KR100703217B1 - 발광다이오드 패키지 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 발광다이오드 패키지 제조방법에 관한 것으로서, 상면에 홈부가 형성되고 적어도 상기 홈부의 저면에 전극구조가 형성된 컵형 패키지 구조물을 마련하는 단계와, 발광다이오드 칩의 단자가 상기 전극구조에 전기적으로 연결되도록 상기 발광다이오드 칩을 상기 홈부 저면에 실장하는 단계와, 상기 패키지 구조물의 홈부에 액상 투명수지를 투입하는 단계와, 상기 액상 투명수지가 완전 경화되기 전에, 상기 액상 투명수지의 상면에 미세구조의 요철이 음각된 스탬프를 적용시키는 단계와, 상기 스탬프가 적용된 상태에서 상기 액상 투명수지를 경화시킴으로써 수지 포장부를 형성하는 단계와, 상기 수지 포장부로부터 상기 스탬프를 제거하는 단계를 포함하는 발광다이오드 제조방법을 제공한다.
발광다이오드(light emitting diode: LED), 스탬프(stamp), 광추출(light extraction), 패키지(package), 미세구조패턴(microstructure pattern)

Description

발광다이오드 패키지 제조방법{METHOD FOR FABRICATING A LIGHT EMITTING DIODE PACKAGE}
도1은 종래의 발광다이오드 패키지의 일예를 나타내는 측단면도이다.
도2a 내지 도2e는 본 발명의 일 실시형태에 따른 발광다이오드 패키지의 제조방법을 설명하기 위한 공정별 단면도이다.
도3a 내지 도3c는 각각 본 발명의 공정에 따라 형성될 수 있는 다양한 요철패턴을 갖는 수지포장부를 나타내는 개략 사시도이다.
도4는 본 발명의 실시예에 따른 광추출개선효과를 나타내는 그래프이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호설명>
21: 패키지 기판 21a: 상부기판
21b: 하부기판 24: 접착수단
25: 발광다이오드 칩 26: 수지포장부
26': 액상 투명수지 27: 스탬프
본 발명은 발광다이오드 패키지 제조방법에 관한 것으로, 특히 발광다이오드의 광추출 효율을 개선하기 위한 미세구조를 형성하는 발광다이오드 패키지의 제조방법에 관한 것이다.
발광다이오드는 전기에너지를 광에너지로 변환하는 반도체 소자로서, 에너지 밴드갭에 따른 특정한 파장의 빛을 내는 화합물 반도체로 구성된다. 최근에, 발광다이오드는 광통신 및 디스플레이 등 다양한 분야에서 사용되고 있다.
발광다이오드는 사용목적 및 요구되는 형태에 따라 패키지 형태로 제공된다. 일반적으로, 발광다이오드 패키지는, 발광다이오드 칩을 전극패턴이 형성된 기판 또는 리드 프레임 상에 실장한 후에 상기 칩의 단자와 전극패턴(또는 리드)를 전기적으로 연결하고, 그 상부에 에폭시, 실리콘 또는 그 조합 등을 사용하여 수지포장부를 형성하는 방식으로 제조된다.
도1에는 종래의 발광다이오드 패키지의 일예가 도시되어 있다.
도1을 참조하면, 상기 발광다이오드 패키지(10)는 2개의 전극패턴(12a,12b)이 형성된 하부 패키지 기판(11a)과 상기 홈부(C)가 마련된 상부 패키지 기판(11b)을 포함한다. 상기 홈부(C)의 저면에는 접착층(14) 등을 이용하여 발광다이오드 칩(15)가 실장된다. 상기 발광다이오드 칩(15)은 상기 발광다이오드 칩(15)의 두 전극(미도시)은 각각 상기 리드프레임(12a,12b)의 상단에 와이어로 연결될 수 있다.
상기 발광다이오드 칩(15)은 수지포장부(16)에 의해 둘러싸인다. 상기 수지 포장부는 발광다이오드 패키지(10)의 발광효율을 영향을 주는 매우 중요한 요소가 된다. 즉, 상기 발광다이오드 칩(15)으로부터 발광된 광은 수지포장부(16) 구성물질의 광학적 특성(특히, 굴절률) 및 그 형상에 따라 실질적으로 외부로 추출되는 양이 크게 달라질 수 있다.
