KR101140607B1 - 칩 레벨의 형광체 코팅 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 LED 칩의 주위에 형광체 코팅층이 원하는 두께와 형태로 균일하게 코팅될 수 있도록 하여 균일한 색 온도 구현과 대량 생산이 가능한 칩 레벨의 형광체 코팅 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 발명은 칩 레벨 형광체 코팅 방법으로서, a) 와이어 본딩 패드가 형성된 LED 칩을 절단하여 평면 기판상에 고정하는 단계; b) 상기 와이어 본딩 패드에 보호를 위한 보호층을 형성하는 단계; c) 상기 LED 칩에 형광체를 도포하여 코팅층을 형성하고, 상기 형성된 형광체 코팅층을 미리 설정된 두께만큼 1차 박리하는 단계; d) 상기 c) 단계에서 박리한 형광체 코팅층의 광학 특성을 측정하여 형광체 코팅층의 최종 두께를 결정하고 상기 결정된 최종 두께에 따라 상기 형광체 코팅층을 2차 박리하는 단계; 및 e) 상기 형광체 코팅층이 최종 두께로 2차 박리된 LED 칩을 절단하는 단계를 포함한다. 따라서 본 발명은 각 LED 칩 별로 광학 특성에 따른 형광체 코팅층의 두께를 결정하므로 지향각 별로 균일한 색 온도를 구현할 수 있는 장점이 있다.

Description

칩 레벨의 형광체 코팅 방법{METHOD FOR COATING PHOSPHOR OF CHIP LEVEL}
본 발명은 칩 레벨 형광체 코팅 방법에 관한 발명으로서, 더욱 상세하게는 LED 칩의 주위에 형광체 코팅층이 원하는 두께와 형태로 균일하게 코팅될 수 있도록 하여 균일한 색 온도 구현과 대량 생산이 가능한 칩 레벨의 형광체 코팅 방법에 관한 것이다.
일반적으로 발광 다이오드(Light Emitting Diode; 이하, LED라함.)는 반도체의 p-n 접합구조를 이용하여 주입된 소수 캐리어(전자)를 만들어내고, 이들의 재결합에 의하여 전기에너지를 빛에너지로 바꾸어 주어 발광시키는 전자부품이다.
즉, 특정 원소의 반도체에 순방향 전압을 가하면 양극과 음극의 접합 부분을통해 전자와 정공이 이동하면서 서로 재결합하는데 전자와 정공이 떨어져 있을 때 보다 작은 에너지가 되므로 이때 발생하는 에너지의 차이로 인해 빛을 방출한다.
이러한 LED는 다양한 색을 구현할 수 있는 반도체 소자로서, GaAs, AlGaAs, GaN, InGaN 및 AlGaInP 등의 화합물 반도체 재료의 변경을 통해 발광원을 구성한다.
한편 LED는 상기 LED를 보호하고 효율을 높이기 위하여 사용 형태에 따라 SMD 타입의 패키지와 램프 타입의 패키지의 LED 칩으로 구성된다.
SMD 타입의 패키지는 LED 칩을 얇은 플라스틱 수지 안에 봉입한 것으로 휴대폰, 모니터 및 LCD TV 등에 사용되는 패널용 LED이고, 램프 타입의 패키지는 투명한 몰드로 LED 칩을 감싸 내부를 보호하고 발생된 빛을 모아주는 렌즈 역할을 한다.
도 1은 일반적인 SMD 타입의 LED 패키지 구조를 나타낸 단면도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, LED 패키지(10)는 기판상에 LED 칩(20)이 실장되고, 실리콘(또는 에폭시)이 소정의 배합 비율에 따라 배합된 후 상기 LED 칩(20)을 덮도록 형광체(30)가 충전되도록 하여 높은 효율의 광학계를 만들게 된다.
그러나 이러한 종래의 LED 패키지(10)는 다음과 같은 단점들이 있다.
첫 번째, 광학계의 광학적인 비친화성으로 LED 칩과 실리콘(또는 에폭시)이 배합된 형광체의 굴절율 차이로 프레즈넬 반사(Fresnel reflections) 및 내부 전반사(Total Internal Reflection; TIR) 손실이 발생되는 문제점이 있다.
두 번째, LED 광 방사의 균일성 부족으로 상이한 두께를 갖는 형광체의 분포로 인해 균일한 광선 각도를 얻기가 더욱 어려워지고, 백색광에서 청색 편이(즉, 청색으로 치우친) 영역과 황색 편이(즉, 황색으로 치우친) 영역이 발견될 수 있다.
