KR101040586B1 - 발광 장치 - Google Patents

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타카하루 호시나
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쇼와 덴코 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명의 목적은 발광 소자로부터 광의 자기 흡수를 감소시켜서 우수한 광 추출 효율을 갖는 발광 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 발광 장치는 기판, 기판 상에 서브마운트를 통해서 선택적으로 형성된 반도체 발광 소자, 상기 반도체 발광 소자를 밀봉하는 캡, 및 상기 캡의 주위에 설치된 리플렉터를 포함하며, 상기 캡은 상기 반도체 발광 소자의 상면에 평행한 상면 및 하면을 갖고, 상기 상면 및 하면 사이의 간격은 상기 반도체 발광 소자의 최장 대각선 또는 직경의 1~3 배이다.
발광 장치, 기판, 발광 소자, 캡, 리플렉터

Description

발광 장치{LIGHT EMITTING DEVICE}
본 출원은 35 U.S.C. §111(b)에 따라 2006년 2월 23일자로 출원된 미국 특허 출원 제60/775,798호의 출원일에 대해 35 U.S.C. §119(e)(1)에 따른 이익을 주장하는 35 U.S.C. §111(a) 우선권 하에 출원된 출원이다.
본 발명은 발광 장치에 관한 것으로, 특히, 광 추출 효율이 향상된 발광 장치에 관한 것이다. 상기 효율은 발광 소자를 커버하는 렌즈 또는 밀봉 재료에 의해 형성되는 광 추출 면에서 광의 전반사에 의해 발광 소자로부터 광 자기 흡수를 감소시킴으로써 향상된다.
발광 소자를 이용한 발광 장치의 공지된 예는 도 1에 도시된 바와 같이 리드 프레임에 램프형 발광 다이오드를 실장하고 수지로 밀봉된 발광 장치, 및 도 2에 도시된 바와 같이 기판상에 리플렉터를 구비하고, 기판 및 리플렉터에 의해 형성된 오목부의 저면 기판상에 발광 소자를 실장하고, 그 오목부 내에 또는 전체를 수지 밀봉한 발광 장치를 포함한다. 도면에서, 2는 발광 소자, 4는 기판, 5는 리플렉터, 6은 밀봉제, 7은 실장측 리드 프레임, 8은 전원측 리드 프레임, 9는 몰딩 와이어, 10은 p전극 및 11은 n전극이다. 그러한 발광 장치에 있어서, 밀봉 재료로서 발광 소자와 공기의 사이의 굴절율을 갖는 재료는 발광 소자내 전반사를 감소시키는 밀 봉 재료로 채용되지만, 도면 1의 A에 의해 지시된 광 궤적을 따라 발광 소자의 광 자기 흡수도 일으킴으로써, 구체적으로 광 추출 효율은 비 밀봉시의 1.2~1.5배 정도이며 효율은 낮다.
일반적으로 발광 소자의 굴절률은 2.4~3.7의 값이, 공기의 굴절률은 1.0의 값이다. 밀봉 수지로서 이용되는 수지는 통상 그 중간의 굴절률이 1.5정도인 수지이다. 발광 소자로부터 방출된 광이 밀봉 수지로부터 공기 중으로 나오기 위해서는, 밀봉 수지와 공기의 계면과 그 계면에 입사하는 광의 각도(θ)는 이하 공식으로 나타내어지는 임계각(θc)보다 크다.
　　　　　　θc = cos-1 (n2/n1)
(n1은 입사측의 굴절률이고, n2는 출사측의 굴절률이다.)
밀봉 수지의 굴절율로부터 산출된 임계각(θc)은 약 48°이고, 계면(반사면)으로부터 그 계면의 법선 방향으로 측정된 계면과 입사광의 각도가 그 값보다도 작으면 광은 밀봉 수지의 외부로 나오지 않는다. 발광 소자를 형성하는 p형층, n형층 및 활성층은 전체적으로 1×1O - 1×1O4/cm 정도의 광 흡수율을 나타내므로, 광자 밀봉 수지에서 다중 반사되면 발광 소자에 흡수되어 광 추출이 방지된다.
발광 소자에 있어서 활성층에 대하여 상부 클래드 층의 높이와 소자 측면의 각도 등의 기하학적 치수의 조정은 종래의 직사각형 발광 소자(예를 들면, 미국 특허 제6,229,160호; 미국 특허 제6,323,063호; 미국 특허 제6,570,190호)와 비교해 서 광 추출 효율을 향상시키는 것이 공지되어 있다. 그러나, 발광 소자를 탑재한 발광 장치에 있어서의 기하학적 치수를 조정해서 광 추출 효율을 향상시키는 것은 공지되어 있지 않다.
본 발명의 목적은 발광 소자의 광 자기 흡수를 저감해서 우수한 광 추출 효율을 갖는 발광 장치를 제공하는 것이다.
본 발명에 의하면, 캡의 상면과 하면의 간격은 특정 길이이고, 특정 거리는 발광 소자와 캡 상면(광 추출면) 사이에 제공되는 한편, 또한 캡 형상은 발광 소자의 광 자기 흡수를 저감하고 광 추출 효율을 향상시키도록 수정된다. 구체적으로, 본 발명은 이하를 제공한다.
