KR102189129B1 - 발광 소자 모듈 - Google Patents

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실시예는 회로 기판; 상기 회로 기판의 도전층과 도전성 접착제로 본딩된 발광 소자; 상기 발광소자의 측면과 상부면 상에 배치된 형광체층; 및 상기 회로 기판과 상기 형광체층 상에 렌즈를 포함하고, 상기 발광 소자와 상기 회로 기판 사이에 보이드(void)가 형성된 발광 소자 모듈을 제공한다.

Description

발광 소자 모듈{LIGHT EMITTING DEVICE MODULE}
실시예는 발광 소자 모듈에 관한 것이다.
GaN, AlGaN 등의 3-5 족 화합물 반도체는 넓고 조정이 용이한 밴드 갭 에너지를 가지는 등의 많은 장점으로 인해 광 전자 공학 분야(optoelectronics)와 전자 소자를 위해 등에 널리 사용된다.
특히, 반도체의 3-5족 또는 2-6족 화합물 반도체 물질을 이용한 발광 다이오드(Light Emitting Diode)나 레이저 다이오드와 같은 발광 소자는 박막 성장 기술 및 소자 재료의 개발로 적색, 녹색, 청색 및 자외선 등 다양한 색을 구현할 수 있으며, 형광 물질을 이용하거나 색을 조합함으로써 효율이 좋은 백색 광선도 구현이 가능하며, 형광등, 백열등 등 기존의 광원에 비해 저소비전력, 반영구적인 수명, 빠른 응답속도, 안전성, 환경친화성의 장점을 가진다.
따라서, 광 통신 수단의 송신 모듈, LCD(Liquid Crystal Display) 표시 장치의 백라이트를 구성하는 냉음극관(CCFL: Cold Cathode Fluorescence Lamp)을 대체하는 발광 다이오드 백라이트, 형광등이나 백열 전구를 대체할 수 있는 백색 발광 다이오드 조명 장치, 자동차 헤드 라이트 및 신호등에까지 응용이 확대되고 있다.
발광 소자는 사파이어 등으로 이루어진 기판 위에 제1 도전형 반도체층과 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함하는 발광구조물이 형성되고, 제1 도전형 반도체층과 제2 도전형 반도체층 상에 각각 제1 전극과 제2 전극이 배치된다. 발광 소자는 제1 도전형 반도체층을 통해서 주입되는 전자와 제2 도전형 반도체층을 통해서 주입되는 정공이 서로 만나서 활성층을 이루는 물질 고유의 에너지 밴드에 의해서 결정되는 에너지를 갖는 빛을 방출한다. 활성층에서 방출되는 빛은 활성층을 이루는 물질의 조성에 따라 다를 수 있으며, 청색광이나 자외선(UV) 또는 심자외선(Deep UV) 등일 수 있다.
이러한 발광 소자는 패키지의 형태로 백라이트 유닛이나 조명 장치 등에 배치될 수 있다.
도 1은 종래의 발광 소자 모듈을 나타낸 도면이다.
발광 소자 모듈(100)은 패키지 몸체(110)의 캐비티의 바닥면에 발광 소자(10)가 배치되고, 발광 소자(10)의 둘레에 형광체(162)를 포함하는 몰딩부(160)가 채워지고, 몰딩부(160)는 렌즈로 작용할 수 있다.
패키지 몸체(110)에는 제1 리드 프레임(121)과 제2 리드 프레임(122)이 배치될 수 있는데, 발광소자(10)는 제1 리드 프레임(121)과 제2 리드 프레임(122)에 각각 와이어(140, 145)로 전기적으로 연결될 수 있다.
패키지 몸체(100)의 표면에는 반사층(R)이 형성되어, 발광소자(10)로부터 방출되는 빛을 상부로 반사할 수 있다.
그리고, 패키지 몸체(110)는 PCB(Printed circuit Board) 등의 회로 기판(180)에 연결되어, 발광소자(10)의 구동에 필요한 전류를 공급받을 수 있다.
그러나, 상술한 종래의 발광소자 모듈은 다음과 같은 문제점이 있다.
발광소자에 전류를 공급하기 위하여 와이어와 리드 프레임이 필요한데, 이러한 재료는 비용 상승의 원인이 될 수 있고 또한 와이어는 발광소자에서 방출되는 광의 진행을 방해하여 광추출 효율을 저하시킬 수 있다.
그리고, 상술한 반사층(R)은 반사율이 우수한 금속으로 이루어질 수 있는데 변색이 발생할 수 있으며, 패키지 몸체를 이루는 PPA(Polypthalamide) 등이 열에 의하여 쉽게 변색되는 문제점도 있다.
