과산화수소 적용 TIM의 LED 패키지 열특성 개선효과 Improved Thermal Resistance of an LED Package Interfaced with an Epoxy Composite of Diamond Powder Suspended in H2O2원문보기
고출력 LED 소자의 활용이 많아지면서, 온도상승 문제를 극복하고 신뢰성을 향상해야 하는 요구가 높아짐에 따라 광원 패키지의 방열이 매우 중요해졌다. 패키지에 칩을 접합하는 열전달 물질(TIM, Thermal Interface Material)은 열전도도가 높은 물질과 폴리머를 혼합하여 재료 자체의 열전달 특성을 향상시키는 방안이 사용되어 왔으나, 실제 패키지의 열 특성은 칩 부착계면의 높은 열저항으로 인해 기대에 미치지 못하고 있다. 본 연구는 diamond 분말과 epoxy의 혼합으로 열 특성을 개선함에 있어서, 과산화수소를 적용하면서도 기포를 효율적으로 제거하여, 각 계면의 친화성을 높이고 전체 점도를 낮추어 diamond 분말의 분산을 촉진하고, 결과적으로 대부분의 경우에 전체 열 저항을 약 30% 이상 개선하였다.
고출력 LED 소자의 활용이 많아지면서, 온도상승 문제를 극복하고 신뢰성을 향상해야 하는 요구가 높아짐에 따라 광원 패키지의 방열이 매우 중요해졌다. 패키지에 칩을 접합하는 열전달 물질(TIM, Thermal Interface Material)은 열전도도가 높은 물질과 폴리머를 혼합하여 재료 자체의 열전달 특성을 향상시키는 방안이 사용되어 왔으나, 실제 패키지의 열 특성은 칩 부착계면의 높은 열저항으로 인해 기대에 미치지 못하고 있다. 본 연구는 diamond 분말과 epoxy의 혼합으로 열 특성을 개선함에 있어서, 과산화수소를 적용하면서도 기포를 효율적으로 제거하여, 각 계면의 친화성을 높이고 전체 점도를 낮추어 diamond 분말의 분산을 촉진하고, 결과적으로 대부분의 경우에 전체 열 저항을 약 30% 이상 개선하였다.
We present a method for manufacturing a TIM used for packaging a high-power LED. In this method a mixture of diamond powder and hydrogen peroxide is used as a filler epoxy. The thermal resistance of the TIM with hydrogen peroxide was improved by about 30% over the thermal resistance of the TIM witho...
We present a method for manufacturing a TIM used for packaging a high-power LED. In this method a mixture of diamond powder and hydrogen peroxide is used as a filler epoxy. The thermal resistance of the TIM with hydrogen peroxide was improved by about 30% over the thermal resistance of the TIM without hydrogen peroxide. We demonstrate that as a result the heat generated from the chip is easily dissipated through the TIM.
We present a method for manufacturing a TIM used for packaging a high-power LED. In this method a mixture of diamond powder and hydrogen peroxide is used as a filler epoxy. The thermal resistance of the TIM with hydrogen peroxide was improved by about 30% over the thermal resistance of the TIM without hydrogen peroxide. We demonstrate that as a result the heat generated from the chip is easily dissipated through the TIM.
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문제 정의
본 연구는 diamond 분말과 epoxy의 혼합 시에 과산화수소 용액을 사용하여 LED 소자의 열 특성을 개선하는 결과를 제시한다. 기존 TIM 시료와 본 공정을 적용한 TIM 시료를 비교하여 LED 광원과 기판의 접착 시 유발되는 계면 열저항의 영향이 큰 것을 확인하고, 과산화수소 용액을 적용하여 실험 전반의 경우에 전체 열저항을 약 30% 이상 개선한 결과를 보고한다.
본 논문에서는 diamond 분말과 epoxy를 혼합하는 과정에 과산화수소 용액을 적용한 TIM을 제작하여 방열 특성을 개선한 결과를 보고하였다. 이 방식은 diamond 분말 표면을 개질하여 혼합물질 내의 diamond 분말의 분산을 개선하고, TIM precursor의 점도를 낮추어 접촉면과의 젖음성을 개선할 뿐 아니라, 내부의 기포 제거에도 도움을 주어, 대부분의 실험 조건 하에서 열저항이 약 30% 이상 개선되었다.
본 연구는 diamond 분말과 epoxy의 혼합 시에 과산화수소 용액을 사용하여 LED 소자의 열 특성을 개선하는 결과를 제시한다. 기존 TIM 시료와 본 공정을 적용한 TIM 시료를 비교하여 LED 광원과 기판의 접착 시 유발되는 계면 열저항의 영향이 큰 것을 확인하고, 과산화수소 용액을 적용하여 실험 전반의 경우에 전체 열저항을 약 30% 이상 개선한 결과를 보고한다.
