KR20070026240A - 저온 동시소성 세라믹 (ｌｔｃｃ) 테이프 조성물, 발광다이오드 (ｌｅｄ) 모듈, 조명 장치 및 이들의 형성 방법 - Google Patents

저온 동시소성 세라믹 (ｌｔｃｃ) 테이프 조성물, 발광다이오드 (ｌｅｄ) 모듈, 조명 장치 및 이들의 형성 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 LTCC (저온 동시소성 세라믹) 테이프 조성물을 제공하며, 다양한 조명 장치를 위한 발광 다이오드 (LED) 칩 캐리어 및 모듈의 형성에서 상기 LTCC 테이프(들)의 용도를 설명한다. 또한, 본 발명은 LED 장치, 고 휘도 (HB) LED 백라이트, 디스플레이-관련 광원, 자동차 조명, 장식용 조명, 신호 및 광고 조명, 및 정보 디스플레이 조명을 비롯한 (그러나, 이에 한정되는 것은 아님) 조명 장치의 형성에서의 (LTCC) 테이프 및 LED 모듈의 용도를 제공한다.
저온 동시소성 세라믹 테이프 조성물, 발광 다이오드 모듈, 발광 다이오드 칩 캐리어, 조명 장치

Description

저온 동시소성 세라믹 (ＬＴＣＣ) 테이프 조성물, 발광 다이오드 (ＬＥＤ) 모듈, 조명 장치 및 이들의 형성 방법 {LOW TEMPERATURE CO-FIRED CERAMIC (LTCC) TAPE COMPOSITIONS, LIGHT-EMITTING DIODE (LED) MODULES, LIGHTING DEVICES AND METHODS OF FORMING THEREOF}
도 1은 와이어 본딩 (wire bonding)된 칩 캐리어 디자인의 개략도를 제공한다.
도 2는 와이어 본딩 및 땜납 부착된 칩 캐리어 디자인의 개략도를 나타낸다.
도 3은 LED 플립 칩 부착된 칩 캐리어 디자인의 개략도를 제공한다.
도 4는 칩 캐리어의 공동에서 LED 배치의 개략도를 제공한다.
도 5는 LED 플립 칩 부착 및 열 바이어를 갖는 칩 캐리어의 개략도를 제공한다.
도 6은 칩 캐리어의 공동에서 4개의 LED 칩의 배치를 나타낸다.
도 7은 전형적인 선행 기술의 LCD 구조를 나타낸다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
102: 유기 물질 103: 말단부
105: 외부 말단부 106: 열 바이어
107: 열 싱크 108: 제2 타이어
109: 마더보드 110: 말단부
111: 상부 타이어 LTCC 유전체 112: 바이어
113: 와이어 본딩 114: 열 분배기
115: 공동 116: 전도체 패턴
117: 열 분배기 203: 와이어 본딩
205: 전극 205A: 캐쏘드
205B: 애노드 206: 전도성 바이어
207: 땜납 208: 외부 회로
209: 마더보드 210: 납땜 이음부
211: 열 분배기 212: 열 바이어
213: 제2 타이어 214: 공동
215: 전도체 패턴 216: 바이어 캡쳐 패드
301: 플립 칩 303: 전극
304: 제2 타이어 305: 전극
306: 열 분배기 307: 상부 타이어
308: 스퀘어 공동 309: 바이어
310, 311: 전극 패턴 501: 플립 칩
502: 다층 LTCC 유전체 503: 캐쏘드
504, 506: 열 바이어 505, 507: 열 분배기
508: 제3 타이어 509: 제2 타이어
510, 512: 성모양 바이어 511: 애노드
513: 전도성 패드 601, 602, 605: 애노드
603, 609: 그린 (G) LED 칩 604: 블루 (B) LED 칩
606: 공동 표면 607, 608, 611: 캐쏘드
610: 레드 (R) LED 칩 612: 파선
701: 전면 편광기 적층부 702: 칼라 필터
703: 액정층 704: TFT (박막 트랜지스터) 어레이
705: 후면 편광기 적층부 706: 백라이트 장치
707: 전면 확산기 708: 프리즘 시트의 층
709: 후면 확산기 710: 램프 및 도광부
본 발명은 LTCC (저온 동시소성 세라믹) 테이프 조성물, 및 LED 백라이트, 액정 디스플레이 (LCD) 조명, 디스플레이-관련 광원, 자동차 조명, 장식용 조명, 신호 및 광고 조명, 및 정보 디스플레이 장치를 비롯한 (그러나, 이에 한정되는 것은 아님) 다양한 조명 장치를 위한 발광 다이오드 (LED) 칩 캐리어 및 모듈의 형성에서 상기 LTCC 테이프의 용도에 관한 것이다.
고체 상태 전자 장치는 콘쥬게이트된 유기 중합체 층으로 제작될 수 있다. 콘쥬게이트된 중합체-기재 다이오드 및 특히 발광 다이오드 (LED) 및 광-검출 다이 오드는 디스플레이 및 센서 기술에서 사용하기 위한 그의 잠재성으로 인하여 특히 매력적이다. 이러한 부류의 장치는, 전극 (애노드 (anode) 및 캐쏘드 (cathode))에 의해 반대 측에 결합되고 고체 기판 상에 유지된 광전자활성 콘쥬게이트된 유기 중합체의 층 또는 필름을 포함하는 구조를 갖는다.
일반적으로, 중합체 다이오드 및 특히 PLED에 활성 층으로 사용하기 위한 물질은 포토루미네센스 (photoluminescence)를 나타내는 반도체성 (semiconducting) 콘쥬게이트된 중합체를 포함한다. 특정 바람직한 설정에서, 중합체는 포토루미네센스를 나타내고, 가용성이며, 용액으로부터 균일한 박막으로 가공가능하다.
이러한 유기 중합체-기재 전자 장치는 통상적으로 비교적 높은 일 함수 금속으로 구성된다. 이러한 애노드는 홀을 반도체성 발광 중합체의 그 밖의 충전된 p-밴드로 주입하는 작용을 한다.
비교적 낮은 일 함수 금속, 예컨대 바륨 또는 칼슘은 다수의 구조물에서 캐쏘드 물질로서 바람직하다. 이러한 낮은 일 함수 캐쏘드는 전자를 반도체성 발광 중합체의 그 밖의 빈 p*-밴드로 주입하는 작용을 한다. 애노드에서 주입된 홀 및 캐쏘드에서 주입된 전자는 활성 층 내에서 방사적으로 재조합되어 광이 방출된다.
LED 조명은 일반적으로 칸델라로 표시되는 온-축 (on-axis) 광도에 의해 특성화될 수 있다. 세기는 한정된 영역의 공급원으로부터 방출된 고체 각 당 플럭스 (flux)로 기재된다. 또한, 플럭스는 모든 방향에서 공급원으로부터 방출된 광의 총량이다. 본 발명의 목적 상, 플럭스를 사용하여 LED의 휘도를 기술할 것이다.
방사분석 광은 방사선의 가시적 효과와는 관계없이 그의 복사 에너지 및 출 력에 따라 명시된다. 광도측정 광은 CIE 표준 관찰자 반응 곡선에 따라 인간의 가시적 반응에 의하여 명시된다. 또한, 광자 및 고체 상태 물리학 분야에서, 시감 효능은 루멘으로 표시되는 광도측정 플럭스와 와트로 표시되는 방사분석 플럭스 사이의 전환으로 정의된다.
시감 효능은 특정 LED 광원의 우세한 파장의 함수라는 것을 인지한다. 예를 들어, 인듐 갈륨 니트라이드 (InGaN) LED는 470에서 560 nm로의 우세한 파장의 이동에 상응하는 와트 당 85에서 600 루멘으로 시감 효능의 증가를 나타낸다. 반면, 알루미늄 인듐 갈륨 포스파이드 (AlInGaP)는 580에서 640 nm로의 우세한 파장의 이동에 상응하는 와트 당 580에서 800 루멘의 감소하는 시감 효능을 나타낸다. 본 발명의 목적 상, LED의 피크 투과도에서의 시감 효능이 언급된다.
가장 전형적인 선행 기술의 LED는 30 내지 60 밀리와트 이하의 전력에서 작동하도록 설계된다. 보다 최근에, 1 와트의 입력 전력에서 연속 사용가능한 상업용 LED가 도입되었다. 이러한 LED는 종래 LED보다 훨씬 더 큰 반도체 칩을 사용하여 큰 전력을 사용한다. 열을 방산시켜 접합부 온도를 최소화하고 조명 성능을 유지하기 위하여, 이러한 큰 칩이 일반적으로 종래 LED 구조물보다 효과적인 열 전도체 (예컨대 금속 슬러그)에 설치된다.
전형적으로, 5-와트 LED는 와트 당 18 내지 22 루멘의 효능으로 이용가능하며, 10-와트 LED는 와트 당 60 루멘의 효능으로 이용가능하다. 이러한 10-와트 LED 조명 장치는 대략 일반적인 50-와트 백열 전구만큼 많은 광을 생성할 것이고, 일반적인 조명 요구를 위한 LED의 사용을 용이하게 할 것이다.
선행 기술의 LED 장치가 현재 이용가능함에도 불구하고, 개선된 성능 특성, 예컨대 증가된 열 방산성, 개선된 제조 방법 및 낮은 비용 이점을 제공할 수 있는, 개선된 LED 모듈에 대한 요구가 여전히 존재한다. 다른 이점으로는 칩에 대한 밀접한 TCE 매치, 소형 칩, 광 중량, 환경 안정성, 증가된 회로 보전 특성, 증대된 광 반사성, 단순화된 제작 (예컨대, 다층 구조의 동시소성), 높은 수율, 광범위한 공정 내성, 높은 기계적 강도 및 효과적인 열 방산을 들 수 있다. 선행 기술의 LED 중 어느 것도 LTCC 기술의 사용 또는 LTCC 기술의 도입과 관련된 이점 (장치 수명 연장 포함)에 대해서는 제공하고 있지 않다.
HB (고 휘도) LED 칩 캐리어 장치의 다양한 디자인 및 형태는 선행 기술에서 제공되었다. 그러나, 이들 모두는 다양한 기능, 제조가능성 및 비용과 관련된 여러가지 문제를 나타내었다. 열 방산 특성이 개선되어 발광 다이오드 모듈의 전체적인 색 품질을 개선시키고 모듈의 수명을 증가시키는, LCD 장치를 위한 HB LED 모듈을 비롯한 조명 장치를 위한 0.5 와트 이상, 바람직하게는 1 와트 전력률을 갖는 기능성 LED 장치가 여전히 요망되고 있다. 본 발명은 이러한 물질, 방법, 칩 캐리어 및 모듈을 제공하여 조명 기술에서의 이러한 기술 혁신을 제공하였다.
본 발명은 발광 다이오드 칩 캐리어, 및 (a) 2개 이상의 LTCC 테이프 층을 제공하는 단계; (b) 상기 테이프 층에 1개 이상의 공동을 형성하는 단계; 및 (c) 상기 테이프 층에 2개 이상의 전기 바이어 (electrical via) 및 1개 이상의 열 바이어 (thermal via)를 제공하는 단계를 포함하며, 상기 LTCC 테이프 층은 목적하는 회로 패턴을 제공하고, 상기 회로 패턴은 상기 전기 바이어를 통해 전기적으로 연결되어 기능성 칩 캐리어를 형성하는, 발광 다이오드 칩 캐리어의 형성 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 발광 다이오드, 및 2개 이상의 LTCC 테이프 층을 제공하는 단계; 상기 테이프 층에 1개 이상의 공동을 형성하는 단계; 상기 테이프 층에 2개 이상의 전기 바이어 및 1개 이상의 열 바이어를 제공하는 단계; 및 1개 이상의 기능성 발광 다이오드 칩을 제공하는 단계를 포함하며, 상기 LTCC 테이프 층은 목적하는 회로 패턴을 제공하고, 상기 회로 패턴은 상기 전기 바이어를 통해 전기적으로 연결되어 기능성 칩 캐리어를 형성하고, 1개 이상의 기능성 발광 다이오드 칩은 상기 칩 캐리어에 설치되는, 발광 다이오드 모듈의 형성 방법을 제공한다. 또한, 1개 이상의 열 바이어가 열 싱크 (heat sink)에 연결되고, 상기 열 바이어가 상기 기능성 발광 다이오드 칩으로부터 그의 연결부를 통해 상기 열 싱크로 방출되는 열을 방산시키는 발광 다이오드 모듈이 개시되어 있다.
바람직한 일 실시양태에서, LTCC 테이프는 HB LED 백라이트로서 사용하기 위한 LED 모듈의 형성에 사용되는 "화이트 (white)" 테이프이다.
본 발명은 LTCC (저온 동시소성 세라믹) 테이프 조성물을 제공하고, 다양한 조명 장치를 위한 발광 다이오드 (LED) 칩 캐리어 및 모듈의 형성에서 상기 LTCC 테이프(들)의 용도를 설명한다. 또한, 본 발명은 LED 장치, HB LED 백라이트, 디스플레이-관련 광원, 자동차 조명, 장식용 조명, 신호 및 광고 조명, 및 정보 디스 플레이 조명을 비롯한 (그러나, 이에 한정되는 것은 아님) 조명 장치의 형성에서의 LTCC 테이프 및 LED 모듈의 용도를 제공한다.
또한, 본 발명은 공동이 내장된 동시소성가능한 LTCC가 하나 (화이트, 레드, 그린 또는 블루) 또는 다수의 3개 이상 (레드, 그린 및 블루)의 LED 칩 또는 4개 이상 (화이트, 레드, 그린 및 블루 중에서의 조합)의 LED 칩을 설치하기 위한 기재를 제공하는, HB LED 백라이트 장치를 위한 물질 조성물 및 칩 캐리어의 제조 방법에 관한 것이다. 또한, 상기 LTCC 구조는 모든 기능성 칩으로부터 그의 연결부를 통해 열 싱크 (열 싱크는 금속 코어 인쇄 회로 마더보드 (MCPCB)일 수 있음)로 방출되는 열을 효과적으로 방산시키는 열 바이어를 제공한다. 열 싱크로의 결합은 납땜 (braze), 땜납 (solder) 또는 그 밖의 열 전도성 접착제에 의해 제공될 수 있다. 다양한 백색 칼라 세라믹 충전제를 갖는 비착색된 백색 칼라 테이프 조성물은 HB LED 칩 캐리어 패키지 장치에 적합한 기계적 강도 및 광 반사를 제공하는 것이다. 특정 색 강화가 필요한 경우, 다양한 무기 착색된 안료가 테이프 조성물에 첨가되어 LTCC 물질로서 사용된다. 동시소성가능한 은, 구리 금, 은/백금, 은/팔라듐 후막 조성물 군은 HB LED 칩 캐리어 패키지 장치를 위한 회로 연결, 바이어 충전 연결, 열 바이어 및 광 반사를 비롯한 (그러나, 이에 한정되지 않음) 다양한 기능을 제공하는 것이다.
