KR20080004931A - 발광 소자 패키지 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 발광 소자 패키지 및 그 제조방법에 관한 것으로 특히, 서브마운트를 이용하여 발광 소자 패키지를 형성하는 발광 소자 패키지 및 그 제조방법에 관한 것이다. 이러한 본 발명은, 기판에 발광 소자가 장착될 장착부에 관통홀을 형성하는 단계와; 상기 기판의 양측면에 상기 관통홀에 의하여 서로 연결되는 전극을 형성하는 단계와; 상기 전극을 분리시키는 단계를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
발광 소자, 패키지, 서브마운트, 관통홀, 전극.

Description

발광 소자 패키지 및 그 제조방법{LED package and method for making the same}
도 1은 종래의 발광 소자의 패키지의 일례를 나타내는 사시도이다.
도 2는 종래의 발광 소자의 패키지의 일례를 나타내는 단면도이다.
도 3 내지 도 14는 본 발명의 제1실시예를 나타내는 단면도로서,
도 3은 마스크 층을 형성하는 단계를 나타내는 단면도이다.
도 4는 마스크 층을 패터닝하는 단계를 나타내는 단면도이다.
도 5는 장착부 및 관통홀을 형성하는 단계를 나타내는 단면도이다.
도 6은 마스크 층을 제거한 상태를 나타내는 단면도이다.
도 7은 절연층을 형성하는 단계를 나타내는 단면도이다.
도 8은 결합금속을 형성하는 단계를 나타내는 단면도이다.
도 9는 전극 형성의 일례를 나타내는 단면도이다.
도 10은 전극이 형성되는 단계를 나타내는 단면도이다.
도 11은 전극이 분리된 상태를 나타내는 단면도이다.
도 12는 반사막이 형성되는 단계를 나타내는 단면도이다.
도 13은 충진재가 형성되는 단계를 나타내는 단면도이다.
도 14는 렌즈가 형성되는 단계를 나타내는 단면도이다.
도 15는 본 발명의 제2실시예를 나타내는 단면도이다.
도 16은 본 발명의 제3실시예를 나타내는 단면도이다.
도 17은 본 발명의 제4실시예를 나타내는 단면도이다.
도 18는 본 발명의 제5실시예를 나타내는 단면도이다.
도 19는 본 발명의 제6실시예를 나타내는 단면도이다.
도 20은 본 발명의 제7실시예를 나타내는 단면도이다.
도 21은 본 발명의 제7실시예의 회로도이다.
도 22는 본 발명을 이용한 조명장치를 나타내는 사시도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 간단한 설명>
10 : 기판 11 : 장착부
12, 13 : 관통홀 20 : 마스크 층
30 : 절연층 40 : 결합금속
50 : 전극 50a : 전면전극
50b : 후면전극 60 : 반사막
70 : 발광 소자 80 : 충진재
81 : 렌즈 90 : 제너 다이오드
본 발명은 발광 소자 패키지 및 그 제조방법에 관한 것으로 특히, 서브마운 트를 이용하여 발광 소자 패키지를 형성하는 발광 소자 패키지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
발광 다이오드(Light Emitting Diode: LED)는 전류를 빛으로 변환시키는 잘 알려진 반도체 발광 소자로서, 1962년 GaAsP 화합물 반도체를 이용한 적색 LED가 상품화 된 것을 시작으로 GaP:N 계열의 녹색 LED와 함께 정보 통신기기를 비롯한 전자장치의 표시 화상용 광원으로 이용되어 왔다.
이러한 LED에 의해 방출되는 광의 파장은 LED를 제조하는데 사용되는 반도체 재료에 따른다. 이는 방출된 광의 파장이 가전자대(valence band) 전자들과 전도대(conduction band) 전자들 사이의 에너지 차를 나타내는 반도체 재료의 밴드갭(band-gap)에 따르기 때문이다.
질화 갈륨 화합물 반도체(Gallium Nitride: GaN)는 높은 열적 안정성과 폭넓은 밴드갭(0.8 ~ 6.2eV)에 의해 고출력 전자소자 개발 분야에서 많은 주목을 받아왔다. 이에 대한 이유 중 하나는 GaN이 타 원소들(인듐(In), 알루미늄(Al) 등)과 조합되어 녹색, 청색 및 백색광을 방출하는 반도체 층들을 제조할 수 있기 때문이다.
이와 같이 방출 파장을 조절할 수 있기 때문에 특정 장치 특성에 맞추어 재료의 특징들에 맞출 수 있다. 예를 들어, GaN를 이용하여 광기록에 유익한 청색 LED와 백열등을 대치할 수 있는 백색 LED를 만들 수 있다.
또한, 종래의 녹색 LED의 경우에는 처음에는 GaP로 구현이 되었는데, 이는 간접 천이형 재료로서 효율이 떨어져서 실용적인 순녹색 발광을 얻을 수 없었으나, InGaN 박박성장이 성공함에 따라 고휘도 녹색 LED 구현이 가능하게 되었다.