특히, 수지포장부(16)를 구성하는 에폭시 수지 또는 실리콘 수지와 같은 투명수지는 일반적으로 외부 대기보다 높은 굴절률(예, 에폭시수지: 1.5)을 가지므로, 그에 따라 결정되는 광추출 임계각에 의해 실질적으로 추출되는 광량이 제한된다. 따라서, 수지포장부(16) 내부에서 임계각범위에서 벗어난 많은 광은 내부로 전반사되어 외부로 추출되지 못하거나 복잡한 광경로를 갖게 된다. 이로 인해, 광추출효율이 낮아지는 문제가 있다.
또한, 도1에 도시된 예와 같이, 사이드뷰(side-view) 발광다이오드 패키지와 같이 홈부에 형성된 수지포장부(16)는 디스펜싱공정 등을 통해 액상 투명수지가 투입되었을 때에, 액상수지의 습윤(wetting)성 때문에 그 표면이 곡면으로 형성되어 있어 광추출효율을 저하시키는 원인이 된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 홈부에 제공된 수지포장부의 상면에 미세 요철구조를 효과적으로 형성할 수 있는 새로운 발광다이오드 패키지의 제조방법을 제공하는데 있다.
상기한 기술적 과제를 실현하기 위해서, 본 발명은
상면에 홈부가 형성되고 적어도 상기 홈부의 저면에 전극구조가 형성된 컵형 패키지 구조물을 마련하는 단계와, 발광다이오드 칩의 단자가 상기 전극구조에 전기적으로 연결되도록 상기 발광다이오드 칩을 상기 홈부 저면에 실장하는 단계와, 상기 패키지 구조물의 홈부에 액상 투명수지를 투입하는 단계와, 상기 액상 투명수지가 완전 경화되기 전에, 상기 액상 투명수지의 상면에 미세구조의 요철이 음각된 스탬프를 적용시키는 단계와, 상기 스탬프가 적용된 상태에서 상기 액상 투명수지를 경화시킴으로써 수지 포장부를 형성하는 단계와, 상기 수지 포장부로부터 상기 스탬프를 제거하는 단계를 포함하는 발광다이오드 제조방법을 제공한다.
상기 스탬프를 적용하는 단계는, 상기 투입된 액상 투명수지를 일부 경화시킨 후에 실시될 수 있다. 이 경우에, 구성물질의 점도 및 스탬프의 음각패턴에 따라, 수지포장부 상면에 형성된 요철패턴의 손상 가능성을 감소시키면서 스탬프를 경화된 수지포장부로부터 쉽게 분리할 수 있다.
바람직하게는, 상기 액상 투명수지를 투입하는 단계는, 상기 투입된 액상 투명수지의 상면이 상기 패키지 구조물의 홈부 상면보다 높게 형성될 정도의 양으로 상기 액상 투명수지를 투입하는 단계일 수 있다. 이 경우에, 스탬프의 크기에 관계없이 홈부에 투입된 액상 투명수지 상부에 스탬프 적용이 용이하다는 장점이 있다.
본 발명의 구체적인 실시형태에서, 상기 액상 투명수지는 파장 변환을 위한 형광체 입자가 분산된 혼합 수지일 수 있으며, 이와 달리, 상기 수지포장부를 형성하는 단계 전에, 상기 발광다이오드 칩 표면에 파장변환을 위한 형광체막을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 스탬프는 일면에 미세 요철패턴이 음각된 평판구조물인 것이 바람직하다. 이 경우에, 스탬프가 적용된 수지포장부의 상면은 액상 투명수지의 습윤성에 의한 곡면이 전체적으로 평탄화될 수 있다.
상기 스탬프에 음각된 미세요철은 규칙적 또는 불규칙적인 패턴과 같이 다양한 형태로 채용될 수 있다. 예를 들어, 상기 음각된 미세요철은 일 방향을 따라 배열된 복수의 삼각기둥형태일 수 있으며, 행과 열방향에 따라 일정하게 배열된 복수의 사각뿔형태일 수 있다.
바람직하게, 스탬프 분리공정이 용이하도록, 상기 스탬프를 적용시키기 전에, 상기 스탬프의 투명수지와의 접촉면에 이형제를 도포하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태를 보다 상세히 설명하기로 한다.
