KR20110014944A - 발광 다이오드 - Google Patents

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KR20110014944A
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치엔-창 페이
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에버라이트 일렉트로닉스 컴패니 리미티드
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Abstract

본 발명은 발광 다이오드를 제공한다. 상기 발광 다이오드는 제1표면과 해당 제1표면과는 반대쪽에 있는 제2표면을 지닌 세라믹 기판을 포함한다. 상기 세라믹 기판의 제1표면에는 제1도선 금속층과 제2도선 금속층이 배치되어 있다. 적어도 1개의 발광 다이오드 칩이 상기 세라믹 기판의 제1표면에 각각 배치되어, 상기 제1 및 제2도선 금속층에 전기적으로 접속되어 있다. 상기 세라믹 기판의 제2표면에는 복수개의 열 금속 패드가 배치되어 있고, 이들 열 금속 패드는 발광 다이오드 칩과는 전기적으로 절연되어 있다.
발광 다이오드, 세라믹 기판, 도선 금속층, 열 금속 패드

Description

발광 다이오드{LIGHT EMITTING DIODE}
관련 출원에 대한 교차 참조
본 출원은 대만 특허 출원 제98126500호(출원일: 2009년 8월 6일)의 우선권을 주장하며, 이 기초 출원은 그의 전문이 참조로 본 명세서에 원용된다.
기술분야
본 발명은 발광 다이오드에 관한 것으로, 특히, 복수개의 열 금속 패드(thermal metal pad)를 구비한 발광 다이오드에 관한 것이다.
발광 다이오드(LED)는 저소비전력, 소형화, 신속한 가동속도, 장수명, 보다 적은 감쇠, 견고한 외관, 양호한 내충격성 및 간단한 제조 공정 등과 같은 이점을 지니는 고체상태 광원(solid-state light source)이며, 따라서 전통적인 광원 대신에 LED의 사용을 장려하고 있다. 그러나, 백라이트 및 전기 조명으로서 적용되는 LED에 대해서는, 여전히 방열(heat dissipation) 문제가 존재하고 있다. 이러한 방열 문제를 해소하기 위하여, 종래의 LED의 세라믹 기판 상에 배치된 열 금속 패드가 대면적을 지닌 단일 구조로서 설계되어 있다. 그러나, 이 종래의 단일의 열 금속 패드가 납땜에 의해 종래의 LED 밑에 있는 회로 기판에 접합되어 있는 경우, 세라믹 기판의 불균일한 표면이 땝납의 불균일한 응집을 초래하고, 이에 따라, 종래의 단일의 열 금속 패드와 회로 기판 사이의 계면에 기체 구멍 잔사 및 균열을 형성하게 된다. 따라서, 종래의 단일의 열 금속 패드와 회로 기판 사이의 계면은 불량한 접합을 지닌다. 또한, 종래의 LED가 작동하면, 발생된 열 응력은 종래의 단일의 열 금속 패드의 대면적으로 인해 기체 구멍을 따라 연속적으로 성장하는 균열을 초래한다. 따라서, LED는 이들 사이의 계면에서 회로기판으로부터 탈착될 수 있고, 이에 따라, 전기적 성능, 방열 면적, 방열효율 및 신뢰성을 저감시킬 수 있게 된다.
따라서, 높은 방열 효율 및 신뢰성을 지닌 신규한 발광 다이오드가 요망되고 있다.
본 발명에 의하면, 발광 다이오드가 제공된다. 발광 다이오드의 예시적인 실시형태는 작은 면적을 지닌 열 금속 패드를 복수개 지닌다. 각 땜납은 대응하는 열 금속 패드에 확고하게 접착될 수 있다. 따라서, 기체 구멍 발생 문제를 저감시킨다. 불량한 접합 계면으로 인해 열 금속 패드 중 하나에서 균열이 발생하면, 해당 발생된 균열은 동일한 열 금속 패드로 국한되어 인접한 열 금속 패드에는 영향을 미치지 않는다. 열 금속 패드 중 하나가 그들 사이의 계면에 있는 회로 기판으로부터 탈착되면, 인접한 열 금속 패드와 회로 기판 간의 접합은 영향받지 않을 것이다. 따라서, 발광 다이오드의 전기적 성능과 신뢰성이 유지됨으로써, 그의 방열효율을 유지한다.
