KR101161397B1 - 실리콘 렌즈를 구비하는 발광소자 및 그것을 제조하는 방법 - Google Patents

실리콘 렌즈를 구비하는 발광소자 및 그것을 제조하는 방법 Download PDF

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Abstract

실리콘 렌즈를 구비하는 발광 소자 및 그것을 제조하는 방법이 개시된다. 이 발광 소자는 리세스를 갖는 패키지 본체를 포함한다. 발광 다이오드가 리세스 내에 실장되고, 실리콘 봉지재가 상기 발광 다이오드를 덮는다. 한편, 실리콘 렌즈가 상기 실리콘 봉지재에 부착된다. 실리콘 물질로 형성된 봉지재에 실리콘 렌즈를 부착하므로, 봉지재와 렌즈가 밀착되어 봉지재와 렌즈 사이의 에어갭 발생이 방지된다.
발광 다이오드, 렌즈, 실리콘, 봉지재, 에어갭(air gap)

Description

실리콘 렌즈를 구비하는 발광소자 및 그것을 제조하는 방법{LIGHT EMITTING DEVICE WITH A LENS OF SILICONE AND METHOD OF FABRICATING THE SAME}
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 렌즈를 구비하는 발광 소자를 설명하기 위한 단면도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자에 부착된 렌즈를 설명하기 위한 단면도 및 평면도이다.
본 발명은 발광 소자 및 그것을 제조하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 실리콘 봉지재에 실리콘 렌즈를 부착하여 봉지재와 렌즈 사이의 에어갭 발생을 방지한 발광 소자 및 그것을 제조하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 발광 소자는 패키지 본체와 상기 패키지 본체에 실장된 발광 다이오드를 포함한다. 발광 다이오드는 백열전구, 형광등 및 방전 광원에 비해 작은 크기, 긴 수명 및 저전력의 장점을 갖는다.
한편, 상기 발광 다이오드를 외부환경, 예컨대 수분으로부터 보호하기 위해 봉지재가 사용된다. 봉지재는 발광 다이오드 및 본딩와이어들을 덮어 이들을 외부 환경으로부터 보호한다. 따라서, 패키지 본체에 발광 다이오드를 실장한 후, 봉지재로 발광 다이오드를 덮어 발광 다이오드 패키지가 완성된다. 그 후, 상기 봉지재 상에 지향각 또는 광의 방출방향을 조절하기 위한 다양한 렌즈가 부착되어 사용된다.
종래, 봉지재로는 에폭시 수지가 많이 사용되었다. 그러나, 에폭시 수지는 상대적으로 큰 경도값을 가지므로, 본딩와이어의 단선을 유발하여 발광소자의 불량을 초래한다. 또한, 발광소자를 장시간 사용함에 따라, 에폭시가 자외선 또는 단파장 가시광선을 흡수하는 양이 증가하며, 이에 따라 광속 저하가 발생한다. 특히, 단파장 가시광선의 광속저하는 백색 발광 소자에서 이른바 황색화(yellowing)로 나타난다. 즉, 백색 발광소자에서 방출되는 백색광 중 단파장 가시광선이 감소하므로, 장파장 가시광선이 더 많은 광으로 외부에서 감지된다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 에폭시를 대체하여 실리콘으로 봉지재를 형성하고 있다. 실리콘 봉지재는 경도가 작고 복원력이 커서 본딩와이어의 단선 발생을 감소시키며, 장시간 사용에 따른 황색화 경향을 보이지 않는다.
그러나, 봉지재를 실리콘으로 형성함에 따라, PMMA 등의 플라스틱 렌즈를 실리콘 봉지재에 부착할 때, 렌즈와 실리콘 봉지재의 계면에 에어갭이 발생하는 문제가 있다. 또한, PMMA 등의 플라스틱 렌즈를 탑재한 발광 소자는 300℃ 이상의 고온에서 열처리를 할 수 없는 단점이 있다. 따라서, 렌즈를 부착한 발광소자를 고온 표면실장 공정을 통해 인쇄회로기판 등에 솔더링할 수 없으며, 인쇄회로기판 등에 발광 다이오드 패키지를 표면실장한 후, 렌즈를 부착해야 한다. 이는 렌즈를 부착 하는 공정을 어렵게 만들어 렌즈 부착 공정 시간을 증가시킨다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 실리콘 봉지재와 렌즈 사이의 에어갭 발생을 방지할 수 있는 발광 소자를 제공하는 데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 렌즈를 부착한 상태에서 고온 표면실장이 가능한 발광 소자를 제공하는 데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 렌즈와 실리콘 봉지재 사이에 에어갭 발생을 방지할 수 있는 발광 소자를 제조하는 방법을 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위하여, 본 발명은 실리콘 렌즈를 구비한 발광 소자 및 그것을 제조하는 방법을 제공한다. 본 발명의 일 태양에 따른 발광 소자는 리세스를 갖는 패키지 본체를 포함한다. 상기 리세스 내에 발광 다이오드가 실장되어 위치한다. 한편, 실리콘 봉지재가 상기 발광 다이오드를 덮는다. 실리콘 렌즈가 상기 실리콘 봉지재에 부착된다. 실리콘 봉지재와 동일한 재질의 렌즈를 채택하여 에어갭 발생을 방지할 수 있는 발광 소자를 제공할 수 있다.
