KR20040020239A - 고출력 ｌｅｄ를 위한 역피라미드형 플립 칩 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고출력 LED를 위한 역피라미드형 플립 칩에 관한 것으로서, 특히 높은 전류밀도에 의한 열을 신속히 제거하여 LED 칩의 신뢰성과 외부 효율을 극대화 시킬 수 있는 고출력 LED를 위한 역피라미드형 플립 칩 다이와 그 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 고출력 LED를 위한 역피라미드형 플립칩은, 양측면이 코팅처리되어 반사막을 형성한 역피라미드 형태의 반도체층과; 상기 반도체층의 양측면과 저면을 둘러싸도록 형성되어 상기 반도체층에서 생성되는 열을 흡수하여 방열시키는 방열판과; 상기 방열판이 수용되도록 형성되는 서브마운트를 포함하는 점에 그 특징이 있다.
본 발명은 고출력 LED의 단면을 역 피라미드 형태로 만들어 줌으로써 광자의 이동 거리를 줄이고 그 결과 내부 광 손실을 줄일 수 있게 한다.
Description
본 발명은 고출력 LED를 위한 역피라미드형 플립 칩 다이와 그 제조방법에 관한 것으로서, 특히 높은 전류밀도에 의한 열을 신속히 제거하여 LED 칩의 신뢰성과 외부 효율을 극대화 시킬 수 있는 고출력 LED를 위한 역피라미드형 플립 칩 다이와 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, LED는 반도체 다이오드의 p-n junction에서 전자와 정공(hole)이 결합할 때 나오는 빛을 이용하여 정보를 나타내는 디스플레이 소자를 말한다.
이러한 LED는 주로 표시용 램프나 숫자와 같은 산업용 광센서의 광원, LCD용 백라이트, 경고등, 교통 신호등으로 사용되었고, 특히 블루 LED의 개발과 더불어 대형 옥외전광판등으로 향후 LCD, PDP, EL과는 차별화된 정보 디스플레이 소자로 서 활용되고 있다.
도 1은 종래에 따른 플립 칩 방식의 고출력 LED의 구조를 나타낸 칩 단면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 종래 플립 칩 형태의 고출력 LED는, 사파이어 기판(107)상에 n형층(109), 활성층(102), p형층(103)이 순서대로 적층한 후, 상기 p형층(103), 활성층(102), n형층(109)의 소정 부분을 식각하고, n형 전극(106) 및p형 전극(101)을 형성하여 상기 p형 전극(101), n형 전극(106)상에 솔더 메탈층을 증착시킨 반도체층과; 상기 반도체층에서 발광되는 빛에 의해 생성되는 열을 흡수하여 방열시키는 서브마운트(100)를 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 서브마운트(100)에는 방열판을 증착시키고, 상기 방열판위에는 상기 반도체층의 솔더 메탈층과 대응되는 솔더 메탈층을 형성한다. 그리고, 상기 반도체층의 솔더 메탈층과 상기 서브마운트의 솔더 메탈층을 접합시키기 위해 솔더볼(105) 형태로 텍(tag) 한 후, 열처리등을 통하여 접합되도록 한다.
따라서, 상기와 같이 구성된 플립 칩 형태의 고출력 LED는 상기 활성층(102)에서 생성된 빛이 상기 사파이어 기판(107)으로 투과된다.
도 2는 종래에 따른 플립칩 형태의 고출력 LED에서 사파이어 기판을 통해 빛이 발광되는 모습을 나타내는 도면이다. 이에 도시된 바와 같이, p형 전극과 n형 전극을 반투명 금속 전극을 쓰는 대신 다운 정션(down junction)의 형태를 갖는 플립 칩 형태를 취해서 사파이어 기판으로 빛이 발광하도록 하였다. 전극의 금속을 전류 확산(current spreading)을 위해서 두껍게 올리고 반사율을 높임으로써 도파된 빛의 흡수를 줄이고 본드 패드나 와이어에 의한 빛의 손실을 줄였다. 두꺼운 반사 p 접촉(contact)를 만들어 줌으로써 전류 퍼짐과 낮은 순방향 전압(forward voltage)를 제공하고 아래쪽으로 진행하는 빛을 p 접촉에서 사파이어 쪽으로 반사시켜 줌으로써 빛 추출(light extraction)을 증가시킨다.
