KR100986571B1 - 발광소자 패키지 및 그 제조방법 - Google Patents

발광소자 패키지 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

실시예는 발광소자 패키지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
실시예에 따른 발광소자 패키지는 캐버티를 포함하는 서브마운트; 상기 캐버티의 내부에 배치되는 발광소자 칩; 상기 발광소자 칩과 전기적으로 연결되는 전극; 상기 캐버티의 표면에 형성되는 반사층; 상기 반사층 상에 유전체 패턴; 및 상기 캐버티를 메우는 봉지재;를 포함한다.

Description

발광소자 패키지 및 그 제조방법{PACKAGE OF LIGHT EMITTING DEVICE AND METHOD FOR FABRICATING THE SAME}
실시예는 발광소자 패키지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
발광소자(Light Emitting Device:LED)는 전기에너지가 빛에너지로 변환되는 특성의 p-n 접합 다이오드를 주기율표상에서 Ⅲ족과 Ⅴ족의 원소가 화합하여 생성될 수 있다. LED는 화합물 반도체의 조성비를 조절함으로써 다양한 색상구현이 가능하다.
발광소자는 순방향전압 인가 시 n층의 전자와 p층의 정공(hole)이 결합하여 전도대(Conduction band)와 가전대(Valance band)의 에너지 갭에 해당하는 만큼의 에너지를 발산하는데, 이 에너지는 주로 열이나 빛의 형태로 방출되며, 빛의 형태로 발산되면 발광소자가 되는 것이다.
발광소자(LED) 광량 향상은 발광소자 칩(LED Chip) 효율 증가 외에도 칩을 둘러싸고 있는 패키지의 손실을 줄이는 것도 중요하다.
따라서, 패키지의 측면, 바닥 부분을 고 반사율을 가지는 Ag 계열의 반사층(거울)으로 제작할 수 있다.
그런데, 종래기술에 의하면 평평한 금속 거울은 빛을 본래 방향대로 반사하는 역할만 할 뿐, 빛의 확산기능 또는 빛의 회절 기능이 없으므로 봉지재와 공기의 경계 면에서 빛을 추출하는 역할은 할 수 없는 한계가 있다.
또한, 종래기술에 의하면 반사층의 반사율 보존을 위해 산화 방지막을 도포하게 되는데, 이러한 산화 방지막 두께에 지수적으로 반비례하며 반사율이 감소하는 문제가 있다.
실시예는 반사율이 유지되면서도 빛의 확산 또는 회절 기능을 가지는 발광소자 패키지 및 그 제조방법를 제공하고자 한다.
실시예에 따른 발광소자 패키지는 캐버티를 포함하는 서브마운트; 상기 캐버티의 내부에 배치되는 발광소자 칩; 상기 발광소자 칩과 전기적으로 연결되는 전극; 상기 캐버티의 표면에 형성되는 반사층; 상기 반사층 상에 유전체 패턴; 및 상기 캐버티를 메우는 봉지재;를 포함한다.
또한, 실시예에 따른 발광소자 패키지의 제조방법은 캐버티를 포함하는 서브마운트를 준비하는 단계; 상기 캐버티의 표면에 반사층을 형성하는 단계; 상기 반사층 상에 유전체 패턴을 형성하는 단계; 상기 캐버티 내부에 발광소자 칩을 부착하는 단계; 및 상기 캐버티에 봉지재를 메우는 단계;를 포함하고, 상기 반사층과 상기 유전체 패턴은 상기 캐버티 내의 서브마운트의 일부를 노출하고, 상기 발광소자 칩은 상기 노출된 서브마운트 상에 부착된다.
실시예에 따른 발광소자 패키지 및 그 제조방법에 의하면, 유전체 패턴을 포함하는 반사층이 LED 패키지 내에 도입되어, 본래의 반사층의 반사율은 유지하면서, 동시에 발광된 빛의 확산 기능을 가질 수 있다. 따라서, 봉지재(Encapsulant)와 공기의 경계 면에서 발생하는 전반사 과정에 의한 빛의 재 진입 확률을 낮추어, 최종 광추출 효율 향상에 기여할 수 있다.
도 1은 제1 실시예에 따른 발광소자 패키지의 단면도.
도 2 내지 도 4는 제1 실시예에 따른 발광소자 패키지의 제조방법 공정단면도.