실시예는, 발광소자 모듈의 제조 비용을 절감하고 광추출 효율을 개선하고 패키지 몸체 등의 변색을 방지하고자 한다.
실시예는 회로 기판; 상기 회로 기판의 도전층과 도전성 접착제로 본딩된 발광 소자; 상기 발광소자의 측면과 상부면 상에 배치된 형광체층; 및 상기 회로 기판과 상기 형광체층 상에 렌즈를 포함하고, 상기 발광 소자와 상기 회로 기판 사이에 보이드(void)가 형성된 발광 소자 모듈을 제공한다.
발광 소자는 기판 상의 발광 구조물을 포함하고, 상기 보이드는 상기 발광 구조물과 상기 회로 기판의 사이에 형성될 수 있다.
형광체층은 상기 발광 소자의 측면으로부터 상기 회로 기판의 표면으로 연장되어 배치되고, 상기 보이드는 상기 형광체층과 상기 회로 기판에 둘러싸인 영역에 형성될 수 있다.
보이드에 에어(air)가 채워질 수 있다.
발광 소자는 플립 칩 타입의 발광 소자일 수 있다.
발광 소자의 측면에 배치된 형광체층은, 상기 발광 구조물의 높이보다 높게 배치될 수 있다.
형광체층과 상기 렌즈는 실리콘을 포함할 수 있다.
렌즈는, 상기 형광체층 및 상기 회로 기판과 접촉할 수 있다.
렌즈에 홈이 형성되고, 상기 발광소자는 상기 홈에 삽입될 수 있다.
홈의 깊이는 상기 형광체층의 높이와 동일할 수 있다.
실시예에 따른 발광 소자 모듈은, 와이어와 리드 프레임이 생략되고 플립 칩 타입의 발광소자를 회로 기판에 직접 결합하여 재료비가 감소하고 와이어에 의한 광흡수 내지 차단도 줄어들어서 광효율이 향상될 수 있으며, 또한, 패키지 몸체와 패키지 몸체 상의 반사층이 생략되어 패키지 몸체와 반사층의 변색에 의한 색온도의 왜곡을 방지할 수 있다.
도 1은 종래의 발광 소자 모듈을 나타낸 도면이고,
도 2는 발광 소자 모듈의 일실시예를 나타낸 도면이고,
도 3a 내지 도 3c는 도 2의 발광 소자 모듈의 제조 공정을 나타낸 도면이고,
도 4는 발광소자 모듈의 다른 실시예를 나타낸 도면이다.
도 5a 내지 도 5c는 상술한 발광소자 모듈이 배치된 어레이를 나타낸 도면이다.
이하 상기의 목적을 구체적으로 실현할 수 있는 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
본 발명에 따른 실시예의 설명에 있어서, 각 element의 " 상(위) 또는 하(아래)(on or under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)(on or under)는 두개의 element가 서로 직접(directly)접촉되거나 하나 이상의 다른 element가 상기 두 element사이에 배치되어(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 “상(위) 또는 하(아래)(on or under)”으로 표현되는 경우 하나의 element를 기준으로 위쪽 방향 뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
도 2는 발광 소자 모듈의 일실시예를 나타낸 도면이다.
실시예에 따른 발광소자 모듈(200a)은, 회로 기판(280)과 회로 기판(280) 상의 제1,2 도전층(281, 282)과 전기적으로 연결된 발광소자(20)와, 발광 소자(20)를 둘러싸고 배치되는 형광체층(260)과, 형광체층(260)과 회로 기판(280) 상에 배치되는 렌즈(270)를 포함하여 이루어진다.
회로 기판(280)은 인쇄 회로 기판(Printed Circuit Board)이나, 메탈 PCB 또는 FR-4 등일 수 있다. 회로 기판(280)에 제1 도전층(281)과 제2 도전층(282)는 각각 발광소자(20)의 제1 전극(26a) 및 제2 전극(26c)과 전기적으로 연결될 수 있다.
발광소자(20)는 도시된 플립 칩(flip chip) 타입의 발광소자 일 수 있는데, 기판(21)에 버퍼층(22)과 발광 구조물(24)이 배치되고, 발광 구조물(24)은 제1 도전형 반도체층(24a)과 활성층(24b) 및 제2 도전형 반도체층(24c)을 포함하여 이루어지고, 제1 도전형 반도체층(24a)과 제2 도전형 반도체층(24c)에는 각각 제1 전극(26a)과 제2 전극(26c)이 배치될 수 있다.