사파이어와 실리콘의 열팽창 계수가 비슷하고 실리콘 웨이퍼의 솔더 범핑이 산업의 기본 공정이므로 플립 칩 형태의 고출력 LED의 서브마운트(submount)로 실리콘 서브마운트를 사용하고, 열전도율이 높은 알루미늄을 방열판으로 사용하였다.
그러나, 전술한 바와 같이 플립 칩 형태를 이용한 기술도 종래 LED와 같이 칩의 측면으로 빠져 나가는 빛의 손실과 광자의 이동 거리를 줄여서 내부 광 손실을 줄이지 못했다.
또한, 넓은 밴드 갭으로 인한 높은 작동 전압을 가지고 작동하는 동안 심각한 오옴 열(ohmic heating)을 이끌게 된다. 이때, 발생한 열은 출력의 지수적인 감소를 가져온다.
또한, 불순물의 확산과 디스로케이션(dislocation)의 이동은 출력에 강하게 영향을 미치고 이것은 온도에 대한 의존도가 높기 때문에, 칩에서 발생하는 열을 최대한 뽑아내어 줄일 수 있는 방법이 요구되어진다.
본 발명의 목적은 고출력을 위한 LED 칩 다이의 단면을 역피라미드 형태로 잘라서 광자의 이동거리를 줄여 줌으로써 내부 광 손실을 줄이고 발광 효율을 높여주는 것을 목적으로 한다.
또한, 칩의 측벽에 은 코팅(Ag coating)을 해줌으로써 측벽에서의 반사율을 높여주고 빛의 흡수율은 낮추는 것을 목적으로 한다.
또한, 실리콘 서브마운트도 역 피라미드 형태로 깎아 주어 칩의 측벽과도 접촉하게 만들어 열 저항을 낮춤으로써 신뢰성과 외부 효율성을 높이는 것을 목적으로 한다.
도 1은 종래에 따른 플립 칩 방식의 고출력 LED의 구조를 나타낸 칩 단면.
도 2는 종래에 따른 플립칩 형태의 고출력 LED에서 사파이어 기판을 통해 빛이 발광되는 모습을 나타내는 도면.
도 3는 본 발명에 따른 고출력 LED를 위한 역 피라미드형 플립 칩의 구조를나타낸 도면.
도 4는 본 발명에 따른 역 피라미드형 플립칩에서의 광자(photon)의 이동 거리를 보여주는 도면.
도 5은 본 발명에 따른 역 피라미드형 플립칩의 측면을 은 코팅하였을 경우의 발광된 빛의 반사를 나타내는 도면.
도 6은 본 발명에 따른 역 피라미드형 플립칩에서 발생된 열이 빠져나가는 것을 나타내는 도면.
<도면의 주요 부호에 대한 설명>
300: 서브마운트 301: p형 전극
303: 활성층311: 와이어 패드
304: 방열판 305: 솔더볼
306: n형 전극307: 사파이어 기판
308: 솔더 메탈층309: p형층
310: 반사막
본 발명에 따른 고출력 LED를 위한 역 피라미드형 플립칩은,
양측면이 코팅처리되어 반사막을 형성한 역피라미드 형태의 반도체층과;
상기 반도체층의 양측면과 저면을 둘러싸도록 형성되어 상기 반도체층에서 생성되는 열을 흡수하여 방열시키는 방열판과;
상기 방열판이 수용되도록 형성되는 서브마운트를 포함하는 점을 그 특징으로 한다.
여기서, 상기 반도체층의 측면에 코팅된 반사막은 은(Ag)으로 형성되는 점에 그 특징이 있다.
여기서, 상기 방열판과 상기 서브마운트는 역 피라미드의 구조를 갖는 점에 그 특징이 있다.
여기서, 상기 방열판은 알루미늄으로 형성되는 점에 그 특징이 있다.
여기서, 상기 반도체층의 n형 전극 및 p형 전극상에는 솔더 메탈층이 각각 형성되어 있고, 상기 방열판에는 상기 반도체층의 솔더 메탈층과 대응되는 위치에 또 다른 솔더 메탈층을 형성하는 점에 특징이 있다.
여기서, 상기 반도체층의 솔더 메탈층과 상기 방열판의 솔더 메탈층을 접착하기 위해 도전성 솔더볼을 사용하는 점에 그 특징이 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예가 설명된다.
