KR101259019B1 - 발광다이오드 소자와 그 제조 방법 - Google Patents

발광다이오드 소자와 그 제조 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR101259019B1
KR101259019B1 KR1020110016927A KR20110016927A KR101259019B1 KR 101259019 B1 KR101259019 B1 KR 101259019B1 KR 1020110016927 A KR1020110016927 A KR 1020110016927A KR 20110016927 A KR20110016927 A KR 20110016927A KR 101259019 B1 KR101259019 B1 KR 101259019B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
package body
metal layer
metal
plating layer
layer
Prior art date
Application number
KR1020110016927A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20120097617A (ko
Inventor
김강
Original Assignee
김강
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 김강 filed Critical 김강
Priority to KR1020110016927A priority Critical patent/KR101259019B1/ko
Priority to PCT/KR2011/001827 priority patent/WO2011118934A2/en
Priority to TW100109386A priority patent/TW201203636A/zh
Publication of KR20120097617A publication Critical patent/KR20120097617A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101259019B1 publication Critical patent/KR101259019B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/48—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor body packages
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/48—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor body packages
    • H01L33/62—Arrangements for conducting electric current to or from the semiconductor body, e.g. lead-frames, wire-bonds or solder balls
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L2224/48—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/4805—Shape
    • H01L2224/4809—Loop shape
    • H01L2224/48091—Arched
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/013—Alloys
    • H01L2924/0132—Binary Alloys
    • H01L2924/01322—Eutectic Alloys, i.e. obtained by a liquid transforming into two solid phases
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/19—Details of hybrid assemblies other than the semiconductor or other solid state devices to be connected
    • H01L2924/191—Disposition
    • H01L2924/19101—Disposition of discrete passive components
    • H01L2924/19107—Disposition of discrete passive components off-chip wires

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Led Device Packages (AREA)

Abstract

본 발명은 HTCC 기반의 발광다이오드 소자와 그 제조 방법에 관한 것으로, LED 칩이 실장된 패키지 바디; 상기 패키지 바디의 하면에 형성된 하부 금속층; 상기 하부 금속층의 하면에 도금된 도금층; 및 상기 도금층에 접합된 금속판을 포함한다. 상기 도금층은 솔더링, Ag 에폭시 접착제, , 나노 사이즈 금속 페이스트 중 어느 하나로 상기 금속판에 접합된다. 상기 패키지 바디는 1500℃ 이상의 소성온도에서 소결되는 기판 재료를 포함한다. 상기 기판 재료는 Al2O3, MgO, BeO, AlN 중 어느 하나를 포함하고, 상기 기판 재료에는 저융점 유리가 첨가되지 않는다. 상기 하부 금속층은 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 은(Ag), 니켈(Ni), 구리(Cu), 금(Au) 중 어느 하나를 포함한다.

