KR100726969B1 - 서브마운트를 적용하지 않는 고방열기판을 구비한발광다이오드 패키지 - Google Patents

서브마운트를 적용하지 않는 고방열기판을 구비한발광다이오드 패키지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 한 개 이상의 발광 다이오드 소자를 이용하여 열 방출 특성이 우수하면서 플립-칩 패키징을 위한 칩을 와이어 본딩 만을 하여도 패키징이 가능한 패키지 구조에 관한 것으로써, 열을 발생시키는 발광 다이오드 칩을 열 전도성이 높은 고방열 기판에 캐비티(Cavity)를 형성하여 실장 함으로써, 기존 플립-칩 본딩 방식의 발광 다이오드 칩을 와이어 본딩 만으로도 패키징이 가능하며, 전기 배선부와 열 방출부를 분리하여 열 방출을 극대화할 수 있다. 열 방출 특성을 높이기 위하여 와이어 본딩이 가능하도록 캐비티를 형성한 열 전도성이 높은 고방열 기판; 상기 캐비티의 상면은 발광 다이오드가 실장이 가능하도록 화학적인 건식 및 습식 식각 후 발광 다이오드 외곽부의 전면이 접착 될 수 있도록 기계적인 가공; 상기 고방열 기판의 배면에 전원과 입출력 신호를 인가하면서 발광 다이오드의 전극 패드로부터 와이어 본딩이 가능하도록 캐비티가 형성된 배선 기판; 상기 배선기판은 저온 소성 세라믹 기판(LTCC : Low Temperature Co-fired Ceramic), 고온 소성 세라믹 기판(HTCC : High Temperature Co-fired Ceramic), PCB(Printed Circuit Board) 등의 배선 형성이 가능한 모든 기판; 와이어 본딩 후 기계적 및 화학적 충격과 이물에 의한 단락을 방지하기 위해 캐비티를 매립하기 위한 몰딩제; 상기 열 전도성이 높은 고방열 기판 위에 발광 다이오드로부터 산란된 빛을 반사하기 위한 반사컵; 상기 발광 다이오드 칩의 외곽부는 고방열 기판과 단락이 되지 않도록 하기 위하여 절연 매질을 증착한 절연층(Passivation Layer); 상기 절연층 위에 고방 열 기판과 접착력을 높이기 위하여 도금 또는 증착되는 금속층(Metal Layer)을 가지는 것을 그 특징으로 한다.
발광다이오드, 패키지, 서브마운트

Description

서브마운트를 적용하지 않는 고방열기판을 구비한 발광다이오드 패키지{LED Package including HiTCS(High Thermal Conductive Substrate On LED-Chip) without Submount Substrate}
도 1 내지 도 3은 기존 발광다이오드의 패키지의 단면도
도 4는 발광다이오드 칩을 서브 마운트에 플립 칩 본딩을 하는 종래 기술
도 5는 고방열기판 위에 실장하기 위한 발광 다이오드 소자
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 서브마운트를 구비하지 않는 발광다이오드 패키지의 단면도
도 7은 상기 발광다이오드 패키지의 평면도
도 8 및 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 솔더범프 두께에 따른 접합온도 및 열 저항의 변화에 예측 시뮬레이션 결과
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 다수개의 발광다이오드 소자가 한 개의 고방열 기판 위에 패키징 된 도면
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 와이어 본딩을 위한 배선 기판에 대한 단층 및 다층 구현 방법 및 와이어 본딩에 대한 방법
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 다수개의 발광다이오드를 고방열 기판 위에 부착된 경우 외부와 신호 연결을 위한 범프 및 핀에 대한 연결과 방열판 형성 방법
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광다이오드 소자를 고방열 기판과 접합하는 방법
도 14 및 도 15은 기존 구조 중 열 특성이 가장 좋은 COB(Chip On Board) 패키지와 접합 온도 및 열 저항을 비교한 결과
{도면의 주요 부분의 부호에 대한 설명}
601 : 고방열기판 602 : 발광다이오드
603 : 고방열기판 절연층 604 : 몰딩부
605 : 배선기판 606 : 배선기판 절연층
607 : 비아홀 608 : 와이어본딩
609 : 반사컵 610 : 범프
본 발명은 칩 수준에서 열 방출에 있어 장벽층인 솔더 범프를 없이 열이 발생하는 발광 다이오드를 열 전도성이 높은 기판에 직접 실장하고, 플립 칩 하단에 형성되는 서브 마운트 없이도 와이어 본딩 만으로 신호 및 전력을 인입하는 배선부 와 연결하여 발광 다이오드의 전기 연결부와 열 방출부를 분리하며, 플립 칩 본딩을 하지 않고도 패키징이 가능한 고방열 기판을 구비한 발광 다이오드 패키지에 관한 것이다.