즉 LED 칩(20)의 중앙 부분에는 푸른색의 청색 빛이 나타나고, 가장자리에는 황색 빛이 나오는 나이테 현상이 발생하는 문제점이 있다.
세 번째, 형광체의 국부적인 밀도 편차로 인하여 영구적인 광학 좌표를 얻는데 문제점이 있다.
네 번째, 형광체(30)가 LED 패키지(10)의 전체를 덥도록 도포되어 형광체의 낭비로와 이로 인한 제조 원가가 증가하는 문제점이 있다.
다섯 번째, 이러한 LED 패키지(10)는 다수개의 LED 패키지가 하나의 세트로 어레이 되어 있어 절단 과정을 거친 후 단품화되는데 이때 LED 패키지의 두꺼운 두께로 인하여 휠 블레이드의 회전 및 가압에 의한 절단시에 절단된 면이 평탄하게 절단되기 어렵고, 이로 인해 절단된 면에서 균열이 발생되어 생산 수율을 떨어뜨리고 제품의 신뢰성을 저하시키는 문제점이 발생하게 된다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 LED 칩의 주위에 형광체 코팅층이 원하는 두께와 형태로 균일하게 코팅될 수 있도록 하여 균일한 색 온도 구현과 대량 생산이 가능한 칩 레벨의 형광체 코팅 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 칩 레벨 형광체 코팅 방법으로서,
a) 와이어 본딩 패드가 형성된 LED 칩을 절단하여 평면 기판상에 고정하는 단계; b) 상기 와이어 본딩 패드의 보호를 위한 보호층을 형성하는 단계; c) 상기 LED 칩에 형광체를 도포하여 형광체 코팅층을 형성하고, 상기 형성된 형광체 코팅층을 미리 설정된 두께만큼 1차 박리하는 단계; d) 상기 c) 단계에서 박리한 형광체 코팅층의 광학 특성을 측정하여 형광체 코팅층의 최종 두께를 결정하고 상기 결정된 최종 두께에 따라 상기 형광체 코팅층을 2차 박리하는 단계; 및 e) 상기 2차 박리된 LED 칩을 절단하는 단계를 포함한다.
또한, 본 발명에 따른 상기 b) 단계의 보호층은 수용성 고분자 화합물 또는 금속 물질 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 보호층이 수용성 고분자 화합물이면 상기 e) 단계는 상기 고분자 화합물을 제거하는 에칭 공정을 더 수행한 후 상기 형광체 코팅층이 2차로 박리된 LED 칩을 절단하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 상기 수용성 고분자 화합물은 양이온계, 음이온계 및 비이온계 중 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 상기 금속 물질은 Au, Ni/AU 및 Ti/Cu/Ni/Au 중 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 상기 c) 단계의 형광체는 스핀 코팅, 스프레이 코팅, 정전기 증착 또는 형광체 함유 테이프 접착중 어느 하나의 방법을 통해 상기 LED 칩에 코팅되도록 하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 상기 d) 단계의 최종 두께는 광학계를 통해 검출된 형광체 코팅층의 뒤틀림, 상면, 결상 특성 및 파면 수차를 포함한 광학 특성에 따라 결정되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 각 LED 칩 별로 광학 특성에 따른 형광체 코팅층의 두께를 결정하므로 지향각 별로 균일한 색 온도를 구현할 수 있는 장점이 있다.
또한 본 발명은 원하는 색 좌표의 LED 광원을 제작할 수 있어 수율을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 형광체의 사용량을 감소시켜 제조에 따른 원가를 절감할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 LED 칩 주위에 원하는 형태와 두께로 형광체를 코팅하므로 칩 레벨의 대량 생산이 가능한 장점이 있다.
도 1 은 일반적인 LED 패키지 구조를 나타낸 단면도.
도 2 는 본 발명에 따른 칩 레벨의 형광체 코팅 과정을 나타낸 흐름도.
도 3 은 도 2에 따른 칩 레벨의 형광체 코팅 과정에서 와이어 본딩 패드가 형성된 웨이퍼를 나타낸 예시도.
도 4 는 도 2에 따른 칩 레벨의 형광체 코팅 과정에서 웨이퍼를 절단한 LED 칩이 기판에 고정된 상태를 나타낸 예시도.
도 5 는 도 2에 따른 칩 레벨의 형광체 코팅 과정에서 와이어 본딩 패드를 보호하는 고분자 화합물이 도포된 상태를 나타낸 예시도.
도 6 은 도 2에 따른 칩 레벨의 형광체 코팅 과정에서 형광체 코팅층을 형성한 상태를 나타낸 예시도.
