KR20120068831A - Ｌｅｄ 칩 접합체, ｌｅｄ 패키지, 및 ｌｅｄ 패키지의 제조 방법 - Google Patents

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사토시 히구마
히데키 히로츠루
신야 나리타
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덴끼 가가꾸 고교 가부시키가이샤
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Abstract

방열성을 현저하게 개선한 신뢰성이 높은 LED 패키지, LED 패키지의 제조 방법, 이 LED 패키지에 이용하는 LED 칩 접합체를 제공한다. LED 패키지는 LED 칩 접합체(10)가 금속기판(5)에 절연층(4)을 통해서 금속회로(3)가 형성되어 있는 회로 기판(11)에 접합되는 한편, 상기 LED 칩 접합체의 LED 칩(1)과 상기 회로 기판의 금속회로(3)가 전기적 접속 부재(9)로 접속되어 있으며, 적어도 상기 LED 칩 접합체와 상기 전기적 접속 부재가 형광물질을 포함하는 수지 봉지재(8)로 봉지되어 있는 것을 특징으로 한다.

Description

ＬＥＤ 칩 접합체, ＬＥＤ 패키지, 및 ＬＥＤ 패키지의 제조 방법{LED CHIP ASSEMBLY, LED PACKAGE, AND MANUFACTURING METHOD OF LED PACKAGE}
본 발명은 LED 칩 접합체, LED 패키지, 및 LED 패키지의 제조 방법에 관한 것이다.
LED 발광 소자는 반도체의 pn 접합에 순방향 전류를 흘리면 발광하는 소자이며, GaAs 또는 GaN 등의 Ⅲ-Ⅴ족 반도체 결정을 이용해서 제조된다. 근년, 반도체의 에피택셜 성장(Epitaxial Growth) 기술과 발광 소자 프로세스 기술의 진보에 의해 변환 효율이 뛰어난 LED 발광 소자가 개발되어, 여러 가지 분야에 있어서 폭넓게 사용되고 있다.
LED 칩은 성장 기판 위에 Ⅲ-Ⅴ족 반도체 결정을 에피택셜 성장시킨 p형층과 n형층, 및 이들 사이에 끼워져 있는 광활성층으로 구성된다. 일반적으로는, 단결정 사파이어 등의 성장 기판 위에 Ⅲ-Ⅴ족 반도체 결정을 에피택셜 성장시킨 후 전극 등을 형성시켜서 LED 칩을 얻는다.
단결정 사파이어의 열전도율이 40 W/(m?K) 정도이므로, Ⅲ-Ⅴ족 반도체 소자에서 발생하는 열을 충분히 방열할 수 없다. 특히, 대전류를 흘리는 고출력 LED에서는 소자의 온도가 상승하고, 발광 효율의 저하나 소자 수명의 저하를 일으킨다. 이를 해결하기 위해서, 성장 기판 위에 Ⅲ-Ⅴ족 반도체 결정을 에피택셜 성장시킨 후에 금속층을 통해서 패키지 기판(보유 기판)을 접합하고, 그 후, 상기 성장 기판을 제거하는 방법이 제안되고 있지만(특허문헌 1), 충분히 만족할만한 것이 아니었다. 즉, 금속계 패키지 기판(보유 기판)은 도전성이기도 하므로 실장 시에는 비절연 구조로 하여야 한다. 예를 들면, 회로 기판 등의 실장 기판에 접합할 때, 접합부 바로 아래에 수지 등의 열전도율이 낮은 절연층을 배치할 필요가 있지만, 이 절연층이 충분한 방열을 저해한다.
한편, LED 칩의 발열에 의한 장해를 조금이라도 경감시키기 위하여 고출력 LED 발광 장치로는, 방열판, 예를 들면 구리(Cu)판을 통하여, LED 칩을 회로 기판 등에 실장하는 방법이 제안되고 있다(특허문헌 2). 그러나, Cu의 선팽창계수가 17×10-6/K 정도이며, LED 칩의 5×10-6/K 정도와 크게 차이가 나므로, 사용중에 접합부에 균열 등이 발생하여 방열 특성이 저하된다.
일본 특허공개 2006-128710호 공보 일본 특허공표 2008-544488호 팜플렛
본 발명의 목적은 상기에 비추어 방열성을 현저하게 개선한 신뢰성이 높은 LED 패키지, LED 패키지의 제조 방법, 및 이러한 LED 패키지에 이용하는 LED 칩 접합체를 제공한다.
본 발명은 복합 기판에 한 개 또는 2개 이상의 LED 칩이 접합재에 의해 직접 실장되어 이루어진 LED 칩 접합체이며, 상기 복합 기판이 무기질성형체에 알루미늄, 실리콘 또는 이들을 성분으로 함유하는 합금을 함침시켜서 이루어지고, 판두께가 0.1?2 ㎜, 표면 거칠기(Ra)가 0.5 ㎛ 이하, 온도 25℃의 열전도율이 100?600 W/(m?K), 온도 25℃?150℃의 선팽창계수가 3?12×10-6/K, 3점 굽힘 강도가 50?500 MPa이며, 복합 기판의 LED 칩 실장면의 면적이 LED 칩과의 접촉 면적에 대하여 2?100배인 것을 특징으로 하는 LED 칩 접합체이다.
또한, 본 발명은 복합 기판에 한 개 또는 2개 이상의 LED 칩이 접합재에 의해 직접 실장되어 이루어진 LED 칩 접합체이며, 상기 복합 기판이 기공률이 10?40부피%인 무기질성형체에 알루미늄 함유율이 80?97중량%인 알루미늄-실리콘 합금을 함침시켜서 이루어지고, 판두께가 0.1?1 ㎜, 표면 거칠기(Ra)가 0.5 ㎛ 이하, 온도 25℃의 열전도율이 100?300 W/(m?K), 온도 25℃?150℃의 선팽창계수가 4?9×10-6/K, 3점 굽힘 강도가 50?400 MPa이며, 복합 기판의 LED 칩 실장면의 면적이 LED 칩과의 접촉 면적에 대하여 2?25배인 것을 특징으로 하는 LED 칩 접합체이다.
본 발명의 LED 칩 접합체에 있어서는, (a) 복합 기판이 표면에 Ni, Co, Pd, Cu, Ag, Au, Pt 및 Sn으로부터 선택되는 적어도 1종의 금속에 의한 두께 0.5?20 ㎛인 금속층을 가지고 있는 것, (b) 접합재에 의한 접합이 연납땜(soldering), 경납땜(brazing), 또는 고열전도성 접착제로 접합하여 이루어지는 것, (c) 무기질성형체의 재질이 탄화규소, 질화알루미늄, 질화규소, 다이아몬드 및 흑연으로부터 선택되는 적어도 1종인 것, 및 (d) LED 칩이 출력 0.5 W 이상의 비절연 구조인 것으로부터 선택되는 적어도 1개의 실시 태양을 가지는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은 본 발명의 LED 칩 접합체가 금속기판에 절연층을 통해서 금속회로가 형성되어 있는 회로 기판에 접합되는 한편, 상기 LED 칩 접합체의 LED 칩과 상기 회로 기판의 금속회로가 전기적 접속 부재로 접속되어 있으며, 적어도 상기 LED 칩 접합체와 상기 전기적 접속 부재가 형광물질을 포함하는 수지 봉지재로 봉지되어 있는 것을 특징으로 하는 LED 패키지이다.
본 발명의 LED 패키지에 있어서는, (e) 형광물질이 α형 사이알론(sialon), β형 사이알론, CASIN(Ca?Al?Si?N3), 이트륨(yttrium)?알루미늄?가닛(garnet) 및 황화물로부터 선택되는 적어도 1종이며, 수지 봉지재가 비굴절률이 2.2 이상, 평균 입자지름이 1?100 ㎚인 상기 형광물질 이외의 필러를 함유하고 있는 것, (f) 절연층은 열전도율이 0.5?20 W/(m?K), 두께가 0.03?0.2 ㎜이고, 금속회로의 재질이 알루미늄 또는 구리이며 그 두께가 0.005?0.4 ㎜인 것인 임의의 또는 모두의 실시 태양을 가지는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은 이하의 공정을 경유하는 것을 특징으로 하는 본 발명의 LED 패키지의 제조 방법이다.
(ⅰ) 탄화규소, 질화알루미늄, 질화규소, 다이아몬드 및 흑연으로부터 선택되는 적어도 1종을 이용하고, 기공률이 10?50부피%인 소결체 또는 분말성형체로 이루어지는 무기질성형체를 제조하는 공정
(ⅱ) 상기 무기질성형체에, 용탕단조법(liquid forging)에 의해 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 함침시키거나, 또는 용융함침법에 의해 실리콘 또는 실리콘 합금을 함침시켜 복합체를 제조하는 공정
(ⅲ) 상기 복합체를 가공하여 판두께가 0.1?2 ㎜, 표면 거칠기(Ra)가 0.5 ㎛ 이하, 온도 25℃의 열전도율이 100?600 W/(m?K), 온도 25℃?150℃의 선팽창계수가 3?12×10-6/K, 3점 굽힘 강도가 50?400 MPa인 예비(pre) 복합 기판을 제조하는 공정
(ⅳ) 상기 예비 복합 기판에 필요에 따라, Ni, Co, Pd, Cu, Ag, Au, Pt 및 Sn으로부터 선택되는 적어도 1종의 금속에 의한 금속층을 형성시키고 나서, 실장되는 LED 칩의 접촉 면적의 2?100배의 면적이 되도록 절단하여 복합 기판을 제조한 후, 접합재에 의해 한 개 또는 2개 이상의 LED 칩을 실장하여 LED 칩 접합체를 제조하는 공정
(ⅴ) 상기 LED 칩 접합체를 금속기판에 절연층을 통해서 금속회로가 형성된 회로 기판에 접합하는 공정
(ⅵ) 상기 LED 칩 접합체의 LED 칩과 상기 회로 기판의 금속회로를 전기적 접속 부재로 접속한 후, 적어도 상기 LED 칩 접합체와 상기 전기적 접속 부재를 형광물질을 포함하는 수지 봉지재로 봉지하여 LED 패키지를 제조하는 공정.
본 발명에 의하면 방열성이 현저하게 개선된 신뢰성이 높은 LED 패키지, LED 패키지의 제조 방법, 상기 LED 패키지에 이용하는 LED 칩 접합체가 제공된다. 본 발명의 LED 패키지는 LED 칩이 복합 기판에 직접 실장된 LED 칩 접합체를 이용해서 구성되어 있으므로, LED 칩의 점등 온도를 저감시킬 수 있고, LED의 고휘도화가 달성된다.