발광 다이오드(High Power Light Emission Diode, 'LED')는 고휘도, 고수명, 고신뢰성이 요구되고 있으며, 성능 및 특성은 색 온도 및 휘도, 휘도 세기의 범위 등으로 결정된다. 1차적으로 광 추출 효율을 향상 위해 발광 다이오드 소자의 활성층과 전자 주입(N)층 및 전공 주입(P)층의 결정 성장 정도를 높이는 방법이 있으며, 2차적으로는 열 방출의 원할 한 구조와 제어 가능한 배선 구조 및 소자와 배선 기판을 연결하기 위한 본딩 방식에 의하여 그 성능이 결정된다. 고출력의 발광 특성을 구현하기 위해서 화합물 반도체의 재료 특성에 영향을 많이 받으나, 제작에 있어 여러 가지 제한을 받고 있으며, 이에 따라 패키지 구조에 대한 연구가 활발히 진행 중이다.
발광다이오드의 고수명, 고신뢰성을 얻기 위해서는 무엇보다도 열 방출 특성을 향상시키는 것이 중요하다. 이를 위하여 열 방출 특성을 개선하기 위해 표면 실장형 소자(Surface Mounted Device, SMD)로서 도 1 내지 도 3과 같은 방법으로 개발이 되어 왔다.
도 1 내지 도 3은 플립칩(Flip Chip) 및 와이어(Wire) 본딩 형태의 발광다이오드 소자(101a,201a,301a)를 열 방출용 슬러그(101c,201d,301d)에 솔더 및 열 전도성을 높인 접착제(101b,201b,301b)를 이용하여 부착한 후에 다시 배선 기판 위에 열전도성을 향상시킨 접착제 (101d,201e,301f)를 이용하여 부착한 형태이며, 상기 배선 기판은 알루미늄(Al) 또는 구리(Cu), 높은 열전도도를 가진 세라믹(SiC, AlN, AlSiC)과 같은 재질의 열 확산 기판(104,204,304)위에 배선층(103,202,302)과 도통이 되지 않도록 절연층(102,203,303)을 접착(Lamination)을 하였다. 상기 배선 기판과 열 방출용 슬러그(101c,201d,301d)와는 열전도성을 향상시킨 접착제 또는 솔더(101d,201e,301f)를 이용하여 부착을 하며, 상기 반사컵(201d)은 발광 다이오드의 배광각과 휘도의 특성을 향상시키기 위하여 부착된다. 발광 다이오드에서 발생되는 열은 전도 및 대류, 복사 등의 3가지 방법에 의하여 동시에 방출되며, 발광 다이오드에 연결된 매개체들의 열전도도가 높은 순서로 열전달이 이루어지게 되므로, 열전도도가 0.024 W/mK(@0℃)인 공기로 이루어진 패키지의 외부로 대류 및 복사하는 양보다 열전도도가 높은 도체 및 반도체로 구성된 패키지 내부로 전달하는 전도의 양이 훨씬 더 크다. 따라서 패키지에서 열 방출은 전도가 우선하게 된다. 열 방출에 있어 일정 전달 영역으로 열이 전달되는 전도의 원리는 푸리에의 법칙을 따른다. 열전도율은 다음과 같다.
