KR101135579B1 - 적층형 발광다이오드 패키지 및 그의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 복수의 기판이 적층되어 형성되는 발광다이오드 패키지 및 그 제조방법에 관한 것으로써, 각각의 패키지마다 독립적으로 열을 방출하는 구조를 취함으로써 방열효과를 보장하고 제한된 면적에 다수의 패키지를 쌓는 구조를 취함으로써 단위면적당 광선속밀도를 높일 수 있는 발광다이오드 패키지에 관한 것이다.
보다 더 구체적으로 본 발명은, 복수의 기판이 적층되어 형성되는 발광다이오드 패키지에 있어서, 제 1단 패키지 방열판, 상기 제 1단 패키지 방열판의 외부에 형성되는 제 1단 패키지 절연층 및 상기 제 1단 패키지 절연층의 상부와 측단의 소정영역에 증착되며 구리(Cu)로 이루어지는 제 1단 패키지 도전막을 구비하는 제 1단 기판(Substrate); 상기 제 1단 기판의 하부면 또는 측면에 형성되고, 방열핀을 구비하는 방열판; 상기 제 1단 기판의 소정영역 상에 적층되는 제 1발광다이오드(Light Emitting Diode); 상기 제 1단 기판의 양측단에 적층되는 적어도 두 개 이상의 범프(Bump)층; 상기 범프층상에 적층되며, 제 2단 패키지 절연층과, 상기 제 2단 패키지 절연층의 상부 및 측단의 소정영역에 증착되는 구리(Cu)로 이루어지는 제 2단 패키지 도전막을 구비하되, 상기 제 1단 기판의 상부면적보다 작게 형성되는 제 2단 기판; 상기 제 2단 기판상에 적층되는 적어도 두 개 이상의 제 2발광다이오드; 및 상기 제 2단 기판 및 상기 방열핀을 구비하는 방열판을 연결하여 상기 제 2발광다이오드에서 발생한 열을 상기 방열판으로 전달하는 열전달체; 를 포함하는 적층형 발광다이오드 패키지를 제공한다.
적층형, 발광다이오드패키지, CNT, 열전달체, 독립방열, 광선속밀도
Description
본 발명은 복수의 기판이 적층되어 형성되는 발광다이오드 패키지 및 그 제조방법에 관한 것으로써, 각각의 패키지마다 독립적으로 열을 방출하는 구조를 취함으로써 방열효과를 보장하고 제한된 면적에 다수의 패키지를 쌓는 구조를 취함으로써 단위면적당 광선속밀도를 높일 수 있는 발광다이오드 패키지에 관한 것이다.
최근, 지구환경의 온난화와 화석연료의 고갈 등의 문제로 인해 친환경 녹색기술에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이러한 친환경 기술의 대표적인 예로는 태양전지, 전기자동차, 풍력발전설비 등을 들 수 있으며, 특히 조명분야와 관련하여 발광 다이오드(Light Emitting Diode) 및 발광다이오드 패키지를 이용한 어플리케이션에 관한 개발과 연구가 급속도로 진행되고 있다.
발광다이오드(Light Emitting Diode; LED)는 반도체의 P-N접합구조를 이용하여 주입된 소수캐리어(전자 또는 정공)를 만들어내고 이들의 재결합에 의하여 빛에 너지를 방출하는 반도체소자로서, i) 종래의 광원에 비해 소형이고 ii) 수명이 길며 iii) 전기에너지가 빛에너지로 직접 변환하기 때문에 발광효율이 높고 iv) 저전력을 소모하기 때문에, 자동차 계기류의 표시소자, 자동차의 전조등, 가로등, 어선의 집어등, 광통신용 광원 등 가정용 조명기구에서 산업용 조명기구에 이르기까지 거의 모든 분야에서 LED광원으로 조명용 기구를 대체해 나가고 있다.
상기와 같은 표시장치 및 조명장치 등의 어플리케이션에 발광 다이오드를 적용하기 위하여, 이들에 장착되고 사용되기 용이한 다양한 구조의 발광다이오드 패키지가 개발되고 있다. 또한, 다수의 발광다이오드 패키지를 이용하여 어플리케이션을 형성하기 위해서 인쇄회로기판(Printed Circuit Borad; PCB)에 다수의 발광다이오드 패키지를 실장하여 활용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.
다만, 발광다이오드는 발광효율이 높은 만큼 발열량도 상당하여, 발광다이오드 패키지에는 칩의 열을 외부로 방출시킬 수 있는 방열수단이 필수적으로 구비되어야 하는데 만일 발광다이오드 패키지에 적절한 방열수단이 마련되지 않을 경우에는, 발광다이오드 칩의 온도가 너무 높아져 칩 자체 또는 패키징 수지가 열화하게 되고, 결국 발광효율의 저하와 칩의 단수명화를 초래하게 된다.
특히, 제한된 공간내에 다수의 패키지를 적층해서 형성되는 적층형 발광다이오드 패키지의 경우, 다수의 발광다이오드에서 발생되는 열에 의해 패키지 상호간 열의 상호작용이 일어나 칩의 온도가 높아지는 문제점이 있어서, 결국 기판 자체를 넓게 형성하여 방열구조를 취할 수 밖에 없어서, 발광다이오드 패키지가 적용되는 각종 응용 시스템의 구조가 대형화될 수밖에 없는 문제점이 있었다.