도 7 은 도 2에 따른 칩 레벨의 형광체 코팅 과정에서 형광체 코팅층을 1차 박리한 상태를 나타낸 예시도.
도 8 은 도 2에 따른 칩 레벨의 형광체 코팅 과정에서 1차 박리된 형광체 코팅층의 광학 특성을 측정하는 과정을 나타낸 예시도.
도 9 는 도 2에 따른 칩 레벨의 형광체 코팅 과정에서 형광체 코팅층을 2차 박리한 후 절단된 LED 칩을 나타낸 예시도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 칩 레벨의 형광체 코팅 방법의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 칩 레벨의 형광체 코팅 과정을 나타낸 흐름도이고, 도 3 내지 도 9는 도 2에 따른 칩 레벨의 형광체 코팅 과정을 나타낸 예시도이다.
도 2 내지 도 9에 나타낸 바와 같이, LED 칩(100)들은 LED 제조 공정의 LED 웨이퍼(100') 상태로서 상기 LED 칩(100)들은 LED 웨이퍼(100')로부터 개개의 LED 칩(100)으로 분리되기 전의 상태로 제공(S100)된다.
상기 LED 칩(100) 각각은 상이한 방식으로 정렬되는 많은 상이한 반도체 층들을 가질 수 있는 반도체 LED를 포함하고, 상기 LED 칩(100)은 전원 공급시 근자외선 빛이나 청색의 빛을 발생시키는 발광원이다.
또한, 상기 LED 칩(100)은 고출력, 고휘도의 청색광을 발생시키는 질화 갈륨계 발광 다이오드 칩이 바람직하고, 상기 LED 칩(100)은 P극과 N극이 상부면에 형성된 수평형 구조나 P극과 N극이 상부면과 하부면에 각각 형성된 수직형 구조로 구비되며, 이러한 질화 갈륨계 LED 칩(100)은 일반적으로 당업계에 알려진 공지의 반도체 소자이므로 이에 대한 구체적인 구성에 대해서는 설명을 생략한다.
또한, 상기 S100단계에서 LED 웨이퍼(100') 상태로 제공되는 LED 칩(100)은 상부면에 전기적 접촉을 만드는데 이용되는 와이어 본딩 패드(110, 111)가 각각 형성되어 제공되고, 이러한 와이어 본딩 패드(110, 111)는 수평형 또는 수직형으로 구비되는 LED 칩(100)의 구조에 따라 1개 또는 2개로 구비될 수 있다.
즉 상기 LED 칩(100)의 구조가 P극과 N극이 상/하부면에 각각 형성된 수직형 구조로 구비되는 경우, 와이어 본딩 패드는 LED 칩(100)의 상부면에 형성된 P극과 전기적으로 연결되도록 1개가 형성되고, P극과 N극이 상기 LED 칩(100)의 상부면에 모두 형성되는 수평형 구조로 구비되는 경우, 상기 와이어 본딩 패드(110, 111)는 상기 LED 칩(100)의 상부면에 형성된 P극과 N극과 각각 전기적으로 연결되도록 2개가 형성된다.
상기 와이어 본딩 패드(110, 111)는 Au, Al, Cu 등과 같은 전기 전도성이 우수한 재료로 형성될 수 있고, 전기 도금, 무전해 도금, 또는 스퍼드 범핑과 같은 공지의 물리적 또는 화학적 증착 공정을 통해 형성될 수 있다.
상기 S100 단계의 LED 웨이퍼(100')가 제공되면, 레이저 빔 또는 휠 블레이드와 같은 절단기를 이용하여 LED 칩(100)을 절단(커팅)하고, 상기 절단된 각각의 LED 칩(100)들을 실리콘 또는 플라스틱 등의 LED 칩(100) 지지용 기판(200)에 일정 간격으로 고정(S200)되도록 한다.
이후 상기 LED 칩(100)에 형성된 와이어 본딩 패드(110, 111)의 표면이 산소와의 반응으로 산화되는 것을 방지하기 위해 패드 보호용 보호물(300), 예를 들면 수용성 고분자 화합물 용액을 상기 와이어 본딩 패드(110, 111)에 도포하거나 금속 물질 층을 상기 와이어 본딩 패드(110, 111)에 형성하여 보호층이 형성(S300)되도록 한다.
상기 S300 단계에서 패드 보호용 보호물(300)로서, 수용성 고분자 화합물이 도포되면 상기 수용성 고분자 화합물은 이온성 계면 활성제의 흡착과 같이 입자 계면에 물리적으로 흡착되어 산화 방지막을 형성한다.