Figure 112005068994274-pat00001
여기서, q는 열전도율(heat transfer rate)은 전도되는 매질의 열전도도(k )및 면적(A), 거리에 따른 온도의 변화(dT/dx )와 비례하는 것을 알 수 있다.
열이 방출되는 경로(Path) 상에 열전도도가 낮은 물질과 좁은 공간을 가지게 되면 열전도율은 떨어지게 되며, 상기 발광다이오드 내에 열적인 피로(thermal fatigue)가 쌓이게 된다. 상기 발광다이오드 내의 N층에 전자가 주입되는 과정에서 반도체의 격자(lattice) 상에서 충돌로 인한 산란(scattering)이 발생하게 되는데, 온도가 증가함에 따라 격자 산란(lattice scattering)이 증가하게 된다. 이에 따라 전자의 이동도 및 순방향 전압과 전류의 크기를 감소시키게 되며, 정공과의 결합과 재결합을 감소시키게 되므로, 광 출력의 저하 및 상기 발광다이오드의 동작 유무에 크게 영향을 주게 된다. 상기 도 4의 구조는 발광다이오드 칩을 서브 마운트에 플립 칩 본딩을 하는 종래 기술로서 열을 방출하는 열 발생하는 다중 양자 우물(402) 구조로부터 솔더범프(403)를 통하여 서브 마운트(405)로 전달되어 열이 방출되어 진다. 이때 전도를 통하여 열을 방출하는 경로 상에 있어 칩에 비하여 상대적인 두께가 두꺼운 층과 열 전도 계수가 낮은 매질은 장벽층의 역할을 하게 된다. 상기 다중 양자 우물 구조(MQW, Multi Quantum Well)의 상하에 위치한 P층과 N층은 0.1 ~ 4㎛로서 열 전도 계수는 130 W/m-K로 비교적 빠른 열 전달이 가능한 구조이나, 상기 솔더 범프의 두께와 열 전도 계수는 각각 20 ~ 60㎛, 50 W/m-K으로 열 방출 경로가 상대적으로 길고 열 전도 계수도 낮다.
상기 도 5의 구조는 고방열기판 위에 실장하기 위한 발광 다이오드 소자로서 사파이어(Al2O3) 기판(501)위에 N-GaN을 형성하고 그 위에 활성층 및 P-GaN을 형성한 후에 발광 다이오드 하단으로 방출 되는 빛을 반사시키기 위하여 리플렉터(503)를 형성하고 와이어 본딩을 위한 전극(504,506)을 형성하며, 고방열기판 위에 실장하면서 리플렉터 및 전극과의 전기적인 단락을 방지하기 위하여 SiO2,Si3N4를 이용한 절연층(505)과 고방열기판과 실장성을 높이기 위한 패드(507)을 형성함으로써, 플립칩 방식 대비 활성층과 고방열 기판과의 거리를 축소시켜 열 방출 경로를 향상하였으며, 열방출 경로 상의 장벽층이 될 수 있는 SiO2,Si3N4는 두께가 1um 이하로 활성층의 접합 온도 상승에 영향을 최소화 할 수 있으며, 접합을 향상 시키기 위한 패드(507)는 알루미늄을 건식 도금(Sputtering) 함으로써 열 확산을 용이하게 할 수 있다.
