[논문]세라믹-금속 기반 LED 어레이 패키지의 저온동시소성시 휨발생 억제 연구

허유진; 김효태

doi:10.6117/kmeps.2016.23.4.035

세라믹-금속 기반 LED 어레이 패키지의 저온동시소성시 휨발생 억제 연구
Low Temperature Co-firing of Camber-free Ceramic-metal Based LED Array Package 원문보기

마이크로전자 및 패키징 학회지 = Journal of the Microelectronics and Packaging Society, v.23 no.4, 2016년, pp.35 - 41

초록
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고출력 LED 조명용 패키지를 제조함에 있어서 발열은 LED의 광출력과 수명에 매우 중요한 영향을 주는 인자로 알려져 있다. 본 연구에서는 가로등용 고출력 LED 패키지를 개발함에 있어서 효과적인 방열을 하기 위하여 방열효과가 상대적으로 우수한 구조인 chip-on-a-heat sink 구조를 가지는 세라믹-메탈 기반의 패키지를 제조하였다. 열확산 기능을 하는 heat sink 기판소재는 알루미늄 합금을, LED 어레이 회로를 형성하는 절연막으로는 저온동시소성용 glass-ceramics을 사용하였다. 특히 열처리 시 가장 이슈가 되는 세라믹-금속 하이브리드 패키지 기판의 휨을 억제하기 위한 수단으로서, glass-ceramic 절연막을 부분 코팅함으로써 휨현상을 용이하게 줄일 수 있게 되었다. 또한, LED 패키지의 방열특성의 향상 즉 열저항도 기존의 MCPCB 패키지나 전면 코팅형 절연막 패키지에 비해 훨씬 낮아지는 효과를 얻었을 뿐 아니라, 세라믹 코팅소재의 절감효과도 볼 수 있게 되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Ceramic-metal based high power LED array package was developed via thick film LTCC technology using a glass-ceramic insulation layer and a silver conductor patterns directly printed on the aluminum heat sink substrate. The thermal resistance measurement using thermal transient tester revealed that ceramic-metal base LED package exhibited a superior heat dissipation property to compare with the previously known packaging method such as FR-4 based MCPCB. A prototype LED package sub-module with 50 watts power rating was fabricated using a ceramic-metal base chip-on-a board technology with minimized camber deformation during heat treatment by using partially covered glass-ceramic insulation layer design onto the aluminum heat spread substrate. This modified circuit design resulted in a camber-free packaging substrate and an enhanced heat transfer property compared with conventional MCPCB package. In addition, the partially covered design provided a material cost reduction compared with the fully covered one.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

