KR19990000207A - 반도체 발광 다이오드 모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 단색 파장 또는 서로 다른 파장의 광 출력 특성을 갖는 반도체 발광 다아오드를 하나의 모듈로 패키지하는 구조를 갖는 반도체 광원 장치에 관한 것이다. 본 발명에서는 발광원인 다이오드가 적절한 지향 특성을 가지도록 최적으로 배열됨으로서 본 모듈을 이용하는 경우에 디스프레이등의 제조가 용이하고 제조 원가를 절감할 수 있으며, LED 모듈간의 필요 간격을 줄여서 디스플레이장치의 해상도를 획기적으로 향상 시킬 수 있다

Description

반도체 발광 다이오드(LED) 모듈

본 발명은 반도체 발광 다이오드의 패키지 모듈에 관한 것으로, 하나의 기판에 여러 개의 LED 칩을 집적하여 패키지 함으로써, 반도체 발광 다이오드 모듈의 효율을 높이고, 천연색 발광다이오드의 조절 특성을 개선시킨 것이다.

최근 화합물 반도체 소자의 기술 발달로 고 휘도가 가능한 광원 소자가 상용화 되고 있다. 특히 수 V(Volt) 전압과 수십 mA전류 주입에 의해 1cd (칸델라, candela) 정도의 휘도가 가능한 고 휘도 LED ( Light Emitting Diode)가 가능하다. 현재까지는 적색 고 휘도 LED가 가능하여 휘도가 낮은 녹색 LED와 조합 단순한 표시 장치에 주로 활용되어 왔다. 예를 들면, 1 ~3 cd 급의 고 휘도 적색 LED와 0.2 ~ 0.5 cd 녹색 LED가 양산 상용화로 저가격화가 되어있다. 그러나 최근 고 휘도 청색 LED가 개발되고, 순수 녹색의 고 휘도 녹색 LED가 개발 중에 있음으로, 미래에는 고 휘도 삼색 LED에 의한 표시 장치가 더욱 활발히 응용될 것이다. 특히 휘도를 높이는 기술은 더욱 발달할 것으로 기대된다.

휘도를 높이는 기술이 더욱 발달되면, 고 휘도 삼색LED를 집적 병렬 연결하여 더욱 밝은 광원 장치가 가능할 것이다. 이 장치는 현재에 사용되고 있는 백열 전등, 형광등, 기타 종류의 광원 장치를 부분적으로 대체할 것으로 기대된다. LED 방식의 장점은 같은 밝기를 유지하는데 필요한 전력 소모가 다른 방식에 비하여 월등하다는 것이다. 즉 LED 방식으로 빛을 추출하는 방식은 다른 백열 전구 방식에 비하여, 전류를 빛으로 변환하는 효율이 월등히 우수하다. 이것은 LED를 구성하는 화합물 반도체의 변환 효율이 가장 높은 사실에 기인한다. LED 방식의 경우 전력 소모는 기존의 전구에 의한 것보다 약 30~50% 에너지 절감을 달성할 수 있게 된다. 왜냐하면, 기존 방식의 경우 열선(filament)을 가열하여 생기는 빛을 이용하기 때문에 열에 의한 손실이 크기 때문이다. 또한, 고온의 열선의 수명을 유지하기 위해, 불활성 개스나 진공의 전구를 필요로 하였었다.

종래의 LED는 도 1에 도시된 바와 같이, 1개의 LED 칩(chip)을 하나의 독립된 패키지(package)속에 탑재하여, 렌즈 형태로 플라스틱 몰딩(5)을 한 개별 소자이다. 이것은 1개의 소자의 휘도를 최대화 하기 위한 것이다. 보통 패키지 종류에 따라 다르지만, 최대 수 cd 정도가 보통이다. 종래의 기술에서는 도 2a에서와 같이, 단색광의 휘도를 높이기 위해서는 단색 파장 LED(21)를 묶음 형태로 구현한다. 종래의 휘도를 높이는 단위 LED(21)를 여러 개 조합하여 뭉치로 만들어서 사용하는 방법은 각각 소자를 패키지 외부에서 전극을 각각 연결해야 사용할 수 있다. 이 경우 패키지 외부에서 전극을 연결하기 위하여 전체 면적이 증가되어 기판의 면적이 커지고 LED를 조립하기 위한 공정의 비용이 증가되는 요인이 된다.

