KR20100030805A - 멀티칩 발광 다이오드 패키지 - Google Patents

멀티칩 발광 다이오드 패키지 Download PDF

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Abstract

멀티칩 발광 다이오드 패키지가 개시된다. 이 패키지는 서로 전기적으로 절연된 본딩패드들을 갖는 기판, 이 기판 상에 부착되고 복수개의 캐비티들을 갖는 분리대, 각각 캐비티들에 대응하여 기판 상에 실장된 복수개의 발광 다이오드 칩들, 캐비티들 내에서 상기 발광 다이오드 칩들을 덮는 몰딩부들 및 상기 캐비티들 중 적어도 하나의 내부 또는 그 위에 위치하는 형광체를 포함한다. 이에 따라, 다양한 컬러 및 다양한 색온도의 백색광을 구현할 수 있으며, 색온도 조절이 용이하고 방열특성이 우수한 발광 다이오드 패키지가 제공된다.
발광 다이오드 패키지, 멀티칩, 형광체, 색온도

Description

멀티칩 발광 다이오드 패키지{MULTI-CHIP LIGHT EMITTING DIODE PACKAGE}
본 발명은 발광 다이오드 패키지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다수의 발광 다이오드 칩을 실장한 멀티칩 발광 다이오드 패키지에 관한 것이다.
발광 다이오드(Light Emitting Diode; LED)는 화합물 반도체의 P-N 접합구조를 이용하여 전자와 정공의 재결합에 의하여 소정의 빛을 발산하는 소자를 지칭한다. 발광 다이오드는 기존의 전구 또는 형광등에 비하여 소비 전력이 적고 수명이 길며, 협소한 공간에 설치 가능하고, 진동에 강한 특성을 제공한다. 이러한 발광 다이오드를 이용한 발광 다이오드 패키지는 표시 소자 및 백라이트로 이용되고 있으며, 또한 일반 조명 용도로 이를 적용하기 위해 활발한 연구가 진행중이다. 또한, 백색광을 구현하는 백색 발광 다이오드 패키지는 백라이트 광원 이외에 자동차용 및 조명용 제품에 응용되면서, 그 수요가 급속히 증가할 것으로 예상된다.
종래 발광 다이오드를 이용한 발광 다이오드 패키지 있어서, 백색 구현 방식이 다양하게 제안되어 있다. 통상적으로 발광 다이오드 칩 주위에 형광 물질을 배치시켜, 발광 다이오드 칩의 1차 발광의 일부와 형광 물질에 의해 파장 변환된 2차 발광의 혼색으로 백색을 구현한다. 예를 들면, 청색 발광 다이오드 칩과 그 주위에 황색 형광체를 배치시켜 청색광과 황색광의 조합에 의해 백색광을 구현할 수 있다.
그러나 이러한 황색 형광체를 이용한 종래의 백색 발광 다이오드 패키지는 광원 및 형광체에 의해 생성되는 광의 스펙트럼 범위가 좁아 구현 가능한 색온도 범위가 좁고 또한 색온도 조절이 어려울 뿐만 아니라, 연색성(color rendering index)이 낮은 단점을 지닌다.
이러한 문제점을 보완하기 위해, 적색 발광 다이오드 칩 또는 적색 형광체가 추가되어 적색 영역 대의 광 스펙트럼을 보충할 수 있다. 그러나 적색 형광체는 일반적으로 황색 형광체에 비해 광 변환 효율이 상대적으로 낮기 때문에, 원하는 강도의 적색광을 얻기 위해서는 적색 형광체의 사용량을 증가시켜야 한다. 황색 형광체와 적색 형광체를 혼합하여 사용할 경우, 적색 형광체의 사용량 증가는 황색 형광체에 의한 광 변환율을 떨어뜨리고, 청색광이 결핍되는 현상을 야기시켜, 색온도 조절을 곤란하게 하며 광의 강도를 감소시킨다.
이에 더하여, 황색 형광체와 적색 형광체를 혼합하여 사용할 경우, 제품마다 균일한 백색광을 얻기 위해 황색 형광체와 적색 형광체의 혼합비를 일정하게 유지하는 것이 중요하다. 그러나, 비중이 서로 다른 형광체들의 혼합비를 일정하게 유지하는 것이 곤란할 뿐만 아니라 혼합비가 일정하더라도 제품별로 그 분포가 상이하여 균일한 백색광을 구현하는 것이 어렵다.