또한, 본 실시예에서의 수용성 고분자 화합물은 양이온계, 음이온계, 비이온계 고분자 화합물 등 표면을 산화시키지 않는 범위 내에서 다양한 수용성 고분자 화합물을 응용하는 것이 가능하다.
또한, 상기 수용성 고분자 화합물의 형성 두께는 이후 2차 박리되는 형광체 코팅층의 두께보다 충분히 높아야 한다.
한편, 상기 S300 단계에서 패드 보호용 보호물(300)로서, 금속 물질이 형성되는 경우 일렉트로 플레이팅(Electroplating) 방식 및 스터드(Stud) 방식 중에서 선택된 어느 하나의 방식으로 만들어지는 골드 범프의 접합에 의한 금속 물질 층이 형성되도록 하고, 상기 금속 물질은 Au, Ni/AU 및 Ti/Cu/Ni/Au 중 선택된 어느 하나이다.
상기 S300 단계의 와이어 본딩 패드(110, 111) 보호용 보호물(300)의 형성 후 상기 LED 칩(100)과 상기 와이어 본딩 패드(110, 111)를 피복하고 있는 패드 보호용 보호물(300)을 충분히 매립할 정도의 두께를 갖도록 형광체를 도포하여 형광체 코팅층(400)이 형성(S400)되도록 한다.
이는 LED 칩(100) 레벨에서 형광체를 증착하게 되므로 소량의 형광체를 이용한 효과적인 형광체 코팅을 수행할 수 있게 한다.
상기 형광체 코팅층(400)은 상기 LED 칩(100)으로부터 발광되는 예를 들면, 청색광이 백색광으로 변환되도록 파장을 변환시키는 파장 변환 물질을 포함하고, YAG(이트륨-알루미늄-가네트계) 또는 TAG(터븀-알루미늄-가네트계) 또는 실리케이트(Silicate)계 등을 포함하며, 엘로우(Yellow) 또는 레드(Red)를 혼합한 형태 모두를 포함한다.
상기 형광체 코팅층(400)은 바람직하게는 형광체/투명 수지의 혼합물로서, 스핀 코팅을 이용하여 상기 LED 칩(100)의 상면 및 측면에 형광체 코팅층(400)이 모두 증착되도록 한다.
상기 스핀 코팅은 일반적으로 당업계에 공지되어 있으며, 일반적으로 원하는 양의 형광체가 LED 칩(100)에 증착되도록 하고, 그 LED 칩(100)을 고속으로 스피닝하는 것을 포함한다.
원심력(원심 가속도)은 형광체가 확산되도록 하여 종국에는 기판(200)의 가장자리까지 확산되도록 하고, 최종적인 형광체 코팅층(400)의 두께와 다른 특성들은 형광체의 특징(점성, 건조 속도, 형광체의 퍼센티지, 표면 장력 등) 및 스핀 공정을 위해 선택된 파라미터에 의존한다.
한편, 본 실시예에서는 형광체가 상기 LED 칩(100) 상에 형광체 코팅층(400)을 형성할 수 있도록 스핀 코팅을 예로 설명하였으나, 스핀 코팅 이외에 스프레이 코팅, 정전기 증착 또는 형광체 함유 테이프 접착 등 다양한 방법을 사용할 수 있다.
상기 S400 단계의 수행으로 형성된 형광체 코팅층(400)은 외부에서 제공되는 열원이나 UV광 등을 통해 경화되도록 하고, 상기 경화된 형광체 코팅층의 일부가 연마 수단을 통해 미리 설정된 두께만큼 1차 박리(S500)되도록 한다.
상기 S500 단계를 수행한 후 광학계를 이용한 1차 형광체 코팅층(410)과 LED 칩(100)의 성능에 따른 광학 특성을 측정하고, 상기 측정 결과에 따른 2차 형광체 코팅층(420)의 두께를 결정(S600)한다.
즉 와이어 본딩 패드(110, 111)를 통해 LED 칩(100)에 전원이 공급되도록 하여 빛을 발광시키고, 이때 광학계(500)를 통해 1차 박리된 형광체 코팅층(410)의 광학 특성을 측정하여 2차 박리할 형광체 코팅층(420)의 최종 두께를 결정한다.
상기 광학계(500)를 통해 검출된 1차 형광체 코팅층(410)의 뒤틀림, 상면(像面), 결상 특성 및 파면 수차를 포함한 광학 특성을 높은 정밀도로 측정하여, 설계상의 광학 특성과 실제 광학 특성의 오차를 보상한 2차 박리에 의한 형광체 코팅층(420)의 최종 두께를 결정한다.
