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옥숙 유
6 years ago
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1 Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 13, No. 10 pp , 알루미늄양극산화를사용한 LED COB 패키지 김문정 1* 1 공주대학교전기전자제어공학부 ED COB Package Using Aluminum Anodization Moonjung Kim 1* 1 Division of Electrical Electronics and Control Engineering, Kongju National University 요약알루미늄기판및양극산화공정을사용하여 LED Chip on Board(COB) 패키지를제작하였다. 선택적양극산화공정을적용하여알루미늄기판상에알루미나를형성하고이를 COB 패키지절연층으로사용하였으며, 비아홀내부가충진된구조의 Thermal Via를구현하였다. 패키지기판종류에따른열저항및발광효율변화를파악하기위해알루미늄기판과알루미나기판을제작하고이를각각비교분석하였다. Thermal Via가적용된알루미늄기판이 51% 의열저항개선및 14% 의발광효율향상특성을보여주었다. 이러한결과는선택적양극산화공정및 Thermal Via 구조적용으로 COB 패키지의방열특성이향상되었음을의미한다. 또한동일한전력소모시 LED 칩개수에따른 COB 패키지의열저항및발광효율변화를분석함으로써다수칩의효율적인배치가열저항및발광효율을증가시킬수있음을확인하였다. Abstract LED chip on board(cob) package has been fabricated using aluminum substrate and aluminum anodization process. An alumina layer, used as a dielectric in COB substrate, is produced on aluminum substrate by selective anodization process. Also, selective anodization process makes it possible to construct a thermal via with a fully-filled via hole. Two types of the COB package are fabricated in order to analyze the effects of their substrate types on thermal resistivity and luminous efficiency. The aluminum substrate with the thermal via shows more improved measurement results compared with the alumina substrate. These results demonstrate that selective anodization process and thermal via can increase heat dissipation of COB package in this work. In addition, it is proved experimentally that these parameters also can be enhanced using efficient layout of multiple chip in the COB package. Key Words : Aluminum Anodization, LED, Package, Thermal Resistance, Luminous Efficiency 1. 서론 일반적인 LED 패키지는내부에 LED 칩을실장하고칩과리드 (Lead) 를연결하며, 인쇄회로기판 (PCB : Printed Circuit Board) 또는방열기판에부착이가능하도록제조된광소자이다. LED 패키지는입력에너지의약 70 80% 이상이열손실로변환되며, 이로인한 LED 칩의온도상승은단기적으로는발광효율의저하와장기 적으로는칩의수명감소를유발한다. 또한최근고출력조명용및중대형백라이트용 LED는수암페어 (A) 급이상의높은전류를사용함에따라우수한방열특성을요구하고있다. 따라서 LED 칩에서발생하는열을효과적으로방출하는위해 LED 패키지에 Heatsink를부착하거나패키지기판으로 Metal-Core PCB(MCPCB) 을사용하여열저항을최소화하기도한다. 최근 LED 패키지의방열특성향상방안으로금속산 이논문은 2010년도정부 ( 교육과학기술부 ) 의재원으로한국연구재단의지원을받아수행된기초연구사업임 (No ). * Corresponding Author : Moonjung Kim Tel: mjkim@kongju.ac.kr 접수일 12년 07월 24일수정일 (1차 12년 08월 14일, 2차 12년 08월 17일 ) 게재확정일 12년 10월 11일 4757

한국산학기술학회논문지제 13 권제 10 호, 2012 화물절연층기반의 MCPCB와 COB 구조의조합 [1], LED 칩과금속사이의절연층을부분제거한 COB 구조 [2], 열전도도가우수한알루미늄을적용한패키지기판구조 [3] 등의기술이사용되고있다. COB 패키지는열전달경로를최소화하여 LED 패키지의열저항을개선한다.

그러나기존 PCB 및 MCPCB 구조에서는기계적드릴링및구리도금의복잡한공정을통해비아가형성되는반면에본논문의 COB 패키지구조에서는선택적양극산화공정을통해비아가형성된다. 또한기존구조와는달리비아홀내부가알루미늄으로완전히채워진형태이므로방열특성을추가적으로개선할수있는장점을가진다.

2] Fabrication process step of LED COB package 2. COB 패키지구조 본연구에서는알루미늄양극산화공정을통해형성되는알루미나 (Al 2O 3) 를절연체로사용하고 MCPCB를구현하여이를 COB 패키지기판으로사용하였다.

