LED (Light Emitting Diode)는 인가된 에너지 대비 15%가 빛으로, 나머지 85%가 열로 변환되는 것은 이미 잘 알려져 있다. 최근 LED칩 용량이 증가함에 따라서 LED칩으로부터 방출되는 열은 더욱 증가하게 되고 이는 LED 제품의 성능저하와 수명단축에 직접적인 영향을 미친다. 따라서, 산업계에서는 고출력 LED 칩에서 발생하는 열을 제어하기 위해 제품설계구조 연구가 진행 중에 있으며 또한, 부가적으로, 기존의 알루미늄, 접착제 및 구리를 사용하는 MCL(Metal Clad Laminate)구조에서 저가형 FR4 및 구리를 사용하는 CCL (Copper Clad Laminate)로 변경하여 원가절감을 하고자 하는 대체 소재연구가 진행되고 있다. 본 연구에서는 저가형 CCL에 열방출 극대화를 위하여 열비아(thermal via)를 디자인별로 형성한 후 1 W급 LED 칩을 실장하여 열저항(thermal resistance) 변화를 분석하였으며, 최적의 열방출을 위한 열비아 구조를 제안하고자 하였다.
LED (Light Emitting Diode)는 인가된 에너지 대비 15%가 빛으로, 나머지 85%가 열로 변환되는 것은 이미 잘 알려져 있다. 최근 LED칩 용량이 증가함에 따라서 LED칩으로부터 방출되는 열은 더욱 증가하게 되고 이는 LED 제품의 성능저하와 수명단축에 직접적인 영향을 미친다. 따라서, 산업계에서는 고출력 LED 칩에서 발생하는 열을 제어하기 위해 제품설계구조 연구가 진행 중에 있으며 또한, 부가적으로, 기존의 알루미늄, 접착제 및 구리를 사용하는 MCL(Metal Clad Laminate)구조에서 저가형 FR4 및 구리를 사용하는 CCL (Copper Clad Laminate)로 변경하여 원가절감을 하고자 하는 대체 소재연구가 진행되고 있다. 본 연구에서는 저가형 CCL에 열방출 극대화를 위하여 열비아(thermal via)를 디자인별로 형성한 후 1 W급 LED 칩을 실장하여 열저항(thermal resistance) 변화를 분석하였으며, 최적의 열방출을 위한 열비아 구조를 제안하고자 하였다.
LED (Light Emitting Diode) is 85% of the applied energy is converted into heat that is already well known. Lately, LED chips increasing the capacity as result delivered to increase the heat of the LED products and module that directly related to life span and degradation. Thus, in industry the high-...
LED (Light Emitting Diode) is 85% of the applied energy is converted into heat that is already well known. Lately, LED chips increasing the capacity as result delivered to increase the heat of the LED products and module that directly related to life span and degradation. Thus, in industry the high-power LED chip to control the heat generated during the course of the study and the existing aluminum, copper adhesives, and uses MLC (Metal clad laminate) structures using low-cost FR4 and copper CCL (Copper Clad Laminate) to reduce costs by changing to a study being carried out. In this study, using low-cost CCL Class, mounted 1W LED chip to analyze changes in the thermal resistance. In addition, heat dissipation in the CCL to facilitate a variety of thermal via design outside of the heat generated by the LED chip to control and facilitate the optimal structure of the heat dissipation is suggested.
LED (Light Emitting Diode) is 85% of the applied energy is converted into heat that is already well known. Lately, LED chips increasing the capacity as result delivered to increase the heat of the LED products and module that directly related to life span and degradation. Thus, in industry the high-power LED chip to control the heat generated during the course of the study and the existing aluminum, copper adhesives, and uses MLC (Metal clad laminate) structures using low-cost FR4 and copper CCL (Copper Clad Laminate) to reduce costs by changing to a study being carried out. In this study, using low-cost CCL Class, mounted 1W LED chip to analyze changes in the thermal resistance. In addition, heat dissipation in the CCL to facilitate a variety of thermal via design outside of the heat generated by the LED chip to control and facilitate the optimal structure of the heat dissipation is suggested.