이와 같은 이점 및 다른 이점들로 인해, GaN 계열의 LED 시장이 급속히 성장하고 있다. 따라서, 1994년에 상업적으로 도입한 이래로 GaN 계열의 광전자장치 기술도 급격히 발달하였다.
GaN 발광 다이오드의 효율은 백열등의 효율을 능가하였고, 현재는 형광등의 효율에 필적하기 때문에, GaN 계열의 LED 시장은 급속한 성장을 계속할 것으로 예상된다.
이와 같은 LED 소자는 개개의 소자가 제조된 후에 패키징되어 사용된다. 도 1과 도 2에서는 이러한 LED 패키지의 일례를 도시하고 있다.
이러한 LED 패키지의 구성은, LED(1)가 마운팅되는 실리콘 서브마운트(Si submount: 2)와, 알루미늄 슬러그(slug: 3)와, 금속 배선이 있는 PCB 기판(4)과, 알루미늄 방열기판(heat sink: 5)으로 구성된다.
상기 실리콘 서브마운트(2)는 평탄한 실리콘에 LED(1)와 전기적 연결을 위한 금속 배선이 구비된다.
상기 LED(1)는 상기 서브마운트(2)에 플립 칩 본딩(flip chip bonding)되고, 이러한 서브마운트(2)는 미러(mirror)면을 갖는 알루미늄 슬러그(3)에 접착제를 이용하여 접합된다.
이때, 패키지 바디(6)에 의하여 고정되어 있는 리드(lead: 6a)는 서브마운트(2)의 전극 메탈과 도전성 와이어(conductive wire: 7)에 의하여 전기적으로 연결된다.
또한, 상기 리드(6a)는 패키지 바디(6)와 접착제에 의하여 접합되어 있는 PCB 기판(4)의 금속배선(4a)과 용접에 의하여 접합되어 있으며, 이러한 PCB 기판(4)은 열을 방출 하기 위한 알루미늄 방열기판(5)과 부착된 구조이다.
이와 같은 구조의 LED 패키지는 LED 구동 시 발생하게 되는 열이 열 전달 속도가 늦은 플라스틱의 패키지 바디(6) 및 PCB 기판(4)을 통하여 전달 되므로 방열 효과가 낮을 뿐만 아니라, 이로 인하여 LED의 광 특성이 저하 되는 단점이 있다.
특히, LED를 배열하여 백라이트 등의 조명장치로 사용하는 경우, 그 크기, 광 균일성, 비용문제로 인해 패키지 형태의 LED로 조명장치를 구현하기 어려울 뿐만 아니라 정밀한 와이어 본딩이 필요하여 수율과 신뢰성이 저하되는 문제점이 있었다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 발광 소자로부터 균일한 조도의 빛이 방출될 수 있도록 하고, 이러한 발광 소자를 이용하여 균일한 밝기를 가지도록 하는 발광 소자 패키지와 그 렌즈 및 이를 이용한 백라이트 유닛을 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위하여, 본 발명은, 기판에 발광 소자가 장착될 장착부에 관통홀을 형성하는 단계와; 상기 기판의 양측면에 상기 관통홀에 의하여 서로 연결되는 전극을 형성하는 단계와; 상기 전극을 분리시키는 단계를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
상기 관통홀을 형성하는 단계 이후에는, 상기 장착부를 포함하는 기판에 절연층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 전극 위에 상기 발광 소자가 전극에 연결되기 위한 개구부를 포함하는 반사막을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 개구부를 통하여 상기 전극에 발광 소자를 결합하는 단계와; 상기 발광 소자가 결합된 장착부에 충진재를 도포하는 단계, 그리고, 상기 충진재 위에는, 렌즈를 접합하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 기판의 양측면을 동시에 식각함으로써, 상기 장착부를 형성하는 단계와, 상기 관통홀을 형성하는 단계는 동시에 이루어질 수 있다.
상기 결합금속과 전극을 분리시키는 단계에서는, 상기 기판의 절삭단위 위치에 형성된 상기 결합금속과 전극을 함께 분리시키는 것이 바람직하다.
상기 전극을 형성하는 단계는, 상기 결합금속 위에 접착층을 형성하는 단계와; 상기 접착층 위에 전극금속을 형성하는 단계를 포함하여 구성될 수 있다.
이때, 상기 접착층은, Ti, Cr, Ta 중 적어도 어느 하나 이상을 이용하여 형성될 수 있고, 상기 전극금속은, Au, Cu, Al 중 적어도 어느 하나 이상을 이용하여 형성될 수 있다.
상기 접착층을 형성하는 단계와, 상기 전극금속을 형성하는 단계 사이에는, 확산방지층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있고, 이러한 확산방지층은 Pt, Ni 중 적어도 어느 하나 이상을 이용하여 형성하는 것이 바람직하다.
상기 결합금속은, Au, Cu, Al 중 적어도 어느 하나 이상을 이용하여 형성될 수 있고, 상기 반사막은, Al 또는 Ag를 이용하여 형성될 수 있다.
