KR100756037B1 - 엘이디 조명장치 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 표면에서 광을 반사하는 제1 배선판 및 제2 배선판과, 상기 제1 배선판의 상면에 하부전극이 직접적으로 본딩되는 칩형 엘이디와, 상기 제2 배선판 과 상기 칩형 엘이디의 상부전극을 전기적으로 연결하는 와이어와, 상기 제1 배선판 및 상기 제2 배선판의 상부와 상기 칩형 엘이디의 측면 및 상부 전면에 위치하며 상면이 평탄한 광학렌즈를 포함하는 엘이디 조명장치 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 반사판, 전원공급 배선 및 유테틱 다이본딩(Eutectic Die Bonding)의 기능을 동시에 수행할 수 있는 배선판을 적용하여 제조공정을 단순화하고, 보다 고휘도 특성을 향상시키는 효과가 있다.
LED(Light Emitting Diode), 유테틱 다이본딩(Eutectic Die Bonding), 배선판

Description

엘이디 조명장치 및 그 제조방법{Light emitting diode illuminator and manufacturing method thereof}
도 1은 종래 엘이디 조명장치를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명에 바람직한 실시예에 따른 엘이디 조명장치를 설명하기 위하여 도시한 도면이다.
도 3은 도 2에 도시한 칩형 엘이디의 단면도이다.
도 4는 도 2에 도시한 제1 배선판과 제2 배선판의 측면도이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
10: 칩형 엘이디 20: 제1 배선판
30: 제2 배선판 40: 와이어
50: 광학렌즈
본 발명은 엘이디 조명장치 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 제조공정을 단순화하며, 별도의 도광판을 사용하지 않고도 고휘도의 조명을 제공할 수 있는 엘이디 조명장치 및 그 제조방법에 관한 것이다.
도 1은 종래의 엘이디 조명장치를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 종래의 엘이디 조명장치는 인쇄회로기판(4)과, 상기 인쇄회로기판(4)에 다수의 엘이디(Light Emitting Diode; LED)를 하나의 단위로 묶어 고정시키며, 상기 인쇄회로기판(4)의 배면측에서 엘이디(LED)의 와이어를 접합 고정시키는 납(solder, 5)과, 상기 구조의 전면에 위치하여 엘이디(LED)의 지향각 특성에 따른 암영 문제를 해소하여 면발광을 제공하기 위한 표면 도광판(7)으로 구성된다.
미설명된 도면 부호 6은 채널이며, 엘이디(LED)의 광이 측면으로 퍼짐을 방지함과 아울러 표면 도광판(7)을 지지하는 역할을 한다.
상기 엘이디(LED)는 지향각이 20 내지 180도가 될 수 있도록 상면이 반구형인 몰드캡(1)과, 상기 인쇄회로기판(4)과의 연결을 위한 리드프레임(2)을 포함하여 구성된다. 상기 리드프레임(2)은 인쇄회로기판과의 연결을 위한 다리가 나와 있고 엘이디 칩이 다이본딩되는 반곡면 컵으로 구성된다. 리드프레임(2)의 반곡면 컵 위에는 엘이디 칩이 Ag 페이스트(paste)를 이용하여 다이본딩(die bonding) 되어 있고, 개별 엘이디 칩 각각에 대하여 몰드캡(1)이 형성된다.
상기와 같은 구조의 엘이디(LED)를 인쇄회로기판(4)에 연결하는 방식은 납(5)을 이용하고 있으며, 납(5)의 사용에 따라 환경오염 뿐만 아니라 작업자의 건강을 해치는 문제점이 있었다.
또한, 종래의 엘이디 조명장치는 사용하는 엘이디(LED) 자체의 높이가 높고 그 엘이디(LED)와는 소정거리 이격된 위치에 전면 도광판(7)을 설치하기 때문에 박 형으로 제작하기가 용이하지 않고, 개별 엘이디 칩에 대하여 몰드캡을 형성해야 하므로 집적도에 한계가 있다.
그리고, 상기 엘이디(LED)의 광 일부는 인쇄회로기판(4)에 흡수되므로 고휘도 특성을 나타내기 어려우며, Ag 페이스트를 사용한 다이본딩은 방열(heat sink) 특성이 좋지 않아 신뢰성이 취약하다는 문제점이 있다.
