LED MCPCBs: 공극, 열 스택, 그리고 루멘 드롭 트랩

LED 조명이 조기 어둡게 시작되면, 엔지니어링 본능은 드라이버를 탓하는 것이다. 전류를 조정하고, PWM 디밍을 정제하며, 열 역류를 최적화한다. 이것들은 익숙한 수단이지만, 시험에서 측정 가능한 변화를 만들어낸다. 그럼에도 불구하고 LED는 예상보다 더 빠르게 열화되고 있다. 루멘 유지 곡선은 처지고, 현장 결함은 쌓인다. 이러한 사이클은 증상에 대한 개입이기 때문에 반복되며, 근본 원인인 LED 접합부에 갇힌 열은 그대로 남아 있다.

루멘 드롭은 근본적으로 열 현상이다. LED 다이의 효율은 접합온도가 상승함에 따라 급격히 떨어지며, 전기적 섬세함으로 이 물리적 현실을 바꿀 수 없다. 열은 제거해야 하며, 그 주된 탈출 경로는 기계적 조립: 다이에서 방열판까지의 열 스택이다. 이 스택 내에서, 두 가지 요인이 장기 성능에 가장 큰 영향을 미친다. 첫째는 금속 코어 PCB와 방열판 사이의 열 인터페이스 소재이다. 둘째는 LED 조립체를 MCPCB에 본딩하는 제조 공정으로, 특히 진공 플로우 사용 여부가 중요하다. 이는 나중에 최적화할 사소한 세부가 아니며, 제품의 열 예산이 현실적인지 순수한 허구인지를 결정하는 기초적 결정이다.

이 기사에서는 왜 열 인터페이스 소재 선택과 진공 플로우가 먼저 이루어져야 하는지를 주장한다. 우리는 전체 열 스택을 분석하고, 공극이 열 전달을 방해하는 방식을 설명하며, 내구성을 갖춘 조명을 위한 현실적인 공극 한계를 정의할 것이다.

루멘 드롭은 열 문제이지 전기적 문제가 아니다

루멘 드롭은 작동 조건이 강화됨에 따라 LED의 발광 효율이 감소하는 것을 의미한다. 반도체 수준에서는 순수하게 온도와 관련이 있다. LED 다이의 접합온도가 상승함에 따라 광자 생성 효율이 떨어진다. 메커니즘은 캐리어 유입 과잉과 오거 재결합 같은 복잡한 물리학을 포함하지만, 결과는 간단하다: 더 높은 온도의 LED는 와트당 적은 루멘을 생성한다.

드라이버 회로는 접합온도를 간접적으로만 영향을 미치며, 다이 내에서 소모되는 전력을 제어한다. 구동 전류를 낮추면 전력 소모와 열이 줄어들어 효율이 향상된다—이것이 열 역류 알고리즘의 원리이다. 그러나 이 방법은 방어적 조치일 뿐 해결책이 아니며, 열 폭주를 방지하기 위해 빛 출력을 희생한다. 근본적인 문제는 여전히 남아 있다. 목표 밝기를 위해 특정 양의 전력을 다이 내에서 변환해야 하며, 그에 따른 폐기 열이 빠져나가야 한다. 열 경로가 차단되면 접합온도는 상승하고, 효율은 떨어지며, 드라이버는 드롭을 수용하거나 빛을 디밍하는 것 중 하나를 선택할 수 있다.

열 설계가 가장 중요하다. 접합온도는 효율성, 신뢰성, 수명을 결정한다. 드라이버 최적화는 열 스택이 실제 조건에서 온도를 유지하도록 설계된 후에만 의미 있다. 전기적 조정을 열 설계보다 우선시하는 것은 인과 관계의 역전이다.

열 스택: 접합부와 주변 환경 사이의 모든 층

열은 LED 접합부에서 여러 재료 층과 인터페이스를 통해 공기 중으로 흐른다. 각 층은 열 저항을 가지며, 이 저항들이 합쳐져 온도 상승 전체를 결정한다. 이 스택을 이해하면 설계와 제조 선택이 어디서 가장 큰 영향을 미치는지 알 수 있다.