발광 다이오드의 예시적인 일 실시형태는 제1표면과 해당 제1표면과는 반대쪽에 있는 제2표면을 지닌 세라믹 기판; 상기 세라믹 기판의 제1표면 상에 배치되어 있는 제1도선 금속층(conductive trace metal layer)과 제2도선 금속층; 상기 세라믹 기판의 제1표면 상에 각각 배치되어, 상기 제1 및 제2도선 금속층에 전기적으로 접속되어 있는 1개 이상의 발광 다이오드 칩; 및 상기 세라믹 기판의 제2표면 상에 배치된 복수개의 열 금속 패드(thermal metal pad)를 포함하되, 상기 열 금속 패드들은 상기 발광 다이오드 칩으로부터 전기적으로 절연되어 있다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 이하의 실시예에 대해서 상세히 설명한다.
이하의 설명은 본 발명을 수행하기 위한 하나의 모드이다. 이 설명은 본 발명의 전반적인 원리를 예시할 목적으로 행해지는 것으로, 이것은 제한적인 의미로 받아들여서는 안된다. 본 발명의 범위는 첨부된 특허청구범위를 참조하여 최량으로 결정된다. 가능한 경우는 언제든지, 도면 및 설명에서 동일 혹은 유사한 부분을 지칭하기 위하여 동일한 참조 부호를 이용한다.
본 발명은 특정 실시예에 관하여 소정의 도면을 참조해서 설명하지만, 본 발명은 이들로 한정되지 않고 오로지 특허청구범위에 의해서만 제한된다. 설명된 도면은 단지 개략적이며 비제한적이다. 도면에 있어서, 일부 구성 요소들의 크기는 과장되어 표시되어 있을 수 있으며, 이들은 예시적인 목적을 위해 일정 비율로 도시되어 있지 않다. 치수 및 상대 치수는 본 발명을 실시하는 실제적인 치수에 대응하지 않는다.
도 1a는 본 발명의 발광 다이오드(혹은 발광 소자)(500)의 예시적인 일 실시예를 도시한 평면도이다. 발광 다이오드 칩(206) 및 도선 구조체의 배치를 설명하기 위하여, 도 1e에 도시된 바와 같은 발광 다이오드(500)의 포장용 접착제(packaging adhesive)(212)는 여기서는 간략화를 위해 예시되어 있지 않다. 도 1b 및 도 1c는 발광 다이오드 칩(206a)의 각종 전기적 접속을 도시한 본 발명의 발광 다이오드(500a), (500b)의 예시적인 실시예의 평면도이다. 도 1d는 본 발명의 발광 다이오드(500)의 예시적인 일 실시예의 밑면도이다. 도 1d는 또한 발광 다이오드(500a) 또는 (500b)의 예시적인 일 실시예를 도시한 밑면도를 예시하고 있다. 도 1e는 회로 기판(222)에 접속된 발광 소자(500)의 예시적인 일 실시예를 도시한 도 1a의 A-A' 선을 따라 취한 단면도이다. 도 1a 내지 도 1d에 도시된 바와 같이, 발광 소자(500)의 예시적인 일 실시예는 세라믹 기판(200), 복수개의 발광 다이오드 칩(206), 도선 구조체 및 복수개의 열 금속 패드(216)를 포함할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 세라믹 기판(200)은 제1표면(202) 및 해당 제1표면(202)과는 반대쪽에 있는 제2표면(204)을 구비한다. 일 실시예에 있어서, 세라믹 기판(200)은 질화알루미늄(AlN) 또는 산화알루미늄(Al2O3)을 포함할 수 있다. 