도 1은 본 발명의 LED 패키지의 일례를 나타내는 설명도이다.
도 2는 본 발명의 LED 패키지의 다른 일례를 나타내는 설명도이다.
도 3은 본 발명의 LED 패키지의 다른 일례를 나타내는 설명도이다.
<LED 칩 접합체>
본 발명의 LED 칩 접합체의 구조는 LED 칩이 복합 기판에 접합재를 이용해서 직접 실장 되어 있고, 복합 기판의 LED 칩 실장면의 면적이 LED 칩과의 접촉 면적에 대하여 2?100배, 바람직하게는 2?25배로 되어 있다. 이 면적비(배율)가 2배 미만이면 LED 칩으로부터의 열을 복합 기판에 충분히 확장할 수 없으므로, LED 칩의 점등 온도가 높아진다. 한편, 면적비(배율)가 100배를 넘으면 LED 칩에 통전하기 위한 전기적 접합 부재(예를 들면, Au 와이어 본딩)가 극도로 길어져 신뢰성의 저하를 초래할 우려가 있다.
본 명세서에 있어서 「LED 칩」은 Ⅲ-Ⅴ족 반도체 결정으로 이루어지는 LED 소자와 보유 기판으로 이루어지는 구조체이다. LED 소자로는 자외?청색의 파장영역의 빛을 발하는 Ⅲ-Ⅴ족 반도체 결정이 사용되며, 구체적으로는 InGaN, AlGaAs, AlGaInP 등이다. 보유 기판은 Ⅲ-Ⅴ족 반도체 결정을 에피택셜 성장할 때에 이용한 성장 기판, 또는 성장 기판 위에 Ⅲ-Ⅴ족 반도체 결정을 에피택셜 성장시킨 후에 금속층을 통해서 고열전도성 기판을 접합하고, 그 후, 성장 기판이 제거된 상기 고열전도성 기판이다. 그것을 예시하면, 사파이어, 탄화규소, 실리콘, Cu/W, Cu/Mo 등이다. 이들 중, 0.5 W 이상의 출력이 요구되는 LED 칩에는 열전도율 면에서 상기의 후자에 속하는 보유 기판이 사용되며, LED 칩은 비절연 구조가 된다. 비절연 구조 LED 칩의 이점은 좁은 면적으로 고휘도를 얻을 수 있는 것이다.
LED 칩은 복합 기판으로 접합재를 이용해서 직접 실장된다. 접합은 예를 들면 연납땜, 경납땜, 고열전도성 접착제 등에 의해 행하여지지만, 바람직하게는 연납땜 또는 경납땜이다. 연납땜으로는 크림 납땜, 공정(共晶) 납땜, 또는 무연 납땜 등을 사용할 수 있다. 경납땜은 LED 칩 이면의 공정 금속층을 이용한 경납땜 방법이 바람직하고, 이것에 의해 접합재로 이루어진 층, 즉 접합층의 두께를 1?5 ㎛로 얇게 할 수 있다. 「고열전도성 접착제」란 열전도율이 10 W/(m?K) 이상인 접착제이며, 예를 들면 Ag 페이스트, 고열전도 실리콘 접착제, Ag계 도전성 접착제를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에 있어서, 「접합」은 LED 칩과 복합 기판을 접착한다는 의미이며, 장착 등과 동등 개념으로 이용하고 있다.
접합층의 두께는 0.1 ㎜ 이하가 바람직하고, 특히 0.05 ㎜ 이하가 바람직하다. 접합층의 두께가 0.1 ㎜를 넘으면 열저항이 커진다. 접착률, 즉 LED 칩의 바닥면적에 대한 접합층의 면적의 비율은 1에 가까운 것이 좋으나, 0.5 이상, 바람직하게는 0.8 이상이면 LED 칩에서 발생한 열을 문제없이 복합 기판에 전달할 수 있다. 복합 기판의 표면 거칠기(Ra)가 0.5 ㎛를 넘으면, 접착률이 저하되는 등의 문제가 생길 우려가 있다. 표면 거칠기(Ra)는 작은 것이 좋으나, 가공비가 증대하므로 하한값은 0.01 ㎛가 바람직하다.
「복합 기판」은 무기질성형체, 바람직하게는 기공률이 10?50부피%, 특히 바람직하게는 기공률이 20?35부피%인 무기질성형체에, 용탕단조법에 의해 알루미늄, 실리콘 또는 이들을 성분으로 함유하는 합금, 바람직하게는 알루미늄 함유율이 80?97중량%인 알루미늄-실리콘 합금을, 예를 들면 일본 특허 3468358호의 방법에 의해 함침시키거나, 또는 용융함침법에 의해 실리콘 또는 실리콘 합금을, 예를 들면 일본 특허 공개 평 5-32485호 공보의 방법에 의해 함침시켜서 제조된 것이며, 판두께가 0.1?2 ㎜, 바람직하게는 0.1?1 ㎜, 표면 거칠기(Ra)가 0.5 ㎛ 이하, 바람직하게는 0.05?0.5 ㎛, 온도 25℃의 열전도율이 100?600 W/(m?K), 바람직하게는 100?300 W/(m?K), 온도 25℃?150℃의 선팽창계수가 3?12×10-6/K, 바람직하게는 4?9×10-6/K, 3점 굽힘 강도가 50?500 MPa, 바람직하게는 50?400 MPa인 것을 말한다.
무기질성형체의 재질로는 탄화규소, 질화알루미늄, 질화규소, 다이아몬드 및 흑연으로부터 선택되는 적어도 1종인 것이 바람직하다. 무기질성형체 중의 공극의 비율(기공률)은 10?50부피%가 바람직하고, 특히 20?35부피%인 것이 바람직하다. 기공률이 50부피%을 넘으면 복합 기판의 선 열팽창계수가 지나치게 커지고, 10부피% 미만이면 알루미늄, 실리콘 또는 이들을 성분으로 함유하는 합금을 충분히 함침시킬 수 없고 열전도율이 작아질 우려가 있다. 기공률은 탄화규소, 질화알루미늄, 질화규소, 다이아몬드, 흑연 등의 무기 성분의 입도 조정, 성형 압력, 소결 조건 등에 의해 조정할 수 있다.
본 발명에서 이용되는 복합 기판은 LED 칩에서 발생한 열을 면 방향으로 확장하는 열 스프레더(heat spreader)로서의 기능을 가지므로 고출력 LED용으로 신뢰성 높은 LED 패키지를 제조할 수 있다. 복합 기판의 온도 25℃의 열전도율은 100?600 W/(m?K)이다. 열전도율이 100 W/(m?K) 미만에서는 LED 칩이 발생한 열을 충분히 방열할 수 없고, 특히 고출력 LED에서는 소자의 온도가 높아져 발광 효율의 저하, 거기에 따르는 소자 수명의 저하가 일어날 우려가 있다. 특성 면에서의 열전도율의 상한에는 제한이 없지만, 복합 기판이 고가가 되므로, 상한을 600 W/(m?K)로 하였다. 열전도율은 무기질성형체 원료의 종류, 배합량 등에 의해 증감시킬 수 있다.
LED 칩을 구성하고 있는 Ⅲ-Ⅴ족 반도체 결정과 보유 기판의 열팽창계수 차이는 작은 것이 바람직하다. 또한, LED 칩에 접합된 복합 기판은 회로 기판의 금속회로에 접합되므로 복합 기판은 LED 칩과 회로 기판과의 열팽창계수 차이에 의해 생기는 응력을 완화할 수 있는 기능을 가지는 것이 바람직하다. 이 때문에, 복합 기판의 온도 25℃?150℃의 선 열팽창계수는 3?12×10-6/K로 한다. 이 이외의 열팽창계수이면, LED 칩과의 선 열팽창계수 차이에 의해 실장 후에 휘어짐(warping)이 생기거나, 실장 부분이 박리하거나, 최악일 경우는 LED 칩이 갈라질 우려가 있다. 복합 기판의 선 열팽창계수는 알루미늄, 실리콘 또는 이들을 성분으로 함유하는 합금과 무기질성형체의 구성비 등에 의해 증감시킬 수 있다.
복합 기판에 요구되는 것 외의 특성은 (a) LED 칩을 접합재로 실장할 때 견딜 수 있는 강도를 가지는 것, (b) 접합 면에 보이드 또는 이물 등의 개재물이 없고 접합면이 평탄한 것이다. (a)를 만족시키기 위해서는 복합 기판의 3점 굽힘 강도를 50 MPa 이상으로 한다. 500 MPa를 넘는 복합 기판을 제조하기 위해서는 무기질성형체를 치밀한 소결체로 할 필요가 있고, 알루미늄, 실리콘 또는 이들을 성분으로 함유하는 합금과의 복합화가 곤란해지므로 상한은 500 MPa인 것이 바람직하다. (b)를 만족시키기 위해서는 복합 기판의 표면 거칠기(Ra)를 0.5 ㎛ 이하로 하면 된다. 3점 굽힘 강도는 무기질성형체의 재질, 무기성분의 입자 사이즈, 기공률 등에 의해 증감시킬 수 있고, 표면 거칠기(Ra)는 가공을 위해 이용하는 숫돌(grindstone)의 연삭입자의 입도 등에 의해 증감시킬 수 있다.
LED 칩 접합체의 방열성이나 LED 칩 실장시 등의 취급성을 좋게 한다는 점에서 복합 기판의 두께는 0.1?2 ㎜로 한다. 바람직하게는 0.1?1 ㎜이다.
복합 기판은 표면에 Ni, Co, Pd, Cu, Ag, Au, Pt 및 Sn으로부터 선택되는 적어도 1종의 금속에 의해, 특히 바람직하게는 Ni 또는 Au에 의해 두께가 0.5?20 ㎛인 금속층을 가지고 있는 것이 바람직하다. 특히 바람직한 금속층의 두께는 2?10 ㎛이다. 이것에 의해 상기 접착률이 향상된다. 금속층의 두께가 0.5 ㎛ 미만이면 접착률의 향상 효과가 작고, 20 ㎛를 넘으면 금속층과 열 스프레더의 열팽창 차이에 의한 박리가 생길 우려가 있다.
금속층은 복합 기판을 세정한 후 상기 금속종에 의한 무전해 도금 또는 전해 도금을 시행함으로써 형성시킬 수 있다. 도금법 이외에도 금속증착법이나 금속피복법에 의해도 형성시킬 수 있다.
<LED 패키지>
도 1?3은 LED 패키지의 예를 나타내는 설명도이다.