도2a 내지 2e 는 본 발명에 따른 발광소자 패키지 제조방법을 설명하기 위한 공정단면도이다.
우선, 도2a와 같이, 상면에 홈부(C)가 형성되고 적어도 상기 홈부(C)의 저면에 전극 패턴(22a,22b)이 마련된 컵형 패키지 구조물(21)을 마련한다. 상기 홈부(C)의 내부측벽은 상부를 향해 경사진 반사면으로 사용될 수 있다. 본 실시형태에 채용된 패키지 구조물(21)은 전극패턴(22a,22b)을 갖는 하부기판(21a)과 캐비티를 갖는 상부 기판(21b)으로 이루어진 형태로 예시되어 있으나, 이에 한정되지 않으며 상기 패키지 기판(21)은 칩 실장을 위한 컵구조를 갖는 다른 패키지기판일 수 있다. 또한, 상기 전극패턴(22a,22b)은 도전성 비아홀을 통해 배면 전극에 연결된 전극구조로 이해될 수 있다. 이러한 전극구조는 공지된 다양한 다른 구조, 예를 들면 리드프레임과 같은 전극을 채용할 수 있다.
이어, 도2b와 같이 상기 발광다이오드 칩(25)을 상기 홈부(C) 저면에 실장한 후에 발광다이오드 칩(25)의 단자(미도시)와 상기 전극패턴(22a, 22b)에 전기적으로 연결시킨다. 여기서, 발광다이오드 칩(25)은 서브마운트기판와 그 상면에 탑재된 LED를 포함한 구조일 수 있다. 상기 발광다이오드 칩(25)은 은 에폭시 수지(Ag epoxy)나 공융접합제(eutectic solder)와 같은 접착수단(24)으로 기판(21b) 상에 고정될 수 있다. 상기 발광다이오드 칩(25)과 전극패턴은 와이어로 연결될 수 있으나, 이와 달리 플립칩 방식으로 연결될 수도 있다.
다음으로, 도2c와 같이 상기 패키지 구조물(21)의 홈부(C)에 액상 투명수지(26)를 투입한다. 상기 액상 투명수지(26')는 실리콘수지, 에폭시수지 또는 그 혼합수지와 같은 투명수지(26')일 수 있다. 이러한 액상 투명수지(26')의 투입공정으로는 디스펜싱(dispensing)공정과 같은 공지의 공정이 이용될 수 있다. 본 공정에서 액상 투명수지(26')의 투입량은 홈부 높이(H)보다 다소 높게 형성하는 것이 스탬프의 크기에 관계 없이 원하는 요철을 형성하는데 바람직하다. 보다 바람직하게는 액상 수지가 원하지 않는 영역으로 흐르지 않고, 표면장력으로 블록한 상태로 유지되는 정도의 양으로 투입한다. 액상 투명수지(26')는 발광다이오드 칩(25)의 파장광을 다른 파장의 광으로 변환할 수 있도록 형광체 분말이 분산된 혼합수지일 수 있으며, 이와 달리, 상기 액상 투명수지를 투입하기 전에, 상기 발광다이오드 칩(25) 표면에 파장변환을 위한 형광체막(미도시)을 형성할 수도 있다.
이어, 도2d와 같이, 일면에 미세 요철패턴이 음각된 스탬프(27)를 상기 액상 투명수지(26')의 표면에 적용함으로써 액상 수지의 표면에 요철을 형성한다. 본 공정은 임프린팅(imprinting) 또는 스탬핑(stamping)공정으로 이해될 수 있다. 상기 스탬프는 평판구조인 것이 바람직하다. 평탄구조의 스탬프(27)는 액상 수지(26')의 습윤성(wetting)에 의해 발생되는 곡면을 평탄하게 형성하여 불이익한 광학적 영향을 해결할 수 있다. 또한, 본 공정은 일정시간 경화가 진행된 반경화상태에서 실시될 수 있다. 이러한 경우에, 수지의 종류 또는 스탬프(27)의 음각패턴에 따라 후속 스탬프 분리공정이 용이하게 실현될 수 있다. 또한, 이러한 분리공정이 용이하도록, 스탬프(27)의 음각패턴면에 실리콘 오일과 같은 이형재(R)를 도포하는 것이 바람직하다.