기판(21)은 반도체 물질 성장에 적합한 물질이나 캐리어 웨이퍼로 형성될 수 있으며, 열 전도성이 뛰어난 물질로 형성될 수 있고, 전도성 기판 또는 절연성 기판을 포함할 수 있다. 예컨대, 사파이어(Al2O3), SiO2, SiC, Si, GaAs, GaN, ZnO, GaP, InP, Ge, Ga203 중 적어도 하나를 사용할 수 있다.
사파이어 등으로 기판(21)을 형성하고, 기판(21) 상에 GaN이나 AlGaN 등을 포함하는 발광구조물(24)이 배치될 때, GaN이나 AlGaN과 사파이어 사이의 격자 부정합(lattice mismatch)이 매우 크고 이들 사이에 열 팽창 계수 차이도 매우 크기 때문에, 결정성을 악화시키는 전위(dislocation), 멜트 백(melt-back), 크랙(crack), 피트(pit), 표면 모폴로지(surface morphology) 불량 등이 발생할 수 있으므로, AlN 등으로 버퍼층(22)을 형성할 수 있다.
제1 도전형 반도체층(24a)은 Ⅲ-Ⅴ족, Ⅱ-Ⅵ족 등의 화합물 반도체로 구현될 수 있으며, 제1 도전형 도펀트가 도핑되어 제1 도전형의 반도체층일 수 있다. 제1 도전형 반도체층(24a)은 AlxInyGa(1-x-y)N (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질로 이루어질 수 있고, 예를 들어 AlGaN, GaN, InAlGaN, AlGaAs, GaP, GaAs, GaAsP, AlGaInP 중 어느 하나 이상으로 형성될 수 있다.
제1 도전형 반도체층(24a)이 n형 반도체층인 경우, 제1 도전형 도펀트는 Si, Ge, Sn, Se, Te 등과 같은 n형 도펀트를 포함할 수 있다. 제1 도전형 반도체층(24a)은 단층 또는 다층으로 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
활성층(24b)은 제1 도전형 반도체층(24a)의 상부면에 배치되며, 단일 우물 구조(Double Hetero Structure), 다중 우물 구조, 단일 양자 우물 구조, 다중 양자 우물(MQW:Multi Quantum Well) 구조, 양자점 구조 또는 양자선 구조 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
활성층(24b)은 Ⅲ-Ⅴ족 원소의 화합물 반도체 재료를 이용하여 우물층과 장벽층, 예를 들면 AlGaN/AlGaN, InGaN/GaN, InGaN/InGaN, AlGaN/GaN, InAlGaN/GaN, GaAs(InGaAs)/AlGaAs, GaP(InGaP)/AlGaP 중 어느 하나 이상의 페어 구조로 형성될 수 있으나 이에 한정되지는 않는다. 우물층은 장벽층의 에너지 밴드 갭보다 작은 에너지 밴드 갭을 갖는 물질로 형성될 수 있다.
제2 도전형 반도체층(24c)은 활성층(24b)의 표면에 반도체 화합물로 형성될 수 있다. 제2 도전형 반도체층(24c)은 Ⅲ-Ⅴ족, Ⅱ-Ⅵ족 등의 화합물 반도체로 구현될 수 있으며, 제2 도전형 도펀트가 도핑될 수 있다. 제2 도전형 반도체층(24c)은 예컨대, InxAlyGa1 -x- yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질로 이루어질 수 있고, AlGaN, GaN AlInN, AlGaAs, GaP, GaAs, GaAsP, AlGaInP 중 어느 하나 이상으로 형성될 수 있다.
제2 도전형 반도체층(24c)은 제2 도전형 도펀트가 도핑될 수 있는데, 제2 도전형 반도체층(24c)이 p형 반도체층일 경우 제2 도전형 도펀트는 Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등과 같은 p형 도펀트일 수 있다. 제2 도전형 반도체층(24c)은 단층 또는 다층으로 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
도시되지는 않았으나, 제2 도전형 반도체층(24c) 상에는 ITO(Intium tin Oxide) 등으로 투광성 도전층이 형성되어, 제2 전극(26c)으로부터 제2 도전형 반도체층(24c)으로 전류 스프레딩(spreading) 효과를 향상시킬 수 있다.
제2 도전형 반도체층(24c)과 활성층(24b) 및 제1 도전형 반도체층(24a)의 일부까지 메사 식각하여, 제1 도전형 반도체층(24a)을 노출시켜서 제1 전극(26a)이 형성될 영역을 확보할 수 있다.