한편, 발광 다이오드 칩은 그 접합 온도(junction temperature)의 증가에 따라 광 효율이 감소된다. 특히, 적색 발광 다이오드 칩은 일반적으로 열에 약하기 때문에 열 발생이 많은 청색 발광 다이오드 칩과 함께 사용될 경우 열화되기 쉽다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 색온도 조절이 쉬운 발광 다이오드 패키지를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, 대량 생산에 적합한 발광 다이오드 패키지를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는, 다양한 컬러 및 다양한 색온도의 백색광을 구현할 수 있는 발광 다이오드 패키지를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는, 양호한 방열 특성을 갖는 발광 다이오드 패키지를 제공하는 것이다.
상기 과제들을 해결하기 위해, 본 발명은 멀티칩 발광 다이오드 패키지를 제공한다. 상기 패키지는 서로 전기적으로 절연된 본딩패드들을 갖는 기판, 상기 기판 상에 부착되고 복수개의 캐비티들을 갖는 분리대, 각각 상기 캐비티들에 대응하여 상기 기판 상에 실장된 복수개의 발광 다이오드 칩들, 상기 캐비티들 내에서 상기 발광 다이오드 칩들을 덮는 몰딩부들, 및 상기 캐비티들 중 적어도 하나의 내부 또는 그 위에 위치하는 형광체를 포함한다.
본 발명에 따르면, 서로 다른 종류의 형광체들을 상기 분리대 내의 각 캐비티들에 대응하여 배치할 수 있다. 즉, 서로 다른 종류의 형광체를 혼합할 필요 없이, 하나의 캐비티 내에는 동일한 종류의 형광체만을 배치할 수 있다. 이에 따라, 각 캐비티 별로 발광 다이오드 칩에 의해 또는 발광 다이오드 칩과 형광체의 조합에 의해 요구되는 광을 구현할 수 있으며, 각 캐비티에서 방출된 광의 혼합에 의해 다양한 컬러의 광 및 다양한 색온도의 백색광을 구현할 수 있다. 또한, 서로 다른 종류의 형광체들을 혼합할 필요 없이 각 형광체들을 특정 캐비티에 대응하여 배치할 수 있다. 따라서 서로 다른 종류의 형광체를 혼합하여 사용하는 경우와 비교하여, 색온도 조절이 용이하고, 또한 균일한 제품의 패키지들을 대량 생산할 수 있다.
몇몇 실시예들에 있어서, 상기 몰딩부들 중 하나는 황색 형광체를 포함하고, 상기 몰딩부들 중 또 다른 하나는 적색 형광체를 포함할 수 있다. 이에 더하여, 상기 발광 다이오드 칩들은 청색광을 방출하는 발광 다이오드 칩들을 포함하고, 상기 적색 형광체를 포함하는 몰딩부 및 상기 황색 형광체를 포함하는 몰딩부는 각각 상기 청색 발광 다이오드 칩들을 덮을 수 있다. 이에 따라, 순백색 및 온백색광을 구현할 수 있다.
몇몇 실시예들에 있어서, 상기 기판은 세라믹 기판일 수 있다. 세라믹 기판은 방열 특성이 우수하여 발광 다이오드 칩에서 발생된 열을 외부로 쉽게 방출시킨다.
이에 더하여, 상기 기판은 상기 캐비티들에 대응하는 관통공들을 가질 수 있다. 상기 관통공들은 금속 재료로 채워지고, 상기 발광 다이오드 칩들은 상기 금속재료들 상에 위치한다. 따라서, 발광 다이오드 칩에서 발생된 열을 상기 금속 재료를 통해 방출할 수 있어 방열 특성이 더욱 향상된다.
상기 발광 다이오드 칩은 직접 기판 상에 부착될 수 있으며, 또한 서브마운트를 개재하여 부착될 수 있다. 예컨대, 상기 금속 재료와 상기 발광 다이오드 칩 사이에 서브마운트가 개재될 수 있다. 상기 서브마운트는 금속, 세라믹 또는 반도제 재료로 제조될 수 있다.
다른 실시예들에 있어서, 상기 기판은 금속, 금속합금 또는 반도체 기판일 수 있다. 이 경우, 상기 기판과 상기 본딩패드들은 절연층에 의해 이격된다.
