipation
led package
transfer medium
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PCT/KR2009/004575
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지광춘
공재영
김진헌
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(주)휴먼세미컴
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    • F21Y2115/00—Light-generating elements of semiconductor light sources
    • F21Y2115/10—Light-emitting diodes [LED]

Definitions

  • the present invention relates to an LED module having a heat dissipation structure, and more particularly, to radiate heat of the LED package 10 and the substrate 100 by coupling the heat dissipation means to the substrate 100 on which the LED package 10 is mounted.
  • the present invention relates to a heat dissipation structure LED module that maintains a constant temperature range by reducing the temperature fluctuation even when the LED package 10 is repeatedly turned on and off.
  • An LED (light-emitting diode) device is a photoelectric conversion device in which an N-type semiconductor and a P-type semiconductor are bonded. As shown in FIG. 1, a light-emitting diode (LED) device may be mounted on a circuit pattern printed on a substrate 100. The LED package 10 is manufactured.
  • LED light-emitting diode
  • the general LED package 10 shown in FIG. 1 includes a lead frame 13 connected to an LED element 11 and a circuit pattern 110 printed on a substrate 100 by soldering 120. ), A wire 12 connecting between the LED element 11 and the lead frame 13, and a heat slug formed under the LED element 11 to absorb heat generated from the LED element 11. 14, a heat-slug, a molding frame 15 formed by molding the components so that only the connection portion of the lead frame 13 is exposed to the outside, and a composition on the LED element 11 It is configured to include a lens 16.
  • the LED package 10 configured as described above has a higher amount of luminous flux output as the temperature is kept lower even when the same power is consumed, and the lighting efficiency is increased accordingly, and the temperature at the time of lighting is kept below a certain temperature. Failure to do so may shorten the life of the LED element (11).
  • the LED module having a heat dissipation structure is completed.
  • a heat dissipation board 200 having a heat dissipation fin 210 may be used.
  • the conventional heat dissipation structure LED module is configured to absorb heat from the LED package 10 and the substrate 100 to the heat dissipation substrate 200 to be released into the air.
  • the heat dissipation rate is lowered because the heat conduction between them is not made quickly. That is, the heat of the heat dissipation substrate 200 is not rapidly conducted into the air of low density. Due to such a problem, in the state in which the LED package 10 is turned on, the temperature of the heat dissipation substrate 200 is continuously increased to lower the lighting efficiency of the LED package 10.
  • the heat dissipation substrate 200 absorbs heat to lower the temperature of the LED package 10 and the substrate 100, the heat dissipation substrate 200 is released as the heat stored in the heat dissipation substrate 200 is released at a slow rate. The amount of heat it can absorb is reduced. For this reason, as the lighting state of the LED element 11 continues, the temperature cannot be maintained below a desired value, thereby causing a problem in that the lighting efficiency is lowered and the life is shortened.
  • the air is forcedly blown to the heat dissipation passage 220 formed between the heat dissipation fins 210, the heat dissipation rate may be increased, but for this purpose, a separate air blowing means must be provided inside the luminaire. There was a difficulty to provide a ventilation means to the outside air.
  • an object of the present invention even if it is not provided with a separate blowing means or ventilating means to quickly release the heat of the heat radiation board 100, the heat dissipation structure that can maintain the temperature of the entire LED module within a certain range even when lit It is to provide an LED module.
  • the heat dissipation structure that can directly lower the LED package 10 by having a separate configuration that can quickly release heat to the upper surface of the substrate 100 on which the LED package 10 is mounted It is to provide an LED module.
  • the LED package 10 is mounted on the upper surface, for supplying power to the mounted LED package 10
  • a substrate 100 on which a circuit pattern is printed A heat dissipation substrate 200 coupled to an upper surface of the substrate 100 so as to be in close contact with each other to conduct heat from the substrate 100;
  • a lower heat transfer medium 400 stacked on the bottom surface of the heat dissipation substrate 200.
  • the heat dissipation substrate 200 includes a plurality of heat dissipation fins 210 formed on the bottom surface thereof so as to protrude downward, and the lower heat transfer medium 400 is disposed on the heat dissipation passage 220 between the heat dissipation fins 210. It may be characterized in that the filling.
  • the upper heat transfer medium 300 and the lower heat transfer medium 400 may be made of silicon or epoxy.
  • the present invention having the above characteristics, even without providing a blowing means or a ventilation means because it quickly absorbs the heat of the heat radiation substrate 100 to the lower heat transfer medium 400 to discharge into the air, the LED package 10 And it is possible to lower the temperature of the substrate 100, and to maintain the temperature during the repeated on and off the light within a certain range, it is possible to improve the lighting efficiency of the LED package 10 and ensure its life.
  • the present invention is configured to absorb the heat of the molding frame 15 and the lead frame 13 of the LED package 10 to the upper heat transfer medium 300, thereby assisting the heat dissipation function of the heat dissipation substrate 200.
  • the temperature of the LED package 10 can be maintained below a predetermined temperature.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of the LED module having a general heat dissipation structure.
  • Figure 2 is a cross-sectional view of the heat dissipation structure LED module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is a perspective view of a heat dissipation structure LED module according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 4 is a perspective view of a heat dissipation structure LED module according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a perspective view of a heat dissipation structure LED module according to another embodiment of the present invention.
  • Figure 6 is a graph showing the temperature distribution of the heat dissipation structure LED module according to an embodiment of the present invention and the LED module according to the prior art.
  • FIG. 7 is a graph showing a temperature change after the LED package of the heat dissipation structure LED module according to an embodiment of the present invention and the LED package of the LED module according to the prior art.
