KR20100097017A - 발광소자용 패키지 및 그 제조방법 - Google Patents

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KR20100097017A
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마사노리 혼고
히데키 이토
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마사미 후쿠야마
히데키 다카기
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Abstract

본 발명에 관한 발광소자용 패키지는, 유리를 포함하는 세라믹제의 기체(基體)와, 이 기체의 상면에 설치되어 발광소자를 수용하기 위한 캐비티가 내측에 형성되어 있는 세라믹제의 프레임체를 구비하고, 상기 기체의 상면 중, 상기 캐비티의 바닥면이 되는 영역에는 상기 기체에 포함되어 있는 유리의 일부가 석출(析出)되고 있고, 석출된 유리의 결정화도가 3%보다 크다. 본 발명에 관한 발광소자용 패키지의 제조방법은 상기 기체가 되는 제1 세라믹 형성체를, 유리를 포함하는 세라믹으로 형성하고, 이 제1 세라믹 형성체의 상면에 상기 프레임체가 되는 제2 세라믹 형성체를 설치하여 세라믹체를 형성하는 세라믹체 형성공정과, 상기 세라믹체를 840℃이상 950℃미만의 온도에서 소성하는 소성공정을 가진다.

Description

발광소자용 패키지 및 그 제조방법{PACKAGE FOR LIGHT EMITTING ELEMENT AND METHOD FOR MANUFACTURING SAME}
본 특허출원이 우선권 주장의 기초로 하는 일본 특허출원 제2009-040493호는 이 인용에 의해서 개시 중에 포함된다.
본 발명은 발광소자를 탑재하기 위한 발광소자용 패키지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
종래부터, 도 9에 나타내는 바와 같이 발광 디바이스에는 발광소자(101)를 탑재하기 위한 발광소자용 패키지(102)가 이용되고 있다. 발광소자용 패키지(102)는 세라믹제의 기체(基體)(103)와 프레임체(104)를 접합해 일체화하여 구성되어 있고, 프레임체(104)의 내측에는 발광소자(101)를 수용하기 위한 캐비티(104a)가 형성되어 있다. 또한, 기체(103)의 상면 중, 캐비티(104a)의 바닥면이 되는 영역에는 은(Ag)이나 알루미늄(Al) 등으로 이루어지는 금속층(105)이 형성되어 있다. 그리고 발광소자(101)는 캐비티(104a) 내에서 금속층(105)상에 설치되어 있다.
상기 발광 디바이스에서는 발광소자(101)로부터 전방위(全方位)로 광이 출사되며, 위쪽을 향하여 출사된 광은 그대로 위쪽으로 진행하고, 아래쪽을 향하여 출사된 광은 금속층(105)의 표면에서 반사되어 진로가 변경되어 위쪽으로 진행하게 된다.
그렇지만, 도 9에 나타내는 발광 디바이스에서는 금속층(105)이 기체(103)의 상면에 노출하고 있기 때문에, 금속층(105)의 표면이 산화에 의해서 열화(劣化)하여 금속층(105)의 광반사율이 저하할 우려가 있다. 또, 도 10에 나타내는 바와 같이 형광체를 포함한 수지(106)를 캐비티(104a)에 충전한 발광 디바이스에서는 금속층(105)과 수지(106)와의 화학반응에 의해서 금속층(105)의 표면이 열화하여 금속층(105)의 광반사율이 저하할 우려가 있다. 이 때문에, 종래의 발광 디바이스에서는 충분히 높은 발광강도를 얻을 수 없게 되는 문제가 있었다.
그래서, 본 발명의 목적은 발광강도를 충분히 높은 상태로 유지하는 것이 가능한 발광소자용 패키지 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
그래서, 본 발명의 목적은 발광강도를 충분히 높은 상태로 유지하는 것이 가능한 발광소자용 패키지 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 관한 제1 발광소자용 패키지는 유리를 포함하는 세라믹제의 기체와, 이 기체의 상부에 설치되어 발광소자를 수용하기 위한 캐비티가 내측에 형성되어 있는 세라믹제의 프레임체를 구비하고, 상기 기체의 상면 중, 상기 캐비티의 바닥면이 되는 영역에는 상기 기체에 포함되어 있는 유리의 일부가 석출(析出)되고 있으며, 석출된 유리의 결정화도(結晶化度)가 3%보다 크다.