따라서, 적층형 발광다이오드 패키지에 있어서, i) 다수의 패키지 사이에 열의 상호작용이 일어나지 않도록 하는 방열구조를 취하고, ii) 제한된 면적내에서 패키지를 적층하더라도 방열효과에 문제가 없는 패키지를 구성하여, iii) 발광다이오드 패키지가 적용되는 각종 시스템의 소형화를 도출해낼 수 있는 적층형 발광다이오드 패키지 및 그 제조방법이 요구되고 있다.
본 발명은 적층형 발광다이오드 패키지에 있어서, 각각의 단위패키지마다 독립적인 방열구조를 형성함으로써, 패키지 상호간 열의 상호작용을 방지하여 패키지의 안정성을 담보하고, 신속하고 효율적인 방열효과를 보장하는 발광다이오드 패키지 및 그 제조방법을 제공하고자 하는데 목적이 있다.
또한, 본 발명은 각각의 패키지마다 독립적인 방열구조를 취함으로써, 제한된 면적에 보다 다수의 패키지를 형성할 수 있도록 하여 i) 패키지 제작비용을 절감하고, ii) 단위면적당 광선속밀도가 극대화되는 발광다이오드 패키지 및 그 제조방법을 제공하고자 하는데 또다른 목적이 있다.
또한, 본 발명에 의하여 제한된 면적에 다수의 패키지를 적층하여 형성할 수 있으므로 iii) 발광다이오드 패키지가 적용되는 다양한 응용 어플리케이션(Application)이 소형화와 iv) 응용 어플리케이션의 설치 및 제작비용을 절감하는데 또다른 목적이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 본 발명의 기재로부터 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은, 복수의 기판이 적 층되어 형성되는 발광다이오드 패키지에 있어서, 제 1단 패키지 방열판, 상기 제 1단 패키지 방열판의 외부에 형성되는 제 1단 패키지 절연층 및 상기 제 1단 패키지 절연층의 상부와 측단의 소정영역에 증착되며 구리(Cu)로 이루어지는 제 1단 패키지 도전막을 구비하는 제 1단 기판(Substrate); 상기 제 1단 기판의 하부면 또는 측면에 형성되고, 방열핀을 구비하는 방열판; 상기 제 1단 기판의 소정영역 상에 적층되는 제 1발광다이오드(Light Emitting Diode); 상기 제 1단 기판의 양측단에 적층되는 적어도 두 개 이상의 범프(Bump)층; 상기 범프층상에 적층되며, 제 2단 패키지 절연층과 상기 제 2단 패키지 절연층의 상부 및 측단의 소정영역에 증착되는 구리(Cu)로 이루어지는 제 2단 패키지 도전막을 구비하되, 상기 제 1단 기판의 상부면적보다 작게 형성되는 제 2단 기판; 상기 제 2단 기판상에 적층되는 적어도 두 개 이상의 제 2발광다이오드; 및 상기 제 2단 기판 및 상기 방열핀을 구비하는 방열판을 연결하여 상기 제 2발광다이오드에서 발생한 열을 상기 방열판으로 전달하는 열전달체; 를 포함하는 적층형 발광다이오드 패키지를 제공한다.
본 발명에서, 상기 제 1단 패키지 절연층 또는 제 2단 패키지 절연층은, 3 W/mK 내지 5000W/mK의 열전도도를 갖는 물질을 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 적층형 발광다이오드 패키지를 포함한다.
삭제
본 발명에서 상기 제 1단 기판 및 제 2단기판 사이에 공기(Air)층이 형성되도록 상기 제 1단 기판과 제 2단기판을 범프층을 이용하여 접합시키는 것을 특징으로 하는 적층형 발광다이오드 패키지를 포함한다.
본 발명에서 상기 범프층은, 0.03 W/mK 내지 0.3W/mK의 열전도도를 갖는 물질을 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 적층형 발광다이오드 패키지를 포함한다.
본 발명에서 상기 제 2단 기판은, 제 1발광다이오드에서 발생되는 빛이 트랩(Trap)되지 않도록 제 1발광다이오드를 향한 단면의 끝단이 삼각형 모양으로 형성되는 것을 특징으로 하는 적층형 발광다이오드 패키지를 포함한다.
본 발명은 상기 제 2발광다이오드의 하부면에 수평방향으로 1,000 W/mK 내지 5,000W/mK의 열전도도를 가지는 물질로 형성되는 열전달층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 적층형 발광다이오드 패키지를 포함한다.
본 발명은 상기 범프층의 외부면 및 제 2단 패키지 절연층의 소정영역에 수평방향으로 1,000 W/mK 내지 5,000W/mK의 열전도도를 가지는 물질을 이용하여 코팅하고, 수평방향의 방열핀을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 적층형 발광다이오드 패키지를 포함한다.
본 발명에서 상기 열전달층의 구성물질 또는 상기 범프층의 코팅물질은, 카본 나노 튜브(CNT)로 형성되는 것을 특징으로 하는 적층형 발광다이오드 패키지를 포함한다.