  • LED package 11 LED element 12: wire
  • heat dissipation substrate 210 heat dissipation fin 220: heat dissipation passage
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of a heat dissipation structure LED module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is a perspective view of a heat dissipation structure LED module according to an embodiment of the present invention.
  • the heat dissipation substrate 200 and the LED package 10 are mounted on the upper surface and the lower surface of the substrate 100 is tightly coupled to the upper surface of the heat dissipation substrate 200.
  • an upper heat transfer medium 300 and a lower heat transfer medium 400 stacked on the upper side and the lower side of the heat dissipation substrate 200 to which the substrate 100 is coupled.
  • the substrate 100 has an LED package 10 mounted on an upper surface thereof, and a circuit pattern that is electrically connected to an end of a lead frame of the mounted LED package 10 is printed. It is configured to supply power to the LED package 10 by a lead wire connected to.
  • the heat dissipation substrate 200 is configured to absorb heat generated when the LED package 10 is turned on through the substrate 100 and release the heat to the outside.
  • the heat dissipation substrate 200 has a plurality of heat dissipation fins 210 protruding downward. It is formed in the form of a plate provided on the surface.
  • the heat dissipation passage 220 which is an empty space, is formed between the heat dissipation fins 210.
  • the heat dissipation substrate 200 may be composed of a conventional heat dissipation substrate provided to dissipate heat of the LED package 10, and is generally made of an aluminum material having good thermal conductivity and light weight.
  • heat absorbed by the heat dissipation substrate 200 is discharged to the air through the heat dissipation fin 210 in a conductive form, and forced air is blown to the heat dissipation passage 220 between the heat dissipation fins 210 to increase the heat dissipation effect.
  • the air was flowed through the air to release heat in the form of conduction and convection.
  • the heat absorbed by the heat dissipation substrate 200 is not directly discharged into the air, but is discharged to the lower heat transfer medium 400 to be described later.
  • the substrate 100 may be attached to the heat dissipation substrate 200 with a bolt 130, or by applying a thermal conductive adhesive between the substrate 100 and the heat dissipation substrate 200. 200), and this type of attachment may be selectively applied by those skilled in the art.
  • the upper heat transfer medium 300 is formed on the upper surface of the heat dissipation substrate 200 to which the substrate 100 is attached to not only absorb heat from the upper surface of the heat dissipation substrate 200, but also the substrate 100. ) Absorbs heat from the lead frame of the LED package 10 and the molding frame 15.
  • the upper heat transfer medium 300 is to be filled in the space between the height of the upper surface of the heat dissipation substrate 200 and the height of the upper surface of the molding frame 15. Then, the substrate 100 and the lead frame 13 are recessed into the upper heat transfer medium 300, and the molding frame 15 with the lens 16 is exposed such that its upper surface is upwardly exposed. It has a form that is submerged in the upper heat transfer medium (300). Therefore, the heat of the substrate 100 and the lead frame 13 and the heat of the molding frame 15 (heat conducted by the heat slug 14) may be conducted to the upper heat transfer medium 300.
  • the lower heat transfer medium 400 is filled in a heat dissipation passage 220 formed between adjacent heat dissipation fins 210 and absorbs heat from the lower surface of the heat dissipation substrate 200 and the side surfaces of the heat dissipation fins 210.
  • the heat dissipation substrate 200 is made of a material having a higher thermal conductivity than the upper and lower heat transfer media 300 and 400, the upper heat transfer medium among the heat generated from the LED package 10 and the substrate 100.
  • the amount of heat conducted to the heat dissipation substrate 200 is greater than that of heat directly transmitted to the 300. Therefore, the lower heat transfer medium 400 which is in contact with the heat dissipation substrate 200 in a larger area than the upper heat transfer medium 300 can absorb more heat.
  • the heat transfer mediums 300 and 400 are preferably formed by molding a silicone resin or an epoxy resin.
  • Silicone resin is a resin having both inorganic and organic properties, and has inorganic properties such as heat resistance, chemical stability, electrical insulation, abrasion resistance, etc., and also has excellent reactivity and solubility by organic properties. According to it has the advantage of being easy to manufacture into a product.
  • silicon since silicon exhibits excellent electrical insulation regardless of temperature and frequency, it is used in electric / electronic products for various purposes, and since its use temperature generally reaches 150 ° C. to 250 ° C., its physical properties are caused by heat generation of the LED package 10. This does not change. Therefore, it is suitable for use in the heat dissipation means of the LED module as in the present invention.
  • silicon has good thermal conductivity, and thus has properties suitable for absorbing heat and releasing it into the air as in the present invention.
  • Epoxy resins have a wide range of properties such as electrical properties, moisture resistance, heat resistance, mechanical properties, chemical resistance, and adhesion to insert products, and are widely used in devices of electronic component devices.
  • the electrical insulation and moisture resistance is excellent, there is also the effect of insulating and sealing the lead frame 13, and excellent heat resistance does not change the physical properties by the heat generated by the LED package (10).
  • the heat transfer medium 300, 400 it is molded by adding a curing agent and filler to the epoxy resin.
  • the edge wall corresponding to the outer side of the heat dissipation substrate 200 may be manufactured according to the stacking height and surrounded by the edge wall. It may be in the form of filling a silicone resin or an epoxy resin.
  • the heat dissipation path 220 between the heat dissipation fins 210 may be manufactured by making the edge wall corresponding to the outer side of the heat dissipation substrate 200 to the height of the heat dissipation fins 210. It can be in the form of filling.