Description

발광다이오드 소자와 그 제조 방법{LIGHT EMITTING DIODE DEVICE AND FABRICATING METHOD THEREOF}
본 발명은 HTCC 기반의 발광다이오드 소자와 그 제조 방법에 관한 것이다.
발광다이오드(light emission diode, 이하 "LED"라 함)는 GaAs, AlGaAs, GaN, InGaN 및 AlGaInP 등의 화합물 반도체(compound semiconductor) 재료를 포함하는 2 단자 다이오드 소자이다. LED는 캐소드단자와 애노드단자에 전원을 인가할 때 전자와 정공이 결합할 때 발생하는 빛에너지로 가시광을 방출한다.
백색광을 방출하는 백색 LED는 적색(Red) LED, 녹색(Green) LED, 청색(Blue) LED 3색 조합으로 구현되거나 청색 LED에 황색 형광체(yellow Phosphor)의 결합으로 구현될 수 있다. 백색 LED의 등장으로 인하여, LED의 적용 분야는 전자제품의 인디케이터(indicator)로부터 생할용품, 광고용 패널(Panel) 등으로 그 응용 범위가 확대되었고, 현재는 LED 칩의 고 효율화에 따라 가로등, 자동차 헤드렘프(Head lamp), 형광등 대체용 일반 조명 광원을 대체할 수 있는 단계에 이르렀다.
수십~수백W 급의 일반조명을 LED로 대체하기 위해서 개별 LED 소자의 출력을 높이는 방향으로 기술개발이 이루어지고 있다. 고출력 LED 소자에는 LED 칩(Chip)으로부터 발생되는 열을 방열시키기 위한 설계가 반드시 필요하다. LCD TV 용 LED BLU(Backlight Unit)에서도 LED 소자의 개수를 줄이기 위해서 개별 LED 소자의 출력을 향상시키는 연구 개발이 진행되고 있다. LED 소자의 출력이 향상되면 LED 소자의 효율과 수명에 악영향을 주는 LED 칩의 온도가 상승한다. LED는 광 반도체 소자로서 형광등, 백열등 등 다른 광원들과는 달리 입력된 전력 중 약 70~80% 이상이 열에너지로 전환되고 있어 이를 효과적으로 방출하는 기술이 매우 중요하다. 특히, 열에 의한 LED 칩 온도 상승은 단기적으로는 광효율의 저하와 직접적으로 관계되어 있으며, 장기적으로는 칩의 수명 또한 감소하게 하는 요인이 되어 LED 칩의 온도를 10℃만 낮추어도 수명이 2배로 늘어날 수 있다.
LED 패키지에서의 열전달은 주로 열전도(Thermal Conduction) 현상에 의존하고 있다. 열전도를 원할하게 하기 위해서는, LED 패키지를 구성하는 각 소재의 열전도도(Thermal conductivity)는 높아야 하며, 또한 각 소재 간의 접촉면에서의 열저항(Thermal Resistance)이 낮아야 열 방출이 효과적으로 가능하게 된다. 열저항은 외부로부터 인가된 전력에 의해 발생하는 열에 의해 처음에 비해 온도가 올라가게 되면 그 온도 차이를 가해준 전력으로 나누어 준 값으로 정의된다. 열 저항이 크다는 것은 LED 칩과 주위 온도(Ambient Temperature) 간의 온도차가 크며, LED 칩에서 발생된 열이 외부로 잘 빠져나가지 못한다는 것을 의미한다고 볼 수 있다. 따라서, 고출력 LED 패키지의 기술 개발은 주로 고열전도성 소재를 적용하고 방열에 효과적인 패키지 구조 설계로 열 저항을 낮추는 데 역점을 두고 있다. 또한, LED 칩을 실장하는 패키징 공정을 최적화하여 열 저항을 감소시키는 데 역점을 두고 있다.
LED 패키지들의 방열을 위하여, 대부분 고가의 금속 PCB(metal printed circuit board), 혹은 다른 명칭으로 써멀 클래드 보드(Thermal clad board) 상에 LED 패키지를 솔더링(soldering)하는 방법이 이용되고 있다. 이 경우에, LED 패키지에서 발생되는 열은 금속 PCB를 통해 방열된다.
금속 PCB는 알루미늄 기판 상에 수지층. 동박층, 솔더 레지스트(Soler regist) 층이 적층된 구조를 갖는다. 이 경우에, LED 칩으로부터 발생되는 열은 LED 패키지의 패키지 바디, 금속 PCB의 솔더층, 동박층, 수지층, 알루미늄 기판을 경유하는 열전달패스를 따라 방열되는데, 수지층의 낮은 열전도로 인하여 연전도 흐름에서 수지층이 열방출의 병목(bottle neck) 현상을 초래한다.
LED 패키지들이 어레이 형태로 금속 PCB 상에 실장되면, 금속 PCB 만으로는 방열 효과가 낮기 때문에 금속 PCB의 하면에 별도의 히트 싱크를 장착하여 방열시킬 수 있고, 이 경우에 금속 PCB와 히트 싱크 사이의 공기층을 제거하기 위하여 금속 PCB와 히트 싱크 사이에 써멀 그리스(thermal grease) 등을 도포할 수 있다. 그런데, 써멀 그리스(thermal grease)는 그 열전도도가 약 2 -3 W/mK 정도로 낮기 때문에 열 흐름을 방해한다.
이러한 종래의 LED 패키지의 방열 구조를 개선하기 위하여, 본원 출원인은 10-2010-0025801(2010-03-23)에서 내부에 수지층이 없는 금속판(또는 히트 싱크)에 LED 패키지를 접합하는 LED 패키지 방열 방안을 제안한 바 있다. 이 LED 패키지 방열 방안은 금속판 내에 열흐름을 방해하는 재료가 없기 때문에 LED 칩으로부터 발생된 열이 금속 PCB를 통해 방열될 때 그 방열 패스에서 열 흐름의 병목현상을 방지하여 방열 효율을 극대화하고, 고가의 금속 PCB 대신 저가의 금속판(또는 히트 싱크)을사용하므로 경제성을 크게 개선할 수 있었다. 그러나 본원 출원인에 의해 기제안된 LED 패키지에서 금속판과 접합되는 금속층의 기본 재료가 구리(Cu) 또는 은(Ag) 과 같은 저융점 금속이기 때문에 LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic) 기반의 LED 패키지에 적용될 수 있고 HTCC(High Temperature Co-fired Ceramic) 기반의 LED 패키지에 적용되기가 곤란하였다.