본 발명이 HB LED 장치를 언급하여 기술되지만, 다양한 실시 양태가 다수의 조명 장치에 사용될 수 있다는 것을 이해한다. 또한, 본 발명은 (1) 얇고 경량의 메시지 디스플레이, 예컨대 공항, 기차역 및 그 밖의 장소에서의 공적 정보 표지; (2) 상태 지시기, 예컨대 전문적인 기기 및 소비자 오디오/비디오 기기 상의 온/오프 조명; (3) TV, DVD 및 VCR을 위한 리모트 컨트롤에서 적외선 LED; (4) 착색된 유리 이면의 일반적인 조명 전구를 교체하기 위한 교통 신호에서 클러스터; (5) 자동차 지시 조명; (6) 자전거 조명; (7) 계산기 및 측정 기기 디스플레이; (8) 야간 시력이 유지되어야 하는 환경, 예컨대 항공기 조종석, 잠수함, 및 배 교량, 천문학 관찰, 및 야간 시간 동물 관찰 및 군 야전 용도와 같은 분야에서 지시기 및 문자 숫자식 디스플레이를 위한 레드 또는 옐로우 LED; (9) 원치않는 필름의 노출을 야기시키지 않는 조명을 제공하기 위한 사진 암실에서의 레드 또는 옐로우 LED; (10) 손전등 또는 회중 전등과 같은 조명; (11) 비상사태 또는 신호용 표지 및 전구; (12) 기계적 및 광학 컴퓨터 마우스 및 트랙볼을 위한 운동 센서; (13) 고-말단 LED 프린터; 및 (14) 일반적인 가정용 조명을 비롯한 신규 조명 장치를 제공한다.
상기 장치 중 일부는 적은 와트량 및 낮은 휘도의 LED에 의해 유도될 수 있지만, 본 발명은 제작 공정을 단순화시키고 비용을 감소시키면서, 적은 LED 조명 모듈을 사용하여 동등한 또는 우수한 조명 성능을 제공하는 장치를 제공한다.
본 발명의 목적 상, HB LED 패키지는 와트 당 15 루멘 이상의 시감 효능을 갖는 것을 의미하며, 이러한 LED는 일반적으로 0.5 와트 이상의 전력률과 관련이 있으며, 바람직하게는 1 와트 이상의 전력률과 관련이 있다.
본 발명은 열 방산을 위한 통과 방식을 제공하는 내장 회로 구동기 또는 외부 회로 구동기로의 연결을 갖는, 하나 (화이트, 레드, 그린 또는 블루) 또는 다수의 3개 이상 (화이트, 레드, 그린 및 블루)의 LED 칩을 위한 모놀리식 유리-세라믹 칩 캐리어를 제공하기 위한 비용-효율성 및 단순화된 제작 방법을 개시한다.
단일 칩 세트 또는 모듈로부터 백색 광을 제공하기 위해 LED 칩 및 임의의 관련된 광학 물질의 일부 특정 조합이 필요하다는 것을 인지한다. 본원 및 청구항에 걸쳐 본 발명의 목적 상, "화이트 LED 칩"은 이러한 유형의 특정 LED 칩 및 광학 물질 조합이 백색 광을 생성하는 한, 이들을 표현하기 위해 사용된다. 예를 들어, 오늘날 대부분의 화이트 LED는 제조시 일반적으로 세륨-도핑된 이트륨 알루미늄 가닛 (YAG:Ce) 결정으로 제조된 황색 인광체 코팅에 의해 피복된 450 내지 470 nm 블루 갈륨 니트라이드 (GaN) LED를 사용한다. YAG:Ce의 단일 결정 형태는 인광체이기 보다는 신틸레이터로서 생각된다. 황색 광은 인간 눈의 적색 및 녹색 수용체를 자극하기 때문에, 청색과 황색 광의 믹스 결과 백색으로 보인다. 또한, 화이트 LED는 근 UV 방출 LED를 고 효율 유로퓸-기재 적색 및 청색 방출 인광체와 녹색 방출 구리 및 알루미늄 도핑된 황화아연 (ZnS:Cu,Al)의 혼합물로 코팅함으로써 제조될 수 있다. 백색 광 LED를 제조하기 위한 또다른 방법은 인광체를 사용하지 않고, 그의 활성 영역으로부터 청색 광 및 기판으로부터 황색을 동시에 방출하는 ZnSe 기판 상에 호모에피택시적으로 성장한 아연 셀레나이드 (ZnSe)를 기재로 한다. 백색 광은 광이 상기한 단일 칩 세트, 또는 레드, 그린 및 블루 LED의 조합으로부터 나오는지 여부와 관련없이 일반적으로 LCD (액정 디스플레이) 백라이트로서 적용되지만, 본 발명의 LTCC 칩 캐리어 패키지는 또한 다양한 유형의 무기 안료를 사용하여 (그러나, 이에 제한되지 않음) 얻어진 그의 색 강화 및 내구성을 갖는 다양한 칼라의 광 및 본원에서 추가로 논의된 효과적인 열 방산을 제공할 수 있다.
본 발명에 있어서, 열 방산과 관련된 열 바이어는 1개 이상의 열 싱크로 납땜되어 HB LED 패키지 장치로서 필요한 기능을 제공할 수 있는 구조의 단일 부품으로 조립체를 제조할 수 있다. 또한, 본 발명은 HB LED 패키지 장치를 위한 회로 연결, 바이어 충전 연결, 열 바이어 및 광 반사를 비롯한 (그러나, 이에 한정되지 않음) 다양한 기능을 제공하는 동시소성가능한 은 및 구리 후막 조성물 군을 제공한다.
도 1A 내지 1F는 하기 세부 사항을 갖는 와이어 본딩을 갖는 칩 캐리어 디자인의 개략도이다. 도 1A는 와이어 본딩을 갖는 칩 캐리어의 횡단면도이다. LTCC 칩 캐리어는 상부 타이어 LTCC 유전체 (111)에 의한 4개의 측면 상의 공동 주변부를 갖는 것으로 나타내었다. 1개의 LED 칩은 제2 타이어 LTCC 유전체 (108) 내에 위치하는 열 바이어 (106)을 갖는 공동의 중심부에 장착된다. 동시소성가능한 전도체는 말단부 (103) (상부 타이어), (110) (제2 타이어), 마더보드 (109) 상의 외부 말단부 (105), 및 열 분배기 (114)를 제공한다. 칩은 와이어 본딩 (113)에 의해 제2 타이어 말단부에 연결되고, 추가로 와이어 본딩 (104)에 의해 외부 말단부에 연결된다. 말단부 (110)은 바이어 (112)에 의해 말단부 (103)에 연결된다. 칩은 에폭시 또는 다른 유기 물질 (102) 중에 캡슐화된다. 추가의 열 방산을 위해, 열 싱크 (107)이 제공되고, 각종 방법을 이용하여 열 싱크를 회로판의 반대측에 부착시킬 수 있다. 도 1B는 와이어 본딩을 위한 패드로서 사용되는 말단부 (103)을 나타낸다. 도 1C는 다층 LTCC 유전체 (111)의 상부 타이어 중의 공동 (115)를 나타내며, 전도성 바이어는 (112)로 나타내었다. 도 1D는 공동 저부의 전도체 배치 를 나타내며; 좌측 및 우측의 전도체 패턴 (110)은 칩 연결부에 대한 캐쏘드 또는 애노드 중 하나로서 제공되고, 전도체 패턴 (116)은 칩에 대한 본딩 패드 및 열 바이어에 대한 그의 연결부를 제공한다. 도 1E는 열 바이어 (106)의 전형적인 배열을 갖는 다층 LTCC 유전체의 제2 타이어 (108)을 나타낸다. 도 1F는 열 바이어 저부의 열 분배기 (117)을 나타낸다.
도 2A 내지 2E는 하기 세부 사항을 갖는 와이어 본딩 및 땜납 부착을 갖는 칩 캐리어 디자인의 개략도이다. 도 2A는 와이어 본딩 및 땜납을 갖는 칩 캐리어의 횡단면도이다. 칩은 다층 LTCC 유전체의 제2 타이어 (213) 상에 장착되고, 여기서 와이어 본딩 (203)은 칩을 전극 (205) (캐쏘드 및 애노드 양쪽 모두 포함)에 연결하는 데 사용되고, 이것은 또한 전도성 바이어 (206) 및 땜납 (207)을 통해 마더보드 (209) 상에 배치된 외부 회로 (208)에 연결된다. 또한, 칩 하부의 열 바이어 (212)는 마더보드 (209)에 납땜된 열 분배기 (211)에 연결된다. 납땜 이음부 (210)은 전도성 접착제로 제조된 땜납 이음부 또는 연결부로 대체될 수 있음을 주목한다. 도 2B는 공동 (214)를 갖는 다층 LTCC 유전체 (204)의 상부 타이어를 나타낸다. 도 2C는 좌측 및 우측의 캐쏘드 (205A) 및 애노드 (205B)를 나타내며, 전도체 패턴 (215)는 칩에 대한 본딩 패드 및 열 바이어에 대한 그의 연결부를 제공한다. 도 2D는 열 바이어 (212)의 전형적인 배열을 갖는 다층 LTCC 유전체의 제2 타이어 (213)을 나타낸다. 2개의 전도성 바이어 (206)은 전기적 연결 경로를 표시하도록 나타내었다. 도 2E는 마더보드 상의 외부 회로 (208)에 납땜된 바이어 캡쳐 패드 (216)을 갖는 열 바이어 (212) 저부의 열 분배기 (211)을 나타낸다.
도 3A 내지 3D는 하기 세부 사항을 갖는 LED 플립 칩 부착을 갖는 칩 캐리어 디자인의 개략도이다. 도 3A는 LED 플립 칩 (301) 본딩이 적용된 칩 캐리어의 횡단면도이다. 다층 LTCC 유전체 (307)의 상부 타이어에 공동이 형성되고, 전극 패턴이 공동의 표면 상에 또는 다층 LTCC 유전체의 상부 타이어 (307)과 제2 타이어 (304) 사이에 위치한다. 추가의 전극 패턴은 전극 (305)가 성모양 (castellation) 바이어 (309)를 통해 전극 (303)에 연결되어 있는 제2 타이어의 저부 표면 상에 위치한다. 도 3B는 스퀘어 공동 (308)을 갖는 다층 LTCC 유전체의 상부 타이어 (307)을 나타낸다. 도 3C는 애노드와 캐쏘드 또는 캐쏘드와 애노드를 나타내는 전극 패턴 (310) 및 (311)을 나타낸다. 연결부는 전도성 경로 (303) 및 성모양 바이어 (309)에 의해 형성된다. 칩 마운트의 위치는 파선 경계로 표시하였다. 도 3D는 4개의 전도성 패턴 (305)가 성모양 바이어 (309)와 연결되어 있는 도 3C의 후면부를 나타낸다. 또한, 열 분배기 (306)은 중심부에서 패턴화된다.
도 4는 레드 (R) (109), 그린 (G) (106) 및 블루 (B) (104)의 3개의 LED 칩이 열 분배기 패드 (107) 상에 배치되어 통상의 캐쏘드 (105)에 연결되어 있는 칩 캐리어 공동의 LED 배치를 나타낸다. R, G 및 B 칩은 추가로 각각 애노드 (111), (112) 및 (114)에 연결된다. 상기 표면 상의 각각의 연결 전도체 패턴 (110), (113) 및 (102)는 성모양 바이어 (101)에 의해 상이한 LTCC 테이프 층을 포함하는 다른 위치에서 회로에 연결된다.
도 5A 내지 5D는 하기 세부 사항을 갖는 플립 칩 부착 및 열 바이어를 갖는 칩 캐리어의 개략도이다. 도 5A는 플립 칩 (501)이 도 5B에 나타낸 바와 같은 캐 쏘드 (503) 및 애노드 (511) 전극에 접합되어 있는 칩 캐리어의 횡단면도이다. 공동은 다층 LTCC 유전체 (502)의 상부 타이어내에 형성된다. 열 방산은, (1) 다층 LTCC 유전체 (509)의 제2 타이어 중의 열 바이어 (504), (2) 열 분배기 (505), (3) 다층 LTCC 유전체의 제3 타이어 (508) 중의 열 바이어 (506) 및 (4) 열 분배기 (507)에 의해 제공된다. 도 5B는 넓은 면적의 전도성 패턴이 열 바이어 (504)의 어레이를 갖는 캐쏘드 (503)을 제공하는 다층 LTCC 유전체의 제2 타이어 (509)를 나타낸다. 애노드 (511)은 성모양 바이어 (510)을 통해 외부 회로에 연결된다. 칩 마운트의 위치는 (509)의 중심단에 파선 경계로 표시하였다. 도 5C는 열 분배기 (505)를 갖는 다층 LTCC 유전체의 제3 타이어 (508)을 나타낸다. 또한, 열 방산을 위해 열 바이어 (506)의 어레이를 형성한다. 또한, 성모양 바이어 (512)를 사용하여 애노드를 외부 회로에 연결한다. 도 5D는 중심 열 분배기 (507)을 사용하여 납땜에 의해 열 바이어를 열 싱크에 연결하고 전도성 패드 (513)을 사용하여 마더보드에 연결한 구조체 (508)의 저부를 나타낸다.
도 6은 칩 캐리어 공동 표면 (606)의 4개의 LED 칩의 배치를 나타낸다. 보다 구체적으로, 2개의 그린 (G) (603) 및 (609), 1개의 레드 (R) (610) 및 1개의 블루 (B) (604) LED 칩이 육방형 전도체 배치 내부에 배치된다. 2개의 G 칩 모두 통상의 애노드 (602) 및 캐쏘드 (608)에 연결된다. R 칩은 애노드 (601) 및 캐쏘드 (611)에 연결된다. B 칩은 애노드 (605) 및 캐쏘드 (607)에 연결된다. 파선 (612)로 표시된 원형 영역은 LED 칩 마운트의 공동의 위치를 나타낸다.
LDC 상의 개선된 백라이트 장치로서의 본 발명의 장치를 예시하기 위해, LCD 구조에 대한 설명을 본원에 제공한다. 6개의 주요 구성부를 포함하는 전형적인 LCD 적층물의 도면을 도 7A에 나타내었다. 각각의 부재와 함께 LCD 표시측으로부터 하기와 같이 차례로 위치하는 이들 주요 구성부는: (1) 반사방지 또는 방현 필름, 시야각 필름 및 전면 편광기를 포함하는 전면 편광기 적층부 (701); (2) 전면 유리, 흑색 매트릭스/칼라 필터, 통상의 전극 및 정렬층을 포함하는 칼라 필터 (702); (3) 액정층 (703); (4) 정렬층, 디스플레이 전극 및 후면 유리를 포함하는 TFT (박막 트랜지스터) 어레이 (704); (5) 후면 편광기 및 DBEF (이중 휘도 강화 필름)의 재순환 편광기를 포함하는 후면 편광기 적층부 (705); 및 (6) 백라이트 장치 (706)이다. 도 7B에 나타낸 백라이트 장치 (706)는 추가로 전면 확산기 (707), BEF (휘도 강화 필름)의 프리즘 시트의 하나 이상의 층 (708), 후면 확산기 (709), 및 램프 및 도광부 (710)을 포함한다. 램프의 휘도 강화를 위해 (710)에는 흑색 반사기가 통상적으로 제공된다.
본 발명은, 1개 이상의 HB LED 칩이 장착되고, 그의 회로 집적화 및 열 방산이 각각 후막 전도체, 전기 바이어 및 열 바이어 물질에 의해 제공되는 LTCC 칩 캐리어로 제조된 LED 조명 모듈을 사용함으로써 램프에 대한 우수한 대안을 제공한다. 이것은 안정하고 개선된 조명 성능, 백라이트 장치 제작의 간소화, LCD 수명 동안 조명 성능의 신뢰성 및 전체적 비용에 있어서 이점을 제공한다.