  • FIG. 4 is a perspective view of a heat dissipation structure LED module according to another embodiment of the present invention.
  • the present invention shown in FIG. 4 shows that the plurality of LED packages 10 can be modularized to produce a single heat dissipation structure LED module. That is, the number of the LED package 10 is determined according to the amount of light required by the luminaire to mount the heat dissipation structure LED module, and the determined number of LED packages 10 is disposed on one substrate 100 and one heat dissipation substrate 200. ) To manufacture heat dissipation structure LED module.
  • the heat radiation board 200 may be provided to protrude in the lateral direction with an extension piece 230 having a bolt fastening hole 231 to fix the bolt to the luminaire.
  • FIG. 5 is a perspective view of a heat dissipation structure LED module according to another embodiment of the present invention.
  • the upper heat transfer medium 300 may be stacked higher than the upper surface of the molding frame 15.
  • the truncated cone in order to allow the light emitted through the lens 16 to be directed upward, the truncated cone (when the cone is cut into a plane parallel to the bottom surface thereof, the remaining part is formed by removing the vertex. 3) to form a truncated truncated cone-shaped groove 310, the bottom of the truncated upward.
  • the embodiment of the present invention shown in FIG. 5 shows that it can be applied to the heat dissipation substrate 200 which does not have the heat dissipation fin 210. That is, the lower heat transfer medium 400 may be formed in the form of being laminated on the lower surface of the heat dissipation substrate 200 which does not include the heat dissipation fins 210.
  • the heat is released as the following path.
  • the heat generated from the LED package 10 and the substrate 100 is conducted to the heat dissipation substrate 200 and the upper heat transfer medium 300 respectively positioned above and below the substrate 100.
  • the amount of heat conducted to the heat dissipation substrate 200 having a higher thermal conductivity is greater than that of the medium 300. Then, the heat conducted to the heat dissipation substrate 200 is to be conducted to the lower heat transfer medium 400 again.
  • the upper heat transfer medium 400 and the lower heat transfer medium 400 whose temperature increases as the heat is conducted, emit heat conducted through the surface in contact with air.
  • the present invention does not directly discharge the heat of the heat radiation substrate 200, the substrate 100, the molding frame of the LED package 10 and the lead frame 13 of the LED package 10 into the air, instead, The heat transfer medium 400 and the lower heat transfer medium 400 are configured to be discharged into the air.
  • the characteristics of the LED package 10 and the substrate 100 are absorbed by the heat dissipation substrate 200 to be released into the air by using such characteristics, and if the temperature of the heat dissipation substrate 200 is not lowered quickly, Since the temperature of the LED package 10 and the substrate 100 is not lowered, heat conduction by convection is made by forced blowing to quickly release heat into the air.
  • forced blowing means not only increases the power consumption but also has the disadvantage of increasing the size of the luminaire and complicating the structure.
  • the present invention is configured to absorb heat to the heat transfer medium (300, 400) and release it into the air, so that the LED package 10, the substrate by the heat absorption of the heat transfer medium (300, 400)
  • the temperature of the 100 and the heat dissipation substrate 200 can be lowered quickly, and the heat absorbed by the heat transfer mediums 300 and 400 is released into the air.
  • the present invention reduces the temperature fluctuation range when the LED is repeatedly turned on and off so that the temperature of the LED package 10 is maintained within a certain range, and is appropriately proportional to the capacity and the number of LED elements mounted on the LED module.
  • the size of the heat transfer medium 300 it is possible to have a range of such a temperature.
  • the LED module according to the prior art is made of a form in which the substrate on which the LED package 10 is mounted on a heat sink made of aluminum
  • the heat dissipation structure LED module according to the present invention is the top of the LED module according to the prior art and An upper heat transfer medium 300 and a lower heat transfer medium 400 are formed at the bottom, respectively.
  • the LED module according to the embodiment of the present invention and the LED module according to the prior art were placed in the same place, and turned on by supplying power to both LED modules, respectively. Then, at each time point after 5, 15, 25, 30, 40, and 60 minutes elapsed after lighting, the temperature on the horizontal axis around the LED package 10 was measured.
  • FIG. 6 shows the temperature distribution curve 500 of the heat dissipation structure LED module according to the present invention and the temperature distribution curve 600 of the LED module according to the related art for each elapsed time after lighting.
  • the graphs of (a), (b), (c), (d), (e) and (f) shown in FIG. 6 are measured at 5, 15, 25, 30, 40 and 60 minutes after lighting respectively.
  • the temperature distribution curve is shown.
  • the LED package of the LED module according to the prior art rapidly rises to 75.3 °C even after a short elapsed time of 5 minutes, It can be seen that the LED package of the LED module 500 according to the present invention has a temperature value as low as about 25.3 ° C. as compared to the prior art by rising to 50 ° C. FIG. And, looking at the temperature distribution 600 of the LED module according to the prior art, while the deviation between the temperature of the LED package and the temperature of the surrounding heat sink is sharp, the temperature distribution 500 of the LED module according to the present invention is centered on the LED package As you move further away, you will see a slower drop. That is, the LED module according to the present invention was found to disperse heat instead of lowering the temperature of the LED package compared to the prior art.
  • the LED package of the LED module according to the related art gradually reaches a temperature of 87.0 ° C. after 15 minutes and reaches approximately 90 ° C. after 60 minutes, whereas the LED package of the LED module according to the present invention The LED package remained below 80 ° C. even though it slowly rose over time.