(1) 기판, 상기 기판 상에 서브마운트를 통해서 선택적으로 형성된 반도체 발광 소자, 상기 반도체 발광 소자를 밀봉하는 캡, 및 상기 캡의 주위에 설치된 리플렉터를 포함하는 발광 장치에 있어서: 상기 캡은 상기 반도체 발광 소자의 상면에 평행한 상면 및 하면을 갖고, 상기 상면 및 하면 사이의 간격은 상기 반도체 발광 소자의 최장 대각선 또는 직경의 1~3 배이다.
(2) 제 1 항에 있어서, 상기 캡(상면/하면)의 상면과 하면의 면적비는 4 이상이다.
(3) 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 캡(상면/하면)의 상면과 하면의 대응하는 변의 길이 또는 직경의 비는 2 이상이다.
(4) 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 캡의 상면과 측면 사이에 형성된 각도는 40°이하이다.
(5) 제 1 항 있어서, 상기 캡의 상면과 하면의 면적비(상면/하면)는 1/4 이하이다.
(6) 제 1 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 캡(상면/하면)의 상면과 하면의 대응하는 변의 길이 또는 직경의 비는 1/2 이하이다.
(7) 제 1 항, 제 5 항 또는 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 캡의 상면과 측면의 사이에 형성된 각도는 140°이상이다.
(8) 발광 장치의 제조 방법은 이하 (1) 내지 (4)를 포함한다.
(1) 기판 상에 선택적으로 서브마운트를 통해서 기판에 반도체 발광 소자를 실장하는 공정;
(2) 상기 기판 상에 리플렉터를 설치하는 공정;
(3) 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 기재된 캡을 형성하는 공정; 및
(4) 상기 캡을 상기 캡의 굴절율 이하의 굴절율을 갖는 재료로 상기 반도체 발광 소자 상방에 체결하는 공정.
본 발명의 발광 장치에 의하면, 캡의 상면과 하면의 간격(높이)은 발광 소자의 최장 대각선 또는 직경 이상으로 세팅됨으로써 발광 소자로부터 방사된 광은 밀봉 구조로부터 효과적으로 추출되고, 발광 소자의 광 자기 흡수가 방지되어 광 추출 효율을 향상시킨다. 게다가, 캡의 측면과 상면 사이에 적절한 각도를 형성함으로써 광 추출 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
또한, 광 추출 효율을 향상시키는 밀봉을 발광 소자에 행하고, 발광 소자를 포물선 형상 리플렉터의 초점에 배치함으로써 정면 광도가 높은 발광 장치를 제공한다.
도 1은 종래의 발광 장치의 일예를 도시하는 도면이다.
도 2는 종래의 발광 장치의 다른 일예를 도시하는 도면이다.
도 3은 본 발명에 의한 캡의 일예의 단면도이다.
도 4는 본 발명에 의한 캡의 일예의 평면도이다.
도 5는 본 발명에 의한 캡의 다른 일예의 평면도이다.
도 6은 도 4 또는 도 5에 도시된 캡의 단면도이다.
도 7은 본 발명에 의한 캡의 다른 일예의 단면도이다.
도 8은 도 7에 도시된 캡의 평면도이다.
도 9는 본 발명에 의한 캡의 다른 일예의 평면도이다.
도 10은 본 발명에 의한 캡의 다른 일예의 평면도이다.
도 11은 도 9 또는 도 10에 도시된 캡의 단면도이다.
도 12는 본 발명에 의한 캡의 다른 일예의 단면도이다.
도 13은 도 12에 도시된 캡의 평면도이다.
도 14는 실시예 1에서 제작된 발광 장치의 단면도이다.
도 15는 실시예 1에서 제작된 발광 장치의 평면도이다.
도 16은 비교예 1에서 제작된 발광 장치의 단면도이다.
도 17은 실시예 2에서 제작된 발광 장치의 단면도이다.
도 18은 비교예 2에서 제작된 발광 장치의 단면도이다.
도 19는 비교예 3에서 제작된 발광 장치의 단면도이다.
도 14는 실시예 1의 발광 장치(111)의 단면도를 나타내고, 본 발명의 발광 장치의 일예의 도면이다. 도면에서, 101은 캡, 102는 반도체 발광 소자, 103은 서브마운트, 104는 방열성 기판, 105는 리플렉터, 및 106은 밀봉제이다.
도 3은 도 14의 캡 및 발광 소자의 부분 단면을 나타내는 개략도이다. 상기 (1)에 의한 본 발명은 발광 소자로부터의 광 추출을 향상시키기 위해서, 도 3에 도시된 바와 같이, 캡(1)의 상면과 하면 사이의 간격(b)을 발광 소자(2)의 최장 대각선 또는 직경(a) 이상으로 함으로써, 발광 소자 단부로부터 방사 광(A)이 캡의 상면에, 즉 캡을 형성하는 수지와 공기 계면에서 전반사되는 경우에, 광자가 발광 소자(2)에 용이하게 리턴될 수 없는 것을 특징으로 한다.