상기 설명이 LCD 백라이트 장치에 대한 LED 조명 모듈의 일 실시양태를 구성하지만, 상기 장치는 LCD로 제한되지 않음을 주목한다. 백색 또는 칼라 LED 광 장치는 본 발명을 이용하여 당업자에 의해 용이하게 수행될 수 있다. 본 발명의 LED 모듈은 기대되는 용도에 따라 적색, 녹색, 청색, 백색, 황색 또는 다른 안료 칼라를 포함할 수 있음을 이해한다. 일부 예를 하기에 제공한다.
본 발명을 실현하기 위해서는 2종의 물질 및 기술군인 LTCC 유리-세라믹 유전체 테이프 조성물 및 후막 전도체 조성물이 필수적이다. 따라서, 본 발명의 LTCC 유전체 테이프 조성물 및 후막 전도체 조성물을 상세히 설명하기 위해 하기 두 섹션이 제공된다.
LTCC 유리-세라믹 유전체 테이프 조성물(들)
본 발명의 테이프 조성물(들)은 유리, 세라믹 충전제, 및 바람직한 실시양태에서는 무기 안료를 포함한다. 일 실시양태에서, 테이프 조성물은 하나 이상의 유리 프릿, 하나 이상의 백색 칼라 내화성 무기 산화물 및(또는) 백색 칼라 강화 및(또는) 반사를 제공하는 다른 무기 안료를 한다. 유리한 경우, LED 칩 캐리어에 의한 디스플레이 칼라 강화를 위해 각종 무기 착색 안료를 총 무기 물질 중 0 내지 10 중량％로 사용하여 적색, 녹색 또는 청색 등의 특정 칼라를 제공할 수 있음을 주목한다.
바람직한 칼라에 따라, 무기 안료의 중량％ 함량은 달라질 수 있다. 예를 들어, 0.5％ (총 무기 물질을 기준으로 한 중량％)의 알루민산코발트를 산화알루미늄 내화성 충전제와 함께 유리-세라믹 중에 첨가하여 청색 칼라의 소결 세라믹체를 제공할 수 있다. 그러나, 1.5 내지 2.5％의 흑색 안료, 아크롬산구리 스피넬, 셰퍼드칼라 (ShepherdColor)의 20C980을 사용하여 충분히 흑색 칼라를 나타내는 것이 필수적이다. 본 발명의 목적상, 흑색을 제외한 거의 모든 칼라를 위해 소정 칼라 의 LTCC 칩 캐리어에는 통상 프릿 및 내화성 충전제, 예컨대 산화알루미늄을 포함하는 세라믹 슬러리 조성물 중 0.1 내지 10.0 중량％의 상응하는 안료, 바람직하게는 0.5 내지 1.0％의 제1 실시양태에서의 소정의 무기 안료가 제공된다. 보다 높은 중량％ 함량의 안료는 보다 강한 칼라를 제공하나, 안료 함량의 최적 중량％는 선택된 프릿의 고유의 특성에 따라 달라지는데, 이는 치밀화 또는 소결 공정 동안 적정한 연화 및 적절한 유동을 제공해야 하기 때문이다. 또한, 소정의 무기 안료의 중량％ 함량을 포함한 최적의 조성은, 다른 요인들 중에서도, 소정의 무기 안료의 표면 상의 소정의 용융 프릿의 습윤화력, 무기 성분의 결정상을 형성하는 능력, 입도 및 표면 반응성에 따라 달라진다. 보다 어두운 칼라를 달성하기 위해, 슬러리 조성물의 제2 실시양태는 보다 높은 중량％ 함량, 예컨대 1 내지 10 중량％, 바람직하게는 1 내지 4 중량％ 범위의 소정의 무기 안료를 필요로 한다. 세라믹 슬러리 조성물을 최적화할 때 고려할 다른 하나의 중요한 특성은, 핵심 강도 파라미터인 굴곡 강도를 갖는, 소성 또는 소결된 LTCC 구조체의 최종 기계적 강도이다. 강도의 요건으로 인해, 소정의 LTCC 슬러리 조성물 중에 1종 이상의 무기 안료를 사용하여 광학적 (광 반사성, 소정의 칼라), 기계적 (굴곡 강도), 화학적 (환경적 부식에 대한 내성) 및 열적 (열을 전도하는 능력) 측면 (이들에 제한되지는 않음)의 균형잡힌 특성의 군을 제공할 수 있다. 예를 들어, LED 조명 모듈을 제공하기 위한 백색 칼라 LTCC 칩 캐리어는 적절한 강도 및 백색광 반사성을 필요로 한다. 이산화티타늄, 특히 정방형 결정 형태의 금홍석 중의 이산화티타늄은 2.9의 굴절률을 갖고, 요구되는 광학 성능을 제공하는 주요 후보물질 중 하나이다. 그러나, 이 산화티타늄의 굴곡 강도는 약 140 Mpa이고, 따라서 약 50％의 산화알루미늄 (산화알루미늄의 이산화티타늄으로의 부피％ 치환)을 수행하여 소결체의 적절한 강도를 유지해야 한다. 150 Mpa 이상의 굴곡 강도가 바람직하다. 결정상, 크기 및 입자 경계에 대한 잔여 유리상 및 미세구조는 모두 소결체의 최종 강도에 영향을 주는 변수이기 때문에, LTCC 슬러리 조성물은 소정의 목적을 달성하기 위해 주의깊게 조정되어야 한다. 또한, 제2 무기 백색 안료, 예컨대 이산화지르코늄을 슬러리 조성물에 첨가할 수도 있다. 이산화지르코늄의 굴절률 (2.16)이 이산화티타늄 (금홍석 형태의 경우 2.9 또는 예추석 형태의 경우 2.49)에 비해 낮지만, 기계적 강도를 향상시키는 그의 능력은 중요한 장점을 제공한다. 예를 들어, 각종 유형의 개질된 이산화지르코늄 또는 이산화지르코늄 첨가된 산화알루미늄은 통상의 산화알루미늄의 굴곡 강도 (280 Mpa)에 비해 우수한 굴곡 강도 (하기 괄호안에 기재함)를 나타낸다. 이들은 이트리아 (Y2O3) 도핑된 정방형 지르코니아 다결정 (y-TZP, 1,000 MPa), 세리아 (CeO2) 도핑된 정방형 지르코니아 다결정 (c-TZP, 350 Mpa), 지르코니아 인성강화 알루미나 (ZTA, 500 Mpa), 마그네시아-부분 안정화 지르코니아 (Mg-PSZ, 800 Mpa) 등을 포함하나, 이에 제한되지는 않는다.
통상적으로 입수가능한 고온 안정성 무기 안료로는, 아이런 옥시드 (적색), 예컨대 크로마 (Kroma Reds, 등록상표, 엘레멘티스 피그먼츠 (Elementis Pigments)), 코발트 크로마이트 그린 스피넬 (녹색), 예컨대 셰퍼드칼라의 그린 410, 코발트 크로마이트 블루 그린 스피넬 (녹색), 예컨대 셰퍼드칼라의 그린 201, 코발트 티타네이트 그린 스피넬 (녹색), 예컨대 셰퍼드칼라의 그린 10G663, 크로뮴 알루미네이트 (녹색), 예컨대 페로 (Ferro)의 CK14002, 크로뮴 코발트 아연 (녹색), 예컨대 페로의 CK14028, 코발트 알루미네이트 블루 스피넬 (청색), 예컨대 셰퍼드칼라의 블루 10K525, 코발트 크로마이트 블루 그린 스피넬 (청색), 예컨대 셰퍼드칼라의 블루 10K579, 코발트 알루미늄 크로마이트 (청색), 예컨대 페로의 CK15069, 코발트 알루미늄 아연 (청색), 예컨대 페로의 CK15063, 코발트 실리콘 (청색), 예컨대 페로의 CK220946, 크롬 안티모니 티타니아 버프 루타일 (황색), 예컨대 셰퍼드칼라의 옐로우 196, 니켈 안티모니 티타늄 옐로우 루타일 (황색), 예컨대 셰퍼드칼라의 옐로우 10P110 등이 포함되나, 이에 제한되지는 않는다. 안료의 다른 선택사항에는, 매이슨 칼라 (Mason Color)의 6410 카나리아 (황색), 6450 프라세오디뮴 (황색), 6204 빅토리아 그린 (녹색), 6224 다크 그린 (녹색), 6263 빅토리아 (녹색), 6264 빅토리아 (녹색), 6306 비비드 블루 (청색), 6350 브라이트 블루 (청색), 6360 윌로우 (청색), 6389 사파이어 블루 (청색), 6003 크림슨 (적색), 6004 크림슨 (적색), 6090 코랄 (적색) 및 6069 다크 코랄 (적색) 등이 포함되나, 이에 제한되지는 않는다.
LTCC 조성물을 사용하는 것의 이점은, (1) 고전도성 물질, 예컨대 은, 금 및 다른 합금, 예컨대 은/백금 또는 은/팔라듐과의 예컨대 850 내지 900℃ 이하의 온도에서의 동시소성가능함; (2) 발광된 빛의 집광 및 LED 칩 마운팅을 위한 플랫폼을 제공하는 공동 구조의 형성 (이는 다양한 디스플레이 칼라의 다중칩 또는 단일칩을 포함함); (3) LED 칩에 대한 LTCC 물질의 보다 긴밀한 TCE 매치, (4) 칩 캐리 어 장치 및 후속 레벨 모듈, 및 납땜, 와이어 본딩 및 다른 전기적 및 기계적 부착 방법에 의한 패키지 집적화에 적합한 기계적 강도를 제공하는 내화성 무기 산화물 및 유리의 선택; (5) 하나 이상의 LED 드라이버 (이에 제한되지는 않음)와의 집적화를 위한 다층 회로 배치에 적합함; (6) 다른 절연 유전체 물질에서의 회로 연결을 위한 전기 바이어를 제공하기에 적합함; (7) 통상의 유기 인쇄 회로판 기판에 비해 우수한 열 전도성을 갖는 유전체 물질과 동시소성가능한 열 전도 바이어를 제공하기에 적합함; 및 (8) 납땜에 의해 하나 이상의 열 싱크와 연결되기에 적합함이 포함되나, 이에 제한되지는 않는다.
본원에 기재된 유리는 통상의 유리 제조 기술에 의해 제조된다. 유리는 500 내지 1000 g의 양으로 제조하였다. 통상적으로, 성분들을 칭량한 후, 원하는 비율로 혼합하고, 하부-적하로 (bottom-loading furnace)에서 가열하여 백금 합금 도가니 중에서 용융물을 형성한다. 가열은 유리 조성물에 따라, 용융물이 완전히 균질한 액체가 되는 시간 동안 피크 온도 (1300 내지 1600℃)까지 수행한다. 카운터 회전 스테인레스강 롤러를 이용하여 유리 용융물을 켄칭하여 10 내지 20 mil 두께의 판형 유리를 형성하였다. 별법으로, 유리 용융물을 수조 중으로 직접 유출시킴으로써 캔칭할 수 있다. 결정성 유리의 경우, 균질한 용융물 및 충분한 냉각을 얻어 전결정 (pre-crystal)의 형성을 막기 위해 충분히 높은 용융 온도를 보장하는 것이 중요하다. 물 세척 (water lancing)을 적용하여 유리 용융물을 보다 효과적으로 켄칭하는 것이 필수적일 수 있다. 이어서, 생성된 판형 유리를 밀링하여 1 내지 5 마이크론의 50％ 부피 분포를 갖는 분말을 형성하였다. 이어서, 유리 분말 을 충전제 및 유기 매질과 배합하여 실시예 섹션에 상술한 바와 같이 테이프를 캐스팅한다. 표 1에 나타낸 유리 조성물은 광범위하게 다양한 유리 화학물질 (다량의 유리 형성제로부터 소량의 유리 형성제)을 나타낸다. 유리 형성 산화물은 통상적으로 높은 화학 배위수를 갖는 작은 크기의 이온, 예컨대 SiO2, B2O3 및 P2O5이다. 표에 나타낸 나머지 산화물은 고려된 유리 개질제 및 중간체이다.
적합한 후보물질 산화물(들)을 판별하는 데 사용되는 2가지 기준은 높은 굴절률과 기계적 강도이다. 1.5 내지 3.5 범위의 굴절률이 바람직하다. 이들에는 하기 괄호안에 기재된 상응하는 반사율을 갖는 (내림차순) 물질의 군이 포함되나, 이에 제한되지는 않는다: 산화티타늄 (2.64), 아황산아연 (2.37), 칼슘 플루오안티모네이트 (2.20), 산화지르코늄 (2.16), 비산납 (2.14), 삼산화안티몬 (2.09), 산화주석 (2.04), 규산지르코늄 (2.00), 아연 스피넬 (1.90) 및 산화알루미늄 (1.62). 상기한 것들 중, Al2O3가 Al 함유 결정상을 형성하는 유리와 반응하기 때문에 바람직하다. Al2O3는 높은 기계적 강도 및 불리한 화학 반응에 대한 불활성을 제공하는 데 매우 효과적이다. 예를 들어, Al2O3 또는 TiO2의 굴곡 강도는 각각 345 또는 140 MPa이다. 따라서, 알루미나가 단독 내화성 세라믹 산화물로 또는 상기한 산화물 중 1종 이상과 함께 사용되어 칩 캐리어 패키지의 적합한 기계적 강도를 유지하면서 칼라 및(또는) 광 반사성을 제공할 수 있는 바람직한 충전제로서 선택된다.
상기 충전제 또는 그의 혼합물을 테이프 형성에 사용되는 캐스팅가능한 조성 물에 고체 중량을 기준으로 하여 0.50 중량％의 양으로 첨가할 수 있다. 다른 재료, 예컨대 규산지르코늄 및 티탄산바륨 또한 적합한 세라믹 충전제 후보물질이다. 충전제의 유형에 따라, 소성 후에 상이한 결정상이 형성될 것으로 예상된다. 충전제는 유전 상수 및 주파수 범위에 따른 손실을 조절할 수 있다. 예를 들어, BaTiO3을 첨가하여 유전 상수를 상당히 증가시킬 수 있다. 광범위한 LTCC 조성물이 적용가능하다.
세라믹 충전제의 또다른 기능은 소성 동안 전체 시스템의 레올로지 조절이다. 세라믹 입자는 물리적 장벽으로서 작용하여 유리의 유동을 제한한다. 이들은 또한 유리의 소결을 억제하고, 따라서 보다 양호한 유기물의 완전연소를 용이하게 한다. 다른 충전제, α-석영, CaZrO3, 멀라이트, 근청석, 감람석, 지르콘, 지르코니아, BaTiO3, CaTiO3, MgTiO3, SiO2, 무정형 실리카 또는 이들의 혼합물을 사용하여 테이프 성능 및 특성을 개질할 수 있다. 충전제는 큰 크기의 충전제의 D50이 1.5 내지 3 마이크론의 범위이고, 작은 크기의 충전제의 D50이 0.3 내지 0.8 마이크론의 범위인, 적어도 바이모달 (bimodal) 입도 분포를 갖는 것이 바람직하다.
