KR20030083452A - 고휘도 발광 다이오드 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 발광 다이오드 및 그 제작 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 수직 구조를 가진 발광 다이오드 칩을 이용한 고휘도 발광 다이오드 및 그 제작 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 발광 다이오드(1)는 전극(140,150)들이 서로 대향된 수직 구조를 가진 고휘도 발광 다이오드 칩(10)을 박막 패턴(21)이 형성된 인쇄 회로 기판(20) 또는 리드 단자(70)의 상부면에 선택적으로 실장하되, 상기 고휘도 발광 다이오드 칩(10)의 기판(110)면 하부에 위치된 제 1전극(140)이 상기 인쇄 회로 기판(20)의 상면에 맞닿아 칩의 활성층(130)이 상기 인쇄 회로 기판으로부터 이격되게 한다.
그리고, 고휘도 발광 다이오드 칩(10)의 상부면에 위치된 제 2전극(150)을, 결합 수단(40)을 이용하여 상기 인쇄 회로 기판 또는 리드 단자와 전기적으로 연결한 후, 투명 몰딩용 에폭시 수지로 상기 고휘도 발광 다이오드 칩 상부를 봉지하여 발광 다이오드를 제작한다.

Description

고휘도 발광 다이오드 및 그 제조 방법{High Flux Light-emitting Diode and Method of Manufacturing the same}
본 발명은 고휘도 발광 다이오드 및 그 제작 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 기존 본딩 방식을 이용하여 수직 구조를 가진 고휘도 발광 다이오드 칩을 실장한 고휘도 발광 다이오드의 구조 및 그 제작 방법에 관한 것이다.
일반적으로 발광 다이오드는 전기 에너지를 광반사(optical radiation)로 변환하는 반도체 소자로서, 사용 목적 또는 형태에 따라, 발광 다이오드 칩을 선택적으로 박막 패턴이 형성된 인쇄 회로 기판 또는 리드 단자의 상부면에 실장한 후, 상기 칩과 기판 또는 리드 단자를 전기적으로 연결하고, 그 상부에 에폭시 등을 사용하여 몰드 성형부를 형성함으로써 구현된다.
이 때, 발광 다이오드 칩에서 발광되는 색에 따라 칩의 구조, 성장 방법 및, 재료가 달라진다는 것은 잘 알려져 있으며, 특히 고휘도 특성을 가진 발광 다이오드 칩은 미국특허출원번호 제 5,027,168호 및 제 4,996,268호 등에서 공지되어 있다.
이와 같은, 고휘도 발광 다이오드 칩은 일반적으로 발광 다이오드 장착 제품에서 발생되는 높은 열에 잘 견딜 수 있도록 싱글 본딩 구조를 가지고 있다. 이러한 싱글 본딩 구조는 Au, Au/sn, Ti/Au, Ni 등의 재질로 형성된 전극이 서로 대향된 면에 위치되는 수직 구조로서, 그 구조 또한 잘 공지되어 있다.
상기 발광 다이오드 칩은 광 방출 효과를 증가시키기 위하여, 실리콘 카바이드 등으로 형성된 기판 상에서 성장된 에피층이 상기 인쇄 회로 기판 또는 리드 단자의 상부면과 맞닿도록 인쇄 회로 기판 등에 고정된다.
그러나, 상기한 수직 구조를 가진 고휘도 발광 다이오드 칩을 기판 상에 실장하는 방법은 하기와 같은 문제점을 갖는다.
상기한 칩의 전극이 금으로 이루어진 경우, 금은 1000℃ 이상의 매우 높은 녹는점을 가지기 때문에 도전성 접착제, 예를 들어, Ag-paste를 이용하여 발광 다이오드 칩을 인쇄 회로 기판 또는 리드 단자 상에 부착하는 방법이 사용된다.
그러나, 광방출 효과를 극대화시키기 위해 에피층이 실리콘 카바이드 기판 하부에 위치된 발광 다이오드 칩의 활성층이 인쇄 회로 기판 또는 리드 단자의 상부면과 인접한다.