한편, 상기 결합금속과 전극을 분리시키는 단계는, 도금 후 식각 또는 리프트 오프(lift-off) 중 적어도 하나의 방법에 의하여 분리될 수 있다.
또한, 상기 장착부 또는 관통홀을 형성하는 단계는, 습식식각, 건식식각, 및 레이저 드릴링 중 어느 하나의 방법으로 형성될 수 있으며, 특히, 상기 건식식각은 딥 반응성 이온 식각법(deep RIE)을 이용하는 것이 바람직하다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 다른 관점으로서, 본 발명은, 발광 소자 패키지에 있어서, 상기 발광 소자 장착부와, 상기 장착부 내측에 관통홀이 형성된 패키지 바디와; 상기 패키지 바디에 형성된 결합금속층과; 상기 결합금속층 위측에 형성된 전극과; 상기 패키지 바디의 상측면 전극 위에 위치하며, 상기 발광 소자가 결합될 개구부가 형성된 반사막을 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
상기 패키지 바디는, Si, Al, AlN, AlOx, PSG(photo sensitive glass), Al2O3, BeO, PCB 기판 중 어느 하나로 이루어질 수 있고, 이러한 패키지 바디에는, 절연층이 피복될 수 있다.
상기 전극은, 상기 결합금속과 결합되며 Ti, Cr, Ta 중 적어도 어느 하나 이상으로 형성된 접착층과; 상기 접착층 상에 위치하며 Au, Cu, Al 중 적어도 어느 하나 이상으로 형성된 전극금속을 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 접착층과 전극금속 사이에는, Pt, Ni 중 적어도 어느 하나 이상으로 형성된 확산방지층을 더 포함할 수 있다.
한편, 상기 결합금속은, Au, Cu, Al 중 적어도 어느 하나 이상으로 형성되는 것이 바람직하다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
<제1실시예>
<장착부와 관통홀을 형성하는 단계>
먼저, 도 3 내지 도 6을 참고하여 발광 소자가 장착될 장착부(groove: 11)와 관통홀(12, 13)을 형성하는 과정을 설명한다.
공정 순서에 있어서 먼저, 도 3에 도시한 바와 같이 기판을 준비하고, 이와 같이 준비된 기판(10) 상에 포토 레지스트와 같은 마스크 층(mask layer: 20)을 형성하거나, 이미 마스크 층(20)이 형성된 기판(10)을 이용하여 발광 소자의 장착 영역, 즉, 장착부(11) 및 관통홀(12, 13)이 형성될 영역에 대한 벌크 식각(bulk etching)에 필요한 마스크 패터닝(mask patering)을 도 4와 같이 형성한다.
그리고 도 5에 도시한 바와 같이 상기 마스크 층(20)의 패턴을 이용하여 상기 기판(10)을 벌크 식각(벌크 마이크로 머시닝)하여 발광 소자의 장착부(11) 및 관통홀(12, 13)을 형성한다.
상기 기판(10)은 실리콘(silicon) 기판, 알루미늄(aluminum), 알루미늄 나이트라이드(aluminum nitride: AlN), 알루미늄 옥사이드(aluminum oxide: AlOx), PSG(photo sensitive glass), Al2O3, BeO, 및 PCB 기판 등을 사용할 수 있다.
또한, 상기 벌크 식각 방법으로는 습식 식각(wet etching) 방법, 건식 식각(dry etching) 방법, 레이저 드릴링(laser drilling) 방법 등을 사용하여 상기 홈(groove) 형태의 장착부(11) 또는 관통홀(12, 13)을 형성 할 수 있다.
상기의 건식 식각 방법의 대표적인 방법으로는 딥 반응성 이온 식각(deep reactive ion etching) 방법이 이용될 수 있다.
본 실시예에서는 [100] 오리엔테이션(Orientation)의 단결정 실리콘 기판을 사용하여 KOH 용액 또는 TMAH, EDP와 같은 이방성 습식 식각 용액을 사용하여 발광 소자의 장착부(11) 및 관통홀(12, 13)을 형성하였다.
상기의 방법으로 장착부(11) 형성시 이상적으로는 54.74도의 경사각을 갖는 장착부(11)를 형성하게 되는데, 실질적으로 이러한 경사각은 50도 내지 60도 사이의 각도를 이룰 수 있다.
또한, 발광 소자의 장착부(11)의 폭과 깊이는 발광 소자의 크기나 두께에 따라 다를 수 있으며, 발광 소자의 측면에서 발광되는 빛을 최대한 효율적으로 사용할 수 있도록 한다.
이러한 발광 소자의 장착부(11) 및 관통홀(12, 13)을 형성하기 위한 습식 식각 방법으로는 다음과 같은 두 가지 방법이 사용될 수 있다.