한편, 상기 발광 다이오드 패키지는 캐비티들을 덮는 렌즈를 더 포함할 수 있다. 상기 렌즈는 발광 다이오드 칩들에서 방출된 광 및 형광체에 의해 변환된 광을 외부로 방출시키며, 상기 광의 지향각을 조절하기 위해 다양한 형상을 가질 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 분리대 내의 캐비티들에 의해 형광체들을 분리함으로써, 서로 다른 종류의 형광체를 혼합할 필요 없이, 하나의 캐비티 내에는 동일한 종류의 형광체만을 배치할 수 있다. 이에 따라, 각 캐비티 별로 요구되는 광을 구현하여 다양한 컬러의 광 및 다양한 색온도의 백색광을 구현할 수 있다. 또한, 열전도성이 우수한 세라믹, 금속, 금속합금 또는 반도체 재질의 기판을 사용함으로써 발광 다이오드 패키지의 방열 특성을 향상시킬 수 있다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티칩 발광 다이오드 패키지의 사시도이고, 도 2는 상기 패키지의 개략적인 분해 사시도이고, 도 3은 상기 패키지의 단면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 상기 멀티칩 발광 다이오드 패키지는 기판(10), 분리대(20), 복수개의 발광 다이오드 칩들(41, 43), 몰딩부들(51, 53) 및 형광체를 포함하고, 또한 서브 마운트들(31, 33) 및 렌즈(60)를 포함할 수 있다.
상기 기판(10)은 발광 다이오드 칩들(41, 43)에서 생성된 열을 외부로 방출하기 위해 열전도성 기판인 것이 바람직하며, 세라믹과 같은 절연성 기판 또는 금속, 금속합금, 반도체 등과 같은 도전성 기판일 수 있다. 본 실시예에서는 세라믹과 같은 절연성 기판(20)에 대해 설명하며, 도전성 기판에 대해서는 도 4를 참조하여 설명된다.
상기 기판(10)은 그 상에 본딩패드들(11, 13)을 가지며, 또한 발광 다이오드 칩들을 전기적으로 연결하기 위한 배선(15)을 가질 수 있다. 상기 본딩패드들(11, 13)은, 도 3에 도시된 바와 같이, 기판(10)을 통해 기판 하부면의 외부 리드들(11a, 13a)로 연결될 수 있다. 상기 외부 리드들(11a, 13a)에 의해 발광 다이오드 패키지가 인쇄회로기판 등에 표면 실장될 수 있다. 이와 달리, 상기 본딩 패드 들(11, 13)이 기판(10) 상에서 외부로 연장되어 외부 리드들을 형성할 수도 있다.
상기 본딩패드들(11, 13), 배선(15) 및 외부 리드들(11a, 13a)은 저온 동시 소성(LTCC) 기술을 사용하여 세라믹 기판과 함께 형성되거나, 도금 기술을 사용하여 세라믹 기판 상에 형성될 수 있다.
한편, 상기 기판(10) 내에 관통공들이 형성되고, Ag 또는 Cu와 같이 열전도율이 높은 금속 재료들(17, 19)이 상기 관통공들을 채울 수 있다. 상기 금속 재료들(17, 19)은 분리대(20)의 캐비티들(21, 23)에 대응하여 위치하며, 발광 다이오드 칩들(41,43)이 그 상에 실장된다.
분리대(20)는 캐비티들(21, 23)을 가지며 상기 기판(10) 상에 부착되고, 상기 캐비티들(21, 23)을 통해 기판(10)의 영역들이 노출된다. 상기 분리대(20)는 기판(10)과 다른 불투명한 재료, 예컨대 플라스틱으로 형성될 수 있으며, 접착제를 통해 상기 기판(10)에 부착되거나 상기 기판(10) 상에서 성형될 수 있다.
상기 캐비티들(21, 23)에 대응하여 기판(10) 상에 발광 다이오드 칩들(41, 43)이 실장된다. 발광 다이오드 칩들(41, 43)은 자외선, 청색, 녹색 또는 적색 발광 다이오드 칩을 포함할 수 있다. 이러한 발광 다이오드 칩들의 조합에 의해 다양한 색의 광을 발생시킬 수 있으며, 광의 혼합에 의해 다색광이 구현될 수 있다.