복수개의 발광 다이오드 칩(206)은 세라믹 기판(200)의 제1표면(202) 상에 배치되어 있다. 도 1a에 도시된 바와 같은 일 실시예에 있어서, 발광 다이오드 칩(206)은 해당 발광 다이오드 칩(206)의 상부면과 하부면 상에 각각 p형 전극과 n형 전극(도시 생략)을 지니고 있다. 단, p형 전극과 n형 전극의 배치는 발광 다이오드 칩(206)의 설계에 따라 전환될 수도 있다. 도 1a, 도 1d 및 도 1e에 도시된 바와 같이, 상기 도선 구조체는 세라믹 기판(200)의 제1표면(202) 상에 직접 배치된 제1도선 금속층(208a)과 제2도선 금속층(208b); 상기 세라믹 기판(200)과 발광 다이오드 칩(206) 사이에 배치되어 상기 발광 다이오드 칩(206)에 전기적으로 접속된 제3도선 금속층(208c); 상기 발광 다이오드 칩(206)과 제2도선 금속층(208b) 혹은 제3도선 금속층(208c) 사이에 전기적으로 접속된 도선(209); 및 상기 세라믹 기판(200)의 제2표면(204) 상에 배치된 제4 및 제5도선 금속층(208d), (208e)을 포함할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 도선 구조체는 발광 다이오드 칩(206)의 입력/출력(I/O) 신호, 접지 신호 및 전원(power) 신호용의 전기적 접속 경로로서 이용될 수 있다. 또한, 도 1d에 도시된 바와 같이, 일 실시예에 있어서, 상기 도선 구조체의 제1도선 금속층(208a)은 상기 세라믹 기판(200)을 통해 형성된 통공(via)(214a)에 의해 해당 세라믹 기판(200)의 제2표면(204) 상에 배치된 제4도선 금속층(208d)에 전기적으로 접속될 수 있다. 마찬가지로, 상기 도선 구조체의 제2도선 금속층(208b)은 상기 세라믹 기판(200)을 통해 형성된 통공(214b)에 의해 해당 세라믹 기판(200)의 제2표면(204) 상에 배치된 제5도선 금속층(208e)에 전기적으로 접속될 수 있다. 따라서, 도 1e에 도시된 바와 같이, 상기 도선 구조체는 세라믹 기판(200)의 제2표면(204) 상에 연장됨으로써, 회로 기판(222)에 전기적으로 접속되고, 이것은 세라믹 기판(200)의 제2표면(204)에 접속될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 도선 구조체는 Ag, Cu, Ni, Al 또는 이들의 조합물을 포함할 수 있다. 도 1e에 도시된 바와 같이, 발광 소자(500)의 예시적인 일 실시예는 세라믹 기판(200)의 제1표면(202), 발광 다이오드 칩(206), 제1도선 금속층(208a), 제2도선 금속층(208b), 제3도선 금속층(208c) 및 도선(209)을 밀봉하기 위한 포장용 접착제(212)를 추가로 포함한다. 상기 포장용 접착제(212)는 발광 다이오드 칩(206)이 손상되는 것을 방지할 수 있다. 또, 상기 포장용 접착제(212)는 발광 다이오드 칩(206)으로부터 발사되는 광의 출력을 허용할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 포장용 접착제(212)는 실리콘, 에폭시, 형광 접착제(fluorescent glue) 혹은 이들의 조합물 등 의 재료를 포함할 수 있다.