상기 발광소자용 패키지에서는 기체의 상면에 석출된 유리의 결정화도가 3%보다 크므로, 이 결정화도가 3%이하인 경우와 비교하여 기체의 상면에는 표면 거칠기가 작은 유리층이 형성되게 된다. 따라서, 이 유리층의 표면에 의해서, 광반사율이 충분히 높은 광반사면이 형성되게 된다. 따라서, 캐비티 내에 발광소자를 수용한 경우, 이 발광소자로부터 아래쪽을 향하여 출사된 광은 유리층의 표면에서 반사되어 위쪽으로 진행하게 되며, 그 결과, 캐비티 내에 발광소자를 수용한 발광소자용 패키지에서 충분히 높은 발광강도를 얻을 수 있게 된다.
또, 석출된 유리에 의해서 형성된 유리층은 경시(經時)변화의 원인이 되는 산화나 화학반응이 발생하기 어려우며, 따라서 경시변화에 의한 광반사율의 저하가 발생하기 어렵다.
본 발명에 관한 제2 발광소자용 패키지는 상기 제1 발광소자용 패키지로서, 상기 기체는 저온동시소성 세라믹으로 형성되어 있다.
본 발명에 관한 제3 발광소자용 패키지는 상기 제1 또는 제2 발광소자용 패키지로서, 상기 기체는 유리를 포함하는 세라믹으로 제작된 복수의 세라믹 시트를 적층하여 소성하는 것에 의해 제작되어 있다.
본 발명에 관한 제1 발광소자용 패키지의 제조방법은 유리를 포함하는 세라믹제의 기체와, 이 기체의 상면에 설치되어 발광소자를 수용하기 위한 캐비티가 내측에 형성되어 있는 세라믹제의 프레임체를 구비하는 발광소자용 패키지의 제조방법으로서, 상기 기체가 되는 제1 세라믹 형성체를 유리를 포함하는 세라믹으로 형성하고, 이 제1 세라믹 형성체의 상면에 상기 프레임체가 되는 제2 세라믹 형성체를 설치하여 세라믹체를 형성하는 세라믹체 형성공정과, 상기 세라믹체를 840℃이상 950℃미만의 온도에서 소성하는 소성공정을 가진다.
소성공정에서 세라믹체를 840℃이상 950℃미만의 온도에서 소성함으로써, 제1 세라믹 형성체에서는 기체가 형성되고, 제2 세라믹 형성체에서는 내측에 캐비티를 가지는 프레임체가 형성되며, 기체의 상면 중, 캐비티의 바닥면이 되는 영역에는 3%보다 큰 결정화도를 가지는 유리가 석출되게 된다.
세라믹체를 840℃미만의 온도에서 소성한 경우, 기체 상면에 석출되는 유리의 결정화도는 3%이하가 되므로, 세라믹체를 840℃이상의 온도에서 소성한 경우가 유리의 결정화도는 커지고, 기체의 상면에는 표면 거칠기가 작은 유리층이 형성되게 된다. 그 결과, 유리층의 표면에 의해서, 광반사율이 충분히 높은 광반사면이 형성되게 된다.
따라서, 제작된 발광소자용 패키지에서 캐비티 내에 발광소자를 수용한 경우, 이 발광소자로부터 아래쪽을 향하여 출사된 광은 유리층의 표면에서 반사되어 위쪽으로 진행하게 되고, 그 결과, 캐비티 내에 발광소자를 수용한 발광소자용 패키지에서 충분히 높은 발광강도를 얻을 수 있게 된다.
또, 석출된 유리에 의해서 형성된 유리층은 경시변화의 원인이 되는 산화나 화학반응이 발생하기 어려우며, 따라서 경시변화에 의한 광반사율의 저하가 발생하기 어렵다.
