KR100616682B1 - 파장변환형 발광다이오드 패키지 제조방법 - Google Patents

파장변환형 발광다이오드 패키지 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 파장변환형 발광다이오드 패키지 제조방법에 관한 것으로서, 리드 프레임을 갖는 패키지기판에 발광다이오드를 실장하는 단계와, 투명성 수지를 이용하여 상기 발광다이오드를 밀봉하는 몰딩부를 형성하는 단계와. 형광체분말을 아음속 또는 초음속으로 분사되는 반송가스를 이용하여 상기 몰딩부의 표면에 충돌시킴으로써 상기 몰딩부 표면에 형광체막을 형성하는 단계를 포함하는 파장변환형 발광다이오드 패키지 제조방법을 제공한다.
백색 발광다이오드 패키지(white light emitting diode package), 콜드스프레이(cold spray), 형광체막(phosphor film)

Description

파장변환형 발광다이오드 패키지 제조방법{FABRICATING METHOD OF WAVELENTH-CONVERTED LIGHT EMITTING DIODE PACKAGE}
도1a는 종래의 백색 발광다이오드 패키지의 단면을 도시한 개략도이다.
도1b는 도1a에 유사한 형태의 실제 백색 발광다이오드 패키지를 촬영한 SEM 사진이다.
도2a 내지 도2c는 본 발명의 일실시형태에 따른 파장변환형 발광다이오드 패키지의 제조방법을 설명하기 위한 공정단면도이다.
도3은 본 발명에서 형광체막 형성공정에 사용될 수 있는 콜드스프레이장치의 일형태를 예시한다.
도4a 및 도4b는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 파장변환형 발광다이오드 패키지의 측단면도이다.
도5는 본 발명의 또 다른 실시형태에 따른 파장변환형 발광다이오드 패키지의 측단면도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호설명>
11,21: 패키지 기판 12,22: 캡구조물
13a,13b,23a,23b: 리드프레임 14a,14b,24a,24b: 와이어
15,25: 발광다이오드 칩 17,27: 접착제
18,28: 투명수지 몰딩부 19: 형광체분말
29: 형광체막
본 발명은 파장변환형 발광다이오드 패키지에 관한 것으로서, 단파장광을 방출하는 발광다이오드와 파장변환용 형광체를 이용하여 백색과 같은 원하는 광을 얻기 위한 발광다이오드 패키지의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 발광다이오드는 우수한 단색성 피크파장을 가지며 광효율성이 우수하고 소형화가 가능하다는 장점을 가지므로, 다양한 디스플레이 장치 및 광원으로서 널리 사용되고 있다. 특히, 백색 발광다이오드는 조명장치 또는 디스플레이 장치의 백라이트를 대체할 수 있는 고출력, 고효율 광원으로서 적극적으로 개발되고 있다.
이러한 백색 발광다이오드를 구현하는 방안으로는, 근자외선 내지 청색광(370㎚∼480㎚) 발광다이오드에 형광체를 도포하여 백색광으로 변환하는 파장변환방법이 주로 사용되고 있다.
도1a는 종래의 일방법에 따라 제조된 백색 발광다이오드 패키지(10)를 나타내는 단면도이다.
도1a를 참조하면, 상기 백색 발광다이오드 패키지(10)는 2개의 리드프레임(13a,13b)이 형성된 패키지기판(11)과 상기 패키지기판(11)의 캡구조(12) 내에 실장된 청색 발광다이오드 칩(15)를 포함한다. 상기 발광다이오드 칩(15)은 발광다이오드(15a)와 칩기판(15b)을 포함한 플립칩구조이며, 상기 칩기판(15b)에 형성되어 발광다이오드(15)의 양전극(미도시)에 각각 연결된 전극부(미도시)은 각각 상기 리드프레임(13a,13b)의 상단에 와이어(14a,14b)로 연결될 수 있다.
상기 캡구조(12) 내부에는 상기 청색 LED 칩(15) 주위를 둘러싸도록 Y-Al-Ga(YAG)계 형광체(19)를 함유한 몰딩부(18)가 형성된다. 상기 몰딩부(18)에 분포한 형광체분말(19)은 LED(15a)로부터 방출되는 청색광의 일부를 황색광으로 변환하고, 변환된 황색광은 변환되지 않은 청색광과 조합되어 원하는 백색광으로 발산될 수 있다.
