KR101204806B1 - 반도체 발광 소자 어셈블리 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 반도체 발광 소자 어셈블리는, 복합재료 기판, 회로 배치 캐리어, 연결 부재, 함몰부 및 반도체 발광 소자를 포함한다. 상기 연결 부재는 상기 회로배치 캐리어에 복합재료 기판을 접합하는데 이용된다. 상기 함몰부는 상기 회로배치 기판에 의해 형성되고 상기 복합재료 기판 방향으로 연장된다. 상기 반도체 발광 소자는 상기 함몰부 내에 배치되어 전기적으로 상기 회로배치 캐리어에 연결된다.
반도체 발광 소자, LED, LD, 열팽창 계수
Description
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1a및 도 1b는 본 발명의 제 1실시예에 따른 반도체 발광 소자 어셈블리의 구조를 개략적으로 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 제 2실시예에 따른 반도체 발광 소자 어셈블리의 구조를 개략적으로 도시한 도면.
도 3a 내지 도 3h는 본 발명의 제 3실시예에 따른 반도체 발광 소자 어셈블리의 구조를 개략적으로 도시한 도면.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 제 4실시예에 따른 반도체 발광 소자 어셈블리의 구조를 개략적으로 도시한 도면.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 반도체 발광 소자 어셈블리의 구조를 개략적으로 도시한 도면.
본 발명은 반도체 발광 다이오드의 패키징에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 복합재료 기판과 연성 본딩재를 포함한 발광 다이오드 어셈블리에 관한 것이다.
미국특허 제6501103호에는 발광 다이오드(LED)(1), 회로기판(2) 및 열 방출 기판(3)을 포함하고, 여기서 발광 다이오드(1)는 열 방출 기판(3)에 부착된 다이(12)와, 전기적으로 인쇄회로기판(PCB)(13)에 연결된 패드를 구비한 것을 특징으로 하는 발광 다이오드(LED) 어셈블리가 공개되어 있다. 상기 발광다이오드(1)는 회로기판(2)과 열 방출 기판(3)상에 고정된다.
상술한 종래 기술은 일반적으로 인쇄회로기판(13)과 열 방출 기판(10)을 연결하기 위해 기계적인 방식 또는 납땜 방식을 이용했다. 스크루와 버클링과 같은 기계적인 방식은, 관련된 기계적인 소자들을 실장하기 위해 넓은 공간이 필요하므로 소형의 전자 소자에는 부적합하다. 납땜 방식은, 두 개의 다른 타입의 물질을 연결하기 위해 비교적 높은 온도에서 납을 녹여야 하고, 납의 온도는 일반적으로 450℃보다 높다. 대개, 열 방출 기판(10)을 이루는 물질은 구리 등과 같은 금속이다. 여기서, 구리의 열팽창 계수는 12X10-6/℃이다. 그러나, LED(12)를 이루는 물질의 열팽창 계수는 일반적으로 10X10-6/℃보다 작거나 또는, 4X10-6/℃ 및 8X10-6/℃사이이다. 열챙팡 계수 간의 차이는 고온에서, LED(12)와 상기 열 방출 기판(10) 사이에 변형을 일으키거나 약화시켜 LED(12)와 열 방출 기판(10)을 포함하는 생산물 의 신뢰도를 감소시킨다. 따라서, 두 물질 간의 열팽창 계수 차를 줄이기 위해, 알루미늄 나이트라이드(AlN)과 같은 낮은 열팽창 계수를 갖는 세라믹 물질로 열 방출 기판(10)을 형성하는 기술이 도입되었다. 그러나, 상기 알루미늄 나이트라이드와 같은 세라믹 물질은 비용면에서 경제적이지 못한 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, LED로부터 효과적으로 열을 방출하고, LED 어셈블리 내에서 서로 다른 물질 간의 열팽창 계수 차로 인해 발생하는 부정적인 영향을 감소시킬 수 있는 LED 어셈블리를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 발광 다이오드 내의 서로 다른 물질의 열팽창 계수 차로 인해 발생하는 부정적인 영향을 줄이고, LED로부터의 열 방출을 개선시킨 반도체 발광 다이오드 어셈블리를 제공한다.
본 발명에 따른 반도체 발광 다이오드 어셈블리는, 열팽창 계수가 실질적으로 12X10-6/℃이하이고, 열전도율이 실질적으로 150W/mK 이상인 복합재료 기판; 회로배치 캐리어(circuit layout carrier); 상기 복합재료 기판과 상기 회로배치 캐리어를 접합하기 위한 연결 부재; 회로배치 캐리어 상에 형성되고 상기 복합재료 기판으로 연장된 함몰부; 및 상기 복합재료 기판의 일면과 함몰부 내에 배치된 반도체 발광 다이오드를 포함하고, 상기 반도체 발광 다이오드는 상기 회로배치 캐리 어와 전기적으로 연결된다.
바람직하게, 상기 반도체 발광 다이오드 어셈블리는 플립 칩 구조를 하고 있으며, 상기 함몰부 표면의 적어도 한 면상에 형성된 전기적 접촉단자는 상기 반도체 발광 다이오드와 상기 회로배치 캐리어를 전기적으로 연결한다.
상기 복합재료 기판을 이루는 물질은 금속 메트릭스 합성체(MMC), 폴리머 메트릭스 합성체(PMC), 세라믹 메트릭스 합성체(CMC) 또는 이들의 균등물 또는 조합이다.
바람직하게, 상기 반도체 발광 다이오드의 열팽창 계수와 상기 복합재료 기판의 열팽창 계수 사이의 차이는 실질적으로 10X10-6/℃ 이하이다.
상기 회로배치 캐리어는 반도체 기판이고, 인쇄회로기판(PCB), 연성회로기판(FPC), 실리컨 기판, 세라믹 기판 또는 이들의 균등물 또는 조합이다.
