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지안 뇌
6 years ago
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1 Journal of the Korea Academia-Industrial Cooperation Society Vol. 12, No. 11 pp , COB, COH Package LED Module 열해석시뮬레이션 최금연 1*, 어익수 2 1 호남대학교전기공학과 COB, COH Package LED Module Thermal Analysis Simulation Keum-Yeon Choi 1* and Ik-Soo Eo 2 1 Dept. of Electrical Engineering, Honam University 요약본논문에서는열해석시뮬레이션프로그램인 COMSOL Multiphysics를활용하여, LED Module의제작시, 가장선호되는패키지종류인 COB Type과보드를생략한 COH Type의열해석시뮬레이션을진행한다. LED Module의시뮬레이션결과방열판을통과하는위치에따라 COB Type은 Max. 약 78 ~ Min. 약 62, COH Type 은 Max. 약 88 ~ Min. 약 67 에서온도가안정이됨을확인하였다. COB Type과비교하여 Max. 온도는약 10 차이가나지만, Min. 온도에서약 5 정도로격차가감소함을확인하였으며, LED Point 온도특성곡선을확인한결과 COB Type은 Max. 약 100 ~ Min. 약 77, COH Type은 Max. 약 100 ~ Min. 약 86 온도가안정이됨을확인하였으며, COB Type에비해 COH Type이약 10 온도가높게측정되었다. Abstract In this paper, thermal analysis simulation program by taking advantage of COMSOL Multiphysics, LED Module for the production of the most preferred package type, omitting the COH Type COB Type and board simulation of the thermal analysis is in progress. LED Module that passes through the Heat-sink of the simulation results, depending on the location of the COB Type Max. Approximately 78 ~ Min. Approximately 62, COH Type the Max. Approximately 88 ~ Min. Approximately 67 has been confirmed that the temperature stability. Compared with COB Type Max. AIthough temperature difference is about 10, Min. At a temperature of about 5 confirmed to be enough to reduce the gap, LED Point confirming the results of the temperature curves for COB Type Max. Approximately 100 ~ Min. Approximately 77, COH Type the Max. Approximately 100 ~ Min. Approximately 86 temperature stability was confirmed that, COB Type COH Type, compared to approximately 10 temperature was higher. Key Words : LED, COB, COH 1. 서론 고출력 LED(Light Emitting Diode) 의특성및신뢰성은 LED의접합에서발생하는열에의해크게좌우한다. 일반적인고출력 LED에서는약 1W/mm² 의열을발생시킨다. LED에서발생하는열은패키지내의열팽창계수가서로다르기때문에최대정격이상의높은온도에노출시키거나열순환을반복하면각기다른유형의치명적고장을초래할수있다 [1]. LED Module 개발을위해무엇보다도열문제가야기된다. 열이높아지면모듈의수명이감소되며, LED용기판에필수불가결한특성은방열 성이높아야한다는점이고, 메탈베이스기판의구성재료로서메틸베이스판으로는알루미늄과동을, 그리고절연층에는열전도성이높은무기필터를충전한에폭시계수지로사용되는경우가많아졌다. 특히알루미늄베이스기판은알루미늄의특성으로높은열전도성과경량성등을살린고밀도실장기판이며, 에어컨의인버터용기판, 통신용전원용기판과산업용도면에서의사용실적이높다는점에서도파워 LED용기판의열설계에가장적합하다고본다 [2]. LED 패키지형태는 Dome Type과 Cavity Type으로나누어지며, 접합방식및쓰임에따라다양한패키지종 * 교신저자 : 최금연 (mysea518@nate.com) 접수일 11 년 09 월 29 일수정일 (1 차 11 년 10 월 28 일, 2 차 11 년 11 월 09 일 ) 게재확정일 11 년 11 월 10 일 5117