본 발명에 관한 제2 발광소자용 패키지의 제조방법은 상기 제1 발광소자용 패키지의 제조방법으로서, 세라믹체 형성공정에서는 상기 제1 세라믹 형성체가 저온동시소성 세라믹으로 형성된다.
본 발명에 관한 제3 발광소자용 패키지의 제조방법은 상기 제1 또는 제2 발광소자용 패키지의 제조방법으로서, 세라믹체 형성공정에서는 유리를 포함하는 세라믹으로부터 제작된 복수의 세라믹 시트를 적층함으로써, 상기 제1 세라믹 형성체가 형성된다.
본 발명에 의하면, 발광소자용 패키지에서는 기체의 상면에 석출된 유리의 결정화도가 3%보다 크므로, 이 결정화도가 3%이하인 경우와 비교하여 기체의 상면에는 표면 거칠기가 작은 유리층이 형성되게 된다. 따라서, 이 유리층의 표면에 의해서, 광반사율이 충분히 높은 광반사면이 형성되게 된다. 따라서, 캐비티 내에 발광소자를 수용한 경우, 이 발광소자로부터 아래쪽을 향하여 출사된 광은 유리층의 표면에서 반사되어 위쪽으로 진행하게 되며, 그 결과, 캐비티 내에 발광소자를 수용한 발광소자용 패키지에서 충분히 높은 발광강도를 얻을 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일실시형태에 관한 발광 디바이스의 제조에 이용되는 세라믹체를 나타내는 단면도이다.
도 2는 이 세라믹체를 소성하여 제작된 발광소자용 패키지를 나타내는 단면도이다.
도 3은 이 발광소자용 패키지에 발광소자를 설치한 상태를 나타내는 단면도이다.
도 4는 제작된 발광 디바이스를 나타내는 단면도이다.
도 5는 소성온도와 유리의 결정화도와의 관계를 그래프로 나타낸 도면이다.
도 6은 발광소자용 패키지에 대해서 입사하는 광의 파장과 그 광의 반사율과의 관계를 그래프로 나타낸 도면이다.
도 7은 발광소자용 패키지에 대해서 정반사 특성을 그래프로 나타낸 도면이다.
도 8은 상기 발광 디바이스에 대한 개량 형태의 일례를 나타낸 단면도이다.
도 9는 종래의 발광 디바이스의 일례를 나타내는 단면도이다.
도 10은 종래의 발광 디바이스의 다른 예를 나타내는 단면도이다.
이하, 본 발명의 실시형태에 대해 도면을 따라서 구체적으로 설명한다.
도 1 ~ 도 4는 본 발명의 일실시형태에 관한 발광 디바이스에 대해서 그 제조방법을 공정순으로 나타낸 단면도이다.
우선, 세라믹체 형성공정에서 유리를 포함하는 세라믹으로 제작된 복수의 세라믹 시트(21)를 도 1에 나타내는 바와 같이 적층함으로써 세라믹 시트(21)의 적층체(711)를 형성한다.
적층체(711)의 형성 후, 적층체(711)의 상면에 유리를 포함하는 세라믹으로 제작된 프레임 형성체(31)를 설치한다. 이것에 의해, 적층체(711)와 프레임 형성체(31)로 구성된 세라믹체(71)가 형성된다. 또한, 프레임 형성체(31)는 적층체(711)와 마찬가지로 복수의 세라믹 시트를 적층하여 형성되어도 된다.
유리를 포함하는 세라믹에는 은(Ag)이나 동(Cu) 등의 금속과의 동시소성이 가능한 저온동시소성 세라믹(LTCC)이 이용된다. 본 실시형태에서는 알루미나(alumina)와 유리가 1 : 1의 비율로 포함된 저온동시소성 세라믹(LTCC)이 이용되고 있다.
또한, 은(Ag)이나 동(Cu) 등의 금속은, 예를 들면 발광 디바이스의 방열성을 높이는 써멀 피어(thermal via)(미도시)에 충전되어 열전도재로서 이용된다.