본 발명은 상기 제 1 발광다이오드 내지 상기 제 2발광다이오드의 상부를 커버하는 전반사렌즈를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 적층형 발광다이오드 패키지를 포함한다.
본 발명은 적층형 발광다이오드 패키지의 제작방법에 있어서, 방열판의 상부 및 측면의 소정영역에 제 1단 패키지 방열판, 제 1단 패키지 절연층 및 제 1단 패키지 도전막을 구비하는 제 1기판을 적층하는 단계; 상기 제 1단 기판상의 소정영역에 제 1발광다이오드를 적층하고 봉지재를 형성하는 단계; 상기 제 1단 기판의 양측단의 소정영역상에 적어도 두 개 이상의 범프층을 형성하는 단계; 상기 범프층상에, 제 2단 패키지 절연층과, 상기 제 2단 패키지 절연층의 상부 및 측단의 소정영역에 증착되는 제 2단 패키지 도전막을 구비하는 제 2단 기판을 적층하는 단계; 상기 제 2단 기판상에 적어도 두 개 이상의 제 2발광다이오드를 적층하고 봉지재를 형성하는 단계; 및 상기 방열핀을 구비하는 방열판과 상기 제 2단 기판을 연결하는 열전달체를 형성하는 단계;를 포함하는 적층형 발광다이오드 패키지의 제조방법을 제공한다.
본 발명은 상기 제 2단 기판의 적층단계 후에, 상기 범프층의 외부면 및 상기 제 2단 패키지 절연층의 측면부에 수평방향으로 카본 나노 튜브(CNT)를 이용하여 코팅하는 단계; 상기 코딩된 범프층 및 제 2단 패키지 절연층의 측면부에 수평방향으로 방열핀을 형성하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 적층형 발광다이오드 패키지의 제조방법을 포함한다.
본 발명은 상기 제 2단 기판의 적층단계 후에, 상기 제 2단 기판의 소정영역 상에 열전달층을 적층하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 적층형 발광다이오드 패키지의 제조방법을 포함한다.
본 발명은 상기 열전달체 형성단계 후에, 상기 제 1 발광다이오드 내지 상기 제 2발광다이오드의 상부를 커버하는 전반사렌즈를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 적층형 발광다이오드 패키지의 제조방법을 포함한다.
본 발명에 의하여 적층형 발광다이오드 패키지에 있어서, 각각의 단위패키지마다 독립적인 방열구조를 형성함으로써, i) 신속하고 효율적인 방열효과를 보장하고, ii) 패키지 상호간 열의 상호작용을 방지하여 패키지의 안정성(stability)를 보장하는 발광다이오드 패키지 및 그 제조방법을 제공하는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의하여 각각의 패키지마다 독립적인 방열구조를 취함으로써, 제한된 면적에 보다 다수의 패키지를 형성할 수 있도록 설계할 수 있고, 이로써 단위면적당 광선속밀도가 극대화되는 발광다이오드 패키지 및 그 제조방법을 제공하는 효과가 있다.
아울러, 본 발명에 의하여 제한된 면적에 다수의 패키지를 적층하여 형성할 수 있으므로 발광다이오드 패키지의 제작비용이 절감되고, 발광다이오드 패키지가 적용되는 가로등 및 자동차 전조등 등의 다양한 응용 어플리케이션(Application)이 소형으로 제작될 수 있어, 응용 어플리케이션의 설치 및 제작비용도 절감되는 효과가 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 적층형 발광다이오드 패키지의 구성도이다.
본 발명은 i) 각각의 단위 패키지마다 독립적 냉각방식 또는 독립적 방열구조를 형성함으로써, 방열효과를 극대화하고, ii) 제한된 면적상에 다수의 패키지를 적층하더라도 방열효과에 문제가 없으며, iii) 제한된 면적상에 보다 많은 패키지를 적층할 수 있으므로 단위면적당 광선속밀도가 극대화되고, iv) 패키지의 하부기판을 넓게 설계할 필요가 없어 설계효율이 높고 제작비용이 절감되는 적층형 발광다이오드 패키지를 제공한다.
도 1을 참조하면, 제 1단 기판(Substrate)은 i) 제 1단 패키지 방열판(8), ii)제 1단 패키지 절연층(9) iii) 제 1단 패키지 도전막(10)을 포함한다. 제 1단 기판의 하부면 또는 측면에는 방열핀을 구비하는 방열판이 형성되게 된다.
제 1단 패키지 절연층(9)은 제 1패키지 방열판(8)의 외부에 코팅될 수 있고, 이러한 제 1단 패키지 절연층(9)의 외부의 소정영역에 구리(Cu)로 이루어지는 제 1단 패키지 도전막(10)을 코팅하여 제 1단 기판을 형성할 수 있다.
본 발명에서 제 1단 패키지 절연층(9)은, 3 W/mK 내지 5000W/mK의 열전도도를 갖는 물질을 이용하여 형성될 수 있는데, 이는 하나의 물질에 한정되는 것이 아니라 여러 가지 종류의 물질을 혼합하거나 층으로 쌓아서 형성할 수 있음은 물론이다.