따라서, 충분한 접착성을 갖도록 기판 상에 도포된 접착제의 일부가 칩을 누르는 압력에 의해 상기 발광 다이오드 칩의 하부면에서 밀려나와 상기 활성층에 닿고, 차후에 전기 에너지가 발광 다이오드에 인가되면, 상기 발광 다이오드 칩의 활성층과 이에 닿아 있는 도전성 접착제사이에 방전이 발생된다.
이와 달리, 접착제로 구리를 사용하더라도, 구리는 응집력이 은보다 강해 활성층까지 밀려나지는 않으나, 응집력이 너무 크기 때문에 구를 이루므로 그 상부에 위치되는 발광 다이오드 칩이 높이 차이를 보이면서 비틀어지거나 실장 위치에서 벗어나 불량이 발생된다.
한편, 고휘도 발광 다이오드 칩의 전극으로 녹는점이 약 300℃인 Au/sn 합금이 사용되는 경우, 인쇄 회로 기판 또는 리드 단자를 상기 온도까지 가열하여 칩의 전극을 녹여 기판에 융착시키는 유테틱 본딩 방법(eutectic bonding methode)이 주로 사용된다.
그러나, 인쇄 회로 기판 또는 리드 단자를 약 300℃까지 가열하여야 하기 때문에, 인쇄 회로 기판의 플라스틱 또는 유테틱 형성된 부분은 물론 얇은 박막 패턴도 높은 온도에서 전소되며, 이를 방지하기 위해선 비싼 내열성 수지로 인쇄 회로 기판을 제작하여야만 하므로 발광 다이오드의 원가가 상승된다.
또한, 금속 재질의 리드 단자 상에 발광 다이오드 칩을 실장하는 램프형 발광 다이오드의 경우, 높은 온도로 가열하는 유테틱 본딩방법이 용이하게 사용될 수 있으나, 발광 다이오드 칩의 타측 패드와 일측 리드 단자를 전기적으로 연결하기 위한 와이어 본딩 공정중, 상기 리드 단자를 재 가열해야 하기 때문에 재가열 온도에서 상기 리드 단자 상에 고정된 발광 다이오드 칩이 떨어져 불량이 발생된다.
그리고, 상기와 같은 유테틱 본딩 방법은 기존에 사용되는 다이 어태치 방법이 아니기 때문에 새로운 공정용 기계를 설비해야 하므로 제작 공수가 증가된다.
상기한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 고휘도 발광 다이오드 칩의 활성층이 인쇄 회로 기판 또는 리드 단자로부터 이격되도록 칩을 인쇄 회로 기판 등에 실장함으로써, 기존 다이 어태치 방법을 이용해 고휘도 발광 다이오드를 제작하여 작업공수를 감소시키는데 그 목적이 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 발광 다이오드 칩의 실장 방법을 개선하여 생산 수율을 향상시키는데 그 목적이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 표면 실장형 고휘도 발광 다이오드의 일 예를 나타내는 종단면도;
도 2는 도 1에 도시된 표면 실장형 고휘도 발광 다이오드의 상면도;
도 3은 본 발명에 따른 표면 실장형 고휘도 발광 다이오드의 다른 예를 나타내는 종단면도;
도 4는 본 발명에 따른 램프형 고휘도 발광 다이오드의 일 예를 나타내는 종단면도.
<도면 주요부분에 대한 부호의 설명>
1 : 발광 다이오드 10 : 발광 다이오드 칩
20 : 인쇄 회로 기판 21 : 박막 패턴
30 : 접착제 40 : 결합 수단
130 : 활성층 140, 150 : 전극
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 고휘도 발광 다이오드는 박막 패턴이 형성된 인쇄 회로 기판(20) 또는 리드 단자(70)와; 전극이 서로 대향된 수직 구조를가지며, 기판(110)의 하부면에 위치된 제 1 전극(140)이 상기 인쇄 회로 기판(20) 또는 리드 단자(70) 상에 실장되는 고휘도 발광 다이오드 칩(10)과; 상기 고휘도 발광 다이오드 칩의 제 2전극(150)과 상기 인쇄 회로 기판(20)을 전기적으로 연결하는 결합수단(40)과; 상기 고휘도 발광 다이오드 칩 상부를 봉지한 몰드 성형부(50)로 이루어진다.