도 3는 본 발명에 따른 고출력 LED를 위한 역 피라미드형 플립 칩의 구조를나타낸 도면이다. 이에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 고출력 LED를 위한 역 피라미드형 플립칩은, 양측면이 코팅처리되어 반사막을 형성한 역피라미드 형태의반도체층(312)과; 상기 반도체층(312)의 양측면과 저면을 둘러싸도록 형성되어 상기 활성층에서 발광되는 빛에 의해 생성되는 열을 흡수하여 방열시키는 방열판(304)과; 상기 방열판(304)이 수용되도록 형성되어 열을 전달받아 방열시키는 서브마운트(300)를 포함하여 구성된다.
상기 반도체층(312)은 사파이어 기판(307)상에 n형층(309), 활성층(303), p형층(302)이 순차적으로 적층한 후, 상기 p형층(302), 활성층(303), n형층(309)의 소정 부분을 식각하고, n형 전극(306) 및 p형 전극(301)을 형성한다. 이어 상기 p형 전극(301), n형 전극(306)상에 솔더 메탈층(308)을 증착시킨다.
그리고, 상기 반도체층(312)은 양측면이 소정의 각도를 갖는 역피라미드의 형태로 형성되며, 상기 양측면에는 은(Ag)으로 코팅처리하여 반사막을 형성시킨다.
도 4는 본 발명에 따른 역 피라미드형 플립칩에서의 광자(photon)의 이동 거리를 보여주는 도면이다. 이에 도시된 바와 같이, 고출력 LED를 위한 플립칩 다이를 역피라미드 형태로 잘랐을 경우, 광자의 이동거리가 종래보다 줄어 들었음을 보여준다.
이와같이 광자의 이동거리를 줄여 줌으로써 내부 광 손실(internal optical loss)을 줄여서 외부 효율성(external efficiency)을 높여 준다.
도 5은 본 발명에 따른 역 피라미드형 플립칩의 측면을 은 코팅하였을 경우의 발광된 빛의 반사를 나타내는 도면이다. 이에 도시된 바와 같이, 은으로 코팅된 방열판이 역 피라미드형 고출력 발광 다이오드의 다이 측면에 부착되었을 경우 발광면으로의 빛의 반사가 증가하게 된다.
즉, 칩의 측벽에 은 코팅(Ag coating)을 해줌으로써 측벽에서의 반사율을 높여주고 빛의 흡수율은 낮추는 효과를 준다.
따라서, 역 피라미드 형태인 칩의 측면에 은 코팅을 함으로써 측면을 통해서 손실되는 빛을 줄이고, 이를 통해 발광면으로의 빛의 반사를 증가시켜 발광 다이오드의 발광 효율을 높인다.
한편, 상기 방열판(304)은 상기 측면에 반사막 처리된 반도체층(312)을 수용하는 구조로 형성되어 있고, 내부의 저면에는 상기 반도체층(312)의 솔더 메탈층(308)과 접촉시키기 위해 대응되는 위치에 또 다른 솔더 메탈층(308)이 형성되어 있다.
따라서, 상기 방열판(304)은 상기 n형 전극(306) 및 p형 전극(301)이 서로 도통되지 않도록 떨어져 형성되어 있는 구조이다.
여기서, 상기 반도체층(312)의 솔더 메탈층(308)과 상기 방열판(304)의 솔더 메탈층(308)은 도전성 솔더볼(305)을 이용하여 물리적으로 접촉시킨다. 상기 솔더볼(305)은 상기 두 솔더 메탈층(308)사이에 위치시켜 열처리하게 되면 플랫형태로 변형되어 접착된다.
또한, 상기 방열판(304)과 상기 은으로 코팅된 반사막(310)이 연속적으로 접촉되어 형성된다.
또한, 상기 방열판(304)은 열전도율이 높은 알루미늄으로 형성되며, 이는 발광된 빛을 반사시키고, 활성층에 의해 생성된 열을 방열시킨다.
그리고, 상기 서브마운트(300)는 상기 방열판(304)을 수용하는 형태로 형성되어 접착되며, 상기 방열판(304)으로부터의 열을 전도받아 외부로 방열시킨다.
즉, 상기 서브마운트(300)와 상기 방열판(304)은 상기 사파이어 기판(307)의 발광면을 제외한 모든 면을 둘러싸도록 역피라미드 형태로 형성되고, 상기 역 피라미드 형태의 방열판(304)상에 외부 접속 단자로서의 와이어 패드(311)가 형성된다.
도 6은 본 발명에 따른 역 피라미드형 플립칩에서 발생된 열이 빠져나가는 것을 나타내는 도면이다. 이에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 역 피라미드형 플립칩은, 은으로 코팅된 반사면(310)이 상기 방열판(304)과 상기 활성층(303), 상기 p형층(309) 및 상기 사파이어 기판(307)의 측면 사이에 접촉되어 형성되고, 상기 방열판(304)과 상기 은으로 코팅된 반사면(310)이 연속적으로 접촉되어 형성됨을 보여준다.