HTCC 기반의 LED 패키지는 알루미나(alumina, Al2O3) 등을 주성분으로 하는 패키지 바디를 포함하기 때문에 약 1500℃ 이상의 소성온도를 필요로 한다. 이에 비하여, LTCC 기반의 LED 패키지는 전자기 기능성 세라믹에 저융점 유리(glass)가 첨가된 패키지 바디를 소성하여 제작되고, 그 소성 온도는 대략 1000℃ 이하의 저온이다. 따라서, 본원 출원인에 의해 기제안된 LED 패키지와 같이 금속판과 접합하는 LED 패키지의 하면 금속을 저융점 금속으로 제작하면 패키지 바디와 동시 소성이 불가능하다.
한편, LTCC 기반의 LED 패키지는 소결 온도를 낮추기 위하여 그 패키지 바디에 저융점 유리가 첨가됨으로써 HTCC 기반의 패키지에 비하여 열 전도도가 낮아 LED 칩으로부터 발생된 열이 패키지 하면의 금속층을 통해 금속판(또는 히트 싱크)로 전달될 때 열저항이 높아 효율적인 열 방출이 어렵다. 이 때문에 LTCC 기반의 LED 패키지에서는 효율적인 열방출을 위해 패키지 바디 내에 Ag 등 열전도성이 좋은 금속을 내장하는 써멀 비아 타입(Thermal via type)의 제품들이 출시되고 있으나 제조상의 어려움과 가격이 비싸지는 단점이 있다.
본 발명은 HTCC 기반의 LED 패키지에 수지층이 없는 금속판(또는 히트 싱크)을 접합하여 LED 소자의 열방출 효율을 증대할 수 있는 LED 소자와 그 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 LED 소자는 LED 칩이 실장된 패키지 바디; 상기 패키지 바디의 하면에 형성된 하부 금속층; 상기 하부 금속층의 하면에 도금된 도금층; 및 상기 도금층에 접합된 금속판을 포함한다.
상기 도금층은 솔더링, Ag 에폭시 접착제, 나노 사이즈 금속 페이스트(nano size metal paste) 중 어느 하나로 상기 금속판에 접합된다.
상기 패키지 바디는 1500℃ 이상의 소성온도에서 소결되는 기판 재료를 포함한다.
상기 기판 재료는 Al2O3, MgO, BeO, AlN 중 어느 하나를 포함하고, 상기 기판 재료에는 저융점 유리가 첨가되지 않는다.
상기 하부 금속층은 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 은(Ag), 니켈(Ni), 구리(Cu), 금(Au) 중 어느 하나를 포함한다.
상기 LED 소자의 제조 방법은 LED 칩이 실장될 패키지 바디의 하면에 하부 금속층을 형성하는 단계; 도금 방법으로 상기 하부 금속층의 하면에 도금층을 형성하는 단계; 상기 패키지 바디와 상기 하부 금속층을 1500℃ 이상의 소성온도에서 동시에 소결하는 단계; 및 상기 도금층을 솔더링, Ag 에폭시 접착제, 나노 사이즈 금속 페이스트 중 어느 하나로 금속판에 접합하는 단계를 포함한다.
상기 LED 소자의 제조 방법은 LED 칩이 실장될 패키지 바디를 1500℃ 이상의 소성온도에서 소결하는 단계; 소결된 상기 패키지 바디의 하면에 하부 금속층을 형성하는 단계; 도금 방법으로 상기 하부 금속층의 하면에 도금층을 형성하는 단계; 및 상기 도금층을 솔더링 혹은 Ag 에폭시 접착제로 금속판에 접합하는 단계를 포함한다.
본 발명은 HTCC 기반의 LED 패키지 하면에 고융점 금속을 형성하여 HTCC 기반의 패키지 바디를 수지층이 없는 금속판(또는 히트 싱크)에 접합함으로써, LED 소자의 열방출 효율을 증대할 수 있다. 나아가, 본 발명은 LED 패키지와 고융점 금속을 동시 소성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 LED 패키지를 보여 주는 단면도이다.
도 2은 도 1에 도시된 LED 패키지를 금속판에 솔더링한 예를 보여 주는 단면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 LED 패키지의 변형 예를 보여 주는 단면도이다.
도 4는 도 2에 도시된 금속판에 인쇄된 절연재료 패턴과 솔더재료 패턴의 일 예를 보여 주는 평면도이다.
도 5는 도 2에 도시된 금속판에 인쇄된 절연재료 패턴과 솔더재료 패턴의 다른 예를 보여 주는 평면도이다.
도 6은 다수의 LED 패키지들을 금속판에 접합하고 FR PCB를 경유하여 LED 패키지들을 전기적으로 연결한 예를 보여 주는 평면도이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 LED 패키지를 보여 주는 단면도이다.
도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 LED 패키지를 보여 주는 단면도이다.
도 9는 본 발명의 제4 실시예에 따른 LED 패키지를 보여 주는 단면도이다.
도 10은 본 발명의 제5 실시예에 따른 LED 패키지를 보여 주는 단면도이다.
도 11은 본 발명의 제6 실시예에 따른 LED 패키지를 보여 주는 단면도이다.