본 발명에 따른 반도체 발광 다이오드 어셈블리는, 연결 부재로써 연성 본딩재 층이 포함된다. 바람직하게, 상기 연성 본딩재층을 이루는 물질은 벤조싸이클로부틴(BCB), 에폭시, 폴리이미드, SOG(Spin On Glass), 실리컨, 땜납 또는 이들의 균등물 또는 조합이다.
본 발명에 따른 반도체 발광 다이오드 어셈블리에 있어서, 연결 부재는 반도체 발광 소자를 반도체 기판에 연결하는 복수의 금속층을 포함한다.
본 발명에 따른 반도체 발광 다이오드 어셈블리에 있어서, 연결 부재는 복합재료 기판과 회로배치 캐리어 간의 접합력을 강화시키는 연성 본딩층의 일면에 형성된 반응층을 더 포함한다. 이때, 상기 반응층을 형성하는 물질은 SiNx, 에폭시, 타이타늄(Ti), 크롬(Cr) 또는 이들의 균등물 또는 조합이다.
본 발명에 따른 반도체 발광 다이오드 어셈블리에 있어서, 상기 함몰부는 테이퍼지도록 또는, 소위 깔때기 형태로 형성된다. 또한, 상기 함몰부는 광 방출 효율을 높이기 위한 반사층을 더 포함한다.
본 발명의 반도체 발광 다이오드 어셈블리는, 함몰부는 덮는 광학렌즈와 같은 광 투과부재를 더 포함한다.
상기 반도체 발광 다이오드 어셈블리는, 반도체 발광 소자 상에 배치되고, 반도체 발광 소자로부터 나온 빛의 파장을 변환하는 파장 변환 물질을 더 포함하고, 여기서 파장 변환 물질은 형광성 분말, 컬러 필터, 또는 이들의 균등물 또는 조합이다.
상기 반도체 발광 다이오드 어셈블리는 복합재료 기판과 연결 부재 사이에 형성된 평탄층을 더 포함한다. 상기 평탄층은 니켈 또는 연결 부재와 접합될 수 있는 다른 물질을 포함한다.
상술한, 반도체 발광 소자는 발광 다이오드(LED), 레이저 다이오드(LD), 또는 이들의 균등물 또는 조합이다.
본 발명에 따른 반도체 발광 다이오드 어셈블리는, 복합재료 기판의 열 방출 성능을 촉진하기 위해 상기 복합재료 기판과 결합된 대류열 전달소자를 더 포함한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
[제 1실시예]
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 제 1실시예에 따른 반도체 발광 소자 어셈블리 (1)의 구조를 도시한 도면이다. 각각의 참조부호의 표시는 다음과 같이 기술한다: 1은 반도체 발광 소자 어셈블리; 10은 복합재료 기판; 11은 회로배치 캐리어; 12는 연결 부재; 13은 함몰부; 14는 반도체 발광 소자이다.
또한, 다른 도면에서 유사한 구성요소는 같은 참조부호를 사용하고, 이하에 다시 설명하지 않는다.
함몰부(13)는 회로배치 캐리어(11)로부터 또는 그 내부에 형성되고, 상기 회로배치 캐리어(11)는 연결 부재(12)에 의해 복합재료 기판(10)과 접합된다. 반도체 발광 소자(14)는 상기 함몰부(13)안에 고정되고, 전도성 와이어(17)는 상기 반도체 발광 소자(14)와 상기 회로배치 캐리어(11) 상에 형성된 전기적 단자(20)에 연결하는데 사용된다. 상기 반도체 발광소자(14)의 열팽창 계수와 상기 복합재료 기판(10)의 열팽창 계수 차는 실질적으로 10X10-6/℃이하여서, 상기 반도체 발광 소자(14)와 상기 복합재료 기판(10) 사이의 열적 스트레스는 감소된다. 상기 복합재료 기판(10)은 상기 반도체 발광 소자 어셈블리(1)의 기판을 지지할 뿐 아니라, 상기 반도체 발광 소자(14)의 열을 방출시키는 매개체 역할을 한다.
상기 반도체 발광 소자(14)는, 예컨대, 반도체 발광 다이오드(LED) 또는 레이저 다이오드(LD)이다.
본 발명에서 상기 반도체 발광 소자(14)는 기본적으로 다이(die)이고, 보다 바람직하게는 패키징 되지 않은 다이이다. 따라서 상기 다이로부터 방출되는 열은 근접한 거리에 있는 상기 기판(10)에 전달된다. 상기 반도체 발광 소자(14)로서 상기 다이의 열팽창 계수는 일반적으로 1X10-6/℃ 내지 10X10-6/℃이다. 예컨대, GaN의 열팽창 계수는 5.4X10-6/℃; InP의 열팽창 계수는 4.6X10-6/℃; GaP의 열팽창 계수는 5.3X10-6/℃이다. 상기 반도체 발광 소자(14)와 이의 접촉 물질 사이에 형성되는 과도한 열적 응력을 방지하기 위해 반도체 발광 소자(14)의 열팽창 계수에 맞추기 위해 본 발명에서는 상기 복합재료 기판을 반도체 발광 소자 어셈블리(1)의 지지기판으로 사용한다. 또한, 상기 회로배치 캐리어(11)와 상기 반도체 발광 소자(14)를 지지하는 상기 복합재료 기판(10)은 열-방출 매개체로 사용된다. 상기 복합재료 기판(10)을 형성하는 물질은 상기 반도체 발광 소자(14)와 복합재료 기판(10)의 열팽창 계수의 차가 1X10-6/℃이하가 되도록 선택함으로써, 상기 반도체 발광 소자와 상기 복합재료 기판 사이의 열적 응력에 의한 영향을 감소시킨다.