이 때, 색변환을 위하여 상기 몰드 성형부 내에는 형광제가 균일하게 분포될 수 있다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 발광 다이오드(1)는 전극들이 서로 대향된 수직 구조를 가진 고휘도 발광 다이오드 칩(10)을 박막 패턴(21)이 형성된 인쇄 회로 기판(20) 또는 리드 단자(70)의 상부면에 선택적으로 실장하되, 상기 고휘도 발광 다이오드 칩(10)의 기판(110)면 하부에 위치된 제 1전극(140)이 상기 인쇄 회로 기판(20)의 상면에 맞닿아 칩의 활성층(130)이 상기 인쇄 회로 기판으로부터 이격되도록 실장하는 단계와; 상기 고휘도 발광 다이오드 칩(10)의 상부면에 위치된 제 2전극(150)을, 결합 수단을 이용하여 상기 인쇄 회로 기판 또는 리드 단자와 전기적으로 연결하는 단계와; 투명 몰딩용 에폭시 수지로 상기 고휘도 발광 다이오드 칩 상부에 몰드 성형부(50)를 형성하는 단계로 이루어진 제작 방법에 따라 제작된다.
보다 바람직하게, 상기 투명 몰딩용 에폭시 수지는 분말 상태이며, 이에 대하여 색변환용 형광제가 소정 비율로 혼합될 수도 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하면 하기와 같다.
도 1은 본 발명에 따른 표면 실장형 고휘도 발광 다이오드의 일 예를 나타내는 종단면도이며, 도 2는 도 1의 상면도이고, 도 3은 본 발명에 따른 표면 실장형 고휘도 발광 다이오드의 다른 예를 나타내는 종단면도이며, 도 4는 본 발명에 따른 램프형 고휘도 발광 다이오드의 일 예를 나타내는 종단면도이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같은 본 발명에 따른 칩형 고휘도 발광 다이오드(1)에는 전극(140,150)이 서로 대향된 수직 구조를 가진 발광 다이오드 칩(10)이 사용되며, 상기 발광 다이오드 칩(10)은 투광성 실리콘 카바이드 기판(20)상에 다수의 갈륨(인듐)나이트라이드 질화물 층(120)을 증착한 후, 그 상부에 활성층(130)을 형성하고, 상기 활성층의 상면에 다시 도전성 상태가 다른 갈륨(인듐) 나이트라이드 질화물 층(120)을 증착하여 제조된다.
그리고, 상기 기판(110)의 하부면에는 Au, Au/sn로 이루어진 제 1전극(140)이 위치되고, 상기 질화물 층의 상부에도 또한 Au, Au/sn로 이루어진 제 2전극(150)이 위치된다.
이 때, 발광 다이오드 칩(10)의 수직 구조는 소자에 형성된 전극이 서로 대향되어 위치할 수 있는 특성을 의미하며, 단일 와이어 본딩방법이 사용되므로 본딩시 소자에 가해지는 충격 등을 감소시킬 수 있으며 내열성이 뛰어나다.
한편, 광방출 효율을 증가시킬 수 있도록 상기 투광성 실리콘 카바이드 기판(20)의 면적을 활성층(130)면의 면적보다 좁게 형성할 수도 있으며 이는 잘 알려져 있다.
따라서, 발광 다이오드(1)는 박막 패턴(21)이 형성된 인쇄 회로 기판(20)의 상면에 도전성 접착제(30)를 도포한 후, 광방출 위치된 고휘도 발광 다이오드칩(10)을, 상기 실리콘 기판(110) 하부에 위치된 제 1전극(140)이 상기 접착제(30)에 닿도록, 상기 인쇄 회로 기판(20) 상에 실장하여 제작된다.
본 발명에 따른 공정중 접착제(30)의 도포시, 방전을 방지하기 위해 최소한의 접착력을 고려하여 상기 접착제의 양을 설정하지 않아도 되며, 바람직하게 Ag-paste가 사용된다.
