KR20070104069A - 표면실장형 발광 다이오드 소자의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 표면실장형 발광 다이오드 소자에 관한 것으로서, 특히, 한 쌍의 리드 단자로 형성된 리드프레임과, 상기 리드프레임의 일부를 내측에 수용하고, 빛이 방사되도록 오픈된 방사창을 가지도록 형성된 패키지와, 상기 패키지 내부의 리드프레임 상에 실장된 LED 칩과, 상기 LED 칩과 상기 리드프레임의 통전을 위한 와이어 및 상기 패키지 내부에 충진되되, 상기 패키지의 방사창을 통해 노출되는 표면에 소정 형상의 표면요철 구조를 가지는 몰딩재를 포함하는 표면실장형 발광 다이오드 소자에 관한 것이다.
발광다이오드, 패키지, 몰딩재, 전반사, 광추출

Description

표면실장형 발광 다이오드 소자{SURFACE MOUNTING LIGHT EMITTING DIODE DEVICE}
도 1은 종래 기술에 따른 표면실장형 발광 다이오드 소자의 구조를 나타낸 개략도.
도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ'선을 따라 잘라 도시한 단면도.
도 3은 종래 몰딩재와 진공과의 경계면에서 내부 전반사에 의한 소자의 휘도 저하를 설명하기 위한 개념도.
도 4는 종래 기술에 따른 또 다른 표면실장형 발광 다이오드 소자의 구조를 나타낸 단면도.
도 5는 본 발명에 따른 표면실장형 발광 다이오드 소자의 구조를 나타낸 단면도.
도 6은 일반적인 이온빔 식각 챔버를 나타낸 개략도.
도 7은 이온 조사량에 따른 봉지재의 표면 상태 변화를 나타낸 도면.
도 8은 본 발명이 적용되는 스넬의 법칙을 설명하기 위한 개념도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 : 표면실장형 발광 다이오드 110 : 인쇄회로기판
120 : 패키지 130 : 리드 단자
140 : LED 칩 150 : 와이어
160 : 몰딩재 170 : 접착층
180 : 렌즈 200 : 이온빔 식각 챔버
본 발명은 발광 다이오드 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 패키지의 방사창을 통해 노출된 몰딩재 표면으로 방사되는 광의 추출 효율을 향상시킬 수 있는 표면실장형 발광 다이오드 소자에 관한 것이다.
일반적으로, 발광 다이오드(Light Emitting Diode, 이하, 'LED'라 한다)는 GaAs, AlGaAs, GaN, InGaInP 등의 화합물 반도체(compound semiconductor) 재료의 변경을 통해 발광원을 구성함으로써, 다양한 색의 빛을 구현할 수 있는 반도체 소자를 말한다.
최근 LED 소자는 비약적인 반도체 기술의 발전에 힘입어, 저휘도의 범용제품에서 탈피하여, 고휘도, 고품질의 제품 생산이 가능해졌다. 또한, 고특성의 청색(blue)과 백색(white) 다이오드의 구현이 현실화됨에 따라서, LED 소자는 디스플레이, 차세대 조명원 등으로 그 응용가치가 확대되고 있다. 그의 일 예로서, 표면실장(Surface mounting device) 형태의 LED 소자가 제품화되고 있다.
그러면, 이하 도 1 내지 도 4를 참조하여 종래 기술에 따른 표면실장형 LED 소자에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
우선, 도 1은 종래 기술에 따른 표면실장형 LED 소자의 구조를 나타낸 개략도로서, 종래 기술에 따른 표면실장형 LED 소자(100)는, 몰딩 에폭시 수지 등으로 이루어진 패키지(120)를 가지며, 상기 패키지(120)의 소정면은 빛이 방사되기 용이하도록 오픈된 방사창이 형성되고, 다른 면에는 인쇄회로기판(110)에 장착되도록 리드프레임을 형성하는 한 쌍의 리드 단자(130)가 돌출되어 있다. 또한, 상기와 같이 구성된 패키지(120)의 내부에는 LED 칩(도시하지 않음)이 그 발광면이 상기 방사창을 향하도록 배치되며, 와이어(도시하지 않음)를 통해 상기 한 쌍의 리드 단자(130)와 LED 칩이 전기적으로 연결되어 있다.