접합부에서 MCPCB 베이스까지: 내부 저항

여정은 LED 접합부에서 시작된다. 열은 다이, 다이 부착 재료, 패키지 베이스(종종 세라믹 또는 금속 슬러그), 그리고 패키지를 금속 코어 인쇄 회로 기판(MCPCB)에 연결하는 솔더 조인트를 통해 이동한다. MCPCB 내에서, 경박한 구리 회로층, 특수 유전 절연체, 그리고 최종적으로는 두꺼운 알루미늄 또는 구리 기반판을 통해 열이 전달된다. MCPCB의 전체 목적은 얇은 세라믹 충전 유전체와 고전도성 금속 코어를 사용하여 저항을 최소화하는 것이다.

이들 각각의 층은 열 저항에 기여하지만, 이는 주로 LED와 MCPCB의 선택에 의해 결정된다. 설계자는 부품을 선택하지만, 내부 재료와 두께는 제조사가 정한다. 여기에서 최적화할 수 있는 주요 기회는 부품 선택에 있으며, 조립 과정이 아니다.

MCPCB에서 방열판까지: 핵심 인터페이스

MCPCB 베이스에서 방열판까지의 외부 열 스택은 조립 결정이 가장 큰 영향을 미치는 부분이다. MCPCB는 열을 분산시키고 냉각 표면적을 늘리기 위해 방열판에 접합되어야 한다. 이 결합은 열 인터페이스 소재(TIM)를 사용하여 두 금속 표면 사이의 미세한 공기 틈을 채우는 방식으로 이뤄진다. TIM이 없다면, 이 틈들은 갇힌 공기의 절연 장벽을 만들어 열 전달을 방해한다.

이 단일 인터페이스의 열 저항은 종종 모든 내부 저항의 합을 초과하기도 합니다. 이것이 TIM 선택이 전체 열 스택에서 가장 영향력 있는 설계 선택인 이유입니다. TIM을 잘못 선택하거나 부실하게 도포하면 접합-대기 열 저항이 쉽게 두 배가 될 수 있습니다. 반대로, TIM을 최적화하면 어떤 드라이버 조정도 제공할 수 없는 열 마진을 확보할 수 있습니다. 여기서의 초점은 이 중요한 접합부이며, 여기서 기포와 재료 선택은 방열판의 잠재력이 실현되는지 아니면 낭비되는지를 결정합니다.

기포: 보이지 않는 열 차단막

기포는 고체, 전도성 재료가 있어야 하는 곳에 가득 차있는 가스 충전 틈새입니다. LED 조립품에서는 두 주요 위치에서 나타납니다: LED와 MCPCB 사이의 납땜 접합부와, MCPCB와 방열판 사이의 TIM 층입니다. 어느 곳이든 열 성능에 치명적입니다. 이들은 전도 매질을 가두어진 공기로 대체하는데, 이는 납땜이나 일반 TIM보다 열 전도율이 대략 두 자릿수 낮기 때문입니다.

기포는 열에 대해 보이지 않는 벽입니다.

리플로우 시 기포가 형성되는 과정

납땜 접합부의 기포는 리플로우 과정 중에 형성됩니다. 납땜 페이스트—납땜 입자가 섞인 플럭스 매체—가 MCPCB에 인쇄됩니다. 가열하는 동안, 플럭스가 활성화되어 금속 표면을 세척하고 납이 녹아 결합됩니다. 플럭스가 타면서 가스를 방출하는데, 이 가스 또는 갇힌 공기가 응고 전에 빠져나가지 못하면 기포가 됩니다.

대형 열 패드, 즉 MCPCB에 흔히 붙는 것들은 이 문제를 더욱 악화시킵니다. 용융된 납은 빠르게 대형 패드의 가장자리를 적시하여, 가스를 밀폐하는 밀봉을 만듭니다. 대기 조건에서의 리플로우 공정은 일반적으로 대형 패드에서 5-10%의 기포 비율을 만들어내며, 제어가 미흡하면 20%를 넘기도 합니다.

가둬진 공기의 열 페널티

공기의 열 전도율은 약 0.025 W/mK입니다. 일반 무연 납땜의 경우 50 W/mK에 가깝습니다. 이 두 배 수준의 차이는 작은 기포도 불균형적인 영향을 미칩니다. 기포는 그 면적만큼의 전도 회로를 줄이는 것뿐만 아니라, 열의 흐름을 방해하여 주변 납땜을 통해 더 길고 구불구불한 경로를 강제로 만듭니다.