첫째, 상기와 같이 발광 소자의 장착 영역(21) 및 관통홀이 형성될 영역(22)을 마스크 패터닝 한 후, 동시에 이러한 발광 소자 장착 영역(21)과 관통홀이 형성될 영역(22)을 습식 식각(wet etching)하여 형성하는 방법을 이용할 수 있다.
둘째, 발광 소자의 장착 영역(21) 및 관통홀이 형성될 영역(22) 중 어느 하 나의 영역만을 먼저 마스크 패터닝 후, 1차적으로 식각을 진행하다가 다른 하나를 패터닝 하여 2차 식각 함으로써, 발광 소자의 장착부(11)의 깊이와 관통홀(12, 13)의 깊이 비를 조절할 수 있는 방법이 있다.
그리고 장착부(11)를 형성하기 위한 식각 공정은 반드시 식각할 부분과 식각으로부터 보호해야 하는 부분을 구분하기 위하여 마스크 층(20)이 필요한데, 이때 사용하는 마스크 층(20)은 습식 식각을 할 때, 장시간 동안 마스크로 사용할 수 있는 물질이어야 하며, 일반적으로 실리콘 질화막(silicon nitride film)이나 실리콘 산화막(silicon oxide film)이 특성이 우수하여 많이 사용되고 있다.
또한, 상기 장착부(11)에 형성될 앞면전극과 그 반대면에 형성될 뒤면전극을 전기적으로 연결하기 위하여 형성한 관통홀은, 두 극성의 전극을 분리하기 위하여 positive 전극용 제1관통홀(12)과 negative 전극용 제2관통홀(13)로 구분하여 형성하는것이 더욱 바람직하다.
< 전극 및 반사막 형성하는 단계 >
그 다음, 도 7에 도시한 바와 같이 기판(10)의 전기적 절연을 위한 절연층(insulation layer: 30)을 기판(10)에 형성된 장착부(11) 및 관통홀(12, 13)을 포함한 기판(10) 표면의 전면에 형성한다.
이와 같은 절연층(30)의 형성을 위하여 도 6에 도시한 바와 같이 상기의 장착부(11) 및 관통홀(12, 13) 형성을 위하여 사용된 마스크 층(20)을 제거하고, 열적 산화(thermal oxidation) 방법에 의하여 절연 특성이 우수한 실리콘 산화막(silicon oxide film)을 기판(10) 전면에 형성한다.
상기 방법 이외의 절연층 형성방법으로는 LPCVD 방법 또는 PECVD방법 등에 의하여 실리콘 질화막(silicon nitride film)을 증착하여 절연층(30)으로 사용할 수 있다.
이러한 절연층(30)은 알루미늄 나이트라이드(aluminum nitride: AlN), 알루미늄 옥사이드(aluminum oxide: AlOx)와 같은 절연체를 기판(10)으로 사용하는 경우에는 생략하여도 무방하다.
이와 같이, 기판(10)에 발광 소자의 장착부(11) 및 관통홀(12, 13)이 형성된 3차원 구조물에 도 10에서 도시하는 바와 같이, 전면전극(50a)및 후면전극(50b)을 포함하는 전극(50)을 패터닝(patterning)하여 형성한다.
이러한 전극(50) 패터닝에 의하여 전극 메탈을 형성하는 방법으로 다음과 같은 세 가지 방법이 이용될 수 있다.
첫째, 전기 도금(Electroplating)에 의한 방법이다.
먼저, 상기와 같이 발광 소자의 장착부(11) 및 관통홀(12, 13) 형성 후 절연층(30)이 형성된 3차원 구조물의 기판(10) 후면(back side)와 전면(front side)의 양면에, 도 8과 같이, 결합금속(seed metal: 40)을 증착한다. 이때 관통홀(12, 13)에 상기 결합금속(40)이 증착 되어도 무방하다.
이러한 결합금속(40)에 전기 도금 또는 무전해 도금 방법으로 전면전극(50a)과 후면전극(50b)을 포함한 전극(50)을 형성한다.
이후, 포토 레지스트(photoresist)를 도포(coating)하고 노광(expose), 현 상(develop)하여, 상기 전극(50)이 분리홈(51)에 의하여 positive 전극와 negative 전극이 서로 분리되도록 식각하고, 전면전극(50a)과 후면전극(50b)이 관통홀(12, 13)을 통하여 서로 연결되도록 패터닝 하여, 도 10과 같이 전극을 형성한다.
또한, 전극(50) 형성 전에 포토 레지스트를 패터닝하고, 이후 도금 방법으로 전극(50)을 형성한 후에, 상기 포토 레지스트를 제거하고 결합금속(40)을 식각하여 positive 전극와 negative 전극을 서로 분리하는 방법으로 전극을 형성할 수도 있다.
이때, 각 패키지의 절삭단위(점선 부분) 부분(52)에도 식각을 수행하여, 절삭을 용이하게 하거나, 각 패키지가 절삭된 이후에 누전이 되는 것을 방지할 수 있다.
둘째, 리프트-오프(Lift-off)에 의한 방법이다.
