KR20070036375A

KR20070036375A - 백색 발광소자 패키지

Info

Publication number: KR20070036375A
Application number: KR1020050091322A
Authority: KR
Inventors: 김현호; 최석문; 신상현; 이영기
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2005-09-29
Filing date: 2005-09-29
Publication date: 2007-04-03
Also published as: KR100735371B1

Abstract

본 발명은 복수의 발광칩을 포함한 발광다이오드 패키지 제조방법에 관한 것으로서, 특히 백색 발광다이오드 패키지에 관한 것이다. 본 발명은 각각 서로 다른 파장광을 생성하며, 반대되는 도전형 반도체층이 전기적으로 연결되도록 공융접합층에 의해 접합된 복수의 발광다이오드와, 상기 복수의 발광다이오드가 모두 구동될 수 있도록 대향하는 양 단면에 형성된 제1 및 제2 전극을 구비한 발광다이오드 어셈블리와, 상면에 형성된 제1 및 제2 본딩패드와 하면에 형성된 제1 및 제2 범프패드 및 상기 제1 및 제2 범프패드와 제1 및 제2 본딩패드를 연결하는 제1 및 제2 도전성 구조물을 구비하며, 상기 제1 및 제2 전극이 상기 제1 및 제2 본딩패드와 연결되도록 상기 발광다이오드 어셈블리가 실장된 서브 마운트 기판를 포함하는 발광다이오드 패키지를 제공한다.

발광다이오드(light emitting diode), 공융접합(eutectic bonding), 열방출(heat dissipation)

Description

백색 발광소자 패키지{WHITE LIGHT EMITTING DEVICE PACKAGE}

도1은 종래의 백색 발광소자 패키지의 일예를 나타내는 측단면도이다.

도2는 종래의 백색 발광소자 패키지의 다른 예를 나타내는 측단면도이다.

도3a는 본 발명의 일실시형태에 따른 백색 발광소자 패키지를 나타내는 측단면도이며, 도3b는 도3a에 채용되는 백색 발광소자를 나타낸다.

도4a 내지 도4c는 본 발명에 채용되는 백색 발광소자의 웨이퍼레벨 제조공정을 나타내는 공정단면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호설명>

30: 발광다이오드 어셈블리 32,34,36: 발광다이오드

41: 패키지 구조물 41a: 서브 마운트 기판

41b: 반사구조물 44a: 본딩패드

44b: 도전성 비아홀 44c: 범프패드

45a,45b: 공융접합층 46,47: 제1 및 제2 솔더

본 발명은 백색 발광 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게 적색광, 녹색광 및 청색광을 발산할 수 있는 활성층이 단일 소자로 구현된 백색 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 백색 발광 소자는 조명장치 또는 디스플레이 장치의 백라이트로 널리 사용된다. 이러한 백색 발광 소자는 형광체를 이용하는 방식과 개별 LED로 제조된 청색, 적색 및 녹색 LED를 단순 조합하는 방식이 알려져 있다.

우선, 형광체를 이용하여 백색 발광소자를 제조하는 방법으로는, 청색 발광소자를 이용하는 방법과 자외선 발광소자를 이용하는 방법이 있다. 예를 들어, 청색 발광소자를 이용하는 경우에는 YAG 형광체를 이용하여 청색광을 백색광으로 파장 변환한다. 즉, 청색 LED로부터 발생된 청색파장이 YAG(Yittrium Aluminum Garnet)형광체를 여기시켜 최종으로 백색광을 발광시킬 수 있다.

도1은 종래의 YAG형광체를 이용한 백색 발광소자(20)의 전체 구조를 나타내는 단면도이다. 도1a을 참조하면, 상기 리드프레임(12)의 캡에 실장된 InGaN계 청색 LED(10)와 상기 캡 내부에서 청색 LED(10) 주위를 둘러싼 YAG 형광체(15)가 도시되어 있다. 또한, 상기 청색 LED(10)는 캡구조를 갖는 양극 리드프레임(12)과 음극 리드플레임(14)에 와이어(11,13)로 각각 연결되며, 청색 LED(10)가 위치한 전체 리드프레임(12,14) 상부는 투명한 재질(17)로 몰딩된다.

