KR101538333B1 - 칩 스케일 led 패키지 - Google Patents

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Abstract

칩 스케일 LED 패키지가 개시된다. 개시된 칩 스케일 LED 패키지는, 상면에 제1 전극층이 형성되고 저면에 제2 전극층이 형성된 기판과, 기판 상에 본딩되는 것으로 저면에 기판의 제1 전극층에 본딩되는 전극 패드가 형성된 LED 플립 칩과, 형광체를 함유하며 LED 플립 칩을 덮도록 형성되는 몰딩층을 포함한다. 기판으로서 ZTA(Zirconia Toughened Alumina) 기판이 사용되고, LED 플립 칩의 전극 패드는 기판의 제1 전극층에 유테틱 본딩(Eutectic bonding)된다.

Description

칩 스케일 LED 패키지{Chip scale LED package}
본 발명은 LED 패키지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 LED 플립 칩을 이용한 칩 스케일 LED 패키지에 관한 것이다.
발광 다이오드라고 불리는 LED(Light Emitting Diode)는 전력 소모나 수명에 있어서 큰 장점을 갖고 있어서 각종 전자제품의 광원으로서 널리 사용되어 왔다. 특히, 최근에 높은 휘도를 가진 LED 제품들이 개발되면서, 첨단 조명용 광원으로서도 그 이용 분야가 넓어지고 있다. LED를 이용한 램프는 기존의 전구에 비해 낮은 전력 소비량으로 인해 효율이 높고 내구성이 뛰어나 교체 비용과 같은 유지, 관리 비용을 절감할 수 있는 장점이 있다.
이러한 LED는 반도체소자로서 칩 상태로 제조되어 기판상에 탑재된 후 몰딩되어 패키지 형태로 구성된다. 이와 같이 구성된 LED 패키지는 인쇄회로기판(PCB) 상에 실장된 후, 인쇄회로기판상에 인쇄된 회로 패턴에 연결되어 구동됨으로써, 그 기능을 수행하게 된다.
도 1에는 종래의 LED 패키지의 일 예가 도시되어 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 LED 패키지(10)는, 기판(11) 상에 LED 칩(14)이 탑재되고, LED 칩(14)은 기판(11)에 형성된 전극들(12)과 와이어(15)를 통해 서로 전기적으로 연결된다. 기판(11) 상에는 LED 칩(14)을 수납하는 공간을 가진 벽체(16)가 형성되며, 벽체(16)의 공간 내부에는 형광체를 함유한 몰딩층(17)이 충진됨으로써, LED 패키지(10)가 구성된다. 상기 전극들(12)은 LED 패키지(10)를 인쇄회로기판 상에 실장할 때 인쇄회로기판 상에 형성된 회로 패턴과 전기적으로 접속된다.
상기한 바와 같이, 종래의 LED 패키지(10)에서는 LED 칩(14)과 기판(11)의 전극들(12)을 전기적으로 연결하기 위해 금으로 이루어진 와이어(15)가 사용되었는데, 이와 같은 와이어 본딩을 위해서는 기판(11)의 면적이 LED 칩(14)의 면적보다 훨씬 커야 했다. 이에 따라, LED 패키지(10)의 전체 크기가 커지게 되어 인쇄회로기판 상에 LED 패키지(10)를 실장하기 위해 필요한 면적, 즉 실장 면적이 넓어지게 되므로 최근의 전자제품의 경박단소화의 추세에 부합되지 않는 단점이 있었다.
그리고, 종래의 LED 패키지(10)의 기판(11)으로서 주로 Al2O3 기판이 사용되었다. Al2O3 기판은 전기 저항이 높고 내열 및 내충격성이 우수하며 열전도율도 대략 17~24 W/mk로 우수한 장점이 있으나, 그 두께를 최소 0.25mm 까지 밖에 제조하기 힘든 단점이 있다. 따라서, Al2O3 기판을 사용하는 종래의 LED 패키지(10)는 그 두께를 줄이는 데에도 한계가 있었다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하고자 창출된 것으로서, LED 플립 칩이 기판 상에 본딩된 구조를 가짐으로써 콤팩트하고 실장 면적을 줄일 수 있는 칩 스케일 LED 패키지를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위해, 본 발명의 일 측면에 따르면,
상면에 제1 전극층이 형성되고, 저면에 제2 전극층이 형성된 기판;
상기 기판 상에 본딩되는 것으로, 저면에 상기 기판의 제1 전극층에 본딩되는 전극 패드가 형성된 LED 플립 칩; 및
형광체를 함유하며 상기 LED 플립 칩을 덮도록 형성되는 몰딩층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 칩 스케일 LED 패키지가 제공된다.