도 4 및 도 5는 본 발명에 의한 캡(1)의 일예의 평면도이다. 도 6은 그 단면도이다. 상기 (2) 및 (3)의 발명에 의한 것과 같이 캡의 상면과 하면의 면적비가 4:1 이상 또는 변의 길이의 비가 2:1 이상으로 함으로써, 캡의 상면과 하면의 간격이 발광 소자의 최장 대각선 또는 직경 이상이고, 도 6에 도시된 바와 같이, 발광 소자로부터 방출된 광 중에서 캡의 상면에서 전반사된 광(A)은 임계각을 초과하는 측면에서의 입사각을 가져서 외부로 추출되어 캡에서의 광의 흡수 및 발광 소자에서의 흡수가 방지되고 광의 추출이 보다 효과적이다.
그러나, 도 6에 파선으로 도시된 바와 같이, 캡의 상면과 하면의 면적비가 1:1 또는 각 변의 길이의 비가 1:1이면, 발광 소자로부터 방사된 광 중 캡의 상면에서 전반사된 광(B)의 대부분은 입사각 이하인 측면에서의 임계각을 갖고, 도면에서 루트 B로 도시되는 것과 같이 캡의 하면 및 상면에서 반사가 반복되어, 다중 반사에 의해 캡 및 발광 소자에서의 광의 흡수가 증가하게 된다.
도 7은 본 발명에 의한 발광 장치의 다른 예의 캡(1)의 단면도이고, 도 8은 그 평면도이다. 상기 (4)의 발명에 의하면, 도 7에 도시된 바와 같이, 발광 소자로부터 방사된 광 중, 발광 소자(2)를 둘러싸는 캡(1)의 상면에서 전반사된 광(A)이 캡(1)의 측면에 임계각 이상으로 입사하게 되어, 발광 소자에 의해 흡수되지 않고 효율적으로 추출된다. 게다가, 발광 소자의 두께가 그 폭보다 작기 때문에, 캡의 하면을 향한 광(B)은 캡의 하면과 측면에서 다중 반사되지만, 발광 소자에 재흡수되지 않고 캡의 상면으로부터 추출된다. 따라서, 발광 소자에 의한 광의 흡수가 저감되므로, 광이 보다 효과적으로 추출될 수 있다. 본 실시예에서는 캡의 상단이 절취된 역 원추 형상으로 설명되지만, 그 효과는 역 피라미드 형상으로 이루어진다.
도 9 및 도 10은 본 발명에 의한 캡(1)의 다른 일례를 도시하는 평면도이다. 도 11은 그 단면도이다. 상기 (5) 및 (6)의 발명에 의한 것과 같이 캡의 상면과 하면의 면적비가 1:4 이하 또는 변의 길이의 비가 1:2 이하로 됨으로써, 캡의 상면과 하면의 간격은 발광 소자의 최장 대각선 또는 직경 이상인 동안, 발광 소자로부터 방사된 광 중 캡의 측면을 향한 광(A)은 임계각을 초과하는 입사각을 가져서 도 11에 도시된 바와 같이 외부로 추출되어, 캡에서의 광 흡수 및 발광 소자에서의 광 흡수가 방지되어 광 추출이 보다 효과적이다.
그러나, 도 11에 파선으로 도시된 바와 같이, 캡의 상면과 하면의 면적비가 1:1 또는 각 변의 길이의 비가 1:1이면, 동일한 방향으로 방사된 광(B)의 대부분은 캡의 상면에 임계각 이하인 입사각으로 입사되어, 도면에서 루트 B로 도시되는 바와 같이, 캡의 측면, 하면, 상면에서 반사가 반복됨으로써 다중 반사에 의해 캡 및 발광 소자에서의 광의 흡수가 증가하게 된다.
도 12는 본 발명에 의한 발광 장치의 캡(1)의 다른 일예의 단면도이고, 도 13은 그 평면도이다. 상기 (7)의 발명에 의하면, 도 12에 도시된 바와 같이, 발광 소자(2)로부터 캡의 상면 및 측면을 향한 광(A1 및 A2)은 임계각보다 크게 각 측면에 입사되므로 외부로 용이하게 그리고 효과적으로 추출될 수 있다. 발광 소자의 두께가 그 폭보다 작기 때문에, 캡의 저면을 향한 광(A3)은 최소의 반사 회수로 측면에 도달한다. 따라서, 전반사가 최소이고, 발광 소자에 의한 광의 흡수가 저감되어, 광이 보다 쉽고 효과적으로 추출될 수 있다. 본 실시예에서 캡은 상부가 절취된 원추 형상으로 설명되지만, 동일한 효과가 피라미드형으로도 달성된다.
본 발명의 발광 장치의 각 부재가 이제 설명될 것이다.
리플렉터 및 서브마운트가 실장되는 기판은 리드 프레임, 프린트 기판 및 방열성 기판일 수 있다. 발광 소자에 큰 전류가 흐르기 때문에 방열성 기판이 바람직하다.