열 모델과 실험들은 열 저항 증가가 기포 비율이 나타내는 것보다 훨씬 크다는 것을 일관되게 보여줍니다. X선으로 본 기포 영역이 5%인 납땜 조인트는 쉽게 열 저항이 10-15TP6T 증가할 수 있습니다. LED 다이에 바로 위치한 기포가 가장 치명적이며, 고전력 LED 조립품에서는 이것이 접합 온도를 10°C 올릴 수 있어 루멘 소모를 가속하고 제품의 유효 수명을 단축시킵니다. 50,000시간 이상 작동을 약속하는 조명 제품에 대한 이와 같은 페널티는 받아들여지지 않습니다.

열 인터페이스 재료 선택: 실질적 지렛대 포인트

MCPCB와 방열판 사이의 TIM 층은 열 스택에서 가장 가변적인 요소입니다. 재료는 열 전도율이 1 W/mK 이하인 기본 실리콘 그리스에서 고성능 화합물인 5 W/mK 이상까지 다양합니다. 이 층의 두께, 즉 본드 라인,는 25마이크로미터 이하여도 되고 100마이크로미터 이상일 수 있으며, 이 두 매개변수—전도성과 두께—가 접합부의 열 저항을 결정합니다.

열 전도율을 넘어서

본능은 열전도율이 가장 높은 TIM을 선택하는 것입니다. 그러나 이것은 실수입니다. 진정한 척도는 열 저항으로, 결합선 두께를 열전도율로 나누어 계산됩니다. 너무 두껍게 도포된 고전도성 재료는 얇고 균일한 층으로 도포된 저전도성 재료보다 성능이 떨어질 수 있습니다.

예를 들어, 3 W/mK의 열전도율을 가진 열기름은 25마이크론 접합선에 도포될 때 100마이크론 두께의 5 W/mK 열패드보다 더 좋은 열전도체입니다. 적용 과정이 그 얇은 접합선을 안정적으로 달성할 수 있다면, 기름이 이깁니다. 이것이 절충안입니다. 기름은 번거롭고 일관되게 바르기 어렵으며, 열주기를 통한 시간 경과에 따른 '펌아웃' 위험이 있습니다. 위상변화 재료는 견고한 패드처럼 바르면서도 작동 온도에서 표면을 적시하여 얇은 결합선을 달성하는 좋은 타협안을 제공합니다. 패드는 적용이 가장 쉽지만, 고정된 두께는 성능 패널티를 초래합니다.

결합선 두께와 적용

얇은 결합선을 달성하려면 TIM의 특성, 부품의 표면 거칠기, 클램핑 압력에 달려 있습니다. 가공된 알루미늄 표면조차 완벽하게 평평하지 않습니다. TIM은 흐르고 모든 미세한 계곡을 채워 공기를 배제할 수 있어야 합니다. 점성이 높은 TIM이나 불충분한 클램핑 압력은 두꺼운 결합선과 갇힌 공기 주머니를 초래합니다.

적용 방법이 핵심입니다. 수작업으로 기름을 바르는 것은 일관성이 떨어지는 것으로 악명 높습니다. 자동 분배가 더 나은데, 신중한 공정 검증이 필요합니다. 따라서 TIM 선택은 재료 특성과 제조 현실의 균형을 이루는 시스템 수준의 결정입니다. 가장 좋은 선택은 실제 생산 환경에서 가장 낮고 반복 가능한 열 저항을 제공하는 재료입니다. 이는 시험을 통해서만 도달할 수 있으며 데이터시트를 읽는 것만으로는 알 수 없습니다.

진공 리플로우: 공극 제거 원천 차단

진공 재플로우는 빈 공간을 직접 공격하는 납땜 공정입니다. 조립체를 챔버 안에서 가열한 후, 솔더가 완전히 용융되면 압력을 급격히 낮춰 준近 진공 상태로 만듭니다. 이 간단한 단계는 깊은 영향을 미칩니다.

먼저, 플럭스 용제의 끓는점을 낮춰 더 완벽하게 가스화할 수 있게 합니다. 더 중요한 것은, 진공이 용융된 솔더에 갇힌 기포를 불안정하게 만든다는 점입니다. 외부 압력은 더 이상 이들을 압축된 상태로 유지하기에 충분하지 않으며, 이들은 팽창하여 표면으로 올라와 조인트에서 빠져나갑니다.