2 한국산학기술학회논문지제 12 권제 11 호, 2011 류가있다. 이중가장선호되는패키지종류로는 SMD (Surface Mount Devices)Type과 COB(Chip on Board) Type을들수있다. 표면실장소자라불리는 SMD Type은 PCB기판에구멍없이패턴에바로반도체소자를붙이는방식이다. 대부분 PCB에다량의 LED 패키지를실장을할경우에선호된다. COB Type은와이어본딩이직접되어있는형태로패키지저항이 10 /W 이내이므로방열성능이우수하지만패키지하나가고장이나면조명기기전체가고장이나는단점이있다. WLP(Wafer Level Package) 가존재하지만고가의장비를사용, 실리콘기판을가공하여실장할경우 70% 밖에실장이되지않기때문에선호도가낮다. 이밖에도 Mirror Type, Mold Type, Can Type 등이존재한다 [3]. 또한기존의패키지와달리방열판위에 Chip을본딩하는 COH(Chip on Heat-sink) Type이있으며, COH는보드를생략한패키지로서 COB 에비해제작원가가저렴하지만좀더기술적보완이필요하다. 산업체의 LED Module 열설계시시뮬레이션절차를거치지않고금형및제작하여, Module의전원을공급하면, 시간의흐름에따라온도계측정을통한열해석을진행하는경우가있다. 실제제작을통한열측정을하면, 개발에따른많은경비가소비된다. 하여, 본시뮬레이션통한 LED Module의 Modeling 및시뮬레이션열해석방법은산업체의 LED Module 개발시경비절감의효과를기대할수있다. 시뮬레이션과정은 LED Package 제작도면을 3D로구현하여, LED Point와 PCB 및보드의단면의열발생에의한결과를확인한다. 본논문에서는 COB Type과보드를생략한 COH Type의열해석시뮬레이션을진행한다. 기존의열설계시뮬레이션에서는단면위주의열해석이지만, Point 지정을통한열해석을및실험을하여더욱자세한결과값을얻을수있다. 2. 본론 2.1 LED Package 의방열설계이론 시뮬레이션과정의기본열해석지배식인열전도는고체매질을통해일어나는열전달형태로물체내에온도구배가존재할때열은고온에서저온부로전달된다. 미시적관점에서보면물질내원자나분자의상호작용에의해열이전달되며, 즉원자격자의진동과자유전자의이동에의해인접한분자에에너지를전달하는열유동률은매질의물성값인열전도계수 k에좌우되며, 열전도법칙인 Fourier s Law을적용하였으며, Fourier s Law은수식 (1) 이다. (1-1) A는단면적, T는온도변화량, x는길이, k는열전도도이다. [ 그림 1] 온도와거리비례곡선 [Fig. 1] Curve Proportional to the Temperature and the Distance 그림 1은온도변화에따른열유동에관한그래프이며, 온도와거리는반비례함을확인할수있다., (1-2) Q= 열유동비 (W) k= 열전도도 (W/m.K) = 방열판의열유동면적 (m ) = 차동온도 ( ) L= 방열판의길이 (m) (1-3) ) = 0 (1-4) (1-5) 수식 (1-1)~(1-5) 는열해석시뮬레이션의열용량에대한압력, 열전도, 속도벡터의방정식을차동속도와대입하였으며, 시뮬레이션의기본열해석지배식으로 η: 점도 ( : 속도벡터 ( ), ρ: 밀도 ( ), p: 압력 ( ), k: 열전도 (W/(K m)), Cp: 열용량 (J/(kg K)) 이다 [4]. 또한, 열발전소자에서최대출력은일반의전기회로와같이 m-1일때, rm 효율은다음식과같다. (2-1) (2-2) 5118

[ 표 1] LED Module 의제원 [Table 1] Specifications of LED Module 구분 COB COH PCB( 알루미늄 ) 225.8 x 30 x 0.