상기 도 1 내지 도 3의 구조는 발광다이오드로부터 열 방출 확산 기판(104,204,304) 전달 과정에서 열전도도가 낮은 장벽층을 3개 이상 가지게 된다. 상기 첫 번째 장벽층은 도 1 내지 도 3의 상기 발광다이오드 소자(101a,201a,301a)와 상기 열 방출 슬러그(101c,201d,301d)를 부착하는 상기 열전도도를 높인 접착제 (101d,201e,301f)로서 열전도도는 0.3 W/mK ~ 1 W/mK의 범위를 가지며, 접합 두께는 50~150㎛이다. 두 번째 장벽층은 열 방출 슬러그와 배선 기판의 배선층(103,202,302)을 부착하기 위한 솔더 또는 접착제(101d,201e,301f)로서 솔더는 주석(Sn)과 납(Pb)의 비율에 따라 열전도도는 37 W/mK ~ 55 W/mK의 사이에 분포하고, 열전도도를 높인 접착제의 열전도도는 0.3 W/mK ~ 1 W/mK의 범위를 가지며, 접합 두께는 50~100㎛이다. 세 번째 장벽층은 배선 기판의 절연층(102,203,303)으로서 열전도도는 0.35 ~ 23 W/mK 범위의 재료이고, 두께는 50㎛ 이상이다. 상기 도 1 내지 도 3에 실장 되는 발광다이오드 소자가 상기 6의 칩을 적용 시 전체적으로 열 전달에 있어 장벽층을 3~5개 층으로 열 전달 매체의 종류와 두께 및 구조에 따라 발광다이오드 소자의 접합 온도 상승에 지대한 영향을 주게 되며, 특히 열전도도가 낮은 접합층이 많고 전달 매질의 두께가 두껍고 면적이 작을수록 열 전달 경로가 좁고 길어져 열 방출의 장벽으로서 작용하게 되어, 열적인 피로를 증가시키게 되며, 장기적인 구동과 성능의 신뢰성을 저하시키는 원인이 된다.
발광다이오드 소자의 접합 온도와 열 저항을 향상하여 열적인 피로의 감소 및 열 방출 특성을 향상시키며, 플립칩 본딩을 하지 않음으로써, 서브 마운트의 제작 비용 및 공정 비용을 줄일 수 있는 발광다이오드 패키징 기술을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 서브마운트를 적용하지 않는 고방열기판을 구비한 발광다이오드 패키지는 빛을 발산하는 발광다이오드; 상기 발광다이오드가 안착되고 상기 발광 다이오드에서 방출되는 고열을 방열하는 고방열기판; 상기 발광 다이오드에 신호를 입력하는 배선기판; 상기 배선기판과 외부회로를 연결하는 범프; 상기 발광 다이오드와 상기 배선기판을 연결하는 와이어본딩; 및 상기 와이어본딩이 외부의 충격에 보호되도록 하는 몰드부를 포함한다.
본 발명에서 상기 배선기판과 상기 범프는 비아홀에 의해 연결되는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 고방열기판과 상기 방열기판 사이에는 전기적으로 연결되 는 것을 방지하기 위한 고방열기판 절연층을 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 배선기판과 상기 범프는 전기적으로 연결되는 것을 방지하기 위한 배선기판 절연층을 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 배선기판 절연층은 LTCC, HTCC, PCB의 층간 절연 물질인 세라믹, FR-4, 에폭시 중 선택되는 1종 이상의 물질인 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 배선기판 절연층의 두께는 50㎛ 이하인 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 고방열기판 상부에는 상기 발광다이오드의 광 발광효율을 증가시키기 위한 반사컵을 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 고방열기판 상부에는 상기 발광다이오드를 안착시키기 위한 캐비티가 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 캐비티는 경사면을 이루어 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 고방열기판 상부는 상기 발광다이오드가 실장되는 면이 니켈, 은, 금 중 선택되는 1종 이상의 물질이 도금되어 있는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 하기의 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하며, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 서브마운트를 적용하지 않는 고방열기판을 구비한 발광다이오드 패키지의 단면도이다.
상기 실시예에서, 발광다이오드 패키지는 고방열기판(601), 발광다이오드(602), 고방열기판 절연층(603), 몰딩부(604), 배선기판(605), 배선기판 절연층(606), 비아홀(607), 와이어 본딩(608), 반사컵(609) 및 범프(610)를 포함한다.
