[Cap도금 관련 자료] Cap도금 Via Hole을 이용한 자동차 램프용 LED PCB 구조 연구

Cap도금 관련 자료를 알아보다가 발췌한 2019 한국자동차공학회 춘계학술대회의 내용입니다.
저사: * 정해광, E-mail: hkjeong@mobis.co.kr

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Cap도금 Via Hole을 이용한 자동차 램프용 LED PCB 구조 연구

현재 많은 완성차업체들이 본인들만의 독특한 디자인을 구현하는데 노력하고 있다. 특히 디자인 요소 중 가장 중요하게 차지하고 있는 부분이 램프이기 때문에 램프 디자인에 많은 관심을 가지고 개발을 하고 있다. LED 헤 드램프는 기존의 벌브형(Halogen/Xenon)램프 대비하여 광원의 사이즈가 작고 발열량이 적기 때문에 광학 모듈의 사이즈를 줄일 수 있다. 이러한 이유로 현재 많은 램프에 LED가 적용되고 있고 이 추세는 더욱더 가속화될 것으 로 전망된다. (Photo.1)

하지만 아직 LED 램프는 Halogen 램프에 비해 가격적으로 많이 높은 편이다. 이러한 부분은 LED 램프의 적용 에 가장 큰 걸림돌 중 하나이다. LED 램프와 Halogen 램프를 비교했을 때 가장 가격적으로 차이가 나는 이유는 전장품 때문이다. Halogen광원의 경우 차량용 배터리에서 바로 전력을 공급하여 점등하기 때문에 크게 전장품이 필요 없다.

하지만 LED 광원의 경우 LED 수량 및 연결 방법, Chip의 수에 따라 필요 전압 또는 전류가 달라지기 때문에 LDM(LED Drive Module)이 필요하다. 또한 LED는 반도체 소자이기 때문에 PCB위에 실장해야 한다. PCB의 경우, 차량용 램프에 적용되는 LED의 전력이 높아 방열을 위해 상대적으로 비싼 메탈 PCB을 주로 사용 한다.

그렇기 때문에 PCB가 LED 헤드램프의 가격 중 상당한 부분을 차지하고 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서 해당 연구는 Metal PCB 대신 다른 PCB 소재를 적용/검토하였다. 먼저 Metal소재를 FR4 PCB로 대체했다. Metal 대비 가격적으로 우수하면서 Via Hole 설계를 통해 PCB의 열저 항을 떨어뜨릴 수 있기 때문이다. 또한 LED 방열 PAD에서 PCB 하단부까지 열 경로를 줄이기 위한 기술들을 검토했다.

그 이유는 전도는 거리에 반비례하기 때문에 열 경로를 줄일수록 열저항이 낮아짐을 뜻한다. 또한 FR4 PCB에서 수직적 열 전도는 Via Hole을 통해 이뤄지므로 Via Hole을 최대한 LED PAD에 가깝게 형성할 수 있는 기 술을 검토했다. 그 중 Cap 도금 Via Hole이라는 기술을 적용했다.

Cap 도금 Via Hole이라는 기술은 LED PAD 부 분에 Via Hole을 생성 후에 Plugging으로 Via Hole을 막고 그 위에 LED를 실장할 수 있는 PAD를 도금하는 기술 을 말한다. 이 기술을 사용하여 열 경로를 기존 Via Hole 대비하여 단축했다.(Photo.2)

본 연구에서 Via Hole 수량/사이즈/배치구조 등을 케이스 별로 나누어 직접 설계/제작했다. 각 케이스 별로 열저항을 측정하여 기존 FR4 대비하여 열저항이 줄어드는 것을 확인할 수 있었다. 또한 이 제품을 실제 자동차 용 헤드램프에 적용하여 신뢰성 테스트를 진행했고 요구조건인 LED Junction Temperature가 150℃이하인 것을 확인했다. 결론적으로 해당 기술이 자동차용으로 적용 가능함을 도출했고 기존의 Metal PCB를 대체할 수 있음을 증명했다.

 

Key words : 차량용 램프(Automotive Lamp), LED, Cap 도금 Via(Cap Plate Via), 방열(Thermal radiation) , FR4 PCB