도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ'선을 따라 잘라 도시한 단면도로서, 종래 기술에 따른 표면실장형 LED 소자의 구조를 상세히 나타낸 도면이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 종래 기술에 따른 표면실장형 LED 소자(100)는, 한 쌍의 리드 단자(130)와, 상기 리드 단자(130)의 일부를 내측에 수용하도록 형성된 패키지(120)와, 상기 패키지(120) 내부의 리드 전극(130) 상에 실장된 LED 칩(140)과, 상기 LED 칩(140)과 상기 리드 전극(130)의 통전을 위한 와이어(150)와, 상기 패키지(120) 내부에 충진되어 LED 칩(140) 및 와이어(150)를 보호하는 몰딩재(160)로 이루어진다.
특히, 상기 LED 칩(140)을 보호하기 위한 몰딩재(160)는 구현하려는 LED 칩(140)의 색상에 따라 투명 재료나 형광체가 포함되어 있는 투광성 수지로 이루어져 있다.
한편, 일반적으로 발광 다이오드 소자의 특성을 결정하는 일반적인 기준은 색(color), 휘도, 휘도의 세기 범위 등이며, 이러한 LED 칩의 특성은 1차적으로 LED 칩에 사용되는 화합물 반도체의 재료에 의해 결정되지만, 부수적으로 LED 칩을 실장하기 위한 패키지의 구조 및 그에 채워진 몰딩재에 영향을 받는다. 특히, 이러한 패키지 구조의 내부에 충진되어 LED 칩을 보호하는 몰딩재는 휘도와 휘도의 각 분포에 큰 영향을 미치게 된다.
그런데, 상술한 종래의 표면실장형 LED 소자는, 도 3에 도시한 바와 같이, 몰딩재와 대기 즉, 진공과의 경계면에서 두 매질의 큰 굴절률 차이로 인해 몰딩재의 표면에서 광의 일부가 내부 전반사되는 바, 몰딩재 없이 LED 칩 상태에서 발광하는 광도에 비하여 발광하는 광도가 낮아져 광효율이 떨어지게 되는 문제가 있다.
여기서, 도 3은 종래 몰딩재와 진공과의 경계면에서 내부 전반사에 의한 소자의 휘도 저하를 설명하기 위한 개념도이다.
따라서, 최근 몰딩재를 이용하는 표면실장형 LED 소자의 경우에, 몰딩재에 의한 광의 내부 전반사를 최소화하여 LED 칩의 발광 광도를 증가시키기 위한 방법이 요구되고 있다.
따라서, 종래에는 도 4에 도시한 바와 같이, 상기 패키지(120)의 방사창을 통해 노출된 몰딩재(160)의 표면 상에 접착층(170)을 사용하여 반구형의 렌즈(180)를 부착함으로써, 상기 몰딩재(160)의 표면에서 LED 칩(140)에서 발광하는 광이 내 부 전반사되는 것을 방지하는 동시에 광의 경로를 조절하여 광 추출 효율을 향상시킬 수 있었다.
그러나, 상술한 종래의 표면 실장형 LED 소자는, 상기 렌즈(180) 높이로 인하여 전체적인 높이가 증가하므로, 높이 제약이 있는 제품의 경우에 사용하기 어려우며, 상기 접착층(170)으로 수분 및 UV 등이 침투하여 신뢰성 및 특성이 낮아지는 문제가 있다.