도 1b 및 도 1c는 발광 다이오드 칩(206a)의 각종 전기적 접속을 도시한 본 발명의 발광 다이오드(500a), (500b)의 예시적인 다른 실시예의 평면도이다. 도 1b에 도시된 바와 같이, 발광 다이오드 칩(206a)은 해당 발광 다이오드 칩(206a)의 상부면 상에 p형 전극과 n형 전극(도시 생략)을 모두 지니고 있다. 상기 p형 전극과 n형 전극은 각각 도선(209)을 통해 제1도선 금속층(208a) 및 제2도선 금속층(208b)에 전기적으로 접속되어 있다. 따라서, 발광 다이오드 칩(206a)은 직렬로 접속되어 있다. 단, 도 1c에 도시된 바와 같은 대안적인 실시예에 있어서, 발광 다이오드 칩(206a)은 각각 도선(209)을 통해 제1도선 금속층(208a) 및 제2도선 금속층(208b)에 전기적으로 접속되어 있다. 따라서, 발광 다이오드 칩(206a)은 병렬로 접속되어 있다. 도 1b, 도 1c, 도 1d 및 도 1e에 도시된 바와 같이, 발광 다이오드(500a), (500b)의 도선 구조체는 세라믹 기판(200)의 제1표면(202) 상에 직접 배치된 제1도선 금속층(208a)과 제2도선 금속층(208b); 상기 세라믹 기판(200)과 발광 다이오드 칩(206) 사이에 배치되어, 상기 발광 다이오드 칩(206a)에 전기적으로 접속되어 있는 제3도선 금속층(208c); 상기 발광 다이오드 칩(206a)과 제2도선 금속층(208b) 혹은 제3도선 금속층(208c) 사이에 전기적으로 접속된 도선(209); 및 상기 세라믹 기판(200)의 제2표면(204) 상에 배치된 제4 및 제5도선 금속층(208d), (208e)을 포함할 수 있다.
도 1d 및 도 1e에 도시된 바와 같이, 발광 다이오드(500)의 예시적인 일 실시예는 세라믹 기판(200)의 제2표면(204) 상에 배치된 복수개의 열 금속 패드(216) 를 추가로 포함한다. 상기 열 금속 패드(216)는 발광 다이오드 칩(206)으로부터 발생되는 열을 외기로 방출할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 세라믹 기판(200)으로부터 멀리 떨어진 열 금속 패드(216)의 표면과 제4 및 제5도선 금속층(208d), (208e)의 표면은 같은 평면에 있고, 이에 따라, 제4 및 제5도선 금속층(208d), (208e) 및 열 금속 패드(216)가 세라믹 기판(200)의 제2표면(204)에 접속된 회로 기판(222)과의 양호한 전기적 접속을 지니는 것을 확실하게 한다. 복수개의 열 금속 패드(216)는 거리(d)에서 서로 전기적으로 절연되어 있다. 또한, 상기 열 금속 패드(216)는 발광 다이오드 칩(206), 제4 및 제5도선 금속층(208d), (208e)과는 전기적으로 절연되어 있다.
도 1e에 도시된 바와 같이, 발광 다이오드(500)의 예시적인 일 실시예에 있어서, 세라믹 기판(200)의 제2표면(204) 상에 배치된 제4 및 제5도선 금속층(208d), (208e), 그리고 열 금속 패드(216)는 납땜에 의해 땜납을 통해 회로 기판(222)에 접합되어 있다. 예를 들어, 제4도선 금속층(208d)은 땜납(228a)에 의해 회로 기판(222)의 접합 패드(224a)에 접속될 수 있다. 제5도선 금속층(208e)은 땜납(228b)에 의해 회로 기판(222)의 접합 패드(224b)에 접속될 수 있다. 접합 패드(224a), (224b)는 발광 다이오드 칩(206)의 입력/출력(I/O) 신호, 접지 신호 및 전원 신호를 전송하는 데 이용된다. 또한, 상기 열 금속 패드(216)는 땜납(228c)에 의해 회로 기판(222)의 복수개의 접합 패드(226)에 접속될 수 있다. 따라서, 상기 접합 패드(226)는 발광 다이오드 칩(206)으로부터 발생된 열을 회로 기판(222)을 통해 외기로 방출할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 열 금속 패드(216) 에 접속되어 있는 접합 패드(226)는 해당 열 금속 패드(216)와 동일한 크기 및 개수를 지닐 수 있다. 대안적으로, 상기 열 금속 패드(216)는 보다 큰 면적을 지닌 단일의 접합 패드(도시 생략)에 접합되어 있을 수도 있다.