3 COB, COH Package LED Module 열해석시뮬레이션 (2-3) (2-4) (2-5) 효율 η이최대가되는 m을구하기위하여 η/ m=o 으로놓고, m에대하여풀면, 최적저항비는 (2-2) 이며, (R/r) opt 를 (2-3) 식에대입하여 I에대하여풀면, 최적전류는 (2-4) 이다. 또한, 이때의최대효율 η Max 는 (2-5) 로하여, 열전소자인 LED( 실리콘 ), PCB와방열판 ( 알루미늄 ) 의열전도와밀도, 열용량을산정하였다 [5]. 2.1 LED Package 의제원 (COB, COH) 표 1은 LED Module의가로, 세로, 높이를측정한값이며 PCB와방열판의재질은알루미늄, LED의재질은실리콘으로선정하였다. [ 표 1] LED Module 의제원 [Table 1] Specifications of LED Module 구분 COB COH PCB( 알루미늄 ) x 30 x 0.3mm 방열판 ( 알루미늄 ) 240 x 40 x 2mm 240 x 40 x 2mm LED( 실리콘 ) 1mm 1mm [ 그림 2] LED Module 표면열해석 ( 전면 ) [Fig. 2] Thermal Analysis of Surface LED Module (Front) 그림 2의 (A) 는 COB Type의평면열해석으로 LED 의 Max. 온도가 100 로가정하여그결과를나타낸그림이다. LED주변을중심으로열이발산되어 PCB표면에서약 80 로온도를낮춤을확인하였으며, PCB아래본딩된방열판으로열이전도, 약 65 로감소하여, LED Module의 Min. 온도는약 40 로확인되었다. (B) 는 COH Type으로 COB Type과같이 LED의 Max. 온도가 100 로가정하여그결과를확인하였으며, LED 주변의온도가약 90 로 COB Type과달리약 10 가높음을확인하였다. 하지만 PCB가없음에도알루미늄방열판에서빠르게열을흡수하여방열판중심은약 65 까지온도가낮아졌으며, LED Module의 Min. 온도는약 41, COB Type과큰차이가없음을확인하였다. 표 2는 LED Package의열전도, 밀도, 열용량을나타낸 Spec. 으로동일한조건으로실험을진행한다. [ 표 2] LED Package Spec. [Table 2] LED Package Spec. 구분 LED PCB, 방열판 열전도 1.38 W/(m k) 160 W/(m k) 밀도 2203 Kg/m³ 2700 Kg/m³ 열용량 703 J/(kg k) 900 J/(kg k) [ 그림 3] LED Module 표면열해석 ( 후면 ) [Fig. 3] Thermal Analysis of Surface LED Module (Back) 그림 3은그림 2의열해석결과를추론하여, PCB를생략한 COH Type이 COB Type과온도분포가큰차이없음을 LED Module의후면에서확인한결과 COH Type이 COB Type에비해방열판에서더많은열을흡수함을확인할수있었다. 2.2 LED Module 시뮬레이션 5119

한국산학기술학회논문지제 12 권제 11 호, 2011 [ 그림 4] LED Module 단면열해석 [Fig.

온도가약 63 이며, Min. 온도는약 45 까지온도변화를확인하였다. 은단면 Max. 온도가약 68 이며, Min.

도가 100 이며, Min. 온도는약 45 까지온도가분포하였으며, LED Point에서보다 COH Type의방열판에서보다많은열을흡수하여온도차트에보이는것과같이 Max. 온도에서 Min.

하지만 COH Type의 LED Point에서순간적인고열을시뮬레이션에서는방열판이흡수하여, 온도의안정화를이루지만실제작하였을경우, 열에약한 LED가효율이낮아질우려가있어 LED Module의신뢰성실험이요구되었다. 2.

6] COB Type the Temperature Distribution of the Heat-sink 그림 6은 LED Module의 (A) 방열판을통과하는가상선을생성하여그온도변화를확인하는 이다.