또한, 상기 몰딩재(160)의 표면에 렌즈(180)를 부착하기 위해선, 렌즈 제작 공정과 정확한 위치 정렬 공정 및 접착 공정 등과 같은 별도의 추가 공정이 필요하며, 이는 발광 다이오드 소자의 제조 비용을 증가시킬 뿐만 아니라 전반적인 제조 공정 시간 또한 증가시켜, 결국 표면실장형 LED 소자의 제조 수율을 감소시키는 문제가 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 패키지의 방사창을 통해 노출된 몰딩재를 투과하는 광이 몰딩재의 표면에서 내부 전반사되는 것을 방지하여 광 추출 효율을 향상시킬 수 있는 표면실장형 LED 소자에 관한 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 한 쌍의 리드 단자로 형성된 리드 프레임과, 상기 리드프레임의 일부를 내측에 수용하고, 빛이 방사되도록 오픈된 방사창을 가지도록 형성된 패키지와, 상기 패키지 내부의 리드프레임 상에 실장된 LED 칩과, 상기 LED 칩과 상기 리드프레임의 통전을 위한 와이어 및 상기 패키지 내부에 충진되되, 상기 패키지의 방사창을 통해 노출되는 표면에 소정 형상의 표면요철 구조를 가지는 몰딩재를 포함하는 표면실장형 LED 소자를 제공한다.
또한, 상기 본 발명의 표면실장형 LED 소자에서, 상기 몰딩재는 상기 패키지에 실장된 LED 칩 및 와이어를 보호하는 동시에 LED 칩에서 발광하는 광을 외부로 투과시키기 위해 투명 에폭시, 실리콘 또는 형광체 혼합물 중 선택된 어느 하나로 이루어짐이 바람직하다.
또한, 상기 본 발명의 표면실장형 LED 소자에서, 상기 표면요철은, 하나 이상의 라인으로 이루어짐이 바람직하며, 이는 이온빔 식각 공정을 통해 형성됨이 바람직하다. 이때, 상기 이온빔 식각 공정은, 몰딩재와 식각 이온이 화학 반응하는 것을 방지하기 위하여 물리적 식각이 가능한 아르곤(Ar) 이온을 식각 이온으로 사용하는 것이 바람직하다.
이하 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 병기 하였다.
이제 본 발명의 일 실시예에 따른 표면실장형 LED 소자에 대하여 도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.
먼저, 도 5를 참고하여 본 발명의 일 실시예에 따른 표면실장형 LED 소자에 대하여 상세히 설명한다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 표면실장형 LED 소자의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 5에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 표면실장형 LED 소자(100)는, 투명 합성수지재 또는 불투명 합성수지재 둘 중 어느 하나로 이루어진 패키지(120)를 가지며, 상기 패키지(120)의 소정면은 빛이 방사되기 용이하도록 오픈된 방사창이 형성되고, 다른 면에는 인쇄회로기판(도시하지 않음)에 장착되도록 리드프레임을 형성하는 한 쌍의 리드 단자(130)의 일부분이 돌출되어 있다.
그리고, 상기와 같이 구성된 패키지(120)의 내부에는 LED 칩(140)이 그 발광면이 상기 방사창을 향하도록 배치되며, 와이어(150)에 의해 상기 리드 단자(130)와 LED 칩(140)이 연결되어 있다.
상기 LED 칩(140)은 리드프레임 상에 실장되어 있으며, 상기 LED 칩(140)이 실장된 패키지(120) 내부에는 LED 칩(140) 및 와이어(150)를 보호하는 몰딩재(160)가 충진되어 있다. 여기서, 상기 몰딩재(160)는, 패키지(120)에 실장된 LED 칩(140)에서 발광하는 광을 외부로 투과시키기 위해 투명 에폭시, 실리콘 또는 형광체 혼합물 중 선택된 어느 하나로 이루어짐이 바람직하다.
또한, 상기 패키지(20)의 방사창을 통해 노출된 몰딩재(80)의 표면에는 소정형상을 가지는 표면요철(165)이 형성되어 있다. 이는, 상기 LED 칩(140)에서 발광하는 광이 밀한 매질인 몰딩재(160)에서 소한 매질인 진공으로 방사될 때, 두 매질 간의 경계면에서 입사하는 광의 임계각을 크게 하여 경계면 상에서 전반사의 확률을 최소화시키는 역할을 한다.
특히, 본 발명에 따른 상기 표면요철(165)은, 하나 이상의 라인으로 이루어져 있으며, 이는 이온빔 식각 공정을 통해 형성할 수 있다. 이때, 상기 라인은 직선, 곡선 및 단일 폐곡선으로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나로 이루어진다.