일반적으로, 상기 파장변환용 몰딩부(18)는 형광체분말(19)이 균일하게 분산된 액상수지를 디스펜싱공정을 이용하여 형성될 수 있다.
하지만, 종래의 디스펜싱공정은 도1b의 단면사진과 같이 액상수지를 이용하므로 그 액상수지가 경화되는 과정에서 형광체분말이 침전되는 문제가 있다. 심지어, A로 표시된 발광다이오드 칩의 측면영역에는 형광체분말이 거의 존재하지 않으므로, 파장변환없이 방출되는 청색광의 비율이 지나치게 높아질 수 있다. 이로 인 해 보다 많은 양의 형광체분말이 요구되며. 결과적으로 발광휘도가 저하되고, 편향각도에 따라 빛의 색온도가 상이해져 부분적으로 황백색 또는 청백색을 띠게 되는 색얼룩현상이 야기된다.
또한, 상기 캡구조 또는 기판의 내부면에 휘도향상을 위해 반사면을 제공하는 경우에, 침전된 형광체분말은 그 반사면에 부착되어 반사효과를 저감시키고, 결과적으로 발광휘도를 저하시키는 원인이 되기도 한다.
다양한 형광체분말을 혼합하여 사용하는 경우에, 상기한 형광체분말의 침전현상은 보다 심각한 문제가 된다. 예를 들어, 자외선 LED와 적절한 배합비를 갖는 적색, 녹색 및 청색 형광체분말의 혼합물을 이용하여 백색 발광다이오드를 제조하는 경우에, 각 형광체마다 다른 비중과 입도를 가지므로, 색의 불균일문제는 보다 심화된다.
이러한 문제 외에도, 디스펜싱공정 및 경화시간에 따라 침전정도가 커지므로, 결과적으로 공정시간에 따라 색좌표가 변화할 수 있으며, 이로 인해, 불량율도 증가할 뿐만 아니라, 패키지에 따른 색좌표의 산포가 커지는 문제도 있다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제를 해결하기 위한 것으로서, 그 목적은 콜드 스프레이공정을 이용하여 투명수지 몰딩부 표면에 균일한 두께의 파장변환을 위한 형광체막을 우수한 부착강도로 형성하는 새로운 파장변환형 발광다이오드의 제조방법을 제공하는데 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위해서, 본 발명은
리드 프레임을 갖는 패키지기판에 발광다이오드를 실장하는 단계와, 투명성 수지를 이용하여 상기 발광다이오드를 밀봉하는 몰딩부를 형성하는 단계와, 형광체분말을 아음속 또는 초음속으로 분사되는 반송가스를 이용하여 상기 몰딩부의 표면에 충돌시킴으로써 상기 몰딩부 표면에 형광체막을 형성하는 단계를 포함하는 파장변환형 발광다이오드 패키지 제조방법을 제공한다.
상기 반송가스는 압축공기이며, 콜드스프레이를 이용한 형광체막 공정은 진공상태가 아닌 조건에서 실시될 수 있으며, 상온에서도 실시될 수 있으므로, 통상의 발광다이오드 패키지공정에 보다 용이하게 채용될 수 있다. 바람직하게, 상기 반송가스의 분사속도는 마하 1.5∼2범위일 수 있다.
상기 투명 폴리머 수지는 경화성 폴리머 수지이며, 실리콘계 폴리머 수지, 에폭시계 폴리머 수지 또는 그 혼합물일 수 있다.
본 발명은 발광다이오드의 실장방식에 따라 다양하게 응용될 수 있다. 예를 들어, 상기 발광다이오드를 실장하는 단계는, 와이어를 이용하여 상기 리드프레임과 상기 발광다이오드를 전기적으로 접속시키는 단계를 포함할 수 있다. 또한, 상기 발광다이오드는, 플립칩 발광다이오드일 수 있다.
상기 패키지기판은 상면에 발광다이오드를 둘러싼 캡구조물을 더 포함하며, 캡구조물의 내부측벽은 발광효율을 향상시키기 위한 반사판으로 제공될 수 있다. 이 경우에, 상기 투명수지 몰딩부는 상기 캡구조물 내에 형성된다.
또한, 본 발명은 콜드스프레이법을 이용하여 형광체막을 용이하게 형성할 수 있으므로, 형광체막 형성위치를 변경한 다양한 실시형태로 제공될 수 있다.