제1 도전형 반도체층(24a)과 제2 도전형 반도체층(24c) 상에는 각각 제1 전극(26a)과 제2 전극(26c)이 배치되는데, 제1 전극(26a)과 제2 전극(26c)은 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 구리(Cu), 금(Au) 중 적어도 하나를 포함하여 단층 또는 다층 구조로 형성될 수 있다.
도시되지는 않았으나, 발광 구조물(24)의 둘레에는 패시베이션층이 형성될 수 있는데, 패시베이션층은 절연성 물질로 이루어질 수 있고, 상세하게는 산화물이나 질화물로 이루어질 수 있고, 보다 상세하게는 실리콘 산화물(SiO2)층, 산화 질화물층, 산화 알루미늄층으로 이루어질 수 있다.
발광소자(20)의 제1 전극(26a)과 제2 전극(26c)은 각각, 회로 기판(20)의 제1 도전층(281)과 제2 도전층(282)에 도전성 접착제로 전기적으로 연결될 수 있는데, 본 실시예에서는 솔더(28a, 28c)로 본딩될 수 있다.
발광소자(20)의 둘레를 형광체층(260)이 배치되는데, 형광체층(260)은 발광 소자(20)의 상부면과 측면에 배치되고 있다.
본 실시예에서 형광체층(260)은 발광 소자(20)의 측면으로부터 회로 기판(280)의 표면으로까지 연장되어, 회로 기판(280)의 표면과 접촉하고 있다.
형광체층(260)은 실리콘 계열의 고분자 물질, 예를 들면 수지, 고무 등을 모재로 하여 형광체를 포함할 수 있는데, 발광소자(20)에서 방출된 제1 파장 영역의 광이 형광체를 여기하여 형광체에서 제2 파장 영역의 광이 방출될 수 있다.
그리고, 형광체층(260)의 내측 영역에서 발광소자(20)와 회로 기판(280)의 사이에 보이드(void)가 형성되고 있다. 보이드의 내부에는 에어(air)가 채워질 수 있다.
본 실시예에서, 발광 소자(20)의 둘레를 형광체층(260)이 회로 기판(280)과 접촉하며 감싸고 있으므로, 상술한 보이드는 상부의 발광소자(20)와 측면의 형광체층(260)과 하부의 회로 기판(280)으로 둘러싸인 영역에 형성될 수 있으며, 이때 발광소자(20) 중 발광 구조물(24)와 접촉할 수 있다.
도 2에서 형광체층(260)은 발광 소자(20), 특히 기판(21)의 상부면과 'b1'으로 표시된 영역에서 접촉하고, 렌즈(270)는 형광체층(260)과 'b21'로 표시된 영역에서 접촉하고 회로 기판(280)과 'b22'로 표시된 영역에서 접촉하고 있다.
도 3a 내지 도 3c는 도 2의 발광 소자 모듈의 제조 공정을 나타낸 도면이다.
도 3a에 도시된 바와 같이 플립 칩 타입의 발광 소자(20)의 둘레에 형광체층(260)을 배치한다. 형광체층(260)은 컨포멀 코팅 내지 필름 타입으로 배치될 수있는데, 도시된 바와 같이 형광체층(260)의 상부면(u1, u2)는 각각 제1 도전형 반도체층(24a, 24c)이나 제1,2 전극(26a, 26c)보다 높게 배치될 수 있다.
그리고, 도 3b에서 발광소자(20)의 둘레에 배치된 형광체층(260)을, 렌즈(270)에 형성된 홈에 삽입한다. 이때, 렌즈(270)에 형성된 홈의 깊이(t)가 형광체층(260)의 높이(h)와 동일할 수 있다. 이때, 렌즈(270)와 형광체층(260)은 상술한 바와 같이 실리콘 계열의 고분자 물질을 모재로 하여 별도의 접착제 없이 접착될 수 있다.
그리고, 도 3c에 도시된 바와 같이, 렌즈(270) 내의 홈에 삽입된 발광 소자(20)를 회로 기판(280)에 결합한다.
이때, 회로 기판(280) 상의 제1 도전층(281)과 제2 도전층(282) 상에 솔더(28a, 28c) 등의 도전성 접착제를 배치하고, 솔더(28a, 28c)를 통하여 발광 소자(20)의 제1 전극(26a) 및 제2 전극(26c)을 각각 고정시킬 수 있다.
도 4는 발광소자 모듈의 다른 실시예를 나타낸 도면이다.