상기 복합재료 기판은 일반적으로 둘 이상의 물질로부터 형성되는데, 이러한 물질들은 소정의 분자 또는 원자 구조를 형성하지 않는다. 일반적으로, 복합재료는 복합전에 각 물질이 가지는 장점을 결합하여 보다 개선된 물리적 특성을 가진다. 상기 복합재료는 대개 경량이고, 고강도이고, 열적 특성도 우수한 장점을 가진다. 복합재료는 금속 메트릭스 복합 재료(MMC), 폴리머 메트릭스 복합 재료(PMC) 및 세라믹 메트릭스 복합 재료(CMC) 중에서 선택된다. 이러한 복합재료들은 각각 카본 섬유 또는 세라믹 섬유를 금속, 폴리머 및 세라믹에 혼합함으로써 형성된다. 상기 반도체 발광 소자(14)에서 발생된 열을 전달하기 위해서, 상기 복합재료 기판(10)으로, 열전도율이 150W/mK 이하이고, 열팽창 계수가 1X10-6/℃이하인, 예컨대 알루미늄 메트릭스 복합 재료(이것의 열전도율은 100 내지 640W/mK이고, 열 팽창 계수는 약 5~10X10-6/℃이다)와 같은 금속 메트릭스 복합 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 물론, 폴리머 메트릭스 복합 재료 및 세라믹 메트릭스 복합 재료도 실제적인 필요에 따라 사용될 수 있다.
상기 회로 배치 캐리어(11)는, 예컨대, 인쇄회로기판, 연성회로기판, 실리컨 기판 또는 세라믹 기판 등이다. 상기 반도체 기판은 원하는 회로를 형성하기 위해 에칭, 스퍼터링 등과 같은 다양한 반도체 공정을 적용할 수 있고, 또한 상기 반도체 발광 소자를 제조하기 위한 공정과 통합될 수 있다. 상기 실리컨 기판의 열전도율과 열팽창 계수는 각각 150W/mK, 4X10-6/℃정도이고, 이는 상기 복합재료 기판(10), 특히 금속 메트릭스 복합재료 기판의 열전도율 및 열팽창 계수와 유사한 값이다. 상기 실리컨 기판과 상기 복합재료 기판(10)의 유사한 열적 특성으로 인해 상기 실리컨 기판과 상기 복합재료 기판(10) 사이의 열적 응력을 효율적으로 감소시킬 수 있고 또한, 열전도율을 개선시킬 수 있다. 물론, 인쇄회로 기판 또는 연성회로 기판도 실제적 필요에 따라 사용될 수 있다.
회로배치 캐리어(11)는 연결 부재(12)에 의해 상기 복합재료 기판(10)과 연결된다. 연결 부재(12)는 본딩재, 바람직하게 연성 본딩층, 더 바람직하게 상온 또 는 중저온에서 접착력을 유지할 수 있는 연성 본딩층으로 제조된다. 상기 연성 본딩층은 벤조싸이클로부틴, 에폭시, 폴리이미드 SOG, 실리컨, 땜납, 이들의 균등물 또는 이들의 조합으로 형성할 수 있다. 이러한 연성 본딩층은 비교적 낮은 온도(일반적으로 300℃이하)에서 경화될 수 있어서, 상기 복합재료 기판(10)과 상기 반도체 발광 소자(14) 사이; 및/또는 상기 복합재료 기판(10)과 상기 회로배치 캐리어(11) 사이의 높은 온도로 인한 열적 응력을 감소시킬 수 있고 또한, 높은 온도로 인해 상기 반도체 발광 소자(14)에 발생되는 손상을 줄일 수 있다.
상술한 연성 본딩층 이외에도, 금속층이 상기 복합재료 기판(10)상, 또는 상기 복합재료 기판(10)과 상기 반도체 발광 소자(14) 상에 형성될 수 있다. AuSn과 같은 금속 땜납 층이 상기 금속층과 상기 반도체 발광 소자(14) 사이 또는 상기 복합재료 기판(10)과 상기 반도체 발광 소자(14) 상에 형성된 두 개의 금속 층 사이에 형성되어, 금속 땜납층과 상기 금속층 사이의 공융 반응을 유발시켜 상기 반도체 발광 소자(14)를 상기 복합재료 기판(10)상에 부착시킬 수 있다.
나아가, 상기 다이에서 발생된 열을 근접한 거리의 상기 복합재료 기판(10)으로 전달하기 위해 관통홀, 블라인드홀 등과 같은 함몰부(13)가 상기 반도체 발광 소자(14)를 수용하는 상기 회로배치 캐리어(11) 상에 형성될 수 있다. 상기 함몰부(13)는 바람직하게 상기 회로배치 캐리어(11) 상에 형성되고, 상기 복합재료 기판(10)이 있는 방향으로 연장된다. 용이한 공정을 위해서, 상기 함몰부(13)는 회로배치 캐리어(11)가 상기 복합재료 기판(10)에 접합되기 전에 형성된다. 상기 회로배치 캐리어(11)가 인쇄회로기판이면, 드릴링, 번칭 등과 같은 기계적 공정방식으로 상기 함몰부(13)를 인쇄회로기판 상에 형성한다. 상기 회로배치 캐리어(11)가 반도체 기판이면, 화학적 에칭, 플라즈마 에칭 등과 같은 일반적인 반도체 공정을 통해 상기 함몰부(13)를 인쇄회로기판 상에 형성한다.
상기 복합재료 기판(10)은 전기적으로 전도성이 있다. 만약, 도 1a에 도시된 바와 같이, 상기 반도체 발광 소자(14)의 양극 및 음극이 동일한 면이고, 상기 반도체 발광 소자의 에피택씨얼 구조가 전도체인 경우, 상기 반도체 발광 소자(14)를 상기 복합재료 기판(10)으로부터 절연시키면 누설전류의 발생방지 및/또는 ESD 기능의 향상을 가져올 수 있다. 상기 연결 부재(12)가 절연체이면, 상기 함몰부(13)는 상기 복합재료 기판(10)과 상기 반도체 발광 소자(14)가 직접적으로 연결되는 것을 방지하기 위해 상기 연결 부재(12)까지 연장될 수 있다. 대안으로, 도 1b에 도시된 바와 같이, 상기 반도체 발광 소자(14)는 절연체(21)를 매개로 하여 상기 복합재료 기판(10)으로부터 분리된다. 그러므로 상기 함몰부(13)는 상기 반도체 발광 소자(14)와 상기 복합재료 기판(10) 사이의 열전도로를 짧게 하기 위해 상기 복합재료 기판(10)까지 연장된다.