종래의 LED는 적색, 녹색, 청색의 LED가 도 1과 같이 독립적인 LED의 형태를 가지고 있으므로, 여러 가지 색깔의 LED를 이용하여 자연 색을 구현하기 위해서도 여러 색 종류의 LED (22),(23),(24)를 묶음 형태로 구현한다. 도 2b에서는 여러 가지 색깔의 LED를 이용하여 자연색을 구현한 종래의 LED를 묶음 구조를 보여주고 있다.

종래의 단색 LED를 여러 개 조합하여 뭉치로 만들어서 자연색 LED를 구현하는 방법은, 도 2a의 휘도를 높이기 위한 방법과 유사한 방식이며, 각각 소자를 패키지 외부에서 전극을 각각 연결해야 사용할 수 있다. 이 경우 패키지 외부에서 전극을 연결하기 위하여 전체 면적이 증가되어 기판의 면적이 커지고 LED를 조립하기 위한 공정의 비용이 증가되는 요인이 된다.

본 발명은 여러 개의 단색 LED를 하나의 기판에 집적하여 단일 패키지 모듈로 구성하는 구조를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 적색, 녹색, 청색 등 여러 가지 출력 파장을 갖는 LED를 하나의 기판에 집적하여 천연색 LED 패키지 모듈로 구성하는 구조를 제공하기 위한 것이다.

이와 같은 목적의 본 발명은, 하나의 패키지에 한 색깔의 LED 칩을 여러 개 병렬로 집적할 경우 하나의 패키지로 높은 휘도의 LED 모듈을 구현할 수 있다.

또 본 발명은, 하나의 패키지에 여러 색깔의 LED 칩을 집적한 모듈로 원하는 조합의 LED 색상을 하나의 모듈로 구현할 수 있다.

본 발명의 구성은 동일한 기판 위에, 제1전극과 제2전극을 갖는 복수개의 반도체 발광 다이오드들를 배치하고, 상기 다이오드의 제1전극들은 도전체로 연결되어 외부 전극으로 연결되고, 상기 다이오드의 제2전극들은 도전체로 연결되고 상기 기판과 전기적으로 절연되어 외부 전극으로 연결되고, 상기 외부 전극들은 외부 핀으로 연결되고, 상기 다이오드를 포함하는 상기 기판이 투명한 물질로 몰딩되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 다이오드 모듈이다.

여기서, 상기 반도체 발광 다이오드들은 같은 파장의 반도체 발광 다이오드이거나, 상기 반도체 발광 다이오드들은 서로 다른 파장의 반도체 발광 다이오드인 것을 특징으로 하는 반도체 발광 다이오드 모듈이다

도 1은 종래의 반도체 발광 다이오드 모듈 구조도.

도 2는 종래의 LED를 병렬 연결하는 구조를 보인 도면으로서,

도 2a는 단색 파장의 LED를 병렬 연결하는 구조도이고,.

도 2b는 서로 다른 파장의 LED를 병렬 연결하는 구조도이다.

도 3은 본 발명에 의한 단색광 LED모듈의 구조도.

도 4는 본 발명에 다른 실시예에 의한 서로 다른 파장의 LED모듈의 구조도.

도 5는 종래의 구조에서 기판 부분의 연결방법을 보인 구조도.

도 6a, 6b는 본 발명의 실시예에 의한 LED기판의 연결방법을 보인 구조도.

도 7은 본 발명에 의한 LED의 온도에 따른 광 출력 특성도.

〈도면의주요부분에대한부호의설명〉

1, 58, 65, 7, 8, 9, 10, 15, 16, 17 : LED 칩(chip)

5, 11 : 투명 몰딩(molding)

2, 13, 56, 64 : 본딩 와이어(bonding wire)

3, 59, 14, 67 : 기판

21 : 단색 파장 LED

22, 23, 24 : 서로 다른 광 파장 LED

4, 12 : 리드(lead)전극(외부핀)

57 : 오믹(ohmic)접촉전극(다이오드 제2전극)

53, 68 : 다이오드 제1전극

511, 63 : 제2 외부 전극

62 : 칩(chip) 간 거리

제1실시예

도 3 은 본 발명에 의한 같은 광파장을 갖는 LED의 병렬 연결방법을 보인 구조도로서, 하나의 패키지(package)에 한 색깔의 LED 칩(7), (8), (9), (10)을 여러 개 병렬로 집적할 경우 하나의 패키지로 높은 휘도의 LED 모듈을 구현할 수 있다.

