[논문]고출력 세라믹 LED 패키지의 방열 특성 평가 및 해석 연구

조현민; 최원길; 정봉만

고출력 세라믹 LED 패키지의 방열 특성 평가 및 해석 연구
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조현민 (전자부품연구원 디스플레이부품소재연구센터) , 최원길 ((주)아모엘이디) , 정봉만 (에너지기술연구원)

본 논문에서는 1W 급 이상의 고출력 LED 용 패키지로서 세라믹 LTCC 적층 패키지의 방열 특성을 평가하고 열해석 결과와의 차이에 대해 고찰하였다. 특히, 세라믹 패키지의 방열 특성을 향상시키기 위해 Thermal Via와 Heat slug를 LED Chip 하단부에 위치시켰을 때 방열 특성을 평가하기 위해 Transient Thermal Test를 이용하여 각각의 경우에 대한 열저항을 평가하여 방열 특성의 항상 정도를 확인하였으며, 열해석 시뮬레이션을 통해 얻은 결과와 비교하였다. 평가 결과 Heat slug를 배치한 패키지가 열저항이 $8^{\circ}C/W$로서 가장 우수한 특성을 보여주었으며, 열해석 결과와의 차이에 대해서는 광출력으로 방출된 전력을 계산하여 보정함으로써 $1^{\circ}C$ 이하의 편차를 보여주는 결과를 얻을 수 있었다.

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문제 정의

본 연구에서는 LED 패키지의 열방출 툭성을 향상시키기 위해 패키지의 구조를 변화시키고 각각에 대해 열저항을 측정하여 방열특성이 얼마나 개선되는가를 확인하였다. 또한, 열해석 결과와 비교함으로써 광출력에 해당되는 전력을 제외하고 열저항을 측정하여야 정확한 열저항값을 얻을 수 있었으며, 열해석과의 오차도 6% 이내로 비교적 정확한 값을 얻을 수 있음을 확인하였다.
본 연구에서는 세라믹 패키지로서 많이 사용되는 LTCC(Low temperature Co-fired Ceramics) 적층 LED 패키지의 방열 특성을 향상시키기 위해 사용한 Thermal Via 와 Heatslug 의 열저항을 측정하고 이를 열해석 결과와 비교함으로써 방열 성능 향상 효과를 분석하고 미리 예측하고자 하였다.

제안 방법

사용된 LED 패키지는 각각 Normal type, Thermal Via type, Heatslug type 의 3가지로 나누어서 준비하였다. Heatslug는 A1N 과 Cu를 각각 부착하여 평가하였다. LED Chip의 패키징은 기본적인 LED 패키징 공정을 이용하여 세 경우 모두 동일하게 수행하였다.
제조된 LED 패키지의 열특성 평가는 Thermal Transient Tester 인 Micred 사의 T3Ster 장비를 이용하여 열저항값을 확인하였다[2]. 또한, LED 패키지의 열해석은 Mentor 사의 FloTHERMB 이용하여 각각을 Detailed Model로 모델링하여 미리 얻어진 열저항값과 비교하였다.

대상 데이터

따라서 본 실험에서 얻은 열저항값을 보정하여 열해석 결과와 비교 분석하여야 한다. 본 실험에서 사용된 1W LED chip 의 광출력은 약 200mW 였으며, 이를 반영하여 다시 계산한 열저항값과 열해석에서 얻어진 값을 비교하여 표1에 나타내었다. 그 결과 약 2.
본 연구에서 1W Power LED chip을 LTCC 패키지에 실장하여 그림1과 같이 준비하였다. 사용된 LED 패키지는 각각 Normal type, Thermal Via type, Heatslug type 의 3가지로 나누어서 준비하였다.
그림1과 같이 준비하였다. 사용된 LED 패키지는 각각 Normal type, Thermal Via type, Heatslug type 의 3가지로 나누어서 준비하였다. Heatslug는 A1N 과 Cu를 각각 부착하여 평가하였다.

데이터처리

또한, LED 패키지의 열해석은 Mentor 사의 FloTHERMB 이용하여 각각을 Detailed Model로 모델링하여 미리 얻어진 열저항값과 비교하였다.

성능/효과

본 실험에서 사용된 1W LED chip 의 광출력은 약 200mW 였으며, 이를 반영하여 다시 계산한 열저항값과 열해석에서 얻어진 값을 비교하여 표1에 나타내었다. 그 결과 약 2.5~5.4%로서 비교적 정확한 값을 얻을 수 있었다.
3 t /W 의 열저항인데 비해 Thermal Via type 의 경우 약 14P /W 로서 크게 감소하고 있음을 볼 수 있다. 또한, Heatslug 를 부착한 경우 감소 폭이 매우 커서 Cu 이ug 의 경우에는 약 7.3P/W 로서 기존의 Alumina PKG 에 비해 더 우수한 열특성을 보여주고 있다.
또한, 열해석 결과와 비교함으로써 광출력에 해당되는 전력을 제외하고 열저항을 측정하여야 정확한 열저항값을 얻을 수 있었으며, 열해석과의 오차도 6% 이내로 비교적 정확한 값을 얻을 수 있음을 확인하였다.
열저항 측정 결과 기존의 Normal type PKG 가 약 32.3 t /W 의 열저항인데 비해 Thermal Via type 의 경우 약 14P /W 로서 크게 감소하고 있음을 볼 수 있다. 또한, Heatslug 를 부착한 경우 감소 폭이 매우 커서 Cu 이ug 의 경우에는 약 7.

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