예를들어, 패키지기판 상에 발광다이오드가 플립칩방식으로 실장된 파장변환형 발광다이오드 패키지 제조방법에서는, 형광체분말을 아음속 또는 초음속으로 분사되는 반송가스를 이용하여 상기 발광다이오드의 광방출면에 충돌시킴으로써 그 방출면에 형광체막을 형성할 수 있으며, 광출사방향에 렌즈구조물을 포함한 파장변환형 발광다이오드 패키지 제조방법에서는, 형광체분말을 아음속 또는 초음속으로 분사되는 반송가스를 이용하여 상기 상기 렌즈구조물의 하면에 충돌시킴으로써 그 면에 형광체막을 형성할 수도 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
도2a 내지 도2d는 본 발명에 따른 백색 발광다이오드 패키지의 제조방법을 설명하기 위한 공정단면도이다.
도2a와 같이, 리드 프레임(23a,23b)을 갖는 패키지기판(21)에 발광다이오드 (25a)를 실장한다. 상기 패키지기판(21)은 상기 발광다이오드 칩(25)과 전기적으로 접속될 리드프레임(23a,23b)을 구비한다, 바람직하게는, 상기 패키지기판의 상부에는 내부측벽이 상부를 향해 경사진 반사면을 갖는 캡구조물(22)을 포함한다. 상기 캡구조물(22)은 패키지기판(21)과 동일한 재질일 수 있다.
상기 발광다이오드(25a)는 자외선 또는 근자외선, 청색 등의 단파장 발광다이오드일 수 있으며, 일반적으로 발광다이오드 칩(25)형태로 제공된다. 본 실시형태에서는, 상기 발광다이오드(25a)는 칩기판(25b)에 플립칩 본딩방식으로 실장된 플립칩 발광다이오드(25)로 예시되어 있다. 상기 발광다이오드칩(25)은 상기 패키지기판(21)에 접착제(27) 등의 고정수단을 이용하여 탑재되고, 상기 발광다이오드칩(25)의 각 전극과 리드프레임(23a,23b)은 와이어에 의해 서로 연결된다.
이어, 도2b와 같이, 투명수지를 이용하여 발광다이오드 칩(25)을 둘러싸도록 패키지 기판(21) 상면에 투명수지 몰딩부(28)를 형성한다. 본 실시형태와 같이 캡구조물을 채용하는 경우에는, 상기 캡구조물(22)의 내부공간에 액상인 투명수지를 디스펜싱시키고, 이를 경화시킴으로써 원하는 투명수지 몰딩부(28)를 형성할 수 있다. 본 발명에 사용되는 투명성 수지로는 바람직하게 경화성 수지 또는 아크릴계 수지가 사용될 수 있으나, 바람직하게는 실리콘계 수지, 에폭시계 수지 또는 그 혼합물과 같은 경화성 수지가 사용될 수 있다.
최종적으로, 도2c와 같이, 경화된 투명수지 몰딩부(28) 상부표면에 콜드스프 레이공정을 이용하여 형광체막(29)을 형성한다. 즉, 형광체분말을 아음속 또는 초음속으로 분사되는 반송가스를 이용하여 몰딩부(28)의 원하는 표면영역에 충돌시킴으로써 원하는 형광체막을 형성한다. 본 발명에 채용되는 콜드 스프레이공정에서는, 형광체분말은 투명수지몰딩부(28)와 고속으로 충돌하여 그 충격에너지에 의해 형광체분말과 기판 사이의 결합에너지 및 형광체분말간의 결합에너지로 작용하여 고화된 상태로 앵커링(anchoring)되면서 상기 수지몰딩부(28)와 높은 부착강도를 갖는 형광체막(29)을 형성한다. 콜드 스프레이공정은 노즐의 이동 또는 멀티노즐을 사용하여 원하는 면적에 균일한 형광체막(29)을 용이하게 형성할 수 있다.
본 발명의 제조방법에 따르면, 형광체막을 액상인 투명수지에 디스펜싱하는 방식으로 형성하지 않고, 경화된 투명수지 표면에 콜드 스프레이공정을 이용하여 형성하므로, 균일한 두께의 형광체막을 우수한 부착강도로 제공할 수 있다. 따라서, 투명수지의 경화과정에서 형광체분말의 침전에 의한 색의 불균일문제와 산포문제와 같은 종래 기술문제를 해결할 수 있다.
