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문제 정의
- 본 개발에서는 이러한 문제를 해결하기 위한 방법으로 다수의 칩을 배치하여 저 전류에서 구동하는 광원 모듈을 제안한다. 플립칩을 이용하여 다수의 직병렬회로를 구성하고, 정전류다이오드 (CLD)를 이용하여 다수의 직렬 스트링에 정전류를 안정적으로 공급하도록 한다 [1].
제안 방법
- 300 mW/cm2 고출력 조사밀도 및 95% 조사밀도의 균일성 특성을 가지는 대면적의 UVA 영역 LED 조기 광원모듈 제작하였다. 조사밀도 균일성 특성을 개선하기 위하여 다수 칩 실장 방법을 고안하여, 저전류에서 구동하여 에너지 효율을 개선하고 열 문제의 개선하였다.
- 350 × 450 mm2 크기의 회로기판에 가로방향 190 ㎛, 세로방향 100 ㎛ 간격을 가지도록 16,650개의 플립칩 LED를 90 병렬 185 직렬로 배치하여 'LightTools 5.1.0'을 이용하여 조사밀도의 세기 및 균일성을 조사하였으며, 조사밀도 99%의 균일성을 가지도록 설계하였다.
- Solder Paste의 열특성을 조사하기 위하여 Al 금속 회로기판에 SAC Solder Paste와 비교를 위하여 Ag Paste로 광원모듈을 제작하였다. 그림 3은 각각의 광원모듈의 열저항 특성을 측정한 것이다.
- 5 Cu) 솔더를 사용하였다. 광원모듈은 각 병렬스트링의 정전류 안정성, 접착강도 (shear test), 조사밀도 균일성을 조사하였다.
- 조사밀도 균일성 특성을 개선하기 위하여 다수 칩 실장 방법을 고안하여, 저전류에서 구동하여 에너지 효율을 개선하고 열 문제의 개선하였다. 또 마이크로 솔더링법을 이용하여 플립칩을 제작하고, 정전류 다이오드를 이용하는 병렬회로를 구성하는 광원을 제작하였다.
- 플립칩을 이용하여 다수의 직병렬회로를 구성하고, 정전류다이오드 (CLD)를 이용하여 다수의 직렬 스트링에 정전류를 안정적으로 공급하도록 한다 [1]. 또 마이크로솔더링 기술을 이용하여 칩을 용착하여 열저항 및 신뢰성 특성을 개선하도록 하였다.
- 표 2에 SAC Solder Paste의 접착 강도를 나타내는 절단력(쉐어) 측정값을 나타내었다. 비교를 위해 일반적으로 사용하고 있는 Ag Paste의 절단력을 동시에 측정하였다. SAC Solder의 절단력은 4.
- 각각의 많은 수의 병렬 라인을 동일한 값의 정전류로 구동하기 위해서는 많은 수의 정전류 전원이 필요하기 때문이다. 여기에서는 225개 병렬 라인에 15개의 LED를 직렬로 연결하여 36 mA로 구동하는 회로와, 14개의 병렬 라인에 79개의 LED를 직렬로 연결하여 각 라인에 평균 105 mA로 구동되도록 설계한 각각 두 개의 회로모듈을 제작하였다. 전자에서는 각각의 병렬 라인에 정격 18 mA의 정전류 다이오드를 두 개씩 병렬로 연결하여 36 mA 정전류 회로를 다시 LED에 직렬로 연결하였다.
- 여기에서는 225개 병렬 라인에 15개의 LED를 직렬로 연결하여 36 mA로 구동하는 회로와, 14개의 병렬 라인에 79개의 LED를 직렬로 연결하여 각 라인에 평균 105 mA로 구동되도록 설계한 각각 두 개의 회로모듈을 제작하였다. 전자에서는 각각의 병렬 라인에 정격 18 mA의 정전류 다이오드를 두 개씩 병렬로 연결하여 36 mA 정전류 회로를 다시 LED에 직렬로 연결하였다.
- 정전류 다이오드를 이용하는 정전류 회로 광원모듈의 전기적 특성을 조사하였다. 많은 수의 칩을 장착하여 직병렬 회로를 구성하는 경우, 보통 비용상의 정전류 구동의 어려움이 있다.