2 한국산학기술학회논문지제 13 권제 10 호, 2012 화물절연층기반의 MCPCB와 COB 구조의조합 [1], LED 칩과금속사이의절연층을부분제거한 COB 구조 [2], 열전도도가우수한알루미늄을적용한패키지기판구조 [3] 등의기술이사용되고있다. COB 패키지는열전달경로를최소화하여 LED 패키지의열저항을개선한다. 방열특성이우수한기판상에 LED 칩을직접실장하여패키지와 PCB를일체화함으로서, 열전달경로를단축시켜서열저항을개선할수있다. 본논문에서는열전도도가높은알루미늄및알루미나를사용하여 LED COB 패키지를제작하였으며, 방열특성개선을위한패키지기판구조및 LED 칩배치에대한연구를진행하였다. LED 패키지의방열특성을개선한연구결과가최근보고되었다. 그러나기존 PCB 및 MCPCB 구조에서는기계적드릴링및구리도금의복잡한공정을통해비아가형성되는반면에본논문의 COB 패키지구조에서는선택적양극산화공정을통해비아가형성된다. 또한기존구조와는달리비아홀내부가알루미늄으로완전히채워진형태이므로방열특성을추가적으로개선할수있는장점을가진다. (a) 양극산화영역정의 (b) 선택적양극산화 (a) Metal-Core PCB 기반의패키지구조 (c) 배선도금 (b) 알루미늄양극산화기반의 COB 패키지구조 [ 그림 1] LED 패키지구조 [Fig. 1] LED package structure (d) 다이본딩및와이어본딩 [ 그림 2] LED COB 패키지제작공정 [Fig. 2] Fabrication process step of LED COB package 2. COB 패키지구조 본연구에서는알루미늄양극산화공정을통해형성되는알루미나 (Al 2O 3) 를절연체로사용하고 MCPCB를구현하여이를 COB 패키지기판으로사용하였다. 그림 1(a) 는기존 MCPCB 기반의 LED 패키지구조인반면에그림 1(b) 는에폭시절연층을알루미늄산화막 (Al 2O 3) 으로대체한 COB 패키지구조를보여주고있다. 기존 MCPCB의유전체는방열특성에제한이있는에폭시 (0.4 W/m K) 인반면에신규구조는열전도도가높은알루미나 (30 W/m K) 를적용하였다. 또한알루미늄양극산화공정만으로알루미나 / 알루미늄의적층이가능하여기존제조과정상의 Lamination 공정이필요없는장점을가진다. PCB 상의 Via Hole 수및배열면적에따른패키지방열특성향상 [4], Via Hole 크기와개수에따른패키지접합온도향상 [5] 등의 Thermal Via 적용을통해서 3. COB 패키지제작및측정 그림 2는알루미늄양극산화공정을사용한 COB 패키지제작공정순서도를보여주고있다. 그림 2(a) 에서보듯이알루미늄기판상에실리콘질화막 (SiN x) 을사용하여양극산화영역을선택적으로정의한다. 다음으로그림 2(b) 와같이양극산화공정을통해정의된영역에알루미나를형성한다. 옥살산을사용한전해용액에서알루미늄은양극산화되어두꺼운알루미늄산화막 ( 알루미나 ) 을형성한다. 이어서그림 2(c) 와같이 Cu/Ni/Au 도금공정을사용하여 COB 패키지기판에배선을형성한다. 마지막으로다이본딩을통해 LED 칩을부착하고와이어본딩을진행하여패키지제작을완료한다. 그림 2(d) 에서보듯이배선영역은절연성이확보된알루미나상에서구현되며, LED 칩은알루미늄소재의 Thermal Via 위에배치되어칩에서발생한열이직접적으로기판에전달되 4758

알루미늄양극산화를사용한 LED COB 패키지 도록설계하였다. 그림 3은알루미늄양극산화로형성된알루미나의단면 SEM 사진을보여준다. 형성된알루미나의두께는대략 100 μm수준이다. 기판제작완료후, 패키지공정에서기판크기 (14 8 mm2 ) 를조정하고기판상에 1.

[ 그림 3] 패키기기판의단면 SEM 사진 [Fig. 3] Cross sectional SEM photograph of package substrate (a) 알루미늄기판 (a) 알루미늄기판 (b) 알루미나기판 [ 그림 4] 제작완료된 COB 패키지기판 [Fig.

그림 4는각각의 COB 패키지기판종류를보여주고있으며기판의크기는 20 20mm2이다. 알루미늄기판은선택적양극산화공정을통해전극패턴영역에알루미나를형성한기판구조인반면에알루미나기판은기판전면을양극산화하여기판전체에알루미나층을형성하였다. 즉알루미늄기판과알루미나기판은양극산화영역의차이로구별된다.

5] Infrared phonographs of COB package substrates 그림 5는 LED 칩및 COB 패키지기판을적외선카메라로촬영한사진을보여주고있다. 알루미늄기판에실장된 LED 칩의온도가전반적으로낮음을확인할수있다. LED 칩이 1.