4와 같이 세 가지 종류의 single chip이 실장된 표준 prototype LED 패키지를 제작하였다. 그림의 (a)는 기준시료로서 기존의 MCPCB형패키지, (b)는 세라믹-금속 하이브리드 패키지로서 세라믹 절연막 전면코팅형, 그리고 (c) 세라믹 절연막 부분코팅형으로서 이 세 가지 패키지의 규격사양은 모두 같게하여 오로지 방열특성만의 차별성을 평가하고자 하였다.
본 연구에서는 고출력 LED 어레이 패키지를 개발함에 있어서 효과적인 방열을 하기 위하여 방열효과가 상대적으로 우수한 구조인 CoH 구조를 가지는 세라믹-메탈 하이브리드 기판을 적용한 LED 어레이 패키지를 제조하였다. 세라믹-금속 이종소재를 적용하는 하이브리드 기판의 제조에 있어서, 특히 열처리 시 가장 이슈가 되는 패키지 기판의 휨을 억제하기 위한 수단으로서, 알루미늄기판에 glass-ceramic 절연막을 부분코팅 함으로써 휨 현상이 전면코팅형에 비해 1/10로 줄어 들었다.
본 연구에서는 다양한 고방열 패키지 디자인 중에서 방열효과가 우수한 CoH 구조를 기반으로 하는 LED 패키지를 제조하는 것으로서, 특히 열확산 소재로서 알루미늄 메탈 기판을 쓰고 그 위에 기존의 유기소재인 에폭시보다 열전도도가 양호한 glass-ceramic 소재를 후막공정(thick film process)을 써서 절연막으로 코팅하고, 최종적으로 다수의 LED 소자를 직병렬(series and parallel)의 array 회로로 배열하기 위하여 저온소결 가능한 은(Ag) 전극 페이스트(paste)를 인쇄하여 알루미늄 기판과 동시소성(co-firing)하는 것을 특징으로 한다.
및 금속과 세라믹 간의열팽창 계수의 차이로 기판의 휨 (camber 또는 warpage)현상이 발생하게 된다. 본고는 이 금속-세라믹 이종접합구조를 가지는 LED 패키지용 하이브리드 절연기판의 휨발생을 억제에 관한 것이다. 이를 위해 알루미늄 금속기판상에 도포되는 절연막 전면코팅과 LED 소자가 실장되는 solder pad 부위 및 이들 소자간의 직병렬 회로 연결interconnect 부분에만 절연막을 도포하는 절연막 부분코팅 기판회로 디자인을 적용하였다.
위와 같이 준비된 건조 시료는 전기로를 사용하여 540℃에서 40분간 대기분위기에서 열처리하여 세라믹 절연막을 형성하였다. 이 때 승온 및 냉각속도는 모두 10℃/min으로 하였으며, 기판시료가 외부 대기 온도 수준인 50℃ 이하로 냉각된 다음에 전기로에서 꺼내어 열충격으로 인한 세라믹 절연층의 균열을 방지하고자 하였다.
이를 위해 알루미늄 금속기판상에 도포되는 절연막 전면코팅과 LED 소자가 실장되는 solder pad 부위 및 이들 소자간의 직병렬 회로 연결interconnect 부분에만 절연막을 도포하는 절연막 부분코팅 기판회로 디자인을 적용하였다. 이에 따라 절연막 열처리 후 금속-세라믹 하이브리드 기판의 휨의 억제 정도를 정량화하여 측정하고, 열저항(thermal resistance) 측정법을 사용하여 LED 어레이 패키지의 방열효과가 개선되었음을 입증하고자 하였다.

가설 설정

6. Schematic of the prototype LED packages for the comparison of thermal resistances: (a) conventional FR-4 based MCPCB and (b) ceramic-metal based PCB covered with glass-ceramics.

제안 방법

LED 패키지의 방열특성은 국제표준인 JEDEC STD 51-1에 부합하고 전 세계적으로 가장 널리 사용하는 열저항측정기(model: T3Ster, Micred) 장비로 평가하였으며, 그결과를 Fig. 5에 나타내었다. MCPCB 기판으로 제작된 시료의 열저항값은 46.
금속-세라믹 기반의 LED 패키지 기판에 대한 방열특성을 평가하고자 아래 그림 Fig. 4와 같이 세 가지 종류의 single chip이 실장된 표준 prototype LED 패키지를 제작하였다. 그림의 (a)는 기준시료로서 기존의 MCPCB형패키지, (b)는 세라믹-금속 하이브리드 패키지로서 세라믹 절연막 전면코팅형, 그리고 (c) 세라믹 절연막 부분코팅형으로서 이 세 가지 패키지의 규격사양은 모두 같게하여 오로지 방열특성만의 차별성을 평가하고자 하였다.
다음으로 알루미늄 기판상의 세라믹 절연막 전면코팅형과 부분코팅형의 방열효과를 비교 평가하기 위하여 25×25 mm2 크기의 LED single chip이 실장된 표준 패키지 시료를 아래 그림 Fig. 2와 같이 디자인하여 제작하였다.
2와 같이 디자인하여 제작하였다. 또한 이들 하이브리드 패키지와의 성능비교 대조 샘플로서 같은 규격의 MCPCB형 패키지 시료도 제작하였다. 이 표준시료에 실장된 LED 소자는 1W급(model: Lumiled, Philips)의 칩을 사용하였다.
이 유전체 페이스트(paste)를 사용하여 스크린 인쇄(screen printing)법으로 1회에 50 μm의 두께로 인쇄 후 85℃의 오븐에서 30분간 건조하였다.
본고는 이 금속-세라믹 이종접합구조를 가지는 LED 패키지용 하이브리드 절연기판의 휨발생을 억제에 관한 것이다. 이를 위해 알루미늄 금속기판상에 도포되는 절연막 전면코팅과 LED 소자가 실장되는 solder pad 부위 및 이들 소자간의 직병렬 회로 연결interconnect 부분에만 절연막을 도포하는 절연막 부분코팅 기판회로 디자인을 적용하였다. 이에 따라 절연막 열처리 후 금속-세라믹 하이브리드 기판의 휨의 억제 정도를 정량화하여 측정하고, 열저항(thermal resistance) 측정법을 사용하여 LED 어레이 패키지의 방열효과가 개선되었음을 입증하고자 하였다.
이와 같이 제조한 25×25 mm2형 세라믹-금속 하이브리드 기판의 휨 정도(camber height)를 측정하기 위하여 그림 Fig. 1의 (f)와 같이 시료의 가장자리 네 꼭지점(β, γ, δ, ε)과 중심부(α)의 높이 단차를 정반이 부착된 마이크미터(Mitutoyo)로 측정하여 camber height를 산출하였다.
이후 2번 더 같은 방법으로 도포 과정을 거친 다음 6시간 동안 오븐에 넣어 절연막을 충분히 건조하여 최종 두께가 150 μm이 되도록 하였다.
이 표준시료에 실장된 LED 소자는 1W급(model: Lumiled, Philips)의 칩을 사용하였다. 제작된 세 가지 LED패키지 시료는 열저항 측정기(model: T3ster, Micred)를 사용하여 방열특성을 비교 측정하였다.