방열성 기판의 경우, 발광 장치로서 적용하는데 합리적으로 생각되는 치수의 복수의 방열성 기판은 1매의 기판으로부터 펀칭 다이로 프레스 가공에 의해 성형된다. 이 방열성 기판의 형상은 직사각형, 원형 및 다각형 등 소망하는 어떠한 형상 일 수 있다. 또한, 프레스 가공은 완전하게 독립된 형상으로 전체적으로 수행될 수 있다. 그러나, 인접변이 용이하게 제거되도록 형성된 스트리트를 갖는 실장기에 로드될 수 있는 복수 접속된 직사각형 프레임 형상을 이용하는 것이 바람직하다. 방열성 기판의 경우에, 펀칭 방향은 프레스 가공후의 에지의 리바운드 때문에 접합 기판과의 밀착성 불량으로 되지 않는 펀칭 방향으로서 선택될 수 있다. 또한, 에지의 새깅(sagging)을 회피하는 정밀 펀칭, 대향 다이 펀칭, 수직 펀칭이 바람직하다.
방열성 기판은 종래의 전기 절연, 저열전도율의 프린트 회로기판 대신에 철, 동, 알루미늄 등의 열전도성이 양호한 금속성 베이스 기판일 수 있고 양호한 열전도성을 갖는 질화 알루미늄 필러제를 첨가한 에폭시 수지(이하 “양호 열전도 수지층”으로 언급됨)를 포함하는 전기 절연층이 그 편면에 도포된 다음 구리 전극 회로가 에칭에 의해 형성되어, 필요에 따라 전기 절연 보호층으로서 열전도 수지층의 재도포와 리플렉터 설치용의 구리 회로가 에칭에 의해 형성된다.
기판은 반도체 발광 소자가 실장된 발광 소자 부착부를 갖는다. 방열성 기판에 대해서, 발광 소자 부착부는 방열성 기판 상의 열전도율이 향상된 수지부에 에칭 기술을 이용해서 형성되는 전기 회로를 포함한다. 이 전기 회로로부터 와이어 본드에 의해 발광 소자에 전류가 공급되거나, 발광 소자의 p 및 n전극부에 절연성 보호막이 형성된 후 납땜함으로써 발광 소자에 전기 공급을 용이하게 할 수 있다.
반도체 발광 소자는 기판에 직접 실장될 수 있거나, 또는 서브마운트를 통해서 실장될 수 있다.
서브마운트는 세라믹 재료, 글래스 에폭시 기판 또는 절연 보호막 첨부 Si기판 등의 전기 절연성 재료로 형성되고, 표면과 이면에 전기 회로를 갖는다. 세라믹 재료는 방열성의 관점으로부터 바람직하다.
예를 들면, 양호 열전도로 전기 절연 부재로서 알려진 세라믹스 재료인 질화 알루미늄 그린 시트는 복수층 적층됨으로써 형성될 수 있다. 시트 표면에는 회로 패턴이 인쇄되고, 각 층의 회로 사이에는 전기 전도 원통 금속 부재 또는 "비아(via)"가 관통되어 적층 방향으로 전기 회로를 연속 제공한다. 이것은 표면과 이면의 전기 회로의 다른 서브마운트를 얻을 수 있다. 이 적층된 시트가 터널노 등에 의해 소성되기 때문에 크래킹을 방지하기 위해서 질화 알루미늄과 열 팽창율이 근접한 텅스텐 재료로 형성된 회로를 스크린 인쇄하는 것이 바람직하다. 바람직하게는, 1매의 그린 시트로부터 복수의 서브마운트를 성형하기 위해서 개개의 서브마운트 사이에 스트리트가 제공된다. 회로로서 이용되는 텅스텐부는 보다 적합한 납땜 실장으로 그 표면에 Ni 또는 Au로 도금될 수 있다.
리플렉터는 방열성 및 가공성이 양호한 재료, 예를 들면, 동, 알루미늄 등의 금속 재료 또는 방열성이 좋은 세라믹 재료를 이용해서 제작되는 것이 바람직하다. 그러한 재료로 이루어진 리플렉터의 가공은 금속이나 세라믹을 절삭 가공해서 반사면을 연마 피니싱하는 방법, 금속을 프레스 가공해서 반사면을 연마 피니싱하는 방법, 또는 방열성이 다소 뒤지지만 내열성 수지를 금형 성형에 의해 반사면에 알루미늄 증착막을 형성하는 방법 일 수 있다. 각 리플렉터는 방열성 기판에 실장이 가능하게 접합면에 납 도금될 수 있다.
상술한 바와 같이, 캡은 상부가 절취된 역 원추 형상 또는 역 피라미드 형상 또는 원추 형상 또는 피라미드 형상을 갖는다. 또한, 상술한 바와 같이, 캡의 상면과 하면의 간격 또는 높이는 반도체 발광 소자의 최장 대각선 또는 직경 이상인 것이 바람직하다. 지나치게 크면 광의 흡수가 증가하므로, 캡의 높이는 반도체 발광 소자의 최장 대각선 또는 직경의 3배 이하가 바람직하다.
또한, 상술한 바와 같이, 캡이 역 원추 형상 또는 역 피라미드 형상을 가지는 경우, 캡의 상면과 하면의 면적비는 적어도 4:1 이상 또는 각 변의 길이 또는 직경의 비는 2:1 이상이 바람직하다. 면적비 또는 대응하는 변의 길이 또는 직경의 비의 상한은 캡이 리플렉터에 충돌되지 않으면 특별하게 제한되지 않는다. 면적비의 상한은 통상 25:1 정도이다. 원추 형상 또는 피라미드 형상의 경우에는, 캡의 상면과 하면의 면적비는 1:4 이하 또는 대응하는 각 변의 길이 또는 직경의 비는 1:2 이하가 바람직하다. 면적비 또는 대응하는 각 변의 길이 또는 직경의 비의 하한은 캡이 리플렉터에 충돌되지 않으면 특별히 제한되지 않는다. 면적비의 하한은 통상 1:25 정도이다.