상기 리드프레임(12,14)을 통해 전원이 인가되어 InGaN계 청색 LED(10)로부터 청색광이 발광되면, 그 일부의 청색광은 YAG 형광체(15)를 여기시킨다. 이 때에 YAG형광체는 InGaN 청색 LED(10)의 피크파장인 460㎚에서 여기되는 특성을 가지므로, 황록색의 형광으로 발광한다. 이와 같이 YAG 형광체(15)를 통해 얻어진 황록색의 형광은 청색 LED(10)로부터 직접 발산되는 다른 일부의 청색광과 합성되어, 최종적으로 백색광을 발광하게 된다.

도1에 도시된 종래의 백색 발광소자는 삼색(RGB)에 해당하는 각색 LED를 사용할 때에 요구되는 전류조절이 필요하지 않다는 잇점이 있다. 이와 유사하게, 자외선광 LED와 RGB 삼색 형광체를 조합하여 백색광을 얻는 방법도 있다.

하지만. 이와 같이 형광체의 파장변조를 이용하는 경우에는, 형광체 여기시 광효율이 감소하거나, 색보정지수가 저하되는 단점이 있다.

다른 종래의 기술로는, 삼색(RGB)에 해당하는 각색 LED를 조합하는 백색 발광소자가 있을 수 있다. 이러한 백색 발광소자의 다른 예는 도2에 도시되어 있다. 도2를 참조하면, 백색 발광소자(30)는 이미 완성된 각각의 LED(23,25,27)로 구성되며, 각 LED는 와이어(22)를 통해 하나의 인쇄회로기판(21)에 실장된다. 도1b에 도 시된 백색 발광소자(30)는 각 LED(23,25,27)로부터 발산된 다른 색의 광(예를 들어, RGB)이 합성되어 백색광을 생성하게 된다.

이러한 백색 LED는 형광체로 인한 문제를 해결하여 우수한 색감을 얻을 수 있으나, 각 LED를 제조하여 하므로 제조원가가 상승할 뿐만 아니라, 원하는 백색광을 얻기 위해서, 각 LED의 전류를 조절해야 하고, 이를 위한 복잡한 회로 구성이 요구되는 문제가 있다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제를 해결하기 위한 것으로서, 그 목적은 2개의 이상의 다른 파장을 발광하는 발광다이오드를 공융접합층을 이용하여 수직방향으로 연결함으로써 보다 간소화된 공정을 통해 우수한 색감을 나타낼 뿐만 아니라, 열방출에 유리한 실장구조를 갖는 새로운 발광다이오드 패키지를 제공하는데 있다.

상기한 기술적 과제를 달성하기 위해서, 본 발명은,

각각 서로 다른 파장광을 생성하며, 반대되는 도전형 반도체층이 전기적으로 연결되도록 공융접합층에 의해 접합된 복수의 발광다이오드와, 상기 복수의 발광다이오드가 모두 구동될 수 있도록 대향하는 양 단면에 형성된 제1 및 제2 전극을 구 비한 발광다이오드 어셈블리와, 상면에 형성된 제1 및 제2 본딩패드와 하면에 형성된 제1 및 제2 범프패드 및 상기 제1 및 제2 범프패드와 제1 및 제2 본딩패드를 연결하는 제1 및 제2 도전성 구조물을 구비하며, 상기 제1 및 제2 전극이 상기 제1 및 제2 본딩패드와 연결되도록 상기 발광다이오드 어셈블리가 실장된 서브 마운트 기판를 포함하는 발광다이오드 패키지를 제공한다.

바람직하게, 상기 발광다이오드 어셈블리는 상기 복수의 발광다이오드의 일 측면이 연결되어 거의 평면으로 이루어진 일 측면을 가지며, 상기 발광다이오드 어셈블리는 상기 평탄한 측면이 상기 서브 마운트 기판 상면에 접하도록 실장될 수 있다. 이러한 실장구조는 소자와 기판과 접하는 면적을 증가시킬 수 있으므로, 열방출측면에서 매우 유리하다.