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문제 정의
보통 CCL구조와 MCL구조에서의 열방출의 차이점을 잠깐 살펴보자면 상대적으로 열방출이 좋은 MCL구조는 substrate 전체가 열전도율이 좋은 Al을 사용하고 CCL구조는 비교적 열전도도가 낮은 폴리머에 Cu박판을 양쪽으로 붙여놓은 clad를 사용한다. 가격이 높지만 낮은 thermal resistance를 가지는 MCL구조의 LED를 가격은 낮지만 thermal resistance가 MCL구조보다 상대적으로 높은 CCL구조의 LED의 열비아를 통해서 MCL구조만큼 낮은 thermal resistance를 가질 수 있는지에 대해서 연구를 해보았다. 본 연구를 통하여 동일한 시편에 형성된 9종류의 열비아 형성된 새로운 LED모듈을 제작하였으며 열저항이 12.
기존의 고출력 LED모듈은 MCL (Metal Clad Laminate)을 이용하여 제조되어 왔으나 원자재가 고가인 단점이 있었다. 따라서 본 연구에서는 저가형 FR4 및 구리층 구조의 CCL (Copper Clad Laminate)를 이용하여 열방출의 극대화를 구현하고자 하였으며 이러한 방법으로 열비아(thermal via)를 LED 패키지주위에 인위적으로 여러 가지모양으로 형성하여 최적의 조건을 제시하고자 하였다.
따라서 열비아 구조가 고출력 LED 칩의 열방출 제어에 매우 효과적인 것을 전산모사로도 확인할 수 있었으며 본 연구에서는 앞서 언급한 바와 같이 여러 가지 디자인별로 열비아를 설계하여, LED 모듈의 열저항과의 상관성을 실험적으로 검증하고자 하였다.
본 연구에서는 CCL에 열비아구조를 형성하여 LED모듈의 열저항을 평가 및 분석하였다. 보통 CCL구조와 MCL구조에서의 열방출의 차이점을 잠깐 살펴보자면 상대적으로 열방출이 좋은 MCL구조는 substrate 전체가 열전도율이 좋은 Al을 사용하고 CCL구조는 비교적 열전도도가 낮은 폴리머에 Cu박판을 양쪽으로 붙여놓은 clad를 사용한다.
제안 방법
2는 열비아 크기 및 피치별로 제작된 테스트 시편이다. CCL를 각 비아 크기 및 피치별로 드릴링하여 홀을 형성하였으며, 형성된 비아내에 습식도금공정으로 도금층을 일정하게 형성시켰다. 리소그라피 공정을 통하여 습식에칭하여 LED칩 구동회로를 제조하였으며, 화이트 잉크 프린팅 공정 및 접합공정을 통하여 1W급 LED 칩이 실장된 LED모듈을 제조하였다.
CCL를 각 비아 크기 및 피치별로 드릴링하여 홀을 형성하였으며, 형성된 비아내에 습식도금공정으로 도금층을 일정하게 형성시켰다. 리소그라피 공정을 통하여 습식에칭하여 LED칩 구동회로를 제조하였으며, 화이트 잉크 프린팅 공정 및 접합공정을 통하여 1W급 LED 칩이 실장된 LED모듈을 제조하였다. Table 1에 나타낸 바와 같이 열비아의 크기는 0.
본 연구에서 실장된 1W급 LED 칩은 5V전압하에 동작 전류 350 mA으로구동시켰으며, 칩으로부터 방출된 열은 Temperature Transient Tester (T3ster) 사용하여 열저항(thermal resistance)을 측정하였으며 열비아 디자인에 따른 방열특성을 비교하였다.
대상 데이터
Fig. 3에 나타낸 것과 같이 테스트 시편의 구조는 CCL구조로써 시편의 상하부 copper 도금두께는 각각 70 um 및 60 um 이고 FR4 코어 두께는 1.0 mm, 화이트 잉크 두께는 15 um로 모듈을 제작하였다. 또한 Fig.