게다가, 상술한 바와 같이, 캡의 상면과 측면 사이에 형성된 각도(α)는 역 원추 형상 또는 역 피라미드 형상의 경우에 40°이하가 바람직하다. 하한은 캡이 리플렉터에 충돌되지 않으면 특별히 제한되지 않지만, 대략 30°의 하한이 통상 적용될 수 있다. 원추 형상 또는 피라미드 형상에서, 각도는 140°이상이 바람직하다. 상한은 캡이 리플렉터에 충돌되지 않으면 특별히 제한되지 않지만, 대략 150°의 상한이 통상 적용될 수 있다.
캡의 하면에는 발광 장치의 설치용에 오목부가 형성되고, 그 오목부에 발광 소자가 고정된다. 캡과 발광 소자 사이에 생기는 갭은 또한 캡을 체결하는 밀봉제로 밀봉된다. 밀봉제로는 굴절율의 변화를 방지하기 위해서 캡과 동일한 재료이어야 하지만, 발광 소자로의 충격을 완화할 수 있는 밀봉제를 이용하는 것이 보다 바람직하다. 캡을 형성하는 재료는 에폭시계 수지, 실리콘계 수지 등일 수 있지만, 에폭시계 수지가 성형성의 관점으로부터 보다 바람직하다.
캡은 상술한 재료를 이용하여 이하의 처리에 의해 제조된다.
먼저, 상술된 치수를 갖는 하향 테이퍼 또는 상향 테이퍼의 금형이 준비된다. 금형 재료는 정밀 양산될 수 있고 고경면성의 성질을 갖는 공구강인 것이 바람직하다. 그 내부면은 랩처리가 되어 경면성이 제품에 전사되도록 한다. 금형은 게이트, 러너 및 스풀을 포함하고, 사출성형기에 접속되어, 수지를 가열 가압해서 금형에 도입한다. 사출 성형기에 원료가 주입되는 호퍼에는 히터가 장착되어 제습 및 예비 건조를 행한다. 금형에는 냉각 기구가 제공되어 제품의 투명성을 금형 냉각 온도를 이용하여 조정하면서 수행한다. 성형된 부품은 수지 유로에 의해 연속해서 연결됨으로써 획득되고, 그 후에 절단되어 게이트 처리된다.
본 발명에서 사용되는 반도체 발광 소자는 A1GaInP계 앰버(amber) 발광 소자, A1GaAs계 적색 발광 소자, A1GaInP계 적황색 발광 소자, GaP계 황녹색 발광 소자, GaN계 녹색 발광 소자, GaN계 청색 발광 소자 등의 광 범위한 발광 소자 중 어느 하나일 수 있다. 평면 형상은 일반적으로 사각형이지만, 선택적으로 오각형 이상의 다각형, 또는 원형일 수 있다. 그 전극 구조는 소자의 하면과 상면, 또는 동 일면에 각각 있는 전극일 수 있다.
상술한 각 구성 부재로부터 본 발명의 발광 장치를 조립하는 순서가 설명될 것이다.
우선, 기판 또는 서브마운트에 발광 소자가 실장된다. 발광 소자를 기판 또는 서브마운트에 실장하는 방법은, 예를 들면, AuSn 공정 재료를 발광 소자 전극에 증착시켜서 기판의 발광 소자 부착부 또는 서브마운트 상에 리플로잉하는 방법, 기판의 발광 소자 부착부 또는 서브마운트의 회로부에 Au 범프를 형성하고 거기에 발광 소자가 초음파를 이용해서 가압/가열 압착하는 방법일 수 있다. Au 재료의 사용은 리플렉터와 서브마운트가 Au계 납땜보다도 저융점을 갖는 무연 납땜을 이용하여 보드에 실장되는 2단 실장을 적용한다.
다음으로, 리플렉터 및 필요에 따라 서브마운트가 기판에 실장된다. 순서는 이하일 수 있다.
방열성 기판의 서브마운트 실장 전극부 및 리플렉터 실장 랜드부에 스크린 프린터로 땜납 페이스트가 인쇄된다. 인쇄는 카세트 홀더에 복수의 기판이 삽입되어 자동 프린터로 수행된다. 그 후에, 발광 소자 실장 서브마운트 및 리플렉터 자동 전송 기계를 이용해서 방열 기판 상에 순서대로 실장되고, 리플로우에 의해 가열되어 납땜제를 녹여 온도가 낮아진 후에 실장된다.