상기 실시예에는, 서브마운트를 적용하지 않은 발광다이오드 패키지가 구성되는 방법을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 6을 참조하면, 고방열기판(601) 상부면에는 캐비티(도면부호 미도시)가 형성된다. 상기 캐비티는 상기 고방열기판(601) 상부 중앙에 위치되는 것이 바람직하며, 상기 캐비티에는 상기 발광다이오드(602)가 안착된다. 상기 캐비티가 형성되는 고방열기판(601) 단면은 경사면을 이루는 것이 바람직하다. 상기 발광다이오드(602)가 상기 고방열기판(601) 상부에 실장되는 외곽의 실장부는 전자 주입층과 정공의 주입층과의 단락을 막기 위하여, 실리콘 디옥사이드(SiO2) 또는 질화실리콘 (Si2N4)를 이용하여 절연막을 형성하는 것이 바람직하다. 상기 절연막 상부에는 상기 발광다이오드(602)와 고방열기판과의 접착력을 향상시키기 위하여 금속층을 형성하는 것이 바람직하다. 상기 발광다이오드(602)와 상기 고방열기판(601)은 솔더(Pb-Sn)을 이용한 솔더링 또는 열 특성을 향상시킨 접착제로 접착하는 것이 바람직하다.
상기 고방열기판(601)은 열전도도가 높은 것을 우선으로 하며, 금속 및 비금 속에 제한을 받지 아니하고, 제조 방법에 있어 절삭 및 압출, 성형, 도금 방법을 모두 적용할 수 있으나 또한 이에 제한을 받지 않는다. 상기 배선 기판(605)과 접합시에 솔더링 및 브래이징 방법을 적용시 니켈(Ni)을 도금하고 그 위에 은(Ag), 금(Au)을 도금하여 밀착력을 증가시킬 수 있다. 접착제로 부착하는 경우 니켈(Ni)을 도금하고 그 위에 은(Ag), 금(Au)을 도금하는 방법으로 밀착력을 높이며, 상기 고방열 기판(601)의 배면부는 기계적, 화학적으로 조도를 형성하여 밀착력을 높일 수 있다. 도 7은 본 발명에 따른 발광다이오드 패키지의 상부면을 나타낸 것이다.
상기 캐비티가 형성된 고방열기판(601) 상부에는 반사컵(609)이 위치한다. 상기 반사컵(609)은 상기 발광다이오드(602)가 발산하는 빛을 상부로 모두 반사되도록 하여 상기 발광다이오드(602)의 발광효율을 향상시킨다. 상기 반사컵(609)의 중앙은 발광다이오드(602)가 위치하도록 홈이 형성되며, 상기 발광다이오드(602)가 안착되는 홈의 단면은 경사면을 이루는 것이 바람직하다.
상기 반사컵(609)은 단일 및 다수 패키지에 대한 패키징시 구리 및 알루미늄 박편, 플라스틱 등을 이용하여 압출 성형하는 방법과 절삭 가공으로 용이하게 제조될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 반사율과 휘도를 높이기 위하여 은(Ag) 도금을 하거나, 알루미늄을 적용할 수 있으나 조도에 우선하여 재질과 제작 방법에 있어 제한을 두지 않는다. 반사컵(609)의 상면부와 하면부의 직경은 실장되는 발광다이오드(602)의 종류에 따라 차이를 두어 최대한 성능이 나올 수 있도록 조절한다.
상기 고방열 기판(601)에 형성된 상기 발광다이오드(602)를 안착하는 캐비티의 상면은 발광다이오드(602)가 실장 가능하도록 화학적인 건식 및 습식 식각 후 발광다이오드(602) 외곽부의 전면이 접착될 수 있도록 기계적인 가공을 하거나, 실장 부위를 가공하지 않은 평평한 상태에서 실장이 가능하다. 상기 고방열기판(601)은 열 전도성이 높은 매질로써 금속 및 비금속에 구분을 두지 않으며, 최소한 열전도성이 150W/m-K 이상이 되어야 한다. 또한, 상기 캐비티의 상면을 식각 또는 가공하지 않고 평평한 상태에서 실장시 실장부위와 동일한 면적에 니켈과 금 또는 은을 순차적으로 도금하여 상기 발광다이오드(602)와 접착력을 향상시킬 수 있다.