리소그라피 공정을 통하여 습식에칭하여 LED칩 구동회로를 제조하였으며, 화이트 잉크 프린팅 공정 및 접합공정을 통하여 1W급 LED 칩이 실장된 LED모듈을 제조하였다. Table 1에 나타낸 바와 같이 열비아의 크기는 0.2~0.8 mm, 피치는 1.0~5.0 mm의 디자인별로 9종류의 테스트 시편을 제작하였으며 피치를 기준으로 각각 P1-1~P5-3으로 구분하였다. 테스트 시편의 규격은 가로 20 mm, 세로 20 mm 및 두께 2 mm이였으며 LED칩의 동작 전류는 350 mA 및 전압 5V이였다.
0 mm의 디자인별로 9종류의 테스트 시편을 제작하였으며 피치를 기준으로 각각 P1-1~P5-3으로 구분하였다. 테스트 시편의 규격은 가로 20 mm, 세로 20 mm 및 두께 2 mm이였으며 LED칩의 동작 전류는 350 mA 및 전압 5V이였다.
성능/효과
가격이 높지만 낮은 thermal resistance를 가지는 MCL구조의 LED를 가격은 낮지만 thermal resistance가 MCL구조보다 상대적으로 높은 CCL구조의 LED의 열비아를 통해서 MCL구조만큼 낮은 thermal resistance를 가질 수 있는지에 대해서 연구를 해보았다. 본 연구를 통하여 동일한 시편에 형성된 9종류의 열비아 형성된 새로운 LED모듈을 제작하였으며 열저항이 12.2~29.1 K/W을 나타내었고 최대 2.4배의 개선된 방열구조를 제시할 수 있었다. 열비아는 LED칩으로부터 발생된 열이 외부로 쉽게 발산할 수 있는 전도경로 역할을 수행하며 열비아내의 Cu량에 따라 열저항이 지수함수적으로 감소함을 알 수 있었다.
4배의 개선된 방열구조를 제시할 수 있었다. 열비아는 LED칩으로부터 발생된 열이 외부로 쉽게 발산할 수 있는 전도경로 역할을 수행하며 열비아내의 Cu량에 따라 열저항이 지수함수적으로 감소함을 알 수 있었다. 본 연구결과에 의하여, 열비아 구조의 삽입으로 LED모듈의 방열특성을 적은 비용으로도 충분히 개선될 수 있을 것으로 기대된다.
4배 차이를 나타내었다. 열저항이 낮으면 LED 칩으로부터 발생된 열이 외부로 원활히 방출된다는 의미이므로 본 연구에서 제작된 시편 중 P1-3 구조가 열방출에 상대적으로 적합하다는 것을 알 수 있었다. 이는 앞서 언급되었듯이 열비아의 피치 감소에 따른 열저항 증가와 유사한 결과를 나타내었다.
후속연구
7과 같이 비아 내 Cu량에 따라 열저항 변화를 제시하여 향후 LED모듈의 방열구조 설계시, 가이드라인 제공이 가능할 것으로 기대하였다. 동일샘플에서 열비아의 피치와 비아 내 Cu량은 상호관계가 있으므로 LED모듈의 열저항변화의 동일한 결과를 나타낼 수 있을 것으로 기대된다. 비아 내 Cu량이 증가함에 따라 열저항 또한 지수함수적으로 감소하는 것을 볼 수 있다.
그러나, LED모듈에 열비아를 가급적 많이 형성시키는 것은 산업적으로 비용이 많이 들므로, 열비아의 피치만으로 LED모듈의 방열구조를 개선시키기 위한 기준점을 제시하기에는 부족하였다. 따라서 본 연구에서는 Fig. 7과 같이 비아 내 Cu량에 따라 열저항 변화를 제시하여 향후 LED모듈의 방열구조 설계시, 가이드라인 제공이 가능할 것으로 기대하였다. 동일샘플에서 열비아의 피치와 비아 내 Cu량은 상호관계가 있으므로 LED모듈의 열저항변화의 동일한 결과를 나타낼 수 있을 것으로 기대된다.