최후로, 발광 소자를 둘러싸도록 캡이 설치된다. 순서는 이하일 수 있다. 캡을 진공 또는 기계 캐칭 기구를 사용하고, 캡 하면의 오목부를 상방으로서 캡과 동종의 수지 또는 캡보다도 작은 굴절율을 갖는 수지를 따라 주입되고, 그 때 위치 결정된 리플렉터, 서브마운트 및 발광 소자가 실장된 방열성 기판의 소정 부위에 캡이 설치된다. 이 작동에서, 적당한 수지량이 충분히 양이 공급되어 밀봉되도록 캡과 발광 소자 및 서브마운트 사이의 간격을 채운다.
본 발명의 발광 장치는 청색 발광 소자의 최근 개발에 의해, 옥내외로 사용되는 대형의 컬라 디스플레이 및 신호기를 포함하여 이용될 수 있다. 또한 백색 LED를 사용한 옥내외용 조명이나 자동차용의 헤드 램프의 이용도 가능하므로 적용 범위가 매우 광범위하다.
실시예
본 발명이 실시예 및 비교예에 의해 이하 상세하게 설명될 것이지만, 실시예에만 한정되는 것은 아니다.
(실시예 1)
이하, 본 발명에 의한 발광 장치의 일 실시예1은 첨부 도면에 의해 상세하게 설명될 것이다. 도 14는 본 실시형태에서 제작된 발광 장치의 단면도이며, 도 15는 그 평면도이다. 발광 장치(111)는 방열성 기판(104), 리플렉터(105), 서브마운트(103), 반도체 발광 소자(102) 및 캡(101)으로 구성된다. 부호 106은 밀봉제이다. 또한, 부호 120은 외부 전원 접속 전극을 나타내고, 부호 121은 히트 싱크 피팅부를 나타낸다.
반도체 발광 소자(102)로서는 1㎜×1㎜의 정방형에서 두께가 대략 90μ를 갖는 GaN계 화합물 반도체 청색 발광 소자가 이용된다.
사파이어 기판상에는 AlN 버퍼층을 통해서, 두께 8㎛의 언도프 GaN으로 구성 되는 하지층, 두께 2㎛의 Ge 도프 n형 GaN 콘택트층, 두께 0.03㎛의 n형 In0 .1Ga0 .9N 클래드층, 두께 16㎚의 Si 도프 GaN 장벽층 및 두께 3㎚의 In0 .2Ga0 .8N 웰층을 5회 적층하고, 최후에 Si 도프 장벽층을 설치한 다중 양자 웰 구조 발광층, 두께 0.01㎛의 Mg 도프 p형 A10.07Ga0 .93N 클래드층, 두께 0.15㎛의 Mg 도프 p형 A1GaN 콘택트층을 순차적으로 적층하여 p형 A1GaN 콘택트층 위로 정극, n형 GaN 콘택트층 상에 부극을 각각 형성하여 발광 소자를 준비한다.
방열성 기판(104)의 제조는 직경이 20㎜의 원형 모양의 열 전도율이 큰 1.5㎜두께의 알루미늄 판에, 질화 알루미늄을 필러제로서 배합해서 열전도를 양호하게 한 에폭시계 수지의 전기 절연층이 35㎛의 두께로 형성되고, 그 위에 당업계 공지의 에칭법에 의해 Cu 전기 회로가 형성되고, 리플렉터 실장부 등에 에폭시계 수지의 전기 절연층이 보호층으로서 형성된다.
리플렉터(105)에서, 두께 6㎜의 알루미늄 판이 각각 직경 15㎜로 프레스에 의해 절단되고, 단면이 Y=X2/4.8(Y: 높이㎜, X: 반경㎜)이 되는 포물선상의 홈이 형성되고, 연마제로 그 내면이 연마 피니싱되어 발광 소자로부터의 광을 평행광화시킨다. 기판(4)에 실장되는 저면은 직경이 6㎜ 되도록 연마한다.
서브마운트(103)는 질화 알루미늄으로부터 제작되고, 단면은 1.2㎜×1.2㎜의 정방형이고 높이는 1.3㎜이다. 반도체 발광 소자(102)와 방열성 기판(104)이 전기적으로 접속되도록 전기 회로가 설치된다. 서브마운트 상에는 대략 리플렉터의 광의 초점위치가 되도록 GaN계 청색 발광 소자(102)가 위치된다.
캡(101)은 에폭시 수지로부터 제작되고, 크기는 하면 반경 1.0㎜×상면 반경 2.0㎜×높이 1.5㎜의 상부가 절취된 역 원추 형상이다. 따라서, 상/하 면적비가 4:1이 되고, 높이는 발광 소자의 최장 대각선 이상이다. 하면의 중앙부에 발광 소자가 완벽하게 설치되는 사이즈로 오목부가 형성된다.
이들 구성 부재가 이용되어 이하의 순서에 의해 발광 장치(111)를 조립하는데 이용된다.
우선, 서브마운트(103)에 발광 소자(102)가 실장된다. 구체적인 순서는 이하와 같다. 히터에 의해 서브마운트(103)가 약 200℃의 온도를 유지하고, 범프 본더에 의해 골드 범프가 놓여진다. 범프 구성은 2개의 0.12㎜ n전극 부위에 각각 1개 범프, 4개의 길이 0.7㎜×폭 0.14㎜ 스트립 p전극 부위의 각각 4개 범프, 합계 18개의 골드 범프를 포함한다. 범프 직경은 발광 소자 압착 접촉시에 범프의 변형에 의해 회로 쇼트닝을 회피하는 80㎛이다. 발광 소자의 설치는 진공 척에 의해 각 발광 소자가 흡인되고, 상기 범프 형성 서브마운트 상에서 300g, 200℃, 138KHz, 및 10㎳ 유지하는 초음파 압착으로 접속된다.