다음으로, 소성공정에 있어서 세라믹체 형성공정에서 형성한 세라믹체(71)를 840℃이상 950℃미만의 온도에서 소성한다. 세라믹체(71)에는 저온동시소성 세라믹(LTCC)가 이용되고 있으므로, 세라믹체(71)는 840℃이상 950℃미만의 소성온도에서 소결한다. 또한, 840℃이상 950℃미만의 소성온도이면, 열전도재로서 이용되는 은(Ag)이나 동(Cu) 등의 금속을 그의 이상(異常)수축을 억제하면서 소결시킬 수 있다.
세라믹체(71)의 소성에 의해, 도 2에 나타내는 바와 같이, 적층체(711)와 프레임 형성체(31)가 각각 소결하여 기체(2)와 프레임체(3)가 형성됨과 동시에, 기체(2)와 프레임체(3)가 접합해 일체화된다. 그리고, 프레임 형성체(31)의 소결에 의해, 프레임 형성체(31)의 내측에 형성되어 있던 공간(31a)(도 1 참조)이 발광소자(1)를 수용하기 위한 캐비티(3a)가 된다. 이것에 의해, 기체(2)와 프레임체(3)로 구성된 발광소자용 패키지(72)가 제작된다.
또, 세라믹체(71)의 소성에 의해, 발광소자용 패키지(72)의 표면에는 세라믹에 포함되어 있던 유리의 일부가 결정화한 상태로 석출되어 유리층이 형성되게 된다(미도시). 따라서, 기체(2)의 상면(2a) 중 캐비티(3a)의 바닥면이 되는 영역에도 유리층이 형성되게 된다.
도 5는 세라믹체(71)의 소성온도와 석출된 유리의 결정화도와의 관계를 그래프로 나타낸 도면이다. 도 5에 나타내는 바와 같이, 석출된 유리의 결정화도는 소성온도가 높을수록 커지고, 소성온도가 840℃이상인 경우에는 석출된 유리의 결정화도는 3%보다 커진다. 그리고, 소성온도가 900℃정도인 경우에는 석출된 유리의 결정화도는 40%정도가 된다. 또한, 소성온도가 950℃정도인 경우에는 석출된 유리의 결정화도는 60%정도가 된다(미도시).
한편, 소성온도가 840℃미만의 온도인 경우에는 석출된 유리의 결정화도는 3%이하가 된다. 저온동시소성 세라믹(LTCC)을 이용한 종래의 발광소자용 패키지에서는 840℃미만의 온도로 소성이 행해지고 있었기 때문에, 기체(2)의 상면(2a)에 유리가 석출되었다고 해도 그 결정화도는 3%이하였다.
따라서, 세라믹체(71)를 840℃이상의 온도에서 소성함으로써, 발광소자용 패키지(72)의 표면에는 3%보다 큰 결정화도를 가지는 유리가 석출되게 되며, 세라믹체(71)를 840℃미만의 온도에서 소성한 경우와 비교하여 석출되는 유리의 결정화도가 커진다. 단, 소성온도를 너무 높게 하는 것은 바람직하지 않고, 상세한 것에 대하여는 후술한다.
도 6은 847℃, 900℃ 및 950℃의 소성온도에서 제작된 발광소자용 패키지(72)의 각각에 대해서 입사하는 광의 파장과 그 광의 반사율과의 관계를 그래프 A1 ~ A3으로 나타낸 도면이다. 도 6에 나타내는 그래프로부터, 847℃의 소성온도에서 제작된 발광소자용 패키지(72)에서 85%이상의 높은 반사율을 얻을 수 있는 것을 알 수 있다. 게다가, 847℃보다 높은 소성온도(900℃ 또는 950℃)에서 제작된 발광소자용 패키지(72)가 특히 380㎚ ~ 450㎚ 및 600㎚ ~ 780㎚의 범위 내에 있는 파장에서 광의 반사율이 더 커지는 것을 알 수 있다. 단, 소성온도가 900℃의 경우와 950℃의 경우에서는 광의 반사율은 대부분 변하지 않는다.