본 발명의 LED 패키지는 본 발명의 LED 칩 접합체(10)가 회로 기판(11)에 탑재되고, 전기적 접속 부재(9)로 접속되며, 수지 봉지재(8)로 봉지되어 있는 것을 기본 구조로 하고 있다(도 1?도 3). 한 개의 LED 칩 접합체를 사용한 실시 태양예는 도 1 및 도 2이며, 2 개 이상의 LED 칩 접합체를 사용한 실시 태양예는 도 3이다. 댐재(7)를 이용한 예는 도 1 및 도 3이며, 이용하지 않는 예가 도 2이다. 이하, 추가로 자세하게 설명한다.
<LED 패키지-회로 기판>
본 발명의 LED 패키지는 본 발명의 LED 칩 접합체(10)가 회로 기판(11)에 탑재되어 있다. 회로 기판(11)은 금속회로(3)와 금속기판(5)의 절연층(4)을 통한 적층체로 구성되어 있다. 금속회로(3) 및 금속기판(5)으로는 알루미늄, 철, 구리 또는 이들의 금속을 성분으로 하는 합금이 바람직하다. LED 칩 접합체가 탑재되는 금속회로의 면에는 접합성 향상이나 표면의 산화 방지를 위하여, 또한 절연층과 접착되는 금속회로의 면에는 절연층과의 접착성의 향상을 위하여, 또한 절연층과 접착되는 금속기판의 면에는 절연층과의 밀착성을 개량하기 위하여 각각 샌드 블라스트(sand blast), 에칭, 각종 도금 처리, 커플링제 처리 등의 표면 처리를 실시할 수 있다.
금속회로의 두께는 0.005?0.4 ㎜가 바람직하다. 0.005 ㎜ 미만에서는 LED 패키지로서 충분한 도통 회로를 확보할 수 없고, 0.40 ㎜를 넘으면 회로 형성 상의 제약이 많아진다. 금속기판의 두께는 0.1?4 ㎜가 바람직하고, 너무 얇으면 취급성이 저하되고, 너무 두껍게 해도 조명용 LED 패키지로서의 실용적 이점은 그다지 없다.
절연층(4)은 내열수지, 경화제 및 무기 필러를 포함하는 경화성 수지 조성물의 경화물이며, 그 열전도율이 0.5 W/(m?K) 이상인 것이 바람직하다. 열전도율이 0.5 W/(m?K) 미만이면 LED 칩에서 발생한 열을 충분히 확장할 수 없기 때문에 LED 칩의 정션(junction) 온도가 높아져서 LED 칩의 휘도의 저하, 수명의 저하를 초래할 우려가 있다. 열전도율의 상한은 20 W/(m?K)면 충분하다. 절연층의 두께로는 30?200 ㎛가 바람직하다. 30 ㎛ 미만이면 전기절연성이 불충분하고, 200 ㎛을 넘으면 방열성이 손상될 우려가 있다.
내열수지로는 예를 들면 에폭시 수지, 실리콘 수지, 페놀 수지, 이미드 수지 등을 사용할 수 있다. 경화제로는 하기의 물질이 사용된다. 무기 필러로는 예를 들면 산화 알루미늄(알루미나), 산화규소, 산화마그네슘 등의 산화물 세라믹스, 예를 들면 질화알루미늄, 질화규소, 질화붕소 등의 질화물 세라믹스, 탄화물 세라믹스 등을 사용할 수 있다. 무기 필러는 최대 입자지름 100 ㎛ 이하, 최소 입자지름 0.05 ㎛ 이상인 구상 분말이 바람직하다. 그 중에서도 특히, 입자지름 5?50 ㎛인 입자를 50?75중량%, 입자지름 0.2?1.5 ㎛인 입자를 25?50중량% 포함하는 것이 보다 바람직하다.
절연층 중의 무기 필러의 함유 비율은 내열수지와 경화제의 합계량 100중량부에 대하여 70?95중량부가 바람직하고, 특히 80?90중량부가 바람직하다. 내열수지와 경화제의 합계량 100중량부에 대하여 무기 필러의 비율이 95중량부를 넘으면 경화성 수지 조성물의 점도가 상승해서 작업성이 저하된다. 한편, 70중량부 미만이면 절연층의 열전도성이 저하될 우려가 있다. 절연층을 형성시키기 위한 경화성 수지 조성물에는 필요에 따라 실란계 커플링제, 티타네이트계 커플링제, 안정제, 경화 촉진제 등을 이용할 수 있다.
또한, 바람직한 절연층에 대하여 설명한다. LED 칩 접합체와 회로 기판의 열팽창계수 차이가 클 경우는 그것에 의해서 발생하는 접합 부분의 응력 완화를 위해서 절연층의 저장 탄성률은 300 K에서 15000 MPa 이하인 것이 바람직하다. 이러한 절연층은 에폭시 수지 100중량부 당 폴리에테르 골격을 가지는 주사슬의 말단에 1급 아미노기가 있는 경화제를 5?50중량부, 상기 무기 필러를 70?95중량부 배합한 경화성 수지 조성물을 조제함으로써 실현된다.
에폭시 수지로는 비스페놀 F형 에폭시 수지나 비스페놀 A형 에폭시 수지 등의 범용 에폭시 수지를 이용할 수 있지만, 디사이클로펜타디엔 골격을 가지는 에폭시 수지, 나프탈렌 골격을 가지는 에폭시 수지, 비페닐 골격을 가지는 에폭시 수지 및 노볼락 골격을 가지는 에폭시 수지로부터 선택되는 1종 이상을 에폭시 수지 중 10중량% 이상 포함하면, 응력완화성과 내습성의 균형이 더욱 향상된다. 노볼락 골격을 가지는 대표적인 에폭시 수지에는 페놀 노볼락형 에폭시 수지나 크레졸 노볼락형 에폭시 수지가 있으나, 디사이클로펜타디엔 골격, 나프탈렌 골격, 또는 비페닐 골격과 노볼락 골격을 모두 갖는 에폭시 수지를 이용할 수도 있다. 에폭시 수지로서 상기 골격을 가지는 에폭시 수지를 단독으로 사용해도 상관없다. 또한, 에폭시 수지를 주체로 다른 수지로서 페놀 수지, 폴리이미드 수지 등의 열경화성 수지나 페녹시 수지, 아크릴 고무, 아크릴로니트릴-부타디엔 등의 고분자량 수지를 배합해도 되지만, 응력완화성, 전기절연성, 내열성, 내습성의 균형을 고려하면 상기 고분자량 수지의 배합량은 에폭시 수지와의 합계량에 대하여 30중량% 이하인 것이 바람직하다.
경화제는 폴리에테르 골격을 가지고, 주사슬 단말에 1급 아미노기를 가지는 경화제를 경화 후의 수지 조성물의 저장 탄성률을 낮추기 위해서 사용한다. 다른 경화제와 병용할 수도 있다. 방향족 아민계 경화제를 병용하면 응력완화성, 전기절연성, 내습성 등의 균형이 더욱 적합하게 될 수 있다. 방향족 아민계 경화제로는 디아미노페닐메탄, 디아미노디페닐설폰, 메타페닐렌디아민 등을 사용할 수 있다. 페놀 노볼락 수지 등의 경화제를 추가로 병용할 수도 있다.
금속기판(5)에 절연층(4)을 통해서 금속회로(3)를 접합하고, 회로 기판(11)을 형성하려면 예를 들면 하기와 같이 실시한다. 즉, 절연층을 형성하기 위한 경화성 수지 조성물 슬러리를 금속기판(5)(예를 들면 알루미늄 기판)에 스크린 인쇄 등의 방법에 의해 패턴 인쇄하고, 가열해서 반경화 상태로 한 후, 금속회로(3)를 형성하기 위한 금속박(예를 들면 구리박)을 놓고, 추가로 가열해서 거의 완전한 경화 상태로 하는 방법, 미리 절연층을 반경화 상태의 시트 상으로 가공하고, 핫 프레스(hot press) 장치에 의해 금속회로(3)를 형성하기 위한 금속박(예를 들면 구리박)과 함께 일체화시키는 방법 등이다. 금속회로의 패턴 형성 방법으로는 예를 들면 미리 금속박 위의 소정 개소에 레지스트 층을 도포해 경화시킨 후, 염화 제2구리, 과산화수소수와 황산의 혼합물 등의 식각액(etchant)에 의해 에칭하는 방법을 사용할 수 있다.
<LED 패키지-회로 기판과 LED 칩 접합체의 접속>
본 발명의 LED 패키지는 LED 칩 접합체의 LED 칩(1)과 회로 기판의 금속회로(3)가 전기적 접속 부재(9)로 접속되어 있다. 전기적 접속 부재(9)로는 예를 들면 Ag, Au 등을 이용한 와이어 본딩, 범프, 브릿지 등을 이용할 수 있다. LED 칩 접합체(10)는 금속회로(3)에 접합되어 있고, 그 접합에는 상기 연납땜, 경납땜, 고열전도성 접착제 등을 사용할 수 있다. 바람직하게는 연납땜이다.
<LED 패키지-수지 봉지재>
본 발명의 LED 패키지는 적어도 상기 LED 칩 접합체(10)와 상기 전기적 접속 부재(9)가 형광물질을 포함하는 수지 봉지재(8)로 봉지되어 있다. 수지 봉지 시에는 도 1 및 도 3에 나타낸 바와 같이, 수지 봉지재가 퍼지는 것을 억제하기 위하여, LED 칩 접합체의 외주를 둘러싸도록 댐재(7)를 설치할 수 있다. 댐재는 예를 들면 실리콘계 수지나 에폭시계 수지 등을 이용할 수 있고, 스크린 인쇄, 디스펜서(dispenser) 등에 의해 형성시킬 수 있다.
수지 봉지재의 수지로는 실리콘 수지, 에폭시 수지, 에폭시기를 가지는 폴리디메틸실록산 유도체, 옥세탄 수지, 아크릴 수지, 사이클로올레핀 수지 등의 열경화 수지 등을 이용할 수 있지만, 보다 높은 굴절률과 내열성을 부여시키는 점에서 실리콘 수지가 바람직하다. 수지 봉지재에는 형광물질이 포함되어 있고, 그 함유율은 1?50중량%인 것이 바람직하다.
형광물질은 LED 칩으로부터의 빛을 받아 가시광을 발하는 것이라면 특별히 재질의 제약은 없다. 그것을 예시하면, α형 사이알론, β형 사이알론, CASIN(Ca?Al?Si?N3), 이트륨?알루미늄?가닛, 황화물 등이며, 이들 중 적어도 1종을 이용할 수 있다. 그 중에서도 특히, α형 사이알론 및 β형 사이알론이 바람직하다.