상기와 같은 문제점들을 감안하여 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 박형으로 제작이 가능하며, 방열 특성을 향상시키고, 발산되는 광이 인쇄회로기판에 흡수되는 것을 방지할 수 있는 엘이디 조명 장치를 제공함에 있다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 박형으로 제작이 가능하고, 방열 특성이 우수하며, 고휘도 특성을 갖는 엘이디 조명장치의 제조방법을 제공함에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 엘이디 조명장치는, 표면에서 광을 반사하는 제1 배선판 및 제2 배선판과, 상기 제1 배선판의 상면에 하부전극이 직접적으로 본딩되는 칩형 엘이디와, 상기 제2 배선판과 상기 칩형 엘이디의 상부전극을 전기적으로 연결하는 와이어와, 상기 제1 배선판 및 상기 제2 배선판의 상부와 상기 칩형 엘이디의 측면 및 상부 전면에 위치하며 상면이 평탄한 광학렌즈를 포함한다.
또한, 본 발명에 따른 엘이디 조명장치 제조방법은, 판상의 리드 프레임의 상부에 유테틱 다이본딩을 가능하게 하는 물질을 증착하여 금속코팅층을 형성하는 단계와, 상기 금속코팅층과 리드 프레임을 식각하여 전기적으로 분리되는 제1 배선판과 제2 배선판을 형성하는 단계와, 상기 제1 배선판의 상부에 칩형 엘이디를 실장하고 가열하여 상기 제1 배선판의 금속코팅층과 상기 칩형 엘이디의 하부전극을 접합하는 엘이디 실장단계와, 와이어 본딩을 통해 상기 제2 배선판과 상기 칩형 엘이디의 상부전극을 전기적으로 연결하는 와이어 본딩단계와, 투광성 수지 몰딩을 통해 상기 제1 배선판, 제2 배선판의 상부 및 칩형 엘이디의 측면과 상부에 밀착되며 상면이 평탄한 광학렌즈를 형성하는 단계를 포함한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 이하의 설명에서 어떤 층이 다른 층의 위에 존재한다고 기술될 때, 이는 다른 층의 바로 위에 존재할 수도 있고, 그 사이에 제3의 층이 게재될 수도 있다. 또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되었다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 엘이디 조명장치를 설명하기 위하여 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 복수의 칩(chip)형 엘이디(10)와, 상기 복수의 칩형 엘이디(10)의 저면에 각각 위치하여 칩형 엘이디(10)에서 발산되는 광을 전면측으로 반 사시킴과 아울러 칩형 엘이디(10)를 고정시키며, 칩형 엘이디(10)의 하부전극에 전원을 공급하는 제1 배선판(20)과, 상기 제1 배선판(20)의 측면측으로 소정거리 이격되어 위치하는 제2 배선판(30)과, 상기 제2 배선판(30)과 칩형 엘이디(10)의 상부전극을 연결하는 와이어(40)와, 칩형 엘이디(10), 제1 및 제2 배선판(20, 30)의 상부 전면에 위치하는 광학렌즈(50)를 포함하여 구성된다.
도 3은 칩형 엘이디(10)의 단면도이다.
도 3을 참조하면, 칩형 엘이디(10)는 기판(11)의 상부에 N형 에피(epi. 단결정성장)층(12)과 P형 에피층(13)이 순차 적층되어 있으며, P형 에피층(13)의 상부에는 상부전극(14), 기판(11)의 저면에는 하부전극(15)이 마련되어 있다.
상기 두 에피층(12,13)은 PN접합을 통해 다이오드(diode)를 구성하고 있으며, 상기 상부전극(14)은 와이어(40)와의 본딩을 위하여 알루미늄(Al) 또는 금(Au) 등을 주성분으로 하여 형성되고, P형 에피층(13)과 와이어(40)가 오믹 컨택(Ohmic Contact)이 되도록 상부전극(14)에는 오믹 금속(Ohmic Metal)이 증착되어져 있다.
하부전극(15)은 유테틱 다이본딩(Eutectic Die Bonding)과 오믹 컨택을 동시에 만족할 수 있는 물성을 갖는 금속, 예컨대 P형의 AuZn 또는 N형의 AuGe를 사용할 수 있다.