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Abstract

본 발명은 방열구조를 갖는 엘이디모듈에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 엘이디 패키지가 장착된 기판에 방열수단을 결합하여 엘이디 패키지(10) 및 기판(100)의 열을 방출하며, 엘이디 패키지(10)를 반복하여 점등 및 소등하더라도 온도 변동폭을 감소시켜 온도 범위를 일정하게 유지하는 방열구조 엘이디모듈에 관한 것이다. 이를 위한 본 발명은, 상부면에 엘이디 패키지(10)가 장착되고, 장착된 엘이디 패키지(10)에 전원을 공급하기 위한 회로패턴이 인쇄되는 기판(100); 상부면에 상기 기판(100)의 하부면이 밀착되게 결합되어 상기 기판(100)으로부터 열이 전도되며, 하방으로 돌출되게 형성되는 다수의 방열핀(210)을 하부면에 구비하는 방열기판(200); 상기 기판(100)이 결합된 상기 방열기판(200)의 상부에 적층되되, 엘이디 패키지(10)의 렌즈(16)가 노출되게 적층되는 상부 열전이매체(300); 상기 방열기판(200)의 하부면에 적층되되, 상기 방열핀(210) 사이의 방열통로(220)에 충진되는 형태로 적층되는 하부 열전이매체(400);를 포함하여 구성된다.

Description

방열구조 엘이디모듈
본 발명은 방열구조를 갖는 엘이디모듈에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 엘이디 패키지(10)가 장착된 기판(100)에 방열수단을 결합하여 엘이디 패키지(10) 및 기판(100)의 열을 방출하며, 엘이디 패키지(10)를 반복하여 점등 및 소등하더라도 온도 변동폭을 감소시켜 온도 범위를 일정하게 유지하는 방열구조 엘이디모듈에 관한 것이다.
엘이디(LED:light-emitting diode)소자는 N형 반도체와 P형 반도체를 접합한 광전변환소자이며, 도 1에 도시된 바와 같이, 기판(100)에 인쇄된 회로패턴에 장착할 수 있는 형태의 엘이디 패키지(10)로 제작된다.
도 1에 도시된 일반적인 엘이디 패키지(10)는, 엘이디소자(11)와, 기판(100)에 인쇄된 회로패턴(110)에 납땜(120, solder)으로 접속되는 리드프레임(13, lead-frame)과, 엘이디소자(11)와 리드프레임(13) 사이를 연결하는 와이어(12)와, 엘디소자(11)의 하부에 위치하여 엘이디소자(11)에서 발생되는 열을 흡수하도록 형성되는 히트슬러그(14, heat-slug)와, 리드프레임(13)의 접속 부위만을 외부로 노출되도록 상기 구성들을 몰딩 처리하여 형성되는 몰딩프레임(15, molding-frame)과, 엘이디소자(11)의 상부에 조성되는 렌즈(16)를 포함하여 구성된다. 이와 같이 구성되는 엘이디 패키지(10)는 동일한 전력을 소비하더라도 온도를 낮게 유지할수록 출력되는 광속(luminous flux)의 양이 많게 되며 그만큼 점등효율이 높게 되고, 또한 점등시의 온도를 일정한 온도 이하로 유지하지 못하면 엘이디소자(11)의 수명이 단축되기도 한다.
그리고, 엘이디 패키지(10)를 기판(100)에 장착한 후에 기판(100)을 방열기판(200)에 고정함으로써, 방열구조를 갖는 엘이디모듈을 완성한다. 또한, 공기와의 접촉면적을 넓히기 위하여 하부면에 방열핀(210)을 구비한 방열기판(200)을 사용하기도 한다.
하지만, 이와 같은 종래의 방열구조 엘이디모듈은, 엘이디 패키지(10) 및 기판(100)의 열을 방열기판(200)으로 흡수하여 공기 중으로 방출되게 하는 구조로 이루어지는 것으로서, 방열기판(200)과 공기 사이의 열전도가 신속하게 이루어지지 아니하여 방열 속도가 낮아지는 문제점이 있었다. 즉, 밀도가 낮은 공기 중으로 방열기판(200)의 열이 신속하게 전도되지 아니하는 것이다. 이와 같은 문제점으로 인하여 엘이디 패키지(10)가 점등한 상태에서는, 방열기판(200)의 온도가 지속으로 높아져 엘이디 패키지(10)의 점등효율을 저하시키게 되었다. 즉, 방열기판(200)이 열을 흡수하여 엘이디 패키지(10) 및 기판(100)의 온도를 낮추기는 하지만, 방열기판(200)에 축열된 열이 더딘 속도로 방출됨에 따라 방열기판(200)으로 흡수할 수 있는 열량이 감소되는 것이다. 이로 인하여, 엘이디소자(11)의 점등상태가 지속될 수록 그 온도를 원하는 값 이하로 유지할 수 없어서 점등효율이 저하되고 수명도 단축되는 문제점을 수반하였던 것이다.
상기 문제점을 해결하기 위하여 종래에는, 방열핀(210) 사이에 형성되는 방열통로(220)에 공기를 강제 송풍하여 방열 속도를 높이기도 하였지만, 이를 위해 별도의 송풍수단을 등기구의 내부에 구비해야 하고 또한 외기와의 환기수단까지도 구비해야 하는 어려움이 있었다.