α형 사이알론으로는 특별한 것일 필요는 없고, 통상적으로 입수할 수 있는 것이 사용된다. 산소 함유량은 1.2중량% 이하가 바람직하다. 또한, 레이저 회절 산란법(예를 들면, CILAS사제 상품명 「시라스 그래뉼로미터(Granulometer) 920」)에 의해 측정된 누적 입도 분포에 있어서, 누적값이 10부피%인 입자지름(D10)이 2?15 ㎛, 누적값이 50부피%인 입자지름(D50)이 5?20 ㎛, 누적값이 90부피%인 입자지름(D90)이 6?50 ㎛인 것은 더욱 높은 휘도를 제공할 수 있으므로 바람직하다.
β형 사이알론에 대해서도 특별한 것일 필요는 없고, 보통으로 입수할 수 있는 것이 사용된다. 그중에서도 특히, Eu를 함유하는 것이며, 전자 스핀 공명 스펙트럼에 의한 25℃의 g=2.00± 0.02의 흡수에 대응하는 스핀 밀도가 2.0×1017개/g 이하인 것이 바람직하다. 또한, D50이 6?30 ㎛, D10이 4 ㎛ 이상, BET 비표면적이 0.5 m2/g 이하인 것이 보다 바람직하다.
LED 칩으로부터의 광 추출 효율을 향상시키기 위하여, 수지 봉지재에는 비굴절률이 2.2 이상인 필러를 함유하고 있는 것이 바람직하다. 그것의 예를 들면, 산화티탄, 산화지르코늄, 티탄산 칼륨 등이다. 필러의 평균 입자지름은 100 ㎚ 이하가 바람직하다. 100 ㎚를 넘으면 빛의 산란 손실량이 증가할 우려가 있다.
<LED 패키지-레지스트 층>
본 발명의 LED 패키지에는 레지스트 층(6)을 배치함으로써, LED 칩으로부터의 빛을 보다 효율적으로 전면(前面)에 조사시킬 수 있다. 레지스트 층은 LED 칩의 발광을 저해시키지 않도록 LED 칩의 발광부와 전기적 접속 부재에는 배치하지 않는 것이 좋다. 레지스트 층의 반사율은 400?800 ㎚의 파장의 빛에 대하여 70% 이상이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 450?470 ㎚, 520?570 ㎚ 및 620?660 ㎚의 각각의 파장의 범위에서의 반사율의 최대값이 모두 80% 이상, 더욱 바람직하게는 85% 이상이다.
상기 특성을 가지는 레지스트 층은 자외선 경화 수지, 열경화 수지 중 어느 하나 또는 모두를 함유하는 경화성 수지에 백색안료를 함유시킴으로써 제조할 수 있다. 경화성 수지로는 에폭시 수지, 아크릴 수지 및 이의 혼합물을 적절하게 이용할 수 있다. 백색안료로는 산화아연, 탄산칼슘, 이산화티탄, 알루미나, 스멕타이트로부터 선택되는 적어도 1종을 이용할 수 있다. 그 중에서도 특히, 루틸형 이산화티탄은 광촉매 작용이 약하므로 바람직하다. 백색안료는 예를 들면 이산화규소, 수산화알루미늄 등으로 표면 처리를 실시하고, 광촉매 작용을 약하게 한 것이어도 된다. 백색안료의 함유량은 지나치게 적으면 충분한 반사 효과를 얻을 수 없고, 지나치게 많으면 막 형성 시의 유동성이 저하되어 균일한 막을 형성할 수 없게 되므로, 레지스트 층 중의 함유율이 30?70부피%인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 30?60부피%이다.
본 발명의 LED 패키지에는 LED 칩으로부터의 빛을 한층 더 효율적으로 전면에 조사시키기 위하여, 리플렉터(reflector)(도시하지 않음)를 설치할 수 있다. 리플렉터는 별도의 리플렉터를 이용할 뿐만 아니라, 예를 들면 원추 형상 또는 돔(dome) 형상 등의 움푹한 부분(depression)을 LED 칩 접합체 바로 아래의 금속기판에 형성시켜서 절연층 자체를 리플렉터로 하는 것도 가능하다. 별도의 리플렉터로는 유리, 세라믹스, 금속, 수지 등의 경사를 갖는 관상체(tubular body)의 내면에, 예를 들면 Ag, Al, Ni, Au, Cu 등의 금속, SiO2/ZrO2, SiO2/TiO2 등에 의한 금속산화막의 반사층을 형성한 것 등을 사용할 수 있다.
<LED 패키지의 제조 방법>
본 발명의 LED 패키지의 제조 방법은 상기 (ⅰ)? (ⅵ)의 공정을 경유하는 것으로 이루어져 있다. 이하, 상기 설명과의 중복을 될 수 있는 한 피해서 설명한다.
<LED 패키지의 제조 방법- (ⅰ) 공정>
이 공정에서는 알루미늄 또는 알루미늄 합금, 실리콘 또는 실리콘 합금을 함침시키기 위한 무기질성형체가 제조된다. 무기질성형체(이하, 「프리폼(preform)」이라고도 함.)에는 기공률이 10?50부피%인 소결체(이하, 「무기다공체」라고도 함.)와 기공률이 10?50부피%인 분말성형체가 있다. 프리폼의 공극의 일부 또는 전부에 알루미늄 또는 알루미늄 합금, 또는 실리콘 또는 실리콘 합금이 함침되어서 상기 특성을 가지는 복합 기판이 된다. 프리폼의 기공률은 원료 분말의 입도 조정, 성형 압력, 열처리 조건 등에 의해 조정할 수 있다.
프리폼인 분말성형체는, 상기 원료 분말 단독, 또는 예를 들면 실리카 졸, 알루미나 졸 등의 무기 바인더와 병용해서 성형된다. 성형에는, 프레스 성형, 주입 성형 등의 일반적인 세라믹스 분말의 성형 방법이 사용된다. 한편, 프리폼인 무기 다공체는 예를 들면 상기 분말성형체를 소결 처리함으로써 제조할 수 있다. 프리폼의 형상에는 특별히 제약은 없고, 평판 형상, 원주 형상 등이 있다.
<LED 패키지의 제조 방법 - (ⅱ) 공정>
이 공정에서는 프리폼에 용탕단조법에 의해 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 함침시키거나 또는 용융함침법에 의해 실리콘 또는 실리콘 합금을 함침시켜서 복합체가 제조된다.
용탕단조법에서는 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 융점 이상으로 가열하고, 그것을 프리폼에 가압 함침한다. 용탕단조법의 구체적 조건의 일례는 상기 특허문헌에 기재되어 있어, 본 발명에서도 그것들을 채용할 수 있지만, 추가로 기술하면 이하와 같다. 용탕단조법에 의하면 열전도율이 큰, 보다 방열성에 뛰어난 복합 기판을 얻을 수 있다.
용탕단조법에서 사용할 수 있는 알루미늄 또는 알루미늄 합금의 조성은 알루미늄을 70중량% 이상 함유하는 것이 바람직하다. 알루미늄 함유율이 70중량% 미만인 알루미늄 합금에서는 복합 기판의 열전도율이 저하될 우려가 있다. 알루미늄 합금으로는 예를 들면 알루미늄-실리콘, 알루미늄-실리콘-마그네슘 등을 예시할 수 있다. 이들 중에서도 프리폼의 공극 내에 충분히 침투시킬 수 있도록 융점이 낮은 실리콘 3?20중량% 함유의 알루미늄 합금이 바람직하다. 더욱이, 마그네슘을 3중량% 이하까지 함유시킨 알루미늄-실리콘-마그네슘 합금은 세라믹스와 금속부분의 결합이 보다 강고하게 되므로 보다 바람직하다. 또한, 알루미늄 합금 중의 알루미늄, 실리콘, 마그네슘 이외의 금속성분에 대해서는 극단적으로 특성이 변화하지 않는 범위라면, 특별히 제한은 없고, 예를 들면 구리 등이 포함되어 있어도 된다.
상기 프리폼은 그 복수 개를 연결하고, 적층체로부터 함침 처리하는 것이 바람직하다. 복수 개의 연결에는 이형재가 도포된 예를 들면 스테인리스판, 세라믹스판 등의 이형판을 끼우는 것이 바람직하고, 또한 프리폼의 고정에는 철제나 흑연제 볼트 너트 등의 지그(jig)를 사용하는 것이 바람직하다. 이형재로는 흑연, 질화붕소, 알루미나 등의 이형재 분말을 함유한 스프레이 등을 이용할 수 있다.
적층체는 온도 600?800℃ 정도로 가열 후, 용기 내에 1개 또는 2개 이상을 배치하고나서, 신속하게 융점 이상으로 가열된 알루미늄 또는 알루미늄 합금의 용탕(溶湯)을 급탕하고, 30 MPa 이상, 특히 50 MPa 이상의 압력으로 가압하는 것이 바람직하다. 이것에 의해 프리폼의 공극 중에 알루미늄 또는 알루미늄 합금이 용이하게 함침한다. 적층체의 가열 온도가 800℃를 넘으면 프리폼의 성형에 사용한 원료 분말이 산화되어 열전도율 등이 저하될 우려가 있다. 그 후 함침품은 필요에 따라 어닐(anneal) 처리되어서 함침 시의 뒤틀림이 제거된다.
한편, 용융함침법에서는, 실리콘 또는 실리콘 합금과 프리폼을 예를 들면 흑연제, BN제 등의 도가니에 넣고, 비산화성 분위기 중 또는 감압 중에서 실리콘 또는 실리콘 합금의 융점 이상에서 열처리되는 비가압 함침법에 의해 프리폼에 실리콘 또는 실리콘 합금이 함침된다. 프리폼과 실리콘 또는 실리콘 합금의 복합화에는 분말야금법도 채용할 수 있지만, 특성 면에서 비가압 함침법이 바람직하다. 용융함침법의 구체적 조건의 일례는 상기 특허문헌에 기재되어 있고, 본 발명에서도 그것들을 사용할 수 있다. 용융함침법에 의하면, 실리콘 또는 실리콘 합금과 같이, 용탕의 점성이 낮은 금속을 함침시키는 것이 용이하다. 함침하는 실리콘 합금으로는 용탕의 점성이 낮게 프리폼 중으로 침투하기 쉽게 하기 위하여 실리콘을 70중량% 이상 함유하는 실리콘 합금이 바람직하다.