이하, "발광 다이오드"는 발광 다이오드 다이 또는 발광 다이오드 칩을 의미한다. 상기 발광 다이오드는 단일의 다이오드 또는 복수개의 다이오드들로 이루어질 수 있다. "발광 다이오드 패키지"는 렌즈를 부착하기 전의 발광 소자를 의미한다. 즉, 발광 다이오드 패키지는 패키지 본체에 발광 다이오드가 실장되고, 상기 발광 다이오드를 덮는 봉지재가 형성된 상태의 발광 소자를 의미한다. 그리고, 특 별한 언급이 없는 한, "발광 소자"는 발광 다이오드 패키지에 렌즈가 부착된 소자를 의미한다.
한편, 상기 실리콘 렌즈와 상기 봉지재 사이에 실리콘 접착제가 개재될 수 있다. 상기 접착제는 상기 실리콘 렌즈를 상기 봉지재에 접착시킨다.
상기 봉지재는 대체로 평평한 상면을 가질 수 있다. 상기 실리콘 렌즈는 상기 봉지재의 상면에 대응하는 하부면을 갖는다. 즉, 상기 실리콘 렌즈는 대체로 평평한 하부면을 갖는다. 따라서, 주형(die) 등을 사용하지 않고, 상기 패키지 본체의 리세스 내에 상기 봉지재를 쉽게 형성할 수 있다.
또한, 상기 패키지 본체는 그 상부에 단턱부를 가질 수 있다. 상기 실리콘 봉지재는 상기 단턱부 근처까지 상기 리세스를 채우며, 상기 실리콘 렌즈는 상기 단턱부에 의해 지지된다. 단턱부에 의해 상기 실리콘 렌즈의 위치가 결정되므로, 동일한 구조 및 특성을 갖는 발광 소자를 대량으로 생산할 수 있다.
본 발명의 다른 태양에 따른 발광 소자 제조방법은 리세스를 갖는 패키지 본체를 준비하는 것을 포함한다. 상기 리세스 내에 발광 다이오드가 실장된다. 그 후, 상기 발광 다이오드를 덮는 실리콘 봉지재가 형성되고, 상기 실리콘 봉지재에 실리콘 렌즈가 부착된다.
상기 실리콘 봉지재는 실리콘 물질로 상기 리세스를 채우고, 상기 실리콘 물질을 경화하여 형성될 수 있다. 한편, 상기 실리콘 렌즈를 부착하기 전, 상기 실리콘 봉지재 상에 실리콘 접착제를 형성할 수 있다. 상기 실리콘 접착제는 상기 실리콘 봉지재와 상기 실리콘 렌즈를 밀착 접착시킨다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, 실리콘 물질로 상기 리세스를 채우고, 상기 실리콘 물질을 경화하기 전, 상기 실리콘 물질 상에 실리콘 렌즈를 실장할 수 있다. 그 후, 상기 실리콘 물질을 경화하여 실리콘 봉지재가 형성될 수 있다. 이에 따라, 상기 실리콘 물질이 경화하는 동안, 실리콘 물질이 상기 실리콘 렌즈에 접착된다.
본 발명의 실시예들에 있어서, 상기 실리콘 렌즈는 미리 몰딩된(premolded) 렌즈이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자를 설명하기 위한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 패키지 본체(13)는 리세스를 갖는다. 상기 리세스의 측벽은 일정한 기울기를 갖도록 경사지게 형성될 수 있다. 또한, 상기 패키지 본체(13)의 상부에 단턱부(13a)가 형성될 수 있다. 상기 패키지 본체(13)는 리드 전극들(11)을 지지한다.