또한, 종래의 방열구조 엘이디모듈은, 기판(100)의 상부면이 공기에 직접 노출되므로, 일반적으로 램프커버를 구비하는 등기구에 장착되면, 기판(100)과 램프커버 사이의 공기 온도를 점등 동안에 지속으로 높이는 문제점이 있어서, 비록 방열기판(200)으로 열을 방출한다 하더라도 엘이디 패키지(10)와 방열기판(200) 사이의 온도편차가 크게 되는 것이다. 또한 이러한 문제점으로 인하여 종래기술은, 램프커버 내부의 공기를 팽창시키게 되므로, 이물질 또는 벌레가 침입할 수도 있는 별도의 통풍구를 조성해야만 하였다.
따라서 본 발명의 목적은, 별도의 송풍수단 또는 환기수단을 구비하지 아니하더라도 방열기판(100)의 열을 신속하게 방출하여, 점등시에도 엘이디모듈 전체의 온도를 일정한 범위 내에서 유지할 수 있는 방열구조 엘이디모듈을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 엘이디 패키지(10)가 장착된 기판(100) 상부면에도 열을 신속하게 방출할 수 있는 별도의 구성을 구비하여, 엘이디 패키지(10)를 직접적으로 낮출 수 있는 방열구조 엘이디모듈을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 엘이디 패키지의 열을 방출하기 위한 방열구조 엘이디모듈에 있어서, 상부면에 엘이디 패키지(10)가 장착되고, 장착된 엘이디 패키지(10)에 전원을 공급하기 위한 회로패턴이 인쇄되어 있는 기판(100); 상부면에 상기 기판(100)의 하부면이 밀착되게 결합되어 상기 기판(100)으로부터 열이 전도되는 방열기판(200); 상기 기판(100)이 결합된 상기 방열기판(200)의 상부에 적층되되, 엘이디 패키지(10)의 렌즈(16)가 노출되게 적층되는 상부 열전이매체(300); 상기 방열기판(200)의 하부면에 적층되는 하부 열전이매체(400);를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
상기 방열기판(200)은, 하방으로 돌출되게 형성되는 다수의 방열핀(210)을 하부면에 구비하고, 상기 하부 열전이매체(400)는, 상기 방열핀(210) 사이의 방열통로(220)에 충진되는 것일 수 있음을 특징으로 한다.
상기 상부 열전이매체(300) 및 하부 열전이매체(400)는, 실리콘 또는 에폭시로 이루어질 수 있음을 특징으로 한다.
따라서, 상기 특징을 갖는 본 발명은, 송풍수단 또는 환기수단을 구비하지 아니하더라도 방열기판(100)의 열을 하부 열전이매체(400)로 신속하게 흡수하여 공기중으로 방출하므로, 엘이디 패키지(10) 및 기판(100)의 온도를 낮출 수 있고, 점등과 소등을 반복하는 동안의 온도를 일정한 범위 내로 유지하여, 엘이디 패키지(10)의 점등효율을 향상시키고 그 수명도 보장할 수 있다.
또한, 본 발명은, 엘이디 패키지(10)의 몰딩프레임(15) 및 리드프레임(13) 의 열을 상부 열전이매체(300)로 흡수하도록 구성됨에 따라, 방열기판(200)의 방열기능을 보조하여 엘이디 패키지(10)의 온도를 일정한 온도 이하로 유지할 수 있다.
도 1은 일반적인 방열구조를 갖는 엘이디모듈의 단면도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 방열구조 엘이디모듈의 단면도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 방열구조 엘이디모듈의 사시도.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 방열구조 엘이디모듈의 사시도.
도 5는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 방열구조 엘이디모듈의 사시도.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 방열구조 엘이디모듈과 종래기술에 의한 엘이디모듈의 온도 분포를 보여주는 그래프.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 방열구조 엘이디모듈의 엘이디 패키지와 종래기술에 의한 엘이디모듈의 엘이디 패키지의 점등한 후 온도변화를 보여주는 그래프.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
10 : 엘이디 패키지 11 : 엘이디소자 12 : 와이어
13 : 리드프레임 14 : 히트슬러그 15 : 몰딩프레임
16 : 렌즈 17 : 열전도성 접착제
100 : 기판 110 : 회로패턴 120 : 땜납
200 : 방열기판 210 : 방열핀 220 : 방열통로
300 : 상부 열전이매체 310 : 홈 400 : 하부 열전이매체
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 당해 분야에 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지의 기능 또는 공지의 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 방열구조 엘이디모듈의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 방열구조 엘이디모듈의 사시도이다.
상기 도 2와 도 3에 도시된 본 발명은 방열기판(200)과, 상부면에 엘이디 패키지(10)가 장착되고 하부면이 상기 방열기판(200)의 상부면에 밀착되게 결합되는 기판(100)과, 상기 기판(100)이 결합된 방열기판(200)의 상부측 및 하부측에 각각 적층되는 상부 열전이매체(300) 및 하부 열전이매체(400) 를 포함하여 구성된다.
상기 기판(100)은, 상부면에 엘이디 패키지(10)가 장착되며, 장착된 엘이디 패키지(10)의 리드프레임(lead frame)의 끝단에 전기적으로 연결되는 회로패턴이 인쇄되어 있어 외부 전원부(미도시)에 연결되는 리드선으로 엘이디 패키지(10)에 전원을 공급할 수 있도록 구성된다.
상기 방열기판(200)은, 엘이디 패키지(10)의 점등시에 발생되는 열을 상기 기판(100)을 통해 흡수하여 외부로 방출하는 구성으로서, 하방으로 돌출되게 이루어지는 다수의 방열핀(210)을 하부면에 구비한 판상의 형태로 형성된다. 그리고, 방열핀(210)들 사이에는 빈 공간인 방열통로(220)가 형성되는 것이다.