<LED 패키지의 제조 방법 - (ⅲ) 공정>
이 공정에서는 복합체를 가공해서 판두께가 0.1?2 ㎜, 표면 거칠기(Ra)가 0.5 ㎛ 이하인 예비 복합 기판으로 가공된다. 이것에 의해 알루미늄 또는 알루미늄 합금, 또는 실리콘 또는 실리콘 합금을 10?50부피%로 함유하고, 온도 25℃의 열전도율이 100?600 W/(m?K)이고, 온도 25℃?150℃의 선팽창계수가 3?12×10-6/K이며, 3점 굽힘 강도가 50?400 MPa인 예비 복합 기판이 제조된다. 프리폼의 기공률이나 함침 조건에 의해 알루미늄 또는 알루미늄 합금, 또는 실리콘 또는 실리콘 합금의 함유율이 조정되어, 열전도율과 선팽창계수가 제어된다. 본 발명에 있어서는 예비 복합 기판의 알루미늄 또는 알루미늄 합금, 또는 실리콘 또는 실리콘 합금의 함유율은 20?35부피%인 것이 바람직하다.
복합체의 가공은 이하와 같이 하는 것이 바람직하다. 복합체의 형상이 원주일 경우, 원통 연삭반 등에 의해 다이아몬드 숫돌을 이용해서 소정 치수로 외형 가공한 후, 예를 들면 고정 연삭입자 방식의 멀티와이어 톱(multiwire saw)이나, 외주날(outside diameter blade), 내주날(inside diameter blade), 다이아몬드 와이어 톱 등에 의해 또는 유리 연삭입자 방식의 멀티와이어 톱 등에 의해 0.1?0.5 ㎜ 정도 두꺼운 판두께로 절단한다. 멀티와이어 톱은 양산성이 뛰어나다. 그 후, 예를 들면 양면 연삭반, 로터리 연삭반, 평면 연삭반, 래핑 머신(lapping machine) 등의 가공기로 판두께가 0.1?2 ㎜, 표면 거칠기(Ra)가 0.5 ㎛ 이하로 가공한다.
한편, 복합체의 형상이 판상일 경우, 양면 연삭반, 로터리 연삭반, 평면 연삭반, 래핑 머신 등의 가공기로 판두께가 0.1?2 ㎜, 표면 거칠기(Ra)가 0.5 ㎛ 이하로 가공한다.
<LED 패키지의 제조 방법 - (ⅳ) 공정>
이 공정에서는 LED 칩의 접촉 면적(즉, LED 칩의 바닥면적)의 2?100배의 면적으로 상기 예비 복합 기판이 절단되어서 복합 기판(2)이 제조된다. 그 후, 접합재에 의해 한 개 또는 2개 이상의 LED 칩(1)을 실장하고, LED 칩 접합체(10)가 제조된다. 이 공정에 있어서, 2?100배의 면적으로 절단하는 것, 필요에 따라 Ni, Co, Pd, Cu, Ag, Au, Pt 및 Sn으로부터 선택되는 적어도 1종 금속에 의한 금속층을 형성시킬 수 있는 상세한 내용은 상기에 기재하였다.
예비 복합 기판의 외주가공은 다이싱(dicing), 레이저 가공, 워터 제트 가공, 및 방전 가공에 의해 할 수 있다. 가공 정밀도 및 가공 속도 면에서, 다이싱이 최적이고, 가공 속도 면에서 레이저 가공이 가장 뛰어나다.
복합 기판에 장착되는 LED 칩의 개수는 복합 기판의 면적이 LED 칩의 접착 면적의 2?100배의 범위이며, 각각의 LED 칩의 실장 및 방열에 지장을 초래하지 않는 배치라면 제약은 없다. 이 때문에, 1개의 복합 기판에 2개 이상의 LED 칩을 장착한 LED 칩 접합체로 할 수도 있다. 복수의 LED 칩을 탑재하는 것의 이점은 실장 공정에서의 공정 수를 저감할 수 있는 것이다.
<LED 패키지의 제조 방법 - (ⅴ) 공정>
이 공정에서는 LED 칩 접합체(10)가 금속기판(5)에 절연층(4)을 통해서 금속회로(3)의 형성된 회로 기판(11)에 접합된다. 이 공정의 상세한 내용은 상기에 기재하였다.
<LED 패키지의 제조 방법 - (ⅵ) 공정>
이 공정에서는 LED 칩(1)과 금속회로(3)가 전기적 접속 부재(9)로 접속되고, 적어도 이 LED 칩 접합체와 전기적 접속 부재를 형광물질을 포함하는 수지 봉지재(8)로 봉지하여 본 발명의 LED 패키지가 제조된다. 이 공정의 상세한 내용은 상기에 기재하였다.
실시예
이하, 본 발명을 실시예의 방법에 의해 상세하게 설명하나, 본 발명은 이들에 의해 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
<무기다공체를 이용한 예비 복합 기판 A, B>
탄화규소 분말 A(시판품: 평균 입자지름 200 ㎛) 1800 g, 탄화규소 분말 B(시판품: 평균 입자지름 20 ㎛) 900 g, 탄화규소 분말 C(시판품: 평균 입자지름 2 ㎛) 300 g, 및 성형 바인더(메틸셀룰로오스, 신에츠화학공업사제 상품명 「메토로즈(Metolose)」) 150 g을 계량하여 취하고, 교반 혼합기로 30분간 혼합했다. 이것을 면압 10 MPa로 프레스 성형하고, 계속해서 압력 100 MPa로 CIP 성형하여 원주상성형체(지름 55 ㎜×높이 110 ㎜)를 제조한 후, 대기 분위기 중, 온도 600℃에서 2시간 탈지 처리 후, 아르곤 분위기 하, 온도 2100℃에서 2시간 소성(sintering)했다. 수득한 소결체를 머시닝 센터(machining center)에서 다이아몬드제 숫돌을 이용하여, 외형치수가 지름 52 ㎜×높이 100 ㎜로 가공해서 무기다공체(기공률 20%)를 제조했다. 수득한 무기다공체에 질화붕소 이형재를 도포하고 나서, 관상 흑연 지그(외(外)치수: 70 ㎜×70 ㎜×100 ㎜, 내(內)치수: 지름 52.5 ㎜×높이 100 ㎜)에 삽입해서 구조체를 형성했다.
흑연 이형재가 도포된 스테인리스판으로 이루어진 이형판(70 ㎜×100 ㎜×0.8 ㎜)을 끼워서 상기 구조체 4개를 조립하고(140.8 ㎜×140.8 ㎜×100 ㎜), 양측에 철판(두께 12 ㎜)을 배치하며, 볼트 8개로 연결해서 하나의 적층체로 형성하였다. 이 적층체를 전기로에서 온도 700℃로 예비가열한 후, 미리 가열해 둔 프레스 금형(내경 400 ㎜×높이 300 ㎜) 안에 넣고, 실리콘을 12중량% 및 마그네슘을 1중량% 함유하는 알루미늄 합금의 용탕(온도 800℃)을 붓고, 100 MPa의 압력으로 25분간 가압해서 알루미늄 합금을 함침시켰다. 실온까지 냉각한 후 습식 밴드톱(band saw)으로 이형판의 형상에 따라 절단해서 이형판을 떼어내고, 선반으로 흑연 지그 부분을 제거해서 복합체(지름 52 ㎜×높이 100 ㎜) 4개를 제조했다. 이것을 530℃의 온도에서 3시간 어닐 처리해서 함침시 뒤틀림을 제거했다.
얻어진 복합체로부터 연삭 가공에 의해 선팽창계수 측정용 시험체(지름 3 ㎜ 길이 10 ㎜), 열전도율 측정용 시험체(25 ㎜×25 ㎜×1 ㎜)를 잘라내고, 온도 25℃?150℃의 선팽창계수를 열팽창계(세이코 전자공업사제; TMA300)로, 온도 25℃에서의 열전도율을 레이저 플래시법(Ulvac 사제; TC3000)으로, 3점 굽힘 강도를 굽힘 강도 시험기로 측정했다. 그 결과, 선팽창계수는 5.0×10-6/K, 열전도율은 250 W/(m?K), 강도 350 MPa이었다.
그런 다음, 복합체를 원통 연삭반으로 다이아몬드 숫돌을 이용하여 지름 50.8 ㎜×높이 100 ㎜인 원주 형상으로 외주가공을 하고 나서, 멀티와이어 톱에 다이아몬드 연삭입자를 사용하고, 절단 속도 0.2 ㎜/분으로, 판두께 0.3 ㎜인 원판 형상으로 절단 가공하고, 추가로 양면 연삭반에 #600의 다이아몬드 숫돌을 이용해서 판두께 0.22 ㎜로 연삭 가공했다. 그 후, 래핑 머신에 다이아몬드의 연삭입자를 이용하고, 판두께 0.2 ㎜까지 연삭 가공을 하고 나서, 순수(pure water) 중, 이어서 이소프로필알콜 중에서 초음파세정을 하여 건조하여 예비 복합 기판 A를 제조했다. 이 표면 거칠기(Ra)는 0.05 ㎛이었다.
예비 복합 기판 A에 무전해 Ni-P도금 및 전기 Au 도금을 하고, (Ni-P: 4 ㎛ + Au: 1 ㎛)의 금속층(5 ㎛ 두께)을 형성했다. 이 표면 거칠기(Ra)는 0.1 ㎛이었다. 그런 다음에, 이 금속층이 설치된 예비 복합 기판의 한 면에, 시판하고 있는 자외선 경화형 납땜 레지스트 층을 스크린 인쇄기로 도포한 후, 자외선 경화시켜서 레지스트 층(15 ㎛)(도시되지 않음)을 4 ㎜ 간격으로 형성하여 예비 복합 기판 B를 얻었다.
<무기분말성형체를 이용한 예비 복합 기판 a, b>
탄화규소 분말 A를 352 g, 탄화규소 분말 B를 176 g, 탄화규소 분말 C를 59 g 계량하여 취하고, 교반 혼합기로 30분간 혼합했다. 이것을, 관상 흑연 지그(외치수: 70 ㎜×70 ㎜×110 ㎜, 내치수: 지름 55 ㎜×높이 110 ㎜)에 충전하고, 면압 10 MPa로 프레스 성형하여 분말성형체(지름 55 ㎜×높이 110 ㎜의 원주체, 기공률 30%)를 제조했다. 그런 다음에, 상기 예비 복합 기판 A의 제조에 있어서 구조체 4개를 조립한 것 대신에, 여기에서 제조된 관상 흑연 지그 마다 분말성형체 4개를 조립한 것 이외에는 동일하게 하여 복합체(온도 25℃?150℃의 선팽창계수: 6.0×10-6/K, 온도 25℃에서의 열전도율: 220 W/(m?K))를 제조하고, 그것을 가공해서 예비 복합 기판 a와, 예비 복합 기판 a에 금속층과 레지스트 층(도시되지 않음)을 설치해서 예비 복합 기판 b를 제조했다.