상기 리드 전극들(11)은, 도시한 바와 같이, 일부가 상기 리세스 내에 노출되고, 상기 패키지 본체(13)를 관통하여 외부로 돌출될 수 있다. 외부로 돌출된 리 드 전극들(11)은 표면 실장할 수 있도록 절곡된다. 이와 달리, 상기 리드 전극들(11)은 상기 패키지 본체(13)의 리세스 측벽 및 상부를 따라 패키지 본체(13)의 외부로 연장될 수 있다.
한편, 상기 패키지 본체(13)의 하부에 히트싱크(15)가 결합될 수 있다. 상기 히트싱크(15)는 발광 다이오드(17)에서 생성된 열을 외부로 방출하기 위해 채택된다. 상기 히트싱크(15)는 열방출을 촉진시키도록 하부면이 넓고, 그 중앙부에 상기 리세스에 노출되는 돌출부(15a)를 가질 수 있다.
상기 패키지 본체(13)는 상기 리드전극들(11)을 삽입몰딩하여 형성될 수 있다. 이때, 상기 히트싱크(15)도 함께 삽입몰딩될 수 있다. 이와 달리, 상기 히트싱크(15)는 상기 리드전극들(11)을 삽입몰딩하여 패키지 본체(13)를 형성한 후, 상기 패키지 본체(13)에 결합될 수 있다.
상기 패키지 본체(13)의 리세스 내에 발광 다이오드(17)가 실장되어 상기 리드전극들(11)에 전기적으로 연결된다. 히트싱크(15)가 패키지 본체(13)에 결합된 경우, 상기 발광 다이오드(17)는 히트싱크(15)의 상부면에 실장된다. 이때, 상기 리세스 내에 노출되는 히트싱크(15) 상부면의 높이를 조절하여, 상기 리세스 내에서 발광 다이오드(17)의 위치를 조절할 수 있다.
한편, 상기 발광 다이오드(17)는 두 개의 전극을 갖는다. 상기 두 개의 전극은 발광 다이오드(17)의 일측 면에 위치할 수 있으며, 이 경우, 상기 두 개의 전극에 본딩와이어들이 각각 연결된다. 이와 달리, 상기 두 개의 전극이 발광 다이오드(17)의 양측 면에 각각 위치할 수 있다. 이때, 하나의 전극은 도전성 접착제에 의 해 상기 히트싱크(15)에 전기적으로 연결되며, 다른 하나의 전극은 본딩와이어에 연결될 수 있다. 또한, 상기 발광 다이오드(17)는 플립칩 구조일 수 있으며, 이 경우, 상기 발광 다이오드(17)와 상기 히트싱크(15) 사이에 서브마운트(도시하지 않음)가 개재되고, 본딩와이어들은 서브마운트와 리드전극들(11)을 연결할 수 있다. 상기 발광 다이오드(17)는 다양한 구조를 가질 수 있으며, 상기 발광 다이오드와 상기 리드전극들(11)을 전기적으로 연결하는 방식은 다양하게 선택될 수 있다.
실리콘 봉지재(19)가 상기 발광 다이오드(17)와 본딩와이어들을 덮는다. 상기 실리콘 봉지재(19)는 패키지 본체(13)의 단턱부(13a) 근처까지 상기 리세스를 채우는 것이 바람직하다. 상기 실리콘 봉지재(19)는 실리콘 물질로 상기 리세스를 채운 후, 경화시키어 형성될 수 있다. 상기 실리콘 봉지재(19)는 대체로 평평한 상면을 가질 수 있다. 따라서, 주형 등을 사용하지 않고, 실리콘 물질을 상기 리세스 내에 채워 상기 실리콘 봉지재(19)를 형성할 수 있어, 실리콘 봉지재(19)를 형성하는 공정이 비교적 단순해진다.
상기 실리콘 봉지재(19)는 형광체 및/또는 광확산제를 함유할 수 있다. 상기 형광체는 발광 다이오드(17)에서 방출된 광의 파장을 변환시키어 다색광, 예컨대 백색광을 구현하기 위해 사용될 수 있다.
상기 실리콘 봉지재(19)에 실리콘 렌즈(20)가 부착된다. 상기 형광체 및/또는 광확산제는 상기 실리콘 렌즈(20) 내에 함유될 수도 있다. 상기 실리콘 렌즈(20)는 상기 단턱부(13a)에 의해 지지될 수 있다. 한편, 상기 단턱부(13a)는 상기 실리콘 렌즈(20)의 위치를 결정하므로, 동일한 구조 및 광특성을 갖는 발광 소자의 대량 생산이 가능하게 한다.
