[논문]Chip-on-board 형 세라믹-메탈 하이브리드 기판을 적용한 50와트급 LED 어레이 모듈의 제조 및 방열특성 평가

허유진; 김효태

doi:10.6117/kmeps.2018.25.4.149

Chip-on-board 형 세라믹-메탈 하이브리드 기판을 적용한 50와트급 LED 어레이 모듈의 제조 및 방열특성 평가
Fabrication and Evaluation of Heat Transfer Property of 50 Watts Rated LED Array Module Using Chip-on-board Type Ceramic-metal Hybrid Substrate 원문보기

마이크로전자 및 패키징 학회지 = Journal of the Microelectronics and Packaging Society, v.25 no.4, 2018년, pp.149 - 154

허유진 (한국세라믹기술원 나노융합소재센터) , 김효태 (한국세라믹기술원 나노융합소재센터)

초록
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가로등 및 방폭등용 고출력 LED 조명 시스템의 광원으로서, 다수의 LED 칩이 실장된 50와트급 LED 어레이 모듈을 chip-on-board형 고방열 세라믹-메탈 하이브리드 기판을 사용하여 제작하였다. 고방열 세라믹-메탈 하이브리드 기판은 고열전도 알루미늄 금속 열확산 기판에 저온소결용 글라스-세라믹 절연 페이스트와 은 전극 페이스트를 후막 스크린 공정에 의해 도포한 다음, 건조 후 $515^{\circ}C$에서 동시소성하여 LED 칩을 실장할 세라믹 절연층과 은전극 회로층을 형성하여 제조하였다. 이 하이브리드 기판의 방열특성 평가를 위한 비교 샘플로서 기존의 에폭시 기반 FR-4 복합수지로 만든 써멀비아형 PCB 기판에도 동일한 디자인의 LED 어레이 모듈을 제작한 다음, 다중채널 온도측정장치와 열저항 측정기로 방열특성을 비교 분석하였다. 그 결과, $4{\times}9$ type LED 어레이 모듈에서 세라믹-메탈 하이브리드 기판의 열저항은 써멀비아형 FR-4 기판에 비하여 약 1/3로 나타났으며, 이것은 곧 방열성능이 적어도 3배 이상 높은 것으로 볼 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper describes the fabrication and heat transfer property of 50 watts rated LED array module where multiple chips are mounted on chip-on-board type ceramic-metal hybrid substrate with high heat dissipation property for high power street and anti-explosive lighting system. The high heat transfer ceramic-metal hybrid substrate was fabricated by conformal coating of thick film glass-ceramic and silver pastes to form insulation and conductor layers, using thick film screen printing method on top of the high thermal conductivity aluminum alloy heat-spreading panel, then co-fired at $515^{\circ}C$. A comparative LED array module with the same configuration using epoxy resin based FR-4 PCB with thermalvia type was also fabricated, then the thermal properties were measured with multichannel temperature sensors and thermal resistance measuring system. As a result, the thermal resistance of the ceramic-metal hybrid substrate in the $4{\times}9$ type LEDs array module exhibited about one third to the value as that of FR-4 substrate, implying that at least triple performance of heat transfer property as that of FR-4 substrate was realized.

주제어

표/그림 (6)

그림 Fig. 1. Schematic illustration of chip-on-board (COB) type LED array module with ceramic-metal PCB: (a) single chip and (b) multichip mounted module.
그림 Fig. 2. Circuit diagram of 50 watts rated LED array module consisted of 36 LED chips.
그림 Fig. 3. Schematic illustration of LED array module with thermal-via type FR-4 PCB: (a) single chip and (b) multichip mounting module.
그림 Fig. 4. Optical images of fabricated 50 watts rated LED array module panels: circuit layout of 4 × 9 LEDs arrayed on ceramic-metal hybrid PCB panel (a) without top protection layer, (b) with top protection layer, and (c) comparative LED array module made with thermal-via FR-4 PCB.
그림 Fig. 5. Measurement of Ta in 50 watts LED array modules using multipoint temperature sensors (without thermal tape): (a) with COB type ceramic-metal PCB, (b) temperature measuring point, and (c) with thermal-via type FR-4 PCB.
그림 Fig. 6. (a) Thermal resistance data obtained by cumulative structure functions of 50 watts rated 4 × 9 LEDs array modules with (I) COB type ceramic-metal PCB and (II) thermal-via type FR-4 PCB and (b) equivalent thermal resistances and thermal capacitances circuit by Cauer-type RC ladder model.