<복합 기판 A, B, a, b>
그 후, 얻어진 예비 복합 기판 A, B, a, b를 다이싱 장치(디스코사제: DAD3350)로, 날폭 0.1 ㎜인 수지 결합 형태의 다이아몬드 블레이드(R07-SD400)를 사용하고, 이동 속도 8 ㎜/s로 3.9 ㎜×3.9 ㎜×0.2 ㎜의 형상으로 절단 가공을 하고, 순수 중에서 초음파세정을 하고, 건조해서 각각 120개의 복합 기판 A, B, a, b를 제조했다. 수득한 복합 기판의 LED 칩의 장착면의 면적은, 모두 LED 칩의 바닥면적의 15.2배였다.
<LED 패키지>
이하의 구성 재료를 이용하여, 도 1에 나타낸 LED 패키지를 제조했다. 즉, 금속기판(5) 위에 절연층(4)을 두께 80 ㎛로 적층하고 나서 금속박을 적층하고, 화학 에칭에 의해 금속회로(3)를 형성하고, 또한 그 표면에 레지스트 층(6)을 도포해서 회로 기판(11)을 제조했다. 한편, 복합 기판(2)에 LED 칩(1)을 접착했다. 접착에는 A, a 복합 기판에서는 Ag 페이스트계 고열전도접착제(교세라 케미칼사제: CT284R)를 이용하고, B, b 복합 기판에서는 레지스트 층 간의 금속층에 크림 납땜 접착재를 이용했다. LED 칩 접합체(10)는 각각 120개 제작했다. 그런 다음에, LED 칩 접합체를 크림 납땜 방법 또는 전기적 접속 부재(9)에 의한 와이어 본딩에 의해 회로 기판(11)에 실장했다. 수득한 LED 칩 접합체의 LED 칩의 장착면의 면적은 모두 LED 칩의 바닥면적의 15.2배였다. 그 후, 댐재(7)를 수지 봉지재(8)로 충전하여 본 발명의 LED 패키지를 제조했다.
<구성 재료>
LED 칩 (1): (Cree사제: EZ1000; 형상: 1 ㎜×1 ㎜×0.1 ㎜; 출력: 3W)
복합 기판 (2): 상기에서 제조된 복합 기판 A, B, a 또는 b
금속회로 (3): 두께 35 ㎛인 구리
절연층 (4): 비스페놀 A형 에폭시 수지(Japan Epoxy Resin 사제, 「EP-828」), 경화제의 페놀 노볼락(Dainippon 화학공업사제, 「TD-2131」), 및 무기 필러(평균 입자지름이 1.2 ㎛인 파쇄 실리카 분말(Tatsumori 사제, 「A-1」): 평균 입자지름이 10 ㎛인 파쇄 실리카 분말(Tatsumori 사제, 「5X」)의 중량비가 7:3인 혼합 분말이며 그 함유율이 절연층 중 56부피%)를 포함하고, 열전도율이 2 W/(m?K)인 것
금속기판 (5): 두께 1.5 ㎜인 알루미늄
레지스트 층 (6): (태양 잉크사, 「PSR4000LEW1」)
댐재 (7): 실리콘계 수지(신에츠 화학사제, 「KER-2000-DAM」)
수지 봉지재 (8): 실리콘계 수지(Toray Dow corning사, 「JCR6125」) 80중량% 및 α형 사이알론(D10이 4.8 ㎛, D50이 9.1 ㎛, D90이 18.9 ㎛) 20중량%의 혼합물.
전기적 접속 부재 (9): 금속 와이어.
<LED 패키지 방열 특성의 평가>
LED 패키지 중앙부의 수지 봉지재를 제거하고 나서, 시판하고 있는 실리콘 고무제 양면점착의 방열 시트(열전도율 2 W/(m?K))를 끼워서, 알루미늄제 방열 핀(열 저항: 5.2℃/W, 50 ㎜×50 ㎜×17 ㎜)에 접착했다. LED 칩에 출력이 3 W의 전압을 인가하고, LED 칩의 상면(上面)온도를 적외선 서모그래피(thermography)에 의해 측정했다. 그 결과, 복합 기판 A, 복합 기판 B, 복합 기판 a, 복합 기판 b를 이용해서 제조된 LED 패키지의 LED 칩의 상면온도는 5개의 평균값에서 각각 69℃, 60℃, 70℃ 및 61℃이었다.
비교예 1
복합 기판 B를 사용한 실시예 1의 LED 패키지에 있어서, LED 칩 접합체를 제작하지 않고 LED 칩을 직접 크림 납땜을 이용해서 회로 기판에 실장하였는데, LED 칩의 상면온도는 105℃이었다.
실시예 2?4 및 비교예 2 및 3
멀티와이어 톱의 가공시의 절단 폭을 바꾸고, 판두께가 상이한 복합 기판을 제조한 것, LED 칩의 접착제로서 크림 납땜을 경납땜 재료(Au/Sn=80/20)로 변경한 것, 및 LED 칩의 간격을 표 1에 나타낸 것 이외에는, 실시예 1의 복합 기판 B를 이용한 것과 동일한 방법으로 LED 패키지를 제조하고, LED 칩의 상면온도를 측정했다. 결과를 표 1에 나타냈다.
실시예 5?7 및 비교예 4
래핑 머신 가공시의 다이아몬드 연삭입자의 입도를 바꾸고, 표면 거칠기가 상이한 복합 기판을 제조한 것, LED 칩의 접착제로서 크림 납땜을 경납땜 재료(Au/Sn=80/20)로 변경한 것 이외에는, 실시예 1의 복합 기판 B를 이용한 것과 동일한 방법으로 LED 패키지를 제조하고, LED 칩의 상면온도를 측정했다. 결과를 표 1에 나타냈다.
실시예 8?10 및 비교예 5
LED 칩의 접착제로서 크림 납땜을 경납땜 재료(Au/Sn=80/20)로 변경한 것, 및 다이싱 장치에서 절단 가공시의 간격을 바꾸고, LED 칩의 바닥면적에 대한 복합 기판의 면적비가 상이한 복합 기판을 제조한 것 이외에는, 실시예 1의 복합 기판 B를 이용한 것과 동일한 방법으로 LED 패키지를 제조하고, LED 칩의 상면온도를 측정했다. 결과를 표 1에 나타냈다.
판두께
(㎜)		 면적비
(배)		 표면 거칠기 Ra
(㎛)		 LED 칩 상면온도
(℃)
실시예 2 0.1 15.2 0.05 65
실시예 3 1 15.2 0.05 61
실시예 4 2 15.2 0.05 63
실시예 5 0.2 15.2 0.01 59
실시예 6 0.2 15.2 0.2 61
실시예 7 0.2 15.2 0.5 65
실시예 8 0.2 2.25 0.1 71
실시예 9 0.2 25 0.1 58
실시예 10 0.2 100 0.1 57
비교예 2 0.08 15.2 0.05 90
비교예 3 2.3 15.2 0.05 86
비교예 4 0.2 15.2 1.2 110
비교예 5 0.2 1 0.1 105
실시예 11 ~ 15
(Ni-P: 4 ㎛ + Au: 1 ㎛)인 도금층(5 ㎛ 두께) 대신에, 표 2에 나타낸 금속종과 금속층 두께를 가지는 금속층을 형성시킨 것 이외에는, 실시예 1의 복합 기판 B를 이용한 것과 동일한 방법으로 LED 패키지를 제조하고, LED 칩의 상면온도를 측정했다. 결과를 표 2에 나타냈다.
금속종 금속층 두께
(㎛)		 LED 칩 상면온도
(℃)
실시예 11 Cu 5 60
실시예 12 Pt 2 60
실시예 13 Co + Au 3 + 1 61
실시예 14 Sn + Au 3 + 1 61
실시예 15 Ag + Au 3 + 1 63
실시예 16
<무기다공체를 이용한 복합 기판 C, D에 의한 LED 칩 접합체, LED 패키지>
탄화규소 분말 D(시판품: 평균 입자지름 150 ㎛) 1300 g, 탄화규소 분말 E(시판품: 평균 입자지름 10 ㎛) 700 g, 실리카 졸(닛산화학사제: 스노우 텍스) 300 g을 계량하여 취하고, 교반 혼합기로 30분간 혼합한 후, 160 ㎜×160 ㎜×5 ㎜ 치수의 판상으로 면압 30 MPa로 프레스 성형하여 성형체를 제작했다. 수득한 성형체를 온도 120℃로 1시간 건조 후, 질소 분위기 하에서, 온도 1400℃에서 2시간 소성하고, 기공률이 35%인 소결체를 제조하고, 머시닝 센터에서 다이아몬드 숫돌을 이용하여, 외형치수가 155 ㎜×155 ㎜×3 ㎜ 형상으로 가공해서 무기다공체를 제조했다.
무기다공체 10장을 1장 마다 흑연 이형재가 도포된 이형판(160 ㎜×160 ㎜×0.8 ㎜)을 끼워서 구조체(170 ㎜×170 ㎜×40 ㎜)를 형성하고, 양측에 철판(판두께 12 ㎜)을 배치하고, 볼트 8개로 연결해서 하나의 적층체로 하였다. 이하, 실시예 1의 복합 기판 A와 동일한 방법으로 복합체(155 ㎜×155 ㎜×3 ㎜)를 제조하고, 온도 25℃?150℃의 열팽창계수와 온도 25℃에서의 열전도율, 3점 굽힘 강도를 측정하였는데, 각각, 7.5×10-6/K, 200 W/(m?K), 400 MPa이었다.
수득한 복합체를 평면 연삭반으로 다이아몬드 숫돌을 이용하고, 판두께 0.4 ㎜인 판상으로 면 가공한 후, 계속해서 워터 제트 가공기(Sugino Machines Abrasive Jet Cutter NC)에 의해 압력 250 MPa, 가공 속도 100 ㎜/분의 조건으로 연마 연삭입자로서 입도 100 ㎛인 가닛을 사용하여, 지름 50.8 ㎜×0.4 ㎜의 형태로 절단 가공했다. 그 후, 양면 연삭반에서 #800의 다이아몬드 숫돌을 이용하여, 판두께 0.3 ㎜로 연삭 가공을 하고, 순수 중에서, 이어서 이소프로필알콜 중에서 초음파세정하여 건조하여, 예비 복합 기판 C를 제조했다. 이 표면 거칠기(Ra)는 0.1 ㎛이었다. 또한, 예비 복합 기판 C에 상기 예비 복합 기판 B와 동일한 금속층을 설치하여 예비 복합 기판 D라고 하고 그 후, 수득한 예비 복합 기판 C 및 D를 실시예 1의 복합 기판 A와 동일한 방법으로 절단하여 복합 기판 C 및 D를 제조했다.