- 고출력 조사밀도 및 95% 조사밀도의 균일성 특성을 가지는 대면적의 UVA 영역 LED 조기 광원모듈 제작하였다. 조사밀도 균일성 특성을 개선하기 위하여 다수 칩 실장 방법을 고안하여, 저전류에서 구동하여 에너지 효율을 개선하고 열 문제의 개선하였다. 또 마이크로 솔더링법을 이용하여 플립칩을 제작하고, 정전류 다이오드를 이용하는 병렬회로를 구성하는 광원을 제작하였다.
대상 데이터
- 각각의 광원 회로모듈은 12 V-530 mA에서 490 RPM으로 동작하는 80 × 80 mm2 , 두께 38 mm 크기의 팬으로 각각 3 개가 방열에 사용되었다.
- 여기에서는 다수의 칩을 회로기판에 융착 (솔더링/공정 본딩)하기 위해 신뢰성을 고려하여 750 × 750 ㎛2 크기의 플립칩[4]을 제작하였다.
- 로 크기의 전극 패드를 설치하였다. 정전류 다이오드는 10 mA 정격전류 특성을 가지며 무릎 전압 (Vk) 3.5 V, 항복전압(Vb) 50 V인 SMD를 사용하였으며, 융착은 SAC (96.5 Sn/3.0 Ag/0.5 Cu) 솔더를 사용하였다. 광원모듈은 각 병렬스트링의 정전류 안정성, 접착강도 (shear test), 조사밀도 균일성을 조사하였다.
- 제작한 광원모듈은 핀 길이 5 mm, 높이 30 mm, 간격 10 mm인 40 × 20 cm2 크기의 방열판에 부착하여 구동하였다.
- 조사기 광원은 모두 5개의 모듈로 구성되는데, 광원의 한 모듈은 350 × 90 mm2의 회로기판 크기에 16,650개의 꼭지 파장 385 nm 플립칩 LED를 가로방향 190 ㎛, 세로방향 100 ㎛ 간격을 가지도록 배치하여 90 병렬 185 직렬로 구성하였다.
- 한 모듈에 16,650개의 칩을 사용하였으며, 다수 병렬회로에서 전류 안정성을 확보하기 위해 가능한 동작 전압 (Vf) 값의 편차가 작은 칩들을 사용하였다.
성능/효과
- 750 × 750 ㎛2 크기에 전극패드의 크기 260 × 150 ㎛2 크기의 플립칩을 SAC 마이크로 솔더링으로, 절단력 4 kgf의 매우 높은 값을 나타내었으며, 이 때 열저항 특성은 4.55 K/W을 얻을 수 있었다.
- 6 V, 18 mA이다. LED와 같은 점광원 특성을 가지는 광소자를 사용하여 대면적의 광원 및 고 출력밀도, 고 균일성 특성을 얻기 위한 좋은 방법으로 저 전류-고효율 특성 및 다수 칩 실장기술을 이용하는 방법이 매우 유리하다는 점을 알 수 있다. 또 다수의 정전류 전원을 필요로 하는 경우, 정전류 다이오드를 이용하는 광원 회로모듈은 제작비용을 감안하면 쉽게 대체할 수 있는 기술로 생각된다.
- 비교를 위해 일반적으로 사용하고 있는 Ag Paste의 절단력을 동시에 측정하였다. SAC Solder의 절단력은 4.040 kgf로 측정되었으며, Ag Paste 접착에서는 1.533 kgf로 비교적 낮은 값이 측정되었다. 또 다른 접착재료로서 Au/Sn이 사용되는데 절단력 시험에서 2.
- 제작한 350 × 90 mm2의 광원모듈에서 조사밀도 300 mW/cm2의 조사밀도와 조사밀도 균일성 95% 특성을 얻었다.
- 칩 본딩 실장의 정밀도가 μm 단위의 오차를 가지는데 비하여, 열처리 과정에서 자기 정렬 특성으로 매우 정밀한 장착되었으며, 실장 칩의 균일도는 95%를 나타냈다.
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