LED 접합 온도 과열 방지

평균적인 고휘도(HB) LED는 에너지의 약 45%만을 가시광선의 광자로 변환하며, 나머지는 열을 내는 데 사용됩니다. 이 열이 LED에서 적절하게 발산되지 않을 경우, 과열이 발생해 심각한 문제로 이어질 수 있습니다. 심각한 문제가 발생하지 않더라도, LED의 접합 온도가 올라가면 광량이 줄거나, 빛이 변색되거나, 기대 수명이 매우 감소할 수 있습니다.

이 문서에서는 접합 온도를 계산하는 방법을 알아보고 열 저항의 중요성을 강조합니다. 칩 스케일 및 COB(칩 온 보드) 설계처럼 열 저항이 적은 LED 포장 대안을 살펴보고, 방열판 성능에 영향을 주는 요인에 대해서도 알아봅니다.

열이 발생하여 LED의 성능을 떨어뜨리는 방식

LED의 P-N 접합부에 충분한 전압을 정확하게 공급하면 접합부를 통해 흐르는 전류를 이용해 열과 빛이 생성됩니다. 그러나, 평균적인 고휘도(HB) LED는 에너지의 약 45%만을 빛으로 변환하며, 나머지는 열을 내는 데 사용됩니다.

P-N 접합부가 작기 때문에 면적당 열 생성률은 높습니다. 1W, 1mm²의 LED에서는 100W/cm²의 열이 발생할 수 있습니다. 접합 온도가 올라가면 LED의 순방향 전압과 광도가 모두 떨어집니다. LED의 수명을 연장하고 성능을 유지하려면 LED가 작동하는 동안 접합 온도가 제조업체에서 규정한 범위 내로 유지되어야 합니다.

그림 1에서와 같이, 작동 전류가 일정할 경우 접합 온도가 10°C 상승할 때마다 순방향 전압이 약 20mV씩 떨어집니다. 구체적으로 말해, 350mA의 정전류가 흐를 경우 LED의 접합 온도가 25˚C에서 80˚C로 올라가면 순방향 전압은 0.17V 감소합니다.

그림 1: LED 접합 온도가 높아짐에 따라 순방향 전압이 감소합니다. (출처: Osram)

마찬가지로, 그림 2에서와 같이 접합 온도가 25˚C에서 80˚C로 올라가면 출력 광량이 10% 감소합니다. LED의 밝기가 25˚C에서 90루멘이라면, 접합 온도 80˚C에서는 81루멘에 그칩니다. 간단히 말해, 작동 전류가 일정할 경우 접합 온도가 10°C 상승할 때마다 발광 효율이 약 1.8%씩 감소합니다.

그림 2: LED 접합 온도가 높아짐에 따라 출력 광량이 감소합니다. (출처: Osram)

LED의 주파장은 LED에서 가장 많이 출력되는 광자의 파장으로, 그에 따라 LED의 색이 달라집니다. 그림 3에 표시된 빨간색 626nm LED와 같은 단색 LED에서는 접합 온도가 높아지면 주력 파장이 길어져 색이 바뀝니다.

그림 3: 접합 온도가 높아지면 주력 파장이 바뀌어 LED의 색이 바뀝니다. (출처: Osram)

접합 온도 계산

무접점 조명 장치의 효율은 접합 온도에 크게 영향을 받으며, 접합 온도는 적용 전력, LED 접합부 사이의 열 저항, 주위 온도라는 세 가지 요인의 영향을 크게 받습니다. 적용 전력에 따라 발생하는 열의 양이 결정되고, 열 저항과 주변 온도에 따라 열의 발산 효율이 결정됩니다.

중요한 두 가지 열 경로의 저항이 접합 온도에 영향을 미칩니다. 첫 번째는 LED 접합부와 패키지 하단에 있는 열 접점 사이의 저항입니다. 두 번째는 열 접점과 주변 사이의 저항입니다.

LED 접합부의 온도(T_J)는 주위 온도(T_A)에 접합부와 주변 사이의 열 저항(아래 등식에서 R_{th j-a})과 발산된 열 P_d(I_f x V_f)를 곱한 값을 합하여 얻습니다. 열 저항은 발산된 단위 전력(C/W)당 구성품에서 상승하는 온도로 정의됩니다.

등식:

열 성능이 극대화된 조명 시스템을 설계하려면 LED 기기 접합부와 주변 간의 열 경로를 이해해야 합니다. 여기에서는 LED 접합부와 주변 사이 저항의 합만을 다루지만, 실제 LED 조명 시스템에는 시스템 전체의 열 경로를 정의하는 저항의 종류가 훨씬 많습니다.

열 저항이 낮으면 LED에 높은 전류를 공급해서 광도를 높이면서도 과열로 인한 조기 고장을 막을 수 있습니다. LED의 최대 접합 온도와 열 저항은 제조업체 규격서에 명시되어 있어야 합니다.

포장의 유용성

LED 접합부와 패키지 하단 접점 사이의 열 저항은 패키지 설계에 따라 결정됩니다. 엔지니어들은 그 점을 인식하고 CSP(칩 크기 패키지) 기기와 COB(칩 온 보드) LED처럼 열효율이 높은 설계를 개발하는 데 집중해 왔습니다.