도 12는 본 발명의 제7 실시예에 따른 LED 패키지를 보여 주는 단면도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 실질적으로 동일한 구성요소들을 의미한다. 이하의 설명에서, 본 발명과 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그 상세한 설명을 생략한다.
이하의 설명에서 사용되는 구성요소들의 명칭은 명세서 작성의 용이함을 고려하여 선택된 것으로서, 실제 제품의 명칭과는 상이할 수 있다.
본 발명의 LED 소자는 도 1과 같이 패키지 형태로 구현될 수 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 LED 패키지(100)는 패키지 바디(22), 패키지 바디(22) 상에 실장된 LED 칩(16), 패키지 바디(22) 상에 접합된 리플렉터(Reflector)(14), 리플렉터(14) 상에 접합된 렌즈(12), 내부 와이어(18a, 18b)를 통해 LED 칩(16)에 연결된 제1 및 제2 전극(20a, 20b), 패키지 바디(22)의 하면에 형성된 하부 금속층(26), 하부 금속층(26)의 하면에 형성된 도금층(28a, 28b) 등을 포함한다.
패키지 바디(22)는 HTCC 기반의 패키지 바디로서, 세라믹 재료 예를 들면, 알루미나(Al2O3) 세라믹으로 제작되며, 이 패키지 바디(22)에는 저융점 유리가 첨가되지 않는다. 패키지 바디(22)와 하부 금속층(26)은 1500℃ 이상의 소성온도에서 동시에 함께 소결될 수 있다. 하부 금속층(26)은 패키지 바디(20)와 동시에 소성될 수 있는 금속으로 선택될 수 있다.
LED 칩(16)의 애노드와 캐소드는 각각 내부 배선(18a, 18b)을 통해 제1 및 제2 전극(20a, 20b)에 연결된다. 내부 배선(18a, 18b)은 금(Au) 배선으로 선택될 수 있다. 제1 전극(20a)은 LED 칩(16)의 캐소드에 연결되는 캐소드 전극일 수 있고, 제2 전극(20b)은 LED 칩(16)의 애노드에 연결되는 애노드 전극일 수 있다. 제1 및 제2 전극(20a, 20b) 각각은 패키지 바디(22)에 형성된 비아홀(21)을 통해 패키지 바디(22)를 관통하여 패키지 바디(22)의 하부로 돌출된다. 제1 및 제2 전극(20a, 20b)은 고온에서 패키지 바디(22)와 동시에 소성될 수 있는 금속으로 선택된다.
리플렉터(14)는 LED 칩(16)으로부터 발산되는 빛이 렌즈(12)로 입사될 수 있도록 금속환 또는 은(Ag)과 같은 금속이 코팅된 원통형 구조체로 제작되어 LED 칩(19)으로부터 입사되는 빛을 렌즈(12) 쪽으로 반사시켜 광손실을 최소화하는 역할을 한다. 렌즈(12)는 LED 칩(16)과 리플렉터(14)로부터 입사되는 빛을 집광한다.
패키지 바디(22), 전극들(20a, 20b), 및 하부 금속층(26)은 1500℃ 이상의 소성온도에서 동시에 소성될 수 있다. 이를 위하여, 하부 금속층(26)은 패키지 바디(22)와 고온에서 동시 소성될 수 있는 고융점 금속 예를 들어 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo) 등에서 선택될 수 있다.
도금층(28a, 28b)은 전기 도금 방법으로 도금될 수 있고 솔더링이 가능한 금속으로서 하부 금속층(26)의 하면에 도금된다. 도금층(28a, 28b)은 단층 또는 복층의 도금층을 포함할 수 있다. 도금층(28a, 28b)이 복층의 도금층으로 구현되는 경우에, 1차 도금층(28a)은 니켈(Ni), 또는 하부 금속층(26)의 하면에 구리(Cu)를 도금한 후에 그 위에 도금된 니켈(Ni)일 수 있다. 2차 도금층(28b)은 솔더링되는 금속으로서, 솔더링이 가능한 금속 예를 들면, 은(Ag), 금(Au), 구리(Cu), 주석(Sn) 중 하나 이상 또는 합금일 수 있다.
LED 패키지(100)에서, 제2 전극(20b)은 도 3과 같이 와이어를 경유하지 않고 LED 칩(16)에 직접 연결될 수도 있다.
LED 패키지(100)는 도 2와 같이 내부에 수지층이 없는 저가의 금속판 또는 히트 싱크(이하, "금속판"으로 통칭함)(30)에 솔더링으로 직접 접합된다.
저가의 금속판(30)은 수지층 없이 금속만을 포함한다. 금속판(30)은 동판이나, 혹은 솔더링(soldering)이 가능하도록 표면에 도금 처리를 한 알루미늄판을 사용할 수 있다. 금속판(30)은 그라운드 전원에 접속되어 접지될 수 있다.
LED 패키지(100)를 금속판(30)에 단순히 솔더링하면, LED 패키지(100)의 하부로 돌출된 전극들의 단부(24a, 24b)가 금속판(30)에 접촉될 수 있다. 이 경우에, LED 패키지(100)의 애노드와 캐소드가 합선(short circuit)될 수 있다. 이러한 합선 문제를 방지하기 위하여, 금속판(30)에는 도 2, 도 4 및 도 5와 같이 LED 패키지(100)의 전극들 단부(24a, 24b)와 대향하는 부분에 절연재료(32)가 인쇄된다. 절연재료(32)는 솔더 레지스트(Solder resist, SR) 또는 포토 레지스트(Photo resist, PR)로 선택될 수 있다.
LED 패키지(100)를 금속판(30)에 솔더링하기 위한 솔더재료(34)는 금속판(30) 상에서 LED 피캐지(100)의 도금층(28a, 28b)과 대향하는 부분에만 인쇄된다. 솔더재료(34)는 주석(Sn) 96.5%, 은(Ag) 3%, 구리(Cu) 0.5% 정도의 함유량을 가지는 금속일 수 있다.
절연재료(32)는 도 4와 같은 바(Bar) 형태 또는 도 5와 같은 사각(또는 다각형) 트랙, 원형(또는 타원형) 트랙과 같은 형태로 패터닝될 수 있다. 솔더재료(34)는 도 4 및 도 5와 같은 원형 또는 다각형 판 등 다양한 형태로 패터닝될 수 있다.