도3은 본 발명에서 형광체막 형성공정에 사용될 수 있는 콜드스프레이장치의 일형태를 예시한다.
도3을 참조하면, 압축가스공급부(32)와 형광체분말저장부(35) 및 노즐(36)을 포함하는 콜드스프레이 시스템이 예시되어 있다. 상기 압축가스공급부(32)는 노즐 (36)을 통해 아음속 또는 초음속의 고속기류를 형성하기 위해 통상의 공기 또는 헬륨과 질소와 같은 불활성가스를 높은 압력으로 압축시킨다. 또한, 바람직하게는 상기 압축가스공급부(32) 내부는 250∼500℃의 온도를 유지하여 압축효율을 높히고, 반송가스로서 사용되는 압축공기를 노즐(36)을 통해 원하는 속도(아음속 또는 초음속)의 기류로 분사시킬 수 있다. 이 경우에, 충분한 부착강도를 고려한 바람직한 분사속도가 마하 1.5∼2범위일 수 있다.
상기 형광체분말저장부(35)는 반송관을 통해 압축가스공급부(32)와 노즐(36) 사이에 연결된다. 압축가스공급부(32)로부터 제공되는 반송가스에 의해 상기 저장부(35)의 형광체분말은 노즐(36)로 향해 고속으로 진행될 수 있다.
상기 노즐(36) 상에는 LED칩(45)과 투명수지몰딩부(48)가 형성된 발광다이오드 패키지(40)가 배치된다. 노즐(36)로 통해 분사되는 형광체분말은 상기 발광다이오드 패키지(40)의 투명수지몰딩부(48) 상면에 고속으로 충돌하여 형광체막을 형성한다.
본 발명에 채용되는 콜드스프레이 공정은, 상기 기판에 대한 별도의 열처리없이 상온에서 실시될 수 있므로, 다양한 발광다이오드의 패키지제조공정에 적용하는데 유리하다. 다른 형태의 발광다이오드 패키지에서는 형광체막 형성 위치를 변경할 수 있다. 예를 들어, 플립칩형 발광다이오드 패키지에서는 실장전에 발광다이오드 제조공정에서 발광다이오드의 광방출면에 미리 형광체막을 콜드 스프레이공정을 적용하여 형성할 수 있다. 또한, 렌즈구조를 포함한 발광다이오드 패키지에서는, 렌즈제조공정시에 렌즈구조의 하면에 형광체막을 형성할 수 있다. 이러한 실시 형태는 도4a 및 도4b와 도5에 각각 예시되어 있다.
도4a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시형태에 따른 발광다이오드 패키지(50)는, 리드 프레임(53a,53b)을 갖는 패키지기판(51)과, 그 위에 실장된 발광다이오드 칩(55)을 포함한다. 상기 패키지기판(51) 상부에는 내부측벽이 상부를 향해 경사진 반사면을 갖는 캡구조물(52)을 포함할 수 있다. 상기 캡구조물(52)은 패키지기판(51)과 동일한 재질일 수 있다.
상기 발광다이오드칩(55)은 도4b와 같이 발광다이오드(55a)가 전극패턴(56)이 마련된 서브마운트기판(55b) 상에 솔더범프(S)에 의해 플립칩방식으로 실장된 구조를 갖는다. 상기 발광다이오드(55a)는 자외선 또는 근자외선, 청색 등의 단파장 발광다이오드일 수 있다. 상기 발광다이오드 칩(55)의 각 전극패턴(56)과 리드프레임(53a,53b)은 와이어에 의해 서로 연결된 후에, 그 실장영역에 투명한 수지몰딩부(58)가 형성된다.
본 실시형태에 채용된 발광다이오드(55a)는 광방출면, 예를 들어 사파이어기판의 하면에 도3에서 설명된 콜드스프레이공정을 통해 형성된 형광체막(59)을 포함한다. 상기 발광다이오드(55a)로부터 발광되는 광은 형광체막(59)을 통해 원하는 파장광으로 변환될 수 있다.
도5에는 본 발명의 또 다른 실시형태로서, 렌즈구조(70)를 갖는 발광다이오드 패키지(60)가 예시되어 있다.