3 알루미늄양극산화를사용한 LED COB 패키지 도록설계하였다. 그림 3은알루미늄양극산화로형성된알루미나의단면 SEM 사진을보여준다. 형성된알루미나의두께는대략 100 μm수준이다. 기판제작완료후, 패키지공정에서기판크기 (14 8 mm2 ) 를조정하고기판상에 1.0 W LED 칩 (1 1 mm2 ) 을배치하고다이본딩및와이어본딩을진행하였다. 제작완료한두종류의 LED COB 패키지를동일한측정환경및조건에서비교분석하였다. 열저항측정을위해 1.0 W 소비전력구동상태에서 20분이상경과후, LED 칩및 COB 패키지기판을적외선카메라로촬영하였다. [ 그림 3] 패키기기판의단면 SEM 사진 [Fig. 3] Cross sectional SEM photograph of package substrate (a) 알루미늄기판 (a) 알루미늄기판 (b) 알루미나기판 [ 그림 4] 제작완료된 COB 패키지기판 [Fig. 4] Fabricated COB package substrates 4. COB 패키지특성분석 본연구에서는패키지기판종류에따른열저항차이가 LED 광량에미치는영향을분석하기위해두종류의 COB 패키지기판 ( 알루미늄기판및알루미나기판 ) 을제작하였다. 그림 4는각각의 COB 패키지기판종류를보여주고있으며기판의크기는 20 20mm2이다. 알루미늄기판은선택적양극산화공정을통해전극패턴영역에알루미나를형성한기판구조인반면에알루미나기판은기판전면을양극산화하여기판전체에알루미나층을형성하였다. 즉알루미늄기판과알루미나기판은양극산화영역의차이로구별된다. 알루미늄기판은선택적양극산화공정을통하여 Thermal Via 구조가구현된상태이며, 따라서실장되는 LED 칩은알루미늄상에배치된다. 그러나알루미나기판의경우 LED 칩은알루미나위에실장된다. (b) 알루미나기판 [ 그림 5] COB 패키지기판종류별적외선카메라촬영영상 [Fig. 5] Infrared phonographs of COB package substrates 그림 5는 LED 칩및 COB 패키지기판을적외선카메라로촬영한사진을보여주고있다. 알루미늄기판에실장된 LED 칩의온도가전반적으로낮음을확인할수있다. LED 칩이 1.0 W 전력소모시에적분구 (Integrating Sphere) 를사용하여광량을측정하여발광효율을비교하였으며, 표 1은 LED COB 패키지기판의열저항및발광효율을보여주고있다. 알루미나기판보다알루미늄기판이열저항 51%, 발광효율 14% 향상되었다. 이는알루미늄기판의낮은열저항에의한광량증가로분석된다. 따라서선택적양극산화공정및 Thermal Via 구조를적용한알루미늄기판의방열특성이향상되었음을의미한다. 4759

한국산학기술학회논문지제 13 권제 10 호, 2012 [ 표 1] COB 패키지기판종류별열및광학특성 [Table 1] Thermal and optical properties of COB package substrates 측정항목 알루미늄기판 알루미나기판 Tj ( ) 31.3 36.8 열저항 ( /W) 4.12 8.35 발광효율 (lm/w) 9.22 8.

그림 7의적외선사진에서보듯이 0.5 W LED 칩을 2개실장한패키지의경우에칩의온도분포가상대적으로낮음을확인하였다. 표 2는 LED 칩개수에따른 COB 패키지기판의열저항및발광효율을보여주고있다. LED 칩개수가증가할경우, 열저항은 24% 그리고발광효율은 19% 향상되었다.