먼저, 기판(10)의 전면와 후면의 양면에 도 9와 같이, 포토 레지스트(21)를 도포하고 노광, 현상하여 positive 전극와 negative 전극, 패키지 절삭단위가 서로 분리되도록 한다.
이후, 스퍼터링(sputtering) 방법 또는 E-beam 증착(evaporation) 방법 등으로 전면, 후면, 및 관통홀에 전극(50) 메탈을 증착하면 도 9와 같은 상태가 된다.
이때, 상기 포토 레지스트(21)를 제거(lift-off)하면, 이러한 포토 레지스트(21)에 증착된 전극(50) 물질은 제거되어, 도 11과 같이, positive 전극와 negative 전극, 패키지 절삭단위가 서로 분리되는 것이다.
그리고 이와 같은 구조에 추가로 금속 전극(50)의 두께를 늘리기 위하여 전 기 도금 또는 무전해 도금으로 금속층을 형성하여 전극(50) 층을 보완할 수 있다.
셋째, 리프트 오프(Lift-off)와 전기 도금(electroplating) 혼합 방법이다.
먼저, 기판(10)의 전면 또는 후면에 상술한 리프트 오프 방법으로 전면전극(50a) 또는 후면전극(50b)을 형성한다.
그리고 이와 같이 리프트 오프 방법으로 형성된 전극의 반대면에 전기 도금 또는 무전해 도금 방법으로 전극을 형성하고, 이와 같이 형성된 전면전극(50a)와 후면전극(50b)이 관통홀을 통하여 전기적으로 연결되도록 형성하는 것이다.
이러한 전극(50) 메탈은 전기적 특성이 우수할 뿐만 아니라 절연층과 접착력도 우수하여야 하며, 일반적으로 절연층으로 많이 사용되고 있는 실리콘 산화막과 접착력이 우수한 타이타늄(Ti), 크롬(Cr), 탄탈늄(Ta) 등을 접착층(adhesion layer)으로 사용할 수 있다.
또한, 전기적 특성이 우수하면서 반도체 공정으로 용이하게 증착할 수 있는 전극 메탈의 대표적인 물질인 금(Au), 구리(Cu), 알루미늄(Al)을 이용할 수 있다.
이때, 전극 메탈은 후 공정 중 모듈의 부품을 결합할 때 고온에 노출되는데, 접착층(adhesion layer)인 Ti이나 Cr이 Au로 확산(diffusion)되어 Au의 전기적 특성이 감소 하게 되므로, 이를 방지 하고자 Ti, Cr의 접착층과 Au 사이에 백금(Pt), 니켈(Ni) 등의 확산방지층(diffusion barrier layer)을 이용할 수 있다.
따라서, 이러한 전극(50)의 구조는 Ti/Pt/Au 또는 Cr/Ni/Au, Cr/Cu/Ni/Au 구조를 형성 할 수 있다.
이러한 전기 도금 방법에 의하여 전극(50) 메탈을 형성하기 위해서는 반드시 결합금속(40)이 필요한데, 이러한 결합금속(40)은 상기의 전극(50) 메탈처럼 전기적 특성이 우수하여야 할 뿐만 아니라 절연층(30)과 접착력(adhesion)도 우수하여야 한다.
따라서, 타이타늄(Ti), 크롬(Cr), 탄탈늄(Ta) 등을 접착층(adhesion layer)으로 사용하며 금(Au), 구리(Cu), 알루미늄(Al)을 결합금속으로 사용하여 Cr/Au나, Cr/Cu, Ti/Au, Ta/Cu, Ta/Ti/Cu 등의 구조를 이룰 수 있다.
이러한 경우 상기의 전극(50)은 결합금속(40)을 포함하여 Cr/Cu/Cu/Ni/Au 또는 Cr/Au/Au, Cr/Au/Cu/Ni/Au 등의 구조로 형성할 수 있다.
그 다음에는, 도 12에서 도시한 바와 같이 상기의 전극(50)을 형성한 후 발광 소자에서 방출되는 빛의 효율을 향상시키기 위하여 발광 소자의 장착부(11)의 바닥면과 경사면에 반사막(reflective layer: 60)을 형성한다.
이러한 반사막(60) 물질로는 반사도가 우수한 알루미늄(Al) 또는 은(Ag)을 사용할 수 있다.
이러한 반사막(60)의 형성은, 전면에 포토 레지스트를 코팅하고, 노광, 현상하여 발광 소자가 장착되는 바닥면 또는 경사면이 노출되게 패터닝 하여, 스퍼터링 방법 또는 E-beam 증착 방법으로 반사막(60) 층을 증착하고 리프트 오프하여 형성할 수 있다.
또한, 전면에 반사막(60) 층을 증착하고 패터닝 후 불필요한 부분을 식각하여 반사막(60)을 형성 할 수 있다.