제안 방법
LED 광원과 기판에 기존의 TIM을 도포한 시료군(A)과 과산화수소를 적용한 TIM 시료군(B)의 열저항은 열저항 측정기(T3-ster)를 이용하여 측정하였다. 그림 2는 열저항 측정기로 측정된 구조함수이다.
사용된 diamond 분말은 크기가 250 nm, 1 µm, 2 µm인 분말을 각각 4 : 2 : 1(wt%) 비율로 혼합하고, 이 혼성분말은 diamond의 무게농도가 0%, 10%, 20%, 30%, 50% (wt%)가 되도록 epoxy와 혼합하고, 경화제 (G-0930)와 epoxy를 3 : 7(wt%)로 교반하여 TIM 시료를 제작하였다.
시료 A bulk는 접촉식 열전도도 측정기 (MV100PR)을 이용하여 열전도도를 측정하였고, 이 결과를 열저항율로 환산하였다. 열저항율은 실제 bonding에 적용된 TIM의 높이와 면적(d = 5 µm, R = ϕ6.
열저항율은 실제 bonding에 적용된 TIM의 높이와 면적(d = 5 µm, R = ϕ6.0 mm)을 고려하여 A bulk의 열저항율을 구하였다.
첫 번째 시료군 A(bulk)는 교반된 TIM시료를 20 × 20 × 2 mm3 인 틀에 넣은 후 Hot-plate를 이용하여 100℃에서 90분 동안 경화시켜 bulk 형태로 준비하였고, 두번째 시료군 A는 PCB 기판 (SEOUL SEMICONDUCTOR, STAR, 19.9mm × 19.9mm)에 초음파를 적용하며 교반된 혼합물 TIM을 도포함으로 LED 소자(SEOUL SEMICONDUCTOR, N42182, ϕ6.0 mm × 5.08 mm)를 약 300psi의 압력을 2분간 인가하며 실장 한다.
대상 데이터
사용되는 TIM 시료는 diamond 분말(앵기스, HYPREZ IG) 과 epoxy (국도화학, YD-115)를 혼합하여 diamond 분말의 농도가 다른 5가지 TIM을 준비하였다. 사용된 diamond 분말은 크기가 250 nm, 1 µm, 2 µm인 분말을 각각 4 : 2 : 1(wt%) 비율로 혼합하고, 이 혼성분말은 diamond의 무게농도가 0%, 10%, 20%, 30%, 50% (wt%)가 되도록 epoxy와 혼합하고, 경화제 (G-0930)와 epoxy를 3 : 7(wt%)로 교반하여 TIM 시료를 제작하였다.
제작된 TIM 시료의 재료 자체의 고유 열저항과 기판에 실장된 경우의 열저항을 비교하기 위하여 세 가지 비교 시료군을 준비하였다. 첫 번째 시료군 A(bulk)는 교반된 TIM시료를 20 × 20 × 2 mm3 인 틀에 넣은 후 Hot-plate를 이용하여 100℃에서 90분 동안 경화시켜 bulk 형태로 준비하였고, 두번째 시료군 A는 PCB 기판 (SEOUL SEMICONDUCTOR, STAR, 19.
성능/효과
이 방식은 diamond 분말 표면을 개질하여 혼합물질 내의 diamond 분말의 분산을 개선하고, TIM precursor의 점도를 낮추어 접촉면과의 젖음성을 개선할 뿐 아니라, 내부의 기포 제거에도 도움을 주어, 대부분의 실험 조건 하에서 열저항이 약 30% 이상 개선되었다. 또한, 경화개시 직전의 추가적인 초음파 자극으로 열저항 개선효과(추가적인 44% 감소)도 얻었다. 과산화수소를 적용한 TIM precursor 방식은 LED 칩의 방열효과를 개선할 뿐 아니라 추후 다양한 응용분야에 적용 가능할 것으로 기대한다.
또한, 추가적으로 칩의 실장 경화 전에 10W 이하의 약한 초음파를 10분 정도 인가해 줌으로써 경화개시 과정에서 발생될 기포를 효과적으로 제거하고자 하였고, 이렇게 제작된 시료군 B의 30wt% 경우에, 열저항율은 약 19.657 m · K/W로 측정되어, 기존 시료군 B의 30wt% 열저항율 34.743 m · K/W 대비 약 44% 정도 추가적으로 감소하였다.