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 가로등용 150와트급의 고출력 LED 조명 시스템을 제조하기 위하여, 다수의 LED 소자가 실장된 50와트급의 LED 어레이 서브 모듈(LED array sub-module), 이하 LED 어레이 모듈, 을 제작하고 이 서브 모듈 3개를 함께 어셈블리한 150 와트급 고효율 가로등용 LED 조명시스템을 개발하는 것에 관한 것이다. 구체적으로는 50 와트급의 LED 어레이 모듈을 제작함에 있어서 고방열 성능의 chip-on-board 형의 세라믹-메탈 하이브리드 절연기판에 LED 어레이 모듈을 제작하여 이것과 동일 규격의 기존의 써멀비아형(thermal-via type) FR-4 PCB로 제작한 모듈과의 방열성능, 즉 열저항(thermal resistance)을 비교 평가하는 데 그 목적이 있다.
본 연구는 가로등용 150와트급의 고출력 LED 조명 시스템을 제조하기 위하여, 다수의 LED 소자가 실장된 50와트급의 LED 어레이 서브 모듈(LED array sub-module), 이하 LED 어레이 모듈, 을 제작하고 이 서브 모듈 3개를 함께 어셈블리한 150 와트급 고효율 가로등용 LED 조명시스템을 개발하는 것에 관한 것이다. 구체적으로는 50 와트급의 LED 어레이 모듈을 제작함에 있어서 고방열 성능의 chip-on-board 형의 세라믹-메탈 하이브리드 절연기판에 LED 어레이 모듈을 제작하여 이것과 동일 규격의 기존의 써멀비아형(thermal-via type) FR-4 PCB로 제작한 모듈과의 방열성능, 즉 열저항(thermal resistance)을 비교 평가하는 데 그 목적이 있다.

제안 방법

(a)와 같으며 100 × 100 mm2의 패널면적에 ϕ = 80 mm의 반구형 투명 캡을 어셈블리 할 수 있도록 상기 세라믹-메탈 하이브리드 PCB와 동일한 규격의 회로 패턴을 구성하였다.
4(b)와 (c)의 50와트급 LED 어레이 모듈에 대한 방열특성을 알아보기 위해, 다채널 온도센서(multichannel temperature sensor)에 K-type 열전대(thermocouple) 와이어의 센서팁(sensor tip)을 Fig. 5의 (b)와 같이 PCB모듈의 LED 칩부와 반대편 열확산판(세라믹-메탈PCB의 경우 알루미늄 패널, FR-4 PCB의 경우 구리패널)에 접착 테이프로 고정시켜 LED 발열부와 외부공기 접촉부의 온도를 감지코자 하였다. 그림의 (a)와 (c)는 각각 COB형 세라믹-메탈 하이브리드 PCB와 써멀비아형 FR4 PCB 패널로 만든 LED 어레이 모듈의 구동 시, 발열 및 방열접점에서의 온도 모니터링 사진이다.
11) 본 연구에서는 두께 0.5mm 이고 열전도도(thermal conductivity)가 2 W/m·K 인 써멀 테잎을 사용하였다.
그림 (c)는 대조군인 써멀비아형 FR-4 PCB로 만든 50와트급 LED 어레이 모듈이다. DC bias를 인가하기 위한 단자패드(terminal pad)는 그림의 하단에 각각 위치하고 있으며, 모듈 패널의 네 모서리에는 힛싱크에 결합 또는 150와트급 가로등 조명 시스템 하우징에 어셈블리 하기 위한 리벳팅 홀을 만들었다.
2는 4개의 LED 칩이 직렬회로(series circuit)로 연결되고, 이 직렬회로가 9개의 병렬(parallel)로 연결되어 구성되는 4 × 9 = 36 chips 형태의 LED 어레이 모듈에 대한 회로설계도이다. 본 연구에서는 LED 어레이 모듈의 단위 패널당 50와트의 파워로 설계하고자 하였으므로, LED 단위 칩당 직류(DC) 3볼트(volts)의 정격전압(rated voltage)을 기준으로 설계할 때 4개의 칩이 직렬로 구성되면 12 볼트의 바이어스(bias)가 형성된다. 따라서 패널 전력 50와트를 12 볼트로 나누면 패널에 인가할 총 전류 값은 4.
이 후 일련의 열처리 공정으로서 300-400oC 구간에서 바인더 탈거(binderburn-out)와 515oC에서의 소결(sintering)을 거쳐 두께가 약 120-150 μm 인절연막(insulation layer)과두께가약 10 μm인 도체 회로(conductor circuit)를 형성하였다.
고열전도 알루미늄 금속 열확산 기판에 저온소결용 글라스-세라믹 절연 페이스트와 은 전극을 사용하여 COB형 고방열 세라믹-메탈 하이브리드 기판에 4 × 9배열로 36개의 LED 칩이 실장된 50 와트급 고출력LED 어레이 모듈을 제작하였다. 이와 함께 이 하이브리드 기판의 방열특성을 기존의 에폭시 기반 FR-4 복합수지로 만든 써멀비아형 PCB 기판과 비교 평가하기 위하여, 동일한 사이즈의 LED 어레이 모듈을 제작한 다음, 다중채널 온도 측정장치와 표준 열저항 측정기로 방열특성을 비교 분석하였다. 그 결과, LED 어레이 모듈에서 세라믹-메탈 하이브리드 PCB의 열저항은 0.
한편 방열패키지에 있어서 국제공인 시험 규격(JEDECSTD 51-1)에 의한 방열특성을 알아보기 위하여, 이 규격에 준하는 열저항 측정기(transient thermal resistance tester, model-T3Ster, Micred, Hungary)를 사용하여 두 가지 모듈의 열저항값을 시험하였으며, 그 결과를 Fig. 6(a)에 도시하였다. 써멀비아형 FR-4 PCB 패널을 사용한 50 와트급 LED 어레이 모듈(II)의 열저항 값은 0.