이때, 이러한 반사막(60)을 이루는 금속은 상기 전극(50a, 50b)의 positive 전극과 negative 전극에 동시에 연결되거나 겹쳐지지 않게 형성하여 전기적으로 쇼트가 되지 않게 하여야 하며, 발광 소자의 전극 메탈과 접합하기 위하여 전극 메탈 상에 솔더(solder) 또는 Au stud(71: 도 13 참고)가 형성되는 영역(61)에는 반사막(60) 금속이 형성되지 않는 것이 더욱 바람직하다.
< LED 본딩 및 패키징 단계 >
그 다음, 도 13에 도시된 바와 같이, 전도성 솔더(solder) 또는 Au stud(71) 본딩과 같은 방법에 의하여 상기 전면전극(50a) 상에 발광 소자(70)를 전기적으로 연결되게 접합한 후, 형광체(phosphor) 또는 실리콘 젤(silicon gel)이나 투광성이 우수한 에폭시(epoxy)와 같은 물질로 발광 소자(70)가 장착된 장착부(11)를 충진하는 충진재(80)을 형성한다.
상기 공정은 구조물 기판(10)을 서브마운트 단위로 절삭(dicing) 한 후 발광 소자(70)의 충진재(80)를 채울 수도 있고, 또는 구조물 기판(10) 단위로 발광 소자(70)를 접합하고 충진재(80)를 채운 후 서브마운트 단위로 기판(10)을 절삭하여 패키징 할 수 있다.
상기의 발광 소자(70)를 접합하기 위한 솔더 물질로는 골드틴(AuSn), 레드틴(PbSn), 인듐(In) 등을 E-beam 증착법으로 형성 할 수 있다.
그 다음, 필요에 따라 도 14에 도시한 바와 같이, 발광 소자(70)에서 방출된 빛의 분포를 제어하기 위하여 도안된 모양을 갖는 렌즈 시트를 접합 또는 형성하여 렌즈(81)를 형성할 수 있다.
이러한 렌즈(81)가 형성된 면의 반대 면에 스크린 프린팅(screen printing) 방법을 이용하여 원하는 영역 또는 전면에 형광체가 포함된 실리콘 젤 또는 투광성이 우수한 에폭시를 형성하여 한쪽 면에는 렌즈 형상을 형성하고 반대 면에는 형광체가 포함된 충진재(80)를 포함하는 렌즈 시트로 렌즈(81)를 제작할 수 있다.
이후, 라미네이트 공법을 이용하여 상기 렌즈 시트를 발광 소자(70)가 접합된 서브마운트 기판(10)에 접합하고 단위 패키지 단위로 절삭하여 사용할 수도 있다.
이하, 본 발명의 다른 실시예를 도면을 참고하여 설명한다. 각 실시예에서 설명되지 않는 부분들은 상기 제1실시예와 동일할 수 있다.
<제2실시예>
도 15는 상기 도 14의 경우와 달리, 와이어(73) 본딩으로 발광 소자(72)가 접합된 실시예를 도시하고 있다.
특히, 전극이 발광 소자의 상단과 하단에 위치하는 수직형 발광 소자(72)의 경우에는 하단의 전극면은 전면전극(50a)의 일측에 본딩되고, 발광 소자(72)의 상단의 전극은 상기 일측의 전면전극(50a)과 다른 극성을 가지는 타측의 전면전극(50a)과 와이어(73)에 의하여 본딩된다.
그 외의 제조공정 및 구조는 상기 제1실시예와 동일하다.
<제3실시예>
도 16은 발광 소자(70)의 장착부(11) 또는 관통홀(12, 13)이 수직면을 갖도록 형성된 구조를 도시하고 있다.
이러한 장착부(11) 또는 관통홀(12, 13)은 레이저 드릴링(Laser drilling) 방법이나 딥 반응성 이온 시각법(deep-RIE) 등에 의하여 비스듬한 면이 아닌 수직면을 갖도록 형성할 수 있다.
또한, [110] 방향의 실리콘 기판(10)을 사용하여 습식 식각 방법을 이용하여도 이와 같이 수직면을 갖는 장착부(11) 또는 관통홀(12, 13)을 형성할 수 있다.
이와 같은 수직면을 갖는 관통홀(12, 13)을 형성하면, 이 관통홀(12, 13)을 통하여 전면전극(50a)과 후면전극(50b)이 보다 용이하게 접촉할 수 있다.
<제4실시예>
도 17에서는 하나의 발광 소자 패키지 뿐만 아니라 적색, 녹색, 및 청색 등 하나 이상의 발광 소자 칩을 포함하는 발광 소자 패키지를 나타내고 있다.
이와 같이, 발광 소자(70, 72)가 장착되는 부분의 전극(50), 결합금속(40) 및 반사막(60)을 여러 부분으로 형성하여, 다수의 발광 소자(70, 72)가 본딩될 수 있도록 할 수 있다.
이때, 적색, 녹색 및 청색 발광 소자를 하나의 패키지에 장착하면 백색 발광 소자 패키지를 구성할 수 있다.
또한, 이러한 적색, 녹색, 및 청색 발광 소자는 어느 하나의 색을 발광하는 발광 소자는 하나 이상 구비될 수도 있다.