하지만, 필요에 따라서 상기 절연체(21)는 또한 도 1a에 도시된 예에서, 상기 복합재료 기판(10)으로부터 상기 반도체 발광 소자(14)를 분리하는데 이용될 수도 있다. 반대로, 상기 반도체 발광 소자(14)의 에피택씨얼 구조가 전기적으로 절연체이거나 활성층으로부터 절연되어 있으면, 상기 반도체 발광 소자(14)는 상기 복합재료 기판(10)에 직접 접촉되거나, 글루, 절연 글루, 땜납 등의 다른 물질에 의해 상기 복합재료 기판(10)에 고정될 수 있다.
[실시예 2]
도 2는 본 발명의 제 2실시예에 따른 반도체 발광 소자 어셈블리(1)의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다. 여기서, 참조부호 1201은 연성본딩층;1202 및 1203은 반응층; 15는 반사층; 및 16은 평탄층을 나타낸다.
제 1실시예에서 상술한 바와 같이, 본 발명의 반도체 발광 소자(14)는 상기 연결 부재(12)를 매개로 하여 상기 회로 배치 캐리어(11)와 결합된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 연결 부재(12)는 연결 부재(12)의 접합력을 향상시키기 위해 연성 본딩층(1201) 및 반응층(1202) 및/또는 반응층(1203)으로 구성된 상기 연성 본딩층(1201)은 제 1실시예에서 상술한 물질로 형성될 수 있다. 상기 반응층(1203)은 상기 연성 본딩층(1201)과 상기 회로 배치 캐리어(11) 사이에 형성되고; 및/ 또는 상기 반응층(1202)은 상기 연성 본딩층(1201)과 상기 복합재료 기판(10) 사이에 형성되어 상기 연성 본딩층(1201)과, 상기 회로배치 캐리어(11) 및/또는 상기 복합재료 기판(10) 사이의 접합력을 향상시킨다.
상기 반응층(1201, 1203)을 형성하는 물질은 SiNx, 에폭시, 타이타늄(Ti), 크롬(Cr) 또는 이들의 조합이다. 상기 반응층(1202) 또는/및 상기 반응층(1203)은 상기 회로배치 캐리어(11) 및/또는 상기 복합재료 기판(10)상에 물리적 증발 증착(PVD) 방식 또는 화학적 증발 증착(CVD) 방식으로 형성된다. 그리고, 상기 연성 본딩층(1201)은 상기 회로배치 캐리어(11)의 일면 및/ 또는 상기 복합재료 기판(10)의 일면에 형성된다. 그리고 나서, 상기 회로 배치 캐리어(11)는, 상기 회로배치 캐리어(11)를 상기 복합재료 기판(10)상에 고정하기 위한 적절한 압력 및/또는 온 도를 제공받아 상기 복합재료 기판(10)에 부착된다.
또한, 상기 복합재료 기판(10)의 표면이 거칠 경우, 평탄층(16)이 상기 복합재료 기판(10)의 거친 면을 고르게 하기 위해 상기 복합재료 기판(10)의 표면상에 형성되고, 따라서 상기 연결 부재(12)가 상기 복합재료 기판(10)상에 잘 부착되도록 한다. 상기 평탄층(16)을 형성하는 물질은 니켈 또는 상기 연결 부재(12)와 접합될 수 있는 것이라면 어떠한 물질이라도 가능하다. 또한, 상기 반도체 발광 소자(14)의 양극 및 음극의 전극이 동일한 면상에 있고, 상기 반도체 발광 소자(14)의 에피택씨얼 구조가 전도체인 경우, 상기 함몰부(13)는 상기 평탄층(16), 상기 연결 부재(12) 또는 상기 복합재료 기판(10)까지 연장됨으로써, 상기 반도체 발광 소자(14)는 상기 평탄층(16), 상기 연결 부재(12) 또는 상기 복합재료 기판(10)상에 직접적으로 위치된다.
상기 반도체 발광 소자(14)의 발광 효율을 높이기 위해, 대개 동일한 방향으로 향하는 상기 반도체 발광 소자로부터 방출된 광을 반사하고 안내하기 위해 반사층(15)이 상기 함몰부(13)내에 더 형성된다. 상기 반사층(15)은 금, 은, 알루미늄, 주석 등과 같은 광-반사 물질로 형성된다. 상기 반사층(15)은 다양한 박막 증착 방식으로 상기 함몰부(13)의 일부 또는 전체 표면에 형성된다. 나아가, 상기 반사층(15)이 전도체인 경우, 상기 반도체 발광 소자(14)와 상기 반사층(15) 사이의 절연을 위해, 상기 반사층(15)은 상기 복합재료 기판(10)을 덮는 상기 반도체 발광 소자(14)의 상면에 형성하지 않는 것이 바람직하다. 또한, 반사층(15)의 반사효율을 높이기 위해서 상기 함몰부(13)는 테이퍼 지도록 형성된다. 즉, 상기 함몰부(13)의 내벽이 깔때기-형상으로 경사지도록 한다.