서로 절연되어 있는 복수개의 열 금속 패드(216)를 지닌 발광 다이오드(500)의 일 실시예는 다음과 같은 이점을 지닌다. 세라믹 기판(200) 상에 배치된 열 금속 패드(216)는 다수 개이며, 보다 적은 접합 면적을 지닌다. 세라믹 기판(200)의 불균일에도 불구하고, 각 땜납은 대응하는 열 금속 패드(216)에 확고하게 접착될 수 있다. 따라서, 가스 구멍 발생 문제를 저감할 수 있다. 가령 불량한 접합으로 인해 열 금속 패드(216) 중 하나와 회로 기판(222) 사이의 계면에 가스 구멍이 발생된다면, 가스는 외기로 즉시 배출된다. 따라서, 발광 다이오드의 신뢰성은 심하게 영향받지 않는다. 또한, 가령 불량한 접합으로 인해 열 금속 패드(216) 중 하나에 균열이 발생하면, 해당 발생된 균열은 열 금속 패드(216) 간의 간격(d)으로 인해 악화되는 것이 방지될 것이다. 따라서, 발생된 균열은 인접하는 열 금속 패드에 영향을 미치는 일없이 그 열 금속 패드(216)에 제한될 것이다. 열 금속 패드(216) 간의 간격은 하나의 열 금속 패드(216)의 불량한 접합으로 인한 탈착 가능성을 제한하는 역할을 할 수 있다. 예를 들어, 열 금속 패드(216) 중 하나가 열 금속 패드(216)와 회로 기판(222) 사이의 계면에서 회로 기판(222)으로부터 탈착되면, 인접한 열 금속 패드(216)와 회로 기판(222)의 접합은 심하게 영향받지 않게 될 것이다. 따라서, 발광 다이오드(500)의 전기적 성능, 신뢰성 및 방열효율은, 하나의 열 금속 패드의 불량한 접속으로 인한 탈착에도 불구하고, 유지된다.
이상, 본 발명을 예를 통해 또한 바람직한 실시예의 관점에서 설명하였지만, 본 발명은 개시된 실시예로 제한되지 않음을 이해할 필요가 있다. 이와 반대로, (당업자에게 명백한 바와 같이) 각종 변형과 유사한 구성도 포함하는 것임을 이해할 필요가 있다. 따라서, 첨부된 특허청구범위의 범위는 이러한 변형과 유사한 구성을 모두 망라하도록 최광의의 해석에 따를 필요가 있다.
도 1a은 본 발명의 발광 다이오드의 예시적인 일 실시예를 도시한 평면도;
도 1b 및 도 1c는 발광 칩의 각종 전기적 접속을 나타낸 본 발명의 발광 다이오드의 예시적인 다른 실시예의 평면도;
도 1d는 본 발명의 발광 다이오드의 예시적인 일 실시예를 도시한 밑면도;
도 1e는 회로 기판에 접속된 발광 소자의 예시적인 일 실시예를 도시한, 도1a의 A-A' 선을 따라 취한 단면도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
200: 세라믹 기판 202: 제1표면
204: 제2표면 206, 206a: 발광 다이오드 칩
208a: 제1도선 금속층 208b: 제2도선 금속층
208c: 제3도선 금속층 208d: 제4도선 금속층
208e: 제5도선 금속층 209: 도선
212: 포장용 접착제 214a, 214b: 통공
216: 열 금속 패드 222: 회로 기판
224a, 224b, 226: 접합 패드 228a, 228b, 228c: 땜납
500, 500a, 500b: 발광 다이오드(혹은 발광 소자)

Claims (15)

  1. 제1표면과 해당 제1표면과는 반대쪽에 있는 제2표면을 지닌 세라믹 기판;
    상기 세라믹 기판의 제1표면 상에 각각 배치되어 있는 제1도선 금속층(conductive trace metal layer)과 제2도선 금속층;
    상기 세라믹 기판의 제1표면 상에 각각 배치되어, 상기 제1 및 제2도선 금속층에 전기적으로 접속되어 있는 1개 이상의 발광 다이오드 칩; 및
    상기 세라믹 기판의 제2표면 상에 배치된 복수개의 열 금속 패드(thermal metal pad)를 포함하되,
    상기 열 금속 패드는 상기 발광 다이오드 칩과는 전기적으로 절연되어 있는 것인 발광 다이오드.