대상 데이터

고열전도 알루미늄 금속 열확산 기판에 저온소결용 글라스-세라믹 절연 페이스트와 은 전극을 사용하여 COB형 고방열 세라믹-메탈 하이브리드 기판에 4 × 9배열로 36개의 LED 칩이 실장된 50 와트급 고출력LED 어레이 모듈을 제작하였다.
3의 (a)와 같으며 100 × 100 mm2의 패널면적에 ϕ = 80 mm의 반구형 투명 캡을 어셈블리 할 수 있도록 상기 세라믹-메탈 하이브리드 PCB와 동일한 규격의 회로 패턴을 구성하였다. 본써멀비아형 FR-4 PCB샘플은 외주 가공하여 준비하였다. Fig.
이 유전체 층 위에 36개의 LED 칩(Luxeon Rebel, Philips) 이4 × 9 어레이 형태의 직병렬(series-parallel)로 배열된 회로망(Fig. 2)을 구성하기 위한 전극 패턴을 형성하기 위해 은(Ag) 전극 페이스트를 인쇄하였다.

성능/효과

이와 함께 이 하이브리드 기판의 방열특성을 기존의 에폭시 기반 FR-4 복합수지로 만든 써멀비아형 PCB 기판과 비교 평가하기 위하여, 동일한 사이즈의 LED 어레이 모듈을 제작한 다음, 다중채널 온도 측정장치와 표준 열저항 측정기로 방열특성을 비교 분석하였다. 그 결과, LED 어레이 모듈에서 세라믹-메탈 하이브리드 PCB의 열저항은 0.10~0.11 K/W 범위로서 써멀비아형 FR-4 PCB의 0.32~0.48 K/W 보다 1/3~1/4로 낮게 측정되었다. 이로써, 본 연구에 의한 세라믹-메탈 하이브리드 기판을 사용한 LED 어레이 모듈이 기존의 써멀비아형 FR-4 PCB를 사용 것에 비하여 방열성능이 적어도 3배 이상 높은 것으로 평가되며, 이러한 결과는 두 종류의 PCB 패널의 기판소재와 아키텍처에 기인하는 것으로 설명하였다.
32 K/W 로 나타났다. 방열성능에 있어서 열저항 값이 낮을수록 시스템의 열전달 효율이 좋은 것이므로, 본 결과에 의하면 세라믹-메탈 하이브리드 PCB를 적용한 LED 어레이 모듈이써멀비아형 FR-4 PCB 를 적용한 모듈에 비해 방열(heat dissipation) 특성이 약 3배 우수하다고 할 수 있다.
48 K/W로 두 가지 패키지기판의 열저항 값이 거의 4배 이상 차이가 나는 것으로 나타났다. 이 표준 열저항 측정기에 의한 값이 앞서 다채널 온도센서에 의한 모듈의 방열온도 실측 값에서는 두 종류 기판에서 약 3배의 성능차이가 보였던 것과는 다소 차이가 있으나, 상기 두 가지의 측정방법에 의한 결과를 종합적으로 고려해 보면 두 종류 기판의 방열성능 차이는 적어도 3배 이상이 된다고 볼 수 있다. 이와 같은 결과는 두 가지 PCB의 아키텍쳐 구조와 기판 소재에 따른 영향으로 분석된다.
48 K/W 보다 1/3~1/4로 낮게 측정되었다. 이로써, 본 연구에 의한 세라믹-메탈 하이브리드 기판을 사용한 LED 어레이 모듈이 기존의 써멀비아형 FR-4 PCB를 사용 것에 비하여 방열성능이 적어도 3배 이상 높은 것으로 평가되며, 이러한 결과는 두 종류의 PCB 패널의 기판소재와 아키텍처에 기인하는 것으로 설명하였다. 다만, 본 연구에서 검토한 두 가지 패키지의 기판 소재와 아키텍처 구조에 대한 별개의 정량적 방열 특성 분석을 위해서는 향후 각각 동일한 패키지 소재로 구성된 COB 형과 써멀비아형 LED 어레이 패키지를 제조하여 비교 평가하는 것이 바람직하다고 사료된다.