[실시예 3]
도 3a 내지 도 3h는 본 발명의 제 3실시예에 따른 반도체 발광 소자 어셈블리(1)의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다. 여기서, 참조부호 18은 광 투과부; 18a는 충전물질; 및 19는 파장 변환 물질을 나타낸다. 상술한 실시예에서와 같이, 상기 반도체 발광 소자(14)의 양극 및 음극 전극은 동일한 면에 형성되고, 상기 전도성 와이어(17)가 상기 양극 및 음극 전극을 전기적 단자(20)에 연결하는데 사용된다. 그런데 본 발명의 반도체 발광 소자(14)는 플립-칩 구조, 즉 양극 및 음극 전극 모두 상기 복합재료 기판(10)을 향해 동일한 면에 형성된 구조이다. 만약, 상기 반도체 발광 소자(14)가 플립-칩 구조이면, 전도성 와이어(17)는 필요 없다. 그 대신, 전기적 접촉물질(20a)이 도 3a 내지 도 3d에 도시된 바와 같이, 상기 반도체 발광 소자의 양극 및 음극의 전극을 연결하기 위해 상기 함몰부(13) 내부로 연장된다.
상기 반도체 발광 소자(14)와 상기 함몰부(13) 내에 실장된 다른 구성요소들을 보호하기 위해서, 광 투과부(18)가 상기 반도체 발광 소자(14)의 상부 영역을 덮는다. 또한, 반도체 발광 소자(14), 전도성 와이어(17) 및 반사층(15)을 보호하기 위한 목적으로 상기 광 투과부(18)는 상기 반도체 발광 소자(14)의 발광 효율을 증가시키도록 또는 반도체 발광 소자(14)에 의해 발생되는 원래의 광과 다른 패턴의 광을 제공하도록 디자인될 수 있다. 바람직하게, 상기 광 투과부(18)는 볼록 렌즈, 오목 렌즈, 산란 렌즈 등과 같은 광학 렌즈이다.
상기 광 투과부(18)를 형성하는 물질은 에폭시, 아크릴 수지, 싸이클로-올레핀 공중합체(COC), 폴리메틸-메타아크릴레이트(PMMA), 폴리카보네이트(PC), 폴리에테르이미드, 플루오로카본, 실리콘, 이들의 조합 또는 직접적인 광전송을 멈출 수 있는 물질이라면 어떠한 것이라도 채용 가능하다.
또한, 충진물질(18a)은 광 투과부(18)와 상기 반도체 발광 소자(14) 사이에 개재되어 광 투과부(18)에 의해 상기 반도체 발광 소자(14)측으로 집중되는 압력을 저감시킨다. 상기 충진물질(18a)은 실리콘 등과 같은 물질이다.
상기 반도체 발광 소자(14)에서 발생되는 광은 파장 변환물질(19)을 통과하여 원래의 광과 다른 파장을 갖는 광으로 변환된다. 상기 파장 변환물질(19)은 형광 파우더, 컬러 필터, 이들의 균등물 또는 이들의 조합이다.
상기 파장변환 물질(19)은 상기 반도체 발광 소자(14)의 상부 영역을 덮도록 배치되고, 상기 광 투과부(18)는 도 3b에 도시된 바와 같이, 상기 파장 변환 물질(19)을 보호하기 위해 씌워진다.
대안으로, 상기 파장 변환 물질(19)과 상기 광 투과부(18)는 에폭시와 같은 본딩재와 혼합되어 도 3c에 도시된 바와 같이 상기 반도체 발광 소자(14)의 상부 영역에 씌워진다. 바람직하게, 상기 광 투과부(18)내에 혼합하거나 본딩재와 혼합시키지 않고 침전 작용으로 상기 파장 변환 물질(19)이 상기 반도체 발광 소자(14)의 상부를 덮도록 한다. 상기 파장 변환 물질(19)이 침전되어 모일 때, 상기 광 투과부(18)는 도 3b에 도시된 바와 같이, 상기 파장 변환 물질(19)을 보호하기 위해 상기 파장 변환 물질(19) 위에 위치될 수 있다.
만약 상기 파장 변환 물질(19)이 컬러 필터이면, 상기 파장 변환은 도 3d에 도시된 바와 같이, 상기 반도체 발광 소자(14)의 광-방출로 상에 상기 컬러 필터를 위치시킴으로써 이루어진다. 대안으로, 상기 충진물질(18a)은 상기 반도체 발광 소자(14)를 보호하기 위한 상기 컬러 필터 하부에 채워지고, 광 전송에 유리한 굴절률 변화를 발생시킨다.
도 3e 내지 도 3g에 도시된 바와 같이, 파상 어레이(18b)는 상기 광 투과부(18)상에 더 형성되고, 여기서 상기 파상 어레이(18b)는 고정된 파 전달 방향, 즉, 파상 어레이(18b)의 파면이나 어레이 방향을 갖는 파상의 표면을 갖는다. 상기 파상 어레이(18b)에 형성되는 파형 구조는 복수의 미세-렌즈로 가능하다. 광은 파형 구조를 통과하면서 다양한 각도로 굴절되므로, 스팟 형태로 광이 집중되는 것을 방지할 수 있다. 상기 파상 어레이(18b)에서 광-산란이 잘 이루어지도록 하기 위해 각 미세-렌즈의 직경은 50 내지 60㎛정도가 바람직하다. 만약 상기 파상 어레이(18b)가 연속적으로 형성되면, 두 개의 연속파의 최고점 사이 또는 최저점 사이의 거리는 100 내지 200㎛이다.
복수의 반도체 발광 소자(14)의 배열 방향이 상기 파상 어레이(18b) 방향, 즉 파면에 평행하면, 상기 파상 어레이(18b)를 통과하는 광은 실질적으로 상기 파상 어레이(18b)의 파면 방향에 평행한 광 패턴으로 전이된다. 따라서, 상기 반도체 발광 소자(14)의 배열 방향과 상기 파상 어레이(18b)의 파면 방향이 모두 일직선의 패턴으로 정렬될 때, 광은 일직선의 패턴으로 분포된다; 상기 반도체 발광 소자(14)의 배열 방향과 상기 파상 어레이(18b)의 파면 방향이 곡선 패턴 또는 방사상 패턴으로 정렬될 때, 광은 곡선 패턴 또는 방사상 패턴으로 분포된다. 이론적으로, 상기 반도체 발광 소자(14)의 배열 방향이 평행하거나 상기 파상 어레이(18b)의 파면 방향에 거의 평행하면 상기 반도체 발광 소자(14)에서 발생되는 광은 파면 방향을 따라 연장된 광 패턴으로 분포된다.