대상 데이터

5 mm) 기판을 사용하였고 시료의 크기는 25×25 mm²으로 하였다. 그 위에 도포할 세라믹 절연체는 알루미늄합금(이하 알루미늄)의 융점(601℃) 보다 낮은 540℃ 이하에서 소결이 가능한 ZnO-CaO-B₂O₃-SiO₂ 기반의 저온소성 glass-ceramic을 제조하였다. 이 유전체 페이스트(paste)를 사용하여 스크린 인쇄(screen printing)법으로 1회에 50 μm의 두께로 인쇄 후 85℃의 오븐에서 30분간 건조하였다.
건조가 끝난시료는 다시 그 위에 LED 소자 전극 pad 및 소자 간의 인터커넥팅을 위해 은(Ag) 전극을 후막 인쇄하였다. 여기서 세라믹 절연체 막을 인쇄하기 위한 스크린은 알루미늄 기판을 전면 도포할 패턴과 LED 소자의 전극 단자 및 인터커넥터용 은전극 회로의 절연만을 위한 부분 도포 인쇄패턴의 두 가지 스크린을 사용하였다. 아래 그림 Fig.
우선 금속소재의 열확산 기판으로서 경량이면서 열전도도가 우수하며 가공이 용이한 알루미늄 합금(5052-H32,t = 1.5 mm) 기판을 사용하였고 시료의 크기는 25×25 mm2으로 하였다.
또한 이들 하이브리드 패키지와의 성능비교 대조 샘플로서 같은 규격의 MCPCB형 패키지 시료도 제작하였다. 이 표준시료에 실장된 LED 소자는 1W급(model: Lumiled, Philips)의 칩을 사용하였다. 제작된 세 가지 LED패키지 시료는 열저항 측정기(model: T3ster, Micred)를 사용하여 방열특성을 비교 측정하였다.