테이프 조성물 제조에서는, 세라믹 물질의 양에 대한 유리의 양이 중요하다. 30 중량％ 내지 60 중량％ 범위의 충전제가 충분한 치밀화를 달성한다는 점에서 바람직한 것으로 고려된다. 충전제 농도는 50 중량％ 초과이면, 소성 구조가 충분히 치밀화되지 않을 수 있고, 지나치게 다공성이어서 기계적으로 약할 수 있다. 바람직한 유리/충전제 비율내에서, 소성 동안 액체 유리상이 충전제 물질로 포화될 것 임이 명백할 것이다.
소성시 조성물의 보다 높은 치밀화를 얻기 위해, 무기 고체가 작은 입도를 갖는 것이 중요하다. 특히, 실질적으로 모든 입자가 15 ㎛, 바람직하게는 10 ㎛를 초과하지 않아야 한다. 이들 최대 입도 한계의 면에서, 유리 및 세라믹 충전제 모두 50％ 이상의 입자가 1 ㎛ 초과 6 ㎛ 미만인 것이 바람직하다.
유리 및 세라믹 무기 고체가 분산되어 있는 유기 매질은, 휘발성 유기 용매 중에 용해된 중합체 결합제, 및 임의로는 다른 용해된 물질, 예컨대 가소제, 이형제, 분산제, 박리제, 소포제, 안정화제 및 습윤제를 포함한다.
보다 양호한 결합 효율을 얻기 위해, 총 조성물을 기준으로 하여, 유리 및 세라믹 충전제를 포함하는 고체 90 중량％에 대해 중합체 결합제 5 중량％ 이상을 사용하는 것이 바람직하다. 그러나, 30 중량％ 이하의 중합체 결합제 및 다른 저휘발도 개질제, 예컨대 가소제 및 최소 70％의 무기 고체를 사용하는 것이 보다 바람직하다. 이들 한계내에서, 열분해에 의해 제거되어야 하는 유기물의 양을 감소시키고, 보다 양호한 입자 충전을 얻어 소성시 완전한 치밀화를 용이하게 하기 위해, 가능한 최소량의 중합체 결합제 및 다른 저휘발도 유기 개질제를 사용하는 것이 바람직하다.
각종 중합체 물질이 그린 테이프용 결합제로서 사용되며, 예를 들어 폴리(비닐 부티랄), 폴리(비닐 아세테이트), 폴리(비닐 알콜), 셀룰로스 중합체, 예컨대 메틸 셀룰로스, 에틸 셀룰로스, 히드록시에틸 셀룰로스, 메틸히드록시에틸 셀룰로스, 아택틱 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 실리콘 중합체, 예컨대 폴리(메틸 실록산), 폴리(메틸페닐 실록산), 폴리스티렌, 부타디엔/스티렌 공중합체, 폴리스티렌, 폴리(비닐 피롤리돈), 폴리아미드, 고분자량 폴리에테르, 에틸렌 옥시드와 프로필렌 옥시드의 공중합체, 폴리아크릴아미드, 및 각종 아크릴 중합체, 예컨대 소듐 폴리아크릴레이트, 폴리(저급 알킬 아크릴레이트), 폴리(저급 알킬 메타크릴레이트), 및 저급 아크릴레이트 및 메타크릴레이트의 각종 공중합체 및 다중공중합체 (multipolymer)가 있다. 슬립 캐스팅 재료용 결합제로서 이전에는 에틸 메타크릴레이트와 메틸 아크릴레이트의 공중합체 및 에틸 아크릴레이트, 메틸 메타크릴레이트 및 메타크릴산의 삼원공중합체가 사용되었다.
본원에 참고로서 인용된 미국 특허 제4,536,535호 (Usala, 1985년 8월 20일 허여됨)는, 0 내지 100 중량％의 C1-8 알킬 메타크릴레이트, 100 내지 0 중량％의 C1-8 알킬 아크릴레이트 및 0 내지 5 중량％의 아민의 에틸렌계 불포화 카르복실산의 상용성 다중공중합체의 혼합물인 유기 결합제를 개시한다. 상기 중합체는 최대량의 유전체 고체와 함께 최소량으로 사용될 수 있기 때문에, 본 발명의 유전체 조성물을 제조하기 위해 바람직하게 선택된다.
빈번하게는, 중합체 결합제는 결합제 중합체의 유리 전이 온도 (Tg)를 감소시키기 위해 제공되는 가소제를 결합제 중합체에 비해 소량으로 함유한다. 가소제의 선택은 개질될 필요가 있는 중합체에 의해 결정된다. 각종 결합제 시스템에 사용되는 가소제로는, 디에틸 프탈레이트, 디부틸 프탈레이트, 디옥틸 프탈레이트, 부틸 벤질 프탈레이트, 알킬 포스페이트, 폴리알킬렌 글리콜, 글리세롤, 폴리(에틸 렌 옥시드), 히드록시에틸화 알킬 페놀, 디알킬디티오포스포네이트, 폴리프로필렌 글리콜 디벤조에이트 및 폴리(이소부틸렌)이 포함된다. 물론, 부틸 벤질 프탈레이트가 비교적 낮은 농도로 효과적으로 사용될 수 있기 때문에 아크릴 중합체 시스템에 가장 빈번히 사용된다. 가소제는 테이프 균열을 막고, 보다 넓은 범위의 코팅된 상태의 테이프 취급능, 예컨대 블랭킹, 인쇄 및 적층을 제공하기 위해 사용된다. 바람직한 가소제는 폴리프로필렌 글리콜 디벤조에이트인 롬 앤 하스사 (Rohm and Haas Co.)에서 제조된 벤조플렉스 (BENZOFLEX, 등록상표) 400이다.
캐스팅 용액의 용매 성분은 중합체의 완전한 용해 및 충분히 높은 휘발도가 얻어짐으로써 용매가 대기압에서 비교적 낮은 수준의 열 적용에 의해 분산액으로부터 증발될 수 있도록 선택된다. 또한, 용매는 유기 매질 중에 함유된 임의의 다른 첨가제들의 분해 온도 또는 비점 훨씬 미만에서 비등하여야 한다. 따라서, 150℃ 미만의 대기압 비점을 갖는 용매가 가장 빈번하게 사용된다. 이러한 용매로는, 아세톤, 크실렌, 메탄올, 에탄올, 이소프로판올, 메틸 에틸 케톤, 에틸 아세테이트, 1,1,1-트리클로로에탄, 테트라클로로에틸렌, 아밀 아세테이트, 2,2,4-트리에틸 펜탄디올-1,3-모노이소부티레이트, 톨루엔, 메틸렌 클로라이드 및 플루오로카본이 포함된다. 상기한 개별 용매가 결합제 중합체를 완전히 용해시키지 않을 수 있다. 그러나, 이들은 다른 용매(들)과 배합될 때 만족스럽게 기능한다. 특히 바람직한 용매는 에틸 아세테이트이며, 이는 환경적으로 유해한 클로로카본의 사용을 막기 때문이다.
적용법
본 발명의 그린 테이프 (green tape)는 상기 기재한 유리, 세라믹 충전제, 중합체 결합제 및 용매(들)의 슬러리 분산액의 박막을 가요성 기판 상에 캐스팅하고, 캐스팅된 층을 가열하여 휘발성 용매를 제거함으로써 형성된다. 테이프 코팅 과정 동안에 휘발성 유기 용매(들) 또는 물 (유기 결합제계를 기재로 하는 물의 경우)의 적절한 건조가 달성될 수 있는 한 그린 테이프의 두께에는 제한이 없다. 바람직한 두께 범위는 5 내지 30 mil이며, 여기서 하한치는 취급 용이성에 대한 충분한 그린 강도를 제공하기 위한 값이고, 상한치는 테이프 캐스팅 동안에 용매의 적절한 건조를 제공하기 위한 값이다. 또한, 보다 얇은 테이프를 사용하면 칩 캐리어의 치수 요구 범위 내에서 보다 높은 수준의 회로 집적이 허용되기 때문에 더 두꺼운 테이프를 사용하여 가공 단계를 최소화할 수 있다는 것을 알아야 한다. 또한, 테이프 두께가 15 mil를 초과할 때 휘발성 용매(들)의 적절한 건조를 보증하기 위해 슬립의 고체 함량 및 점도를 별도의 처리를 실시하여 LTCC 테이프를 다양한 "그린" 두께로 코팅하도록 조절한다는 것을 알아야 한다. 이후에, 상기 테이프를 시트로 블랭킹하거나, 또는 롤 형태로 수집한다. 그린 테이프는 통상적으로 다층 전자 회로용 유전 또는 절연 물질로서 사용된다.
소정의 적층체 배열에 따라, 선택된 테이프는 치수 범위가 3" x 3" 내지 6" x 6" 이상인 시트로 모서리 레지스트레이션 홀 (registration hole)을 사용하여 블랭킹된다. 이러한 그린 테이프 시트는 통상적으로 다층 전자 회로용 유전 또는 절연 물질로서 사용된다. 다층 회로의 여러 층들을 연결하기 위해, 그린 테이프 중에 바이어 홀을 형성한다. 이는 통상적으로 기계적 펀칭에 의해 수행된다. 그러 나, 그린 테이프 중에서 유기 물질을 휘발시키고 바이어 홀을 형성하기 위해 파장 분포가 좁은 레이저를 사용할 수도 있다. 전기 회로 접속을 위한 통상적인 바이어 홀 크기는 0.004" 내지 0.25"의 범위이고, 열 방산을 위한 통상적인 바이어 홀 크기는 일반적으로 원형 바이어 홀을 사용했을 때 0.010" 내지 0.050"의 범위이다. 본 발명이 또한 칩 캐리어 구조 및 치수의 바람직한 설계에 따라 원형 이외의 형태의 바이어 홀까지 포함한다는 것을 알아야 한다. 층들 간의 상호 접속은 바이어 홀을 후막 전도성 조성물로 충전함으로써 형성된다. 상기 조성물은 일반적으로 스크린 인쇄, 스텐실 인쇄 또는 블래더 충전에 의해 도포된다. 회로의 각 층은 스크린 인쇄 전도체 트랙에 의해 완성된다. 또한, 다른 회로 기능 및 집적이 요구될 때, 저항 조성물 또는 고유전 상수 조성물을 선택된 층(들) 상에 인쇄하여 저항성 또는 전기용량성 회로 소자를 형성할 수 있다. 더욱이, 다층 캐패시터 산업에서 사용되는 것들과 유사한, 특수 제형된 고유전 상수 그린 테이프는 다층 회로의 일부로서 혼입될 수 있다. 회로의 각 층을 완성한 후, 각 층을 병합하고 적층한다. 층 간의 정확한 정렬을 보증하기 위해 제한된 단축 또는 등방 가압 다이를 사용한다. 표준 후막 컨베이어 벨트 로 또는 프로그래밍된 가열 주기를 갖는 박스 로 중에서 소성을 실시한다. 상기 방법은 또한 소결된 LTCC 구조의 일부로서 상부 또는 하부 전도체를 동시소성시킨다. 이어서, 이러한 부분에서 칩 캐리어의 특성에 대한 구조적 집적도 및 소성된 치수를 평가한다.
본원에서 사용하는 "소성"이란 용어는 집합체를 공기 등의 산화 분위기 하에 집합체 층 중의 모든 유기 물질이 열분해 (완전 연소)되기에 충분한 시간 동안 소 정의 온도로 가열하여, 층 중의 임의의 유리, 금속 또는 유전 물질을 소결하여 모든 적층체를 치밀화하는 것을 의미한다. 구리계 전도체를 사용하는 경우, 로의 소성 분위기는 유기물의 적절한 완전 연소 및 전도체와 테이프의 적절한 소결을 위해 최적화된다. 선행 공정에는 공기 또는 산소가 도핑된 질소와 같은 산화 분위기가 필요하고, 후속 공정은 일반적으로 산소 함량이 100 ppm 이하 정도로 낮은 질소 중에서 수행된다.
바이어가 이웃하는 기능성 층의 적절한 전도성 경로에 적절하게 연결되도록 각 적층 단계에서 층들의 정합성이 정확해야만 한다는 것을 당업자들은 인지할 것이다.
"기능성 층"이란 용어는 전도성, 저항성 또는 전기용량성 기능을 갖는 인쇄된 그린 테이프를 지칭한다. 따라서, 상기 기재한 바와 같이, 통상적인 그린 테이프 층이 1개 이상의 저항 회로 및(또는) 캐패시터 및 전도성 회로 상에 인쇄될 수 있다.
후막 전도체 조성물
저온 동시소성 세라믹 회로에서 사용되는 통상적인 후막 조성물은 후막 조성물의 전체 중량을 기준으로, (a) 귀금속, 귀금속의 합금 및 이들의 혼합물로부터 선택된 미세 입자 60 내지 90 중량％; (b) (1) 1종 이상의 내화성 유리 조성물 0.2 내지 20 중량％, (2) (i) Zn, Mg, Co, Al, Zr, Mn, Ni, Cu, Ta, W, La의 금속 산화물 및 다른 "유리 네트워크-개질 (glass network-modifying)" 내화성 금속 산화물, (ii) 금속 산화물의 전구체, (iii) 비산화성 붕소화물, (iv) 비산화성 규화물, 및 (v) 이들의 혼합물로부터 선택된 부가적인 무기 결합제 0.1 내지 5 중량％, 및 (3) 이들의 혼합물로부터 선택된 1종 이상의 무기 결합제를 (c) 유기 매질 10 내지 30 중량％ 중에 분산시켜 포함한다.
통상적인 다층 LTCC 회로 기판은 상기 기재한 스크린-인쇄가능하고(거나) 스텐실-도포가능한 페이스트의 패턴을 인쇄하고, 인쇄되고(되거나) 적층된 LTCC를 소성하여 유기 매질을 휘발시키고 무기 물질 및 금속화물을 액체상 소결시킴으로써 기판 위에 형성되어 고정된 전도성 패턴 및 연결부 또는 비연결부 바이어-충전 전도성 패턴을 갖는 비전도성 LTCC 회로 기판을 포함하는 전도성 소자를 사용하여 가공한다. 또한, 다층 LTCC 회로 기판 가공은 (a) 상기 기재한 스크린-인쇄가능한 페이스트의 패턴화된 후막을 비전도성 세라믹 기판에 도포하는 단계, (b) 200℃ 미만, 더욱 일반적으로는 150℃ 이하의 온도에서 막을 건조하는 단계 및 (c) 건조한 막을 소성하여 무기 물질 및 금속화물의 액체상 소결을 수행하는 단계를 포함하는, 전도체를 단독으로 및(또는) 바이어-충전물과 함께 제조하는 방법에 관한 것이다. 구리계 전도체 조성물에서, 보통 약 450℃ 이하에서 발생하는 유기물 완전 연소가 끝난 후에, LTCC를 갖는 금속화물의 동시소성은 질소 또는 산소로 도핑되거나 도핑되지 않은 다른 환원 분위기와 같은 분위기 하에서 수행되어야 한다. 통상적인 전도체 조성물의 성분을 하기에 설명한다. 후막 전도체 조성물의 특정예를 본원에 예시하지만, 당업자들은 본 발명에서 적용법 및 목적하는 특성에 따라 다양한 후막 전도체가 사용될 수 있음을 인지할 것이다. 본 발명에서 유용한 몇몇 은계 내부 전도체 조성물로서 이. 아이. 듀폰 드 네모아 앤드 캄파니 (E. I. du Pont de Nemours and Company)가 시판하는 제조 번호 6142d, 6145, 6148, 6154, 6742를 들 수 있다. 몇몇 유용한 바이어 조성물로서 마찬가지로 이. 아이. 듀폰 드 네모아 앤드 캄파니가 시판하는 제조 번호 6141 및 6151을 들 수 있다.