본 발명의 구체적인 실시형태에서, 상기 복수의 발광다이오드는 백색 발광을 위해 조합된 각각 적색, 녹색 및 청색 발광다이오드일 수 있다. 또한, 상기 서브 마운트 기판의 상면에 배치되어 상기 발광다이오드 어셈블리를 둘러싸는 경사면을 갖는 반사구조물을 더 포함할 수 있다.

본 발명은 실시형태에 따라, 상기 복수의 발광다이오드 중 적어도 하나는 제1 도전형 반도체층과 접하는 도전성 기판을 포함할 수도 있다. 이 경우에, 상기 공융접합층은 일 발광다이오드의 도전성 기판과 다른 발광다이오드의 제2 도전형 반 도체층 사이에 형성될 것이다. 본 발명에 바람직하게 채용가능한 공융접합층은 Au/Sn일 수 있다.

또한, 본 발명은 상기한 패키지구조에 채용되는 발광다이오드 어셈블리의 제조방법을 제공한다. 상기 제조방법은, 각각 서로 다른 파장광을 생성하는 발광다이오드를 위한 제1 및 제2 도전형 반도체층과 그 사이의 활성층을 갖는 복수의 웨이퍼를 마련하는 단계와, 일 웨이퍼의 제1 도전형 반도체층과 다른 웨이퍼의 제2 도전형 반도체층이 전기적으로 접속되도록 공융접합층을 이용하여 상기 복수의 웨이퍼를 접합시키는 단계와, 상기 공융접합된 복수의 웨이퍼를 칩단위로 절단함으로써 발광다이오드 어셈블리를 형성하는 단계를 포함한다. 이와 같은 절단공정을 통해 얻어진 면은 평탄한 면으로서, 상기 발광다이오드 어셈블리의 실장면으로 제공될 수 있다.

본 발명의 구체적인 실시형태에서, 상기 복수의 웨이퍼를 절단하는 단계 전에, 상기 접합된 복수의 웨이퍼의 상면과 하면에 각각 본딩전극을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

도3a는 본 발명의 일실시형태에 따른 백색 발광소자 패키지를 나타내는 측단면도이다.

도3a에 도시된 바와 같이, 본 실시형태에 따른 백색 발광소자 패키지는 발광다이오드 어셈블리(30)와 상기 발광다이오드 어셈블리(30)가 실장된 패키지구조물(41)을 포함한다.

상기 패키지구조물(41)은 서브마운트기판(41a)과 그 상면에 형성된 반사구조물(41b)을 포함할 수 있다. 상기 서브마운트기판(41a)은 상면에 형성된 제1 및 제2 본딩패드(44a)와 하면에 형성된 제1 및 제2 범프패드(44c)를 포함하며, 상기 제1 및 제2 본딩패드(44a)와 제1 및 제2 범프패드(44c)는 각각 제1 및 제2 도전성 비아홀(44b)에 연결된다. 또한, 본 실시형태는 발광휘도를 향상시키기 위해서 상기 반사구조물(41b) 상면에 렌즈(47)를 추가적으로 장착할 수 있다.

이러한 패키지구조물(41)과 도전성 연결구조는 다양한 형태로 변경될 수 있다. 예를 들어, 서브 마운트 기판의 상부에 측면이 상부로 향해 경사진 캐비티를 형성하여 반사구조물(41b)을 대체할 수 있으며, 상기 제1 및 제2 도전성 비아홀(44b)은 서브 마운트 기판(41a)의 측면을 따라 연장된 도전성 라인에 의해 대체될 수 있다.