또한, 도 5에 나타내는 바와 같이, 석출된 유리의 결정화도는 847℃의 소성온도에서는 3%정도, 900℃의 소성온도에서는 40%정도, 950℃의 소성온도에서는 60%정도이다.
표 1 및 표 2는 각각, 도 6의 그래프에 대해 파장이 405㎚와 650㎚일 때의 반사율을 수치로 나타낸 것이다. 표 1에 나타내는 바와 같이, 파장이 405㎚의 광의 반사율은 847℃의 소성온도에서는 97%가 되고, 900℃의 소성온도에서는 101.2%가 된다. 또, 표 2에 나타내는 바와 같이, 파장이 650㎚의 광의 반사율은 847℃의 소성온도에서는 89.8%가 되고, 900℃의 소성온도에서는 91.8%가 된다.
Figure pat00001
Figure pat00002
도 6에 나타나는 그래프 및 표 1과 표 2에 나타나는 데이터로부터 석출된 유리의 결정화도가 3%보다 커지는 것에 의해, 석출된 유리에 의해서 형성되는 유리층에서의 광의 반사율이 충분히 높아지는 것, 즉 이 유리층의 표면 거칠기가 충분히 작아지는 것을 알 수 있다.
따라서, 840℃이상의 소성온도에서 제작된 발광소자용 패키지(72)에서는 기체(2) 상면(2a)에 형성되는 유리층의 표면 거칠기가 840℃미만의 소성온도에서 제작되고 있던 종래의 발광소자용 패키지보다 작아진다. 그 결과, 유리층의 표면에 의해서, 광반사율이 충분히 높은 광반사면이 형성되게 되어, 캐비티(3a)로부터 아래쪽을 향하여 출사된 광은 유리층의 표면에서 반사되어 위쪽으로 진행하게 된다.
또한, 석출된 유리에 의해서 형성된 유리층은 경시변화의 원인이 되는 산화나 화학반응이 발생하기 어렵고, 따라서 경시변화에 의한 광반사율의 저하가 발생하기 어렵다.
상술과 같이, 세라믹체(71)를 840℃이상의 온도에서 소성한 경우, 발광소자용 패키지(72)의 표면에는 결정화도가 3%보다 큰 유리가 석출되고, 석출된 유리에 의해서, 광의 반사율이 충분히 높은 유리층이 형성되게 된다. 따라서, 세라믹체(71)의 소성온도는 840℃이상인 것이 바람직하다.
또한, 본원 발명자는 세라믹체(71)의 소성온도는 950℃미만인 것이 바람직한 것을 실험에 의해 확인하고 있다.
도 7은 900℃ 및 950℃의 소성온도에서 제작된 발광소자용 패키지(72)의 각각에 대해서 정반사 특성을 그래프 B1, B2로 나타낸 도면이다. 도 7에 나타내는 그래프로부터 소성온도가 950℃까지 높아지면, 제작된 발광소자용 패키지(72)의 정반사 특성이 저하하기 시작하는 것을 알 수 있다.
따라서, 세라믹체(71)와 동시소성되는 금속의 이상 수축이 억제된다고 하는 점 이외에 발광소자용 패키지(72)의 반사 특성의 저하를 억제한다고 하는 점으로부터도 세라믹체(71)의 소성온도는 950℃미만인 것이 바람직하다.
소성공정의 실행 후, 도 3에 나타내는 바와 같이 발광소자 설치공정에 있어서 소성공정에서 제작한 발광소자용 패키지(72)에 발광소자(1)를 설치한다. 구체적으로는, 발광소자(1)는 캐비티(3a) 내에서 유리층이 형성되어 있는 기체(2)의 상면(2a)에 다이 어탯치 패드(attatch pad)(11)를 통하여 설치된다.
그리고 수지충전공정에서 도 4에 나타내는 바와 같이 캐비티(3a)의 내부에 형광체를 포함하는 수지(6)를 충전하고, 이 수지(6)를 경화시킨다. 이것에 의해, 본 발명의 일실시형태에 관한 발광 디바이스가 제작된다.
