KR20020035789A - 발광 다이오드 패키지 및 그 제조 방법 - Google Patents

발광 다이오드 패키지 및 그 제조 방법 Download PDF

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KR20020035789A
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루미리즈 라이팅 유에스 엘엘씨
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Abstract

본 발명에서, 발광 다이오드(LED) 어셈블리는 정전기 방전(electrostatic discharge)(ESD)에 기인한 LED 손상을 방지하는 전원 분로 디바이스(a power shunting device)를 포함한다. 전원 분로 디바이스는 전류를 LED로부터 다른 곳으로 흐르도록 하여 LED 양단의 전압을 소정의 전압까지 제한함으로써 LED를 보호한다. 한 실시예에서, LED 및 전원 분로 디바이스는 양의 전극 및 음의 전극 모두에 직접적으로 접합되는 단자를 가지는 플립칩이며, 따라서 발광 다이오드 어셈블리의 구조의 신뢰도 및 용이성을 향상시킨다. 렌즈는 LED를 에워싸며, 선택사양적으로, 전원 분로 소자를 에워싼다.

Description

발광 다이오드 패키지 및 그 제조 방법{DIRECT BONDING OF FLIP-CHIP LIGHT-EMITTING DIODE AND FLIP-CHIP ESD PROTECTION CHIP TO ELECTRODES IN A PACKAGE}
본 발명은 발광 다이오드(light-emitting diode)에 관한 것으로, 특히 이러한 발광 다이오드에 대한 정전기 방전 보호(electrostatic discharge protection)에 관한 것이다.
컴팩트한 사이즈, 높은 신뢰성(reliability) 및 낮은 전력 소모에 기인하여, 발광 다이오드(LED)는 다양한 애플리케이션에서 백열 전구(incandescent bulb)를 대체하였다. 그러나, LED는 정전기 방전(ESD)으로부터의 손상에 영향을 받기 쉬운데, 이는 성능 및 신뢰성을 저하시킨다.
이들 문제점을 해결하기 위한 과거의 시도로서, ESD 전압과 같은 과전압(overvoltage)으로부터 LED를 보호하는 전원 분로 소자(a power shunting element)의 LED 패키지(LED package)내에 합체시켰다. 전원 분로 소자는 LED 양단의 전압이 소정의 전압을 초과하는 경우에 전류를 LED로부터 다른 곳으로 흐르게 하여 LED 양단의 전압을 제한한다. 전원 분로 소자를 포함하는 LED 어셈블리(assembly)는 Hewlett-Packard Company에게 허여된 미국 특허 번호 5,914,501(이하 '501 특허)에 기술되어 있으며, 이러한 어셈블리는 도 1에서 재현되었다. 어셈블리(10a)는 와이어(wire)(24a)를 이용하여 LED(14)의 한 단자(15)를 전원 분로 소자(12)의 단자(12a)에 전기적으로 접속하며, 다른 와이어(24b)를 이용하여 단자(12a)를 양의 전극(22b)에 전기적으로 접속한다. LED(14)의 다른 단자(17) 및 전원 분로 소자(12)의 다른 단자(12b)는 음의 전극(22a)에 직접적으로 접합(bond)된다. 렌즈(23)는 어셈블리를 에워싼다.
'501 특허에서 기술된 다른 LED 어셈블리(10b)(도 2 참조)는 전원 분로 소자(12)를 LED(14)에 대한 서브마운트(submount)로 합체한다. 어셈블리는 와이어(24a,24b)를 이용하여 LED(14)의 단자 및 전원 분로 소자(12)를 양의 전극 및 음의 전극에 전기적으로 접속한다.
높은 신뢰도를 위하여, 와이어 접합(wire bonds)을 완전히 제거하는 것이 바람직하다. 더욱이, 와이어 접합은 비용 및 제조 시간을 추가시킨다.
본 발명에 따르면, 발광 다이오드 어셈블리는 전원 분로 소자를 합체시켜서 정전기 방전(ESD)과 같은 전기적 과스트레스(electrical overstress)로부터의 손상으로부터 보호한다. 전원 분로 소자는 LED 렌즈 어셈블리 자체내의 LED에 병렬로 결합되어, LED 양단의 소정의 전압을 초과하는 경우에 전류를 다른 곳으로 흐르도록 함으로써 LED를 보호한다.
본 발명의 LED 어셈블리는 와이어 접합 또는 서브마운트 칩을 합체하지 않고서, LED의 전기적 컨택트 및 전원 분로 소자를 LED 어셈블리의 전극에 직접적으로접합한다. 한 실시예에서, LED 및 전원 분로 소자 모두는 양의 전극 및 음의 전극에 직접적으로 접합되는 단자를 가지는 플립칩(flip-chips)이다. 렌즈 물질이 형성되어 LED를 에워쌀 수 있다. 전원 분로 소자는 선택사양으로 렌즈 물질에 의해서 둘러싸여질 수 있다.
따라서, 본 발명은 신뢰도를 향상시키며, 제조를 단순화시키며, 제조 비용을 감소시킨다.
도 1은 미국 특허 번호 5,914,501에 기술된 바와 같은 전원 분로 소자를 포함하는 발광 다이오드 어셈블리의 제 1 실시예의 측면도,
도 2는 미국 특허 번호 5,914,501에 기술된 바와 같은 전원 분로 소자를 포함하는 발광 다이오드 어셈블리의 측면도,