상기 발광다이오드 어셈블리(30)는, 공융접합층(32)에 의해 3개의 발광다이오드(32,34,36)가 수직방향으로 접합된 구조를 갖는다. 상기 발광다이오드 어셈블리(30)는 상기 서브 마운트 기판(41a) 상에 실장되며, 그 양측단에 마련된 전극(도3b의 37a,39b)은 솔더(46)에 의해 제1 및 제2 본딩패드(44a)에 전기적으로 연결된 다. 특히, 상기 발광다이오드 어셈블리(30)의 일 측면이 실장면으로 제공되며, 서브 마운트 기판(41a)의 상면에 밀착될 수 있도록 거의 평탄한 면을 갖는다.

이러한 실장방식에서는, 상기 발광다이오드 어셈블리(30)는 솔더(46)를 통해 제1 및 제2 본딩패드(44a)로 열방출(A)이 이루어질 뿐만 아니라, 비교적 넓은 면적인 발광다이오드 어셈블리(30)의 측면으로부터 기판(41a)으로의 열방출(B)이 용이하게 이루어질 수 있다는 장점이 있다.

또한, 본 발명에서 채용되는 발광다이오드 어셈블리는 실질적으로 서로 다른 파장광을 생성하는 3개의 발광다이오드를 서로 다른 도전형 반도체층이 접속되도록 직렬로 연결함으로써 2개의 전극만으로 구동시킬 수 있는 구조를 갖는다. 따라서, 실질적으로 3개의 발광다이오드를 구현함으로써 백색광을 얻고자 하는 경우에도, 발광다이오드 어셈블리를 구동하는데 있어서 단일한 발광다이오드와 유사한 형태의 간단한 배선구조만이 요구된다.

이러한 발광다이오드 어셈블리(30)는 도3b을 통해 보다 상세히 설명될 수 있다. 도3b는 도3a의 패키지에 채용된 발광다이오드 어셈블리로서, 3개의 발광다이오드와 이를 연결하는 공용접합층을 포함한다. 상기 3개의 발광다이오드(32,34,36)는 제1 및 제2 도전형 반도체층(32a,34a,36a 및 32c,34c,36c) 사이에 각각 적색, 녹색 및 청색을 생성할 수 있는 활성층(32b,34b,36b)을 구비한다.

도3b를 참조하면, 상기 발광다이오드 어셈블리(30)는 일 발광다이오드의 제1 도전형 반도체층(34a,36a)이 다른 발광다이오드의 제2 도전형 반도체층(32b,34b)에 접속되도록 공융접합층(45a,45b)에 의해 나란히 접합된 3개의 발광다이오드(32,34,36)를 포함한다. 앞서 설명한 바와 같이, 이러한 직렬 배열을 통해 양단에 마련된 전극(37a,39b)에 전압을 인가함으로써 3개의 발광다이오드(32,34,36)가 동시에 구동시킬 수 있다.

본 발명에서는 발광다이오드를 접착하기 위해서 공융접합층이 사용된다. 이러한 공융접합층은 200∼300℃ 온도에서 융착될 수 있는 Au/Sn이 바람직하게 사용될 수 있으나, 이에 한정되지 않으며, 반도체 결정이 손상되지 않는 온도에서 전도성을 보장하면서 발광다이오드의 접합을 실현할 수 있는 금속/합금이면 유용하게 사용될 수 있다.

본 실시형태와 같이, 각 발광다이오드는 제1 및 제2 도전형 반도체층에 접속된 제1 및 제2 전극을 포함할 수 있으며, 상기 공융접합층은 각 전극을 연결하는 방식으로 제공될 수 있다. 나아가, 도3b에는 도시되지 않았으나, 상기 발광다이오드 중 도전성 기판을 채용하는 발광다이오드는 도전성 기판을 포함한 형태일 수 있다. 다만, 질화물 발광 다이오드를 제조하기 위해서 성장기판으로서 절연성 기판인 사파이어 기판을 사용하는 경우에는 상술된 직렬 도통구조를 얻기 위해서 그 절연성 기판을 제거하여야 한다.

본 발명에서 채용되는 발광다이오드 어셈블리는 공융접합층을 이용하므로, 대량 생산에 적합하도록 웨이퍼 레벨에서 제조될 수 있다. 도4a 내지 도4c는 본 발명에 채용되는 백색 발광소자의 웨이퍼레벨 제조공정을 나타내는 공정단면도이다.