여기서, 칩의 단면이 역 피라미드 형태이고, 상기 역 피라미드 형태인 칩의 측면은 은 코팅되어 있으며, 방열판(304)와 칩의 옆면이 연속적으로 접촉되어 있음을 알 수 있다.
이는 종래의 발광 다이오드가 칩 하부 방열판에서만 방열되던 것에 반해, 칩 내부에 발생하는 열이 옆면을 통해서도 빠져나갈 수 있게 한다.
따라서, 발광 다이오드에서 발생하는 내부 열 저항을 칩의 하부면 뿐만 아니라 칩의 측면에서도 방열시킬 수 있어 방열 효과를 극대화 시킬 수 있다.
또한, 실리콘 서브마운트도 역 피라미드 형태로 깎아 주어 칩의 측벽과도 접촉하게 만들어 열 저항을 낮춤으로써 신뢰성과 효율을 높인다.
여기서, 상기 방열판(304)은 발광된 빛을 반사하는 반사 역할뿐만 아니라 열전도율이 높아 방열하는데 사용됨을 알 수 있다.
이와같이, 칩의 측면에 은 코팅(Ag coating)을 해줌으로써 측면에서의 반사율을 높여주어 빛의 손실되는 빛을 줄인다.
또한, 서브마운트도 역 피라미드 형태로 깎아 주어 칩의 측면과도 접촉하게 만들어 열 저항을 낮춤으로써 신뢰성과 효율을 높인다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 고출력 LED의 단면을 역 피라미드 형태로 만들어 줌으로써 광자의 이동 거리를 줄이고 그 결과 내부 광 손실을 줄일 수 있게 한다.
또한, 역 피라미드 형태인 칩의 옆면에 금 코팅을 함으로써 옆면을 통해 손실되는 빛을 줄일 수 있게 하고, 알루미늄의 방열판과 칩의 옆면이 상호 접촉되도록 하여 칩 내부에 발생하는 열이 옆면을 통해 빠져 나갈수 있게 한다.
이를 통해, 발광 다이오드의 발광면에서의 빛의 반사량을 증가시키고, 칩의 옆면으로의 열 저항의 방열을 통해 내부 열을 줄임으로써 발광 다이오드의 발광 효율을 극대화 시킬 수 있게 한다.
Claims (7)
- 양측면이 코팅처리되어 반사막을 형성한 역피라미드 형태의 반도체층과;상기 반도체층의 양측면과 저면을 둘러싸도록 형성되어 상기 반도체층에서 생성되는 열을 흡수하여 방열시키는 방열판과;상기 방열판이 수용되도록 형성되는 서브마운트를 포함하는 것을 특징으로 하는 고출력 LED를 위한 역피라미드형 플립 칩.
- 제 1 항에 있어서,상기 반도체층은 사파이어 기판상에 n형층, 활성층, p형층이 순차적으로 적층한 후, n형 전극 및 p형 전극을 형성하여 그 전극상에 솔더 메탈층을 각각 증착시키는 것을 특징으로 하는 고출력 LED를 위한 역피라미드형 플립 칩.
- 제 1 항에 있어서,상기 방열판은 내부의 저면에는 상기 반도체층의 솔더 메탈층과 접촉시키기 위해 대응되는 위치에 또 다른 솔더 메탈층이 형성되는 것을 특징으로 하는 고출력 LED를 위한 역피라미드형 플립 칩.
- 제 1 항에 있어서,상기 반도체층의 측면에 코팅된 반사막은 은(Ag)으로 형성되는 것을 특징으로 하는 고출력 LED를 위한 역피라미드형 플립 칩.
- 제 1 항에 있어서,상기 방열판은 알루미늄으로 형성되는 것을 특징으로 하는 고출력 LED를 위한 역피라미드형 플립 칩.
- 제 1 항에 있어서,상기 방열판과 상기 서브마운트는 역 피라미드의 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 고출력 LED를 위한 역피라미드형 플립 칩.
- 제 1 항에 있어서,상기 반도체층의 솔더 메탈층과 상기 방열판의 솔더 메탈층이 접착될 수 있도록 솔더볼을 이용하는 것을 특징으로 하는 고출력 LED를 위한 역피라미드형 플립 칩.
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