A. 전도성 물질
본 발명에서 사용되는 미분 금속은 귀금속, 귀금속의 합금 및 이들의 혼합물로부터 선택된 것들일 수 있고, 이들 중 많은 것들이 시판되고 있다. 또한, 상기 언급한 금속 분말의 입도 및 형태는 미소성된 세라믹 테이프에 대해 2 mil 내지 20 mil, 바람직하게는 2 mil 내지 10 mil의 두께로 스크린-인쇄 및(또는) 스텐실-도포하는 데 적합해야 하고, 복합체의 적층 조건 및 소성 조건에 적합해야 한다.
따라서, 금속 분말은 10 ㎛ 이하, 바람직하게는 약 5 ㎛ 미만이어야 한다. 실제로는, 가능한 금속의 입도는 특정 적용법에 따라 은 또는 구리에서 0.1 내지 10 ㎛이다.
금속 분말은 박편상 또는 비박편상일 수 있다. 비박편상 분말은 불규칙적인 형상 또는 구형일 수 있다. 이러한 박편상 은은 평균 표면적이 약 1 m2/g이고, 고체 함량이 약 99 내지 100 중량％이다. 비박편상 은 분말은 통상적으로 중량비에 대한 평균 표면적이 0.1 내지 2.0 m2/g이고, 고체 함량이 약 99 내지 100 중량％이다.
본 발명의 일 실시양태에서, 구형 금속 분말을 이용한다. 이러한 구형 금속 분말은 패킹되었을 때 박편상 및 다른 형태의 분말에 비해 입자-대-입자 접촉이 더 크기 때문에, 금속-대-금속 접촉이 발생하고, 따라서 본 발명의 다른 성분과 합해졌을 때 도전용 전자의 비교적 연속적인 유동이 발생한다. 이러한 치밀하게 패킹된 금속 구형 분말은 "4면체" 및(또는) "8면체"의 공간을 형성하고, 여기서 하기 기재한 비교적 작은 크기의 금속 산화물 및(또는) 유리 등의 본 발명의 특정 무기 결합제가 침강되어 가공시에 무기 결합제가 연화되고, 우수한 금속-대-금속 접촉을 갖는 균일한 벌집형 구조와 함께 종래 기술의 조성물에 비해 더 연속적인 전자 유동을 갖는 구조를 유지한다. 일 실시양태에서, 평균 입도 분포가 1 내지 4 마이크론인 구형 금속 입자가 바람직하다. 또 다른 실시양태에서, 평균 입도가 2 내지 3 마이크론인 것이 바람직하다. 판이하게 다른 평균 입도를 갖는 두 금속 입자의 블렌드, 또는 마찬가지로 상이한 두 가지의 입도 분포를 갖는 금속 입자를 사용함으로써, 실질적인 부피 감소없이 유효하게 소결하기 위한 높은 패킹 밀도를 얻을 수 있다. 또한, 보다 평탄하게 소성된 금속화 표면이 달성되어 보다 높은 LED 디스플레이 반사를 제공할 수 있다.
B. 무기 유리 결합제
본 발명의 무기 결합제는 (a) 상기 페이스트 조성물 중에 상기 회로의 소성 온도에서 대수 점도가 6 내지 7.6인 1종 이상의 내화성 유리 조성물 0.2 내지 20 중량％, (2) (i) 금속 산화물, (ii) 금속 산화물의 전구체, (iii) 비산화성 붕소화물, (iv) 비산화성 규화물 및 (v) 이들의 혼합물로부터 선택된 부가적인 무기 결합제 0.1 내지 5 중량％, 및 (3) 이들의 혼합물로부터 선택된 1종 이상의 무기 결합제이다.
본 발명의 전도체 조성물의 유리 성분은 0.2 내지 20 중량％, 바람직하게는 1 내지 15 중량％ 수준에서 고연화점 및 고점도인 유리이다.
본원에서 사용된 고연화점의 유리란 용어는 평행판 점도 측정 기술 (ASTM법)로 측정했을 때 연화점이 600 내지 950℃, 바람직하게는 750 내지 870℃인 유리이다.
유리의 통상적인 예는 하기 표 1에 열거된 임의의 조성물로부터 찾을 수 있다.
유리는 통상적인 유리 제조 기술, 즉 원하는 성분들을 원하는 비율로 혼합하고, 이 혼합물을 가열하여 용융물을 형성시킴으로써 제조된다. 당업계에 공지된 바와 같이, 가열은 용융물이 모두 액체 및 균질이 되는 시간 동안 피크 온도로 수행한다. 본 발명에서, 성분을 플라스틱 볼을 구비한 폴리에틸렌 병 중에서 예비혼합하고, 백금 도가니 중 1200 내지 1400℃에서 용융시킨다. 용융물을 1 내지 1.5 시간 동안 피크 온도에서 가열한다. 이어서, 용융물을 냉수에 붓는다. 켄칭하는 동안의 물의 최대 온도는 물 대 용융물 비율을 증가시킴으로서 가능한 낮게 유지한다. 물로부터 분리한 후의 조 프릿을 공기 중에 건조하거나, 메탄올로 린스하여 물을 치환하거나, 또는 다른 적합한 방법을 사용하여 남아 있는 물을 제거한다. 이어서, 조 프릿을 내화성 라이닝을 갖는 통상적인 용기에서 물 또는 이소프로판올과 같은 통상적인 유기 용매 중 알루미나 마멸 매질을 사용하여 6 내지 7 시간 동안 볼-분쇄한다. 분쇄된 슬러리를 분쇄기로부터 제거한 후, 과량의 물 또는 용매를 경사법으로 제거하고, 프릿 분말을 고온 공기-건조한다. 다음으로, 건조된 분 말을 325 메쉬 스크린을 통해 체질하여 임의의 큰 입자를 제거한다.
프릿의 두 가지 큰 특징은, 이것이 전도성 금속 입상물의 소결을 돕는다는 점과 전도체 물질 및 LTCC 세라믹 중에 존재하는 잔류 유리의 인터믹싱을 최소화한다는 점이다.
C. 금속 산화물/비산화물 결합제
붕소화물 및 규화물과 같은 본 발명에서 적합한 금속 산화물 및 비산화물은 테이프의 잔류 유리와 반응할 수 있고, 본 발명의 조성물이 테이프와 동시소성될 때 표면 상의 또는 매립된 잔류 유리의 점도를 증가시킬 수 있는 것이다. 추가적으로, 본 발명에서 유용한 결합제는 계의 소성 동안에 금속 분말에 대한 "소결 억제제"로서 작용해야 한다.
적합한 무기 산화물은 Zn2+, Mg2+, Co2+, Al3+, Zr4+, Mn2+, Ni2+, Cu2+, Ta3+, W4+, La3+ 및 다른 "유리 네트워크 개질" 내화성 산화물, 및 구리 비스무트 루테네이트 등의 복합 산화물, 및 예를 들어 영국 특허 제772,675호 및 미국 특허 제4,381,945호 (본원에 포함됨)에 개시된 유기티타네이트 등의 유기 금속 화합물을 기재로 하는 것들이며, 이들은 계의 소성 동안에 금속 산화물의 미분 분말로 분해될 수 있다.
금속 산화물 또는 전구체의 입도는 상기한 스크린 및(또는) 스텐실 인쇄용 페이스트 조성물 중에 사용하기에 적절해야 하고, 따라서 입도는 15 ㎛ 이하, 바람직하게는 5 ㎛ 미만이어야 한다.
D. 유기 매질
금속 분말, 유리 결합제 및 금속 산화물 또는 비산화물 결합제를 비롯한 무기 성분은 통상적으로 기계적 혼합에 의해 유기 매질 중으로 분산되어, 인쇄를 위한 적합한 컨시스턴시 및 레올로지를 갖는 소위 "페이스트"라 불리는 점성 조성물을 형성한다. 여러 불활성 액체가 유기 매질로서 사용될 수 있다. 매질의 레올로지 특성은 안정한 고체 분산액, 스크린 인쇄에 적절한 점도 및 틱스트로피, 허용가능한 미소성된 "그린" 강도, 기판 및 페이스트 고형물의 적절한 습윤성, 양호한 건조 속도, 및 양호한 소성 및 완전 연소 특성을 비롯한 양호한 용도 특성을 조성물에 부여하여야 한다. 유기 매질은 통상적으로 용매(들) 중 중합체(들)의 용액이다. 부가적으로, 소량의 첨가제, 예컨대 계면활성제가 유기 매질의 일부일 수 있다. 이러한 목적에서 가장 흔하게 사용되는 중합체는 에틸 셀룰로오스이다. 중합체의 다른 예로서 에틸히드록시에틸 셀룰로오스, 목 수지, 에틸 셀루로오스 및 페놀성 수지의 혼합물이 포함되고, 저급 알코올의 폴리메타크릴레이트 및 에틸렌 글리콜 모노아세테이트의 모노부틸 에테르도 사용할 수 있다. 후막 조성물 중에서 발견되는 가장 널리 사용되는 용매는 에스테르 알코올 및 테르펜, 예컨대 알파 또는 베타 터피네올 또는 이들과 다른 용매, 예컨대 케로센, 디부틸프탈레이트, 부틸 카르비톨, 부틸 카르비톨 아세테이트, 헥실렌 글리콜 및 고비점 알코올 및 알코올 에스테르의 혼합물이다. 또한, 기판 상으로의 적용 후의 신속한 경화를 촉진하기 위한 휘발성 액체가 비히클 중에 포함될 수 있다. 상기 및 다른 용매의 여러 조합을 제형하여 목적하는 점도 및 휘발성을 얻는다.
무기 입자를 통상적으로 기계적 혼합 (예를 들어, 롤 분쇄기)에 의해 불활성 액체 매질 (비히클 또는 매질)과 혼합하여 스크린 인쇄 및(또는) 스텐실 도포용으로 적합한 컨시스턴시 및 레올로지를 갖는 페이스트상 조성물을 형성한다. 후자는 통상적인 방법으로 LTCC 그린 테이프 상에 "후막"으로서 인쇄된다. 임의의 불활성 액체는 비히클로서 사용될 수 있다. 증점제 및(또는) 안정화제 및(또는) 다른 일반적인 첨가제를 갖거나 갖지 않는 다양한 유기 액체를 비히클로서 사용할 수 있다. 단지 특정한 범주의 비히클은 LTCC 그린 테이프 중에 존재하는 유기물에 대해 화학적으로 혼화성이어야 한다. 사용될 수 있는 유기 액체의 예는 지방족 알코올, 이러한 알코올의 에스테르, 예를 들어 아세테이트 및 프로피오네이트, 파인유 등의 테르펜, 터피네올류, 텍사놀류, 파인유 등의 용매 중의 에틸 셀룰로오스 등의 수지 용액, 및 에틸렌 글리콜 모노아세테이트의 모노부틸 에테르이다.
비히클은 테이프로의 적용 후에 신속한 경화를 촉진하기 위한 휘발성 액체를 함유할 수 있다.
분산액 중 비히클 대 고체의 비율은 상당히 다양할 수 있고, 분산액이 도포되는 방식 및 사용되는 비히클 종류, 및 나아가 전도체 라인 및(또는) 바이아-충전 전도체 연결부에서의 전도체의 사용 여부에 좌우된다. 일반적으로, 양호한 적용 범위를 달성하기 위해, 분산액은 고체 60 내지 98％ 및 유기 매질 (비히클) 40 내지 2％를 포함한다. 본 발명의 조성물은 물론 바람직한 특성에 영향을 미치지 않는 다른 물질의 첨가에 의해 개질될 수 있다. 이러한 제형은 당업계의 기술의 범주 내이다.
본 발명의 전도체 조성물(들)은 본원에 기재된 방법을 통해 상기 LTCC 유리-세라믹 유전체와 함께 사용된다.
후막 조성물 (페이스트)의 제형
본 발명의 후막 조성물은 하기 일반적인 방법에 따라 제조된다. 무기 고형물을 유기 매질과 혼합하고, 적합한 장치, 예컨대 3축 롤 분쇄기로 분산시켜 현탁액을 형성함으로써, 점도가 라인 전도체 조성물에 대하여 전단 속도 4 초-1에서 100 내지 200 파스칼-초이고, 상응하는 바이어-충전 전도체에 대한 값이 1000 내지 5000 파스칼-초인 조성물을 형성한다.
하기 실시예에서, 제형은 이하의 방법으로 수행한다. 유기 성분 약 2 내지 5％를 뺀 페이스트의 성분들을 용기 중에서 함께 계량한다. 이어서, 성분들을 격렬하게 혼합하여 균질 블렌드를 형성한 후, 이 블렌드를 3축 롤 분쇄기 등의 분산 기기를 통과시켜 양호한 입자 분산액을 달성한다. 헤그만 게이지 (Hegman gauge)를 사용하여 페이스트 중 입자 분산액의 상태를 결정한다. 이 기구는 한쪽 단부의 깊이가 25 ㎛ (1 mil)이고 다른 쪽 단부에서 깊이 0"까지 충돌하는 (즉, 0 내지 25 ㎛ 범위) 강철 블럭의 채널로 구성된다. 칼날을 사용하여 채널의 길이를 따라 페이스트를 묘화한다. 응집물 직경이 채널 깊이보다 큰 곳의 채널에서 스크래치가 나타났다. 만족스런 분산액은 통상적으로 10 내지 18 ㎛의 4번째 스크래치 지점을 나타낸다. 4번째 스크래치 측정치가 20 ㎛ 초과이고 반쪽 채널 측정치가 10 ㎛ 초과이면 불량한 분산 현탁액/페이스트를 나타낸다.
이어서, 페이스트의 나머지 유기 성분 2 내지 5％를 첨가하고, 수지 함량을 조절하여 조성물의 점도를 목적하는 값으로 한다.
다음으로, 조성물을 기판, 특정한 경우에는 "그린 테이프"에 도포한다. "그린 테이프"는 "테이프 캐스팅"의 기술에서 기재한 유리 및 세라믹 충전제 미세 입상물, 중합체 결합제(들) 및 용매(들)의 슬러리 분산액의 박막을 가요성 기판에 1 내지 20 mil, 바람직하게는 2 내지 10 mil로 캐스팅하고, 캐스팅된 층을 가열하여 휘발성 용매를 제거함으로써 형성된다. 테이프를 시트로 블랭킹하거나 롤 형태로 제공한다. 상기 그린 테이프를 알루미나 및 다른 내화성 세라믹 기판 등의 통상적인 기판 대신에 다층 전자 회로/장치를 위한 절연 기판으로서 사용한다. 그린 테이프 시트를 4군데의 모서리에 레지스트레이션 홀 및 기계적 펀칭을 사용하여 전도체의 상이한 층들을 접속하기 위한 바이어 홀을 사용하여 블랭킹한다. 바이어 홀의 크기는 회로 설계 및 적절한 요구 사항에 따라 좌우된다. 테이프의 전도체 트랙 층들 간의 회로의 상호연결은 통상적으로 바이어 홀 중의 전도성 잉크의 스크린 인쇄에 의해 적용된다.
본 발명의 전도성 라인 조성물을 스크린 인쇄법에 의해 그린 테이프의 시트에 약 10 내지 30 ㎛의 습윤 두께로 도포하고, 바이어 홀은 각각의 전도성 바이어 조성물로 충전된다.