상기 발광 다이오드 칩들(41, 43)은 서브 마운트들(31, 33) 상에 실장될 수 있으며, 상기 서브 마운트들(31, 33)이 상기 기판(10) 상에 부착될 수 있다. 서브 마운트들(31, 33)은 금속, 세라믹 또는 반도체 재료로 제조될 수 있다.
한편, 발광 다이오드 칩들(41, 43)은 본딩 와이어 및/또는 배선을 통해 본딩 패드들(11, 13)에 전기적으로 연결된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 발광 다이오드 칩들(41, 43)이 본딩와이어와 배선을 통해 서로 직렬 연결될 수 있으나, 상기 발광 다이오드 칩들(41, 43)은 본딩패드들(11, 13) 사이에서 병렬 또는 역병렬 등 다양한 방식으로 연결될 수 있다. 또한, 상기 발광 다이오드 칩들(41, 43)이 개별적으로 구동될 수 있도록 별개의 본딩패드들이 기판(10) 상에 형성될 수도 있다.
몰딩부들(51, 53)은 캐비티들(21, 23) 내에서 발광 다이오드 칩들(41, 43)을 덮는다. 상기 몰딩부들은 예컨대, 투광성 에폭시 또는 실리콘으로 형성될 수 있다. 한편, 형광체들이 상기 몰딩부들(51, 53) 내에 분포될 수 있다. 상기 몰딩부들(51, 53)은 각각 서로 다른 종류의 형광체를 함유할 수 있다, 예컨대, 몰딩부(51)는 황색 형광체를 포함하고, 몰딩부(53)은 적색 형광체를 포함할 수 있다. 이러한 몰딩부들(51, 53)은 액상 수지 내에 각각의 형광체를 분산시키고, 형광체가 분산된 액상 수지를 캐비티들(21, 23) 내에 주입한 후 경화시키어 형성될 수 있다. 몰딩부들(51, 53)이 각각 단일 종류의 형광체만을 포함하므로, 제품마다 균일한 몰딩부들(51, 53)을 형성할 수 있고, 따라서 균일한 발광 다이오드 패키지들을 대량 생산할 수 있다.
한편, 상기 발광 다이오드 칩들(41, 43)은 각각 청색 발광 다이오드 칩이고, 상기 몰딩부(51)가 황색 형광체를 포함하고, 상기 몰딩부(53)이 적색 형광체를 포함할 수 있다. 이 경우, 청색 발광 다이오드 칩(41)과 황색 형광체에 의해 순백색광이 구현될 수 있으며, 여기에 청색 발광 다이오드 칩(43)과 적색 형광체 조합에 의한 광이 추가되어 온백색광이 구현될 수 있다. 따라서, 청색 발광 다이오드 칩 들(41, 43)을 개별 구동할 경우, 다양한 컬러를 구현할 수 있으며, 또한 백색광의 색온도를 변경할 수 있다.
한편, 상기 형광체는 몰딩부들(51, 53) 내에 분포될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 상기 형광체는 변환 물질층 또는 변환 물질 시트 내에 함유되어 상기 몰딩부들(51, 53) 상에 위치하거나, 또는 상기 발광 다이오드 칩들 상에 위치할 수 있다.
한편, 렌즈(60)가 상기 몰딩부들(51, 53)을 덮을 수 있다. 상기 렌즈(60)는 별도로 제조된 후, 분리대(20) 상에 부착될 수 있으며, 또는 분리대(20) 상에서 성형될 수 있다. 렌즈(60)는 글래스, 실리콘, 에폭시, 폴리머 등으로 형성될 수 있으며, 확산제 및/또는 형광체를 함유할 수 있다. 렌즈(60)는 광의 지향각을 조절할 수 있도록 볼록한 형상 뿐만 아니라 다른 다양한 형상으로 형성될 수 있다.
본 실시예에 있어서, 2개의 캐비티들을 갖는 분리대(20)를 도시 및 설명하였으나, 더 많은 수의 캐비티들이 마련될 수 있고, 각 캐비티들 내에 발광 다이오드 칩들이 실장될 수 있다. 이에 따라, 다양한 색의 컬러 및 색온도를 구현할 수 있는 멀티칩 발광 다이오드 패키지가 제공될 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 멀티칩 발광 다이오드 패지지를 설명하기 위한 단면도이다.