금속판(30)에는 하나 이상의 LED 패키지(100)가 솔더링될 수 있다. 금속판(30)에 다수의 LED 패키지들(100)를 솔더링하고 그 LED 패키지들(100)을 직렬 또는 병렬로 연결하는 경우에, 캐소드와 애노드의 합선을 방지하기 위하여 도 2와 같이 LED 패키지들(100) 각각의 위에서 외부 와이어들(40a, 40b)을 연결할 수 있다. 외부 와이어들(40a, 40b)은 이웃하는 LED 패키지들(100)의 전극들(20a, 20b)을 직렬 또는 병렬로 연결하거나 도 6과 같이 금속판(30)에 접합된 FR4(Flame Retardant composition 4) PCB(50)에 연결된다.
LED 칩(16)으로부터 발생되는 열은 패키지 바디(22)와 전극들(20a, 20b)을 통해 금속판(30)으로 전달되고 금속판(30)을 통해 방열된다.
LED 패키지(100)를 금속판(30)에 접합하는 다른 방법으로서, 열전도도가 약 3W/mK인 Ag 에폭시(epoxy) 등의 접착제(또는 bonder류)를 이용하여 LED 패키지(100)를 금속판(30)에 접합할 수 있다. Ag 에폭시 접착제는 은(Ag) 분말이 첨가되어 열전도도가 비교가 높다.
최근 개발된 나노 사이즈 금속 페이스트(nano size metal paste)를 사용하여 LED 패키지(100)와 금속판(30)을 접합할 수도 있다 나노 사이즈로 금속 분말의 입자가 작아지면 낮은 온도에서도 입자간의 소결이 일어나게 되어 저온에서 사용이 가능하며, 나노 입자의 치밀한 급속 입자 구조로 인해 열전도도가 향상되는 효과를 얻을 수 있다
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 LED 패키지(100)를 보여 주는 단면도이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 LED 패키지(100)는 패키지 바디(64), 패키지 바디(64) 내에 실장된 LED 칩(68), LED 칩(68)의 애노드와 캐소드에 각각 연결된 내부 와이어들(70a, 70b), 내부 와이어들(70a, 70b)을 통해 LED 칩(68)에 연결된 전극들(66a, 66b), LED 칩(68)과 내부 와이어들(70a, 70b)을 덮는 투명 수지층(62), LED 칩(68) 아래에 배치된 상부 금속층(78), 패키지 바디(64)의 하면에 형성된 하부 금속층(72), 하부 금속층(72)의 하면에 형성된 도금층(74a, 74b), 패키지 바디(64)의 비아홀에 충진되어 상부 금속층(78)과 하부 금속층(72)을 연결하는 열전달 금속 매립체(80) 등을 포함한다.
패키지 바디(64)의 상부에는 오목한 홈이 형성된다. 그 홈의 저면에는 상부 금속층(78)이 형성되고, 그 상부 금속층(78) 상에 LED 칩(68)이 Ag 에폭시 혹은, 나노 사이즈 금속 페이스트로 접합된다. 상부 금속층(78)은 제1 및 제2 전극(66a, 66b) 사이에 형성되고 그 전극들(66a, 66b)과 소정의 간격을 두고 분리된다. 패키지 바디(64)의 상부에서, LED 칩(68)이 실장된 오목한 홈의 가장자리에 위치하는 내측벽은 경사진 면을 형성하여 빛의 반사효율을 높인다. 패키지 바디(64)의 경사진 면에는 내부 와이어들(70a, 70b)을 통해 LED 칩(68)의 애노드와 캐소드에 각각 연결되는 전극들(66a, 66b)이 형성된다. 투명 수지층(62)은 LED 칩(68), 상부 금속층(78), 내부 와이어들(70a, 70b) 등을 덮도록 패키지 바디(64)의 상부 오목한 홈 내에 매립된다. 투명 수지층(62)은 곡면 형태의 렌즈 표면 형태로 형성되어 집광 렌즈 역할을 할 수 있다.
패키지 바디(64)에는 그 패키지 바디(64)를 관통하는 하나 이상의 비아홀들이 형성되고, 그 비아홀에는 열전달 금속 매립체(80)가 충진된다.
패키지 바디(64)는 HTCC 기반의 패키지 바디로서 고온에서 소결되는 쎄라믹 소제로 제작된다. 전극들(66a, 66b), 상부 금속층(78), 열전달 금속 매립체(80), 및 하부 금속층(72)은 패키지 바디(64)와 동시 소성될 수 있는 고융점 금속 예를 들어, 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo) 등에서 선택된 금속으로 제작된다.
하부 금속층(72)의 하면에 형성된 도금층(74a, 74b)은 전술한 실시예와 마찬가지로, 금속판(30)과 솔더링이 가능한 단층 또는 복층의 도금층을 포함할 수 있다. 도금층(74a, 74b)이 복층의 도금층으로 구현되는 경우에, 1차 도금층(74a)은 니켈(Ni), 또는 하부 금속층(72)의 하면에 구리(Cu)를 도금한 후에 그 위에 도금된 니켈(Ni)일 수 있다. 2차 도금층(74b)은 솔더링되는 금속으로서, 솔더링이 가능한 금속 예를 들면, 은(Ag), 금(Au), 구리(Cu), 주석(Sn)에서 선택된 금속이나 그 합금일 수 있다.
도 7과 같은 LED 패키지(100)는 솔더재료를 통한 솔더링, Ag 에폭시, 나노 사이즈 금속 페이스트 중 어느 하나로 금속판(30)에 접합된다. 금속판(30)은 그라운드 전원에 접속되어 접지될 수 있다.