따라서, 열비아는 LED모듈에서 열발산을 위한 충분한 경로를 제공하고 있는 것을 알 수 있으며 열비아 구조에 따라 방열구조설계 개선이 가능할 것으로 기대하였다. 그러나, LED모듈에 열비아를 가급적 많이 형성시키는 것은 산업적으로 비용이 많이 들므로, 열비아의 피치만으로 LED모듈의 방열구조를 개선시키기 위한 기준점을 제시하기에는 부족하였다.
열비아는 LED칩으로부터 발생된 열이 외부로 쉽게 발산할 수 있는 전도경로 역할을 수행하며 열비아내의 Cu량에 따라 열저항이 지수함수적으로 감소함을 알 수 있었다. 본 연구결과에 의하여, 열비아 구조의 삽입으로 LED모듈의 방열특성을 적은 비용으로도 충분히 개선될 수 있을 것으로 기대된다.
이는 비아내의 Cu량이 증가할수록 LED칩에서 발생하는 열을 외부로 보다 용이하게 배출할 수 있는 것을 나타내며 동일 형상 열비아에서 피치가 감소할수록 열저항은 더욱 감소될 것으로 기대된다. 본 연구를 통하여 동일시편에 열비아 구조변경만으로 열저항이 최대 2.4배 차이가 나는 것으로 분석되었으며 이는 저가의 CCL를 사용하여도 LED모듈의 방열특성이 충분히 개선될 수 있으며 또한, 산업적 비용을 고려하지 않는다면, 열비아내에 Cu를 fill도금할 경우 방열 효과는 더욱 극대화할 것으로 기대된다.
1 K/W로 가장 높은 열저항을 나타내었다. 이는 비아내의 Cu량이 증가할수록 LED칩에서 발생하는 열을 외부로 보다 용이하게 배출할 수 있는 것을 나타내며 동일 형상 열비아에서 피치가 감소할수록 열저항은 더욱 감소될 것으로 기대된다. 본 연구를 통하여 동일시편에 열비아 구조변경만으로 열저항이 최대 2.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
LED칩의 발생 열의 문제는?
그러나, LED칩 용량이 증가함에 따라서 LED칩으로부터 발생되는 열은 더욱 증가하게 되었으며3-4) 이는산업적으로 반드시해결해야할 문제점으로 고려되고 있다. LED칩의 발생 열은 최종제품의 광효율 감소, 수명 감소 등의 제품불량과 직접적인 연관성이 있다. 기존의 고출력 LED모듈은 MCL (Metal Clad Laminate)을 이용하여 제조되어 왔으나 원자재가 고가인 단점이 있었다.
MCL을 이용하여 제조한 기존의 고출력 LED모듈의 단점은?
LED칩의 발생 열은 최종제품의 광효율 감소, 수명 감소 등의 제품불량과 직접적인 연관성이 있다. 기존의 고출력 LED모듈은 MCL (Metal Clad Laminate)을 이용하여 제조되어 왔으나 원자재가 고가인 단점이 있었다. 따라서 본 연구에서는 저가형 FR4 및 구리층 구조의 CCL (Copper Clad Laminate)를 이용하여 열방출의 극대화를 구현하고자 하였으며 이러한 방법으로 열비아(thermal via)를 LED 패키지주위에 인위적으로 여러 가지모양으로 형성하여 최적의 조건을 제시하고자 하였다.
열비아가 없는 경우, LED 모듈 중앙은 102.9oC, 가장자리는 102.4oC로 온도차이가 0.5oC로 해석되었으며, 크기 0.5 mm, 피치 1.6 mm인 열비아가 삽입된 구조의 경우, LED 모듈 중앙은 114.4oC, 가장자리는 104.2oC로 온도차이가 7.2oC로 분석된 원인은?
2oC로 분석되었다. 이러한 원인은 LED 칩으로 발생한 열이 인위적으로 구성된 열비아를 통하여 LED 칩 주위의 하부로 우선적으로 방출되었기 때문이다. LED chip에서 발생한 열과 LED bottom에서 발생한 열의 차이가 중요한 것이고 각각의 LED에서 발생한 열은 상대적인 결과이다.
참고문헌 (10)
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