상기 고방열기판(601) 하부에는 배선기판(605)이 위치한다. 상기 배선기판(605)은 상기 발광다이오드(602)가 외부에서 신호 및 전원을 공급받기 위한 회로가 형성된다. 상기 고방열기판(601)과 상기 배선기판(605) 사이에는 전기적인 단락을 방지하기 위하여 고방열기판 절연층(603)이 위치한다. 상기 배선기판(605) 중앙에는 상부에 상기 발광다이오드가 위치하는 부분에 캐비티가 형성된다. 상기 배선기판(605) 상부에는 배선층이 형성된다. 상기 배선기판의 배선층은 1층 이상의 와이어 본딩이 가능한 층과 핀 및 범프를 형성하는 층이 동층 또는 상이 층에 대하여 구분을 두지 않는다. 동층의 경우의 가공 방법은 고방열기판에 전도층을 부착 또는 도금을 통하여 형성한 후에 캐비티를 형성하며, 상이(相異) 층인 경우 배선 기판에 캐비티를 미리 형성하여 고방열 기판에 부착 후 와이어 본딩(608)을 위한 본딩 패드만 남기고 나머지 절연층과 도전층을 기계적인 가공으로 제거하거나, 고방열 기판(601)에 부착하고 일괄적으로 캐비티를 형성한 후에 와이어 본딩 패드만 남기고 기계적인 가공으로 나머지 부분을 제거하는 방법을 적용한다. 상기 와이어 본딩(608)을 실시하는 도전층은 본딩 접착력을 높일 수 있도록 하기 위하여 금도금을 0.5㎛ 실시할 수 있도록 하거나, 금 접착제를 도포하는 것이 바람직하다.
상기 배선기판(605) 하부에는 상기 발광다이오드 패키지의 외부와 전기적인 연결을 위한 범프(610)가 위치한다. 상기 배선기판(605)과 상기 범프(610)사이에는 상기 배선기판(605)과 상기 범프(609)의 전기적인 단락을 방지하기 위한 배선기판 절연층(606)이 위치한다. 상기 배선기판(605)과 상기 범프(610)는 상기 배선기판 절연층(606)을 관통하는 비아홀(607)에 의해 전기적으로 연결된다.
상기 배선 기판의 절연층(103)은 저온 소성 세라믹 기판(LTCC : Low Temperature Co-fired Ceramic), 고온 소성 세라믹 기판(HTCC : High Temperature Co-fired Ceramic), PCB(Printed Circuit Board)의 층간 절연 물질인 세라믹, FR-4, 에폭시로서 50㎛ 이상의 두께를 가지며, 배선층은 단면, 양면, 다층 기판으로 형성이 모두 가능하다. 양면 기판은 상, 하면부에 배선을 형성하는 경우이며, 열 확산 기판과 접착제 또는 솔더를 이용하여 압착과 진공 건조하는 큐어링 방식과 솔더링, 브래이징 방법을 각각 이용하게 되고, 단일 배선층인 경우 고방열 기판과 접착하는 방법으로 부착하는 라미네이션(lamination) 방식 또는 절연 물질을 도포하는 프린팅 방식을 적용할 수 있다.
또한, 상기 배선 기판(605)은 와이어 본딩(608)이 가능하도록 캐비티를 형성하며, 절삭 가공 또는 라미네이션 전에 미리 가공하여 접착하는 방식과 펀칭을 할 수 있도록 한다.
상기 배선기판(605)과 상기 발광다이오드(602)는 와이어 본딩(608)에 의해 전기적으로 연결된다. 상기 와이어 본딩(608)이 형성된 부분에는 상기 와이어 본딩 (608)이 기계적, 화학적 충격과 이물에 의한 단락을 방지하기 위해 캐비티를 매립하기 위한 몰딩부(604)가 구비되는 것이 바람직하다.