금속판(30)에는 도 7과 같은 LED 패키지(100)가 하나 이상 솔더링될 수 있다. 도 7과 같은 LED 패키지(100)는 전극들(66a, 66b)이 패키지 바디(64)의 상부면에 형성되어 금속판(30) 쪽으로 노출되지 않는다. 따라서, 절연재료가 인쇄되지 않은 금속판(30) 상에 LED 패키지(100)가 직접 솔더링되더라도 전극들(66a, 66b)이 합선되지 않는다. 도 7에서, 도금층(74a, 74b)과 금속판(30) 사이에 존재하는 솔더 재료가 생략되어 있다.
금속판(30)에 다수의 LED 패키지들(100)를 솔더링하고 그 LED 패키지들(100)을 직렬 또는 병렬로 연결하는 경우에, 캐소드와 애노드의 합선을 방지하기 위하여 LED 패키지들(100) 각각의 위에서 외부 와이어들(40a, 40b)을 연결할 수 있다. 외부 와이어들(40a, 40b)은 이웃하는 LED 패키지들(100)의 전극들(66a, 66b)을 직렬 또는 병렬로 연결하거나 도 6과 같이 금속판(30)에 접합된 FR4 PCB(50)에 연결된다.
도 7과 같은 LED 패키지(100)의 방열 패스를 살펴 보면, LED 칩(68)으로부터 발생되는 열은 상부 금속층(78), 열전달 금속 매립체(80), 하부 금속층(72), 도금층(74a, 74b), 및 솔더재료를 통해 금속판(30)으로 전달되며, 금속판(30)을 통해 외부로 방열된다.
도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 LED 패키지(100)를 보여 주는 단면도이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 LED 패키지(100)는 단일 열전달 금속 매립체(82)를 제외한 다른 구성요소들이 전술한 제2 실시예와 실질적으로 동일하다. 단일 열전달 금속 매립체(82)는 HTCC 기반의 패키지 바디(64)와 동시 소성이 가능한 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo) 중 적어도 어느 하나의 금속을 포함하고, 패키지 바디(64)를 관통하는 비아홀 내에 충진된다. 단일 열전달 금속 매립체(82)는 전술한 제2 실시예의 열전달 금속 매립체(80)에 비하여 직경이 2 배 이상큰 단일 금속으로서 LED 칩(68)의 열을 하부 금속층(72)으로 전달한다.
도 8과 같은 LED 패키지(100)에서, LED 칩(68)의 열은 상부 금속층(78), 단일 열전달 금속 매립체(82), 하부 금속층(72), 도금층(74a, 74b), 및 솔더재료를 통해 금속판(30)으로 전달되며, 금속판(30)을 통해 외부로 방열된다.
도 9는 본 발명의 제4 실시예에 따른 LED 패키지(100)를 보여 주는 단면도이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 제4 실시예에 따른 LED 패키지(100)는 패키지 바디(64)의 비아홀과 그 비아홀 내에 충진되는 금속이 없다는 것과, 제2 전극(66b)이 LED 칩(68) 아래까지 연장된 점을 제외하면 전술한 제2 및 제3 실시예들과 실질적으로 동일하다. 패키지 바디(64)는 저융점 유리가 첨가되지 않은 HTCC 기반의 패키지 바디로서, LTCC 기반의 패키지 바디에 비하여 비교적 열전도도가 비교적 높다. LED 칩(68)의 열은 패키지 바디(64)를 통해 방열되고 또한, 제2 전극(66b)을 통해 방열된다.
전술한 실시예들에서, HTCC 기반의 패키지 바디(22, 64)와 상/하 금속층이 동시 소성되는 경우에, 패키지 바디(22, 64)의 비아홀에 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo) 등의 도전성 재료를 충진할 수 있다.
전술한 실시예들에서, HTCC 기반의 패키지 바디(22, 64)의 주성분은 유리 분말이 첨가되지 않은 Al2O3, MgO, BeO, AlN 등에서 선택될 수 있다. 이러한 패키지 바디(22, 64)의 재료는 유리가 첨가되지 않아 열전도도가 높고 고온에서 소결된다. 패키지 바디(22, 64)의 열전도도가 LTCC 기반의 패키지 바디에 비하여 열전도도가 높기 때문에 전술한 실시예들에서 패키지 바디(22, 64) 내의 비아홀과 그 비아홀 내에 충진된 금속이 생략될 수 있다. 예를 들어, 도 1, 도 3 및 도 7의 실시예는 도 10 내지 도 12와 같이 비아홀과 그 비아홀 내에 충진된 금속이 생략될 수 있다.
본 발명의 다른 제조 방법으로서, HTCC 기반의 패키지 바디를 고온에서 미리 소결한 후에 소결된 패키지 바디(22, 64)에 비아홀을 형성하고 그 비아홀 내에 은(Ag)과 같은 금속을 충진한 다음, 상/하부 금속층을 형성할 수 있다. 이 경우, 패키지 바디의 비아홀에 충진된 금속과 패키지 바디의 접착력을 높이기 위하여 비아홀에 충진된 금속에 글라스 프릿(glass frit)을 5wt% 이내로 첨가할 수 있다. 금속층이 형성되기 전에 패키지 바디를 미리 소결하는 방법에서, 금속층의 재료는 Ag, Ni, Cu, Au 등에서 선택될 수 있다.
전술한 본 발명의 LED 소자 구조는 어떠한 조명 분야에도 적용될 수 있다.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.
100: LED 패키지 12 : 렌즈
14 : 리플렉터 16, 68 : LED 칩
18a, 18b, 70a, 70b : 내부 와이어
20a, 20b, 66a, 66b : 캐소드/애노드 전극
22, 64 : 패키지 바디 26, 72 : 하부 금속층
28a, 28b, 74a, 74b : 도금층 30 : 금속판
32 : 절연재료 34 : 솔더재료
40a, 40b : 외부 와이어 78 : 상부 금속층
80, 82 : 열전달 금속 매립체

