[논문]0.3 W 급 Single-chip LED 패키지의 열해석

이광석; 김준우; 윤동현; 권용남; 배병규; 장석필

0.3 W 급 Single-chip LED 패키지의 열해석
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이광석 (재료연구소 융합공정연구본부) , 김준우 (나라엠엔디) , 윤동현 (재료연구소 융합공정연구본부) , 권용남 (재료연구소 융합공정연구본부) , 배병규 ((주)썬웨이브) , 장석필 ((주)썬웨이브)

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문제 정의

본 연구에서는 기존에 본딩재를 적용해서 PCB 아래의 칩에서 먼 쪽에 방열판을 붙임으로써 열저항값이 높았던 THT type 단일칩 LED 패키지의 열방출 특성을 개선하기 위해 직접 열 방출형 방열판을 부착한 LED 패키지를 디자인 및 제조하였다. 방열 특성 해석 결과 0.
자연 대류 조건에서 외기 온도(ambient temperature)는 293 K 로 두었으며, LED 열원 근방의 경우 높은 열증감률(thermal gradient)를 보일 것으로 예측되어 여타 영역에 비해 보다 조밀한 mesh 를 생성한 뒤 열해석을 수행하였다. 직접 열방출형 방열판의 존재 유무가 single-chip LED 패키지의 열분포에 미치는 영향을 우선적으로 확인하였으며, 기타 방열 효율에 미치는 인자 중 하나인 Fig. 2 의 에폭시 커버 유무에 따른 온도 분포 변화 또한 분석하고자 하였다.

제안 방법

3 W 급 single-chip LED 패키지를 설계하고, 시간에 따른 패키지 온도 분포를 유한요소해석을 통해 도시하였다. LED 방열 기술의 중요한 성능 평가 인자인 열저항(thermal resistance)을 정의한 뒤 직접 열방출형 히트싱크가 부착된 패키지의 방열 특성 개선 정도를 분석하였다.
본 연구에서는 Philips LUMILEDS 등 기존 선진 업체에서 채택하고 있는 snap-type LED 에서 현재까지 구현하지 못하고 있는 직접 열방출형 알루미늄 히트싱크를 PCB 기판과 LED 열원 사이에 기계적 클린칭 방법으로 삽입한 0.3 W 급 single-chip LED 패키지를 설계하고, 시간에 따른 패키지 온도 분포를 유한요소해석을 통해 도시하였다. LED 방열 기술의 중요한 성능 평가 인자인 열저항(thermal resistance)을 정의한 뒤 직접 열방출형 히트싱크가 부착된 패키지의 방열 특성 개선 정도를 분석하였다.
LED 열 분포에 대한 유한요소해석은 통상의 EFD(Engineering Fluid Dynamics) 소프트웨어를 적용했다. 자연 대류 조건에서 외기 온도(ambient temperature)는 293 K 로 두었으며, LED 열원 근방의 경우 높은 열증감률(thermal gradient)를 보일 것으로 예측되어 여타 영역에 비해 보다 조밀한 mesh 를 생성한 뒤 열해석을 수행하였다. 직접 열방출형 방열판의 존재 유무가 single-chip LED 패키지의 열분포에 미치는 영향을 우선적으로 확인하였으며, 기타 방열 효율에 미치는 인자 중 하나인 Fig.

대상 데이터

본 해석에서 사용된 high flux 급 LED 조명의 실물 형상은 Fig. 1 과 같으며, single-chip 패키지 부분만을 따로 3 차원 모델링하여 Fig. 2 와 같이 도시하였다. 주목할 사항은 알루미늄 히트싱크가 LED 열원과 PCB 기판 사이에 접합재 없이 단지 기계적 클린칭 방법으로 삽입되어 있는 구조로, 이와 같은 직접 열방출형 히트싱크 개념은 ㈜썬웨이브의 특허(제 10-2008-0009835)로 등록된 바 있다.

이론/모형

LED 열 분포에 대한 유한요소해석은 통상의 EFD(Engineering Fluid Dynamics) 소프트웨어를 적용했다. 자연 대류 조건에서 외기 온도(ambient temperature)는 293 K 로 두었으며, LED 열원 근방의 경우 높은 열증감률(thermal gradient)를 보일 것으로 예측되어 여타 영역에 비해 보다 조밀한 mesh 를 생성한 뒤 열해석을 수행하였다.

성능/효과

5(b)의 경우 에폭시 커버가 존재하는 Fig. 5(a) 대비 chip 상부로의 heat flow 가 다소 더 발생하고 있는 현상을 확인할 수 있으나, 두 경우 모두 30 분 뒤의 정상 상태에서의 chip 의 온도는 370 K 로 거의 차이가 없음을 확인할 수 있다. 단, chip 과 반구 에폭시 사이에서 chip 을 보호하는 역할을 하는 mold_2 (Fig.
직접 열방출형 히트싱크 부착 여부와 무관하게 파워 인가 후 약 20분이 지나면 각 부분의 온도가 수렴하는 현상을 확인할 수 있다. 직접 열방출형 히트싱크가 부착되지 않은 경우 30 분 뒤 온도가 355 K 로 외기 온도 대비 약 62 K 상승하였으나, 히트싱크가 부착된 경우 최대 온도는 337 K 로, 약 18 K 의 온도 하강 효과를 나타냈으며, 결국 29 %의 방열 효율 향상 효과가 있음을 의미한다.

후속연구

본 연구에서는 기존에 본딩재를 적용해서 PCB 아래의 칩에서 먼 쪽에 방열판을 붙임으로써 열저항값이 높았던 THT type 단일칩 LED 패키지의 열방출 특성을 개선하기 위해 직접 열 방출형 방열판을 부착한 LED 패키지를 디자인 및 제조하였다. 방열 특성 해석 결과 0.2 W 인가시 직접 열 방출형 방열판의 부착으로 junction 온도를 18 K 낮추고 열저항 값을 75 K/W 미만으로 떨어뜨려 방열 효율을 개선하였고, 이는 향후 멀티칩 LED 모듈 설계에도 적용 가능하다.

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