도5와 같이, 상기 발광다이오드 패키지(60)는, 도4a와 유사하게 리드 프레임(63a,63b)을 갖는 패키지기판(61)과, 그 위에 실장된 발광다이오드 칩(65)을 포함할 수 있다. 상기 패키지기판(61) 상부에는 내부측벽이 상부를 향해 경사진 반사면을 갖는 캡구조물(62)을 포함할 수 있다. 상기 발광다이오드칩(65)은 발광다이오드(65a)가 별도의 서브마운트기판(65b)로 이루진 형태로 예시되어 있으나, 이와 달리 패키지기판(61)에 직접 발광다이오드(65a)가 실장될 수 있다.
본 실시형태에서는, 상기 발광다이오드칩(65)의 각 전극과 리드프레임(63a,63b)은 와이어에 의해 서로 연결된 후에, 그 실장영역에 투명한 수지몰딩부(68)가 형성되며, 추가적으로 그 위에 특정형태의 렌즈구조(70)가 제공된다.
본 실시형태에 채용된 렌즈구조(70)는 그 하면에 도3에서 설명된 콜드스프레이공정을 통해 형성된 형광체막(69)을 포함한다. 따라서, 상기 발광다이오드(65a)로부터 발광되는 광은 렌즈구조(70)의 하면에 마련된 형광체막(69)을 통해 원하는 파장광으로 변환될 수 있다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 발광다이오드 패키지구조에 따라 적절한 위치에 콜드 스프레이공정을 이용하여 균일한 형광체막을 용이하게 형성할 수 있다. 특히, 콜드 스프레이공정은 상온에서도 용이하게 실시될 수 있으므로, 통상의 패키지제조공정에 용이하게 적용될 수 있으며, 상기 형광체막의 부착강도가 크므로, 우수한 형광체막 특성을 갖는 파장변환형 발광다이오드를 제공할 수 있다.

Claims (11)

  1. 리드 프레임을 갖는 패키지기판에 발광다이오드를 실장하는 단계;
    투명 수지를 이용하여 상기 발광다이오드를 밀봉하는 몰딩부를 형성하는 단계; 및
    형광체분말을 아음속 또는 초음속으로 분사되는 반송가스를 이용하여 상기 몰딩부의 표면에 충돌시킴으로써 상기 몰딩부 표면에 형광체막을 형성하는 단계를 포함하는 파장변환형 발광다이오드 패키지 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 반송가스는 압축공기인 것을 특징으로 하는 파장변환형 발광다이오드 패키지 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 반송가스의 분사속도는 마하 1.5∼2범위인 것을 특징으로 하는 파장변환형 발광다이오드 패키지 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 투명성 수지는 경화성 수지인 것을 특징으로 하는 파장변환형 발광다이오드 패키지 제조방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 경화성 수지는 실리콘계 수지 또는 에폭시계 수지인 것을 특징으로 하는 파장변환형 발광다이오드 패키지 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 발광다이오드를 실장하는 단계는, 와이어를 이용하여 상기 리드프레임과 상기 발광다이오드를 전기적으로 접속시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 파장변환형 발광다이오드 패키지 제조방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 발광다이오드는, 플립칩 발광다이오드인 것을 특징으로 하는 파장변환형 발광다이오드 패키지 제조방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 패키지기판은 상면에 발광다이오드를 둘러싼 캡구조물을 더 포함하며,
    상기 몰딩부는 상기 캡구조물 내에 형성되는 것을 특징으로 하는 파장변환형 발광다이오드 패키지 제조방법.
  9. 패키지기판 상에 발광다이오드가 플립칩방식으로 실장된 파장변환형 발광다 이오드 패키지 제조방법에 있어서,
    형광체분말을 아음속 또는 초음속으로 분사되는 반송가스를 이용하여 상기 발광다이오드의 광방출면에 충돌시킴으로써 그 방출면에 형광체막을 형성하는 단계를 포함하는 파장변환형 발광다이오드 패키지 제조방법.
  10. 광출사방향에 렌즈구조물을 포함한 파장변환형 발광다이오드 패키지 제조방법에 있어서,
    형광체분말을 아음속 또는 초음속으로 분사되는 반송가스를 이용하여 상기 상기 렌즈구조물의 하면에 충돌시킴으로써 그 면에 형광체막을 형성하는 단계를 포함하는 파장변환형 발광다이오드 패키지 제조방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항의 제조방법에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 파장변환형 발광다이오드 패키지.
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