도 5는 제2 실시예에 따른 발광소자 패키지의 단면도.
실시 예의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 "상/위(on/over)"에 또는 "아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "상/위(on/over)"와 "아래(under)"는 "직접(directly)" 또는 "다른 층을 개재하여 (indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 각 층의 상/위 또는 아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다.
도면에서 각층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
(실시예)
도 1은 제1 실시예에 따른 발광소자 패키지의 단면도이다.
제1 실시예에 따른 발광소자 패키지는 캐버티(C)를 포함하는 서브마운트(210)와, 상기 서브마운트 상에 형성된 발광소자 칩(100)과, 상기 캐버티 측면에 형성된 반사층(220)과, 상기 반사층(220) 상에 형성된 유전체 패턴(240) 및 상기 캐버티(C)를 메우는 봉지재(250)를 포함할 수 있다.
상기 유전체 패턴(240)은 상기 봉지재(250)와 굴절률이 다를 수 있다. 예를 들어, 상기 유전체 패턴(240)은 봉지재(250)의 굴절률 보다 크거나 작을 수 있으며, 굴절률의 차이가 클수록 유전체 패턴(240)의 빛의 확산기능이 작용하게 되고, 이에 따라 봉지재(250)와 공기의 경계 면에서 발생하는 전반사 과정에 의한 빛의 재 진입 확률을 낮추어, 최종 광추출 효율 향상에 기여할 수 있다.
예를 들어, 봉지재(250)가 실리콘 겔(Si gel)인 경우 유전체 패턴(240)의 굴절률은 약 1.4 이하 또는 약 1.4 이상의 굴절률을 가질 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 유전체 패턴(240)은 약 50nm 내지 약 3,000nm의 주기를 가짐으로써 빛의 회절 또는 확산 효과를 가질 수 있다.
상기 유전체 패턴(240)은 산화물(Oxide) 계열의 유전체, 질화물(Nitride) 계열의 유전체 또는 불화물(Fluoride) 계열의 유전체 중 적어도 하나일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 봉지재(250)는 형광체를 포함할 수 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 청색(Blue) 발광소자, 녹색(Green) 발광소자, 자외선(UV) 발광소자 등은 형광체가 필요 없으나, 백색(white) 발광소자의 경우에는 형광체를 포함한 봉지재를 형성할 수 있다.
한편, 형광체가 필요한 경우에 실시예는 패키지 공정전에 칩 공정에서 형광체층이 발광소자 칩(100) 상에 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 발광소자 칩(100)은 컨포멀 코팅(conformal coating) 등에 의해 균일한 두께를 가지는 형광체층(미도시)을 발광소자 칩 상에 포함할 수 있고, 형광체층을 포함한 상태에서 패키지 공정에 의해 서브마운트에 부착될 수 있다.
도 5는 제2 실시예에 따른 발광소자 패키지의 단면도이다.
제2 실시예는 도 5와 같이 반사층의 산화를 방지하고, 유전체 패턴의 회절 효과를 증대시키기 위해 상기 반사층(220) 상에 제2 유전체층(230)을 포함하고, 상기 유전체 패턴(240)은 상기 제2 유전체층(230) 상에 형성될 수 있다.
실시예에 따른 발광소자 패키지에 의하면, 유전체 패턴을 포함하는 반사층이 LED 패키지 내에 도입되어, 본래의 반사층의 반사율은 유지하면서, 동시에 발광된 빛의 확산 기능을 가질 수 있다. 따라서, 봉지재(Encapsulant)와 공기의 경계 면에서 발생하는 전반사 과정에 의한 빛의 재 진입 확률을 낮추어, 최종 광추출 효율 향상에 기여할 수 있다.
이하, 도 2 내지 도 4를 참조하여 제1 실시예에 따른 발광소자 패키지의 제조방법을 설명한다. 이하 제조방법의 설명은 그 공정단계의 순서가 한정되는 것이 아니며, 설명되는 순서와 다르게 공정이 진행될 수 있다.
우선, 도 2와 같이 서브마운트(210)를 준비하고, 상기 서브마운트(210)를 일부 제거하여 캐버티(C)를 형성할 수 있다. 상기 서브마운트(210)는 아이숄레이션 공정이 진행될 수 있다.