그리고, 상기 기판으로서 ZTA(Zirconia Toughened Alumina) 기판이 사용될 수 있다.
또한, 상기 LED 플립 칩 상면의 상기 몰딩층의 두께와 상기 LED 플립 칩 측면의 상기 몰딩층의 두께는 모두 균일할 수 있다.
또한, 상기 LED 플립 칩의 전극 패드는 상기 기판의 제1 전극층에 유테틱 본딩(Eutectic bonding)될 수 있다.
또한, 상기 LED 플립 칩의 전극 패드는 Au 합금으로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 LED 플립 칩의 전극 패드는 Au-Sn, Au-Ge 및 Au-Si로 이루어진 군 중에서 선택된 어느 하나의 Au 합금으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 칩 스케일 LED 패키지에 의하면, 와이어를 사용하지 않고 LED 플립 칩을 기판 상에 직접 본딩하는 구성을 가지고 있으므로, 전체 크기가 LED 플립 칩의 크기와 유사한 칩 스케일로 제조될 수 있으며, 이에 따라 종래에 비해 실장 면적이 줄어드는 장점이 있다.
그리고, LED 패키지의 기판으로서 ZTA 기판을 사용함으로써, 열전도율을 유지하면서도 그 두께를 최소화할 수 있다. 따라서, LED 패키지의 실장 면적이 감소될 뿐만 아니라 두께도 함께 감소되어 콤팩트하게 구성될 수 있으며, 제조 비용 측면에서도 고가의 와이어가 사용되지 않아서 재료비가 절감되고 공정 효율성도 높아지는 장점이 있다.
또한, LED 플립 칩의 전극 패드와 기판의 제1 전극층이 유테틱 본딩됨으로써, 열전도율이 우수할 뿐만 아니라 결합력이 우수하여 내구성이 좋아 본딩 신뢰성이 향상되는 장점이 있다.
도 1은 종래의 LED 패키지의 일 예를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 칩 스케일 LED 패키지를 도시한 사시도이다.
도 3은 도 2에 표시된 A-A'선을 따른 LED 패키지의 수직 단면도이다.
도 4와 도 5는 도 3에 도시된 LED 플립 칩의 전극 패드와 기판의 제1 전극층 사이의 본딩 방식을 설명하기 위한 도면들이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하면서 본 발명의 실시예에 따른 칩 스케일 LED 패키지에 대해 설명하기로 한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 가리킨다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 칩 스케일 LED 패키지를 도시한 사시도이ㄱ고, 도 3은 도 2에 표시된 A-A'선을 따른 LED 패키지의 수직 단면도이다.
도 2와 도 3을 함께 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 칩 스케일 LED 패키지(100)는, LED 플립 칩(flip chip)(120)을 이용하여 그 전체 크기가 LED 플립 칩(120)의 크기와 유사한 크기를 갖도록, 즉 칩 스케일(chip scale)로 구성된다.
상기 칩 스케일 LED 패키지(100)(이하, 간략하게 LED 패키지라 한다)는, 기판(110)과, 상기 기판(110) 상에 본딩되는 LED 플립 칩(120)과, 상기 LED 플립 칩(120)을 덮도록 형성되는 몰딩층(130)을 포함하여 구성된다.
구체적으로, 상기 기판(110)은 예컨대 사각형의 평판 형상을 가질 수 있으며, 그 상면에는 제1 전극층(111)이 형성되고, 그 저면에는 제2 전극층(112)이 형성된다. 상기 기판(110)으로는 세라믹 기판으로서 일반적으로 사용되는 Al2O3 기판이 사용될 수도 있으나, 본 발명에서는 ZTA(Zirconia Toughened Alumina) 기판을 사용하는 것이 바람직하며, 이에 대해서는 뒤에서 다시 설명하기로 한다.
상기 제1 전극층(111)과 제2 전극층(112)은 모두 전기 전도성이 양호한 금속, 예컨대 구리(Cu)로 이루어질 수 있다. 상기 제1 전극층(111)은 두 개로 이루어질 수 있으며, 두 개의 제1 전극층(111)은 일방향으로 나란하게 연장될 수 있다. 상기 제2 전극층(112)도 두 개로 이루어질 수 있으며, 두 개의 제 2전극층(112)도 제1 전극층(111)과 동일한 방향으로 나란하게 연장될 수 있다. 상기 제1 전극층(111)은 상기 LED 플립 칩(120)과의 전기적 연결을 위한 것이며, 상기 제2 전극층(112)은 상기 LED 패키지(100)가 실장될 인쇄회로기판(미도시)과의 전기적 연결을 위한 것이다.