상기 P형 에피층(13)과 N형 에피층(12)의 물성에 따라 다른 색상의 광을 얻을 수 있다.
그 예로서, ZnSe, GaN 또는 ZnO를 사용하여 430 내지 470nm 파장의 청색광을 얻을 수 있고, InGaN을 사용하여 505 내지 525nm의 녹색, InGaAIP를 이용하여 585 내지 650nm의 황색, 오랜지색 또는 적색광을 얻을 수 있다.
상기와 같이 구성되는 칩형 엘이디(10)는 상부전극(14)과 하부전극(15)에 인가되는 전위차에 의하여 N형 에피층(12)과 P형 에피층(13)의 계면에서 광을 발산하게 된다. P형 에피층(13)과 N형 에피층(12)의 계면은 P/N 접합부를 이루며, 상기 P/N 접합부에서 전자의 재결합(recombination)에 의하여 빛이 발광되게 된다.
도 4는 제1 배선판(20)과 제2 배선판(30)의 측면도이다.
도 4를 참조하면, 제1 배선판(20)과 제2 배선판(30)은 전원을 공급하기 위한 리드 프레임(21,31)과, 그 리드 프레임(21,31) 상에 반사율과 열전도도가 높으며, 상기 칩형 엘이디(10)의 하부전극(15)을 직접 본딩할 수 있는 재질의 금속코팅층(22,32)이 마련되어 있다.
상기 제1 배선판(20)과 제2 배선판(30)은 동일한 판상으로 제작한 후, 일부를 선택적으로 식각하여 분리하여 얻을 수 있다.
이와 같은 공정을 위하여 상기 리드 프레임(21,31)은 도전성이 우수하고, 특정한 식각가스 또는 식각액에 의해 우수한 식각율을 가지는 금속을 선택한다.
이러한 특성을 만족하는 금속으로는 Ag, Cu, Ni 또는 Pb 등이 있으며, 이들 금속중 하나를 선택하여 판상의 리드 프레임(21,31)을 제조한다.
그 다음 리드 프레임(21,31)의 상부 전면에 유테틱 다이본딩이 가능한 물성을 갖고 반사효율이 높은 Al, Ag, Au와 같은 금속이나 또는 Au 합금과 같은 합금 금속으로 금속코팅층(22, 32)을 형성한다. 상기 Au 합금은 AuNi, AuZn, AuGe, AuSn 또는 AuAl 등일 수 있다. 금속코팅층(22, 32)은 도금법 또는 증착법을 이용하여 형 성할 수 있다.
금속코팅층(22, 32)으로 Au 합금을 사용할 경우, 상기 Au 합금들은 Au의 함량이 70~80%인 경우에 열전도도가 우수하여 칩형 엘이디(10)에서 발생하는 열을 용이하게 방열(heat sink)시킬 수 있다.
또한, 금속코팅층(22, 32)으로 Au 합금을 사용할 경우, 금속코팅층(22, 32)은 400 내지 700nm의 가시광영역에서의 반사율이 98%가 되기 때문에 상기 칩형 엘이디(10)에서 발산되는 광을 효과적으로 반사시켜 고휘도 특성을 얻을 수 있게 된다. 파워(Power) 엘이디 칩의 경우 측면의 발광효율이 40∼60％ 정도이고, 발광된 광의 40％ 정도가 아래 방향으로 투사되므로 반사효율이 높은 물질을 금속코팅층(22, 32)으로 사용하면 발광효율을 높일 수 있다.
상기와 같이 금속코팅층(22,32)을 형성한 후, 그 금속코팅층(22,32)과 하부의 리드 프레임(21,31)을 선택적으로 식각하여 전기적으로 분리된 제1 배선판(20)과 제2 배선판(30)을 얻을 수 있게 된다.
상기 식각 공정의 용이성과 제1 및 제2 배선판(20,30)의 저항성 및 지지 특성을 고려하여 리드 프레임(21,31) 및 금속코팅층(22,32)을 포함하는 제1 및 제2 배선판(20,30)의 두께(T)를 80 내지 150㎛로 한다.
또한, 제1 배선판(20)과 제1 배선판(20) 사이 또는 제1 배선판(20)과 제2 배선판(30) 사이의 상기 식각되는 부분의 폭(W)은 20 내지 100㎛로서 일정하게 한다.