상기 서브마운트(210)는 열팽창계수가 발광소자 칩 재료의 열팽창계수와 유사하고, 열전도도가 우수한 재질일 수 있다. 예들 들어, 상기 서브마운트(210)는 실리콘 재질, 합성수지 재질, 또는 금속 재질을 포함하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 서브마운트(210)는 실리콘(Si)으로 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 서브마운트(210)로 PCB 또는 저온 동시소성 세라믹(LTCC) 등이 이용될 수 있다.
다음으로, 도 3과 상기 서브마운트(210)에 제1 전극층(미도시) 및 제2 전극층(미도시)을 형성할 수 있다. 상기 제1 전극층 및 제2 전극층은 서로 전기적으로 분리되며, 상기 발광소자 칩(100)에 전원을 제공하는 역할을 하며, 상기 발광소자 칩(100)에서 발생된 열을 외부로 배출시키는 역할을 할 수도 있다. 또한, 상기 서브마운트(210) 내에 제너 다이오드 형태의 정전기(ESD) 방지를 위한 소자를 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 제1 전극층 및 제2 전극층은 서브마운트(210)의 하면에 형성될 수도 있으며, 비아홀을 통하여 발광소자 칩(100)과 전기적으로 연결될 수도 있다.
이후, 상기 서브마운트(210)의 캐버티 측면에 반사층(220)을 형성할 수 있다. 상기 반사층(220)은 고 반사율의 Ag 또는 Ag 계열의 화합물로 도포하여 형성할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
다음으로, 상기 반사층(220) 상에 유전체 패턴(240)을 형성한다.
예를 들어, 상기 유전체 패턴(240)을 형성하기 위해 상기 반사층(220) 상에 제1 유전체층(미도시)을 형성한다. 이후, 상기 제1 유전체층을 건식 또는 습식식각하여 유전체 패턴(240)을 형성할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
또는, 상기 유전체 패턴(240)을 형성하기 위해 상기 반사층(220) 상에 마스크 패턴(미도시)을 형성하고, 상기 마스크 패턴 사이의 상기 반사층(220) 상에 유전체 패턴(240)을 형성하고, 상기 마스크 패턴을 제거(lift-off)할 수 있다.
이때, 상기 유전체 패턴(240)은 약 50nm 내지 약 3,000nm의 주기를 가짐으로써 빛의 회절 또는 확산 효과를 가질 수 있다.
또한, 상기 유전체 패턴(240)은 산화물(Oxide) 계열의 유전체, 질화물(Nitride) 계열의 유전체 또는 불화물(Fluoride) 계열의 유전체 중 적어도 하나일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예에 따른 발광소자 패키지 및 그 제조방법에 의하면, 유전체 패턴(240)을 포함하는 반사층이 LED 패키지 내에 도입되어, 본래의 반사층의 반사율은 유지하면서, 동시에 발광된 빛의 확산 기능을 가질 수 있다. 따라서, 봉지재(Encapsulant)와 공기의 경계 면에서 발생하는 전반사 과정에 의한 빛의 재 진입 확률을 낮추어, 최종 광추출 효율 향상에 기여할 수 있다.
다음으로, 상기 서브마운트(210) 상에 발광소자 칩(100)을 부착한다.
상기 발광소자 칩(100)은 GaN, GaAs, GaAsP, GaP 등의 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, GaN, InGaN, InGaAlP, AlGaAs 등을 사용할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 발광소자 칩(100)은 수직형 발광소자 칩일 수 있으나 이에 한정되는 것이 아니며, 수평형 칩 또는 플립칩도 가능할 수 있다. 상기 발광소자 칩(100)은 제2 도전형 반도체층(미도시), 활성층(미도시), 제1 도전형 반도체층(미도시)을 포함하는 발광구조물을 포함할 수 있다.
상기 발광소자 칩(100)의 상기 서브마운트(210) 상에 부착은 고분자 접착체를 이용하여 발광소자 칩을 접착하는 방법 또는 발광소자 칩에 플레이팅된 유테틱 메탈을 이용하는 방법 등으로 진행될 수 있다.