최종적으로, 도2e와 같이, 스탬프(27)가 부착된 상태에서 경화시켜 수지포장부(26)를 형성하고, 수지포장부(26) 상면에 전사된 요철패턴(P)이 손상되지 않도록 스탬프(27)를 제거한다. 추가적으로, 스탬프(27)가 부착된 상태에서 경화되는 액상 투명수지(26')에서 기포가 제거되도록 탈포공정을 실시할 수 있다. 여기서, 당업자라면, 요철이 음각된 상기 스탬프(27)의 경화시간, 온도 및 압력은 사용되는 액상 투명수지의 종류 및 점도에 따라 적절한 조건을 선택할 수 있을 것이다.
본 공정을 통해 형성된 수지포장부 표면의 요철패턴은 발광다이오드 칩으로부터 외부로 방출되는 광량을 증가시킬 수 있으므로, 보다 높은 발광효율을 갖는 패키지를 제공할 수 있다. 또한, 홈부에 제공되는 수지포장부에 적절하도록 투입양과 평판형 스탬프구조를 채용함으로써 광학적으로 불이익한 수지 포장부의 곡면을 제거할 수 있다.
본 발명에서 형성가능한 수지포장부 표면의 요철패턴은 스탬프의 음각패턴에 대응하여 다양하게 제조될 수 있다. 직방체의 홈부에 형성된 다양한 패턴의 수지포장부가 도3a 내지 도3c에 예시되어 있다.
도3a을 참조하면, 직방체 홈부의 장축(L1)을 따른 방향으로만 배열된 측단면이 삼각형인 라인구조의 패턴을 갖는 수지 포장부가 구현될 수 있다. 이러한 패턴은 상기한 패턴에 상응하여 음각된 패턴을 갖는 스탬프에 의해 구현될 수 있다. 이와 유사하게, 도3b와 같이 직방체 홈부의 단축(L2)에 따라 일방향으로만 형성된 유사한 라인구조의 패턴을 갖는 수지포장부가 구현될 수도 있다.
또한, 도3c와 같이, 직방체 홈부의 장축(L1) 및 단축(L2)을 따라 배열된, 즉 상면의 행과 열방향으로 배열된 복수의 사각뿔 형태로 구현될 수 있다. 상대적으로 많은 경사면을 제공하는 도3c와 같은 사각뿔의 형상이 도3a 및 도3b에 비해 유리하지만, 스탬프 제거시에 요철패턴이 손상을 방지하는데는 도3a 및 도3b가 유리하다고 할 수 있다.
수지포장부의 패턴의 형상뿐만 아니라, 각 요철패턴의 크기로써 광추출효율의 개선정도가 달라질 수 있다. 예를 들어, 도3a 내지 도3c에 예시된 단면이 삼각형인 구조에서, 그 삼각형인 단면의 밑변(d)길이 또는 삼각형의 높이(h)를 적절히 선택하여 설계할 수 있다.
도4는 본 발명의 실시예에 따른 광추출개선효과를 나타내는 그래프이다.
종래의 방식대로 수지 포장부의 표면에 요철을 형성하지 않은 상태에서 발광다이오드 패키지(즉, 미세구조가 없는 경우)를 제조하였다. 또한, 본 발명에 따라, 수지포장부의 상면에 도3a와 동일한 형상을 갖는 미세 요철패턴을 단축(L2)에 따라 배열된 패키지(a)와, 도3b와 동일한 형상을 갖는 미세 요철패턴을 장축(L1)에 배열된 패키지(b)를 제조하였다.
이어, 각각에 대한 발광효율을 측정하였다. 추가적으로, 도4의 그래프에 표시된 바와 같이, 각 패키지와 동일한 조건으로 패키지를 추가로 제조하되, 패턴의 크기를 달리하여 발광효율을 측정하였다. 즉, 패턴의 삼각형 단면에 대한 밑변(d)의 길이를 변경하고, 밑변의 길이의 1/2을 높이로 설정한 패턴을 갖도록 제조하여 발광효율을 측정하였다. 그 결과로 도4와 같은 그래프를 얻었다.
