고출력 LED 패키지의 방열 특성 향상을 위하여, 다이 접합부에 실리콘 접착제와 금속 패턴의 병렬 접합 구조를 적용하여 열 유동 해석을 수행하였다. 그 결과, LED 칩에서 발생한 열은 주로 금속 패턴 구조물을 통해 기판으로 효과적으로 전달되고 있으나, 패턴 구조물의 크기에 따라 효율의 차이가 있음을 확인하였고, 그 효과를 정량화하기 위해 정규화 길이를 도입하여 칩과 금속 패턴 구조물의 면적에 따른 열 저항을 비교하였다. 정규화 길이가 길어지면 금속 패턴 구조물에 의한 열 우회 경로가 칩에 고르게 분포하여 열 저항이 감소하였으며, 그 값은 단순 병렬 열 저항 이론 값보다 다소 큰 수치로 수렴하지만, 충분한 열 저항 개선 효과를 얻을 수 있었다.
고출력 LED 패키지의 방열 특성 향상을 위하여, 다이 접합부에 실리콘 접착제와 금속 패턴의 병렬 접합 구조를 적용하여 열 유동 해석을 수행하였다. 그 결과, LED 칩에서 발생한 열은 주로 금속 패턴 구조물을 통해 기판으로 효과적으로 전달되고 있으나, 패턴 구조물의 크기에 따라 효율의 차이가 있음을 확인하였고, 그 효과를 정량화하기 위해 정규화 길이를 도입하여 칩과 금속 패턴 구조물의 면적에 따른 열 저항을 비교하였다. 정규화 길이가 길어지면 금속 패턴 구조물에 의한 열 우회 경로가 칩에 고르게 분포하여 열 저항이 감소하였으며, 그 값은 단순 병렬 열 저항 이론 값보다 다소 큰 수치로 수렴하지만, 충분한 열 저항 개선 효과를 얻을 수 있었다.
We present the thermal analysis result of die bonding for a high power LED package using a metal hybrid silicone adhesive structure. The simulation structure consists of an LED chip, silicone die adhesive, package substrate, silicone-phosphor encapsulation, Al PCB and a heat-sink. As a result, we de...
We present the thermal analysis result of die bonding for a high power LED package using a metal hybrid silicone adhesive structure. The simulation structure consists of an LED chip, silicone die adhesive, package substrate, silicone-phosphor encapsulation, Al PCB and a heat-sink. As a result, we demonstrate that the heat generated from the chip is easily dissipated through the metal structure. The thermal resistance of the metal hybrid structure was 1.662 K/W. And the thermal resistance of the total package was 5.91 K/W. This result is comparable to the thermal resistance of a eutectic bonded LED package.
We present the thermal analysis result of die bonding for a high power LED package using a metal hybrid silicone adhesive structure. The simulation structure consists of an LED chip, silicone die adhesive, package substrate, silicone-phosphor encapsulation, Al PCB and a heat-sink. As a result, we demonstrate that the heat generated from the chip is easily dissipated through the metal structure. The thermal resistance of the metal hybrid structure was 1.662 K/W. And the thermal resistance of the total package was 5.91 K/W. This result is comparable to the thermal resistance of a eutectic bonded LED package.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
따라서 금속 접합 방법과 에폭시 토출 방법의 혼합을 통해 기존의 패키지 방열 성능을 향상시키기 위하여, 본 논문에서는 다이 접합부에 금속 패턴과 실리콘 접착제의 혼합 구조를 적용하여 열·유동 전산모사를 수행하였으며, 그 결과 다이 접합부의 방열 특성이 향상된 것을 확인하였다.