그 결과는 극적입니다. 대기 재플로우가 %의 빈공을 생성할 수 있는 곳에서, 진공 재플로우는 계속해서 2% 이하, 종종 1% 이하의 수준을 달성합니다. 이 빈공 면적의 감소는 열 저항을 직접적으로 낮춥니다. 열 여유가 중요한 고전력 LED 애플리케이션에서는, 진공 재플로우가 단순한 개선이 아니라 게임 체인저입니다. 이 과정은 진공 능력을 갖춘 오븐에 투자해야 하지만, 대안은 실패률을 높이거나 과장된 방열판과 낮은 구동 전류로 대체하는 것뿐입니다. 장기 수명이 필요한 조명 애플리케이션에는 진공 재플로우의 경제성이 명백합니다. 한 번의 현장 실패 비용이 수백 개의 유닛에 대한 점진적 제조 비용보다 더 클 때가 많습니다.

대형 열전패드용 스텐실 설계

솔더 페이스트 인쇄에 사용하는 스텐실은 빈공에 대한 첫 번째 방어선입니다. LED MCPCB는 열 확산을 극대화하기 위해 큰 열전패드를 사용하는 경우가 많지만, 여기에는 표준 스텐실 설계 규칙이 적용되지 않습니다. 큰 패드에 대해 하나의 큰 구멍을 가진 스텐실은 페이스트 방출이 나쁘고 공기를 가두어 버립니다.

해결책은 하나의 큰 개구부를 더 작은 배열로 분할하는 것입니다. 이는 “면적비” — 스텐실에서 페이스트가 얼마나 쉽게 방출되는지의 척도 — 를 향상시켜 깔끔하고 균일한 인쇄를 보장합니다. 이 작은 개구부 사이의 솔더 마스크 망은 재플로우 동안 플럭스 가스가 빠져나갈 수 있는 채널도 만듭니다. 일반적인 설계는 정사각형 패드를 2×2 또는 3×3 격자의 더 작은 정사각형 또는 직사각형 개구부로 나누고, 이들 사이에는 최소 0.5mm의 망이 포함됩니다.

목표는 충분한 솔더 페이스트를 적재해 견고한 조인트를 형성하는 동시에, 플럭스를 잡아둘 만큼 많은 양을 적용하는 것입니다. 적당한 스텐실 두께는 0.10~0.15mm이며, 잘 설계된 개구부 배열과 결합하면 최적의 균형을 이룰 수 있습니다. 진공 재플로우는 많은 공정 불완전성을 수정할 수 있지만, 형편없이 인쇄된 경우를 구제하지는 못합니다. 좋은 스텐실 설계는 낮은 빈공 프로세스의 필수 조건입니다.

장기 조명용 실질적 빈공 한계

제로 공극을 달성하는 것은 불가능하다. 진짜 문제는 특정 응용 분야에 얼마나 허용 가능한 공극 수치인가이다.

적당한 파워와 제어된 주변 온도를 갖춘 표준 상업용 조명에서는 솔더 조인트 공극 수준 아래 5% 이것이 적절한 목표이다. 이는 일반적으로 잘 통제된 대기 재분포 공정으로 달성할 수 있다. X선 검사는 2-3TP6T 내의 공정 평균을 보여주어, 이상값이 5% 상한선 이하로 유지되도록 해야 한다.

야외, 자동차, 산업용 조명과 같은 고신뢰성 응용 분야에서는 제한이 더 엄격해야 한다. 여기서, 아래 2% 이것이 표준이다. 이 제품들은 더 높은 전력, 더 높은 주변 온도, 그리고 더 긴 수명 요구 사항에 직면하여 열적 타협의 여지가 없다. 이 수준의 품질은 사실상 진공 재분포를 필요로 한다.

우주항공, 의료 또는 안전 장비와 같은 중요한 시스템의 경우, 사양은 아래 1%. 이 목표를 달성하려면 엄격한 공정 제어, 장기 진공 체류 시간, 그리고 잠재적으로 100% 검사가 필요하며, 비용이 크게 증가한다. 이는 위험 분석이 필요하다고 판단될 때만 지정해야 한다.

이 한계들은 임의적이면 안 된다. 설계 검증 과정에서 열 모델링을 사용하여 특정 공극 비율과 접합 온도 상승을 상관시키며 수립해야 한다. 이러한 데이터 기반 접근법은 필요하고 충족 가능 한계를 보장하여 열 실패를 방지하면서 불필요한 제조 비용을 부담하지 않도록 한다.