4 한국산학기술학회논문지제 13 권제 10 호, 2012 [ 표 1] COB 패키지기판종류별열및광학특성 [Table 1] Thermal and optical properties of COB package substrates 측정항목 알루미늄기판 알루미나기판 Tj ( ) 열저항 ( /W) 발광효율 (lm/w) 그림 6에서와같이 COB 패키지기판상에 1.0 W LED 칩 1개와 0.5 W LED 칩 2개를각각실장하여동일한전력소모시열저항및광학특성의성능비교를진행하였다. 특성비교를위해 LED COB 패키지는동일한측정환경및조건에서분석을진행하였다. 1.0 W 소비전력구동상태에서 20분이상경과후, LED 칩및패키지기판을적외선카메라로촬영하였다. 그림 7의적외선사진에서보듯이 0.5 W LED 칩을 2개실장한패키지의경우에칩의온도분포가상대적으로낮음을확인하였다. 표 2는 LED 칩개수에따른 COB 패키지기판의열저항및발광효율을보여주고있다. LED 칩개수가증가할경우, 열저항은 24% 그리고발광효율은 19% 향상되었다. 이러한실험결과는동일한전력소모시에다수칩의효율적인배치를통해열저항및발광효율을증가시킬수있음을보여준다. (a) 0.5W LED 칩 2개실장 (a) 0.5W LED 칩 2 개실장 (b) 1.0W LED 칩 1 개실장 [ 그림 7] LED 칩개수에따른 COB 패키지의적외선카메라촬영영상 [Fig. 7] Infrared photographs of COB packages with single chip and dual chip [ 표 2] COB 패키지의열및광학특성 [Table 2] Thermal and optical properties of COB package with single chip and dual chip 측정항목 0.5W 칩 2 개실장한 COB 패키지 1.0W 칩 1 개실장한 COB 패키지 Tj ( ) 열저항 ( /W) 발광효율 (lm/w) 결론 (b) 1.0W LED 칩 1 개실장 [ 그림 6] LED 칩을실장한 COB 패키지 [Fig. 6] COB packages after die bonding and wire bonding 본논문에서는알루미늄기판위에선택적양극산화공정을사용하여 LED COB 패키지를제작하였다. 알루미늄양극산화공정을통하여대략 100 μm두께의알루미나층을형성하여패키지기판의절연층으로사용하였다. 또한선택적양극산화공정을적용하여비아홀내부가완전히충진된 Thermal Via를구현하였다. Thermal Via 적용여부에따른 LED COB 패키지의열저항및발광효율영향을조사하기위해서알루미늄기판과알루미나기판을각각제작하고비교분석하였다. 4760

알루미늄양극산화를사용한 LED COB 패키지 Thermal Via를적용한알루미늄기판이알루미나기판보다열저항 51% 향상과발광효율 14% 증가를보여주었다. 이러한결과는선택적양극산화공정및 Thermal Via 구조적용으로 COB 패키지의방열특성이향상되었음을증명한다. 또한동일한전력소모시 LED 칩개수에따른 COB 패키지의열저항및발광효율변화를비교분석하였다.

5 알루미늄양극산화를사용한 LED COB 패키지 Thermal Via를적용한알루미늄기판이알루미나기판보다열저항 51% 향상과발광효율 14% 증가를보여주었다. 이러한결과는선택적양극산화공정및 Thermal Via 구조적용으로 COB 패키지의방열특성이향상되었음을증명한다. 또한동일한전력소모시 LED 칩개수에따른 COB 패키지의열저항및발광효율변화를비교분석하였다. 그결과, 복수의 LED 칩배치가단일칩의경우보다열저항 24% 향상및발광효율 19% 증가를보여주었다. 이러한측정결과는다수칩의효율적인배치가 COB 패키지의방열특성을향상시킬수있음을보여준다. References 김문정 (Moonjung Kim) [ 정회원 ] 1999 년 2 월 : 한국과학기술원전기및전자공학과 ( 공학석사 ) 2003 년 8 월 : 한국과학기술원전자전산학과 ( 공학박사 ) 2003 년 9 월 ~ 2006 년 5 월 : 삼성전자책임연구원 2006 년 9 월 ~ 현재 : 공주대학교전기전자제어공학부교수 < 관심분야 > 신호충실도, 시스템인패키지, 패키지및커넥터설계 [1] J.-H. Cho and M.-S. Lee, Implementation of LED BLU Using Metal core PCB with Anodizing Oxide Layer and Reflection Cup Structure, Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers, Vol. 23, No. 8, pp. 8-13, [2] D. W. Hong and S. J. Lee, A Study on High Power LED Lamp Structures, Journal of Optics and Photonics, Vol. 21, No. 3, pp , [3] B. Ma, J. Kim, H. Cho, K. Lee, B. Song, Improvement of Thermal and Reliability characteristics By Metal Package, Proc. of 2010 IEEK Summer Conference, pp , [4] Y.-W. Kim et al., Thermal Analysis of a Package Substrate for COB LED Packaging, Journal of the Korean Physical Society, Vol. 54, No. 5, pp , [5] S.-I Lee, S.-M. Lee and D.-H. Park, Analysis of Thermal Properties in LED Package by Via hole of FR4 PCB, Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers, Vol. 24, No. 12, pp ,

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<313120B1E8B9AEC1A42DBEE7B1D8BBEAC8AD20BECBB7E7B9CCB3AA20B1E2B9DDC0C D20C6D0C5B0C1F620B1E2C6C72E687770> 한국산학기술학회논문지 Vol. 11, No. 3, pp. 853-858, 2010 양극산화알루미나기반의 DRAM 패키지기판 김문정 1* 1 공주대학교전기전자제어공학부 Anodic Alumina Based DRAM Package Substrate Moonjung Kim 1* 1 Division of Electrical Electronics and Control,