테이프의 각 층을 회로 설계에 맞게 전도체 라인 및 바이어 홀로 인쇄한 후, 각 층을 병합, 적층하고, 단축 또는 등방 가압 다이 및 테이프 가압/적층 기술 분야에 공지된 기술을 사용하여 가압한다. 각 적층 단계에서, 바이어가 인접하는 기 능성 층의 적절한 전도성 라인에 적절하게 연결되고, 열 바이어의 경우 각 바이어가 이웃하는 바이어에 적절하게 연결되기 위해, 인쇄된 테이프 층의 정합성이 정확해야 한다는 것을 당업자들은 인지할 것이다.
그린 테이프 조성물 및 무기 결합제 및 미분 금속 입자의 소결을 수행하기 위한 소성은 바람직하게는 통풍이 잘되는 벨트 컨베이어 로 또는 중합체의 탈-중합; 및(또는) 약 300 내지 600℃에서의 유기물의 완전 연소를 허용하는 온도 프로파일을 갖도록 프로그래밍된 박스 로 중에서 약 5 내지 20분 동안 약 800 내지 950℃의 최대 온도에서 수행한 후, 과도한 소결 및 결정 성장, 중간 온도에서의 원치않는 화학 반응, 또는 급속한 냉각으로 인한 기판/소성된 세라믹 테이프의 파쇄를 방지하기 위한 제어된 냉각 사이클을 수행함으로써 이루어진다. 전체 소성 과정은 바람직하게는 3.5 내지 5시간 동안 수행되고, 특정한 경우에 함께 적층된 그린 테이프의 층의 개수 및(또는) 그린 테이프 층의 두께에 따라 24시간 이상일 수도 있다.
전도체의 소성된 두께는 고체 함량, 조성물을 인쇄한 스크린의 종류, 인쇄기 설정 및 무기 고체의 소결 정도에 따라 약 5 내지 약 15 ㎛일 수 있다. 바이어 전도체의 두께는 사용된 그린 테이프의 두께 및 바이어 조성물의 소결 정도에 따라 변경된다. 두 가지 주요 단점인 바이어의 딤플링 (dimpling)과 포스팅 (posting)을 피하기 위해서는, 조성물의 점도 및 고체 함량의 선택이 중요하다. 보통, 고체 함량이 높으면 포스팅이 발생하고, 고체 함량이 낮으면 딤플링이 발생한다.
본 발명의 전도체 조성물은 자동화 인쇄기 또는 수동 인쇄기를 사용하여 통 상적인 방법으로 그린 테이프 또는 다른 후막 상에 인쇄될 수 있다. 바람직하게는, 통상적으로 0.5 mil 에멀전 두께를 갖는 200 내지 325 메쉬 스크린을 사용하는 자동화 스크린 인쇄법이 채용된다. 특히 크기가 4 내지 8 mil인 소형 바이어를 충전하기 위해서 통상적인 스텐실 인쇄법도 사용될 수 있다.
광 반사를 위한 전도체 조성물에서의 특별 고려사항
일반적으로 프릿-함유 표면 전도체가 비교적 높은 전기 저항성과 어두운 외관을 제공하는 것으로 알려져 있다. 따라서, 광 반사를 제공하기 위한 목적에서, 반사를 제공하기 위해 산화물 결합제를 함유하거나 함유하지 않는 유리-무함유 Ag, Au, Cu 또는 Ag/Pt 또는 Ag/Pd 합금 전도체를 사용해야 한다. Ag, Au, Cu, Pt 또는 Pd 등의 전도성 분말의 입도 분포의 선택, 패킹 밀도의 최적화는 모두 광 반사도에 기여하는 중요한 요인들이다. 패킹 밀도 최적화는 1종 이상의 전도체 입자 및 바람직하게는 하나 이상의 평균 입도를 선택함으로써 달성될 수 있다.
더 구체적으로는, 동시소성가능한 은계 후막 전도체 조성물은 LED 칩 또는 만들어진 공동에 위치한 칩을 둘러싸고 있는 표면 상에 침착되며, 이러한 은 조성물은
a) 은의 평균 입도가 1 내지 20 마이크론, 바람직하게는 1 내지 5 마이크론이고,
b) 은 입자가 포스페이트 에스테르, 지소산 등을 비롯한 (이에 제한되지 않음) 제제가 부착된 표면을 갖거나 갖지 않고,
c) 1종 이상의 은 입자가 조성물 중에 사용되고, 2개 이상의 은 입자의 경 우, 후보 은 입자의 선택은 소결 응력 대 LTCC 유전 물질의 소결을 최소화하는 목적을 위한 이들 각각의 입도 분포에 좌우되며,
d) 1종 이상의 은 입자가 조성물 중에 사용되고, 2개 이상의 은 입자의 경우, 후보 은 입자의 선택은 LED 백라이트 모듈 (이에 제한되지 않음)의 광 반사도를 증가시키기 위go 표면 조도를 최소화하는 목적을 위한 이들 각각의 입도 분포에 좌우된다
는 것을 특징으로 하나, 이들 특징으로 제한되지 않는다.
필요한 경우, 광 반사도를 증가시키기 위해 전도체 패드를 추가로 도금할 수 있다.
열 바이어를 위한 전도체에서의 특별 고려사항
기능성 칩 캐리어 패키지로 인한 열을 방산하기 위해 열 바이어를 사용하며, 본 발명은 접합 온도를 최소화하여 HB LED 패키지 기능의 수명을 연장시키기 위해 1개 이상의, 바람직하게는 다수의 열 바이어를 제공하기 위한 것이다. 또한, 열 바이어가 보통 메쉬 패턴, 솔리드 패턴 또는 임의의 다른 적합한 구조의 모양 및 형태를 취할 수 있는 방열 패드에 연결된다는 것을 알아야 한다.
본 발명의 칩 캐리어와 같은 다층 회로 기판에서의 작동 수명의 증가는 일반적으로 재료의 적절한 선택 및 신중한 열-기계 처리 및 설계를 통해 달성될 수 있다. 통상적으로, 이러한 노력에는 기판, 열 싱크 및 열 싱크의 위치의 선택에 의해 조밀한 LTCC (또는 다층 회로 기판을 제조하기 위한 다른 물질) 모듈에서 열적 프로파일을 제어하는 것이 포함된다. 이후에, 접합 온도의 실질적인 감소가 얻어 질 수 있고, 신뢰성이 명백하게 증가되어 대부분의 전자 장치용으로 적합하다 (모든 전자 장치에 대해서는 아님).
그러나, 고속 멀티칩 모듈 설계에서, 상이한 열 방산 특성을 나타낼 수 있는 칩의 혼합 등의 다른 문제가 야기된다. 본 발명에서, 3개 이상의 LED 칩, 즉 G, R 및 B를 사용하면 정확하게 상기 언급한 문제가 야기된다. 접합 온도가 크게 상이하면 칩의 스위치 역치가 변경되고, 클럭 구부러짐 (clock skew)이 발생하며, 시스템 수행능이 열화된다. 비용적인 이유 때문에, 산화베릴륨 또는 질화알루미늄 등의 고 열전도 물질은 알루미나를 대체하기 위한 실용적인 옵션이 되지 못한다. 또한, 이러한 옵션은 혼합된 칩 기술들 간의 온도 균등화 문제를 완전히 해결하지 못한다. 칩으로부터 주변으로의 열 전도 경로는 여전히 똑같고, 방산된 동력 수준도 여전히 다르다. 최근의 관행은 열적 임피던스를 감소시키기 위해 LTCC 중에 열 바이어를 도입할 것을 요구하고 있다. 그러나, 접합 온도의 상이함은 동일한 열 바이어 밀도를 사용하더라도 여전히 관찰된다는 것을 알아야 한다. 열 바이어의 밀도를 조절함으로써, 광범위한 열적 임피던스 내에서 다양한 냉각을 설계할 수 있다. 이에 따라, 큰 동력 밀도를 갖는 칩에서의 접합 온도는 균형 잡힐 수 있다. 상기 방법은 LTCC 유전 물질의 낮은 열 전도도 및 바이어 충전 전도체 페이스트의 높은 열 전도도의 최적 사용을 가능케 하여, 광범위한 복합체 열적 임피던스를 제공한다. 이러한 개념은 추가로 칩의 상이한 영역의 선택적 냉각으로까지 확장될 수 있다. 방열기의 사용 (즉, 금속화된 전도체 면이 솔리드형 또는 격자형 구조임) 및 칩 결합 영역 대 유효한 공동 공간의 비율 등의 요인들 모두가 열 전도 특 성에 영향을 미친다. 최대 칩 결합 면적이 유효한 공동 영역과 동등할 때 최적 열 처리가 제공된다는 것을 알아야 한다. 그러나, 실제 기능적인 사항 때문에, 기판 및 공동의 치수는 각 칩 어레이에 맞추어 지고, 적절한 결합을 위한 나사가 부착된 양호한 다이를 형성하기 위해 충분한 공간이 필요하다. 플립 칩 결합 또는 BGA 부착의 경우, 칩과 공동 간의 최소 공간은 애노드와 캐쏘드(들) 간의 적절한 전기 절연이 달성되도록 조절될 수 있다. 이는 더 큰 공간이 필요한 칩 연결을 위한 와이어 결합을 사용한다는 점에서 다르다. 방열기를 도입하기 위한 방법을 하기에 더 설명할 것이다.
LTCC는 본래 유기 물질보다 더 높은 열 전도도를 가지며, 열 전도도는 열 바이어 및 금속화 전도체 면의 첨가에 의해 개선될 수 있다. 본원에서 사용되는 두 가지, 즉 수직면 및 수평면 열 전도도가 존재한다. 열 바이어 및 금속화 면을 사용함으로써 수직면 전도도는 유전 물질 전도도의 2배 이상으로 개선되고, 수평면 전도도는 2 내지 3배 이상으로 개선된다는 것이 시험을 통해 관찰되었다. 솔리드형 금속화 면을 LTCC에서 사용할 수 있으나, 격자형 또는 메쉬형 면은 가공성을 개선하고, 솔리드형 면만큼이나 열적으로 효과적이다. 최고의 수평면 열 전도도가 가장 많은 개수의 열 바이어를 갖는 샘플에서 얻어지는 것으로 이해된다. 임의의 솔리드형 또는 격자형 전도체 면의 첨가는 통상적으로 낮은 바이어 밀도 설계, 예컨대 50, 100 및 150 mil 중앙 상의 12 mil 바이어의 열 전도도를 유의하게 개선시키지 못한다. 그러나, 상기 전도체 면은 통상적으로 높은 바이어 밀도 설계, 예컨대 20, 40 및 60 mil 중앙 상의 8 mil 바이어의 열 전도도를 상당히 개선시킨다.
열 바이어를 갖지 않는 구성에서, 솔리드형 또는 격자형 전도체 면은 수평면 열 전도도를 개선시키지 않는다. 1개의 내부 격자형 전도체 면의 첨가는 수직면 열 전도도를 약 10 내지 20％ 개선시킨다. 더욱이, 수평 열 바이어와 연결된 격자형 면은 수직면 열 전도도를 전도체 면을 갖지 않는 구조보다 약 2배 만큼 증가시킨다.
납땜 물질 및 과정
후막 납땜 물질은 대형 제조 및 열 싱크를 예비소성된 LTCC 칩 캐리어에 부착시키는 데 적합하다. HB LEB 패키지 모듈의 온도 대역에는 (1) 850 내지 900℃와 같은 고온에서의 테이프, 전도체, 전기 바이어 및 열 바이어의 동시소성, (2) 납땜 물질의 선택에 따라 350℃ 내지 850℃ 범위의 중간 온도에서 일반적으로 수행되는 칩 캐리어의 열 싱크로의 납땜, (3) 플립 칩 또는 땜납에 의한 칩 결합, (4) 필요한 경우 금 와이어 결합, 및 (5) 에폭시 또는 다른 열가소성 유기 물질과 같은 플라스틱 캡슐물의 적용이 요구된다.
납땜 과정은 보통 (1) 금속화물의 납땜, (2) 합금/충전제 금속의 납땜, (3) 본 발명의 연결 부품-열 싱크의 표면의 제조, (4) 고정화, 및 (5) 적합한 프로파일 및 분위기로 제어된 노 중에서의 소성으로 구성된다. 적절한 후막 납땜 조성물은 보통 후막 접착 층 및 후막 배리어 층으로 구성된다. 예를 들어, 듀폰 후막 납땜 물질에는 Au계 5062 (접착 층), 5063 (배리어 층) 및 Ag/Pt계 5081 (접착 층) 및 5082 (배리어 층)가 포함된다. 상기 후막 조성물은 열 바이어를 갖는 LTCC와 열 싱크 사이에 계면을 제공한다. TCE, 열 전도도 및 비용에 따라, 다양한 열 싱크 재료를 본 발명의 용도에 사용할 수 있다. 이들에는 Cu-W, Cu-Mo, Cu-Mo-Cu 및 Al-SiC가 포함되나, 이에 제한되지 않고; BeO 및 AlN도 열 싱크 용도에 양호한 후보 물질이다. 열 싱크는 또한 Al일 수도 있다. 다른 예로는 메탈 코어 인쇄된 와이어링 (MCPWB)가 포함되나, 이에 제한되지 않는다.
<실시예>
실시예에서 사용된 테이프 조성물을 휘발성 용매 또는 이들의 혼합물에서 미세 무기 분말 및 결합제를 볼 밀링하여 제조하였다. 적층, 회로를 패턴화하는 능력, 테이프 번아웃(burnout) 특성 및 소성된 미세구조 현상을 최적화기 위해선, 다음의 슬립(slip) 처방 부피％가 이점을 제공하는 것을 발견하였다. 또한 실시 참조로서 전형적인 슬립 조성물의 처방은 중량 백분율로 나타낸다. 무기 상은 비 밀도가 유리의 경우 4.5 g/cc이고 알루미나의 경우 4.0 g/cc인 것으로 가정하고, 유기 매개체(vehicle)는 비 밀도가 1.1 g/cc인 것으로 가정한다. 알루미나 이외에 광 반사 강화를 위한 내화성 산화물 및 유리를 사용할 때 비 밀도가 본 실시예에서 가정한 비 밀도와 아마도 상이하기 때문에 그에 상응하게 중량％ 조성이 변한다. 표 1에 본 발명에서 적용에 적합한 여러 납-함유 및 납-무함유 유리 조성물이 나열되어 있다.
Figure 112006063498303-PAT00001
전형적인 일차 및 내부 속박 테이프 조성물:
부피％ 중량％
무기상 41.9 73.8
유기상 58.1 26.2
상기 부피 및 중량％ 슬립 조성은 효율적인 슬립 밀링 및 코팅 성능을 얻기 위해 유기 용매 및(또는) 용매 블랜드의 바람직한 양에 따라 달라질 수 있다. 보다 특히, 슬립을 위한 조성물은 10,000 센티푸아즈 미만으로 점도를 낮추기 위해 충분한 용매를 포함해야 한다. 전형적인 점도 범위는 목표하는 코팅된 테이프의 두께에 따라 1,000 내지 8,000 센티푸아즈이다. 슬리 조성물의 예를 표 2에 나타내었다. 선택된 슬립 점도에 따라, 보다 높은 점도의 슬립은 보다 긴 기간(보통 수주일) 동안 분산 안정성을 연장한다. 일반적으로, 테이프 성분의 안정한 분산은 코팅된 테이프에서 유지된다.