상기 몰딩부(604)는 와이어 본딩 후 기계적, 화학적 충격에 의한 와이어 본딩(608)의 단선과 칩의 손상 및 이물에 의한 단락을 방지하기 위하여 고방열 기판(601)과 배선 기판(605)에 형성된 캐비티를 매립하며, 매립의 형태는 캐비티만 충진하거나, 배선 기판(601)의 배면부 보다 높게 올라오면서 패키지의 외부와 전기적인 신호 도통을 위한 범프(610)보다는 낮아야 한다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 솔더범프 두께에 따른 접합온도 및 열 저항의 변화에 예측 시뮬레이션 결과로서 솔더범프 두께에 따라 현저한 차이를 보이고 있는 것을 알 수가 있다. 상기 서브 마운트는 상업적으로 Si을 가장 많이 적용하게 되는데 도핑 농도에 따라 열 전도 계수는 다르나, 일반적으로 150 W/m-K으로 높은 특성을 가진 반면, 두께는 200 ~ 300㎛로서 열이 발생되는 칩의 면적 대비 열을 확산 및 방출하는 경로는 상대적으로 좁고 길다. 이러한 내용은 하기 표 1 및 표 2에 자세히 나타나 있다.
Junction Temp. 10 20 40 60 80 100
Min 40.39 41.43 43.63 46.01 48.41 51.06
Max 42.05 43.17 45.52 48.01 50.85 53.73
Mean 41.03 42.13 44.42 46.84 49.58 52.38
Thickness 10 20 40 60 80 100
P-GaN(Simul.) 4.24 5.17 6.89 8.44 9.93 11.20
P-GaN(Regression) 5.18 6.92 8.51
Deviation -0.01 -0.03 -0.07
N-GaN(Simul.) 3.04 3.67 4.91 6.15 7.34 8.54
N-GaN(Regression) 3.67 4.91 6.13
Deviation 0.00 0.01 0.01
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 다수개의 발광다이오드 소자가 한 개의 고방열 기판 위에 패키징 된 도면으로 적색, 청색, 녹색 발광다이오드를 혼합하여 다양한 색의 구현과 다수개의 발광다이오드를 한 개의 비콘 위에 부착함으로써 휘도의 세기를 높일 수 있으며, 다수개의 청색 발광다이오드에 형광체를 도포하여 백색을 구현할 수도 있다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 와이어 본딩을 위한 배선 기판에 대한 단층 및 다층 구현 방법 및 와이어 본딩에 대한 방법을 나타낸 것이다. 도 11에서의 배선 기판은 상기 도 6의 배선 기판(605)을 단층으로 형성한 것으로써 배선 구조가 복잡하지 않은 경우에 고방열기판 위에 절연 층을 도포 및 접합하고 그 위에 배선 층을 형성하여 와이어 본딩이 가능하도록 한다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 다수개의 발광다이오드를 고방열 기판 위에 부착된 경우 외부와 신호 연결을 위한 범프 및 핀에 대한 연결과 방열판 형성 방법에 관한 것이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광다이오드 소자를 고방열 기판과 접합하는 방법으로서 접합제 및 솔더를 실장면에 인쇄 후 발광다이오드 소자를 안착하고, 일정 압력을 유지할 수 있도록 접합보조판을 위치시킨 후 뒤집어서 건조 또는 솔더링을 할 수 있도록 하는 예이다. 접합 보조판은 발광다이오드 소자의 손상을 방지하기 위하여 탄성을 가질 수 있도록 하며, 와이어 본딩시에도 본딩 패드를 캡필러리가 누르는 힘에 의하여 접합면이 떨어지지 않으면서 발광다이오드 소자가 손상되지 않도록 일정압력을 유지하여야 한다.