본 발명에 따른 표면요철은, 이온빔 식각 공정을 통해 형성하며, 이러한 식각 공정은 도 6에 도시한 바와 같은, 이온빔 식각 챔버(200)를 사용하여 진행한다. 여기서, 도 6은 일반적인 이온빔 식각 챔버를 나타낸 개략도이다.
보다 상세하게, 본 발명에 따른 표면요철(165)은, 이온빔 식각 챔버(200)의 베이스 플레이트(base plate; 210) 상에 복수의 표면실장형 LED 소자(100)를 로딩한 다음, 상기 베이스 플레이트(200) 상에 로딩된 표면실장형 LED 소자(100)에 이온 건(ion gun; 220)을 사용하여 식각 이온을 조사하여 형성한다.
한편, 본 발명은 상기 이온빔 식각 공정 시, 식각 이온이 몰딩재와 화학 반응하는 것 예를 들어, 몰딩재가 산화되는 것을 방지하기 위하여 아르곤(Ar) 이온을 식각 이온으로 사용하여 물리적 식각하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 베이스 플레이트(200)에 조사되는 이온빔의 직경은 약 10 내지 20㎝로 하여 비교적 넓은 면적에 조사되도록 하는 것이 바람직하다. 이는 한 번의 이온빔 식각 공정을 통해 많은 양의 표면실장형 LED 소자 또는 대면적을 가지는 표면실장형 LED 소자의 몰딩재 표면에 표면요철을 용이하게 형성하기 위함이다.
특히, 본 발명에 따른 표면요철은 식각 이온의 이온 조사량에 따라 서로 다른 깊이와 폭을 가지므로, 소자의 특성 및 공정 조건에 따라 이온 조사량을 조절하여 최상의 광 추출 효율을 가지게 하는 것이 바람직하다.
이는 하기 표 1 및 도 7을 통해 좀 더 명확하게 알 수 있다.
Figure 112006027963737-PAT00001
도 7은 상기 표 1에 나타낸 이온 조사량에 따른 봉지재의 표면 상태 변화를 나타낸 도면으로, AFM(Atomic Force Microscope) 사진 및 시뮬레이션 결과이다.
본 실시예에 따른 표면요철은, [표 1]과 도 7을 참조하면, 이온 조사량이 증가하면 요철패턴의 깊이가 깊어지고 폭은 작아지며, 그에 따른 광 추출 효율은 증가함을 알 수 있었다.
그러면, 이하, 도 8을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 몰딩재의 표면요철의 작용에 대하여 보다 상세하게 설명한다.
우선, 굴절은, 빛이 투명한 다른 재질에 입사할 때 똑바로 들어가지 못하고 꺾인 후에 다시 똑바로 나아가는 현상을 말한다. 또한, 굴절할 때 꺾이는 정도를 굴절률이라 하며, 진공 상태를 기준으로 정해진 굴절률을 절대 굴절률이라 하는데, 이 절대 굴절률을 흔히 굴절률이라 통칭한다.
예를 들어, 진공에서 빛의 속도를 C, 매질 내에서의 빛의 속도를 V라 하면, 굴절률은 하기 [수학식 1]과 같이 나타난다.
굴절률 n = C/V
매질 진공 공기(STP)b 물 아세톤 보통유리 사파이어 고밀도유리 다이아몬드
굴절률a 1.00 1.00029 1.33 1.36 1.52 1.77 1.89 2.42
a : 파장 598nm 빛(나트륨 등의 노란색 빛)에 대한 수치.
b : STP (표준상태의 공기, 0℃이고, 1기압인 상태)
따라서, 굴절률은 위의 [표 2]에 나타낸 바와 같이 항상 1보다 크게 나타난다.
굴절률이 크다는 것은 밀한 매질이라는 뜻이며, 빛의 속도가 느리다는 의미이다. 그 반대를 소한 매질이라 하는데, 이는 항상 상대적으로 사용하는 말이다.
그리고, 어떤 매질에서의 굴절은 입사각과 굴절각 사이에 일정한 규칙이 성립하는데 이를 스넬(Snell)의 법칙이라 한다.