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제 1단 패키지 절연층(9)의 상부면, 측면과 하부면의 일부분에 제 1단 패키지 도전막(10)을 형성할 수 있는데, 이는 하부에 형성되는 방열핀을 구비하는 방열판으로 열을 신속하게 배출하기 위함이다.
상기 제 1단 기판의 소정영역상에는 제 1발광다이오드(1)(Light Emitting Diode)가 적층되게 된다. 제 1발광다이오드(1)의 적층위치는 제 2발광다이오드(19)의 적층 및 이로인한 배광분포 등을 고려하여 설계되어야 할 것이다.
본 발명은 상기 제 1단 기판의 양측단에 적층되는 적어도 두 개 이상의 범프(Bump)층을 포함할 수 있다. 상기 범프층(5)은, 0.03 W/mK 내지 0.3W/mK의 열전도도를 갖는 물질을 이용하여 형성하는 것이 바람직하다. 왜냐하면, 후술할 열전달체(4) 등 패키지마다 독립적인 방열구조를 취하기 때문에 제 2단 기판에서 발생한 열이 제 1단 기판상으로 전달되는 것은 바람직하지 않기 때문이다.
또한, 범프층(5)은 탄성이 좋은 물질을 이용하여 형성하는 것이 바람직하다. 이는 패키지가 외부충격을 받아도 각 단마다 접합상태를 유지하여 패키지의 안정성을 보장하기 위함이다.
상기 범프층(5) 상에 제 2단 기판이 적층되게 되는데, 상기 제 2단 기판은 i) 제 2단 패키지 절연층(7)과 ii) 제 2단 패키지 도전막(21)을 구비할 수 있다.
본 발명에서 제 2단 패키지 절연층(7)은, 3 W/mK 내지 5000W/mK의 열전도도를 갖는 물질을 이용하여 형성될 수 있는데, 이는 전술한 제 1단 패키지 절연층(9)의 내용과 동일하다. 또한 구리로 구성되는 제 2단 패키지 도전막(21)을 구비할 수 있다.
제 2단 기판은 제 1단 기판상의 제 1발광다이오드(1)의 배광분포를 고려하여 설계되어야 하므로, 제 1발광다이오드(1)를 향한 단면의 끝단이 삼각형 모양으로 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 독립적 방열구조를 취하기 위해서, 상기 제 1단 기판 및 제 2단기판 사이에 공기(Air)층이 형성되도록 설계되어야 한다. 따라서, 제 1단 기판과 제 2단기판은 공기층(Air)층 부분에 있어서는 단열이 되고, 접합부분인 범프층(5)을 통해 서도 열이 거의 전달되지 않아 각 단마다 별개로 방열구조를 취하게 되는 것이다.
본 발명에서는 상기 제 2단 기판상에 적층되는 적어도 두 개 이상의 제 2발광다이오드(19)가 적층되게 되는데, 상기 제 2발광다이오드(19)의 하부면에 수평방향으로 1,000 W/mK 내지 5,000W/mK의 열전도도를 가지는 물질로 형성되는 열전달층(20)을 더 구비할 수 있다. 예를 들면 카본 나노 튜브(CNT)를 이용하여 열전달층(20)을 형성할 수 있는데, 상기 열전달 층에 의해 수평방향으로 신속하게 열을 이송시킬 수 있다.
즉, 열전달층(20)은 제 2단기판의 하부면으로의 열의 이송에는 관여하지 않으나, 후술할 제 2기판과 방열판을 연결시키는 열전달체(4)에 신속하게 열을 전달하게 방열효과를 극대화하는 역할을 수행한다고 할 수 있다.
본 발명은 열전달체(4)를 포함하는데, 상기 열전달체(4)는 제 2단 기판 및 방열핀을 구비하는 방열판을 연결하여 제 2발광다이오드(19)에서 발생한 열을 방열판으로 전달하는 역할을 수행할 수 있다. 상기 열전달체(4)는 열전도도가 좋은 물질이라면 어떠한 것이라도 제한없이 이용할 수 있을 것이다.
본 발명은 상기 제 1 발광다이오드 내지 상기 제 2발광다이오드(19)의 상부를 커버하는 전반사렌즈(2)를 더 포함할 수 있는데, 이러한 전반사렌즈(2)에 의해 단위면적당 광선속밀도가 더욱 증가할 수 있다.
이외에도 본 발명은 필요에 따라서, 봉지재(3), PCB 절연층(11), 플런져 하부체(12), 방열판 코팅절연막(13), 플런져 스프링(16), 플런져 상부체(17), PCB 도전막(18) 등을 추가하여 발명을 구성하는 것이 가능하다. (도 1참조)
또한 본 발명은 단지 2단의 패키지에 한하지 않고, 3단,4단, 5단 등 발명의 필요에 따라 제한되지 않고 다수의 단을 가진 패키지를 형성하는 것이 가능하다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 적층형 발광다이오드 패키지의 간략구성도이다.
제 2단 기판은 제 1단 기판상에 적층된 제 1발광다이오드(1)에서 발생하는 빛이 트랩되지 않도록 형성되는 것이 바람직하며, 이는 단위면적당 광선속밀도를 극대화하기 위한 설계라고 할 수 있다.