다음으로, 발광 소자를 실장한 서브마운트(103)와 리플렉터(105)가 방열성 기판(104)에 실장된다. 구체적인 순서는 이하와 같다. 방열성 기판에 서브마운트 및 리플렉터가 Sn-Ag-Cu계 땜납 페이스트에 설치된다. 페이스트는 스크린 인쇄 방법에 의해 방열성 기판에 도포된다. 메탈 마스크 두께는 100μ이다. 도포 영역의 사이즈는 서브마운트면 근처의 1.2㎜의 정방형에서 중앙에 폭 0.2㎜의 p 및 n 전극을 분리하고 절연부를 제한하는 랜드(즉, 1.2㎜×0.5㎜의 장방형의 랜드가 0.2㎜의 간격에서 2개)와, 리플렉터측에 외형이 직경 6㎜의 원형 및 내부는 변 1.3㎜의 정방형 랜드에 의해 제한된다. 땜납 페이스트가 도포된 방열성 기판에는 발광 소자가 탑재된 서브마운트 및 리플렉터가 전송 로봇에 의해 실어진다. 서브마운트 및 리플렉터가 실장된 방열성 기판은 콘베이어에 의해 리플로우에 공급되어 납땜된다. 리플로우노에서, 80초 동안에 175℃로 승온하고, 60초 동안 유지되고, 그 후 30초 동안에 235℃로 승온해 30초 동안 유지되는 2단의 가열이 질소 분위기중으로 이동된다.
발광 소자(102)를 둘러싸도록 캡(101)이 실장된다. 구체적인 순서는 이하와 같다. 2 액성의 에폭시 수지에서 주성분과 경화제가 중량비로 1:1에서 혼합된다. 혼합된 후 탈기를 충분히 행하여 수지중의 거품이 제거되고, 디스펜서에 의해 캡부의 오목부에 수지가 주입되어 발광 소자를 둘러싸는 것 같이 접착된다. 수지는 120℃에서 4시간 동안 경화된다.
획득된 발광 장치의 통전 시험을 행한 때, 베어칩 발광 소자의 광 추출량에 비교하여 본 실시 형태의 발광 장치는 1.86배의 광 추출량이었다.
또, 상기의 방열성 기판(104)은 종래의 전기 절연, 저열전도율의 인쇄 회로기판을 대신해서 열전도성의 양호한 금속성 베이스 기판으로서 철, 동, 알루미늄판과 같은 일 면에 양호한 열전도성의 질화 알루미늄 필러제를 첨가한 에폭시 수지(이하 “열전도 수지층”으로서 언급)를 도포한 전기 절연층이 있다. 동 전극 회로가 에칭에 의해 형성되어, 필요에 따라 전기 절연용 보호층으로서 양호 열전도 수지층을 재도포하는 것과 리플렉터 설치용의 동 회로가 에칭에 의해 형성된다.
상기의 리플렉터(105)는 철, 동, 알루미늄 등의 방열성이 높은 재료로 만드는 것이 바람직하고, 그 내면은 연마에 의해 경면 가공되어, 바탕에 Ni도금을 실시해 그 위에 은도금 또는 알루미늄 증착 등에 의해 경면화된다.
상기의 발광 소자가 실장되는 서브마운트(103)는 방열성의 양호한 질화 알루미늄 시트를 적층 소결해서 만들어지고, 발광 소자 및 방열성 기판의 실장면측에는 텅스텐 표면에 Ni와 은 도금이 형성된 전극 패턴이 그려져 있다. 내부는 적층시에 표면 전극 패턴끼리를 "비아(via)" 또는 전기 전도성 원기둥 모양의 핀에서 관통된 삼차원 배선에 의해 표면으로부터 이면의 전기 전도를 달성한다.
상기 발광 소자(102)의 상부는 그 상방을 수지 형성해서 형성된 캡(101)의 오목부 내부에 충전된 밀봉제(106)에 의해 밀봉된다. 캡(101)의 상면은 제 1 광 추출면이 되고, 그 높이는 발광 소자의 최장 대각선의 길이보다도 높다. 이러한 형상은 발광 소자로부터의 광 입자가 광 입자에게 되돌아가 흡수되는 것을 저감할 수 있다. 충전되는 밀봉제는 발광 소자의 용도에 따라 발광 소자, 도전성 와이어 등을 분위기로부터 보호하는 것이다. 밀봉제는 수지 대신에 저융점 유리도 가능하다. 밀봉제의 구체적인 예로서는 언급된 에폭시 수지, 우레아 수진, 실리콘 등의 내후성이 우수한 수지 또는 유리가 될 수 있다. 또한, 밀봉제에 확산제를 함유시킴으로써 소자로부터의 발광 특성을 완화시켜 시야각을 증가시키는 것도 가능하다.