종래와 같이, 수지포장부에 미세구조 패턴이 형성되지 않은 경우에는, 광추출효율이 약 0.28 수준(발광다이오드 칩 자체의 발광효율: 1)으로 매우 낮게 나타났으나, 도3a와 같이 단축에 따라 요철구조를 배열한 패키지(a)의 경우에는 0.3∼0.33정도로 나타났으며, 도3b와 같이 장축에 따라 요철구조를 배열한 패키지(b)의 경우에는 0.37∼0.4정도로 나타났다. 이와 같이, 본 발명에 따라 얻어진 패키지구조(a,b)는 각각 요철패턴구조를 통해 약 8∼18%, 약 32∼43%정도 발광효율이 개선된 것을 확인할 수 있다.
동일한 패턴에서, 요철패턴이 장축에 따라 배열된 패키지(b)가 단축 배열의 패키지(a)보다 발광효율 개선이 큰 이유는 동일 면적에서 보다 많은 패턴이 형성가 능하기 때문이다. 따라서, 2개의 패턴이 기하학적으로 결합된 형태, 즉 사각뿔과 같은 구조일 경우에 보다 큰 발광효율 개선효과를 기대할 수 있을 것이다.
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 발명의 발광다이오드 패키지의 제조방법에 따르면, 발광다이오드의 광추출 효율 증대를 위해 수지포장부의 표면에 요철패턴을 보다 간단한 공정으로 형성할 수 있을 뿐만 아니라, 홈부에 적용된 수지포장부에서 액상 수지의 습윤성으로 인해 형성될 수 있는 곡면을 효과적으로 해소하여 광학적으로 불이익한 현상을 저감시킬 수 있다.

Claims (10)

  1. 상면에 홈부가 형성되고 적어도 상기 홈부의 저면에 전극구조가 형성된 컵형 패키지 구조물을 마련하는 단계;
    발광다이오드 칩의 단자가 상기 전극구조에 전기적으로 연결되도록 상기 발광다이오드 칩을 상기 홈부 저면에 실장하는 단계;
    상기 패키지 구조물의 홈부에 액상 투명수지를 투입하는 단계;
    상기 액상 투명수지가 완전 경화되기 전에, 상기 액상 투명수지의 상면에 미세구조의 요철이 음각된 스탬프를 적용시키는 단계;
    상기 스탬프가 적용된 상태에서 상기 액상 투명수지를 경화시킴으로써 수지 포장부를 형성하는 단계; 및
    상기 수지포장부로부터 상기 스탬프를 제거하는 단계를 포함하는 발광다이오드 패키지 제조방법.
  2. 제1항에 있어서
    상기 스탬프를 적용하는 단계는, 상기 투입된 액상 투명수지를 일부 경화시킨 후에 실시되는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 패키지 제조방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서
    상기 액상 투명수지를 투입하는 단계는, 상기 투입된 액상 투명수지의 상부 면이 상기 패키지 구조물의 홈부 상면보다 높게 형성될 정도의 양으로 상기 액상 투명수지를 투입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 패키지 제조방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서
    상기 액상 투명수지는 파장 변환을 위한 형광체 입자가 분산된 혼합 수지인 것을 특징으로 하는 발광다이오드 패키지 제조방법.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 수지포장부를 형성하는 단계 전에, 상기 발광다이오드 칩 표면에 파장변환을 위한 형광체막을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 패키지 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 수지포장부를 형성하는 단계는, 상기 스탬프가 적용된 상태에서 상기 액상 투명수지로부터 기포가 제거되도록 탈포공정을 실시하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 패키지 제조방법.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 스탬프는 일면에 미세 요철패턴이 음각된 평판구조물인 것을 특징으로 하는 발광다이오드 제조방법.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 스탬프에 음각된 미세요철은 일 방향을 따라 배열된 복수의 삼각기둥형태를 갖는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 패키지 제조방법.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 스탬프에 음각된 미세요철은 행과 열방향에 따라 일정하게 배열된 복수의 사각뿔형태를 갖는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 패키지 제조방법.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 스탬프를 적용시키기 전에, 상기 스탬프의 투명수지와의 접촉면에 이형제를 도포하는 단계를 더 포함하는 발광다이오드 패키지 제조방법.
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