제 1발광다이오드(1)의 중심과 제 2단 기판의 끝단까지의 거리(L)과 제 1발광다이오드(1)에서 생성되는 빛의 배광분포를 고려하여 제 2단 기판의 끝단부분은 삼각형 모양으로 형성되는 것이 바람직하다. 이 때, 상기 삼각형에서 각도(Θ)를 고려하여 2단 기판을 설계하는 것이 편리할 것이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 적층형 발광다이오드가 포함하는 제 1단 기판의 확대도이다.
제 1단 기판은, 제 1단 패키지 방열판(8), 제 1패키지 절연층 및 제 1단 패키지 도전막(10)을 포함하여 구성될 수 있는데, 제 1단 패키지 절연층(9)은 제 1단 패키지 방열판(8)의 외부에 코팅될 수 있고, 이러한 제 1단 패키지 절연층(9)의 외부의 소정영역에 구리(Cu)로 이루어지는 제 1단 패키지 도전막(10)을 코팅하여 형성할 수 있다.
상기 제 1단 패키지 절연층(9)은, 3 W/mK 내지 5000W/mK의 열전도도를 갖는 물질을 이용하여 형성될 수 있다.
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도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 수평방향의 방열핀이 구비되는 적층형 발광다이오드 패키지의 구성도이다.
본 발명은 상기 범프층(5)의 외부면 및 제 2단 패키지 절연층(7)의 소정영역에 수평방향으로 1,000 W/mK 내지 5,000W/mK의 열전도도를 가지는 물질을 이용하여 코팅하고, 수평방향의 방열핀(25)을 더 구비하여 구성할 수 있다. 상기 범프층(5) 등의 코팅물질(24)은 카본 나노 튜브(CNT)로 형성될 수 있다.
도 4를 참조하면, 범프층(5) 외부면과 제 2단 패키지 절연층(7)의 소정영역에 카본 나노튜 등의 물질이 코팅되어 있는 모습과 상기 코팅물질(24)과 수평방향으로 연결되는 방열핀을 도시하고 있다.
이러한 수평방향으로 1,000 W/mK 내지 5,000W/mK의 열전도도를 가지는 카본 나노 튜브 등은, 즉 3차원의 관점에서 X방향 또는 Y방향으로 1,000 W/mK 이상의 열전도도를 가지나, Z방향으로는 3 내지 10 W/mK의 열전도도를 가지기 때문에, 패키지상에서 수평방향으로 신속하게 열을 이송할 뿐 수직방향으로는 열을 전달하지 않는다. 따라서, 제 2단 기판상에서 발생한 열은 상기 수평방향의 방열핀(25)을 통하여 외부로 배출되고 제 1단 기판으로 전달되지 않는다고 할 수 있다.
본 발명에서는 단위면적당 열선속이 0.5W/mm2 이상인 경우에는 상술한 코팅물질(24)과 수평방향의 방열핀(25)을 갖는 것으로 구성함이 바람직하고, 단위면적당 열선속이 0.5W/mm2 이하인 경우에는 상기 열전달체(4)를 이용하고 수직방향의 방열핀을 갖는 방열판을 이용하여 발명을 구성하는 것이 바람직하다.
도 5는 본 발명의 일실시예 따른 열전달층이 구비되는 적층형 발광다이오드 패키지의 구성도이다.
도 5를 참조하면, 제 2발광다이오드(19)의 하부면에 열전달층(20)을 더 구비하고 있음을 알 수 있다. 본 발명에서는 상기 제 2단 기판상에 적층되는 적어도 두 개 이상의 제 2발광다이오드(19)가 적층되게 되는데, 상기 제 2발광다이오드(19)의 하부면에 수평방향으로 1,000 W/mK 내지 5,000W/mK의 열전도도를 가지는 물질로 형성되는 열전달층(20)을 더 구비할 수 있다. 즉, 수평방향으로 높은 열전도도를 갖는 카본 나노 튜브(CNT) 등을 이용하여 열전달층(20)을 형성하여 수평방향으로 신속하게 열을 이송시킬 수 있다.
제 2단 기판상에 열전달층(20)을 더 구비하게 되면, 수평방향으로 열을 전달하여 종국적으로 열전달체(4)에 신속하게 열을 전달하게 되고, 방열핀을 구비한 방열판을 통해 더욱 빠르게 방열이 되므로, 패키지의 효율성을 높이고, 안정성을 더욱 담보하게 된다고 할 수 있다.
도 6a 내지 도 6j는 본 발명의 일실시예에 따른 적층형 발광다이오드 패키지의 제작순서에 따른 모습을 나타낸 단계별 예시도이다.
도 6a는 제 1단 패키지 방열판(8)에 제 1단 패키지 절연층(9) 및 제 1단 패키지 도전막(10)을 증착하여 제 1단 기판을 구성하고, 상기 제 1단기판의 소정영역상에 제 1발광다이오드(1)를 증착한 모습을 나타내고 있다.
도 6b는 방열핀이 구비되는 방열판 상에 상기 제 1단기판을 적층한 모습을 나타내고 있다.