도 3h에 도시된 바와 같이, 상기 광 투과부(18)는 날개 형의 돌출된 형상으로 형성되어, 날개형 돌출부(1801), 함몰된 개구부(1802) 및 광 입사 표면(1803)을 갖는다. 상기 함몰된 개구부(1802)는 상기 광 입사 표면(1803)으로부터 먼 위치, 바람직하게 상기 광 입사 표면(1803)의 반대 면에 배치된다. 상기 날개형 돌출부(1801)는 상기 함몰된 개구부(1802)에서 연장되어 상기 함몰된 개구부(1802)의 양쪽 반대 면을 향한다. 여기서 날개의 끝은 뾰족한 형상으로 형성되도록 제한되는 것은 아니고 구부러진 형상 또는 평평한 형상으로 형성될 수 있다. 상기 광 투과부(18)는 세로 방향, 바람직하게 상기 날개형 돌출부(1801)의 방향에 수직한 방향으로 연장된다.
상기 반도체 발광 소자(14)로부터 방출되어 상기 광 입사 표면(1803)으로 입사되는 광의 일부는 상기 함몰된 개구부(1802)의 양 단면에 의해 전체가 내부로 반사되고 상기 날개형 돌출부(1801)로 직접 입사되고, 광의 나머지 부분은 함몰된 개구부(1802)를 통과하여 상기 광 투과부(18)와 주변의 광학적 매개물 사이의 굴절률 차이가 적용되는 스넬법칙에 따라 굴절된다. 상기 광의 일부가 전체적으로 내부로 반사되기 때문에, 상기 함몰된 개구부(1802)에서 직접적으로 방출되는 광의 플럭스는 감소되고, 따라서 상기 반도체 발광 소자(14)로부터 방출되는 광이 상기 광 투 과부(18) 상에 국부적인 광 스팟으로 형성되는 것을 방지한다. 상기 함몰된 개구부(1802)의 형상은 V자형 또는 U자형으로 형성되고, 바람직하게 이들의 꼭지점은 광 입사 표면(1803) 방향 또는 반도체 발광 소자(14)의 광 방출 방향을 향한다.
직접적으로 또는 간접적으로 상기 날개형 돌출부(1801)로 인입된 광은, 반사 또는 굴절에 의해 상기 날개형 돌출부(1801)로부터 방출된다; 또는 상기 날개형 돌출부(1801) 내에서 여러 번의 내부 반사로 인해 점진적으로 혼합된다.
또한, 상기 파형 어레이(18b)는 상기 날개형 돌출부(1801), 또는 상기 함몰된 개구부(1802) 내부 및/또는 상기 광 입사 표면(1803) 상에 형성될 수 있다. 상기 반도체 발광 소자(14)의 배열 방향이 상기 파형 어레이(18b)의 파면 방향에 평행하거나; 또는 상기 광 투과부(18)의 길이 방향에 평행하면, 광은 상술한 바와 같이 파면 방향 및 길이 방향을 따라 퍼질 것이다.
반도체 발광 소자(14)는 가시광 또는 비 가시광을 방사하는 LED와 같은 소자이다. 상기 반도체 발광 소자(14)가 비 가시광을 방출할 경우, 상기 파장 변환 물질(19)은 비 가시광에 의해 유기되어 가시광을 발생시키는 물질이다.
상기 반도체 발광 소자(14)로부터 방출된 빛의 파장이 자외선 즉 10 내지 420nm, 바람직하게 200 내지 420nm, 적색, 푸른색 및/또는 녹색 광과 같은 컬러 광이면, 자외선에 의해 유기될 수 있는 선택된 파장 변환 물질(19)에 의해 방출된다. 자외선에 의해 유기되어 적색 광을 방출하는 파장 변환 물질(19)은 Y2O2S:Eu, Bi:Y2O3S:Eu, Bi 및 3.5MgO?0.5MgF2?GeO2:Mn+4와 같은 물질이고, 여기서 이러한 물 질들로부터 야기된 파장은 330 내지 430nm이고; 자외선에 의해 야기되어 푸른색 광을 방출하는 파장 변환 물질(19)은 BaMg2Al16O27:Eu,(SaBaCa)5(PO4)3Cl:Eu; 및 Sr4Al14O25:Eu와 같은 물질이고, 여기서 이러한 물질들로부터 야기된 파장은 220 내지 330nm이다. 자외선에 의해 야기되어 녹색 광을 방출하는 파장 변환 물질(19)은 알칼리성의 토류 규산염 인광물질(alkaline earth silicate phosphor), 바람직하게 유로피엄-알칼리성 토류 규산염 인광물질과 같은 물질이고, 여기서 이러한 물질들로부터 야기된 파장은 200 내지 420nm, 바람직하게 360 내지 400nm이고, (SrBaMg)2SiO4:Eu와 같은 합성물이다. 이 합성물은 좁은 파폭, 예를 들어 FWHM(Full Width Half maximum)이 35nm 이하이고, 이 정도의 FWHM은 InGaN 반도체 발광 다이오드에서 발생되는 녹색광의 FWHM이다. 상용 제품으로는 미국의 인터멕트릭스사에서 제조한 형광체 G400TM/G380TM/G360TM 등을 이용할 수 있다.