앞서 설명한 바와 같이, 분할 수 N이 커져 열 우회 경로가 고르게 분포할수록 열 저항이 감소하며, 모든 경우에 그 값은 단순 병렬 열 저항 이론에 의한 수치보다는 다소 큰 수치로 수렴하고 있다. 이는 상당히 큰 정규화 길이 #의 경우에도 금속 패턴 주변의 열 전도 벡터가 이론에서의 근사 조건을 만족하지 못하기 때문이지만, 실제적인 경우에 있어서는 충분한 열 저항 개선 효과를 주는 영역을 확인하고 활용하고자 한다. 면적 비 rarea에 대하여, 금속을 통한 열 전달 효과가 칩 전체에 고르게 분포하도록 하는 적절한 분할치 N을 선택함으로써 금속 패턴의 최적 크기를 도출할 수 있다.
제안 방법
전산모사를 통해 LED 칩에서 발생한 열은 주로 금속 패턴을 통해 기판으로 효과적으로 전달됨을 확인하였다. 또한, 금속 패턴과 실리콘 접착제 간의 접합부 경계 길이를 칩의 둘레로 정규화하여 금속 패턴의 최적화 크기를 도출 하였다. 이와 같은 결과는 LED 패키지의 방열 향상에 중요하게 활용될 수 있을 것으로 기대한다.
이론 수식을 통한 계산된 열 저항과 측정 결과의 차이를 접촉 열 저항으로 정의하면, 접촉 열 저항은 합금 계열에 비해 에폭시를 사용한 경우가 더 작으며, 첨가물이 없는 실리콘 접착제의 경우 열 전도도가 낮아 열 저항은 크지만 접촉 열 저항은 매우 작은 편이다. 전산모사에서는 접촉 열 저항의 영향을 고려하기 어렵기 때문에, 먼저 본 논문에서는 접촉 열 저항이 작은 재료를 고려하여 열 전도도에 따른 패키지의 방열 특성을 전산모사 하였다. 패키지 구조를 1차원 열전도 모델로 고려하여 나타내면 그림 1과 같다.
따라서, 금속 패턴을 통한 열 전달 효과를 칩 전체에 고르게 분포하도록 하기 위해, 금속 패턴의 면적은 동일하게 유지하면서 패턴을 N × N개로 분할하여, 분할 수(N)에 따른 전산모사를 수행하였다.
금속 패턴 (Ag, k = 411 W/m · K) 면적은 칩 면적의 30%로 하였으며, 접착제는 실리콘(k = 0.2 W/m · K)을 고려하여 전산모사 하였다.
15 mm2 , 두께(L)는 10 µm로 설정 하였다. 칩의 발열량은 2.25 W, 주변부 온도 20℃이며, 전산모사는 전산 유체 역학(Computational Fluid Dynamics, CFD) 소프트웨어 Ansys ICEPAK 을 이용하여 정상상태 자연대류 조건에서 수행하였다. 계산 영역은 0.
기존의 실리콘 접착제를 이용한 접합방식은 낮은 열전도도에 의해 열 저항이 상당히 크게 나타나기 때문에, 다이본딩부의 열전도 개선을 위하여 열 우회 금속(Thermal bypass Metal)을 적용하였다. 제안하는 접합 방법은 패키지 기판의 다이 접합부 또는 LED 칩 하부에 금속 패턴을 형성하고 기존의 디스펜싱 공정으로 칩을 접합하는 방법이다.
기존의 실리콘 접착제를 이용한 접합방식은 낮은 열전도도에 의해 열 저항이 상당히 크게 나타나기 때문에, 다이본딩부의 열전도 개선을 위하여 열 우회 금속(Thermal bypass Metal)을 적용하였다. 제안하는 접합 방법은 패키지 기판의 다이 접합부 또는 LED 칩 하부에 금속 패턴을 형성하고 기존의 디스펜싱 공정으로 칩을 접합하는 방법이다. 금속 패턴 (Ag, k = 411 W/m · K) 면적은 칩 면적의 30%로 하였으며, 접착제는 실리콘(k = 0.