도 4를 참조하면, 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한 패키지와 대체로 유사하나, 기판(110)이 금속, 금속합금 또는 반도체와 같은 도전성 재질의 기판인 것에 차이가 있다. 이하, 앞서 설명된 멀티칩 발광 다이오드 패키지와 다른 점을 중심으 로 설명한다.
본딩패드들(11, 13) 및 배선(15)은 절연층(111)에 의해 기판(110)으로부터 이격된다. 따라서, 본딩패드들(11, 13) 및 배선(15)은 기판(110)으로부터 절연된다. 또한, 외부 리드들(11a, 13a) 또한 절연층(111a)에 의해 기판(110)으로부터 절연되고, 본딩패드들(11, 13)과 외부 리드들(11a, 13a)을 연결하는 비아(via) 또한 절연층에 의해 기판(110)으로부터 절연된다.
발광 다이오드 칩들(41, 43) 또는 서브마운트들(31, 33)은 기판(110) 상의 절연층(111)에 부착될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 도전성 기판(110)의 표면에 부착될 수도 있다.
한편, 상기 기판(110)의 하부면은 열방출을 돕기 위해 적어도 일부가 외부에 노출되는 것이 바람직하다.
본 실시예에 따르면, 열전도성이 우수한 금속, 금속합금 또는 반도체 재료를 기판으로 사용하므로, 발광 다이오드 칩들(41, 43)에서 발생된 열을 쉽게 외부로 방출할 수 있다.
한편, 앞의 실시예들에 있어서, 배선(15)을 통해 발광 다이오드 칩들(41, 43)이 전기적으로 연결되는 것으로 도시하였으나, 발광 다이오드 칩들(41, 43)은 본딩와이어를 통해 직접 연결될 수도 있다. 또한, 발광 다이오드 칩이 그 상측에 각각 두 개의 전극들을 갖는 수평형 칩인 것으로 도시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 발광 다이오드 칩은 상측 및 하측에 각각 전극을 갖는 수직형 칩, 또는 하측에 두 개의 전극을 갖는 플립칩일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티칩 발광 다이오드 패키지의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티칩 발광 다이오드 패키지의 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티칩 발광 다이오드 패키지를 설명하기 위한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 멀티칩 발광 다이오드 패지지를 설명하기 위한 단면도이다.

Claims (8)

  1. 서로 전기적으로 절연된 본딩패드들을 갖는 기판;
    상기 기판 상에 부착되고 복수개의 캐비티들을 갖는 분리대;
    각각 상기 캐비티들에 대응하여 상기 기판 상에 실장된 복수개의 발광 다이오드 칩들;
    상기 캐비티들 내에서 상기 발광 다이오드 칩들을 덮는 몰딩부들; 및
    상기 캐비티들 중 적어도 하나의 내부 또는 그 위에 위치하는 형광체를 포함하는 멀티칩 발광 다이오드 패키지.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 몰딩부들 중 하나는 황색 형광체를 포함하고, 상기 몰딩부들 중 또 다른 하나는 적색 형광체를 포함하는 멀티칩 발광 다이오드 패키지.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 발광 다이오드 칩들은 청색광을 방출하는 발광 다이오드 칩들을 포함하고, 상기 적색 형광체를 포함하는 몰딩부 및 상기 황색 형광체를 포함하는 몰딩부는 각각 상기 청색 발광 다이오드 칩들을 덮는 멀티칩 발광 다이오드 패키지.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 기판은 세라믹 기판인 것을 특징으로 하는 멀티칩 발광 다이오드 패키지.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 기판은 상기 캐비티들에 대응하는 관통공들을 가지고, 상기 관통공들은 금속 재료로 채워지고, 상기 발광 다이오드 칩들은 상기 금속재료들 상에 위치하는 멀티칩 발광 다이오드 패키지.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 금속 재료와 상기 발광 다이오드 칩 사이에 개재된 서브마운트를 더 포함하는 멀티칩 발광 다이오드 패키지.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 기판은 금속, 금속합금 또는 반도체 기판이고,
    상기 기판과 상기 본딩패드들은 절연층에 의해 이격된 멀티칩 발광 다이오드 패키지.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 캐비티들을 덮는 렌즈를 더 포함하는 멀티칩 발광 다이오드 패키지.
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