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따라 배열된 전원 분로 소자를 포함하는 발광 다이오드 패키지의 평면도,
도 4는 도 3에 도시된 발광 다이오드 패키지의 측면도,
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 발광 다이오드 및 전원 분로 소자의 구조도.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10a,10b : LED 어셈블리12,31 : 전원 분로 소자
14,30 : LED22a,35 : 음의 전극
22b,34 : 양의 전극24a,24b : 와이어
28 : 발광 다이오드 패키지40 : 렌즈
42,43 : 연장부46,47 : 백투백 제너 다이오드
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따라 배열된 발광 다이오드(LED)(30) 및 전원 분로 소자(31)를 포함하는 발광 다이오드 패키지(28)의 평면도이다.
LED(30) 및 전원 분로 소자(31)는 표면에 단자를 가지는 플립칩(flip-chips)이다. 이들 단자는 각각의 양의 전극(34) 및 음의 전극(35)의 패드(32,33)에 직접적으로 접합된다. LED(30) 및 전원 분로 소자(31) 모두의 플립칩 접합의 이용은 어셈블리로부터 와이어 접합을 완전한 제거할 수 있도록 한다. 접합은 초음파 접합(ultrasonic bonding), 접착성 접합(adhesive bonding) 또는 납땜(soldering)에 의한 접합일 수 있다.
본 발명에서 이용될 수 있는 플립칩 LED의 한 실시예는 1999년 12월 22일에 Michael Krames, Daniel Steigerwald 등이 출원한 Ⅲ-Nitride Light-Emitting Device With Increased Light Generating Capability라는 발명의 명칭의 미국 출원 번호 09/469,657에 기술되어 있는데, 이는 본 발명의 양수인에게 양도되었으며, 본명세서에서 참조로 인용된다. 이러한 플립칩 LED는 다양한 활성층들이 성장되거나 증착되는 투명 기판을 포함한다. 전기적 컨택트는 성장된 층 또는 증착된 층상에 형성되어 LED의 n 및 p 타입 층들에 전기적으로 접촉한다. 그런 다음, LED는 기판이 광 방출(light emission)에 대하여 주 윈도우(primary window)가 되도록 마운팅된다. 도 4에서, 플립칩 기판은 위쪽으로 면하고 있다.
렌즈(40)는 LED(30), 전원 분로 소자(31) 및 연장부(42,43)를 에워싸며, 전극(34,35)의 연장부(42,43)는 페이지의 평면(plane of the page)으로부터 회로 보드(a circuit board) 또는 다른 장치로 아래를 향하여 렌즈(40)로부터 돌출한다. 렌즈(40)는 고 굴절율(a high index)의 에폭시(epoxy) 또는 다른 물질일 수 있다.
도 4는 도 3의 LED 패키지(28)의 측면도이다. 도 4에서, 전원 분로 소자는 LED(30)뒤에 위치하여 가려져서 보이지 않는다. LED(30) 단자(46)는 양의 전극(34)에 직접적으로 접합된다. LED(30) 단자(47)는 음의 전극(35)에 직접적으로 접합된다. 전원 분로 소자는 양의 전극(34) 및 음의 전극(35)에 직접적으로 접합되는 유사한 단자들을 가진다.
도 2와 대조적으로 전원 분로 소자(31)를 서브마운트(a submount)로서 제공하지 않음으로써, LED에 의해서 생성된 열은 열 싱크(heat sinks)로서의 역할을 하는 금속 전극들(34,35)에 의해서 직접적으로 추출될 수 있다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에서의 LED(30) 및 전원 분로 소자(31)의 전기적 구조도이다. LED(30)에 인가되는 전압이 사전 결정된 임계 전압을 초과하는 경우에, 백투백 제너 다이오드(back-to-back zener diodes)(46,47)는 LED(30) 양단의전압을 사전 결정된 전압으로 클램핑(clamping)하며, LED(30)로부터 전류를 다른 곳으로 흐르게 한다. 따라서, 전원 분로 소자(31)는 LED를 정전기 방전에 의해서 생성된 것과 같은 전기적 과스트레스(electrical overstress)로부터 보호한다. 전원 분로 소자는 과도 전압 억제기 다이오드(transient voltage suppressor diode)일 수 있다.
다른 실시예에서, 전원 분로 소자(31)는 광학 효율(optical efficiency)을 증가시키기 위하여 렌즈 외부에 위치한다.
본 발명의 특정한 실시예들이 보여지고 기술되었지만, 본 발명으로부터 벗어나지 않고서 좀 더 넓은 측면에서 변화 및 개조가 가능함은 본 기술 분야의 당업자에게는 자명할 것이며, 따라서 첨부된 특허 청구의 범위는 자신의 범주 내에서의 본 발명의 진정한 사상 및 범주내의 이러한 모든 변화 및 개조를 포함한다.
본 발명의 LED 어셈블리는 와이어 접합 또는 서브마운트 칩을 합체하지 않고서, LED의 전기적 컨택트 및 전원 분로 소자를 LED 어셈블리의 전극에 직접적으로 접합하여, LED의 신뢰도를 향상시키며, 제조를 단순화시키며, 제조 비용을 감소시킨다.