본 실시예에 따른 발광소자 모듈(200b)는 상술한 실시예와 동일하나, 형광체층(260)이 회로 기판(280)과 직접 접촉하지 않는 차이점이 있다.
즉, 형광체층(260)의 상부면(u1, u2)의 높이가 인접한 제1 도전형 반도체층(24a) 및 제2 도전형 반도체층(24c)과 각각 동일하여, 보이드(void)의 측면이 렌즈(270)와 직접 접촉할 수 있다.
상술한 실시예 외에, 형광체층(260)의 상부면(u1, u2)의 높이가 인접한 제1 도전형 반도체층(24a) 및 제2 도전형 반도체층(24c)보다 높더라도, 형광체층(260)이 회로 기판(280)과 직접 접촉하지 않고, 보이드(void)의 측면이 형광체층(260) 및 렌즈(270)와 직접 접촉할 수도 있다.
실시예에 따른 발광소자 모듈들은, 와이어와 리드 프레임이 생략되고 플립 칩 타입의 발광소자를 회로 기판에 직접 결합하여 재료비가 감소하고 와이어에 의한 광흡수 내지 차단도 줄어들어서 광효율이 향상될 수 있으며, 또한, 패키지 몸체와 패키지 몸체 상의 반사층이 생략되어 패키지 몸체와 반사층의 변색에 의한 색온도의 왜곡을 방지할 수 있다.
상술한 발광 소자 모듈은 광원으로 사용될 수 있는데, 예를 들면 영상표시장치와 조명장치 등의 광원으로 사용될 수 있다.
도 5a 내지 도 5c는 상술한 발광소자 모듈이 배치된 어레이를 나타낸 도면이다.
도 5a와 도 5b에 도시된 바와 같이 하나의 회로 기판(280) 상에 상술한 발광 소자 모듈(200a)이 하나의 라인(line)으로 배치되어 조명 장치에 사용되거나 영상표시장치에서 에지 타입의 광원으로 사용될 수 있다.
그리고, 도 5c에 도시된 바와 같이 하나의 회로 기판(280)에 복수 개의 발광소자가 복수 개의 열과 행으로 배치될 수도 있으며, 특히 영상표시장치에서 직하 타입의 광원으로 사용될 수 있다.
상술한 발광소자 모듈들이 영상표시장치나 조명장치의 광원으로 사용될 때, 재료비가 감소하고 광효율이 향상될 수 있으며, 또한 광원 전체에서 색온도가 균일할 수 있다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10, 20: 발광소자 21: 기판
22: 버퍼층 24: 발광 구조물
24a: 제1 도전형 반도체층 24b: 활성층
24c: 제2 도전형 반도체층 26a: 제1 전극
26c: 제2 전극 28a, 28c: 솔더
100, 200a, 200b: 발광소자 모듈
110: 패키지 몸체 121: 제1 리드 프레임
122: 제2 리드 프레임 140, 145: 와이어
160: 몰딩부 162: 형광체
260: 형광체층 270: 렌즈
280: 회로 기판 281: 제1 도전층
282: 제2 도전층

Claims (10)

  1. 상면에 한 쌍의 홈이 형성된 회로 기판;
    상기 한 쌍의 홈에 각각 삽입되는 제1,2 도전층;
    상기 제1,2 도전층에 도전성 접착제로 본딩된 발광 소자;
    상기 발광소자의 측면과 상부면 상에 배치된 형광체층; 및
    상기 회로 기판과 상기 형광체층 상에 렌즈를 포함하고,
    상기 발광 소자와 상기 회로 기판 사이에 보이드(void)가 형성되고,
    상기 발광소자는 기판과, 상기 기판 상에 배치되고 제1 도전형 반도체층과 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함하는 발광 구조물, 및 상기 제1,2 도전형 반도체층 상에 각각 배치되는 제1,2 전극을 포함하고,
    상기 회로 기판의 상면으로부터 상기 제1 전극과 인접한 영역에서의 상기 형광체층과의 거리는, 상기 회로 기판의 상면으로부터 상기 제2 전극과 인접한 영역에서의 상기 형광체층과의 거리보다 큰 발광 소자 모듈.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 보이드는 상기 발광 구조물과 상기 회로 기판의 사이에 형성된 발광소자 모듈.
  3. 삭제
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 보이드에 에어(air)가 채워진 발광 소자 모듈.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 형광체층과 상기 렌즈는 실리콘을 포함하고, 상기 렌즈는, 상기 형광체층 및 상기 회로 기판과 접촉하는 발광소자 모듈.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
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