Claims (8)

  1. LED 칩이 실장된 패키지 바디;
    상기 패키지 바디의 하면에 형성된 하부 금속층;
    상기 하부 금속층의 하면에 도금된 도금층; 및
    상기 도금층에 접합된 금속판을 포함하고,
    상기 도금층은 솔더링, Ag 에폭시 접착제, 나노 사이즈 금속 페이스트 중 어느 하나로 상기 금속판에 접합되고,
    상기 패키지 바디는 1500℃ 이상의 소성온도에서 소결되는 기판 재료를 포함하고,
    상기 기판 재료는 Al2O3, MgO, BeO, AlN 중 어느 하나를 포함하고, 상기 기판 재료에는 저융점 유리가 첨가되지 않으며,
    상기 하부 금속층은 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 은(Ag), 니켈(Ni), 구리(Cu), 금(Au) 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 도금층은,
    니켈(Ni)을 포함한 1차 도금층; 및
    은(Ag), 금(Au), 구리(Cu), 주석(Sn) 중 하나 이상을 포함하는 2차 도금층을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 소자.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 LED 칩의 애노드와 캐소드와 연결되는 전극들을 더 포함하고,
    상기 전극들은 상기 패키지 바디에 형성된 비아홀들을 통해 상기 패키지 바디의 하부로 돌출되고,
    상기 금속판 상에는 상기 전극들을 절연시키기 위한 절연재료 패턴이 형성되는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 소자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 LED 칩과 상기 패키지 바디 사이에 형성된 상부 금속층; 및
    상기 상부 금속층 아래에서 상기 패키지 바디를 관통하는 하나 이상의 비아홀 내에 각각 충진된 하나 이상의 열전달 금속 매립체를 더 포함하고,
    상기 열전달 금속 매립체는 상기 상부 금속층과 상기 하부 금속층을 연결하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 소자.
  5. LED 칩이 실장될 패키지 바디의 하면에 하부 금속층을 형성하는 단계;
    도금 방법으로 상기 하부 금속층의 하면에 도금층을 형성하는 단계;
    상기 패키지 바디와 상기 하부 금속층을 1500℃ 이상의 소성온도에서 동시에 소결하는 단계; 및
    상기 도금층을 솔더링, Ag 에폭시 접착제, 나노 사이즈 금속 페이스트 중 어느 하나로 금속판에 접합하는 단계를 포함하고,
    상기 패키지 바디는 1500℃ 이상의 소성온도에서 소결되는 기판 재료를 포함하고,
    상기 기판 재료는 Al2O3, MgO, BeO, AlN 중 어느 하나를 포함하고, 상기 기판 재료에는 저융점 유리가 첨가되지 않으며,
    상기 하부 금속층은 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 은(Ag), 니켈(Ni), 구리(Cu), 금(Au) 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 소자의 제조 방법.
  6. LED 칩이 실장될 패키지 바디를 1500℃ 이상의 소성온도에서 소결하는 단계; 및
    소결된 상기 패키지 바디의 하면에 하부 금속층을 형성하는 단계;
    도금 방법으로 상기 하부 금속층의 하면에 도금층을 형성하는 단계; 및
    상기 도금층을 솔더링, Ag 에폭시 접착제, 나노 사이즈 금속 페이스트 중 어느 하나로 금속판에 접합하는 단계를 포함하고,
    상기 패키지 바디는 1500℃ 이상의 소성온도에서 소결되는 기판 재료를 포함하고,
    상기 기판 재료는 Al2O3, MgO, BeO, AlN 중 어느 하나를 포함하고, 상기 기판 재료에는 저융점 유리가 첨가되지 않으며,
    상기 하부 금속층은 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 은(Ag), 니켈(Ni), 구리(Cu), 금(Au) 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 소자의 제조 방법.
  7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 도금층은,
    니켈(Ni)을 포함한 1차 도금층; 및
    은(Ag), 금(Au), 구리(Cu), 주석(Sn) 중 하나 이상을 포함하는 2차 도금층을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 패키지 소자의 제조 방법.
  8. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 LED 칩의 애노드와 캐소드와 전극들을 연결하고 상기 전극들을 상기 패키지 바디에 형성된 비아홀들을 통해 상기 패키지 바디의 하부로 돌출되게 하는 단계; 및
    상기 금속판 상에 상기 전극들을 절연시키기 위한 절연재료 패턴을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 소자의 제조 방법.
KR1020110016927A 2010-03-23 2011-02-25 발광다이오드 소자와 그 제조 방법 KR101259019B1 (ko)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020110016927A KR101259019B1 (ko) 2011-02-25 2011-02-25 발광다이오드 소자와 그 제조 방법
PCT/KR2011/001827 WO2011118934A2 (en) 2010-03-23 2011-03-16 Light emitting diode device and lighting device using the same
TW100109386A TW201203636A (en) 2010-03-23 2011-03-18 Light emitting diode device and lighting device using the same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020110016927A KR101259019B1 (ko) 2011-02-25 2011-02-25 발광다이오드 소자와 그 제조 방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20120097617A KR20120097617A (ko) 2012-09-05
KR101259019B1 true KR101259019B1 (ko) 2013-04-29