우선, 도4a와 같이, 각각 제1 및 제2 파장광을 생성하는 발광다이오드를 위한 에피택셜층이 성장된 제1 및 제2 웨이퍼(50,60)를 마련한다. 상기 제1 및 제2 발광구조 웨이퍼(50,60)는 각각 적절한 반도체 물질을 성장시켜 얻어진 제1 및 제2 도전형 반도체층(52,56 62,66)과 그 사이의 활성층(55,65)을 포함한다. 또한, 본 실시형태에서는, 성장용 기판(51,61)이 각각 도전성 기판이므로, 각 제1 및 제2 전극(57a,67a 및 57b,67b)은 각 도전성 기판(51,61) 하면과 제2 도전형 반도체층(56,66) 상면에 형성될 수 있다.

이어, 도4b와 같이, 상기 제1 웨이퍼(50)의 기판(51)에 형성된 제1 전극(57a)과, 상기 제2 웨이퍼(60)의 제2 도전형 반도체층(66) 상에 형성된 제2 전극(67b)은 공융접합층(75)에 의해 접합된다. 상기 공융접합층(75)은 Au/Sn일 수 있다. 이 경우에 200∼300℃의 온도조건에서 압착시킴으로써 제1 및 제2 발광구조 웨이퍼를 직렬로 연결시킬 수 있다.

본 실시형태에서는, 각 웨이퍼(50,60)에 제1 및 제2 전극(57a,57b 및 67a,67b)을 형성한 형태로 예시되어 있으므로, 각 전극을 통해 연결되는 방식으로 설명되었으나, 접합될 면에 전극(57a,67b)이 형성되지 않거나 기판(51)이 제거된 상태에서 상기 제1 웨이퍼(50)의 제1 도전형 반도체층(52)과 상기 제2 웨이퍼(60)의 제2 도전형 반도체층(67)이 직접 접합되는 방식으로도 변형될 수 있다. 이와 같이, 본 발명에서는 각 칩 사이즈로 절단되기 전에 웨이퍼 상태에서 서로 다른 파장을 갖도록 설계된 발광다이오드의 에피택셜 구조를 직렬로 연결하여 수직방향이 양 단자를 통해 동시에 구동시킬 수 있다는데 주요한 특징이 있다.

또한, 상기 결과물의 상하면에 위치한 전극은 최종적으로 전극으로 제공되므로, 본 단계에서 각 전극(67a,57b) 표면 상에 Au와 같은 본딩전극(미도시)을 도금할 수 있다.

끝으로, 도4c와 같이, 원하는 칩크기의 발광다이오드 어셈블리(100)가 형성되도록, 상기 공융접합된 복수의 웨이퍼(50,60)를 절단한다. 이와 같은 절단공정을 통해 얻어진 절단면 중 하나는 상기 발광다이오드 어셈블리(100)의 실장면(100a)으로 제공된다. 앞서 설명한 바와 같이, 실장면(100a)은 열방출기능을 갖는 서브 마운트기판에 직접 접촉하므로, 열방출효과를 향상시킬 수 있다.

도4a 내지 도4c의 공정예에서는 보다 용이한 이해를 위해서 2개의 발광구조 웨이퍼를 사용하는 제조공정을 설명하였으나, 당 기술분야에 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 바와 같이, 도3b와 같은 발광다이오드 어셈블리를 제조하기 위해서, 3개 또는 그 이상의 웨이퍼를 사용할 수도 있다.

본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위 에 속한다고 할 것이다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 2개의 이상의 다른 파장을 발광하는 발광다이오드를 공융접합층을 이용하여 수직방향으로 연결함으로써 보다 간소화된 공정을 통해 우수한 색감을 갖는 백색 발광다이오드 패키지를 제공할 수 있다. 나아가, 공융접합층에 의해 발광다이오드를 직렬로 접합시킴으로써 복수의 발광다이오드는 양단의 전극을 통해 구동시킬 수 있으므로, 패키지의 배선구조를 간소화할 수 있으며, 어셈블리체의 비교적 넓은 측면면적을 이용하여 열방출효과를 향상시킬 수 있다.