  2. 제1항에 있어서, 상기 세라믹 기판의 제1표면 상에 배치된 제3도선 금속층을 추가로 포함하되, 상기 발광 다이오드 칩은 해당 제3도선 금속층 상에 배치되어, 상기 제3도선 금속층을 통해 상기 제1도선 금속층에 전기적으로 접속되고, 또, 상기 발광 다이오드 칩은 상기 제2도선 금속층에 전기적으로 접속되어 있는 것인 발광 다이오드.
  3. 제1항에 있어서, 상기 발광 다이오드 칩 및 상기 제2도선 금속층에 전기적으로 접속된 도선을 추가로 포함하는 것인 발광 다이오드.
  4. 제2항에 있어서, 상기 발광 다이오드 칩 및 상기 제2도선 금속층에 전기적으로 접속된 도선을 추가로 포함하는 것인 발광 다이오드.
  5. 제2항에 있어서, 상기 제3도선 금속층 및 상기 제1도선 금속층에 전기적으로 접속된 도선을 추가로 포함하는 것인 발광 다이오드.
  6. 제1항에 있어서, 상기 세라믹 기판으로부터 멀리 떨어진 상기 열 금속 패드들의 표면들은 같은 평면에 있는 것인 발광 다이오드.
  7. 제1항에 있어서, 상기 열 금속 패드들은 서로 전기적으로 절연되어 있는 것인 발광 다이오드.
  8. 제1항에 있어서, 상기 세라믹 기판의 제2표면 상에 배치된 제4도선 금속층과 제5도선 금속층을 추가로 포함하되, 상기 제1 및 제2도선 금속층은 각각 상기 세라믹 기판 내의 통공들(vias)을 통해 상기 제4 및 제5도선 금속층에 전기적으로 접속되어 있는 것인 발광 다이오드.
  9. 제1항에 있어서, 상기 세라믹 기판의 제1표면과 상기 발광 다이오드 칩을 둘러싸는 포장용 접착제(packaging adhesive)를 추가로 포함하는 것인 발광 다이오 드.
  10. 제1항에 있어서, 상기 세라믹 기판은 질화알루미늄(AlN) 또는 산화알루미늄(Al2O3)을 포함하는 것인 발광 다이오드.
  11. 제1항에 있어서, 상기 열 금속 패드는 Ag, Cu, Ni, Al 또는 이들의 조합물을 포함하는 것인 발광 다이오드.
  12. 제1항에 있어서, 상기 도선 금속층은 Ag, Cu, Ni, Al 또는 이들의 조합물을 포함하는 것인 발광 다이오드
  13. 제1항에 있어서, 상기 포장용 접착제는 실리콘, 에폭시, 형광 접착제(fluorescent glue) 또는 이들의 조합물을 포함하는 것인 발광 다이오드.
  14. 제1항에 있어서, 상기 열 금속 패드들은 회로 기판 상에 배치된 복수개의 접합 패드에 각각 전기적으로 접속되어 있는 것인 발광 다이오드.
  15. 제1항에 있어서, 상기 열 금속 패드들은 회로 기판 상에 배치된 단일의 접합 패드에 각각 전기적으로 접속되어 있는 것인 발광 다이오드.
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