CSP 기술을 이용하면 기존 방식의 서브마운트를 사용하지 않고도 LED 다이를 PC 보드에 직접 붙일 수 있습니다(그림 4). 최근까지 CSP는 작은 크기의 기기에서 열을 추출하기가 어렵다는 점 때문에 LED에 많이 사용되지 않았습니다. 그러나 효율과 온도 허용 오차 범위가 높아지면서 이 문제가 해결되었습니다.

그림 4: 낮은 열 저항은 CSP 기술의 여러 장점 중 하나입니다. (출처: Samsung Semiconductor)

CSP에 대한 표준적인 정의는 없지만, 업계에서는 일반적으로 LED의 발광 부분과 크기가 같거나 최대 20% 더 큰 모든 기기를 “칩 크기 패키지 LED”로 간주합니다. CSP는 기존 방식의 LED보다 열 저항이 낮은데, CSP LED와 PC 보드 방열판 표면 사이의 금속 간 접촉면이 주된 이유입니다.

예를 들어, Samsung Semiconductor SCP8RT78HPL1R0S06E의 패키지 열 저항은 2°C/W에 불과합니다. 삼성의 CSP 기술을 이용하면 플립 칩 기술을 인 코팅 기술과 결합하여 금속 와이어와 플라스틱 몰드 없이도 기존 LED 패키지의 크기를 줄일 수 있습니다.

COB 방식을 이용하는 제조업체에서는 여러 개의 다이를 기판에 직접 패키징합니다. Bridgelux Vero 및 V series LED 제품의 열 저항은 1.6°C/W에서 0.25°C/W까지도 낮아지며, 여기에는 열 경로와 전기 경로를 분리하는 LED 다이 구조를 사용합니다.

열 전달 효율을 높이려면 LED를 깨끗하고 평평하며 매끄러운 방열판에 부착해야 합니다. 또한 LED와 방열판 사이에 열전소재(TIM)를 사용해야 합니다. LED 공급업체인 Cree에서는 세라믹 기판을 이용한 CX 제품군 LED(CXA1304-0000-000C00A427F)가 다른 COB LED에 흔히 사용되는 알루미늄 기판 뒷면에 비해 열 배나 매끄럽다고 주장합니다.

Cree에서는 면도날의 직선 날 가장자리와 방열판 사이의 간격을 봐서 방열판의 평면도를 확인할 것을 제안합니다(그림 5).

그림 5: 방열판의 평면도 검사. (출처: Cree)

열전소재와 방열판

일반적인 LED 조명 시스템에는 기판에 부착되어 방열판에 마운트된 여러 개의 HB LED 패키지가 있습니다. LED는 기존 방식의 백열 전구처럼 열을 방출하지 않으며, 발생하는 열은 모두 기판을 통해 전달해서 발산해야 합니다. 기존 방식의 열 기판에는 Al₂O₃(산화알루미늄, 일명 알루미나)와 AlN(질화알루미늄)의 두 가지 세라믹이 포함됩니다. 조립하는 동안, 기판의 아래쪽 면이 방열판의 마운트 면과 완전히 접촉해야 합니다. 열전소재(TIM)은 LED와 방열판 사이의 빈 부분과 간격을 채워 열전도를 돕습니다. LED와 방열판 사이에 공간이 생길 경우 열 경로가 충분하지 않을 수 있습니다. TIM은 접착제, 그리스, 겔, 패드, 납땜용 합금, 에폭시 등의 형태로 사용될 수 있습니다.

방열판은 열 스택에서 마지막 단계를 차지하는 주요 부품입니다. 방열판은 LED의 열을 발산하여 접합 온도를 적정 한계 범위로 유지합니다. 설계자는 방열판의 표면, 표면적, 공기역학, 열전도, 마운트를 고려해야 합니다.

방열판에서 열을 발산하는 방법은 전도(고체에서 다른 고체로 열 전달), 대류(고체에서 움직이는 유체로 열 전달, 보통은 공기로 전달), 복사(표면 온도가 다른 두 물체 사이의 열 전달)의 세 가지입니다. 방열판은 일반적으로 알루미늄이나 구리 등의 금속으로 만들며 표면적을 넓히기 위해 수많은 핀이 있습니다(표 1).

표 1: 일반적인 방열판 재료와 공기의 열전도율(출처: Bridgelux)

방열판에 수동적 또는 능동적인 냉각 방법을 활용하여 냉각을 도울 수도 있습니다. 경험적으로 얻은 원칙은, 발산할 전력 1와트마다 방열판 표면적 64.5제곱센티미터가 필요하다는 것입니다.

결론

LED가 고장 나는 원인은 대부분 열과 관련되어 있습니다. 고장이 나지 않는다고 해도 LED의 접합 온도가 높아지면 광량이 줄거나, 색이 변하거나, 기대 수명이 크게 단축될 수 있습니다. 이 문서에서는 접합 온도를 계산하는 방법을 알아보고 열 저항의 중요성을 살펴보았습니다. 또한 칩 크기 및 COB(칩 온 보드) 설계처럼 열 저항이 적은 LED 포장 대안을 살펴보고, 방열 성능에 영향을 주는 요인에 대해서도 알아보았습니다.