도 6c는 상기 제 1단기판상에 제 2단기판을 범프층(5)을 이용하여 적층한 모습을 나타내고 있다. 제 2단 기판은 제 2단 패키지 절연층(7), 제 2단 패키지 도전막(21) 및 열전달층(20)을 구비할 수 있으며, 제 2발광다이오드(19)를 상부에 적층할 수 있다.
도 6d는 상기 제 1단기판상에 제 2단 기판을 범프층(5)을 이용하여 적층한 모습의 측면도이다. 본 발명은 필요에 따라 플렌져 스프링(16) 등을 이용하여 방열판과 제 1단 기판의 결합을 공고히 하여 패키지의 안정성을 높일 수 있다.
도 6e는 상기 제 2단 기판 상에 열전달체(4)를 형성한 모습을 나타내고 있다. 이와 같이 열전달체(4)를 형성함으로써, 독립 방열 구조가 완성되게 되며, 제 2단 기판에서 발생한 열은 열전달체(4)를 통하여, 제 1단 기판과 연결되는 방열판과 격리된 타 방열판을 통하여 열이 배출될 수 있다.
도 6f는 상기 제 2단 기판 상에 제 3단 기판(23)이 형성된 모습을 나타내고 있다. 이와 같이 본 발명에서는 단지 제 2단 기판의 형성에 한하지 않고, 발명의 필요에 따라 3단, 4단 5단 등으로 확장해서 패키지를 구성할 수 있는 장점이 있다. 다만, 복수의 단이 형성되는 경우에는 하단의 발광다이오드에서 발생하는 빛의 배 광 분포를 고려하여 설계되어야 할 것이다.
도 6g는 제 2단 기판상에 제 3단 기판(23)이 형성된 모습의 측면도이다.
도 6h는 상기 제 1단 기판 내지 제 3단 기판(23)상의 발광다이오드, 즉 제 1발광다이오드 (1)내지 제 3발광다이오드(22)를 커버하는 전반사렌즈(2)를 형성한 모습을 나타내고 있다. 이와 같은 전반사렌즈(2)의 구비로, 빛의 포커싱이 더욱 좋아지므로 단위면적당 광선속밀도는 더욱 향상되게 된다.
도 6i는 제 1발광다이오드 (1)내지 제 3발광다이오드(22)를 커버하는 전반사렌즈(2)를 형성한 모습의 측면도이다.
도 6j는 복수의 기판을 포함하는 적층형 발광다이오드 패키지의 완성형태를 도시하고 있다.
종합하면, 본 발명은 i) 제 2단 기판에 한하지 않고 복수의 기판을 적층하여 패키지를 구성하는 것이 가능하고, ii) 각각의 단마다 별도의 열전달체(4)를 구비하여 독립방열구조를 취하도록 형성되며, iii) 제한된 면적이라도 종래기술에 비해 보다 많은 발광다이오드를 적층할 수 있도록 설계될 수 있는바, 광선속밀도가 우수하고 방열효과가 극대화되는 발광다이오드 패키지를 제공한다고 할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 적층형 발광다이오드 패키지의 제작방법에 대한 순서도이다.
먼저 방열판의 상부 및 측면의 소정영역에 제 1기판을 적층하는 단계(s701)를 거치고, 상기 제 1단 기판상의 소정영역에 제 1발광다이오드를 적층하고 봉지재를 형성하는 단계(s702)를 거치게 된다.
다만, 본 발명에서는 필요에 따라, 제 1기판상에 제 1발광다이오드를 적층하고 난 후 방열판에 부착하는 방법도 가능하고, 제 1기판을 방열판에 부착하고 난 후 제 1발광다이오드를 적층하는 방법도 가능하다.
이후, 상기 제 1단 기판의 양측단의 소정영역상에 적어도 두 개 이상의 범프층을 형성하는 단계(S703)를 거치게 된다. 상기 범프층은 제 2단 기판상에서 발생되는 열을 제 1단 기판상으로 전달하지 않기 위해서 열전도도가 낮은 물질로 형성되며, 또한 패키지의 접합성 및 안정성을 보장하기 위해 탄성이 있는 매질로 형성되는 것이 바람직하다.
이후 범프층상에, 제 2단 패키지 절연층 및 제 2단 패키지 도전막을 구비하는 제 2단 기판을 적층하는 단계(S704)를 거친다.
상기 제 2단 기판의 적층단계(S704) 이후, 발명의 필요에 따라 제 2단 기판의 소정영역 상에 열전달층을 적층하는 단계(S705)를 밟을 수 있다. 이러한 열전달층은 수평방향으로 열전달을 신속하고 용이하게 하기 위함이다.
또한, 상기 제 2단 기판의 적층단계 (S704)후에, 상기 범프층의 외부면 및 상기 제 2단 패키지 절연층의 측면부에 수평방향으로 카본 나노 튜브(CNT)를 이용하여 코팅하는 단계 및 상기 코딩된 범프층 및 제 2단 패키지 절연층의 측면부에 수평방향으로 방열핀을 형성하는 단계를 더 밟을 수 있다. 이러한 단계는 단위면적당 열선속이 0.5w/mm2 이상인 경우에 형성하는 것이 바람직하다.