정규화 길이에 따른 다이 접착부 열 저항 전산모사 결과를 그림 4에 나타내었으며, LED 칩 크기와 금속 패턴의 면적(15%, 30%)에 따른 전산모사를 추가로 수행하여 정규화 길이에 따라 비교하였다. 참고로 칩2의 면적은 칩1 면적의 절반으로 Achip2 = 1.
패키지의 방열 특성 분석을 위해, 칩 접착제의 열전도도에 따라 전산모사를 수행하여, 단순 이론 수식 계산 결과와 전산모사 결과를 비교하였다. 전체 패키지 열 저항은 이론 수식 계산 결과와 전산모사 결과가 유사하지만, 단순 이론 수식 계산 결과는 물질간 접합 면적의 차이가 고려되지 않기 때문에 세부 요소별 열 저항 전산모사 값은 이론 값과 차이가 발생한다.
따라서, 다이 접합부의 방열 특성 향상을 위해, 금속 접합 방법과 디스펜싱 방법의 혼합 구조를 고려하여, 다이 접합부에 금속 패턴을 적용하고 실리콘 접착제로 접합하는 방법을 제안하였다. 전산모사 결과, 대부분의 열이 금속 패턴을 통해 기판으로 효율적으로 전달되는 것을 확인하였으며, 혼합 구조의 열 저항은 실리콘 접착제만 사용한 경우에 비해 크게 감소하였다.
전산모사 결과, 대부분의 열이 금속 패턴을 통해 기판으로 효율적으로 전달되는 것을 확인하였으며, 혼합 구조의 열 저항은 실리콘 접착제만 사용한 경우에 비해 크게 감소하였다. 또한, 금속 패턴 구조물의 크기에 따라 효율의 차이가 있음을 확인하고, 금속 패턴을 분할하여 열 전달 경로를 칩 전체에 고르게 분포시킨 결과, 열 저항은 더욱 감소하였으며, 이러한 경향성을 정량화하기 위해, 정규화 길이(#) 를 도입하였다. 정규화 길이가 길어지면 금속 패턴 구조물에 의한 열 우회 경로가 칩에 고르게 분포하여 열 저항이 감소하며, 그 값은 단순 병렬 열 저항 이론 값보다 다소 큰 수치로 수렴하지만, 충분한 열 저항 개선 효과를 얻을 수 있었다.
따라서 금속 접합 방법과 에폭시 토출 방법의 혼합을 통해 기존의 패키지 방열 성능을 향상시키기 위하여, 본 논문에서는 다이 접합부에 금속 패턴과 실리콘 접착제의 혼합 구조를 적용하여 열·유동 전산모사를 수행하였으며, 그 결과 다이 접합부의 방열 특성이 향상된 것을 확인하였다. 전산모사를 통해 LED 칩에서 발생한 열은 주로 금속 패턴을 통해 기판으로 효과적으로 전달됨을 확인하였다. 또한, 금속 패턴과 실리콘 접착제 간의 접합부 경계 길이를 칩의 둘레로 정규화하여 금속 패턴의 최적화 크기를 도출 하였다.
그 증가, 감소 값은 서로 보상되기 때문에, 전체 패키지의 열 저항은 전산모사 결과와 단순 이론 수식 계산 결과가 유사하다. 또한, 열저항 전산모사 값과 이론 계산 값의 차이는 열전도도가 낮은 실리콘 접착제의 경우가 더 크게 나타났으며, 이것은 접착제의 열전도 개선을 통해 접착제 열 저항뿐만 아니라 열 전달 경로상 접착제 이후 물질들의 열 저항도 개선됨을 나타낸다.
2 W/m · K)을 고려하여 전산모사 하였다. 금속 패턴 적용 결과 패키지 열 저항은 기존 40.24 K/W 에서 16.3 K/W로 감소하였고, 다이 접합부 열 저항은 기존 24.41 K/W에서 9.42 K/W로 감소하여, 다이 접합부의 열 전달 특성이 매우 향상될 수 있음을 확인하였다. 금속 패턴이 적용된 LED 칩의 표면 온도 전산모사 결과를 그림 2(a)에 나타냈다.