상기 S600 단계에서 결정된 최종 두께에 따라 1차 박리된 형광체 코팅층(410)을 박리하여 2차 형광체 코팅층(420)이 형성되도록 하고, 상기 2차 형광체 코팅층(420)이 형성된 LED 칩(100)을 개별 LED 칩(100)으로 절단(S700)한다.
상기 S700 단계에서 상기 패드 보호용 보호물(300)이 수용성 고분자 화합물인 경우 상기 수용성의 고분자 화합물을 제거하기 위하여 물(탈 이온수)을 이용한 에칭 공정이 더 수행되고, 상기 에칭 공정이 종료된 LED 칩(100)을 레이저 빔 또는 휠 블레이드와 같은 절단기를 이용하여 측면의 형광체 코팅층(421)을 절단(커팅)하며, 절단된 개별 LED 칩(100)을 기판(200)으로부터 분리시켜 제공되도록 한다.
또한, 상기 S700 단계에서 상기 패드 보호용 보호물(300)이 금속 물질인 경우 별도의 에칭 공정을 수행하지 않고 레이저 빔 또는 휠 블레이드와 같은 절단기를 이용하여 측면의 형광체 코팅층(421)을 절단(커팅)하며, 절단된 개별 LED 칩(100)을 기판(200)으로부터 분리시켜 제공되도록 한다.
이는 골드 범프에 의한 금속 물질층이 와이어 본딩 패드(110, 111)와 전기적으로 접속되어 있으므로 패드를 노출시키기 위한 별도의 에칭 공정을 수행하지 않는다.
따라서, LED 칩(100)에 따라 형광체 코팅층이 선택적으로 적용되어 LED 칩(100)의 광 효율을 향상시킬 수 있고, 균일한 색온도를 구현할 수 있으며, 원하는 색좌표의 LED 광원을 제공할 수 있고, LED 칩 레벨로 대량 생산이 가능하게 된다.
상기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시 예를 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.
100 : LED 칩 100' : LED 웨이퍼
110, 111 : 와이어 본딩 패드 200 : 기판
300 : 패드 보호용 보호물 400 : 형광체 코팅층
410 : 1차 형광체 코팅층 420 : 2차 형광체 코팅층
421 : 측면 형광체 코팅층 500 : 광학계

Claims (7)

  1. 칩 레벨 형광체 코팅 방법으로서,
    a) 와이어 본딩 패드가 형성된 LED 칩을 절단하여 평면 기판상에 고정하는 단계;
    b) 상기 와이어 본딩 패드의 보호를 위한 보호층을 형성하는 단계;
    c) 상기 LED 칩에 형광체를 도포하여 형광체 코팅층을 형성하고, 상기 형성된 형광체 코팅층을 미리 설정된 두께만큼 1차 박리하는 단계;
    d) 상기 c) 단계에서 박리한 형광체 코팅층의 광학 특성을 측정하여 형광체 코팅층의 최종 두께를 결정하고 상기 결정된 최종 두께에 따라 상기 형광체 코팅층을 2차 박리하는 단계; 및
    e) 상기 2차 박리된 LED 칩을 절단하는 단계를 포함하는 칩 레벨 형광체 코팅 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 b) 단계의 보호층은 수용성 고분자 화합물 또는 금속 물질 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 칩 레벨 형광체 코팅 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 보호층이 수용성 고분자 화합물이면 상기 e) 단계는 상기 고분자 화합물을 제거하는 에칭 공정을 더 수행한 후 상기 형광체 코팅층이 2차로 박리된 LED 칩을 절단하는 것을 특징으로 하는 칩 레벨 형광체 코팅 방법.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 수용성 고분자 화합물은 양이온계, 음이온계 및 비이온계 중 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 칩 레벨 형광체 코팅 방법.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 금속 물질은 Au, Ni/AU 및 Ti/Cu/Ni/Au 중 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 칩 레벨 형광체 코팅 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 c) 단계의 형광체는 스핀 코팅, 스프레이 코팅, 정전기 증착 또는 형광체 함유 테이프 접착중 어느 하나의 방법을 통해 상기 LED 칩에 코팅되도록 하는 것을 특징으로 하는 칩 레벨 형광체 코팅 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 d) 단계의 최종 두께는 광학계를 통해 검출된 형광체 코팅층의 뒤틀림, 상면, 결상 특성 및 파면 수차를 포함한 광학 특성에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 칩 레벨 형광체 코팅 방법.
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