PCB뉴스 - 조명기구의 LED 기판

LED 패키징 및 조명 시스템의 핵심 구성 요소인 LED 기판은 칩 지원, 전기 전도, 열 전달, 광학 제어 수행 등 여러 가지 기능을 합니다. 재료 선택, 구조 설계, 제조 공정은 LED 장치의 성능, 수명 및 신뢰성에 직접적인 영향을 미칩니다.

1. LED기판의 기본정의 및 기능

LED 기판은 LED 칩을 고정하고 전기적 연결을 실현하는 캐리어를 말하며, 일반적으로 전도성 재료와 절연성 재료의 합성물로 구성됩니다. 핵심 기능은 다음과 같습니다.

기계적 지지: 칩을 물리적 손상으로부터 보호하고 패키징 구조의 안정성을 보장합니다.

전기적 연결: 금속선을 통해 칩 전극을 외부 회로에 연결합니다.

열 방출 관리: 칩에서 발생하는 열을 효율적으로 전달하여 과열로 인한 광 감쇠나 고장을 방지합니다.

광학 최적화: 표면 반사나 렌즈 설계를 통해 광 추출 효율을 개선하고 빔 분포를 최적화합니다.

예를 들어, 알루미늄 기판(MCPCB)은 열전도도가 높아 고전력 LED에 가장 적합한 반면, 세라믹 기판(예: AlN)은 고밀도 통합 시나리오에 적합합니다.

2. LED 기판의 주요 소재 종류 및 특성

재료의 특성에 따라 LED 기판은 다음과 같은 범주로 나눌 수 있습니다.

금속기판(알루미늄기판 등)

장점: 높은 열전도도(1-3 W/m·K), 낮은 비용, 쉬운 가공, 고출력 조명 및 자동차 헤드라이트에 적합함.

제한 사항: 전기적 절연에는 절연층(예: 에폭시)이 필요하며, 이로 인해 열 저항이 증가할 수 있습니다.

세라믹 기판(알루미나, 질화알루미늄 등)

장점: 고온 및 내식성이 뛰어나고 열전도도가 우수합니다(AlN은 170W/m·K에 도달할 수 있음). 야외 가로등과 같은 고신뢰성 시나리오에 적합합니다.

제한 사항: 비용이 많이 들고, 취성이 높으며, 가공이 매우 어렵다.

폴리머 기판(예: 폴리이미드)

장점: 유연하고 얇고 가벼워 구부릴 수 있는 LED 조명 스트립이나 웨어러블 기기에 적합합니다.

제한 사항: 열전도도가 낮아 방열 구조와 함께 사용해야 함.

유리기판

장점: 투명도가 높고 치수 안정성이 뛰어나 높은 광학 성능이 요구되는 디스플레이 백라이트에 적합합니다.

한계: 취약하고 무겁다.

3. LED기판의 제조공정 및 과제

LED 기판 제조는 전기적 성능과 방열 효율을 모두 고려해야 합니다. 주요 프로세스는 다음과 같습니다.

회로 설계: 에칭이나 프린팅 기술을 통해 전도 회로를 형성할 때, 전류 분포가 고르지 않아 발생하는 국부 과열을 피하는 것이 필요합니다.

재료의 복합화: 금속 기판은 알루미늄판 위에 절연층(예: 에폭시 수지)과 구리 호일을 덮어야 하며, 세라믹 기판은 두꺼운 필름이나 얇은 필름 공정을 통해 금속층으로 도금해야 합니다.

패키징 통합: COB(Chip on Board) 기술은 칩을 기판에 직접 접합하여 브래킷 용접 공정을 없애고 방열 효율을 향상시킵니다.

도전:

열팽창 계수 일치: 재료 간의 열팽창 차이로 인해 인터페이스 균열이 발생할 수 있으며, 이는 CTE 최적화 설계를 통해 해결해야 합니다.

습기 보호: 포장 공정 중 습기가 침투하면 형광체의 성능이 저하되므로 사전 베이킹 또는 습기 방지 재료 사용이 필요합니다.

4. 적용 시나리오 및 선택 제안

특정 시나리오에는 다양한 기판 유형이 적합합니다.

일반 조명: 알루미늄 기판은 비용 효율성 덕분에 시장을 지배합니다.

자동차 조명: 세라믹 기판은 고온과 진동에 강하며 자동차 조명 모듈에 적합합니다.

유연한 디스플레이: 폴리머나 실리콘 기판이 곡면 화면과 웨어러블 기기에 사용됩니다.

고밀도 집적: CSP(칩 스케일 패키징) 기술과 소형화된 기판이 휴대폰 플래시와 미니 LED 백라이트에 사용됩니다.

V. 미래 발전 추세

집적화 및 소형화: CSP 기술은 기판 크기를 칩 수준까지 줄여 패키지 크기를 줄이고 비용을 절감합니다.

새로운 소재 개발: 그래핀, 질화붕소와 같은 초전도체 소재는 방열 성능을 향상시킬 것으로 기대됩니다.

다기능 통합: 기판, 구동 회로 및 광학 부품(예: SIP 패키징)을 통합하여 설계하여 지능형 광 제어를 실현합니다.

환경 보호 및 지속 가능성: 납 없는 납땜 및 재활용 가능한 재료의 적용이 산업 방향이 되었습니다.

LED 기판의 기술 혁신은 LED 산업 발전의 핵심 원동력입니다. 전통적인 금속 기판에서 새로운 세라믹 및 유연한 소재에 이르기까지, 그 진화는 항상 "효율적인 방열, 작은 통합 및 비용 최적화"라는 세 가지 핵심 요소를 중심으로 진행되었습니다. 앞으로 칩의 효율성이 향상되고 패키징 기술이 발전함에 따라 LED 기판은 고성능, 다기능화를 향해 더욱 혁신되어 조명, 디스플레이, 자동차 및 기타 분야에 더 나은 솔루션을 제공할 것입니다.