상기 LED 플립 칩(120)은, 종래의 와이어(도 1의 15)를 사용하지 않고 그 저면에 형성된 전극 패드(121)를 이용하여 기판(110) 상의 제1 전극층(111)에 직접 본딩시킬 수 있도록 구성된다. 상기 전극 패드(121)는 상기 제1 전극층(111)과 대응되도록 두 개로 이루어지며, 두 개의 전극 패드(121)는 제1 전극층(111)과 동일한 방향으로 나란하게 연장될 수 있다. 상기 LED 플립 칩(120)의 전극 패드(121)와 상기 기판(110)의 제1 전극층(111) 사이의 본딩 방식에 대해서는 뒤에서 상세하게 설명하기로 한다.
상기 몰딩층(130)은 형광체를 함유한 에폭시 또는 실리콘 수지로 이루어질 수 있으며, 상기 LED 플립 칩(120)의 상면과 측면을 덮도록 형성된다. 예를 들어, 상기 LED 플립 칩(120)이 블루 색상의 광을 발광하는 칩일 경우, 상기 몰딩층(130)에 함유되는 형광체의 조합을 통해 화이트 색상을 구현할 수 있다.
상기 LED 플립 칩(120) 상면의 몰딩층(130)의 두께(T1)는 균일하게 형성될 수 있으며, 상기 LED 플립 칩(120) 측면의 몰딩층(130)의 두께(T2)도 LED 플립 칩(120) 상면의 몰딩층(130)의 두께(T1)와 동일하게 형성될 수 있다.
상기한 바와 같이, LED 플립 칩(120)을 덮고 있는 몰딩층(130)의 두께가 일정하면, LED 플립 칩(120)으로부터 몰딩층(130)을 투과하는 광의 레이 패스(lay path)가 동일하므로, 몰딩층(130)을 투과하여 각 방향으로 방사되는 광의 색상 균일성이 향상되는 장점이 있다. 또한, LED 플립 칩(120)을 덮는 몰딩층(130)의 두께를 줄이는 것이 용이하며, 이에 따라 몰딩층(130)을 투과하는 광의 레이 패스(lay path)를 최소화할 수 있으므로, 광효율을 향상시킬 수 있는 장점도 있다.
그리고, 본 발명에 따른 LED 패키지(100)에 있어서, 전술한 바와 같이 상기 기판(110)으로서 ZTA(Zirconia Toughened Alumina) 기판이 사용될 수 있다. 상기 ZTA는 Zr2O3와 Al2O3가 혼합된 복합 세라믹 재료로서, Al2O3 기판과 달리 그 두께를 최소 0.1mm 까지 제조할 수 있어서 일반적인 Al2O3 기판에 비해 대략 50% 이상 얇은 두께의 기판을 제조할 수 있는 장점이 있다. 또한, ZTA 기판의 열전도율도 Al2O3 기판과 마찬가지로 대략 17~24 W/mk로 우수한 장점이 있으며, ZTA 기판의 반사율은 98% 이상으로 95% 이상의 반사율을 가진 Al2O3 기판보다 양호한 장점이 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 LED 패키지(100)는, 와이어를 사용하지 않고 LED 플립 칩(120)을 기판(110) 상에 직접 본딩하는 구성을 가지고 있으므로, 전체 크기가 LED 플립 칩(120)의 크기와 유사하거나 약간 큰 정도이다. 예를 들어, LED 플립 칩(120)이 가로 1mm, 세로 1mm의 크기를 가질 때, LED 패키지(100)는 대략 가로 1.4mm, 세로 1.4mm 정도의 크기를 가지도록 구성될 수 있다. 이와 같이 본 발명에 따른 LED 패키지(100)는 칩 스케일로 제조될 수 있으며, 이에 따라 종래에 비해 실장 면적이 줄어드는 장점이 있다. 또한, 상기 기판(110)으로서 ZTA 기판을 사용하면, 열전도율을 유지하면서도 그 두께를 최소화할 수 있으므로, LED 패키지(100)의 전체 두께도 줄일 수 있는 장점이 있다.
이에 따라, LED 패키지(100)의 실장 면적이 감소되고 두께도 함께 감소되어 콤팩트하게 구성될 수 있으며, 제조 비용 측면에서도 고가의 와이어가 사용되지 않아서 재료비가 절감되고 공정 효율성도 높아지는 장점이 있다.