자외선에 의해 유기되어 녹색광을 발생시키는 다른 인광물질로는 (Ba1-x-y-zCaxSryEuz)2(Mg1-wZnw)Si2O7이 있고, 여기서 x+y+z=1, 0.05>z>0 및 w<0.05;Ca8Mg(SiO4)4Cl2:Eu,Mn;Ba2SiO4:Eu;Ba2MgSi2O7:Eu;BaAl2O4:Eu;SrAl2O4:Eu; 및 BaMg2Al16O27:Eu 등이 있다. 여기서 이들에서 유기되는 파장은 330 내지 420nm이다.
상기 파장 변환 물질(19)은 반도체 발광 소자(14)를 반도체 발광 소자 어셈블리(1)로 패키징하는 동안 상기 반도체 발광 소자(14) 상에 형성될 수 있고 또는 칩 제조 공정 동안 직접 형성되며, 상기 광 투과부(18) 내부 또는 상기 광 투과부(18)와 상기 반도체 발광 소자(14) 사이에 파장 변환 물질(18)이 개재되는 것을 방지하는 것이 바람직하다. 파장 변환 물질(19)을 칩 위에 직접 형성하는 방법은 본 실시예에서 상술한 바와 같이 파장 변환 물질(19)의 구성물에 따라 적용된다.
본 실시예에서는 설명의 예로 플립칩 형태의 반도체 발광 소자(14)를 사용하였다. 하지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 반도체 발광 소자(14)는 제 1 및 2실시예에서와 같이 사용될 수 있다.
[제 4실시예]
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 제 4실시예에 따른 반도체 발광 소자 어셈블리(1)의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다. 여기서 참조부호 22는 대류열 전달소자; 23은 하단의 전기적 접촉단자를 나타낸다.
반도체 발광 소자(14)의 양극 및 음극 전극이 반대 면에 위치할 때, 즉 일 전극이 복합재료 기판(10)에서 먼곳에 위치하는 반면, 타 전극은 복합재료 기판(10)의 접촉 면에 위치할 때 상기 타 전극은 전도성 와이어(17)로 전기적 접촉단자(20)에 연결하기가 쉽지 않다. 반면에, 복합재료 기판(10)이 전도체이면, 반도체 발광 소자(14)의 일 전극은 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 직접적으로 복합재료 기판(10)에 연결될 수 있고, 복합재료 기판(10)은 전기적 접촉단자로서 역할을 한다. 하단의 전기적 접촉 단자(23)는 외부 연결을 위한 접촉 단자로서 복합재료 기판(10)상에 배치된다. 반도체 발광 소자(14)와 하단의 전기적 접촉단자(23)를 전기적으로 연결하기 위해 전도성 관통홀(미도시)이 복합재료 기판(10) 내에 형성 될 수 있다.
또한, 열 방사 성능을 향상시키기 위해 대류열 전달소자(22)가 복합재료 기판(10)상에 설치된다. 대류열 전달소자(22)는 열방사 핀, 다공성 세라믹 물질, 다공성 합성물 등이며, 주위 매질의 자연적 또는 강제적인 대류로 인해 상기 반도체 발광 소자(14)로부터 복합재료 기판(10)으로 전달되는 열을 제거한다. 높은 열전도효율 때문에 상기 복합재료 기판(10)은 균일한 온도 분포를 가지며 복합재료 기판의 벌크 온도는 대류열 전달소자(22)의 도움으로 효과적으로 감소될 수 있다. 상기 대류열 전달소자(22)는 도 4a에 도시된 바와 같이 복합재료 기판(10)과 일체형으로 형성된다. 또는 도 4b에 도시된 바와 같이 독립적인 구성요소로서 복합재료 기판에 부착된다.
상술한 실시예에서 함몰부(13)는 예시적으로 제시된 것이며, 본 발명의 필수요소는 아니다. 다시 말해 상기 반도체 발광 소자(14)는 상기 함몰부(13)가 형성되지 않은 회로 배치 캐리어(11)상에 배치될 수 있고, 상기 광 투과부(18) 및/또는 상기 파장 변환 물질(19)은 반도체 발광 소자(14)를 덮도록 배치될 수 있다. 여기서, 광 투과부(18) 및/또는 파장 변환 물질(19)은 차례로 형성되는 것으로 도 3a 내지 도 3d에 도시되었으나 다른 배치도 가능하다.
또한, 본 발명의 상기 반도체 발광 소자 어셈블리(1)는 도 5에 도시된 바와 같은 어레이 형태일 수 있다. 복수의 함몰부(13)는 상기 회로 배치 캐리어(11)상에 형성되고, 하나 이상의 반도체 발광 소자(14)는 함몰부(13)에 각각 배치되어 전기적으로 병력 또는 직렬로 연결된다. 대안으로, 복수의 반도체 발광 소자(14)는 함 몰부(13)없이 복합재료 기판(10)상에 배치될 수 있다. 상기 반도체 발광 어레이의 구조적 다양성은 상술한 실시예에서 설명된 바와 유사하고, 여기서 다시 설명하지 않는다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
본 발명은 열팽창 계수가 12X10-6/℃ 이하이고, 열전도 계수가 150W/mK 이상인 복합재료 기판을 사용함으로써, 반도체 발광 소자로부터 발생되는 열을 효과적으로 방출시키고 열팽창 계수 차로 인해 발생하는 열적 스트레스를 감소시킬 수 있다.
Claims (33)
- 열팽창 계수가 12X10-6/℃ 이하이고, 열전도 계수가 150W/mK 이상인 복합재료 기판;회로 배치 캐리어;상기 복합재료 기판과 상기 회로 배치 캐리어를 접합하는 연결 부재; 및상기 복합재료 기판상에 배치되고 전기적으로 상기 회로 배치 캐리어에 연결된 반도체 발광 소자를 포함하고,상기 복합재료 기판을 형성하는 물질은, 금속 메트릭스 복합재료(MMC), 폴리머 메트릭스 복합재료(PMC), 세라믹 메트릭스 복합재료(CMC) 및 이들의 균등물이나 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자 어셈블리.