상기의 발광 소자(102)에 다전류를 투입했을 때, 발광 소자에 생기는 열은 활성층에 손상을 준다. 따라서, 열 저항을 작게 하기 위해서 서브마운트(103)가 생략된 조립으로부터 발광 소자로부터의 열의 흐름은 방열성 기판(104)을 구성하는 전열 휠러 재입 수지층을 거쳐서 방열성 기판의 베이스 금속판 및 금속제 리플렉터(105)에 전달되어 열저항이 보다 감소되어 발광 소자의 신뢰성이 향상된다.
방열성 기판의 베이스 금속판과 서브마운트(103)의 열팽창율은 일반적으로 3~4배 정도 다르기 때문에, 발광 장치가 저온도(-40℃)로부터 고온도(250℃)의 히트 사이클을 반복되어 받게되면, 서브마운트(103)와 방열성 기판(104)의 납땜 접합부에 크랙이 발생되기 쉽다. 열전도 수지층은 크랙 발생 방지를 위한 완충층으로서의 기능도 갖는다.
(비교예 1)
본 비교예에서 제작된 발광 장치의 단면도를 도 16에 도시한다. 캡(101)의 상면과 하면의 간격이 0.75㎜로서, 반도체 발광 소자(102)의 최장 대각선의 길이보다도 작게 한 것을 제외하고, 실시예 1과 같은 방식으로 발광 장치가 제조된다. 획득된 발광 장치에 대해서, 실시형태 1과 같은 방식으로 통전시험될 때, 광 추출량은 베어 칩의 1.6배이다.
(실시예 2)
본 실시형태에서 제작된 발광 장치의 단면도를 도 17에 도시한다. 캡(101)의 형상은 상면 및 하면의 면적비가 1:4가 되고, 상면과 하면의 간격이 발광 소자의 최장 대각선보다 크고, 상면 반경 0.8㎜, 하면 반경 1.6㎜, 높이 1.5㎜의 상부가 절취된 원추형상을 제외하고, 실시형태 1과 같은 방식으로 발광 장치가 제작된다. 획득된 발광 장치에 대해서 실시형태 1과 같은 방식으로 통전 시험될 때, 광 추출량은 베어 칩의 약 1.87배이다.
실시형태 1의 발광 장치와 실시예 2의 발광 장치와의 발광 장치 정면의 광도가 비교될 때, 실시형태 1의 발광 장치를 1과 비교해서 실시형태 2의 발광 장치는 0.2이다.
(비교예 2)
본 비교형태에서 제작된 발광 장치의 단면도가 도 18에 도시된다. 캡(101)의 상면과 하면의 간격을 0.75㎜로서, 반도체 발광 소자(102)의 최장 대각선의 길이보다도 작은 것을 제외하고, 실시형태 2와 같은 방식으로 발광 장치가 제작된다. 획득된 발광 장치에 대해서, 실시형태 1과 같은 방식으로 시험될 때, 광 추출량은 베어 칩의 약 1.6배이다.
(비교예 3)
도 19에 도시된 바와 같이, 캡의 형상이 반경 1.0mm의 반구인 것을 제외하고, 실시예 1과 같은 방식으로 발광 장치가 제작된다. 이것은 노멀 테퍼 캡의 측각도가 연속적으로 변화되는 경우에 대응한다. 획득된 발광 장치가 실시예 1과 같은 방식으로 통전시험될 때, 광 추출량은 베어 칩의 약 1.82배이다.
또한, 실시형태 1의 발광 장치 및 비교형태 3의 발광 장치의 발광 장치 정면의 광도가 비교될 때, 실시예 1의 발광 장치를 1과 비교해서 비교형태 3의 발광 장치는 0.2이다.
본 발명의 발광 장치는 광 추출 효율이 개량되어, 발광 출력이 높고, 옥내외용 조명이나 자동차용의 헤드 램프로서 매우 효과적이므로, 산업상의 이용 가치는 극도로 크다.

Claims (8)

  1. 기판; 상기 기판 상에 서브마운트를 통해서 선택적으로 형성된 반도체 발광 소자; 상기 반도체 발광 소자를 밀봉하는 캡; 및 상기 캡의 주위에 설치된 리플렉터를 포함하는 발광 장치에 있어서:
    상기 캡은 상기 반도체 발광 소자의 상면에 평행한 상면 및 하면을 갖고; 상기 상면 및 하면 사이의 간격은 상기 반도체 발광 소자의 최장 대각선 또는 직경의 1~3 배이고; 또한
    상기 캡의 상면과 하면의 면적비(상면/하면)는 4 이상이고, 상기 캡의 상면과 하면의 대응하는 변의 길이 또는 직경의 비(상면/하면)는 2 이상인 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 캡의 상면과 측면 사이에 형성된 각도는 40°이하인 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 이하의 (1)∼(4)의 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 장치의 제조 방법.
    (1) 기판 상에 선택적으로 서브마운트를 통해서 반도체 발광 소자를 실장하는 공정;
    (2) 상기 기판상에 리플렉터를 실장하는 공정;
    (3) 제 1 항 또는 제 4 항에 기재된 캡을 형성하는 공정; 및
    (4) 상기 캡을 상기 캡의 굴절율 이하의 굴절율을 갖는 재료로 상기 반도체 발광 소자 상방에 체결하는 공정.
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