4 한국산학기술학회논문지제 12 권제 11 호, 2011 [ 그림 4] LED Module 단면열해석 [Fig. 4] Thermal Analysis of the Cross-section LED Module 그림 4의 (A), (B) 는 LED Module의단면열해석으로 LED Point 사이의온도분포이며, 은단면 Max. 온도가약 63 이며, Min. 온도는약 45 까지온도변화를확인하였다. 은단면 Max. 온도가약 68 이며, Min. 온도는약 47 까지온도가분포하였으며, LED Point에서보다 COH Type의방열판에서보다많은열을흡수하여온도차트에보이는것과같이 Max. 온도에서 Min. 온도까지 COB Type 보다빠르게온도가안정됨을확인하였다. 도가 100 이며, Min. 온도는약 45 까지온도가분포하였으며, LED Point에서보다 COH Type의방열판에서보다많은열을흡수하여온도차트에보이는것과같이 Max. 온도에서 Min. 온도까지 COB Type 보다빠르게온도가안정됨을확인하였다. 하지만 COH Type의 LED Point에서순간적인고열을시뮬레이션에서는방열판이흡수하여, 온도의안정화를이루지만실제작하였을경우, 열에약한 LED가효율이낮아질우려가있어 LED Module의신뢰성실험이요구되었다. 2.3 LED Module 시뮬레이션결과분석 (A) Heat-sink Cross [ 그림 6] COB Type 방열판온도분포 [Fig. 6] COB Type the Temperature Distribution of the Heat-sink 그림 6은 LED Module의 (A) 방열판을통과하는가상선을생성하여그온도변화를확인하는 이다. 시뮬레이션결과방열판을통과하는위치에따라 Max. 약 78 ~ Min. 약 62 에서온도가안정이됨을확인하였다. (A) LED Cross [ 그림 5] LED Module 단면열해석 (LED Point) [Fig. 5] Thermal Analysis of the Cross-section LED Module(LED Point) 그림 5의 (A), (B) 는 LED Module(LED Point) 의단면열해석으로 LED Point의온도분포이며, 은단면 Max. 온도가 100 이며, Min. 온도는약 43 까지온도변화를확인하였다. 은단면 Max. 온 [ 그림 7] COB Type LED Point 온도분포 [Fig. 7] LED Point Temperature Distribution of COB Type 5120

COB, COH Package LED Module 열해석시뮬레이션 그림 7은 LED Module의 (A) LED Point를관통하는가상선을생성하여 을확인한결과로 Max. 약 100 ~ Min. 약 77 에서온도가안정이됨을확인하였다.

8] LED Point Temperature Distribution of COH Type 그림 8은 LED Module의시뮬레이션결과방열판을통과하는위치에따라 Max. 약 88 ~ Min. 약 67 에서온도가안정이됨을확인하였으며, COB Type과비교하여 Max. 온도는약 10 차이가나지만, Min. 온도에서약 5 정도로격차가감소함을확인하였다.

LED Module의시뮬레이션결과방열판을통과하는위치에따라 COB Type은 Max. 약 78 ~ Min. 약 62, COH Type은 Max. 약 88 ~ Min. 약 6 7 에서온도가안정이됨을확인하였으며, COB Type과비교하여 Max. 온도는약 10 차이가나지만, Min. 온도에서약 5 정도로격차가감소함을확인하였다. 2.