상기 열전달층 적층단계(S705)후, 제 2단 기판상에 적어도 두 개 이상의 제 2발광다이오드를 적층하고 봉지재를 형성하는 단계(S706)를 거쳐서, 방열판과 상기 제 2단 기판을 연결하는 열전달체를 형성하는 단계(S707)를 거치게 되면 독립방열구조가 완성되게 된다.
끝으로 상기 열전달체 형성단계(S7070) 후에, 상기 제 1발광다이오드 내지 상기 제 2발광다이오드의 상부를 커버하는 전반사렌즈를 형성하는 단계(S708)를 거치게 되면 본 발명의 의한 적층형 발광다이오드 패키지의 제조방법은 마무리되게 된다.
이상 본 발명의 구체적 실시형태와 관련하여 본 발명을 설명하였으나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 설명된 실시형태를 변경 또는 변형할 수 있으며, 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 적층형 발광다이오드 패키지의 구성도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 적층형 발광다이오드 패키지의 간략구성도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 적층형 발광다이오드가 포함하는 제 1단 기판의 확대도.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 수평방향의 방열핀이 구비되는 적층형 발광다이오드 패키지의 구성도.
도 5는 본 발명의 일실시예 따른 열전달층이 구비되는 적층형 발광다이오드 패키지의 구성도.
도 6a 내지 도 6j는 본 발명의 일실시예에 따른 적층형 발광다이오드 패키지의 제작순서에 따른 모습을 나타낸 단계별 예시도.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 적층형 발광다이오드 패키지의 제작방법에 대한 순서도.
{도면의 주요부호에 대한 설명}
1: 제 1발광다이오드
2: 전반사렌즈
3: 봉지재
4: 열 전달체
5: 범프층
6: 비아홀
7: 제 2단 패키지 절연층
8: 제 1단 패키지 방열판
9: 제 1단 패키지 절연층
10: 제 1단 패키지 도전막
11: PCB 절연층
12: 플런져 하부체
13: 방열판 코팅 절연막
14: 방열핀
15: 방열핀을 구비하는 방열판
16: 플런져 스프링
17: 플런져 상부체
18: PCB 도전막
19: 제 2발광다이오드
20: 열 전달층
21: 제 2단 패키지 도전막
22: 제 3발광다이오드
23: 제 3단 기판
24: 코팅물질
25: 수평방향의 방열핀
26: 구리층 또는 알루미늄층
27: 니켈 도금막
28: 금, 은 또는 주석 중에서 선택되는 어느 하나의 물질로 이루어지는 층
Claims (14)
- 복수의 기판이 적층되어 형성되는 발광다이오드 패키지에 있어서,제 1단 패키지 방열판, 상기 제 1단 패키지 방열판의 외부에 형성되는 제 1단 패키지 절연층 및 상기 제 1단 패키지 절연층의 상부와 측단의 소정영역에 증착되며 구리(Cu)로 이루어지는 제 1단 패키지 도전막을 구비하는 제 1단 기판(Substrate);상기 제 1단 기판의 하부면 내지 측부면에 형성되고, 방열핀을 구비하는 방열판;상기 제 1단 기판의 소정영역상에 적층되는 제 1발광다이오드(Light Emitting Diode);상기 제 1단 기판의 양측단에 적층되는 적어도 두 개 이상의 범프(Bump)층;상기 범프층상에 적층되며, 제 2단 패키지 절연층과, 상기 제 2단 패키지 절연층의 상부 및 측단의 소정영역에 증착되는 구리(Cu)로 이루어지는 제 2단 패키지 도전막을 구비하되, 상기 제 1단 기판의 상부면적보다 작게 형성되는 제 2단 기판;상기 제 2단 기판상에 적층되는 적어도 두 개 이상의 제 2발광다이오드; 및상기 제 2단 기판 및 상기 방열핀을 구비하는 방열판을 연결하여 상기 제 2발광다이오드에서 발생한 열을 상기 방열판으로 전달하는 열전달체;를 포함하는 적층형 발광다이오드 패키지.
- 제 1항에 있어서, 상기 제 1단 패키지 절연층 또는 제 2단 패키지 절연층은,3 W/mK 내지 5000W/mK의 열전도도를 갖는 물질을 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 적층형 발광다이오드 패키지.
- 삭제
- 제 1항에 있어서, 상기 제 1단 기판 및 제 2단기판 사이에 공기(Air)층이 형성되도록 상기 제 1단 기판과 제 2단기판을 범프층을 이용하여 접합시키는 것을 특징으로 하는 적층형 발광다이오드 패키지.
- 제 1항에 있어서, 상기 범프층은,0.03 W/mK 내지 0.3W/mK의 열전도도를 갖는 물질을 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 적층형 발광다이오드 패키지.
- 제 1항에 있어서, 상기 제 2단 기판은,제 1발광다이오드에서 발생되는 빛이 트랩(Trap)되지 않도록 제 1발광다이오 드를 향한 단면의 끝단이 삼각형 모양으로 형성되는 것을 특징으로 하는 적층형 발광다이오드 패키지.