상기와 동일하게 하고, 복합 기판 C를 이용하여 제조된 LED 패키지의 LED 칩의 상면온도와, 복합 기판 D를 이용하여 제조된 LED 패키지의 LED 칩의 상면온도를 측정하였는데, 각각, 70℃ 및 62℃이었다.
실시예 17
<무기다공체를 이용한 복합 기판 E, F에 의한 LED 칩 접합체, LED 패키지>
무기다공체로서 등방성 흑연성형체(Tokai Carbon사제: G458, 기공률: 13부피%, 치수: 100 ㎜×100 ㎜×100 ㎜)를 이용하고, 또한 이형판으로서 흑연 이형재가 도포된 스테인리스판(100 ㎜×100 ㎜×0.8 ㎜)을 이용한 것 이외에는, 복합 기판 A의 제조에 따라서 복합체를 제조했다.
이 복합체를 다이아몬드 톱으로 절단 가공한 후, 원통 연삭반에서 다이아몬드 숫돌을 이용하고, 지름 50.8 ㎜×100 ㎜인 원주 형상으로 외주 가공을 하고, 추가로 멀티와이어 톱으로 다이아몬드 연삭입자를 사용하여, 절단 속도 0.5 ㎜/분으로 판두께 0. 4㎜인 원판으로 절단 가공했다. 수득한 원판을 양면 연삭반으로 #600의 다이아몬드 숫돌을 이용해서 판두께 0.3 ㎜로 연삭 가공을 하고, 수중(水中), 이어서 이소프로필알콜 중에서 초음파 세정을 하여 건조하여 예비 복합 기판 E를 제조했다. 이 표면 거칠기(Ra)는 0.15 ㎛이었다. 또한, 예비 복합 기판 E에 상기 예비 복합 기판 B와 같은 금속층을 설치해서 예비 복합 기판 F라고 하고 그 후, 수득한 예비 복합 기판 E, F를 방전가공기로 절단 속도 0.5 ㎜/s로 3.9 ㎜×3.9 ㎜인 형상으로 절단 가공을 하여 복합 기판 E 및 F를 제조했다.
복합 기판 E 및 F에 출력 3 W인 LED 칩(Cree사제: EZ1000/1 ㎜×1 ㎜×0.1 ㎜)을 크림 납땜으로 접합한 후, 복합 기판 E를 이용해서 제조된 LED 패키지의 LED 칩의 상면온도와, 복합 기판 F를 이용해서 제조된 LED 패키지의 LED 칩의 상면온도를 측정하였는데, 각각, 72℃ 및 66℃이었다.
실시예 18
<무기다공체를 이용한 복합 기판 G 및 H에 의한 LED 칩 접합체, LED 패키지>
질화알루미늄 분말(시판품: 평균 입자지름 2 ㎛) 2880 g, 이트륨 분말(시판품: 평균 입자지름 1 ㎛) 120 g, 성형 바인더(메틸셀룰로오스) 150 g, 및 순수 150g의 혼합 분말을 면압 10 MPa로 프레스 성형한 후, 추가로 성형 압력 100 MPa로 CIP 성형하여 원주체(지름 55 ㎜×110 ㎜)를 제조했다. 이것을, 대기 분위기 중 온도 600℃로 2시간 탈지 처리 후, 질소 분위기 하에서 온도 1780℃로 4시간 소성하여 소결체를 제조한 후, 머시닝 센터에서 다이아몬드 숫돌을 이용하고, 기공률이 22%인 무기다공체(지름 52 ㎜×100 ㎜)를 제조했다.
이 무기다공체를 이용한 것, 및 알루미늄 합금 대신에 순 알루미늄을 이용한 것 이외에는, 실시예 1의 복합 기판 A와 동일한 방법으로 예비 복합 기판 G(지름 50.8 ㎜×0.2 ㎜)를 제조했다. 이 표면 거칠기(Ra)는 0.06 ㎛이었다. 또한, 예비 복합 기판 G에 상기 예비 복합 기판 B와 같은 금속층을 설치해서 예비 복합 기판 H라고 하고 그 후, 수득한 예비 복합 기판 G 및 H를 레이저 가공기에서 절단 속도 8 ㎜/s로 3.9 ㎜×3.9 ㎜의 형태로 절단 가공하여, 복합 기판 G 및 H를 제조했다.
복합 기판 G 및 H에 출력 1 W인 LED 칩(Cree사제: EZ700/0.7 ㎜×0.7 ㎜×0.1 ㎜) 4개를 2 ㎜ 간격으로, 크림 납땜 접착재에 의해 접합하여 LED 칩 접합체를 제조했다. 수득한 LED 칩 접합체는 1개의 복합 기판의 상면에 4개의 LED 칩이 실장된 구조가 되고, 복합 기판의 LED 칩의 장착면의 면적은 모두 LED 칩의 바닥면적의 합계의 7.8배였다. 출력이 4 W가 되도록 LED 칩에 전압을 인가하고, LED 칩의 상면온도를 적외선 서모그래피에 의해 측정했다. 그 결과, 복합 기판 G를 이용해서 제조된 LED 패키지의 LED 칩의 상면온도는 70℃이며, 복합 기판 H를 이용해서 제조된 것은 63℃였다.
실시예 19
<무기다공체를 이용한 복합 기판 I 및 J에 의한 LED 칩 접합체, LED 패키지>
질화규소 분말(시판품: 평균 입자지름 1 ㎛) 2790 g, 이트륨 분말(시판품: 평균 입자지름 1 ㎛) 150 g, 및 산화 마그네슘 분말(시판품: 평균 입자지름 1 ㎛) 60 g의 혼합물을 사용한 것 이외에는, 실시예 18과 동일한 방법으로 원주체(지름 55 ㎜×110 ㎜)를 제조했다. 이것을 0.9 MPa의 질소가압 분위기 하에서 온도 1880℃로 4시간 소성하여 소결체를 제조한 후, 머시닝 센터에서 다이아몬드 숫돌을 이용하고, 기공률이 13%인 무기다공체(지름 52 ㎜×100 ㎜)를 제조했다. 이하, 복합 기판 G와 동일한 처리를 해서 복합 기판 I를, 또한 복합 기판 H와 동일한 처리를 해서 복합 기판 J를 제조했다. 그 결과, 복합 기판 I의 표면 거칠기(Ra)는 0.05 ㎛이었다. 또한, 복합 기판 I를 이용해서 제조된 LED 패키지의 LED 칩의 상면온도는 72℃이며, 복합 기판 J를 이용해서 제조된 그것은 66℃이었다.
실시예 20
<무기분말성형체를 이용한 복합 기판 c 및 d에 의한 LED 칩 접합체, LED 패키지>
다이아몬드 분말 A(Diamond Innovations사제, MBG-600, 평균 입자지름: 120 ㎛) 7 g과, 다이아몬드 분말 B(Diamond Innovations사제, MBG-600, 평균 입자지름: 15 ㎛) 3 g을 알루미나제의 막자사발로 10분간 혼합한 후, 외형치수 70 ㎜×70 ㎜×20 ㎜(내경치수: 지름 52.5 ㎜×20 ㎜)의 관상 흑연 지그 X에, 외형치수가 지름 52.4 ㎜×9 ㎜의 흑연 지그 Y를 삽입한 후, 다이아몬드의 혼합 분말 10 g를 충전하고, 추가로 다이아몬드의 혼합 분말의 상면에 흑연 지그 Y를 삽입하여 기공률이 35%인 무기분말성형체를 제조했다.
이 무기분말성형체를 상기 복합 기판 a의 제조에 따라서 적층체를 형성하고 함침 처리를 실시하여 관상 흑연 지그로 둘러싸인 복합체(70 ㎜×70 ㎜×20 ㎜)를 제조했다. 이것을, 복합체가 노출될 때까지, 양쪽 주 표면측(70 ㎜×70 ㎜)으로부터 평면 연삭반으로 다이아몬드 숫돌을 이용해서 연삭 가공을 하고, 판상체(70 ㎜×70 ㎜×1 ㎜)로 가공했다. 그 후, 워터 제트 가공기로 원판(지름 50.8 ㎜×1 ㎜) 형상으로 외주 가공을 하고, 복합 기판 c를 제조했다. 이 표면 거칠기(Ra)는 0.4 ㎛이었다. 또한, 복합 기판 b와 같은 방법으로 도금층과 레지스트층을 설치해서 복합 기판 d를 제조했다. 그 결과, 복합 기판 c의 온도 25℃의 열전도율은 500 W/(m?K)이었다.
또한, 복합 기판 c를 이용해서 제조된 LED 패키지의 LED 칩의 상면온도는 66℃이며, 복합 기판 d를 이용해서 제조된 것은 58℃이었다.
실시예 21
<무기다공체를 이용한 복합 기판 K 및 L에 의한 LED 칩 접합체, LED 패키지>
실시예 1의 복합 기판 A의 제조 과정으로 제조된 무기다공체(외형치수: 지름52 ㎜×높이 100 ㎜ 기공률: 20%)를 머시닝 센터에서 다이아몬드 숫돌을 이용하고, 외형치수가 지름 52 ㎜×20 ㎜인 원반으로 가공했다. 이 원반과 괴상 실리콘을 BN분을 도포한 흑연 도가니에 넣고 전기로 내에 세팅했다. 로내를 진공으로 하고 1650℃로 8시간 보유해서 원반에 실리콘을 함침시켰다. 실온까지 냉각한 후, 원통 연삭반으로 여분인 실리콘을 제거해서 복합체를 제조하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 온도 25℃?150℃의 선팽창계수와 온도 25℃에서의 열전도율을 측정하였는데, 선팽창계수는 4.3×10-6/K, 열전도율은 210 W/(m?K)이었다.
그 후, 복합 기판 A와 동일한 처리를 해서 복합 기판 K를, 또한 복합 기판 B와 동일한 처리를 해서 복합 기판 L을 제조했다. 그 결과, 복합 기판 K의 표면 거칠기(Ra)는 0.08 ㎛이었다. 또한, 복합 기판 K를 이용해서 제조된 LED 패키지의 LED 칩의 상면온도는 69℃이며, 복합 기판 L을 이용해서 제조된 것은 61℃이었다.