상기 실리콘 봉지재(19)와 상기 실리콘 렌즈(20)를 부착하기 위해 접착제(18)가 사용될 수 있다. 상기 접착제(18)는 실리콘 물질인 것이 바람직하다. 상기 접착제(18)로 상기 실리콘 봉지재(19) 상면을 덮은 후, 렌즈(20)를 실장하고, 상기 접착제(18)를 경화시킨다. 이에 따라, 접착제(18)에 의해 실리콘 렌즈(20)가 실리콘 봉지재(19)에 접착된다. 상기 접착제(18)가 실리콘 물질인 경우, 봉지재(19), 접착제(18) 및 렌즈(20)가 모두 동일한 실리콘 물질로 형성된다. 따라서, 봉지재(19), 접착제(18) 및 렌즈(20) 사이의 접착특성이 양호하여 계면들에서 에어갭 발생이 방지되고, 굴절률 차이에 기인한 광 반사가 감소되어, 발광 소자의 광방출 효율이 향상된다.
한편, 실리콘 물질로 상기 리세스를 채운 후, 상기 실리콘 물질을 경화하기 전에 상기 실리콘 렌즈(20)를 실장할 수 있다. 그 후, 상기 실리콘 물질을 경화시키어 실리콘 봉지재(19)를 형성하면, 실리콘 접착제(18)를 사용하지 않고, 실리콘 봉지재(19)에 실리콘 렌즈(20)를 부착시킬 수 있다.
본 실시예에 따르면, 동일한 재질의 실리콘 물질로 형성된 봉지재(19)와 렌즈(20)를 사용하므로, 이들 사이의 접착특성이 향상된다. 따라서, 봉지재(19)와 렌즈(20) 사이에서 발생할 수 있는 에어갭이 방지될 수 있다.
또한, 실리콘 렌즈는 고온 열처리가 가능하므로, 발광 다이오드 패키지에 실리콘 렌즈를 실장한 상태로 고온 표면 실장을 통해 발광 소자를 인쇄회로기판 등에 솔더링할 수 있다. 따라서, 발광 소자를 표면 실장하기 전에 렌즈를 부착할 수 있 어, 발광 다이오드 패키지에 렌즈를 실장하는 공정이 간편해진다.
한편, 상기 렌즈(20)는, 도시한 바와 같이, 볼록렌즈일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 사용자의 요구에 따라, 다양한 형상을 가질 수 있다. 도 2 및 도 3은 이러한 렌즈의 일 예를 설명하기 위한 단면도 및 평면도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 실시예의 렌즈(120)는 대략 반 타원 곡면의 몸체로, 그 중앙 영역에 소정의 기울기를 갖는 브이(V)자 형상의 제1 전반사면(121)과 제1 전반사면(121)의 기울기보다 완만한 기울기를 갖는 제2 전반사면(122)을 포함한다. 굴절면(123)이 상기 제2 전반사면(122)에서 연장되어 하향 라운딩된다. 한편, 상기 렌즈(120)는 대체로 평평한 하부면을 가질 수 있다.
상기 렌즈(120)에 대해 구체적으로 살펴보면, 제1 전반사면(121)은 발광 다이오드(17) 상부에 브이(V)자 형 홈으로 형성되고, 굴절면(123)은 가장자리에서 라운드되도록 형성되며, 제2 전반사면(122)은 홈과 가장자리 사이에서 외측을 향해 상향 구배를 갖도록 경사지게 형성된다. 또한, 도 2에 도시한 바와 같이, 전체 렌즈(120)의 높이(T)를 1로 하였을 경우, 제1 전반사면(121)의 높이(T2)는 1/2 내지 1/4이고, 제2 전반사면(122)의 높이(T1)는 1/2 내지 1/4이다. 렌즈(120)의 하부면으로부터 상기 브이자 형 홈의 아래 끝까지의 높이(T3)는 1/2 이하이다. 도면에서와 같이, 굴절면의 높이는 전체 렌즈의 높이와 동일하다. 또한, 도 3에서와 같이, 전체 렌즈(120)의 지름(A + 2B + 2C)을 1로 하였을 경우, 제1 전반사면(121)의 지름(A)은 1/3 내지 1/8이고, 제2 전반사면(122)의 지름(A + 2B)은 1/2 내지 1/6이다.
그리고, 굴절면(123)은 타원형으로 형성되고, 타원의 단축과 장축의 비가 1:1 내지 1:5 범위내로 이루어진다. 바람직하게는 단축과 장축의 비가 1:3의 비율을 가진다.