상기 방열기판(200)은 엘이디 패키지(10)의 열을 방출하기 위해 구비되는 종래의 방열기판으로 구성될 수 있으며, 일반적으로 열전도율이 양호하고 무게가 가벼운 알루미늄 재질로 제작된다. 종래에는, 방열기판(200)에 의해 흡수된 열을 방열핀(210)을 통해 공기 중으로 전도 형태로 방출되게 하였으며, 방열 효과를 증가시키기 위해서 방열핀(210)들 사이의 방열통로(220)에 강제 송풍으로 공기를 흘려주어 전도 및 대류 형태로 열이 방출되게 하기도 하였다. 반면에, 본 발명에서는 방열기판(200)에 흡수된 열을 공기 중으로 직접 방출하지 아니하고, 후술하는 하부 열전이매체(400)로 방출되게 한다. 그리고, 상기 기판(100)은 볼트(130)로 상기 방열기판(200)에 부착할 수도 있고, 또는 상기 기판(100)과 상기 방열기판(200) 사이에 열전도성 접착제를 도포하여 상기 방열기판(200)에 부착할 수도 있으며, 이러한 부착형태는 당업자가 선택적으로 적용할 수 있는 것이다.
상기 상부 열전이매체(300)는, 상기 기판(100)이 부착된 방열기판(200)의 상부면에 적층 형성되어 상기 방열기판(200)의 상부면의 열을 흡수할 뿐만 아니라, 기판(100), 엘이디 패키지(10)의 리드프레임(lead frame) 및 몰딩프레임(15)의 열을 흡수한다.
이를 위해, 상기 상부 열전이매체(300)는 상기 방열기판(200)의 상부면 높이와 몰딩프레임(15)의 상부면 높이 사이의 공간에 충진되게 하는 것이다. 그러면, 상기 기판(100)과 리드프레임(13)은 상기 상부 열전이매체(300) 속으로 함몰되게 되고, 렌즈(16)가 구비된 상기 몰딩프레임(15)은 상부면이 상방으로 노출되도록 상기 상부 열전이매체(300)에 잠기는 형태를 갖게 된다. 따라서, 기판(100) 및 리드프레임(13)의 열과, 몰딩프레임(15)의 열(히트슬러그(14)에 의해 전도되는 열)이 상기 상부 열전이매체(300)로 전도될 수 있는 것이다.
상기 하부 열전이매체(400)는 인접하는 방열핀(210) 사이에 형성되는 방열통로(220)에 충진되며, 방열기판(200)의 하부면과 방열핀(210)의 측면으로부터 열을 흡수한다. 이때, 상기 방열기판(200)는 상기 상부 및 하부 열전이매체(300, 400) 보다는 열전도율이 높은 재질로 이루어지므로, 엘이디 패키지(10) 및 기판(100)에서 발생되는 열량 중에서 상기 상부 열전이매체(300)에 직접 전도되는 열량보다는 상기 방열기판(200)으로 전도되는 열량이 더욱 많게 된다. 따라서, 상기 상부 열전이매체(300)보다는 상기 방열기판(200)에 더욱 넓은 면적으로 접하게 되는 상기 하부 열전이매체(400)가 더욱 많은 열량을 흡수할 수 있게 된다.
상기 열전이매체(300, 400)는, 실리콘수지 또는 에폭시수지를 성형하여 조성되는 것이 바람직하다.
실리콘수지는, 무기적인 성질과 유기적인 성질을 동시에 갖는 수지로서, 무기적인 성질에 의해 내열성, 화학적 안정성, 전기절연성, 내마모성 등을 갖을 뿐만 아니라, 유기적인 성질에 의해 우수한 반응성 및 용해성을 갖고 있어서 용도에 따라 제품으로 제조하기에 용이한 장점을 갖는다. 특히, 실리콘은 온도 및 주파수에 관계없이 뛰어난 전기 절연성을 발휘하므로 전기/전자제품에 다용도로 사용되고 있으며, 사용온도가 일반적으로 150℃~250℃에 이르므로 엘이디 패키지(10)의 발열에 의해 그 물성이 변하지도 아니한다. 따라서, 본 발명에서와 같이 엘이디 모듈의 방열수단에 사용하기에 적합한 것이다. 또한, 실리콘은 양호한 열전도율을 갖고 있어서, 본 발명에서와 같이 열을 흡수하여 공기중으로 방출하는 데에도 적합한 특성을 갖는다.
에폭시수지는 전기적 성질, 내습성, 내열성, 기계 특성, 내약품성, 인서트품과의 접착성 등의 제반 특성을 균형있게 갖고 있어서, 전자 부품 장치의 소자에 두루 사용되고 있다. 특히 전기 절연성 및 내습성이 우수하여 리드프레임(13)을 절연함과 더불어 밀봉하는 효과도 있으며, 내열성이 우수하여 엘이디 패키지(10)의 발열에 의해 물성이 변하지도 아니한다. 그리고, 상기 열전이매체(300, 400)로 조성하기 위해 에폭시수지에 경화제 및 충진제 등을 첨가하여 성형하게 된다. 또한, 에폭시수지 조성물의 열전도성을 향상시키기 위한 기술들이 공지되고 있어서, 본 발명에서와 같이 열을 흡수하여 공기 중으로 방출하는 데에 있어 적합한 에폭시수지 조성물, 즉 상기 열전이매체(300, 400)을 당업자가 용이하게 조성할 수 있는 것이다.