상기와 같이 제1 배선판(20)과 제2 배선판(30)을 획득한 후, 제1 배선판(20) 상에 상기 칩형 엘이디(10)의 하부전극(15)을 접하게 한 후, 400 내지 450℃의 온도로 가열한다.
이와 같이 가열하면 상기 제1 배선판(20)의 상면인 금속코팅층(22)과 하부전극(15)의 금속이 상호 확산되어 본딩된다.
상기의 과정은 유테틱(Eutectic) 다이 본딩과정이며, 이와 같은 과정을 통해 납을 사용하지 않고도 칩형 엘이디(10)의 고정이 가능하게 된다.
또한, 본 발명은 인쇄회로기판을 사용하지 않기 때문에 칩형 엘이디(10)에서 발산되는 광의 효율을 높일 수 있으며, 특히 금속코팅층(22,32)에서 광을 반사하는 효율이 우수하여 고휘도 특성을 용이하게 얻을 수 있다.
그 다음, 상부전극(14)과 제2 배선판(30)을 와이어(40)로 연결하여, 칩형 엘이디(10)의 상부전극(14)과 하부전극(15) 각각에 제2 배선판(30)과 제1 배선판(20)을 통해 전원이 공급될 수 있도록 한다.
그 다음, 투광성 수지 몰딩을 이용하여 상기 구조의 상부 전면에 광학렌즈(50)를 형성한다. 넓은 지향각을 확보하기 위하여 엘이디 조명장치의 전면 전체에 광학렌즈(50)를 형성할 수 있다.
상기 광학렌즈(50)의 상부면은 평탄한 면이 되도록 하여 면발광을 이루며, 칩형 엘이디(10)와 밀착되어 광의 효율 저하를 방지한다.
이때, 본 발명은 제1 및 제2 배선판(20,30)의 상부면이 Au합금으로 되어 있어 광의 반사율이 높아 전면 도광판을 사용할 필요가 없으므로 고휘도 특성을 구현할 수 있다.
즉, 본 발명은 도광판을 사용할 필요가 없고, 도 1에 도시된 바와 같은 몰드캡을 형성할 필요가 없으며, 칩형의 엘이디를 사용하기 때문에 보다 박형으로 제작 할 수 있고 집적도를 높일 수 있다.
또한, 인쇄회로기판을 사용하지 않고, 표면을 반사판으로 사용함이 가능한 배선판을 이용하여 광효율을 높이며, 그 배선판에 직접적으로 칩형 엘이디를 본딩할 수 있어 제조공정을 단순화할 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명은 반사판, 전원공급배선 및 유테틱 다이본딩(Eutectic Die Bonding)의 기능을 동시에 수행할 수 있는 배선판을 적용하여 제조공정을 단순화하고, 보다 고휘도 특성을 향상시키는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 본딩시 납을 사용하지 않기 때문에 친환경적이며, 작업자의 건강에도 유익한 효과가 있다.
아울러 본 발명은 칩형 엘이디를 사용하며, 인쇄회로기판에 비하여 상대적으로 박형인 배선판을 사용하고, 별도의 도광판을 사용하지 않으며, 몰드캡을 형성할 필요가 없으므로 보다 박형의 조명장치를 제공할 수 있고 집적도를 높일 수 있는 효과가 있다.
그리고, 배선판을 방열판으로 사용하여 칩형 엘이디에서 발생하는 열을 효과적으로 방열함으로써 엘이디 조명장치의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.