이때, 전반사면(121, 122)은 발광 다이오드(17)에서 발광되어 전반사면에 입사된 빛이 전반사되는 기울기를 갖는다. 즉, 발광다이오드(17)에서 발광되어 전반사면(121, 122)에 입사된 빛과 상기 전반사면이 이루는 각이 임계각보다 큰 각이 되도록 상기 전반사면의 기울기가 정해진다. 상기 임계각은 렌즈(120)의 굴절률에 의해 결정된다. 실리콘 렌즈는 에폭시 렌즈에 비해 대체로 굴절률이 크므로 임계각이 큰 장점이 있다. 본 실시예에 있어서, 임계각이 30 내지 60도가 되는 굴절률을 갖는 실리콘 렌즈(120)를 선택할 수 있다. 한편, 발광 다이오드(17)로부터 입사되는 빛과 전반사면(121, 122)이 이루는 각이 임계각 이상이 되도록 하기 위해, 상기 제1 전반사면(121)의 기울기는 30 내지 89도, 제2 전반사면(122)의 기울기는 20 내지 60도로 할 수 있으며. 바람직하게는, 상기 제1 전반사면(121)의 기울기는 40 내지 70도, 제2 전반사면(122)의 기울기는 30 내지 50도로 할 수 있다.
발광 다이오드(17)에서 방출된 빛은 렌즈(120)에 입사된 후, 상기 전반사면(121, 122)에서 렌즈(120)의 측면으로 전반사되고, 타원형의 단일 굴절면(123)을 통해 굴절되어 거의 수평방향으로 출사된다. 한편, 직접 굴절면(123)으로 입사된 빛은 굴절면(123)에서 굴절되어 대체로 수평방향으로 출사된다.
본 실시예의 렌즈(120)를 사용하면, 측면 방향으로 빛을 넓게 방출할 수 있어 백라이트 소자를 제공할 수 있다.
본 실시예들에 따르면, 실리콘 봉지재와 렌즈 사이의 에어갭 발생을 방지할 수 있으며, 렌즈를 부착한 상태에서 고온 표면 실장이 가능한 발광 소자를 제공할 수 있다. 또한, 렌즈와 실리콘 봉지재 사이에 에어갭 발생을 방지할 수 있는 발광 소자를 제조하는 방법을 제공할 수 있다.

Claims (9)

  1. 리세스를 갖는 패키지 본체;
    상기 리세스 내에 실장된 발광 다이오드;
    상기 발광 다이오드를 덮는 실리콘 봉지재;
    상기 실리콘 봉지재에 부착된 실리콘 렌즈; 및
    상기 실리콘 렌즈와 상기 봉지재 사이에 개재되어 상기 실리콘 렌즈를 상기 봉지재에 접착시키는 실리콘 접착제를 포함하는 발광 소자.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 봉지재는 대체로 평평한 상면을 갖고,
    상기 실리콘 렌즈는 상기 봉지재의 상면에 대응하는 하부면을 갖는 발광 소자.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 패키지 본체는 그 상부에 단턱부를 갖고,
    상기 실리콘 봉지재는 상기 단턱부 근처까지 상기 리세스를 채우고,
    상기 실리콘 렌즈는 상기 단턱부에 의해 지지되는 발광 소자.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 실리콘 렌즈는 미리 몰딩된 렌즈인 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  6. 리세스를 갖는 패키지 본체를 준비하고,
    상기 리세스 내에 발광 다이오드를 실장하고,
    상기 발광 다이오드를 덮는 실리콘 봉지재를 형성하고,
    상기 실리콘 봉지재 상에 실리콘 접착제를 형성하고,
    상기 실리콘 봉지재에 실리콘 렌즈를 부착하는 것을 포함하는 발광 소자 제조방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 실리콘 봉지재를 형성하는 것은
    실리콘 물질로 상기 리세스를 채우고,
    상기 실리콘 물질을 경화하는 것을 포함하는 발광소자 제조방법.
  8. 삭제
  9. 리세스를 갖는 패키지 본체를 준비하고,
    상기 리세스 내에 발광 다이오드를 실장하고,
    실리콘 물질로 상기 리세스를 채우고,
    상기 실리콘 물질 상에 실리콘 렌즈를 실장하고,
    상기 실리콘 물질을 경화하여 실리콘 봉지재를 형성함과 아울서, 상기 실리콘 렌즈를 상기 실리콘 봉지재에 부착하는 것을 포함하는 발광 소자 제조방법.
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