5 COB, COH Package LED Module 열해석시뮬레이션 그림 7은 LED Module의 (A) LED Point를관통하는가상선을생성하여 을확인한결과로 Max. 약 100 ~ Min. 약 77 에서온도가안정이됨을확인하였다. COMSOL Multiphysics를활용하여, LED Module의제작시, 가장선호되는패키지종류인 COB Type과보드를생략한 COH Type의열해석시뮬레이션을진행, 분석한결과는다음과같다. (A) Heat-sink Cross [ 그림 8] COH Type 방열판온도분포 [Fig. 8] LED Point Temperature Distribution of COH Type 그림 8은 LED Module의시뮬레이션결과방열판을통과하는위치에따라 Max. 약 88 ~ Min. 약 67 에서온도가안정이됨을확인하였으며, COB Type과비교하여 Max. 온도는약 10 차이가나지만, Min. 온도에서약 5 정도로격차가감소함을확인하였다. (A) LED Cross [ 그림 9] COH Type LED Point 온도분포 [Fig. 9] LED Point Temperature Distribution of COH Type 그림 9는 Max. 약 100 ~ Min. 약 86 에서온도가안정이되며, COB Type에비해약 10 온도가높게측정되었다. 3. 결론 본논문에서는열해석시뮬레이션프로그램인 1. LED Module의시뮬레이션결과방열판을통과하는위치에따라 COB Type은 Max. 약 78 ~ Min. 약 62, COH Type은 Max. 약 88 ~ Min. 약 6 7 에서온도가안정이됨을확인하였으며, COB Type과비교하여 Max. 온도는약 10 차이가나지만, Min. 온도에서약 5 정도로격차가감소함을확인하였다. 2. LED Module의 LED Point 온도특성곡선을확인한결과 COB Type은 Max. 약 100 ~ Min. 약 77, COH Type은 Max. 약 100 ~ Min. 약 86 온도가안정이됨을확인하였으며, COB Type에비해 COH Type이약 10 온도가높게측정되었다. 3. COB Type과보드를생략한 COH Type의열해석시뮬레이션을진행하여, 기존의열설계시뮬레이션에서는단면위주의열해석이지만, Point 지정을통한열해석을및실험을하여더욱자세한결과값을얻을수있었다. 4. LED Module의제작하여, Module의전원을공급하면, 시간의흐름에따라온도계측정을통한열해석을진행하는경우가있다. 실제제작을통한열측정을하면, 개발에따른많은경비와기계적손실에의한결과값에오류가발생하게된다. 본시뮬레이션통한 LED Module의 Modeling 및시뮬레이션열해석방법은산업체의 LED Module 개발시경비절감의효과및실제제작을하지않고시뮬레이션을통한결과값의오차범위를줄일수있다. 5. COH Type의 LED Point에서순간적인고열을시뮬레이션에서는방열판이흡수하여, 온도의안정화를이루지만실제작하였을경우, 열에약한 LED가효율이낮아질우려가있어 LED Module의신뢰성실험이요구되었다. References [1] Ik-Soo, Eo, Analyze on Heat-sink of 20Watt Class LED Lamp using COMSOL, Korea Journal of University-Industry Technology, Vol. 10, No. 7, pp , [2] Chi-Won, Ok, A Study on Optimization of the Heat Sink for Reliability Improvement of High Power 5121

한국산학기술학회논문지제 12 권제 11 호, 2011 Light Emitting Diode,Proceedings of a Master's Degree in Chonbuk National University, 2006. February.

[4] Keum-Yeon, Choi, Ik-Soo, Eo, LED Sensitive Light System Development by Brain-wave, Korea Journal of University-Industry Technology, Vol. 11, No. 1, pp. 61-66, 2010. January. [5] ACETec Co.

6 한국산학기술학회논문지제 12 권제 11 호, 2011 Light Emitting Diode,Proceedings of a Master's Degree in Chonbuk National University, February. [3] Soon-Ho, Hwang, Study on Thermal Design of LED Lights, Proceedings of a Master's Degree in Kongju National University, February. [4] Keum-Yeon, Choi, Ik-Soo, Eo, LED Sensitive Light System Development by Brain-wave, Korea Journal of University-Industry Technology, Vol. 11, No. 1, pp , January. [5] ACETec Co. Ltd, Thermoelectric Element Training", ACETec Co. Ltd, pp. 4-7, March. 최금연 (Keum-Yeon Choi) [ 정회원 ] 2008 년 2 월 : 호남대학교전기공학과졸업 ( 공학사 ) 2010 년 2 월 : 호남대학교전기전자대학원졸업 ( 공학석사 ) 2010 년 3 월 ~ 현재 : 호남대학교전기전자대학원재학 ( 박사과정 ) < 관심분야 > 광학및방열설계 어익수 (Ik-Soo Eo) [ 정회원 ] 1986 년 2 월 : 서울산업대학교전기공학과 ( 공학사 ) 1996 년 2 월 : 한양대학교전기공학과 ( 공학석사 ) 2008 년 2 월 : 서울벤쳐정보대학원전기공학과 ( 공학박사 ) 1995 년 5 월 : 건축전기기술사, 전기안전기술사 1998 년 2 월 ~ 현재 : 호남대학교전기공학과부교수 < 관심분야 > 전기설비, LED 조명설계, Heat-sink 5122

THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE Dec.; 27(12),

THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE. 2016 Dec.; 27(12), 1036 1043. http://dx.doi.org/10.5515/kjkiees.2016.27.12.1036 ISSN 1226-3133 (Print) ISSN 2288-226X (Online)