도 8은 본 발명이 적용되는 스넬의 법칙을 설명하기 위한 개념도로서, 도 8을 참고하면, 소한 매질(n1)에서 밀한 매질(n2)로 빛이 입사하는 경우 밀한 매질(n2)에서의 속도가 느려지기 때문에 빛의 진행 방향은 수직선 쪽으로 꺾이게 된다.
한편, 종래 기술과 같이, 굴절률이 큰 매질인 밀한 매질에서 굴절률이 작은 매질인 소한 매질로 빛이 방사되는 경우, 어떤 일정 각도 이상으로 입사한 빛이 수평의 경계면에서 스넬의 법칙을 충족할 수 없으므로 굴절되지 못하고 반사되며, 이러한 현상을 전반사라 한다(도 3 참조). 또한, 이 경계각을 임계각이라 하는 데, 이때, 두 매질의 굴절률 차이가 클수록 임계각은 작아지며, 그로 인해 입사하는 빛의 전반사도 많아진다.
다시 말해, 전반사를 방지하기 위해 서로 다른 매질의 경계면에서 임계각을 크게 해주어야 한다.
따라서, 본 발명에서는 도 5에 도시한 바와 같이, 밀한 매질인 몰딩재(160)의 표면에 소정 형상을 가지는 표면요철(165)을 형성하여 밀한 매질인 몰딩재(160)에서 소한 매질인 진공으로 빛이 방사 될 때, 몰딩재(160)의 표면에 형성된 표면요철(165)을 통해 인위적으로 두 매질 사이의 임계각을 크게 함으로써, 빛이 몰딩재(160) 내로 내부 전반사되는 확률을 최소화하여 표면실장형 LED 소자의 광 추출 효율을 향상시키고 있다.
한편, 상술한 본 실시예에서는 상기 패키지의 방사창을 통해 노출된 몰딩재 표면에 소정형상으로 이루어진 표면요철을 형성하여 LED 칩으로부터 발광하는 광이 몰딩재 내부로 전반사되는 것을 방지하는 본 발명의 기술적 사상을 사이드 뷰(side view) 형의 LED 소자에 적용하였으나, 이를 탑 뷰(top view) 형의 LED 소자에 적용하는 것도 가능하다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
상기한 바와 같이, 본 발명은 밀한 매질인 몰딩재에서 소한 매질인 진공으로 빛이 입사 할 때, 두 매질의 경계면에 표면요철을 형성하여 인위적으로 두 매질의 임계각을 크게 함으로써, 빛이 몰딩재 내로 전반사되는 확률을 최소화하여 표면실장형 LED 소자의 광 추출 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 표면요철을 이온빔 식각 공정을 통해 형성함으로써, 다양한 종류의 표면실장형 LED 소자에 적용 가능하며, 이들의 제조 수율을 향상시킬 수 있다.

Claims (5)

  1. 한 쌍의 리드 단자로 형성된 리드프레임;
    상기 리드프레임의 일부를 내측에 수용하고, 빛이 방사되도록 오픈된 방사창을 가지도록 형성된 패키지;
    상기 패키지 내부의 리드프레임 상에 실장된 LED 칩;
    상기 LED 칩과 상기 리드프레임의 통전을 위한 와이어; 및
    상기 패키지 내부에 충진되되, 상기 패키지의 방사창을 통해 노출되는 표면에 소정 형상의 표면요철 구조를 가지는 몰딩재;
    를 포함하는 표면실장형 발광 다이오드 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 표면요철은, 하나 이상의 라인으로 이루진 것을 특징으로 하는 표면실장형 발광 다이오드 소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 표면요철은, 이온빔 식각 공정을 통해 형성된 것을 특징으로 하는 표면실장형 발광 다이오드 소자.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 이온빔 식각 공정은, 식각 이온으로 아르곤(Ar)을 사용하는 것을 특징으로 하는 표면실장형 발광 다이오드 소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 몰딩재는 투명 에폭시, 실리콘 또는 형광체 혼합물 중 선택된 어느 하나로 이루어짐을 특징으로 하는 표면실장형 발광 다이오드 소자.
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