그림 2에서 볼 수 있듯이 N이 커짐에 따라 금속이 고르게 분포하여 칩 표면 온도가 감소하는 경향을 보였다. 열 저항 값은 N = 1일 때 9.42 K/W에서, N = 13 일 때 1.662 K/W로 감소하여, 열 전달 특성이 더욱 향상된 것을 확인하였지만, 단순 병렬 열 저항 이론에 의한 수치(~0.06K/W) 보다는 다소 큰 수치로 수렴한다. 그림 3은 N = 13인 경우, LED 패키지 및 칩 부분 확대 단면의 온도 분포를 나타내며, 그림 3(b)를 통해, 사파이어에 축적되어 있는 열이 주로 금속 패턴을 통해 패키지 기판에 효율적으로 전달되고 있는 것을 볼 수 있다.
따라서, 다이 접합부의 방열 특성 향상을 위해, 금속 접합 방법과 디스펜싱 방법의 혼합 구조를 고려하여, 다이 접합부에 금속 패턴을 적용하고 실리콘 접착제로 접합하는 방법을 제안하였다. 전산모사 결과, 대부분의 열이 금속 패턴을 통해 기판으로 효율적으로 전달되는 것을 확인하였으며, 혼합 구조의 열 저항은 실리콘 접착제만 사용한 경우에 비해 크게 감소하였다. 또한, 금속 패턴 구조물의 크기에 따라 효율의 차이가 있음을 확인하고, 금속 패턴을 분할하여 열 전달 경로를 칩 전체에 고르게 분포시킨 결과, 열 저항은 더욱 감소하였으며, 이러한 경향성을 정량화하기 위해, 정규화 길이(#) 를 도입하였다.
또한, 금속 패턴 구조물의 크기에 따라 효율의 차이가 있음을 확인하고, 금속 패턴을 분할하여 열 전달 경로를 칩 전체에 고르게 분포시킨 결과, 열 저항은 더욱 감소하였으며, 이러한 경향성을 정량화하기 위해, 정규화 길이(#) 를 도입하였다. 정규화 길이가 길어지면 금속 패턴 구조물에 의한 열 우회 경로가 칩에 고르게 분포하여 열 저항이 감소하며, 그 값은 단순 병렬 열 저항 이론 값보다 다소 큰 수치로 수렴하지만, 충분한 열 저항 개선 효과를 얻을 수 있었다. 마지막으로, 칩 크기 증가에 따른 열 저항 감소를 확인한 결과, 일반적인 기대 값보다 큰 값을 보였으나, 이는 금속 패턴에 의한 열 저항 개선 효과가 이미 적용되어 있어 면적 증가에 의한 열저항 개선 효과가 희석되었기 때문으로 판단된다.
정규화 길이가 길어지면 금속 패턴 구조물에 의한 열 우회 경로가 칩에 고르게 분포하여 열 저항이 감소하며, 그 값은 단순 병렬 열 저항 이론 값보다 다소 큰 수치로 수렴하지만, 충분한 열 저항 개선 효과를 얻을 수 있었다. 마지막으로, 칩 크기 증가에 따른 열 저항 감소를 확인한 결과, 일반적인 기대 값보다 큰 값을 보였으나, 이는 금속 패턴에 의한 열 저항 개선 효과가 이미 적용되어 있어 면적 증가에 의한 열저항 개선 효과가 희석되었기 때문으로 판단된다. 이와 같이 제안된 금속-실리콘 병렬 접합 구조는 설계 및 공정이 간단하고 효율적으로 열 전달이 가능하여, LED 패키지의 방열 향상에 중요하게 활용될 수 있을 것으로 기대한다.
후속연구
또한, 금속 패턴과 실리콘 접착제 간의 접합부 경계 길이를 칩의 둘레로 정규화하여 금속 패턴의 최적화 크기를 도출 하였다. 이와 같은 결과는 LED 패키지의 방열 향상에 중요하게 활용될 수 있을 것으로 기대한다.