도 4와 도 5는 도 3에 도시된 LED 플립 칩의 전극 패드와 기판의 제1 전극층 사이의 본딩 방식을 설명하기 위한 도면들이다.
먼저, 도 4를 참조하면, 상기 LED 플립 칩(120)의 전극 패드(121)는 Ag를 함유한 에폭시(140)를 사용하여 기판(110)의 제1 전극층(111)에 본딩될 수 있다.
구체적으로, 기판(110)의 제1 전극층(111) 상면에 Ag 에폭시(140)를 도포하고, 그 위에 LED 플립 칩(120)의 전극 패드(121)를 밀착시킨 후 큐어링(curing)하면, Ag 에폭시(140)가 경화되면서 LED 플립 칩(120)의 전극 패드(121)가 기판(110)의 제1 전극층(111)에 견고하게 본딩된다. 이때 사용되는 Ag 에폭시(140)는 열저항이 비교적 높아서 열전도율은 대략 10 ~ 60 W/mk이다.
이러한 본딩 방식은 일반적으로 사용되는 플립 칩 본딩 방식으로서, 본딩 신뢰성이 낮고 내구성이 떨어지는 단점이 있다.
다음으로, 도 5를 참조하면, 상기 LED 플립 칩(120)의 전극 패드(121)는 유테틱 본딩(Eutectic bonding) 방식에 의해 기판(110)의 제1 전극층(111)에 본딩될 수 있으며, 본 발명에 따른 LED 패키지(100)에서는 유테틱 본딩 방식을 채용하는 것이 바람직하다.
구체적으로, 유테틱 본딩을 위해 상기 LED 플립 칩(120)의 전극 패드(121)는 유테틱 합금으로 이루어진다. 상기 유테틱 합금으로서 Au 합금, 예컨대 Au-Sn, Au-Ge, Au-Si 등이 사용될 수 있으며, 본 발명에서는 상기 전극 패드(121)로서 Au-Sn 유테틱 합금이 사용되었다. 그리고, 상기 기판(110)의 제1 전극층(111)을 소정 온도로 가열하는 상태에서, 상기 LED 플립 칩(120)의 전극 패드(121)를 가압하거나 가압 및 가열하면, 전극 패드(121)는 제1 전극층(111)에 유테틱 본딩된다. 이때, 유테틱 본딩을 위한 가열온도는 사용된 유테틱 합금을 이루는 성분에 따라 달라질 수 있으며, 일반적으로 유테틱 온도 이상으로 정해진다.
상기한 유테틱 본딩의 경우 열저항이 낮아서 그 열전도율은 대략 58W/mk로 나타나며 도 4a를 통해 설명된 Ag 에폭시(140)의 열전도율에 비해 우수한 장점이 있다. 그리고, 유테틱 본딩은 결합력이 우수하여 내구성이 좋고, 이에 따라 본딩 신뢰성이 향상되는 장점이 있다. 또한, 유테틱 본딩 방식은 Ag 에폭시(140)를 도포하는 공정이 없으므로, 전체 공정이 간소화되어 제조 비용이 저감되는 장점도 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
100...칩 스케일 LED 패키지 110...기판
111...제1 전극층 112...제2 전극층
120...LED 플립 칩 121...전극 패드
130...몰딩층 140...Ag 에폭시

Claims (6)

  1. 상면에 제1 전극층이 형성되고, 저면에 제2 전극층이 형성된 기판;
    상기 기판 상에 본딩되는 것으로, 저면에 상기 기판의 제1 전극층에 본딩되는 전극 패드가 형성된 LED 플립 칩; 및
    형광체를 함유하며 상기 LED 플립 칩을 덮도록 형성되는 몰딩층;을 포함하며,
    상기 LED 플립 칩의 전극 패드는 상기 기판의 제1 전극층에 유테틱 본딩(Eutectic bonding)되고, 상기 LED 플립 칩 상면의 상기 몰딩층의 두께와 상기 LED 플립 칩 측면의 상기 몰딩층의 두께는 모두 균일한 것을 특징으로 하는 칩 스케일 LED 패키지.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 기판으로서 ZTA(Zirconia Toughened Alumina) 기판이 사용된 것을 특징으로 하는 칩 스케일 LED 패키지.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 LED 플립 칩의 전극 패드는 Au 합금으로 이루어진 것을 특징으로 하는 칩 스케일 LED 패키지.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 LED 플립 칩의 전극 패드는 Au-Sn, Au-Ge 및 Au-Si로 이루어진 군 중에서 선택된 어느 하나의 Au 합금으로 이루어진 것을 특징으로 하는 칩 스케일 LED 패키지.
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