Family

ID=47108810

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020110016927A KR101259019B1 (ko) 2010-03-23 2011-02-25 발광다이오드 소자와 그 제조 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101259019B1 (ko)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101352057B1 (ko) * 2013-07-22 2014-01-15 주식회사 이츠웰 회로와 칩을 통합한 엘이디 칩 어레이

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20060112836A (ko) * 2005-04-28 2006-11-02 (주) 아모센스 전자부품 패키지
KR20070042710A (ko) * 2005-10-19 2007-04-24 엘지이노텍 주식회사 엘이디 패키지
JP2007180318A (ja) * 2005-12-28 2007-07-12 Matsushita Electric Ind Co Ltd 発光モジュールとその製造方法
KR20080005904A (ko) * 2005-09-01 2008-01-15 이 아이 듀폰 디 네모아 앤드 캄파니 저온 동시소성 세라믹 (ｌｔｃｃ) 테이프 조성물, 발광다이오드 (ｌｅｄ) 모듈, 조명 장치 및 이들의 형성 방법

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20060112836A (ko) * 2005-04-28 2006-11-02 (주) 아모센스 전자부품 패키지
KR20080005904A (ko) * 2005-09-01 2008-01-15 이 아이 듀폰 디 네모아 앤드 캄파니 저온 동시소성 세라믹 (ｌｔｃｃ) 테이프 조성물, 발광다이오드 (ｌｅｄ) 모듈, 조명 장치 및 이들의 형성 방법
KR20070042710A (ko) * 2005-10-19 2007-04-24 엘지이노텍 주식회사 엘이디 패키지
JP2007180318A (ja) * 2005-12-28 2007-07-12 Matsushita Electric Ind Co Ltd 発光モジュールとその製造方法

Also Published As

Publication number Publication date
KR20120097617A (ko) 2012-09-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5276226B2 (ja) 実装用基板、発光装置及びランプ
KR101035335B1 (ko) 발광다이오드 패키지
US8101966B2 (en) Light-emitting diode lamp with low thermal resistance
JP3978451B2 (ja) 発光装置
KR101049698B1 (ko) Ｌｅｄ 어레이 모듈 및 이의 제조방법
JP5036222B2 (ja) 発光装置
JP2011035264A (ja) 発光素子用パッケージ及び発光素子の製造方法
US9425373B2 (en) Light emitting module
JP2007194675A (ja) 発光装置
TW201203636A (en) Light emitting diode device and lighting device using the same
KR100828174B1 (ko) 표면 실장형 발광 다이오드 램프 및 그 제조 방법
JP2007273603A (ja) 発光素子用配線基板および発光装置
JP2008078401A (ja) 照明装置
JP2007214592A (ja) 発光装置
JP2007036199A (ja) 発光装置
JP2007266222A (ja) 発光素子搭載用基板、発光素子収納用パッケージ、発光装置および照明装置
KR101173398B1 (ko) 발광다이오드 수납용 패키지 및 그 제조방법
US9564565B2 (en) Light emitting device, light emitting module, and method for manufacturing light emitting device
KR101259019B1 (ko) 발광다이오드 소자와 그 제조 방법
TW201205882A (en) Manufacturing method for LED light emitting device
JP2006049715A (ja) 発光光源、照明装置及び表示装置
JP4797621B2 (ja) 半導体装置およびその製造方法
KR101259052B1 (ko) 방열 반사판을 구비한 발광다이오드 소자용 패키지, 방열 반사판을 구비한 발광다이오드 소자용 패키지 어셈블리 및 그 제조방법
KR101211719B1 (ko) 필름 타입의 광소자 패키지 및 그 제조 방법
KR101098509B1 (ko) Ｌｅｄ 조명 장치

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
LAPS Lapse due to unpaid annual fee