예를 들어, 공정성이 우수한 실버 전도성 에폭시(Ag conductive epoxy)에 의한 솔더링(soldering)에 의해 발광소자 칩을 부착하거나, 고열전도성이 필요한 경우에는 유테틱 접합방식을 채용할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 발광소자 칩(100)은 와이어(미도시)를 통해 상기 제1 전극층 및/또는 제2 전극층과 전기적으로 연결될 수 있다.
다음으로, 도 4와 같이 상기 캐버티(C)에 봉지재(250)를 메울 수 있다.
상기 봉지재(250)의 봉지방법으로는 디스펜싱, 캐스팅 몰딩, 트랜스퍼 몰딩방법, 진공프린팅 방법 등으로 진행될 수 있다.
상기 봉지재(250)는 에폭시 봉지재나 실리콘 봉지재 등에 의해 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 봉지재(250)의 굴절률은 상기 유전체 패턴(240)의 굴절률과 다를 수 있다. 예를 들어, 상기 봉지재(250)의 굴절률은 상기 유전체 패턴(240)의 굴절률 보다 크거나 작을 수 있으며, 상호간의 굴절률의 차이가 클수록 유전체 패턴(240)의 빛의 확산기능이 작용하게 되고, 이에 따라 봉지재(250)와 공기의 경계 면에서 발생하는 전반사 과정에 의한 빛의 재 진입 확률을 낮추어, 최종 광추출 효율 향상에 기여할 수 있다.
예를 들어, 봉지재(250)가 실리콘 겔(Si gel)인 경우 유전체 패턴(240)의 굴절률은 약 1.4 이하 또는 약 1.4 이상의 굴절률을 가질 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 봉지공정에 있어서, 상기 봉지재(250)는 형광체를 포함할 수 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 청색(Blue) 발광소자, 녹색(Green) 발광소자, 자외선(UV) 발광소자 등은 형광체가 필요 없으나, 백색(white) 발광소자의 경우에는 형광체를 포함한 봉지재를 형성할 수 있다.
상기 봉지재(250)가 형광체를 포함하는 경우, 상기 형광체는 호스트 물질과 활성물질을 포함할 수 있으며, 예를 들어, 이트륨 알루미늄 가넷(YAG)의 호스트물질에 세륨(Ce) 활성물질이, 실리게이트 계열의 호스트물질에 유로피움(Eu) 활성물질을 채용할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 형광체가 필요한 경우에 실시예는 패키지 공정전에 칩 공정에서 형광체층이 발광소자 칩(100) 상에 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 발광소자 칩(100)은 컨포멀 코팅(conformal coating) 등에 의해 균일한 두께를 가지는 형광체층(미도시)을 발광소자 칩 상에 포함할 수 있고, 형광체층을 포함한 상태에서 패키지 공정에 의해 서브마운트에 부착될 수 있다.
실시예에 따른 발광소자 패키지 및 그 제조방법에 의하면, 유전체 패턴을 포함하는 반사층이 LED 패키지 내에 도입되어, 본래의 반사층의 반사율은 유지하면서, 동시에 발광된 빛의 확산 기능을 가질 수 있다. 따라서, 봉지재(Encapsulant)와 공기의 경계 면에서 발생하는 전반사 과정에 의한 빛의 재 진입 확률을 낮추어, 최종 광추출 효율 향상에 기여할 수 있다.
도 5는 제2 실시예에 따른 발광소자 패키지의 단면도이다.
제2 실시예는 상기 제1 실시예의 기술적인 특징을 채용할 수 있다.
제2 실시예는 반사층의 산화를 방지하고, 유전체 패턴의 회절 효과를 증대시키기 위해 상기 반사층(220) 상에 제2 유전체층(230)을 포함하고, 상기 유전체 패턴(240)은 상기 제2 유전체층(230) 상에 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 반사층(220) 상에 상기 제2 유전체층(230)을 형성하고, 상기 제2 유전체층(230) 상에 식각공정 또는 리프트 오프 공정 등에 의해 유전체 패턴(240)을 형성할 수 있다.
상기 제2 유전체층(230)은 유전체 패턴(240)의 물질과 같거나 다른 물질일 수 있으며, 상호간에 물질이 다른 경우 굴절률의 차이에 의해 유전체 패턴의 회절효과를 증대시킬 수도 있다.