이 후, 인쇄 회로 기판(20)은 도전성 접착제(30)를 경화시키기 위해 150℃의 온도로 1시간정도 방치된 후, 칩이 실장되지 않은 박막 패턴 측과 발광 다이오드 칩의 제 2전극(150)을 결합 수단인 와이어(40)로 연결한다.
와이어 본딩 공정을 거친 인쇄 회로 기판(20)은 몰딩 형태에 따른 형상을 갖는 금형이 설치된 트랜스퍼 몰딩 프레스 위에 배열되어, 분말 에폭시 수지로 제작된 태블릿에 의해 트랜스퍼 몰드된다.
이 때, 에폭시 수지는 칩에서 발광된 빛의 투과율이 높고, 저응력성을 가지며, 인쇄 회로 기판에 밀착성에 잘 밀착될 수 있는 성질 등을 고려하여 사용된다.
한편, 고휘도 발광 다이오드 칩(10)을 이용하여 백색, 중간색 등의 광을 방출하는 색변환 발광 다이오드를 제작하는 경우, 투명 몰딩용 분말 에폭시 수지에 형광제를 소정 비율로 혼합하여, 혼합 분말을 간이 유압 프레스와 금형을 이용해 몰드 컴파운드 태블릿으로 제작한 후, 이를 이용하여 트랜스퍼 몰드할 수도 있다.
이 때, 투명 몰딩용 분말 에폭시 수지에 혼합되는 형광제는 요구되는 광에 따라 달라지며, 예를 들어 청색 발광 다이오드 칩을 사용하여 백색광을 발광시키는경우, (Y·Ce)3Al5O12또는 (Y·Gd·Ce)3Al5O12과 같은 (Y·Gd·Ce)-Al-O계 형광제, 통상 YAG 이라고 형광제가 소정 비율로 혼합된다.
이와 달리, 자색 또는 UV 발광 다이오드 칩을 사용하여 백색광을 방출시키는 경우, 적색, 녹색, 청색 예를 들어, (Sr, Ca, Ba, Mg)10(P04)6C12:EU, Zns:Cu,Au,Al, Y2O2S:EU의 3종의 형광제 분말이 소정 비율로 혼합된다.
한편, 발광 다이오드의 몰드 성형부는 트랜스퍼 몰드 방법이 아니라, 액상 에폭시를 몰딩 칩상부에 도포하는 방법으로도 성형될 수 있다.
물론, 이러한 경우 도 3에 도시된 반사기(60) 또는 돌출턱등이 별도로 형성된 상기 인쇄 회로 기판(20)이 사용된다.
상기와 같은 몰딩 공정을 거친 발광 다이오드(1)는 일정 시간동안 경화된 후, 사이즈에 따라 다이싱되어, 버(Burr)를 제거하고, 클린싱 및 큐어링 과정을 거치고, 테이핑 작업 후 출하된다.
한편, 탑형 고휘도 발광 다이오드의 경우, 도 3과 같은 반사기(60)가 형성된 인쇄 회로 기판(20)이 사용되고, 발광 다이오드 칩(10)을 상기 반사기(60)내부에 실장하여 수지로 몰딩하는 과정 외에는 상기에서 설명한 바와 같은 동일한 제작 과정을 거친다.
본 발명의 또 다른 실시 예로서, 램프형 고휘도 발광 다이오드(1)인 경우, 인쇄 회로 기판 대신 선단부에 반사컵(710)이 형성된 제 1리드 단자(70)와, 상기 제 1 리드 단자(70)와 소정 간격으로 이격된 제 2리드 단자(71)가 사용된다.
상기 제 1 리드 단자 반사컵(710)의 내부 소정 위치에 접착제(30)를 도포한 후, 상기 접착제(30)의 상부에 발광 다이오드 칩(10)의 실리콘 기판(110) 하부에 위치된 제 1전극(140)이 맞닿도록, 상기 발광 다이오드 칩을 실장한다.
이 후, 도전성 접착제(30)를 경화시키기 위해 150℃의 온도로 1시간정도 방치한 후, 상기 발광 다이오드 칩(10)의 제 2전극(150)과 제 2리드 단자(71)를 와이어(40)로 연결한다.