성능/효과

4) 최근에는 열전도율이 0.1~0.2 W/m·K 내외의 상대적으로 낮은 유기소재 기판을 열전도도가 3~4 W/m·K 이면서 1,000℃ 이하의 저온에서 소결 가능한 glass-ceramic 소재 또는20~150 W/m·K로 매우 높은 알루미나(Al2O3), 질화규소(Si3N4) 또는 질화알루미늄(AlN) 등의 고온소결 (1,500℃이상) 세라믹소재를 절연기판으로 사용하는 사례가 증가하고 있다.
세라믹-금속 이종소재를 적용하는 하이브리드 기판의 제조에 있어서, 특히 열처리 시 가장 이슈가 되는 패키지 기판의 휨을 억제하기 위한 수단으로서, 알루미늄기판에 glass-ceramic 절연막을 부분코팅 함으로써 휨 현상이 전면코팅형에 비해 1/10로 줄어 들었다. LED 패키지의 방열특성도 기존의 에폭시 절연기판을 사용하는MCPCB 패키지 보다 전면코팅 세라믹 절연막 패키지는200%, 절연막 부분코팅형 하이브리드 기판 LED 패키지는 250% 이상 향상되는 효과를 얻었다. 그 뿐만 아니라, 부분코팅 시 절연막의 인쇄 면적이 줄어들게 되므로 세라믹 코팅소재의 사용량도 절감할 수 있었다.
5에 나타내었다. MCPCB 기판으로 제작된 시료의 열저항값은 46.8 K/W 였으나, 세라믹 절연층 전면코팅형은 23.5 K/W, 부분코팅형은 18.2 K/W로서 열저항이 낮을 수록 방열성능이 우수한 패키지로 볼 수 있으므로, 전면코팅형 세라믹-금속 패키지는 기존 MCPCB형 패키지 대비 약 200%, 부분코팅형은 약 250% 이상 방열특성이 향상된 것으로 분석된다.
LED 패키지의 방열특성도 기존의 에폭시 절연기판을 사용하는MCPCB 패키지 보다 전면코팅 세라믹 절연막 패키지는200%, 절연막 부분코팅형 하이브리드 기판 LED 패키지는 250% 이상 향상되는 효과를 얻었다. 그 뿐만 아니라, 부분코팅 시 절연막의 인쇄 면적이 줄어들게 되므로 세라믹 코팅소재의 사용량도 절감할 수 있었다.
050 mm 로 금속자체만의 기판일 경우 변형이 거의 없음을 보여준다. 그러나 세라믹 절연층을 도포하여 열처리 하면, 전면코팅형의 경우510℃의 비교적 낮은 열처리 조건에서도 camber height가 무려 1.201 mm로 변형이 매우 커짐을 볼 수 있으며, 실제 본 연구에서 사용한 세라믹 절연층의 적정 소결온도가 530~540℃임을 감안하면 그 변형율은 심각하게 될 것으로 쉽게 예측된다. 반면 부분코팅형의 경우 변형량은 0.
따라서 이상의 결과를 종합 해 보면, LED 패키지에서 세라믹-금속 하이브리드 기판형 패키지의 방열특성이 기존의 에폭시 기반 MCPCB형 패키지에 비해 첫째는 구조적인 측면에서 상대적으로 열저항이 낮은 thermal tape 소재를 쓰지 않아 열저항 층이 적어진 것과, 둘째는 열전도도 측면에서 하이브리드 기판이 기존 MCPCB 기판 대비거의 100 배 이상 높아서 열전달(heat transfer) 이 훨씬 원활해지므로 패키지의 열저항값이 낮아지기 때문으로 해석된다.
본 실험에서 사용된 각 패키지 소재의 열전도도를 laser flash 법(model: LFA 427, Netzsch)으로 측정한 값을 살펴보면, MCPCB 기판 (t = 1.5 mm)의 열전도도가 0.34 W/m·K, 세라믹-금속 하이브리드 기판 (t = 1.5 mm)의 열전도도가 37.4 W/m·K 로서 매우 높게 나타났다.
140 mm에 불과하다. 이로써 알루미늄 금속 기판상에 저온소성 세라믹 후막 절연층을 형성함에 있어서 회로 설계 여건이 주어진다면 가능한 부분코팅형으로 디자인하는 것이 camber 변형 불량을 줄여 주는데 유익할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	LED 조명용 패키지 제조에 있어 발열이 중요한 요소인 이유는 무엇인가?	Light emitting diode(LED) 조명용 패키지를 제조함에 있어서 발열은 LED의 광출력과 수명에 매우 중요한 영향을 주는 인자로 알려져 있다. 선행연구에 따르면 LED 소자의 동작온도(junction temperature)가 10oC 상승함에 따라 소자의 광출력은 약 15% 감소되고 수명은 약 2배나짧아지는 결과를 초래한다고 알려져 있어 LED 소자의수명연장과 광출력의 향상을 위해서는 효과적인 방열 대책이 이루어져야 한다.1-3) 전자기기나 패키지의 방열 대책은 크게 두 가지를 들 수 있는데 하나는 우선 열 시뮬레이션 프로그램을 사용하여 기구나 소자의 물리적 디자인을 통해 방열을 하는 것이고, 두 번째는 기본적인 방열디자인에 더해 고열전도의 소재를 적용함으로써 열의 전달을 더욱 용이하게 하는 것이다.
	LED 패키지에 있어서 방열 효과를 고려한 디자인의 패키징 기술은 무엇인가?	지금까지 LED 패키지에 있어서 패키지의 구조 즉 다양한 디자인의 패키징 기술이 개발되어 왔다. 대표적으로는 기존의 에폭시 기반 소재로 제조된 일반 flame retardant epoxy base printed circuit board(FR-4 PCB), 여기에 thermal-via를 형성하여 이 통로를 통해 열을 방출시키거나, 구리나 알루미늄 열 확산층이 내재된 metal core printed circuit board(MCPCB)와 같은 유기소재(organic material)-금속 기반의 방열 패키지가 있다.4) 최근에는 열전도율이 0.1~0.2 W/m·K 내외의 상대적으로 낮은 유기소재 기판을 열전도도가 3~4 W/m·K 이면서 1,000oC 이하의 저온에서 소결 가능한 glass-ceramic 소재 또는20~150 W/m·K로 매우 높은 알루미나(Al2O3), 질화규소(Si3N4) 또는 질화알루미늄(AlN) 등의 고온소결 (1,500oC이상) 세라믹소재를 절연기판으로 사용하는 사례가 증가하고 있다.5,6) 여기에 더하여 이전에 PCB 기판과 방열 heat sink 블록사이에 접착제로 사용하던 thermal tape이나 thermal pad,또는 thermal grease/compound 등과 같은 thermal interface material(TIM)을 사용하지 않고 heat sink를 기판으로 하고 여기에 절연층을 직접 형성 시켜, 그 위에 열원인 LED소자를 바로 실장하는 chip-on-a-board(CoB) 또는 chip-on-a-heat sink(CoH) 디자인을 적용하여 방열 효과를 더욱 향상시키는 방법도 연구되고 있다.6,7)
	전자기기나 패키지의 방열 대책에는 무엇이 있나?	선행연구에 따르면 LED 소자의 동작온도(junction temperature)가 10oC 상승함에 따라 소자의 광출력은 약 15% 감소되고 수명은 약 2배나짧아지는 결과를 초래한다고 알려져 있어 LED 소자의수명연장과 광출력의 향상을 위해서는 효과적인 방열 대책이 이루어져야 한다.1-3) 전자기기나 패키지의 방열 대책은 크게 두 가지를 들 수 있는데 하나는 우선 열 시뮬레이션 프로그램을 사용하여 기구나 소자의 물리적 디자인을 통해 방열을 하는 것이고, 두 번째는 기본적인 방열디자인에 더해 고열전도의 소재를 적용함으로써 열의 전달을 더욱 용이하게 하는 것이다.