실시예 22 및 비교예 6
<무기분말성형체를 이용한 복합 기판 e 및 f에 의한 LED 칩 접합체, LED 패키지>
탄화규소 분말 E(시판품: 평균 입자지름 10 ㎛)의 461 g(실시예 22), 또는 탄화규소 분말 F(시판품: 평균 입자지름 6 ㎛)의 377 g(비교예 6)을 관상 흑연 지그(외치수: 70 ㎜×70 ㎜×110 ㎜, 내치수: 지름 55 ㎜×높이 110 ㎜)에 충전하고, 면압 5 MPa로 프레스 성형하고, 기공률이 45%(실시예 22) 또는 기공률이 55%(비교예 6)의 분말성형체(지름 55 ㎜×높이 110 ㎜인 원주체)를 제조했다. 그것들을 이용한 것 이외에는, 실시예 1의 복합 기판 b의 경우와 동일하게 하여 복합 기판 e(실시예 22), 복합 기판 f(비교예 6)의 제조, LED 칩 접합체의 제조를 경유하여 LED 패키지를 제조하고, LED 칩의 상면온도를 측정했다. 그것들의 결과를 표 3에 나타냈다. 또한, 실시예 1과 동일한 방법으로 온도 25℃?150℃의 선팽창계수와 온도 25℃에서의 열전도율, 3점 굽힘 강도를 측정하였는데, 복합 기판 e의 선팽창계수는 10.5×10-6/K, 열전도율은 120 W/(m?K), 강도는 500 MPa, 복합 기판 f의 선팽창계수는 12.5×10-6/K, 열전도율은 80 W/(m?K), 강도는 550 MPa이었다.
실시예 23 및 24
<무기분말성형체를 이용한 복합 기판 g 및 h에 의한 LED 칩 접합체, LED 패키지>
실리콘을 12중량% 및 마그네슘을 1중량% 함유하는 알루미늄 합금 대신에, 실리콘을 3중량% 포함하는 알루미늄 합금(실시예 23), 또는 실리콘을 20중량% 포함하는 알루미늄 합금(실시예 24)을 이용한 것, 및 구리(Cu) 회로(두께 35 ㎛) 대신에 알루미늄(Al) 회로(두께 35 ㎛)를 이용한 것 이외에는, 실시예 1의 복합 기판 b의 경우와 동일한 방법으로 복합 기판 g, 복합 기판 h의 제조, LED 칩 접합체의 제조에 따라서 LED 패키지를 제조하고, LED 칩의 상면온도를 측정했다. 그것들의 결과를 표 3에 나타냈다. 또한, 실시예 1과 동일한 방법으로 온도 25℃?150℃의 선팽창계수와 온도 25℃에서의 열전도율을 측정하였는데, 복합 기판 g의 선팽창계수는 5.8×10-6/K, 열전도율은 215 W/(m?K), 복합 기판 h의 선팽창계수는 6.3×10-6/K, 열전도율은 230 W/(m?K)이었다.
분말성형체의 기공률
(%)		 알루미늄 합금 LED 칩 상면온도
(℃)
실시예 22 45 87Al-12Si-1Mg 68
실시예 23 30 97Al-3Si 63
실시예 24 30 80Al-20Si 64
비교예 6 55 87Al-12Si-1Mg 80
실시예 25 및 26
<무기분말성형체를 이용한 복합 기판 i 및 j에 의한 LED 칩 접합체, LED 패키지>
α형 사이알론 분말 대신에 β형 사이알론 분말(실시예 25) 또는 CASIN 분말(실시예 26)을 사용한 것 이외에는, 실시예 1의 복합 기판 b와 동일한 방법으로 복합 기판 i(실시예 25), 복합 기판 j(실시예 26)를 제조하고, LED 칩 접합체의 제조를 경유하여 그것들의 LED 패키지를 제조했다. LED 칩의 상면온도를 측정하였는데, 모두 실시예 1의 복합 기판 b를 이용하여 제조된 LED 패키지와 거의 동등의 좋은 결과를 얻었다.
최후에 실시예 및 비교예의 주요 조건과 결과를 표 4?6에 정리해서 나타냈다.
Figure pct00001
Figure pct00002
Figure pct00003
1 LED 칩
2 복합 기판
3 금속회로
4 절연층
5 금속기판
6 레지스트 층
7 댐재
8 수지 봉지재
9 전기적 접속 부재
10 LED 칩 접합체
11 회로 기판

Claims (10)

  1. 복합 기판(2)에 한 개 또는 2개 이상의 LED 칩(1)이 접합재(도시되지 않음)에 의해 직접 실장되어 이루어진 LED 칩 접합체(10)로서, 상기 복합 기판이 무기질성형체에 알루미늄, 실리콘 또는 이들을 성분으로 함유하는 합금을 함침시켜서 이루어지고, 판두께가 0.1?2 ㎜, 표면 거칠기(Ra)가 0.5 ㎛ 이하, 온도 25℃의 열전도율이 100?600 W/(m?K), 온도 25℃?150℃의 선팽창계수가 3?12×10-6/K, 3점 굽힘 강도가 50?500 MPa이며, 복합 기판의 LED 칩 실장면의 면적이 LED 칩과의 접촉 면적에 대하여 2?100배인 것을 특징으로 하는 LED 칩 접합체.
  2. 복합 기판(2)에 한 개 또는 2개 이상의 LED 칩(1)이 접합재(도시되지 않음)에 의해 직접 실장되어 이루어진 LED 칩 접합체(10)로서, 상기 복합 기판이 기공률이 10?40부피%인 무기질성형체에 알루미늄 함유율이 80?97중량%인 알루미늄-실리콘 합금을 함침시켜서 이루어지고, 판두께가 0.1?1 ㎜, 표면 거칠기(Ra)가 0.05?0.5 ㎛, 온도 25℃의 열전도율이 100?300 W/(m?K), 온도 25℃?150℃의 선팽창계수가 4?9×10-6/K, 3점 굽힘 강도가 50?400 MPa이며, 복합 기판의 LED 칩 실장면의 면적이 LED 칩과의 접촉 면적에 대하여 2?25배인 것을 특징으로 하는 LED 칩 접합체.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    복합 기판이 표면에 Ni, Co, Pd, Cu, Ag, Au, Pt 및 Sn으로부터 선택되는 적어도 1종의 금속에 의한 두께 0.5?20 ㎛인 금속층을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 LED 칩 접합체.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    접합재에 의한 접합이 연납땜(soldering), 경납땜(brazing), 또는 고열전도성 접착제로 접착하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 LED 칩 접합체.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    무기질성형체의 재질이 탄화규소, 질화알루미늄, 질화규소, 다이아몬드 및 흑연으로부터 선택되는 적어도 1종인 것을 특징으로 하는 LED 칩 접합체.
  6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
    LED 칩이 출력 0.5 W 이상의 비절연 구조인 것을 특징으로 하는 LED 칩 접합체.
  7. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 기재된 LED 칩 접합체(10)가 금속기판(5)에 절연층(4)을 통해서 금속회로(3)가 형성되어 있는 회로 기판(11)에 접합되는 한편, 상기 LED 칩 접합체의 LED 칩(1)과 상기 회로 기판의 금속회로(3)가 전기적 접속 부재(9)로 접속되고 있으며, 적어도 상기 LED 칩 접합체와 상기 전기적 접속 부재가 형광물질을 포함하는 수지 봉지재(8)로 봉지되어 있는 것을 특징으로 하는 LED 패키지.
  8. 청구항 7에 있어서,
    형광물질이 α형 사이알론, β형 사이알론, CASIN(Ca?Al?Si?N3), 이트륨(yttrium)?알루미늄?가닛(garnet) 및 황화물로부터 선택되는 적어도 1종이며, 수지 봉지재가 비굴절률이 2.2 이상, 평균 입자지름이 1?100 ㎚인 상기 형광물질 이외의 필러를 함유하고 있는 것을 특징으로 하는 LED 패키지.
  9. 청구항 7 또는 청구항 8에 있어서,
    절연층(4)은 열전도율이 0.5?20 W/(m?K), 두께가 0.03?0.2 ㎜이고, 금속회로(3)의 재질이 알루미늄 또는 구리이며 그 두께가 0.005?0.4 ㎜인 것을 특징으로 하는 LED 패키지.
  10. 이하의 공정을 경유하는 것을 특징으로 하는 청구항 7 내지 청구항 9 중 어느 한 항의 LED 패키지의 제조 방법:
    (ⅰ) 탄화규소, 질화알루미늄, 질화규소, 다이아몬드 및 흑연으로부터 선택되는 적어도 1종을 이용하고, 기공률이 10?50부피%인 소결체 또는 분말성형체로 이루어지는 무기질성형체를 제조하는 공정;
    (ⅱ) 상기 무기질성형체에 용탕단조법에 의해 압력 30 MPa 이상에서 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 함침시키거나, 또는 용융함침법에 의해 실리콘 또는 실리콘 합금을 함침시켜 복합체를 제조하는 공정;
    (ⅲ) 상기 복합체를 가공하여 판두께가 0.1?2 ㎜, 표면 거칠기(Ra)가 0.5 ㎛ 이하, 온도 25℃의 열전도율이 100?600 W/(m?K), 온도 25℃?150℃의 선팽창계수가 3?12×10-6/K, 3점 굽힘 강도가 50?400 MPa인 예비(pre) 복합 기판을 제조하는 공정;
    (ⅳ) 상기 예비 복합 기판에 필요에 따라 Ni, Co, Pd, Cu, Ag, Au, Pt 및 Sn으로부터 선택되는 적어도 1종의 금속에 의한 금속층을 형성시키고 나서, 실장되는 LED 칩의 접촉 면적의 2?100배의 면적이 되도록 절단하여 복합 기판(2)을 제조한 후, 접합재에 의해 한 개 또는 2개 이상의 LED 칩(1)을 실장하여 LED 칩 접합체(10)를 제조하는 공정;
    (ⅴ) 상기 LED 칩 접합체(10)를 금속기판(5)에 절연층(4)을 통해서 금속회로(3)가 형성된 회로 기판(11)에 접합하는 공정; 및
    (ⅵ) 상기 LED 칩 접합체의 LED 칩(1)과 상기 회로 기판의 금속회로(3)를 전기적 접속 부재(9)로 접속한 후, 적어도 상기 LED 칩 접합체와 상기 전기적 접속 부재를 형광물질을 포함하는 수지 봉지재(8)로 봉지하여 LED 패키지를 제조하는 공정.
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