상기와 같은 실리콘수지 또는 에폭시수지로서 상기 상부 열전이매체(300)를 조성할 때에는, 상기 방열기판(200)의 외곽변에 맞는 테두리벽을 적층 높이에 맞게 제작하여 테두리벽으로 에워싸인 내측에 상기 실리콘수지 또는 에폭시수지를 충진하는 형태로 할 수 있다. 또한, 상기 하부 열전이매체(300)를 조성할 때에는, 상기 방열기판(200)의 외곽변에 맞는 테두리벽을 방열핀(210)의 높이에 맞게 제작하여 방열핀(210) 사이의 방열통로(220)에 충진하는 형태로 할 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 방열구조 엘이디모듈의 사시도이다.
상기 도 4에 도시된 본 발명은, 다수개의 엘이디 패키지(10)를 모듈화하여 하나의 방열구조 엘이디모듈로 제작할 수 있음을 보여준다. 즉, 방열구조 엘이디모듈을 장착할 등기구에서 필요로 하는 광량에 맞게 엘이디 패키지(10)의 개수를 결정하고, 결정된 개수의 엘이디 패키지(10)를 하나의 기판(100)과 하나의 방열기판(200)에 장착하여 방열구조 엘이디모듈을 제작하는 것이다.
또한, 방열기판(200)은 등기구에 볼트 고정하기 위하여 볼트 체결공(231)을 구비한 연장편(230)을 측면방향으로 돌출되게 구비할 수도 있는 것이다.
도 5는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 방열구조 엘이디모듈의 사시도.
상기 도 5에 도시된 본 발명의 실시예에 따르면, 상부 열전이매체(300)가 상기 몰딩프레임(15)의 상부면보다 더 높게 적층될 수도 있음을 볼 수 있다. 이때, 렌즈(16) 부위에는, 렌즈(16)를 통해 발산되는 빛이 상부를 향할 수 있게 하기 위하여, 원뿔대(원뿔을 그 밑면에 평행하는 평면으로 잘랐을 때 꼭짓점이 있는 부분을 없애고 남은 부분으로 이루어지는 입체) 형상이되 원뿔대의 밑면이 상부를 향하는 원뿔대형 홈(310)이 형성되도록 하는 것이다.
또한, 상기 도 5에 도시된 본 발명의 실시예는, 방열핀(210)을 구비하지 아니하는 방열기판(200)에도 적용될 수 있음을 보여준다. 즉, 하부 열전이매체(400)는 방열핀(210)을 구비하지 아니하는 방열기판(200)의 하부면에 적층되는 형태로 조성될 수 있는 것이다.
상기 도 2 내지 도 5의 실시예에 따른 본 발명은, 다음과 같은 경로로서 열을 방출한다.
전원을 공급받음에 따라 엘이디 패키지(10)의 엘이디소자(11)가 점등하게 되면 열이 발생하고, 발생한 엘이디소자(11)의 열은 히트슬러그(14) 및 몰딩프레임(15)에 전도되며, 엘이디소자(11)에 와이어(12)로 연결된 리그프레임(13)으로도 열이 전도될 수 있다. 이때, 히트슬러그(14)의 열전도율이 몰딩프레임(15)보다는 높으므로 히트슬러그(14)의 하단으로 전도되는 열량이 몰딩프레임(15)보다는 많게 된다. 또한, 통전에 의해 리드프레임(13)과 기판(100)의 회로패턴에서도 열이 발생한다.
이와 같이 엘이디 패키지(10) 및 기판(100)에서 발생되는 열은 기판(100)의 상하부에 각각 위치한 방열기판(200)과 상부 열전이매체(300)로 전도되며, 이때 전도되는 열량은 상부 열전이매체(300)보다는 열전도율이 높은 방열기판(200)에 전도되는 열량이 더욱 많게 된다. 그리고, 방열기판(200)에 전도되는 열은 다시 하부 열전이매체(400)로 전도되는 것이다.
그리고, 열을 전도받음에 따라 온도가 높아지는 상부 열전이매체(400) 및 하부 열전이매체(400)는 공기와 접하는 면을 통해 전도받은 열을 방출하게 된다.
즉, 본 발명은 방열기판(200), 기판(100), 엘이디 패키지(10)의 몰딩프레임 및 엘이디 패키지(10)의 리드프레임(13)의 열을 공기 중으로 직접 방출하지 아니하며, 대신에, 상부 열전이매체(400) 및 하부 열전이매체(400)를 경유하여 공기 중으로 방출하도록 구성되는 것이다.
일반적으로, 고체 열을 공기 중으로 전도시키는 것보다는 고체 열을 다른 고체로 전도시키는 것이 더욱 용이하므로, 고체의 온도를 신속하게 낮추기 위해서는 다른 고체로 전도시키는 것이 바람직하다.
종래기술에서는, 이러한 특성을 이용하여 엘이디 패키지(10) 및 기판(100)의 열을 방열기판(200)으로 흡수하여 공기 중으로 방출되게 하며, 만약 방열기판(200)의 온도를 신속하게 낮추지 아니하면 엘이디 패키지(10) 및 기판(100)의 온도가 낮아지지 아니하므로, 공기 중으로 열을 신속하게 방출시키기 위해서 강제 송풍으로 대류에 의한 열전도가 이루어지게 하였다. 하지만, 이러한 강제 송풍 수단은 전력소비를 증가시킬 뿐만 아니라, 등기구의 크기를 키우고 구조도 복잡하게 하는 단점을 갖고 있었다.