테이프 슬립 조성물:
성분 중량％
아크릴레이트 및 메타크릴레이트 중합체 4.6
프탈레이트 테이프 가소제 1.1
에틸 아세테이트/이소프로필 알코올 혼합 용매 20.4
유리 분말 50.7
알루미나 분말 23.2
실시예에서 사용된 유리를 전기 가열로 중 1450 내지 1600 ℃로 약 1 시간 동안 Pt/Rh 도가니에서 용해시켰다. 이전 단계로서 금속 롤러로 유리를 급랭시키고, 이어서 밀링으로 입자 크기를 감소시켰다. 슬립으로서 제형 전에 유리 입자를 밀링으로 5 내지 7 마이크론의 평균 크기로 조정하였다. 슬립의 제조에서 추가적인 밀링을 이용하였기 때문에, 최종 평균 크기는 보통 1 내지 3 마이크론의 범위이다. 또한 슬립 조성물에서 구성성분으로 사용되기 전에 유리 입자를 1 내지 3 마이크론의 최종 크기로 미리 밀링할 수 있다.
DRA-2500 확산반사 부속품이 장착된 베리안 카리(Varian Cary) 5000 uv/vis/nir 분광측정기를 사용하여 반사 백분율을 측정하였다. DRA-2500은 스펙트라론(Spectralon, 등록상표)으로 코팅된 150 mm 적분구를 사용한다. 이어서 스펙트라론 (등록상표) 참조물질을 사용하여 100 퍼센트 기준선을 수집한다. 이어서 참조물질을 시료로 교체하고 반사 스펙트럼을 수집한다. 하기 실시예 부분에 포함된 시료에 대해서, 800 내지 250 범위의 파장을 사용하였다. 확산 및 검정 성분 모두를 측정에 포함시켰다.
실시예 1
네 층 LTCC 적층물을 하기의 물질을 사용하여 제조하였다.
상기 표 2에 기술된 바와 같고, 표 1의 유리 #5의 중량％ 조성을 가진 유리 64 부피％ 및 Al2O3 36 부피％를 함유하는 무기 분말을 갖는 테이프 1. 유리 #5는 납 산화물 17.20 중량％을 함유하였다. 유리 #5 또는 알루미나는 각각 전체 무기 조성물의 55.44 중량％, 또는 44.56 중량％이었다. 추가로, 백색을 제공하는 무기 안료는 생성된 LTCC 칩 캐리어의 상부 부분의 광 반사성를 향상시키기 위해 테이프 2에 기술한 것처럼 알루미나 일부를 치환하는데 또한 사용될 수 있다. 그린 두께는 10 mil 또는 254 μm이었다.
적층 후에 세터(setter) 상에 일부을 놓았고, 공기 대기 중에서 온도를 상온에서 850 ℃로 상승시키고 18분 동안 유지하면서 콘베이어 노에서 소성하였고, 이어서 다시 상온으로 냉각시켰으며, 전체 공정은 대략 3 시간 30분이 걸렸다. 소성된 부분은 완전히 밀집화되었고, 챔버로부터 꺼냈다.
실시예 2
네 층 LTCC 적층물을 하기의 물질을 사용하여 제조하였다.
상기 표 2에 기술된 바와 같고, 유리 #5의 중량％ 조성을 갖는 유리 64 부피％ 및 10 대 1 비율의 Al2O3 및 TiO2 36 부피％를 함유하는 무기 분말을 갖는 테이프 2. 유리 #5, 알루미나, 또는 티타니아는 각각 전체 무기 조성물의 55.44 중량％, 40.10 중량％, 또는 4.46 중량％이다. 그린 두께는 10 mil 또는 254 μm이었다.
적층 후에 세터 상에 일부를 놓았고, 공기 대기 중에서 상온에서 850 ℃로 상승시키고 18분 동안 유지하면서 콘베이어 노에서 소성하였고, 이어서 상온으로 냉각시켰으며, 전체 공정은 대략 3 시간 30분이 걸렸다. 소성된 부분은 완전히 밀집화되었고, 챔버로부터 꺼냈다.
실시예 3
네 층 LTCC 적층물을 하기의 물질을 사용하여 제조하였다.
상기 표 2에 기술된 바와 같고 유리 #17의 중량％ 조성을 갖는 유리 68.7 부피％ 및 Al2O3 31.3 부피％를 함유하는 무기 분말을 갖는 테이프 3. 프릿 또는 알루미나의 중량％ 조성은 각각 58.51％ 또는 41.49％이다. 그린 두께는 10 mil 또는 254 μm이었다.
적층 후에 세터 상에 일부를 놓았고, 공기 대기 중에서 상온에서 850 ℃로 상승시키고 18분 동안 유지하면서 콘베이어 노에서 소성하였고, 이어서 상온으로 냉각시켰으며, 전체 공정은 대략 3 시간 30분이 걸렸다. 소성된 부분을 완전히 밀집화되었고, 챔버로부터 꺼냈다.
노에서 소성되는 동안 기판을 세터 상에 놓는 방법과 관련하여 소성된 부분의 상부 표면을 측정하였을 때 적색(650 nm), 녹색(510 nm), 또는 청색 (475 nm)의 광파장에서 상기 블랭크 LTCC 기판의 광반사율％는 각각 82.1％, 81.1％, 또는 80.9％이었다.
실시예 4
네 층 LTCC 적층물을 하기의 물질을 사용하여 제조하였다.
상기 표 2에 기술된 바와 같고, 유리 #17의 중량％ 조성을 갖는 유리 68.7 부피％ 및 98 대 2의 비율의 Al2O3 및 TiO2 31.3 부피％를 함유하는 무기 분말을 갖는 테이프 4. 프릿, 알루미나, 또는 TiO2의 중량％ 조성은 각각 58.51％, 40.63％ 또는 0.86％이다. 그린 두께는 10 mil 또는 254 μm이었다.
적층 후에 세터 상에 일부를 놓았고, 공기 대기 중에서 상온에서 850 ℃로 상승시키고 18분 동안 유지하면서 콘베이어 노에서 소성하였고, 이어서 상온으로 냉각시켰으며, 전체 공정은 대략 3 시간 30분이 걸렸다. 소성된 부분은 완전히 밀집화되었고, 챔버로부터 꺼냈다.
노에서 소성되는 동안 기판을 세터 상에 놓는 방법과 관련하여 소성된 부분의 상부 표면을 측정하였을 때 적색(650 nm), 녹색(510 nm), 또는 청색 (475 nm)의 광파장에서 상기 블랭크 LTCC 기판의 광반사율％는 각각 82.8％, 82.7％, 또는 81.9％이었고, 또는 소성된 부분의 하부 표면을 측정 시 각각 82.8％, 82.5％, 또는 81.6％이었다.
실시예 5
네 층 LTCC 적층물을 하기의 물질을 사용하여 제조하였다.
상기 표 2에 기술된 바와 같고, 유리 #17의 중량％ 조성을 갖는 유리 68.7 부피％ 및 90 대 10의 비율의 Al2O3 및 TiO2 31.3 부피％를 함유하는 무기 분말을 갖는 테이프 5. 프릿, 알루미나, 또는 TiO2의 중량％ 조성은 각각 58.51％, 37.17％ 또는 4.32％이었다. 그린 두께는 10 mil 또는 254 μm이었다.
적층 후에 세터 상에 일부를 놓았고, 공기 대기 중에서 상온에서 850 ℃로 상승시키고 18분 동안 유지하면서 콘베이어 노에서 소성하였고, 이어서 상온으로 냉각시켰으며, 전체 공정은 대략 3 시간 30분이 걸렸다. 소성된 부분은 완전히 밀집화되었고, 챔버로부터 꺼냈다.
노에서 소성되는 동안 기판을 세터 상에 놓는 방법과 관련하여 소성된 부분의 상부 표면을 측정하였을 때 적색(650 nm), 녹색(510 nm), 또는 청색 (475 nm)의 파장에서 상기 블랭크 LTCC 기판의 광반사율％는 각각 92.5％, 89.6％ 또는 86.7％이었고, 소성된 부분의 하부 표면을 측정하였을 때 각각 92.3％, 88.8％ 또는 84.9％이었다.
실시예 6
네 층 LTCC 적층물을 하기의 물질을 사용하여 제조하였다.
표 2에 기술된 바와 같고, 유리 #17의 중량％ 조성을 갖는 유리 64 부피％ 및 5 대 1 비율의 Al2O3 및 TiO2 36 부피％를 함유하는 무기 분말을 갖는 테이프 6. 유리 #17, 알루미나, 또는 티타니아는 각각 전체 무기 조성물의 53.12 중량％, 39.06 중량％ 또는 7.82 중량％이었다. 그린 두께는 10 mil 또는 254 μm이었다.
적층 후에 세터 상에 일부를 놓았고, 공기 대기 중에서 상온에서 850 ℃로 상승시키고 18분 동안 유지하면서 콘베이어 노에서 소성하였고, 이어서 상온으로 냉각시켰으며, 전체 공정은 대략 3 시간 30분이 걸렸다. 소성된 부분은 완전히 밀집화되었고, 챔버로부터 꺼냈다.
실시예 7
네 층 LTCC 적층물을 두 테이프의 그린 두께가 10 mil 또는 254 μm인 테이프 1 두 층 및 테이프 2 두 층을 사용하여 제조하였다. 실시예 2에 기술된 바와 같은 테이프 2는 광반사 강화를 제공하는 TiO2를 포함하였으며, LTCC 적층물의 상부 두 층으로서 위치하였다.
적층 후에 세터 상에 일부를 놓았고, 공기 대기 중에서 상온에서 850 ℃로 상승시키고 18분 동안 유지하면서 콘베이어 노에서 소성하였고, 이어서 상온으로 냉각시켰으며, 전체 공정은 대략 3 시간 30분이 걸렸다. 소성된 부분은 완전히 밀집화되었고, 챔버로부터 꺼냈다.
실시예 8-14
하기의 실시예 8 내지 14에서, 표 1에 상술한 유리 조성물을 사용하였다. 유리 2, 5, 및 6은 본 발명에 유용한 유리를 나타낸다. 납-함유 및 납-무함유 유리 모두가 바람직한 전도체 페이스트 조성물 중의 무기 결합제로 적절하다.
전도체 조성물: 실시예 8 내지 14는 본 발명의 실시예를 나타낸다. 모든 처방은 전체 후막 조성물의 중량％로 주어진다. 하기에 나타낸 박편없는 은 분말은 평균 표면적 대 중량 비율이 0.1 내지 2.0 m2/g이었다. 하기에 나타낸 팔라듐 금속 분말은 평균 표면적 대 중량 비율이 2.0 내지 15.0 m2/g이었다. 하기에 나타낸 백금 분말은 평균 표면적 대 중량 비율이 10 내지 30 m2/g이었다. 금 금속 분말의 평균 입자 크기 분포는 1 내지 4 μm 범위이었다.
실시예 8
은 접지 평면 및 내부 전도체
은 분말 80.6
프릿 #2 1.2
유기 금속 1.0
에틸 셀룰로오스/텍사놀-기재 매질은 나머지에 해당한다.
은 분말 SA 0.1 내지 1.5 m2/gm
실시예 9
은 팔라듐 땜납가능한 상부 전도체
은 분말 53.5
팔라듐 분말 13.6
구리 비스무스 루테네이트 5.1
구리 산화물 0.5
에틸 셀룰로오스/테르피네올-기재 매질은 나머지에 해당한다.
은 박편 SA 약 0.60 내지 0.90 m2/gm; 탭 밀도 4.0 내지 6.0 g/ml
실시예 10
은 바이어 충진 전도체
은 분말 90.9
프릿 #2 1.2
에틸 셀룰로오스/텍사놀-기재 매질은 나머지에 해당한다.
은 분말 SA 0.1 내지 1.5 m2/gm
실시예 11
와이어 결합가능한/내부/접지 평면 금 전도체
금 분말 80.7
프릿 #5 0.8
에틸 셀룰로오스/테르피네올-기재 매질은 나머지에 해당한다.
금 분말 입자 크기 분포(PSD) d50 약 2 내지 3 μm
실시예 12
혼합 금속 계에 대한 팔라듐-은 전이 바이어 충진 전도체
은 분말 86.5
팔라듐 분말 3.0
프릿 #5 0.8
에틸 셀룰로오스/텍사놀-기재 매질은 나머지에 해당한다.
팔라듐 분말 표면적 대 중량 비율 (SA) 약 1.1 내지 1.7 m2/gm
은 분말 SA 약 0.1 내지 1.5 m2/gm
실시예 13
은-백금 도금가능 전도체
은 분말 82.2
백금 2.0
프릿 #17 0.8
에틸 셀룰로오스/텍사놀-기재 매질은 나머지에 해당한다.
팔라듐 분말 SA 약 1.1 내지 1.7 m2/gm
백금 분말 SA 약 0.7 내지 1.2 m2/gm
실시예 14
"혼합된 금속 계"에 대한 와이어 결합가능 상부 전도체
금 분말 78.0
프릿 #17 0.7
에틸 셀룰로오스/테르피네올-기재 매질은 나머지에 해당한다.
금 분말 PSD D50 약 4 내지 5 μm
실시예 15
은-팔라듐 땜납가능 전도체
은 분말 51.0
팔라듐 13.0
에틸 셀룰로오스/텍사놀-기재 매질은 나머지에 해당한다.
은 분말은 2.5 μm의 D50 입자 크기를 가진 불규칙한 형태를 가졌다.
LTCC 칩 캐리어와 동시소성한 후 적색(650 nm), 녹색(510 nm), 또는 청색 (475 nm)의 광파장에서 상기 금속화의 광반사율％는 각각 49.4％, 42.2％, 또는 40.7％이었다.
실시예 16
은 전도체
은 분말 57.8
산화 제1구리 1.0
프릿 #17 5.4
에틸 셀룰로오스/텍사놀-기재 매질은 나머지에 해당한다.
은 분말은 2.5 μm의 D50 입자 크기를 가진 불규칙한 형태를 가졌다.
LTCC 칩 캐리어와 동시소성한 후 적색(650 nm), 녹색(510 nm), 또는 청색 (475 nm)의 광파장에서 상기 금속화의 광반사율％는 각각 67.4％, 65.7％, 또는 64.6％이었다.
실시예 17
은 바이어 충진 전도체
은 분말 87.6
에틸 셀룰로오스/텍사놀-기재 매질은 나머지에 해당한다.
은 분말은 2.5 μm의 D50 입자 크기를 가진 구 형태를 가졌다.
LTCC 칩 캐리어와 동시소성한 후 적색(650 nm), 녹색(510 nm), 또는 청색 (475 nm)의 광파장에서 상기 금속화의 광반사율％는 각각 94.4％, 88.9％, 또는 85.3％이었다.
실시예 18
은 내부 신호 전도체
은 분말 65.0
프릿#5 3.0
에틸 셀룰로오스/텍사놀-기재 매질은 나머지에 해당한다.
은 분말은 2.5 μm의 D50 입자 크기를 가진 불규칙한 형태를 가졌다.
LTCC 칩 캐리어와 동시소성한 후 적색(650 nm), 녹색(510 nm), 또는 청색 (475 nm)의 광파장에서 상기 금속화의 광반사율％는 각각 94.2％, 92.0％, 또는 91.3％이었다.