- 제 1항에 있어서,상기 제 2발광다이오드의 하부면에 수평방향으로 1,000 W/mK 내지 5,000W/mK의 열전도도를 가지는 물질로 형성되는 열전달층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 적층형 발광다이오드 패키지.
- 제 1단 패키지 방열판, 상기 제 1단 패키지 방열판의 외부에 형성되는 제 1단 패키지 절연층 및 상기 제 1단 패키지 절연층의 상부와 측단의 소정영역에 증착되며 구리(Cu)로 이루어지는 제 1단 패키지 도전막을 구비하는 제 1단 기판(Substrate);상기 제 1단 기판의 하부면 내지 측면에 형성되고, 방열핀을 구비하는 방열판;상기 제 1단 기판의 소정영역상에 적층되는 제 1발광다이오드(Light Emitting Diode);상기 제 1단 기판의 양측단에 적층되는 적어도 두 개 이상의 범프(Bump)층;상기 범프층상에 적층되며, 제 2단 패키지 절연층과, 상기 제 2단 패키지 절연층의 상부 및 측단의 소정영역에 증착되는 구리(Cu)로 이루어지는 제 2단 패키지 도전막을 구비하되, 상기 제 1단 기판의 상부면적보다 작게 형성되는 제 2단 기판; 및상기 제 2단 기판상에 적층되는 적어도 두 개 이상의 제 2발광다이오드;를 포함하는 적층형 발광다이오드 패키지에 있어서,상기 범프층의 외부면 및 제 2단 패키지 절연층의 소정영역에 수평방향으로 1,000 W/mK 내지 5,000W/mK의 열전도도를 가지는 물질을 이용하여 코팅하고, 수평방향의 방열핀을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 적층형 발광다이오드 패키지.
- 제 7항 또는 제 8항에 있어서, 상기 열전달층의 구성물질 또는 상기 범프층의 코팅물질은,카본 나노 튜브(CNT)로 형성되는 것을 특징으로 하는 적층형 발광다이오드 패키지.
- 제 1항에 있어서, 상기 제 1 발광다이오드 내지 상기 제 2발광다이오드의 상부를 커버하는 전반사렌즈를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 적층형 발광다이오드 패키지.
- 적층형 발광다이오드 패키지의 제작방법에 있어서,방열핀을 구비하는 방열판의 상부 및 측면의 소정영역에 제 1단 패키지 방열판, 제 1단 패키지 절연층 및 제 1단 패키지 도전막을 구비하는 제 1기판을 적층하는 단계;상기 제 1단 기판상의 소정영역에 제 1발광다이오드를 적층하고 봉지재를 형성하는 단계;상기 제 1단 기판의 양측단의 소정영역상에 적어도 두 개 이상의 범프층을 형성하는 단계;상기 범프층상에, 제 2단 패키지 절연층과, 상기 제 2단 패키지 절연층의 상부 및 측단의 소정영역에 증착되는 제 2단 패키지 도전막을 구비하는 제 2단 기판을 적층하는 단계;상기 제 2단 기판상에 적어도 두 개 이상의 제 2발광다이오드를 적층하고 봉지재를 형성하는 단계; 및상기 방열핀을 구비하는 방열판과 상기 제 2단 기판을 연결하는 열전달체를 형성하는 단계;를 포함하는 적층형 발광다이오드 패키지의 제조방법.
- 적층형 발광다이오드 패키지의 제작방법에 있어서,방열핀을 구비하는 방열판의 상부 및 측면의 소정영역에 제 1단 패키지 방열판, 제 1단 패키지 절연층 및 제 1단 패키지 도전막을 구비하는 제 1기판을 적층하는 단계;상기 제 1단 기판상의 소정영역에 제 1발광다이오드를 적층하고 봉지재를 형성하는 단계;상기 제 1단 기판의 양측단의 소정영역상에 적어도 두 개 이상의 범프층을 형성하는 단계;상기 범프층상에, 제 2단 패키지 절연층과, 상기 제 2단 패키지 절연층의 상부 및 측단의 소정영역에 증착되는 제 2단 패키지 도전막을 구비하는 제 2단 기판을 적층하는 단계;상기 범프층의 외부면 및 상기 제 2단 패키지 절연층의 측면부에 수평방향으로 카본 나노 튜브(CNT)를 이용하여 코팅하는 단계; 및상기 코딩된 범프층 및 제 2단 패키지 절연층의 측면부에 수평방향으로 방열핀을 형성하는 단계; 및상기 제 2단 기판상에 적어도 두 개 이상의 제 2발광다이오드를 적층하고 봉지재를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 적층형 발광다이오드 패키지의 제조방법.
- 제 11항에 있어서, 상기 제 2단 기판의 적층단계 후에,상기 제 2단 기판의 소정영역 상에 열전달층을 적층하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 적층형 발광다이오드 패키지의 제조방법.
- 제 11항에 있어서, 상기 열전달체 형성단계 후에,상기 제 1 발광다이오드 내지 상기 제 2발광다이오드의 상부를 커버하는 전반사렌즈를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 적층형 발광다이오드 패키지의 제조방법.
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