- 제 1항에 있어서,상기 회로 배치 캐리어 상에 형성되고 상기 복합재료 기판으로 연장되며, 그 내부에 상기 반도체 발광 소자가 배치되는 함몰부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자 어셈블리.
- 삭제
- 제 1항에 있어서,상기 반도체 발광 소자의 열팽창 계수와 상기 복합재료 기판의 열팽창 계수의 차이는 10X10-6/℃이하인 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자 어셈블리.
- 제 1항에 있어서,상기 회로배치 캐리어는 반도체 기판, 인쇄회로기판(PCB), 연성회로기판(FPC), 실리컨 기판, 세라믹 기판 및 이들의 균등물이나 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자 어셈블리.
- 제 1항에 있어서,상기 연결 부재는 연성 본딩층인 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자 어셈블리.
- 제 6항에 있어서,상기 연성 본딩층은 벤조싸이클로부틴(BCB), 에폭시, 폴리이미드, SOG(Spin On Glass), 실리콘, 땜납 및 이들의 균등물이나 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자 어셈블리.
- 제 6항에 있어서,상기 연결 부재는 상기 연성 본딩층의 일면에 형성된 반응층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자 어셈블리.
- 제 8항에 있어서,상기 반응층은 실리컨 나이트라이드(SiNx), 에폭시, 타이타늄(Ti), 크롬(Cr) 및 이들의 균등물이나 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자 어셈블리.
- 제 1항에 있어서,상기 연결 부재는 공융 본딩 방식으로 상기 반도체 발광 소자와 상기 반도체 기판을 연결하는 복수의 금속층을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자 어셈블리.
- 제 2항에 있어서,상기 함몰부는 테이퍼진 형태로 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자 어셈블리.
- 제 2항에 있어서,상기 함몰부는 반사층을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자 어셈블리.
- 제 2항에 있어서,상기 함몰부를 덮는 광 투과부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자 어셈블리.
- 제 13항에 있어서,상기 광 투과부 상에 형성되고, 파면 방향을 가지는 파상 어레이(wavelike array)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자 어셈블리.
- 제 14항에 있어서,상기 반도체 발광 소자는 실질적으로 상기 파면 방향을 따라 배열되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자 어셈블리.
- 제 13항에 있어서,상기 광 투과부는 광학 렌즈인 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자 어셈블리.
- 제 13항에 있어서,상기 광 투과부는,반도체 발광 소자와 접해 있는 광 입사 표면;함몰된 개구부; 및상기 함몰된 개구부로부터 상기 함몰된 개구부의 양단으로 향하는 날개형 돌출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자 어셈블리.
- 제 17항에 있어서,상기 함몰된 개구부는 상기 광 입사 표면을 향하는 꼭지점을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자 어셈블리.
- 제 1항에 있어서,상기 반도체 발광 소자 어셈블리는, 광의 파장을 변환하도록 상기 반도체 발광 소자 상에 탑재된 파장 변환 물질을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자 어셈블리.
- 제 19항에 있어서,상기 파장 변환 물질은 형광성 분말, 컬러 필터 및 이들의 균등물이나 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자 어셈블리.
- 제 1항에 있어서,상기 복합재료 기판과 상기 연결 부재 사이에 형성된 평탄층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자 어셈블리.
- 제 21항에 있어서,상기 평탄층은 니켈(Ni) 또는 상기 연결 부재에 부착 가능한 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자 어셈블리.
- 제 1항에 있어서,상기 반도체 발광 소자는 발광 다이오드(LED), 레이저 다이오드(LD) 및 이들의 균등물이나 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자 어셈블리.
- 제 2항에 있어서,상기 반도체 발광 소자는 플립 칩 구조인 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자 어셈블리.
- 제 24항에 있어서,상기 함몰부의 적어도 하나 이상의 표면에 형성되고, 상기 반도체 발광 소자와 상기 회로 배치 캐리어를 전기적으로 연결하는 전기적 접촉 단자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자 어셈블리.
- 제 1항에 있어서,상기 복합재료 기판에 연결되어 상기 복합재료 기판을 열 대류 방식으로 냉각시키는 대류열 전달소자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자 어셈블리.
- 제 26항에 있어서,상기 대류열 전달소자는 열 방출 핀, 다공성 세라믹 물질, 다공성 합성물 및 이들의 균등물이나 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자 어셈블리.
- 제 1항에 있어서,상기 반도체 발광 소자는 상기 복합재료 기판에 전기적으로 연결된 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자 어셈블리.
- 제 28항에 있어서,상기 반도체 발광 소자는 상기 복합재료 기판의 타면 상에 배치된 전기적 접촉 단자에 전기적으로 연결된 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자 어셈블리.
- 제 28항에 있어서,상기 복합재료 기판에는 상기 반도체 발광 소자와 전기적으로 연결된 전도성 투과 홀이 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자 어셈블리.
- 제 1항에 있어서,상기 반도체 발광 소자는,자외선 광 방출기;상기 자외선 광 방출기에 의해 여기되어 가시광을 발하는 파장 변환 물질;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자 어셈블리.
- 제 31항에 있어서,상기 파장 변환 물질은 유로피엄(Eu) 활성화 알칼리성 토류 규산염(alkaline earth silicate)을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자 어셈블리.
- 제 31항에 있어서,상기 파장 변환 물질은,(SrBaMg)2SiO4:Eu ;(Ba1 -x-y- zCaxSryEuz)2(Mg1 - wZnw)Si2O7, 여기서 x+y+z=1, 0.05>z>0 및 w<0.05;Ca8Mg(SiO4)4Cl2:Eu,Mn;Ba2MgSi2O7:Eu;BaAl2O4:Eu; SrAl2O4:Eu 및BaMg2Al16O27:Eu 로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자 어셈블리.
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