후속연구

3 W/m·K) 기반 절연층 사이에 형성된 좁은 통로의 써멀 비아를 통해 거의 수직으로만 방출되는 데 기인한 것으로 보인다. 다만, 본 연구에서 검토한 두 가지 패키지의 기판 소재와 아키텍처 구조에 대한 별개의 정량적 방열특성 분석을 위해서는 향후 각각 동일한 패키지 소재로 구성된 COB 형과 써멀비아형 LED 어레이 패키지를 제조하여 비교 평가하는 것이 바람직하다고 사료된다.
3 W/m·K) 기반 절연층 사이에 형성된 좁은 통로의 써멀 비아를 통해 거의 수직으로만 방출되는 데 기인한 것으로 보인다. 다만, 본 연구에서 검토한 두 가지 패키지의 기판 소재와 아키텍처 구조에 대한 별개의 정량적 방열특성 분석을 위해서는 향후 각각 동일한 패키지 소재로 구성된 COB 형과 써멀비아형 LED 어레이 패키지를 제조하여 비교 평가하는 것이 바람직하다고 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	방폭등 조명 시스템은 어디서 많이 사용되어 왔는가?	지금까지 일반 도로, 광장, 그리고 건물 및 공장 플랜트와 같은 실외 조명용 가로등과 방폭등(anti-explosive lighting) 조명 시스템은 일반적으로 할로겐, 제논 램프 등 다양한 제품이 많이 사용되어 왔다. 이들 광원은 대체로 높은 에너지 소모, 짧은 수명, 취약한 내구성과 폐기시 각종 유해물질의 유출로 환경 오염을 야기시키는 문제가 있다.
	LED 광원의 조명시스템을 가로등이나 방폭등으로 사용하기 위해서 필요한 것은?	이에 따라 최근에는 친환경, 저 에너지, 그리고 장수명이 특징인 LED (light emitting diode) 소자를 광원으로 하는 고출력 실외 조명 제품이 많이 등장하고 있으며, 보다 저전력에 높은 효율의 광 출력과 장수명화를 위한 연구가 많이 진행되고 있다.1-5) LED 광원의 조명시스템을 가로등이나 방폭등으로 사용하기 위해서는 적어도 50~200 와트(watts) 급의 고출력 LED 모듈이 필요하다.
	할로겐, 제논 램프의 문제점은?	지금까지 일반 도로, 광장, 그리고 건물 및 공장 플랜트와 같은 실외 조명용 가로등과 방폭등(anti-explosive lighting) 조명 시스템은 일반적으로 할로겐, 제논 램프 등 다양한 제품이 많이 사용되어 왔다. 이들 광원은 대체로 높은 에너지 소모, 짧은 수명, 취약한 내구성과 폐기시 각종 유해물질의 유출로 환경 오염을 야기시키는 문제가 있다. 이에 따라 최근에는 친환경, 저 에너지, 그리고 장수명이 특징인 LED (light emitting diode) 소자를 광원으로 하는 고출력 실외 조명 제품이 많이 등장하고 있으며, 보다 저전력에 높은 효율의 광 출력과 장수명화를 위한 연구가 많이 진행되고 있다.

참고문헌 (11)

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상세보기
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상세보기
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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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