[논문]FR4 PCB면적과 Via-hole이 LED패키지에 미치는 열적 특성 분석

김성현; 이세일; 양종경; 박대희

doi:10.4313/jkem.2011.24.3.234

FR4 PCB면적과 Via-hole이 LED패키지에 미치는 열적 특성 분석
Analysis of Thermal Properties in LED Package by Via-hole and Dimension of FR4 PCB 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.24 no.3, 2011년, pp.234 - 239

김성현 (원광대학교 정보통신공학과) , 이세일 (원광대학교 정보통신공학과) , 양종경 (원광대학교 정보통신공학과) , 박대희 (원광대학교 정보통신공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the heat transfer capability have been improved by using via-holes in FR4 PCB, when the LED lighting is designed to solve the thermal problem. The thermal resistance and junction temperature were measured by changing the dimension of FR4 PCB and size of via hole. As a result, when the dimension was increased initially, the thermal resistance and junction temperature was decreased rapidly, the ones was stabilized after the dimension of 200 $[mm^2]$. Also, the light output was improved up to maximum 17% by formation of via-hole and expansion of dimension in FR4 PCB. Therefore, the thermal resistance and junction temperature could be improved by expansion of PCB dimension and configuration of via-hole ability.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

실험하기에 앞서 via-hole을 형성한 FR4 PCB를 모델링 하기위하여 PCB를 그림 2와같이 회로를 구성하였다. 또한 서로 다른 면적을 갖는 FR4 PCB에 via-hole의 사이즈 및 개수에 변화를 주어 각각의 특성에 대해 알아보았다.
본 연구에서는 고가의 MPCB에 의한 가격상승 및 LED 조명에 대한 성능 향상을 위해 기존에 사용하던 MPCB 대신 FR4 PCB에 via-hole을 형성하였다. PCB크기, via-hole 사이즈 및 개수에 변화를 주어 그에 따른 접합온도 및 열 저항 특성을 분석하였으며 시뮬레이션을 통한 열 해석을 통해 온도 분포를 확인하였다.

제안 방법

LED 패키지의 면적과 via hole 형성에 따른 Chip 부분부터 PCB 부분까지 전체적인 열 분포 특성을 확인하기 위하여 그림 8에서 보는 바와 같이 CFDesign V10을 이용하여 시뮬레이션을 확인하였다.
본 연구에서는 기존에 사용하던 MPCB대신 에폭시 재질인 FR4 (flame retardant composition 4) PCB에 via-hole을 형성하여 PCB크기, via-hole 사이즈 및 개수에 변화를 주어 그에 따른 접합온도 및 열 저항 특성을 분석하였으며 시뮬레이션을 통한 열 해석을 통해 온도 분포를 확인하였다.
표 1은 FR4 PCB의 면적에 대한 구성을 나타낸다. 가로의 길이는 고정이며 세로의 길이만 6, 8, 10, 20 (mm)의 변화를 주어 서로 다른 PCB면적을 갖도록 하였다. 또한 면적이 커짐으로 인해 via-hole의 개수를 늘렸으나 LED의 heat-slug 부분은 동일한 0.
K-factor 측정은 JEDEC (EIA/JESD51-1)의 규격을 바탕으로 LED패키지의 접합온도 및 열 저항을 측정 하였다. 또한 순전압 (V_F) 측정에 의한 방법으로 순전류를 1 (mA)일 때 LED 주위 온도를 변화시키면서 V_F 를 측정 하였다 [8]. 순전압과 접합온도의 관계는 반비례하는 선형 그래프임을 알 수 있다.
본 연구에서는 기존에 사용하던 MPCB대신 에폭시 재질인 FR4 (flame retardant composition 4) PCB에 via-hole을 형성하여 PCB크기, via-hole 사이즈 및 개수에 변화를 주어 그에 따른 접합온도 및 열 저항 특성을 분석하였으며 시뮬레이션을 통한 열 해석을 통해 온도 분포를 확인하였다.
시뮬레이션을 통한 열 분포는 CFDesign V10을 이용하여 해석하였으며 그림 3에서와 보는 바와 같이 LED chip 내부에 1 (W)를 인가하여 그에 따른 특성을 확인하였다. 외부 환경 조건은 압력은 0 (psi), 외부온도는 25 (℃)를 주었으며, 강제대류가 아닌 자연 대류에 의한 영향만 고려하였다.
실제 제작된 FR4 PCB의 via-hole이 형성된 4가지 타입의 sample의 냉각 시스템을 구현하기 위해서 solid works로 모델링 하였다.

이론/모형

K-factor 측정은 JEDEC (EIA/JESD51-1)의 규격을 바탕으로 LED패키지의 접합온도 및 열 저항을 측정 하였다. 또한 순전압 (V_F) 측정에 의한 방법으로 순전류를 1 (mA)일 때 LED 주위 온도를 변화시키면서 V_F 를 측정 하였다 [8].