이와 같은 단점을 해소하기 위한 본 발명은, 열전이매체(300, 400)로 열을 흡수하여 공기 중으로 방출하도록 구성되므로, 열전이매체(300, 400)의 열 흡수로 엘이디 패키지(10), 기판(100) 및 방열기판(200)의 온도를 신속하게 낮출 수 있고, 열전이매체(300, 400)에 흡수된 열을 공기 중으로 방출되게 하는 것이다.
즉, 본 발명은 엘이디가 점등 및 소등을 반복할 때에 온도 변동폭을 축소시켜 엘이디 패키지(10)의 온도가 일정한 범위 내에서 유지되게 하며, 엘이디 모듈에 장착된 엘이디소자의 용량 및 개수에 비례하여 적절하게 열전이매체(300)의 크기를 결정함으로써 이러한 온도의 범위를 갖게 할 수 있는 것이다.
도 6과 도 7은, 본 발명에 따른 방열구조 엘이디모듈과 종래기술에 따른 엘이디모듈을 점등한 후에, 양 엘이디모듈의 온도변화를 측정한 결과 도면이다. 이때, 종래기술에 의한 엘이디모듈은 엘이디 패키지(10)가 장착된 기판을 알루미늄 재질의 방열판 위에 설치한 형태로 이루어진 것이고, 본 발명에 따른 방열구조 엘이디모듈은 상기 종래기술에 의한 엘이디모듈의 상부 및 하부에 각각 상부 열전이매체(300) 및 하부 열전이매체(400)를 조성한 것이다.
온도변화를 측정하기 위해, 본 발명의 실시예에 따른 방열구조 엘이디모듈과 종래기술에 의한 엘이디모듈을 동일한 장소에 놓은 상태에서, 양측 엘이디모듈에 각각 전원을 공급하여 점등시켰다. 그리고, 점등후 5, 15, 25, 30, 40 및 60 분이 경과한 각 시점에서 엘이디 패키지(10)를 중심으로 하는 횡축선상의 온도를 측정하였다.
상기 도 6은, 본 발명에 따른 방열구조 엘이디모듈의 온도 분포 곡선(500)과 종래기술에 따른 엘이디모듈의 온도 분포 곡선(600)을 점등후 경과시간별로 도시한 것이다. 여기서 도 6에 도시된 (a), (b), (c), (d), (e) 및 (f)의 그래프는 각각 점등후 5, 15, 25, 30, 40 및 60 분에 측정된 온도 분포 곡선을 나타낸다.
그리고, 상기 도 7은, 점등후 경과시간에 대한 엘이디 페키지(10) 부분의 최고점 온도의 그래프를 도시한 것이다.
먼저, 점등후에 5분이 경과한 시점에서 측정된 온도분포를 살펴보면(도 6(a)), 종래기술에 따른 엘이디모듈의 엘이디 패키지는 5분이라는 짧은 경과시간 후에도 75.3℃까지 급격하게 상승한 반면에, 본 발명에 따른 엘이디모듈(500)의 엘이디 패키지는 50℃까지 상승하여 종래기술에 비해 대략 25.3℃만큼 낮은 온도값을 갖게 됨을 확인할 수 있다. 그리고, 종래기술에 따른 엘이디모듈의 온도분포(600)를 살펴보면 엘이디 패키지의 온도와 주변 방열판의 온도 사이의 편차가 급격한 반면에, 본 발명에 따른 엘이디모듈의 온도분포(500)는 엘이디 패키지를 중심으로 멀어질수록 서서히 낮아짐을 볼 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 엘이디모듈은 종래기술에 비해 엘이디 패키지의 온도를 낮추는 대신에 열을 분산시키는 것임을 확인할 수 있었다.
그리고, 종래기술에 따른 엘이디모듈의 엘이디 패키지는 15분이 경과한 시점에서 87.0℃에 이른 후에 서서히 온도가 상승하여 60분이 경과한 시점에서 대략 90℃에 이르게 되었으며, 반면에 본 발명에 따른 엘이디모듈의 엘이디 패키지는 시간이 경과함에 따라 서서히 상승하더라도 80℃ 이하로 유지되었다.
즉, 본 발명에 따른 엘이디모듈은 장시간 점등하더라도 종래기술에 비해 엘이디 패키지의 온도를 낮게 유지할 수 있는 것이다.
이상에서 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위해 구체적인 실시 예로 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기와 같이 구체적인 실시 예와 동일한 구성 및 작용에만 국한되지 않고, 여러가지 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 실시될 수 있다. 따라서, 그와 같은 변형도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주해야 하며, 본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의해 결정되어야 한다.

Claims (2)

  1. 상부면에 엘이디 패키지(10)가 장착되고, 장착된 엘이디 패키지(10)에 전원을 공급하기 위한 회로패턴이 인쇄되는 기판(100);
    상부면에 상기 기판(100)의 하부면이 밀착되게 결합되어 상기 기판(100)으로부터 열이 전도되며, 하방으로 돌출되게 형성되는 다수의 방열핀(210)을 하부면에 구비하는 방열기판(200);
    상기 기판(100)이 결합된 상기 방열기판(200)의 상부에 적층되되, 엘이디 패키지(10)의 렌즈(16)가 노출되게 적층되는 상부 열전이매체(300);
    상기 방열기판(200)의 하부면에 적층되되, 상기 방열핀(210) 사이의 방열통로(220)에 충진되는 형태로 적층되는 하부 열전이매체(400);
    를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 방열구조 엘이디모듈.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 상부 열전이매체(300) 및 하부 열전이매체(400)는, 실리콘 또는 에폭시로 이루어짐을 특징으로 하는 방열구조 엘이디모듈.
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