이는, 외부핀(리드)(12)가 구비된 하나의 기판(6)에 동일한 광파장을 갖는 LED(7), (8), (9), (10)를 부착하고, 그 LED들을 본딩 와이어(13)에 의해 병렬 연결하고, 이들을 투명 몰딩(11) 시켜 하나의 패키지로 구성한다. 하나의 패키지에 여러 개의 다이오드를 연결하는 방법은, 도 6a에 도시된 바와같다.

먼저, 하나의 기판(67) 위에, 제1전극과 제2전극(53), (68)을 갖는 복수개의 단색광 출력의 반도체 발광 다이오드들(7), (8), (9), (10)을 배치한다. 이때 발광원인 상기 다이오드가 적절한 지향 특성을 가지도록 기판 상의 LED를 최적으로 배열한다. 상기 기판은 열전도성이 우수한 AlN, BaO, 철과 금의 합금(Au/Fe 합금), 구리(Cu)로 등이 사용된다. 도 7은 LED 칩의 온도에 따른 광 출력 특성을 보여주고 있는데 칩의 온도가 낮을수록 출력 광의 휘도가 향상됨을 보여주고 있다.

상기 다이오드의 제1전극들은 도전체로 연결되어 외부 전극으로 연결된다. 본 실시예에서는 제1전극은 도 6에서와 같이 기판 위에 배치된 다이오드의 뒷면을 통하여 기판과 전기적으로 연결된다. 상기 다이오드의 제2전극들은 오믹 접촉(ohmic contact)을 통하여 도전체로 연결되고 상기 기판과 전기적으로 절연되어 있는 제2외부 전극(63)으로 연결된다. 상기 제2전극과 제2외부 전극(63)은 금(Au)등의 금속 와이어(wire) (64), (13)로 연결된다.

도 6은 기판 위에서 다이오드 전극의 연결 구조를 보여주고 있다. LED 모듈이 동작중에 상기 다이오드에서 발생되는 열을 효과적으로 방출하기 위하여, 기판으로서 금속을 사용하고 상기 다이오드와 기판 중간층에 열전도성이 우수한 실리콘 서브 마운트(Si submount)(66)를 사용할 수도 있다. 실리콘 서브 마운트(Si submount)를 사용하지 않는 경우에는 다이오드 제1전극은 6a에서와 같이 기판에 접착제 등을 통하여 직접 부착된다.

기판 위의 상기 제2외부 전극들(63)은 도 3에서와 같이 외부 핀(12)으로 연결된다. 상기 다이오드의 제1전극들은 기판으로부터 전기적으로 접촉되어 있는 구조가 기본이나, 기판과 상기 다이오드 사이에 절연성 서브 마운트(66) 넣어서 기판과 절연 시킬 수도 있다. 이 경우, 제1 전극의 외부 전극은 기판과 절연된 외부 핀으로 연결되어야 한다(도시 되어 있지 않음). 상기 다이오드의 제2전극들은 기판으로부터 전기적으로 절연되어 있으며, 전극 서로 간에는 공통 외부 핀에 연결되어 있는 구조가 될 수도 있고(도시 되어 있지 않음), 각기 다른 외부 전극 핀을 갖는 구조로 제조할 수도 있다. 각기 다른 외부 전극 핀을 갖는 구조인 경우에는 각각의 다이오드의 출력을 외부에서 독립적으로 조절할 수 있다.

상기 다이오드와 상기 다이오드 외부 전극을 포함하는 상기 기판이 투명한 물질로 몰딩된다. 상기 몰딩(11)은 투명성이 좋은 플라스틱 또는 유리 계통의 재료가 이용된다.

도 3은 단일 색의 광출력을 갖는 본 발명의 일 실시예의 외부 모양을 보여주고 있다.

제2실시예

도 4는 본 발명의 다른 광 파장을 갖는 LED의 병렬 연결방법을 보인 구조도로서, 하나의 패키지에 여러 색깔의 LED 칩(15), (16), (17)을 집적한 모듈로 원하는 조합의 LED 색상을 하나의 모듈로 구현할 수 있음을 보여주고 있다.