실시예 19
은 내부 신호 전도체
은 분말 유형 A 26.1
은 분말 유형 B 55.6
프릿#5 1.2
에틸 셀룰로오스/텍사놀-기재 매질은 나머지에 해당한다.
은 분말 유형 A 또는 B 각각은 각각 2.5 μm 또는 8.2 μm의 D50 입자 크기를 가진 불규칙한 형태를 가졌다.
LTCC 칩 캐리어와 동시소성한 후 적색(650 nm), 녹색(510 nm), 또는 청색 (475 nm)의 광파장에서 상기 금속화의 광반사율％는 각각 95.4％, 91.9％, 또는 91.2％이었다.
실시예 20
은 내부 신호 전도체
은 분말 77.0
에틸 셀룰로오스/텍사놀-기재 매질은 나머지에 해당한다.
은 분말은 2.4 μm의 D50 입자 크기를 가진 박편 형태를 가졌다.
LTCC 칩 캐리어와 동시소성한 후 적색(650 nm), 녹색(510 nm), 또는 청색 (475 nm)의 광파장에서 상기 금속화의 광반사율％는 각각 97.9％, 96.4％, 또는 95.4％이었다.
실시예 21
은 내부 신호 전도체
은 77.0
프릿#17 0.5
에틸 셀룰로오스/텍사놀-기재 매질은 나머지에 해당한다.
은 분말은 2.4 μm의 D50 입자 크기를 가진 박편 형태를 가졌다.
LTCC 칩 캐리어와 동시소성한 후 적색(650 nm), 녹색(510 nm), 또는 청색 (475 nm)의 광파장에서 상기 금속화의 광반사율％는 은을 위쪽으로 소성하였을 때 각각 95.4％, 92.5％, 또는 91.2％이었고, 은을 아래쪽으로(즉, 세터에 면하게) 소성하였을 때 각각 95.0％, 91.8％, 또는 90.3％이었다.
실시예 22
은 내부 신호 전도체 (듀퐁 6742)
은 분말 77.0
에틸 셀룰로오스/텍사놀-기재 매질은 나머지에 해당한다.
은 분말은 8.2 μm의 D50 입자 크기를 가진 불규칙한 형태를 가졌다.
LTCC 칩 캐리어와 동시소성한 후 적색(650 nm), 녹색(510 nm), 또는 청색 (475 nm)의 파장에서 상기 금속화의 광반사율％는 각각 98.0％, 96.3％, 또는 95.5％이었다.
실시예 23
은 내부 신호 전도체
은 77.0
프릿#17 0.5
에틸 셀룰로오스/텍사놀-기재 매질은 나머지에 해당한다.
은 분말은 8.2 μm의 D50 입자 크기를 가진 불규칙한 형태를 가졌다.
LTCC 칩 캐리어와 동시소성한 후 적색(650 nm), 녹색(510 nm), 또는 청색 (475 nm)의 광파장에서 상기 금속화의 광반사율％는 은을 위쪽으로 소성하였을 때 각각 95.3％, 92.2％, 또는 91.0％이었고, 은을 아래쪽으로(즉, 세터에 면하게) 소성하였을 때 각각 94.0％, 90.4％, 또는 88.9％이었다.
실시예 24
은 내부 신호 전도체
은 분말 77.0
에틸 셀룰로오스/텍사놀-기재 매질은 나머지에 해당한다.
은 분말은 3.7 μm의 D50 입자 크기를 가진 박편 형태를 가졌다.
LTCC 칩 캐리어와 동시소성한 후 적색(650 nm), 녹색(510 nm), 또는 청색 (475 nm)의 광파장에서 상기 금속화의 광반사율％는 각각 98.2％, 96.6％, 또는 95.5％이었다.
실시예 25
은 내부 신호 전도체
은 77.0
프릿#17 0.5
에틸 셀룰로오스/텍사놀-기재 매질은 나머지에 해당한다.
은 분말은 3.7 μm의 D50 입자 크기를 가진 불규칙한 형태를 가졌다.
LTCC 칩 캐리어와 동시소성한 후 적색(650 nm), 녹색(510 nm), 또는 청색 (475 nm)의 광파장에서 상기 금속화의 광반사율％는 은을 위쪽으로 소성하였을 때 각각 95.2％, 91.9％, 또는 90.4％이었고, 은을 아래쪽으로(즉, 세터에 면하게) 소성하였을 때 각각 95.5％, 92.4％, 또는 90.9％이었다.
실시예 26
은 내부 신호 전도체
은 분말 77.0
에틸 셀룰로오스/텍사놀-기재 매질은 나머지에 해당한다.
은 분말은 8.2 μm의 D50 입자 크기를 가진 불규칙한 형태를 가졌다.
LTCC 칩 캐리어와 동시소성한 후 적색(650 nm), 녹색(510 nm), 또는 청색 (475 nm)의 광파장에서 상기 금속화의 광반사율％는 각각 98.7％, 97.7％, 또는 97.0％이었다.
실시예 27
은 내부 신호 전도체
은 77.0
프릿#17 0.5
에틸 셀룰로오스/텍사놀-기재 매질은 나머지에 해당한다.
은 분말은 8.2 μm의 D50 입자 크기를 가진 불규칙한 형태를 가졌다.
LTCC 칩 캐리어와 동시소성한 후 적색(650 nm), 녹색(510 nm), 또는 청색 (475 nm)의 광파장에서 상기 금속화의 광반사율％는 은을 위쪽으로 소성하였을 때 각각 95.7％, 93.0％, 또는 91.9％이었고, 은을 아래쪽으로(즉, 세터에 면하게) 소성하였을 때 각각 94.8％, 91.3％, 또는 89.7％이었다.
실시예 28
은 내부 신호 전도체
은 분말 77.0
에틸 셀룰로오스/텍사놀-기재 매질은 나머지에 해당한다.
은 분말은 6.0 μm의 D50 입자 크기를 가진 박편 형태를 가졌다.
LTCC 칩 캐리어와 동시소성한 후 적색(650 nm), 녹색(510 nm), 또는 청색 (475 nm)의 파장에서 상기 금속화의 광반사율％는 각각 98.8％, 97.7％, 또는 97.0％이었다.
실시예 29
은 내부 신호 전도체
은 77.0
프릿#17 0.5
에틸 셀룰로오스/텍사놀-기재 매질은 나머지에 해당한다.
은 분말은 6.0 μm의 D50 입자 크기를 가진 박편 형태를 가졌다.
LTCC 칩 캐리어와 동시소성한 후 적색(650 nm), 녹색(510 nm), 또는 청색 (475 nm)의 광파장에서 상기 금속화의 광반사율％는 은을 위쪽으로 소성하였을 때 각각 94.0％, 90.3％, 또는 88.6％이었고, 은을 아래쪽으로(즉, 세터에 면하게) 소성하였을 때 각각 94.9％, 91.5％, 또는 89.9％이었다.
실시예 30
은 외부 와이어 결합가능 전도체
은 83.4
백금 분말 0.4
금속 산화물 0.4
비스무스 삼산화물 0.5
에틸 셀룰로오스/텍사놀-기재 매질은 나머지에 해당한다.
은 분말은 2.0 μm의 D50 입자 크기를 가진 박편 형태를 가졌다.
LTCC 칩 캐리어와 동시소성한 후 적색(650 nm), 녹색(510 nm), 또는 청색 (475 nm)의 광파장에서 상기 금속화의 광반사율％는 은을 위쪽으로 소성하였을 때 각각 92.8％, 89.1％, 또는 87.9％이었고, 은을 아래쪽으로(즉, 세터에 면하게) 소성하였을 때 각각 92.4％, 88.3％, 또는 86.4％이었다.
하기 표 3에서 상기한 열 싱크 (heat sink) 물질의 TCE 및 열 전도도를 비교하였다.
결합 물질 TCE, 10-6/C 열 전도도
Cu-W 5 - 10 200 W/mK
Cu-Mo 5 - 10 200 W/mK
Cu-Mo-Cu 5 - 10 200 W/mK
Al-SiC 3 - 15 150 W/mK
BeO 5 - 7 260 W/mK
AIN 4 - 5 200 W/mK
본 발명으로 LTCC (저온 동시소성 세라믹) 테이프 조성물을 제공할 수 있으며, 상기 LTCC 테이프 조성물을 사용하여 LED 백라이트, 액정 디스플레이 (LCD) 조명, 디스플레이-관련 광원, 자동차 조명, 장식용 조명, 신호 및 광고 조명, 및 정 보 디스플레이 장치를 비롯한 (그러나, 이에 한정되는 것은 아님) 다양한 조명 장치를 위한 발광 다이오드 (LED) 칩 캐리어 및 모듈을 형성할 수 있다.

Claims (24)

  1. 2개 이상의 LTCC (저온 동시소성 세라믹) 테이프 층을 제공하는 단계;
    상기 테이프 층에 1개 이상의 공동을 형성하는 단계; 및
    상기 테이프 층에 2개 이상의 전기 바이어 (electrical via) 및 1개 이상의 열 바이어 (thermal via)를 제공하는 단계를 포함하며,
    상기 LTCC 테이프 층은 목적하는 회로 패턴을 제공하고, 상기 회로 패턴은 상기 전기 바이어를 통해 전기적으로 연결되어 기능성 칩 캐리어 (carrier)를 형성하는, 발광 다이오드 칩 캐리어의 형성 방법.
  2. 2개 이상의 LTCC 테이프 층을 제공하는 단계;
    상기 테이프 층에 1개 이상의 공동을 형성하는 단계;
    상기 테이프 층에 2개 이상의 전기 바이어 및 1개 이상의 열 바이어를 제공하는 단계; 및
    1개 이상의 기능성 발광 다이오드 칩을 제공하는 단계를 포함하며,
    상기 LTCC 테이프 층은 목적하는 회로 패턴을 제공하고, 상기 회로 패턴은 상기 전기 바이어를 통해 전기적으로 연결되어 기능성 칩 캐리어를 형성하고, 1개 이상의 기능성 발광 다이오드 칩은 상기 칩 캐리어에 설치되는, 발광 다이오드 모듈의 형성 방법.
  3. 제2항에 있어서, 1개 이상의 열 바이어가 열 싱크 (heat sink)에 연결되고, 상기 열 바이어가 상기 기능성 발광 다이오드 칩으로부터 그의 연결부를 통해 상기 열 싱크로 방출되는 열을 방산시키는 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 열 싱크가 Al, BeO, AlN, 및 Cu-W, Cu-Mo, Cu-Mo-Cu, 및 Al-SiC를 포함하는 군의 도금된 합금으로부터 선택된 물질을 포함하는 방법.
  5. 제3항에 있어서, 상기 열 싱크가 금속 코어 인쇄 회로 기판인 방법.
  6. 제3항에 있어서, 상기 발광 다이오드 칩의 색이 청색, 녹색, 적색, 황색 및 백색으로부터 선택되는 방법.
  7. 제3항에 있어서, 상기 전기 바이어 및 상기 열 바이어가 Ag, Cu, Au, Pt, Pd 및 이들의 혼합물로부터 선택된 금속을 포함하는 전도성 후막 조성물로부터 형성되는 방법.
  8. 제1항의 방법에 의해 형성되는 발광 다이오드 칩 캐리어.
  9. 제3항의 방법에 의해 형성되는 발광 다이오드 모듈.
  10. (d) 유기 매질에 분산된 (a) 유리 프릿 40 내지 70 중량％, (b) 내화성 세라믹 충전제 30 내지 60 중량％, 및 (c) 1종 이상의 무기 안료 0 내지 10 중량％ (전체 테이프 조성물의 중량％로 함)를 포함하며, 상기 내화성 세라믹 충전제 및 상기 무기 안료는 1.5 내지 3.5 범위의 내화 지수를 갖고, 상기 내화성 세라믹 충전제는 150 Mpa 이상의 굽힘 강도를 갖는, 조명 장치에 사용하기 위한 후막 유전체 테이프 조성물.
  11. 제10항에 있어서, 상기 내화성 세라믹 충전제가 알루미나인 조성물.
  12. 제10항에 있어서, 상기 무기 안료가 산화티타늄, 아황산아연, 칼슘 플루오안티모네이트, 산화지르코늄, 비산납, 삼산화안티몬, 산화주석, 규산지르코늄, 아연 스피넬, 산화알루미늄 및 이들의 혼합물로부터 선택되는 조성물.
  13. 제10항에 있어서, 상기 유리 프릿이 전체 조성물을 기준으로 하여 SiO2 55 내지 58 중량％, Al2O3 8 내지 10 중량％, PbO 16 내지 18 중량％, B2O3 3.5 내지 5.5 중량％, CaO 7 내지 9 중량％, MgO 0.4 내지 0.8 중량％, Na2O 2.1 내지 2.7 중량％, K2O 1.2 내지 2.2 중량％를 포함하는 납-함유 유리인 조성물.
  14. 제8항에 있어서, 상기 유리 프릿이 전체 조성물을 기준으로 하여 SiO2 52 내지 55 중량％, Al2O3 11.0 내지 14.5 중량％, B2O3 8 내지 9 중량％, CaO 15 내지 18 중량％, MgO 0.5 내지 3 중량％, Na2O 1.5 내지 3.0 중량％, Li2O 0.2 내지 0.6 중량％, K2O 1 내지 3 중량％, SrO 1 내지 4.5 중량％를 포함하는 납-무함유 유리인 조성물.
  15. 제9항에 있어서, 고 휘도 발광 다이오드 장치, 액정 디스플레이, 디스플레이-관련 광원, 자동차 조명, 장식용 조명, 신호 및 광고 조명, 백라이트 장치로서 액정 디스플레이 장치 및 정보 디스플레이 장치로부터 선택된 발광 다이오드 장치에 사용되는 모듈.
  16. 제9항에 있어서, 3개 이상의 기능성 발광 다이오드 칩이 상기 칩 캐리어에 설치되고, 상기 기능성 발광 다이오드 칩의 색이 백색, 적색, 녹색 및 청색으로부터 선택되는 발광 다이오드 모듈.
  17. 제16항에 있어서, 상기 기능성 발광 다이오드 칩이 0.5 와트 이상의 작동 와트량을 갖는 발광 다이오드 모듈.
  18. 제16항에 있어서, 상기 기능성 발광 다이오드 칩이 1.0 와트 이상의 작동 와 트량을 갖는 발광 다이오드 모듈.
  19. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 LTCC 테이프 층이 이산화티타늄, 아황산아연, 칼슘 플루오안티모네이트, 산화지르코늄, 비산납, 삼산화안티몬, 산화주석, 규산지르코늄, 아연 스피넬 및 이들의 혼합물로부터 선택된 무기 안료를 상기 테이프 중 전체 고체를 기준으로 하여 10 중량％ 이하로 포함하는 방법.
  20. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 열 바이어가 0.002 인치 내지 0.100 인치 범위의 직경을 갖는 방법.
  21. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 열 바이어가 0.005 인치 내지 0.025 인치 범위의 직경을 갖는 방법.
  22. 제1항 또는 제2항에 있어서, 열 바이어의 중심-대-중심 간격이 바이어 직경의 2 내지 10배인 1개 초과의 열 바이어를 포함하는 방법.
  23. 제1항 또는 제2항에 있어서, 열 바이어의 중심-대-중심 간격이 바이어 직경의 2 내지 5배인 1개 초과의 열 바이어를 포함하는 방법.
  24. 제3항에 있어서, 상기 칩 캐리어가 상기 열 싱크로 납땜에 의해 연결되는 방 법.
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