제작된 발광 디바이스에서는, 발광소자(1)로부터 아래쪽을 향하여 출사된 광은 유리층의 표면으로 이루어진 광반사면에서 반사되어 위쪽으로 진행하게 되고, 그 결과, 발광 디바이스에서 충분히 높은 발광강도를 얻을 수 있게 된다.
또, 상술과 같이 유리층의 표면은 열화하기 어려우므로, 발광 디바이스의 발광강도는 충분히 높은 상태로 유지되게 된다.
도 8은 상기 발광 디바이스에 대한 개량 형태의 일례를 나타낸 단면도이다. 도 8에 나타내는 바와 같이, 발광소자용 패키지(72)의 기체(2)에는 발광소자(1)의 아래쪽 위치에 광반사판(4)이 그 광반사면(42)을 위쪽을 향한 자세로 매설되어 있어도 된다.
금속층(41)에는 높은 광반사율을 얻는 것이 가능한 은(Ag)이나 알루미늄(Al) 등의 금속이 이용된다.
도 8에 나타내는 발광소자용 패키지(72)에서는 광반사판(4)의 광반사면(42)과 기체(2)의 상면(2a)과의 사이에 기체(2)를 형성하는 저온동시소성 세라믹(LTCC)의 일부가 개재하게 된다. 그러나, 저온동시소성 세라믹은 광투과성을 가지고 있으므로, 캐비티(3a)에 수용한 발광소자(1)로부터 아래쪽을 향하여 출사된 광의 일부가 유리층을 통과한 경우, 통과한 광은 광반사판(4)의 광반사면(42)까지 도달하고, 광반사면(42)에서 반사되어 위쪽으로 진행하게 된다.
따라서, 발광소자(1)로부터 아래쪽을 향하여 출사된 광이 효율 좋게 위쪽으로 유도되게 되어, 상기 개량 형태의 일례에 관한 발광 디바이스의 발광강도는, 보다 높은 상태로 유지되게 된다.
또한, 본 발명의 각부 구성은 상기 실시형태에 한정하지 않고, 특허청구의 범위에 기재의 기술적 범위 내에서 여러 가지의 변형이 가능하다. 상기 실시형태에서는 기체(2)를 형성하는 세라믹으로서 알루미나와 유리가 1 : 1의 비율로 포함된 저온동시소성 세라믹을 이용했지만, 본 발명은 이것에 한정되는 것은 아니며, 여러 가지의 저온동시소성 세라믹을 이용하는 것이 가능하다.

Claims (4)

  1. 유리를 포함하는 세라믹제의 기체(基體)와, 이 기체의 상면에 설치되어 발광소자를 수용하기 위한 캐비티가 내측에 형성되어 있는 세라믹제의 프레임체를 구비하고, 상기 기체의 상면 중, 상기 캐비티의 바닥면이 되는 영역에는 상기 기체에 포함되어 있는 유리의 일부가 석출(析出)되고 있으며, 석출된 유리의 결정화도가 3%보다 큰 발광소자용 패키지.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 기체는 저온동시소성 세라믹으로 형성되어 있는 발광소자용 패키지.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 기체는 유리를 포함하는 세라믹으로 제작된 복수의 세라믹 시트를 적층하여 소성함으로써 제작되어 있는 발광소자용 패키지.
  4. 유리를 포함하는 세라믹제의 기체와, 이 기체 상면에 설치되어 발광소자를 수용하기 위한 캐비티가 내측에 형성되어 있는 세라믹제의 프레임체를 구비하는 발광소자용 패키지의 제조방법으로서,
    상기 기체가 되는 제1 세라믹 형성체를, 유리를 포함하는 세라믹으로 형성하고, 이 제1 세라믹 형성체의 상면에 상기 프레임체가 되는 제2 세라믹 형성체를 설치하여 세라믹체를 형성하는 세라믹체 형성공정과, 상기 세라믹체(71)를 840℃이상 950℃미만의 온도에서 소성하는 소성공정을 가지는 발광소자용 패키지의 제조방법.
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