동일한 기판(14), (67) 위에, 제1전극과 제2전극을 갖는 복수개의 서로 다른 파장의 광출력 특성을 갖는의 반도체 발광 다이오드들 (15), (16), (17),(65)를 배치한다. 이때 발광원인 상기 다이오드가 적절한 지향 특성을 가지도록 기판 상의 LED를 최적으로 배열한다. 상기 기판은 열전도성이 우수한 AlN, BaO, 철과 금의 합금(Au/Fe 합금), 구리(Cu)로 등이 사용된다. 도 7은 LED 칩의 온도에 따른 광 출력 특성을 보여주고 있는데 칩의 온도가 낮을수록 출력 광의 휘도가 향상됨을 보여주고 있다.

상기 다이오드의 제1전극들(68)은 도전체로 연결되어 외부 전극으로 연결된다. 제1전극은 기판 위에 배치된 다이오드의 뒷면을 통하여 기판과 전기적으로 연결된다. 상기 다이오드의 제2전극들은 오믹 접촉을 하여 (64) 도전체로 연결되고 상기 기판과 전기적으로 절연되어 제2외부 전극(63)으로 연결된다. 상기 제2전극과 외부 전극은 금(Au)등의 금속 와이어(wire) (64)로 연결된다.

도 6은 기판 위에서 다이오드 전극의 연결 구조를 보여주고 있다. LED 모듈이 동작중에 상기 다이오드가 에서 발생되는 열을 효과적으로 방출하기 위하여, 기판으로서 금속을 사용하고 상기 다이오드와 기판 중간층에 열전도성이 우수한 실리콘 서브 마운트(Si submount)(66)를 사용할 수도 있다. 실리콘 서브 마운트(Si submount)를 사용하지 않는 경우에는 6a에서의 실시예와 같이 다이오드 제1전극은 기판에 접착제 등을 통하여 직접 부착된다.

기판 위의 상기 외부 전극들(63)은 외부 핀으로 연결된다. 상기 다이오드의 제1전극들은 기판으로부터 전기적으로 접촉되어 있는 구조가 기본이나, 기판과 상기 다이오드 사이에 절연성 서브 마운트(66) 넣어서 기판과 절연 시킬 수도 있다. 이 경우, 제1 전극의 외부 전극은 기판과 절연된 본딩와이어 등을 통하여 외부 핀으로 연결되어야 한다 (도시 되어 있지 않음). 상기 다이오드의 제2전극들은 기판으로부터 전기적으로 절연되어 있으며, 전극 서로 간에는 각기 다른 외부 전극 핀(63)과 연결 구조로 되어 있다. 본 실시예의 구조는 경우에는 서로다른 광파장의 다이오드의 출력을 외부에서 독립적으로 조절함으로서 천연색을 얻을 수 잇다. 또한, 본 모듈의 각 출력 파장의 휘도를 조절하여서 각 다이오드의 소자의 수명에 따른 출력 변화를 보정할 수 있다.

상기 다이오드와 상기 다이오드 외부 전극을 포함하는 상기 기판이 투명한 물질로 몰딩된다. 상기 몰딩은 투명성이 좋은 플라스틱 또는 유리 계통의 재료가 이용된다.

도 4도는 서로 다른 색의 광출력을 갖는 LED 칩(15), (16), (17)을 집적한 본 발명의 제2실시예를 보여주고 있다.

빛의 삼원색인 적색, 녹색, 청색의 갖은 파장의 반도체 발광 다이오드를 사용하여 본 발명을 실시하는 경우에는 모든 색상의 천연색을 본 발명의 LED 모듈로서 구현 할 수 있다.

LED 방식의 장점은 다른 백열 전구등 다른 빛 방출 방식에 비하여 효율이 월등히 우수하다. 이것은 LED를 구성하는 화합물 반도체의 변환 효율이 가장 높은 사실에 기인한다. LED 방식의 경우 전력 소모는 기존의 전구에 의한 것보다 약 30~50% 에너지 절감을 달성할 수 있게 된다. 복수개의 단색 LED를 하나의 모듈로 집적하는 본 발명은 고 전력 효율의 고휘도 LED 발광 소자를 제공할 수 있다. 이 고휘도 단일 파장 LED 모듈은 교통 신호등, 자동차의 전조등, 자동차의 표시등, 손전등 등에 사용될 수 있다.