<제5실시예>
도 18에서는 기판(10)에 발광 소자(70)의 장착부를 형성하지 않고, 관통홀(12, 13) 만을 형성하여, 상술한 발광 소자 패키지를 구성한 실시예를 나타내고 있다.
이와 같이, 장착부를 형성하지 않으면 공정이 크게 간소화될 수 있다.
또한, 발광 소자 패키지 전체의 두께가 감소될 수 있으며, 이때, 리프트 오프법으로 상기 전극(50a, 50b)을 형성하면 결합금속(40)을 형성하지 않을 수 있다.
<제6실시예>
도 19에서와 같이, 상기와 같이 관통홀의 형성 위치를 기판(substrate) 상부나 발광 소자(70)의 장착부 내부가 아닌 기판의 측벽을 따라 형성되는 구조로 형성하는 것이 가능하다.
즉, 각 패키지의 절삭 단위 부분에 관통홀(14)을 형성하여, 3차원 형태의 패키지를 구성할 수 있다.
또한, 이러한 패키지는 절삭 단위 부분에 관통홀(14)이 형성되어 있으므로, 패키지 제작 후에 각각의 패키지로 분리할 때 보다 용이하게 분리가 가능하다.
이때, 전극(50)은 이러한 관통홀(14)을 통하여 서로 연결되는 구조를 이룬다.
<제7실시예>
도 20에서와 같이, 발광 소자 패키지에 실리콘 기판(10)을 사용하여 제너 다이오드(zener diode: 90)를 기판에 내장(embedment)할 수 있다.
이러한 제너 다이오드(90) 형성을 위한 방법으로는 다음과 같은 방법들이 가능하다.
첫째, N-형의 기판(10)에 보론(Boron)등의 P-형 도펀트(dopant) 이온을 주입하는 방법이 있다.
둘째로, P-형의 기판(10)에 PoCl3 등의 N-형 도펀트 이온을 주입하는 방법이 있다.
예를 들면, 상기 첫째 방법은, N-형 전극와 P-형 전극이 접촉하는 기판(10) 상에 보론을 도핑하고 전기적으로 연결되게 함으로써, 반도체 PNP 접합 구조 갖도록 하는 것이다.
이러한 제너 다이오드(90) 구조는 발광 소자(70)에 정전기 등에 의하여 과전압이 인가 되는 경우에, 상기 제너 다이오드(90)에 의해 전류가 바이패스(By-Pass)되어 발광 소자(70)의 손상을 방지할 수 있도록 한다.
상기의 제너 다이오드(90)를 형성하기 위한 실리콘 기판(10)은 0.01 ~ 1.0 Ohm/cm의 저항을 가지는 것이 바람직하다.
도 21은 이러한 제너 다이오드(90)를 내장한 발광 소자 패키지의 회로도를 나타낸다.
이상과 같은 각 실시예에 의하여 제작된 발광 소자 패키지(100)는, 도 22에 도시하는 바와 같이, 발광 소자(70)에 전원 공급을 위한 전극배선(210)이 형성된 스템에 상기의 발광 소자(70)가 접합된 서브마운트형 패키지(100)를 접합하여 다양한 용도의 발광 소자를 이용한 조명장치를 제작할 수 있다.
도 22에서는 하나의 패키지(100)에 다수의 발광 소자(70)가 결합된 상태를 도시하고 있다.
즉, 적색, 녹색, 및 청색의 발광 소자(70)를 조합하여 하나의 패키지(100)에 구성함으로써, 백색 또는 다양한 색을 발광하는 조명장치로 이용할 수 있는 것이다.
상기 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 구체적으로 설명하기 위한 일례로서, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 다양한 형태의 변형이 가능하고, 이러한 기술적 사상의 여러 실시 형태는 모두 본 발명의 보호범위에 속함은 당연하다.
이상과 같은 본 발명은 다음과 같은 효과가 있는 것이다.
첫째, 본 발명의 제조방법에 의하면 공정 시간과 비용을 크게 절감할 수 있다.
둘째, 발광 소자의 전극이 관통홀을 지나는 전극을 통해 직접 연결되므로 방열 효과가 크게 향상된다.
셋째, 상기와 같은 특성에 의하여, 발광 소자의 수명과 특성이 향상되며, 결국 발광 소자의 신뢰성을 크게 높일 수 있다.

Claims (28)

  1. 기판에 발광 소자가 장착될 장착부에 관통홀을 형성하는 단계와;
    상기 기판의 양측면에 상기 관통홀에 의하여 서로 연결되는 전극을 형성하는 단계와;
    상기 전극을 분리시키는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 발광 소자 패키지의 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 관통홀을 형성하는 단계 이후에는, 상기 장착부를 포함하는 기판에 절연층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자 패키지의 제조방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 개구부를 통하여 상기 전극에 발광 소자를 결합하는 단계와;
    상기 발광 소자가 결합된 장착부에 충진재를 도포하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자 패키지의 제조방법.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 충진재 위에는, 렌즈를 접합하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자 패키지의 제조방법.