시료군 A(bulk)의 결과에서, diamond 함유량이 0wt% 일 때의 열 저항율은 3.787 m · K/W로 일반적인 epoxy 열저항율과 비슷하고, 함유량이 증가함에 따라 고유 열저항율은 0 m · K/W에 근접할 정도로 열특성이 우수할 수 있을 것으로 보이지만, 시료군 A의 결과는 그렇지 못함을 보여준다.
743 m · K/W 대비 약 44% 정도 추가적으로 감소하였다. 시료군 A의 경우도 시료군 B보다 다소 미약한 추가적인 개선 효과가 관측되었으며, 시료군 B보다는 개선되지 못하였다.
본 논문에서는 diamond 분말과 epoxy를 혼합하는 과정에 과산화수소 용액을 적용한 TIM을 제작하여 방열 특성을 개선한 결과를 보고하였다. 이 방식은 diamond 분말 표면을 개질하여 혼합물질 내의 diamond 분말의 분산을 개선하고, TIM precursor의 점도를 낮추어 접촉면과의 젖음성을 개선할 뿐 아니라, 내부의 기포 제거에도 도움을 주어, 대부분의 실험 조건 하에서 열저항이 약 30% 이상 개선되었다. 또한, 경화개시 직전의 추가적인 초음파 자극으로 열저항 개선효과(추가적인 44% 감소)도 얻었다.
특히 diamond 함유량이 30wt%일 때의 시료군 B의 열저항율은 34.743 m · K/W로 같은 함유량의 시료군 A의 열저항율 71.119 m · K/W 대비 약 52%정도 개선되었다.
후속연구
또한, 경화개시 직전의 추가적인 초음파 자극으로 열저항 개선효과(추가적인 44% 감소)도 얻었다. 과산화수소를 적용한 TIM precursor 방식은 LED 칩의 방열효과를 개선할 뿐 아니라 추후 다양한 응용분야에 적용 가능할 것으로 기대한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
LED 소자에서 발생한 열은 어떤 문제를 발생시키는가?
특히, 기존 조명을 대체하면서 고출력, 고효율의 LED 광원이 요구되고, 온도상승에 따른 소자의 신뢰성 저하가 우려됨에 따라 LED의 발열과 방열 문제는 중요한 문제로 부각되고 있다. LED 소자에서 발생한 열은 소자의 광속과 수명을 단축시키고, LED를 적용한 제품의 주변 회로에 영향을 미쳐 신뢰성을 떨어뜨린다. LED의 방열 기술은 LED가 실장 된 PCB기판에 히트싱크를 부착하는 방식이 보편적으로 사용되며, 효율적인 방열을 도모하기 위해 광원의 배열을 다양하게 변형하거나, 광원과 기판 사이의 열 전달물질(TIM, Thermal Interface Material)을 개선하는 연구가 진행되어 왔다.
TIM을 제작하여 방열 특성을 개선한 결과는?
본 논문에서는 diamond 분말과 epoxy를 혼합하는 과정에 과산화수소 용액을 적용한 TIM을 제작하여 방열 특성을 개선한 결과를 보고하였다. 이 방식은 diamond 분말 표면을 개질하여 혼합물질 내의 diamond 분말의 분산을 개선하고, TIM precursor의 점도를 낮추어 접촉면과의 젖음성을 개선할 뿐 아니라, 내부의 기포 제거에도 도움을 주어, 대부분의 실험 조건 하에서 열저항이 약 30% 이상 개선되었다. 또한, 경화개시 직전의 추가적인 초음파 자극으로 열저항 개선효과(추가적인 44% 감소)도 얻었다. 과산화수소를 적용한 TIM precursor 방식은 LED 칩의 방열효과를 개선할 뿐 아니라 추후 다양한 응용분야에 적용 가능할 것으로 기대한다.
고출력 LED 소자의 활용이 많아지면서 어떤 것이 중요해 졌는가?
고출력 LED 소자의 활용이 많아지면서, 온도상승 문제를 극복하고 신뢰성을 향상해야 하는 요구가 높아짐에 따라 광원 패키지의 방열이 매우 중요해졌다. 패키지에 칩을 접합하는 열전달 물질(TIM, Thermal Interface Material)은 열전도도가 높은 물질과 폴리머를 혼합하여 재료 자체의 열전달 특성을 향상시키는 방안이 사용되어 왔으나, 실제 패키지의 열 특성은 칩 부착계면의 높은 열저항으로 인해 기대에 미치지 못하고 있다.
참고문헌 (8)
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