본 발명의 다른 효과는 발광원인 상기 다이오드가 적절한 지향 특성을 가지도록 기판 상의 LED를 최적으로 배열됨으로서 본 발명 모듈을 이용하는 경우에 디스프레이등의 제조가 용이하고 제조 원가를 절감할 수 있다.

본 발명의 또 다른 효과는 동일 패키지 상에 서로 다른 광 파장의 LED 발광 소자를 집적하여 천연색으로 사용하는 경우에 LED 모듈간의 필요 간격을 줄여서 LED를 이용한 전광판 등의 디스플레이(Display) 장치의 해상도를 획기적으로 향상시킬 수 있다

본 발명의 또 다른 효과는 LED가 접하는 기판 또는 서브 마운트의 열전도도가 양호한 재료를 사용함으로써 LED의 수명을 향상시킴은 물론 소자의 온도를 낮춤으로서 LED의 휘도도 개선할 수 있다.

본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명의 실시는 당업자 간에 변경 가능하므로, 본 발명의 범위는 상기 실시예 및 도면에 의하여 한정되지 않으며 다음의 청구 범위에 의해서만 범위가 제한된다.

Claims (8)

1. 동일한 기판 위에

   제1전극과 제2전극을 갖는 복수개의 반도체 발광 다이오드들을 배치하고,

   상기 다이오드의 제1전극들은 도전체로 연결되어 외부 전극으로 연결되고

   상기 다이오드의 제2전극들은 도전체로 연결되고 상기 기판과 전기적으로 절연되어 외부 전극으로 연결되고

   상기 외부 전극들은 외부 핀으로 연결되고

   상기 다이오드를 포함하는 상기 기판이 투명한 물질로 몰딩되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 다이오드 모듈.
2. 제1항에 있어서, 상기 반도체 발광 다이오드들은 같은 파장의 반도체 발광 다이오드인 것을 특징으로 하는 반도체 발광 다이오드 모듈.
3. 제1항에 있어서, 상기 반도체 발광 다이오드들은 서로 다른 파장의 반도체 발광 다이오드인 것을 특징으로 하는 반도체 발광 다이오드 모듈.
4. 제1항 내지 제3항중 어느 한 항에 있어서,

   상기 반도체 발광다이오드 모듈의 기판은 AlN, BaO, 철과 금의 합금(Au/Fe 합금), 구리(Cu)로 구성되는 그룹에서 하나인 것을 특징으로 하는 반도체 발광 다이오드 모듈
5. 제1항 내지 제3항중 어느 한 항에 있어서,

   상기 반도체 발광다이오드 모듈의 기판과 상기 반도체 발광 다이오드 사이에 실리콘 서브마운트를 배치하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 다이오드 모듈
6. 제1항 내지 제3항중 어느한 항에 있어서,

   상기 반도체 발광다이오드 모듈의 기판과 상기 반도체 발광 다이오드 사이에 절연체 서브마운트를 배치하고 상기 다이오드의 제1전극은 와이어본딩을 통하여 외부 전극과 연결되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 다이오드 모듈
7. 동일한 기판 위에

   각각 제1전극과 제2전극을 갖는 적색광 파장, 녹색광 파장, 청색광 파장의 반도체 발광 다이오드들을 배치하고,

   상기 다이오드의 제1전극들은 도전체로 연결되어 외부 전극으로 연결되고

   상기 다이오드의 제2전극들은 도전체로 연결되고 상기 기판과 전기적으로 절연되어 외부 전극으로 연결되고

   상기 외부 전극들은 외부 핀으로 연결되고

   상기 다이오드를 포함하는 상기 기판이 투명한 물질로 몰딩되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 다이오드 모듈.
8. 동일한 기판 위에

   제1전극과 제2전극을 갖는 동일한 발광 파장의 반도체 발광 다이오드들을 배치하고,

   상기 다이오드의 제1전극들은 도전체로 연결되어 제1 전극으로 연결되고

   상기 다이오드의 제2전극들은 도전체로 연결되고 상기 기판과 전기적으로 절연되어 제2 전극으로 연결되고

   상기 제1 전극은 제1외부 핀으로 연결되고

   상기 제2 전극은 제2외부 핀으로 연결되고

   상기 다이오드를 포함하는 상기 기판이 투명한 물질로 몰딩되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 다이오드 모듈.