  5. 제 3항에 있어서, 상기 발광 소자를 결합하는 단계는, 플립칩 본딩 또는 와이어 본딩을 이용하여 결합하는 것을 특징으로 하는 발광 소자 패키지의 제조방법.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 관통홀을 형성하는 단계 이전에는, 상기 기판에 홈 형상의 상기 장착부를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자 패키지의 제조방법.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 장착부를 형성하는 단계와, 상기 관통홀을 형성하는 단계는 동시에 이루어지는 것을 특징으로 하는 발광 소자 패키지의 제조방법.
  8. 제 6항에 있어서, 상기 장착부 또는 관통홀을 형성하는 단계는, 습식식각, 건식식각, 및 레이저 드릴링 중 어느 하나의 방법으로 형성되는 것을 특징으로 하는 발광 소자 패키지의 제조방법.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 건식식각은, 딥 반응성 이온 식각법(deep RIE)을 이용하는 것을 특징으로 하는 발광 소자 패키지의 제조방법.
  10. 제 8항에 있어서, 상기 습식식각은, KOH, TMAH, EDP 용액 중 적어도 어느 하나 이상을 이용하는 것을 특징으로 하는 발광 소자 패키지의 제조방법.
  11. 제 1항에 있어서, 상기 전극을 분리시키는 단계에서는, 상기 기판의 절삭단위 위치에 형성된 상기 전극을 함께 분리시키는 것을 특징으로 하는 발광 소자 패키지의 제조방법.
  12. 제 1항에 있어서, 상기 전극을 형성하는 단계는,
    상기 기판의 양측면과 장착부에 결합금속을 형성하는 단계와;
    상기 결합금속 위에 접착층을 형성하는 단계와;
    상기 접착층 위에 전극금속을 형성하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 발광 소자 패키지의 제조방법.
  13. 제 1항에 있어서, 상기 전극 위에 상기 발광 소자가 전극에 연결되기 위한 개구부를 포함하는 반사막을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자 패키지의 제조방법.
  14. 제 1항에 있어서, 상기 전극을 분리시키는 단계는, 식각 또는 리프트 오프(lift-off) 중 적어도 하나의 방법에 의하여 분리시키는 것을 특징으로 하는 발광 소자 패키지의 제조방법.
  15. 제 1항에 있어서, 상기 기판의 하측면에 제너 다이오드를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자 패키지의 제조방법.
  16. 발광 소자 패키지에 있어서,
    상기 발광 소자 장착부에 관통홀이 형성된 패키지 바디와;
    상기 패키지 바디에 형성된 형성된 전극과;
    상기 패키지 바디의 상측면 전극 위에 위치하며, 상기 발광 소자가 결합될 개구부가 형성된 반사막을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 발광 소자 패키지.
  17. 제 16항에 있어서, 상기 패키지 바디는, Si, Al, AlN, AlOx, PSG(photo sensitive glass), Al2O3, BeO, PCB 기판 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 발광 소자 패키지.
  18. 제 16항에 있어서, 상기 패키지 바디에는, 절연층이 피복된 것을 특징으로 하는 발광 소자 패키지.
  19. 제 16항에 있어서, 상기 반사막은, Al 또는 Ag를 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 발광 소자 패키지의 제조방법.
  20. 제 16항에 있어서, 상기 패키지 바디와 전극 사이에는 결합금속이 형성된 것 을 특징으로 하는 발광 소자 패키지.
  21. 제 20항에 있어서, 상기 전극은,
    상기 결합금속과 결합되는 접착층과;
    상기 접착층 상에 위치하는 전극금속을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 발광 소자 패키지.
  22. 제 21항에 있어서, 상기 접착층은, Ti, Cr, Ta 중 적어도 어느 하나 이상으로 형성된 것을 특징으로 하는 발광 소자 패키지.
  23. 제 21항에 있어서, 상기 결합금속 또는 전극금속은, Au, Cu, Al 중 적어도 어느 하나 이상으로 형성된 것을 특징으로 하는 발광 소자 패키지.
  24. 제 21항에 있어서, 상기 접착층과 전극금속 사이에는, 확산방지층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자 패키지.
  25. 제 24항에 있어서, 상기 확산방지층은, Pt, Ni 중 적어도 어느 하나 이상으로 형성된 것을 특징으로 하는 발광 소자 패키지.
  26. 제 16항에 있어서, 상기 패키지 바디에는, 상기 장착부와 연결되는 제너 다 이오드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자 패키지.
  27. 제 16항에 있어서,
    상기 전극에 결합되는 발광 소자와;
    상기 발광 소자 상측에 충진되는 충진재와;
    상기 충진재 상측에 결합되는 렌즈를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자 패키지.
  28. 제 27항에 있어서, 상기 충진재는, 실리콘 젤, 형광체, 에폭시 중 적어도 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 발광 소자 패키지.
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