Claims (12)

  1. 양의 전극(a positive electrode)과,
    음의 전극(a negative electrode)과,
    상기 양의 전극에 직접적으로 접합되는 제 1 전기적 컨택트(f first electrical contact) 및 상기 음의 전극에 접합되는 제 2 전기적 컨택트(a second electrical contact)를 가지는 발광 다이오드(a light-emitting diode)와,
    상기 양의 전극에 직접적으로 접합되는 제 3 전기적 컨택트 및 상기 음의 전극에 접합되는 제 4 전기적 컨택트를 가지는 전원 분로 소자(a power shunting element) -상기 전원 분로 소자는 상기 발광 다이오드 양단에 인가된 전압이 사전 결정된 임계 전압을 초과하는 경우에 상기 발광 다이오드로부터 전류를 분로(shunting)시킴-
    를 포함하는 발광 다이오드 패키지(a light-emitting diode package).
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 다이오드 및 상기 전원 분로 소자는 플립칩(flip-chip)이며, 상기 제 1 및 상기 제 3 전기적 컨택트들은 상기 양의 전극에 접합된 플립칩이고, 상기 제 2 및 상기 제 4 전기적 컨택트들은 상기 음의 전극에 접합된 플립칩인 발광 다이오드 패키지.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 전원 분로 소자는 백투백 제너 다이오드 구성(a back-to-back zener diode configuration)을 포함하는 발광 다이오드 패키지.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 전원 분로 소자는 과도 전압 억제기(a transient voltage suppressor)를 포함하는 발광 다이오드 패키지.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 다이오드 및 상기 전원 분로 소자를 에워싸는(encapsulating) 렌즈(lens)를 더 포함하는 발광 다이오드 패키지.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 렌즈는 에폭시(epoxy)인 발광 다이오드 패키지.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 다이오드 및 상기 전원 분로 소자들은 플립칩이며, 상기 제 1 및 상기 제 3 전기적 컨택트들은 상기 양의 전극에 접합된 플립칩이고, 상기 제 2 및 상기 제 4 전기적 컨택트들은 상기 음의 전극에 접합되는 플립칩인 발광 다이오드 패키지.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 전원 분로 소자는 백투백 제너 다이오드 구성(a back-to-back zener diode configuration)을 포함하는 발광 다이오드 패키지.
  9. 발광 다이오드 패키지를 제조하는 방법에 있어서,
    발광 다이오드의 제 1 단자를 양의 전극에 접합하고, 상기 발광 다이오드의 제 2 단자를 음의 전극에 직접적으로 접합하는 단계와,
    전원 분로 소자의 제 3 단자를 상기 음의 전극에 직접적으로 접합하고, 상기 전원 분로 소자 -상기 전원 분로 소자는 상기 발광 다이오드 양단에 인가된 전압이 사전 결정된 임계 전압을 초과하는 경우에 상기 발광 다이오드로부터 전류를 분로(shunting)시킴- 의 제 4 단자를 상기 음의 전극에 직접적으로 접합하는 단계
    를 포함하는 발광 다이오드 패키지 제조 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 다이오드, 상기 전원 분로 소자, 상기 양의 전극 및 상기 음의 전극을 렌즈(lens)를 형성하는 물질로 에워싸는 단계를 더 포함하는 발광 다이오드 패키지 제조 방법.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 다이오드 및 상기 전원 분로 소자는 플립칩이며, 상기 직접적으로 접합하는 단계는 상기 제 1 및 상기 제 3 전기적 컨택트들의 상기 양의 전극으로의 플립칩 접합 및 상기 제 2 및 상기 제 4 전기적 컨택트들의 상기 음의 전극으로의 플립칩 접합을 포함하는 발광 다이오드 패키지 제조 방법.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 전원 분로 소자는 백투백 제너 다이오드 구성(a back-to-back zener diode configuration)을 포함하는 발광 다이오드 패키지 제조 방법.
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