도 14 및 도 15는 기존 구조 중 열 특성이 가장 좋은 COB(Chip On Board) 패키지와 접합 온도 및 열 저항을 비교한 결과로서 동일한 발광다이오드를 적용시 기존 패키지 구조에 비하여 접합 온도는 11.2℃ 및 열 저항은 10.88 W/m-k이 개선된 것을 알 수 있다. 이러한 내용은 표 3에 잘 나타나 있다.
PWR 0.1 0.514 1.03
COB Deviation (SourceMax.Heat Sink Min.) 1.78 9.16 18.42
Thermal Resistance 17.81 17.81 17.89
HiTCS Deviation (SourceMax.Heat Sink Min.) 0.75 3.62 7.22
Thermal Resistance 7.55 7.05 7.01
상기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 한 개 이상의 발광 다이오드 소자를 캐비티가 형성된 열 전도도가 높은 금속 및 비금속 고방열 기판 위에 실장하고, 고방열 배면에 배선 기판을 부착하여 캐비티 내로 와이어 본딩을 실시함으로써 플립칩 본딩에 대한 비용 감소와 발광다이오드 소자의 접합 온도와 열저항을 감소시키며, 열적인 피로를 감소시키고, 고신뢰성 및 우수한 열 방출과 고휘도 특성에 있어 탁월한 효과가 있다.

Claims (10)

  1. 빛을 발산하는 발광다이오드; 상기 발광다이오드가 안착되고 상기 발광 다이오드에서 방출되는 고열을 방열하는 고방열기판; 상기 발광 다이오드에 신호를 입력하는 배선기판; 상기 배선기판과 외부회로를 연결하는 범프; 상기 발광 다이오드와 상기 배선기판을 연결하는 와이어본딩; 및 상기 와이어본딩이 외부의 충격에 보호되도록 하는 몰딩부를 포함하는 서브마운트를 적용하지 않는 고방열기판을 구비한 발광다이오드 패키지.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 배선기판과 상기 범프는 비아홀에 의해 연결되는 것을 특징으로 하는 서브마운트를 적용하지 않는 고방열기판을 구비한 발광다이오드 패키지.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 고방열기판과 상기 배선기판 사이에는 전기적으로 연결되는 것을 방지하기 위한 고방열기판 절연층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 서브마운트를 적용하지 않는 고방열기판을 구비한 발광다이오드 패키지.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 배선기판과 상기 범프는 전기적으로 연결되는 것을 방지하기 위한 배선기판 절연층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 서브마운트를 적용하지 않는 고방열기판을 구비한 발광다이오드 패키지.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 배선기판 절연층은 LTCC, HTCC, PCB의 층간 절연 물질인 세라믹, FR-4, 에폭시 중 선택되는 1종 이상의 물질인 것을 특징으로 하는 서브마운트를 적용하지 않는 고방열기판을 구비한 발광다이오드 패키지.
  6. 제 4항 또는 제 5항에 있어서, 상기 배선기판 절연층의 두께는 50㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 서브마운트를 적용하지 않는 고방열기판을 구비한 발광다이오드 패키지.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 고방열기판 상부에는 상기 발광다이오드의 광 발광효율을 증가시키기 위한 반사컵을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 서브마운트를 적용하지 않는 고방열기판을 구비한 발광다이오드 패키지.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 고방열기판 상부에는 상기 발광다이오드를 안착시키기 위한 캐비티가 형성되는 것을 특징으로 하는 서브마운트를 적용하지 않는 고방열기판을 구비한 발광다이오드 패키지.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 캐비티는 경사면을 이루어 형성되는 것을 특징으로 하는 서브마운트를 적용하지 않는 고방열기판을 구비한 발광다이오드 패키지.
  10. 제 1항에 있어서, 상기 고방열기판 상부는 상기 발광다이오드가 실장되는 면이 니켈, 은, 금 중 선택되는 1종 이상의 물질이 도금되어 있는 것을 특징으로 하는 서브마운트를 적용하지 않는 고방열기판을 구비한 발광다이오드 패키지.
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