참고문헌 (8)

Philips, "White Paper: Street Lighting" (2014), from www.philips.com.
S. Liu and X. B. Luo, "LED Packaging for Lighting Applications: Design, Manufacturing and Testing", John Wiley & Sons (2011).
P. Mottier, "LEDs for Lighting Applications", John Wiley & Sons (2008).
H. W. Shin, H. S. Lee, J. H. Bang, S. H. Yoo, S. B. Jung and K. D. Kim, "Variation of Thermal Resistance of LED Module Embedded by Thermal Via", J. Microelectron. Packag. Soc., 17(4), 95 (2010).
M. Arik, C. Becker, S. Weaver and J. Petroski, "Thermal Management of LEDs: Package to System", Proc. 3rd International Conference on Solid State Lighting, San Diego, 5187, 64 (SPIE) (2004).
M. Kang and S. Kang, "Influence of $Al_2O_3$ Additions on the Crystallization Mechanism and Properties of Diopside/anorthite Hybrid Glass-ceramics for LED Packaging Materials", J. Cryst. Growth., 326, 124 (2011).

상세보기
J. K. Sim, K. Ashok, Y. H. Ra, H C. Im, B. J. Baek and C. R. Lee, "Characteristic Enhancement of White LED Lamp using Low Temperature Co-fired Ceramic-chip on Board Package", Curr. App. Phys., 12, 494 (2012).

상세보기
H. M. Cho, H. J. Kim, C. S. Lee, K. S. Bang and N. K. Kang, "Warpage of Co-fired High K/Low K LTCC Substrate", J. Microelectron. Packag. Soc., 11(3), 77 (2004).

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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