성능/효과

FR4 PCB의 via-hole 형성 및 면적을 바탕으로 실제적인 광출력에 대한 내용을 확인한 결과 sample 3과 4에서 광출력의 변화가 둔화된 것을 확인할 수 있다. 초기 광속의 경우 200 (s) 후 안정화된 특성을 보였으며 PCB 면적을 증가함에 따라 최대 17%까지 광출력의 향상을 가져왔다.
JEDEC (EIA/JESD51-1)의 규격을 바탕으로 접합온도를 측정한 결과 그림 5에서와 같이 PCB면적이 160 (mm²)까지 증가함에 따라 접합온도가 급격히 떨어졌으며 PCB 면적이 커지고 via-hole의 개수가 증가할수록 그래프 기울기가 완만해 지며 안정화를 이루는 경향을 확인할 수 있다. 따라서 PCB 면적에 따라 최대 30 (℃) 이상의 접합온도 변화 특성을 보였으며 이는 FR4 PCB에서 via-hole 형성에 의해 PCB 특성이 개선되었음을 직접적으로 확인할 수 있다.
PCB 면적 및 via hole 증가에 따라 내부에서 생성된 열이 점차적으로 외부로 확산되는 특성을 보였으며 이는 PCB 내부의 via-hole 형성 및 구성에 따라 열 성능을 개선할 수 있음을 확인할 수 있었다.
)이상에서는 안정화 되는 분포를 보였다. 또한 CFDesign V10 열 해석 프로그램을 이용한 시뮬레이션에서도 via-hole을 통해 내부의 열이 외부로 확산되는 특성을 확인할 수 있었다.
순전압과 접합온도의 관계는 반비례하는 선형 그래프임을 알 수 있다. 또한 순전압과 접합온도의 관계에서 구동전류는 10 (s) 동안 350 (mA)를 인가하였으며 감지전류는 4 (ms) 동안 1 (mA)를 인가하여 감지전류를 바탕으로 접합온도의 변화를 확인할 수 있었다.
열 저항 역시 그림 6에서 보는 바와 같이 접합온도와 마찬가지로 초기 높은 열 저항 특성을 보이는 것을 알 수 있으며 약 200 (mm²) 이후부터 열 저항이 급격히 안정화되는 것을 확인할 수 있었다. 또한 접합 온도 특성이 높아짐에 따라 열에 의한 스트레스가 증가되어 열 저항도 높아지는 것을 알 수 있었다.
실험에서 접합온도를 측정한 결과와 시뮬레이션을 바탕으로 chip에서의 온도 분포를 표 4에서와 같이 확인할 수 있다. 시뮬레이션의 경우 솔더에 의한 영향은 배제되었기 때문에 약간의 온도 차이는 보였으나 전체적으로 via-hole 및 면적의 확대를 통해 PCB 자체에서 방열성능을 개선할 수 있었으며 나머지에 대한 열 개선은 heat sink 및 heat pipe등을 통해 개선할 수 있을 것으로 사료된다.
LED 패키지에 구동 전력을 바탕으로 외부온도 25 (℃)를 기준으로 시간에 따른 열 저항 특성식 (2-1)을 통해 구할 수 있다. 열 저항 역시 그림 6에서 보는 바와 같이 접합온도와 마찬가지로 초기 높은 열 저항 특성을 보이는 것을 알 수 있으며 약 200 (mm²) 이후부터 열 저항이 급격히 안정화되는 것을 확인할 수 있었다. 또한 접합 온도 특성이 높아짐에 따라 열에 의한 스트레스가 증가되어 열 저항도 높아지는 것을 알 수 있었다.

후속연구

결과적으로 접합온도 및 열 저항에 있어서 PCB 면적이 크거나 via-hole을 구성함에 있어 열전달 능력을 향상시킬 수 있었으며 PCB 면적 및 via-hole 형성을 고려한 방열 특성 개선에 대한 지속적인 연구가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	고출력 LED에서 발생하는 문제를 해결하기 위해서는 무엇이 필요한가?	고출력 LED의 경우, 소비전력이 높아 발생되는 열이 많은데 생성된 열을 내부에서 지속적으로 지니게 되면 소자의 온도가 상승하여 효율적인 광 방출을 저해하게 되고, 열적 스트레스가 발생하며 이는 단기적으로는 광 효율의 저하와 직접적으로 관계되며, 장기적으로는 칩의 수명을 감소시키는 요인이 되어 LED 소자의 신뢰성을 저하시킨다 [3-5]. 위와 같은 문제를 해결하기 위해 LED칩에서 생성된 열을 반드시 주변으로 효과적으로 전달시켜야만 접합온도를 낮추어 효율 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
	고출력 LED의 단점은 무엇인가?	고출력 LED의 경우, 소비전력이 높아 발생되는 열이 많은데 생성된 열을 내부에서 지속적으로 지니게 되면 소자의 온도가 상승하여 효율적인 광 방출을 저해하게 되고, 열적 스트레스가 발생하며 이는 단기적으로는 광 효율의 저하와 직접적으로 관계되며, 장기적으로는 칩의 수명을 감소시키는 요인이 되어 LED 소자의 신뢰성을 저하시킨다 [3-5]. 위와 같은 문제를 해결하기 위해 LED칩에서 생성된 열을 반드시 주변으로 효과적으로 전달시켜야만 접합온도를 낮추어 효율 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
	발광다이오드의 장점은 무엇인가?	발광다이오드 (light emitting diode, LED)는 친환경, 에너지 효율, 고수명 등의 장점을 바탕으로 기존 광원을 대체하는 과정에 있다. 현재 대형 디스플레이에는 back light unit으로 발광다이오드가 적용되고 있으며, 자동차 조명 및 실내외 조명으로 그 활용의 폭이 확대되고 있는 실정이다.

참고문헌 (8)

J. B. Kim, ELECTRONIC, 24, 6 (2009).
Dimitar Georgiev Todorov, Lazar Georgiev Kapisazov, ETTRENDS (2008).
J. Park, M. W. Shin, C. C. Lee, OPTICS LETTERS, 29, 2656 (2004).

상세보기
S .L. Chuang, IEEE J. Quant. Electron, 33, 970 (1997).

상세보기
S .L .Chuang, IEEE J. Quant. Electron, 33, 970-979 (1997).

상세보기
X. Luo, W. Xiong, T. Cheng, S. Liu, Electronic Components and Technology Conference, 59th (2009).
M. H. Shin, J. P. Kim, LED Introduction to Packaging Technology (Bookshill, 2009) p. 283.
EIA/JESD51-1, http://www.jedec.org (1995).

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