실시예에 따른 발광소자 패키지 및 그 제조방법에 의하면, 유전체 패턴을 포함하는 반사층이 LED 패키지 내에 도입되어, 본래의 반사층의 반사율은 유지하면서, 동시에 발광된 빛의 확산 기능을 가질 수 있다. 따라서, 봉지재(Encapsulant)와 공기의 경계 면에서 발생하는 전반사 과정에 의한 빛의 재 진입 확률을 낮추어, 최종 광추출 효율 향상에 기여할 수 있다.
또 다른 실시예는 제1 실시예 또는 제2 실시예에 기재된 발광소자 패키지를 포함하는 조명기구를 포함할 수 있다. 상기 발광소자 패키지는 예를 들어, LED 램프, LED 가로등, LED 광학소자 등과 같은 조명 시스템에 적용될 수 있다.
이상에서 실시예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
또한, 이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 실시예를 한정하는 것이 아니며, 실시예가 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (16)

  1. 캐버티를 포함하는 서브마운트;
    상기 캐버티의 내부에 배치되는 발광소자 칩;
    상기 발광소자 칩과 전기적으로 연결되는 전극;
    상기 캐버티의 표면에 형성되는 반사층;
    상기 반사층 상에 유전체 패턴; 및
    상기 캐버티를 메우는 봉지재;를 포함하는 발광소자 패키지.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 유전체 패턴은 상기 봉지재와 굴절률이 다른 발광소자 패키지.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 유전체 패턴은 50nm 내지 3,000nm의 주기를 가지는 발광소자 패키지.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 유전체 패턴은 산화물, 질화물 또는 불화물 중 적어도 하나인 발광소자 패키지.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 반사층 상에 제2 유전체층을 포함하고,
    상기 유전체 패턴은 상기 제2 유전체층 상에 형성되는 발광소자 패키지.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 봉지재는 형광체를 포함하는 발광소자 패키지.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 발광소자 칩은,
    상기 발광소자 칩 상에 균일한 두께를 가지는 형광체층을 포함하는 발광소자 패키지.
  8. 캐버티를 포함하는 서브마운트를 준비하는 단계;
    상기 캐버티의 표면에 반사층을 형성하는 단계;
    상기 반사층 상에 유전체 패턴을 형성하는 단계;
    상기 캐버티 내부에 발광소자 칩을 부착하는 단계; 및
    상기 캐버티에 봉지재를 메우는 단계;를 포함하고,
    상기 반사층과 상기 유전체 패턴은 상기 캐버티 내의 서브마운트의 일부를 노출하고, 상기 발광소자 칩은 상기 노출된 서브마운트 상에 부착되는 발광소자 패키지의 제조방법.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 유전체 패턴을 형성하는 단계는,
    상기 반사층 상에 제1 유전체층을 형성하는 단계;
    상기 제1 유전체층을 부분적으로 제거하여 유전체 패턴을 형성하는 단계;를 포함하는 발광소자 패키지의 제조방법.
  10. 제8 항에 있어서,
    상기 유전체 패턴을 형성하는 단계는,
    상기 반사층 상에 마스크 패턴을 형성하는 단계;
    상기 마스크 패턴 사이의 상기 반사층 상에 유전체 패턴을 형성하는 단계; 및
    상기 마스크 패턴을 제거하는 단계;를 포함하는 발광소자 패키지의 제조방법.
  11. 제8 항에 있어서,
    상기 유전체 패턴은 상기 봉지재와 굴절률이 다른 발광소자 패키지의 제조방법.
  12. 제8 항에 있어서,
    상기 유전체 패턴은 50nm 내지 3,000nm의 주기를 가지는 발광소자 패키지의 제조방법.
  13. 제8 항에 있어서,
    상기 유전체 패턴은 산화물, 질화물 또는 불화물 중 적어도 하나인 발광소자 패키지의 제조방법.
  14. 제8 항에 있어서,
    상기 반사층 상에 제2 유전체층을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 유전체 패턴은 상기 제2 유전체층 상에 형성되는 발광소자 패키지의 제조방법.
  15. 제8 항에 있어서,
    상기 봉지재는 형광체를 포함하는 발광소자 패키지의 제조방법.
  16. 제8 항에 있어서,
    상기 발광소자 칩은,
    상기 발광소자 칩 상에 균일한 두께를 가지는 형광체층을 포함하는 발광소자 패키지의 제조방법.
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