Claims (11)

  1. 각각 서로 이격되어 있고, 표면에서 광을 반사하는 복수 개의 제1 배선판;
    상기 제1 배선판에 이격되어 전기적으로 분리되며, 표면에서 광을 반사하는 제2 배선판;
    상기 제1 배선판의 상면에 하부전극이 직접적으로 본딩되는 칩형 엘이디;
    상기 제2 배선판과 상기 칩형 엘이디의 상부전극을 전기적으로 연결하는 와이어; 및
    상기 제1 배선판 및 상기 제2 배선판의 상부와, 상기 칩형 엘이디의 측면 및 상부 전면에 위치하며, 상면이 평탄한 광학렌즈를 포함하며,
    상기 제1 배선판 및 제2 배선판 각각은, 전원공급을 위한 도전성의 리드프레임과, 상기 리드 프레임의 상면에 위치하고 상기 칩형 엘이디와 유테틱 다이본딩을 이루는 금속코팅층을 포함하고,
    제1 배선판과 제1 배선판 사이 또는 제1 배선판과 제2 배선판 사이의 이격 거리는 20∼100㎛ 범위로서 일정한 것을 특징으로 하는 엘이디 조명장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 금속코팅층은 광반사 효율과 열전도도가 높은 Al, Ag, Au, AuNi, AuZn, AuGe, AuSn 또는 AuAl로 형성된 것을 특징으로 하는 엘이디 조명 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 칩형 엘이디는 반도체 기판의 상면에 순차적층된 N형 단결정성장층 및 P형 단결정성장층;
    상기 P형 단결정성장층의 상면에 접하는 상부전극; 및
    상기 반도체 기판의 저면에 접하는 하부전극을 포함하는 엘이디 조명장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 하부전극은 유테틱 다이본딩과 오믹 컨택을 동시에 만족할 수 있는 물성을 갖는 P형의 AuZn 또는 N형의 AuGe로 형성된 것을 특징으로 하는 엘이디 조명장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1 배선판은 적어도 하나 이상이 평면상에서 배치되며, 상기 제2 배선판은 적어도 하나 이상이 상기 배치된 제1 배선판과 이격되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 엘이디 조명장치.
  7. 도전성을 갖는 판상의 리드 프레임의 상부에 유테틱 다이본딩을 가능하게 하는 물질을 증착하여 금속코팅층을 형성하는 단계;
    상기 금속코팅층과 상기 리드 프레임을 선택적으로 식각하여, 각각 서로 이격되어 고립되어 있는 복수 개의 제1 배선판과, 상기 제1 배선판에 이격되어 전기적으로 분리되는 제2 배선판을 형성하되, 제1 배선판과 제1 배선판 사이 또는 제1 배선판과 제2 배선판 사이의 이격 거리는 20∼100㎛ 범위로서 일정하게 형성하는 단계;
    상기 제1 배선판의 상부에 칩형 엘이디를 실장하고, 가열하여 상기 제1 배선판의 금속코팅층과 상기 칩형 엘이디의 하부전극을 접합하는 엘이디 실장단계;
    와이어 본딩을 통해 상기 제2 배선판과 상기 칩형 엘이디의 상부전극을 전기적으로 연결하는 와이어 본딩단계; 및
    투광성 수지 몰딩을 통해 상기 제1 배선판, 상기 제2 배선판의 상부 및 상기 칩형 엘이디의 측면과 상부에 밀착되며, 상면이 평탄한 광학렌즈를 형성하는 단계를 포함하는 엘이디 조명장치 제조방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 금속코팅층은 광반사 효율과 열전도도가 높은 Al, Ag, Au, AuNi, AuZn, AuGe, AuSn 또는 AuAl로 형성하는 것을 특징으로 하는 엘이디 조명 장치의 제조방법.
  9. 제7항에 있어서, 상기 하부전극은 유테틱 다이본딩과 오믹 컨택을 동시에 만족할 수 있는 물성을 갖는 P형의 AuZn 또는 N형의 AuGe로 형성된 것을 특징으로 하는 엘이디 조명장치의 제조방법.
  10. 제7항에 있어서, 상기 제1 및 제2 배선판을 형성하는 단계는, 선택적 식각을 통해 적어도 하나 이상의 전기적으로 독립된 상기 제1 배선판과, 상기 제1 배선판과 인접하며 전기적으로 분리되는 적어도 하나 이상의 상기 제2 배선판을 형성하는 것을 특징으로 하는 엘이디 조명장치 제조방법.
  11. 제7항에 있어서, 상기 엘이디 실장단계는 상기 금속코팅층의 상부에 상기 칩형 엘이디의 하부전극이 접하도록 실장한 후, 400 내지 450℃의 온도로 가열하여, 상기 칩형 엘이디의 하부전극과 상기 금속코팅층간에 금속확산이 발생하도록 하는 것을 특징으로 하는 엘이디 조명장치 제조방법.
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