마지막으로, 칩 크기 증가에 따른 열 저항 감소를 확인한 결과, 일반적인 기대 값보다 큰 값을 보였으나, 이는 금속 패턴에 의한 열 저항 개선 효과가 이미 적용되어 있어 면적 증가에 의한 열저항 개선 효과가 희석되었기 때문으로 판단된다. 이와 같이 제안된 금속-실리콘 병렬 접합 구조는 설계 및 공정이 간단하고 효율적으로 열 전달이 가능하여, LED 패키지의 방열 향상에 중요하게 활용될 수 있을 것으로 기대한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
청색 LED는 무엇을 기반으로 개발되었는가?
질화갈륨(GaN) 기반의 청색 LED(Light Emitting Diode)가 개발된 이후로 LED는 그 응용분야가 급격하게 확산되고 있다. 특히, 청색 빛과 형광물질(Phosphor)을 이용한 백색 LED는 광 출력이 향상 됨에 따라 일반 조명 분야에서도 사용되기 시작했다.
에폭시 계열을 이용한 접합 방식의 단점은?
이러한 에폭시 계열을 이용한 접합 방식은 열팽창 계수가 LED나 기판 물질과 비슷하며, 기포(Air void) 발생 비율이 작아 접착 신뢰성이 뛰어나다. 하지만, 공정과정에서 접착제가 균일하게 퍼지지 않는 경우, 접착력이 떨어지고 발광 효율에 영향을 미치며, 재료 자체의 낮은 열전도도로 인하여 열 방출이 어렵고, 고온에서 열화 현상이 발생하는 단점이 있다. 특히 낮은 열전도도로 인하여 LED 칩 내에 갇혀있는 열은 패키지의 수명과 효율에 큰 영향을 미친다.
LED 칩을 패키지 기판에 부착하는 다이 본딩 방법은 어떻게 나뉠 수 있는가?
LED 칩을 패키지 기판에 부착하는 다이 본딩 방법은 크게 두 종류로, 패키지 기판에 고분자계 접착제를 토출(Dispensing)하여 LED를 부착하는 방법과 솔더링(Soldering)을 포함하여 합금으로 용접을 하는 공융 접합(Eutectic bonding) 방법이 있으며, 그 장단점을 정리하면 다음과 같다.[6-8]
참고문헌 (8)
Z.-T. Li, Q.-H. Wang, Y. Tang, C. Li, X.-R. Ding, and Z.-H. He, "Light extraction improvement for LED COB devices by introducing a patterned leadframe substrate configuration," IEEE Electron. Dev. Lett. 60, 1397-1403 (2013).
L. Yin, L. Yang, W. Yang, Y. Guo, K. Mac, S. Li, and J. Zhang, "Thermal design and analysis of multi-chip LED module with ceramic substrate," Solid-State Electronics 54, 1520-1524 (2010).
T. Kunimune, M. Kuramoto, S. Ogawa, M. Nogi, and K. Suganuma, "Low-temperature pressure-less silver direct bonding," IEEE Trans. Compon. Packag. Manuf. Technol. 3, 363-369 (2013).
H.-H. Kim, S.-H. Choi, S.-H. Shin, Y.-K. Lee, S.-M. Choi, and S. Yi, "Thermal transient characteristics of die attach in high power LED PKG," Microelectronics Reliability 48, 445-454 (2008).
B. Yan, J. Pyng You, N. T. Tran, Y. He, and F. G. Shi, "Influence of die attach layer on thermal performance of high power light emitting diodes," IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies 33, 722-727 (2010).
T.-y. Chung, J.-H. Jhang, J.-S. Chen, Y.-C. Lo, G.-H. Ho, M.-L. Wu, and C.-C. Sun, "A study of large area die bonding materials and their corresponding mechanical and thermal properties," Microelectronics Reliability 52, 872-877 (2012).
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.