반사컵(710)의 내부를 투명 에폭시 수지를 이용하여 1차 몰드한 후, 제 1리드 단자(70) 및 제 2리드 단자(71)의 선단부를 다시 투광성의 에폭시 수지로 구형상으로 몰드하여 몰드 성형부(50)를 형성한다.
이 때, 반사컵(710)의 내부에는 상기 발광 다이오드 칩(10)의 활성층(130)으로부터 발광된 빛의 파장을 다른 파장으로 변환시키는 형광제가 함유될 수 있다.
상기와 같은 공정을 따라 제작된 고휘도 발광 다이오드의 휘도와 색도는 하기의 표와 같다.
이 때, 본 발명에 따른 칩형 고휘도 발광 다이오드는 470㎚의 파장을 가진 청색 발광 다이오드 칩이 사용되며, 투명 몰딩용 액상 에폭시 수지에 YAG 계열의 형광제를 소정 비율로 첨가하여 상기 발광 다이오드 칩을 몰딩하였으며, 일본 니찌아(Nichia)사의 반사기를 가진 인쇄 회로 기판을 이용하였다.
IV(mcd)
Min. Max. Ave.
12.5% 형광안료 첨가된 본 발명의 백색 LED 354 395 378
3.5% 형광안료 첨가된 본 발명의 백색 LED 360 403 383
이 때, IV는 발광 다이오드에서 방출되는 빛의 휘도를 나타내며, 상기 표에서 보여지는 바와 같이 백색 LED에서는 고휘도의 백색광이 방출된다.
CIE
X point Y point
Min. Max. Min. Max. Ave.
2.5% 형광안료 첨가된 본 발명의 백색 LED 0.3009 0.3158 0.3087 0.3312 0.3489 0.3415
3.5% 형광안료 첨가된 본 발명의 백색 LED 0.3295 0.3591 0.3439 0.3480 0.4100 0.3834
단, CIE는 Commission International Del′Eclarage(국제 조명 위원회)에 의한 색좌표이며, 이에 의해 규정된 백색의 색좌표도는 x좌표 및 y좌표가 0.31로써, 본발명에 따른 발광 다이오드에 의해 상기 색좌표도에 근접한 백색이 구현된다.
상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 고휘도 발광 다이오드는 수직 구조를 가진 발광 다이오드 칩의 실장 방법을 개선하여, 칩의 활성층이 인쇄 회로 기판으로부터 이격되도록 함으로써, 도전성 접착제와 활성층사이의 방전을 방지하여 발광 다이오드의 생산 수율을 향상시킬 수 있다.
또한, 유테틱 본딩 방법 대신 기존의 본딩 방법을 사용하여 발광 다이오드 칩을 실장할 수 있으므로 공정 개선에 따른 비용등을 감소시킬 수 있다.

Claims (6)

  1. 발광 다이오드 제작 방법으로서,
    전극들이 서로 대향된 수직 구조를 가진 고휘도 발광 다이오드 칩을 박막 패턴이 형성된 인쇄 회로 기판 또는 리드 단자의 상부면에 선택적으로 실장하되, 상기 고휘도 발광 다이오드 칩의 기판면 하부에 위치된 제 1전극이 상기 인쇄 회로 기판의 상면에 맞닿아 칩의 활성층이 상기 인쇄 회로 기판으로부터 이격되도록 실장하는 단계와;
    상기 고휘도 발광 다이오드 칩의 상부면에 위치된 제 2전극을, 결합 수단을 이용하여 상기 인쇄 회로 기판 또는 리드 단자와 전기적으로 연결하는 단계와;
    투명 몰딩용 에폭시 수지로 상기 고휘도 발광 다이오드 칩 상부에 몰드 성형부를 형성하는 단계로 이루어진 발광 다이오드 제작 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 투명 몰딩용 에폭시 수지는 분말 상태인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 제작 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 투명 몰딩용 에폭시 수지는 액상 상태인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 제작 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 투명 몰딩용 에폭시 수지에는 형광제가 소정 비율로 혼합되는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 제작 방법.
  5. 제 1 항의 방법으로 제작된 발광 다이오드.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 몰딩 성형부 내에는 형광제가 분포된 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
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