Claims

각각 서로 다른 파장광을 생성하며, 반대되는 도전형 반도체층이 전기적으로 연결되도록 공융접합층에 의해 접합된 복수의 발광다이오드와, 상기 복수의 발광다이오드가 모두 구동될 수 있도록 대향하는 양 단면에 형성된 제1 및 제2 전극을 구비한 발광다이오드 어셈블리; 및

상면에 형성된 제1 및 제2 본딩패드와 하면에 형성된 제1 및 제2 범프패드 및 상기 제1 및 제2 범프패드와 제1 및 제2 본딩패드를 연결하는 제1 및 제2 도전성 구조물을 구비하며, 상기 제1 및 제2 전극이 상기 제1 및 제2 본딩패드와 연결되도록 상기 발광다이오드 어셈블리가 실장된 서브 마운트 기판를 포함하는 발광다이오드 패키지.
제1항에 있어서,

상기 발광다이오드 어셈블리는 상기 복수의 발광다이오드의 일 측면이 연결되어 거의 평면으로 이루어진 일 측면을 가지며,

상기 발광다이오드 어셈블리는 상기 평탄한 측면이 상기 서브 마운트 기판 상면에 접하도록 실장된 것을 특징으로 하는 발광다이오드 패키지.
제1항에 있어서,

상기 복수의 발광다이오드는 각각 적색, 녹색 및 청색 발광다이오드인 것을 특징으로 하는 발광다이오드 패키지.
제1항에 있어서,

상기 복수의 발광다이오드 중 적어도 하나는 제1 도전형 반도체층과 접하는 도전성 기판을 포함하며,

여기서 상기 공융접합층은 일 발광다이오드의 도전성 기판과 다른 발광다이오드의 제2 도전형 반도체층 사이에 형성되는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 패키지.
제1항에 있어서,

상기 공융접합층은 Au/Sn인 것을 특징으로 하는 발광다이오드 패키지.
제1항에 있어서,

상기 서브 마운트 기판의 상면에 배치되어 상기 발광다이오드 어셈블리를 둘러싸는 경사면을 갖는 반사구조물을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 패키지.
각각 서로 다른 파장광을 생성하는 발광다이오드를 위한 제1 및 제2 도전형 반도체층과 그 사이의 활성층을 갖는 복수의 웨이퍼를 마련하는 단계;

일 웨이퍼의 제1 도전형 반도체층과 다른 웨이퍼의 제2 도전형 반도체층이 전기적으로 접속되도록 공융접합층을 이용하여 상기 복수의 웨이퍼를 접합시키는 단계; 및

상기 공융접합된 복수의 웨이퍼를 칩단위로 절단함으로써 발광다이오드 어셈블리를 형성하는 단계 - 여기서, 상기 절단면 중 하나는 상기 발광다이오드 어셈블리의 실장면으로 제공되도록 평탄한 면을 가짐-를 포함하는 발광다이오드 어셈블리 제조방법.
제7항에 있어서,

상기 복수의 웨이퍼 중 적어도 하나는 제1 도전형 반도체층과 접하는 도전성 기판을 포함하며, 상기 접합단계에서 상기 공융접합층은 상기 일 웨이퍼의 도전성 기판과 다른 웨이퍼의 제2 도전형 반도체층 사이에 형성되는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 어셈블리 제조방법.
제7항에 있어서,

상기 복수의 웨이퍼는 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층에 각각 접속된 전극을 포함하며, 상기 접합단계에서 상기 공융접합층은 상기 일 웨이퍼의 제2 전극과 다른 웨이퍼의 제1 전극이 사이에 형성되는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 어셈블리 제조방법.
제7항에 있어서,

상기 복수의 웨이퍼를 절단하는 단계 전에, 상기 접합된 복수의 웨이퍼의 상면과 하면에 각각 본딩전극을 형성하는 단계를 더 포함하는 발광다이오드 어셈블리 제조방법.