KR20140111905A - 웨이퍼 레벨 칩 스케일 발광다이오드 패키지 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 LED 패키지에 관한 것으로서, 웨이퍼 단위로 일괄 제조가 가능하면서 한층 간소화된 공정을 통해 집적도와 생산성을 증대시킬 수 있고, LED 칩과 패키지의 크기가 동일한 칩 스케일 패키지(Chip Scale Package) 구조의 LED 패키지를 제공하기 위한 것이다.
이를 위해 본 발명에서는 캐리어기판을 관통하여 LED 칩 내부에 위치되는 제1/제2비아가 형성된 캐리어기판과 에피층, 제1/제2전극층, 본딩층을 포함하는 성장기판을 서로 웨이퍼본딩하여 웨이퍼 단위 일괄 제조 방식을 통해 제조되는 LED패키지가 개시된다.
종래의 LED 패키지의 광학렌즈 제조방식이 아니라, 별도 제작된 렌즈모듈의 각 렌즈에 형성된 LED 칩 네스트에 형광체를 코팅하고 LED 칩이 접합되는 구조를 갖는 칩 스케일 패키지 형태의 LED 패키지를 제공한다.
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종래의 LED 패키지의 광학렌즈 제조방식이 아니라, 별도 제작된 렌즈모듈의 각 렌즈에 형성된 LED 칩 네스트에 형광체를 코팅하고 LED 칩이 접합되는 구조를 갖는 칩 스케일 패키지 형태의 LED 패키지를 제공한다.
Description
본 발명은 Light Emitting Diode(LED) 패키지(package)에 관한 것으로, 구체적으로는 웨이퍼 단위로 일괄 제조가 가능하면서 한층 간소화된 공정을 통해 집적도와 생산성을 증대시킬 수 있고, LED 칩(chip)과 패키지의 크기가 동일한 칩 스케일 패키지(Chip Scale Package: CSP) 구조의 LED 패키지 및 그 제조방법에 대한 것이다.
LED는 기존의 백열등 및 형광등과 같은 광원에 비해 수명이 길고 전력 소모가 적으며, 전기 에너지를 빛 에너지로 직접 변환하기 때문에 발광효율이 높고 안전성, 친환경, 다양한 색상의 구현 등의 장점을 갖고 있다. 그래서 LED는 디스플레이, 차량용 전조등, 가로등, 신호등, 광통신용 광원, 장식용 조명 등 다양한 분야에 적용되고 있다. 이와 더불어 전자산업의 발전에 따라 LED 응용제품에 대한 고출력화, 고휘도화, 저가격화 및 슬림화 등의 요구가 증대되고 있다.
LED 조명은 이러한 장점에도 불구하고 가격이 고가여서 보급이 확대되지 못하고 있는 실정이다. 또한, LED 패키지 기술의 발전이 성능 향상 중심으로 진행되어 성능대비 가격은 낮아지는 추세이지만, 종래의 기술로는 여전히 생산 원가가 높기 때문에 저가격화에 한계가 있다. 따라서 종래의 백열등이나 형광등 등을 LED 조명으로 대체할 수 있는 저가격의 혁신적인 LED 패키지가 요구되고 있다.
일반적인 LED 패키지는 내부에 LED 칩이 실장 되어 캐리어기판(carrier substrate)의 회로와 전기적으로 연결되는 구조로 서로 독립된 3단계 생산 공정으로 제조된다.
즉, LED 패키지는 전기를 빛으로 변환해주는 활성층, N형과 P형의 에피(epitaxial)층 등을 성장기판(growth substrate) 위에 성장시키는 에피 공정과, 성장기판에 형성된 에피층들을 가공, 회로 형성 및 절연층 증착 등의 공정을 통해 칩을 만드는 칩 공정과, 칩이 형성된 성장기판을 절단해 칩을 하나씩 캐리어기판에 접합, 와이어 본딩 및 몰딩 등의 패키징 공정을 통해 제조된다.
이러한 LED 패키지의 3단계 생산 공정 중 패키징 공정은 타 제조사에서 생산된 골드와이어(gold wire), 칩 접합제, 캐리어기판 또는 서브마운트(sub-mount)등을 원자재로 공급받아 LED 패키지를 제조한다. 즉, LED 패키지는 이러한 원자재들을 이용해 개별 칩 단위로 조립하는 공정들을 통해 제조된다. 결국, 하나의 공정에서 여러 웨이퍼가 생산되는 웨이퍼 단위 일괄 제조 방식이 아니라, 칩 단위로 생산되기 때문에 생산성이 낮아서 LED 패키지의 전체 원가에 많은 부분을 차지하게 된다.
최근에는 생산성을 높이기 위해 웨이퍼 단위 생산 방식의 웨이퍼 레벨 패키지(Wafer Level Package: WLP) 기술이 적용되고 있다. 하지만, 종래의 WLP는 성장기판에 형성된 칩을 절단해 칩을 하나씩 성장기판 보다 큰 실리콘 웨이퍼에 접합하여 와이어 본딩 또는 플립 칩(Flip Chip) 본딩, 몰딩 등의 기존의 패키징 기술을 그대로 적용하고 있다.
즉, 4인치 지름의 성장기판에서 절단된 개별 칩들이 하나씩 8인치 지름의 실리콘 웨이퍼의 캐리어기판에 접합 되어 종래의 패키징 공정들이 적용이 되기 때문에 한 공정에서 여러 웨이퍼가 생산되는 일괄 제조 방식의 높은 생산성을 가질 수 없다.
성장기판보다 큰 캐리어기판을 적용하는 이유는 LED 칩의 크기 보다 LED 패키지의 크기가 2 ∼ 3배 이상 큰 구조로 LED 패키지가 제조 되기 때문이다. 즉, LED 칩과 동일한 크기의 CSP 형태의 LED 패키지이면, LED 칩의 집적도를 최대화될 수 있고, 성장기판과 동일한 크기의 캐리어기판을 서로 웨이퍼본딩하여 웨이퍼 단위 일괄 제조 방식으로 진행하면, 높은 생산성을 가질 수 있다.
집적도는 웨이퍼(성장기판/캐리어기판)당 생산될 수 있는 LED 칩/패키지 수로 집적도가 높을수록 생산성이 높아져 제조원가를 낮출 수 있다.
종래의 LED 패키지 제조방식과 웨이퍼 단위 일괄 제조 방식의 생산성을 예를 들어 비교하면, 종래의 LED 패키지 제조 방식의 생산성은 시간당 생산된 패키지 수로 시간당 1,000개의 패키지를 생산하면 바로 그것이 최종 제품인 LED 패키지의 생산성이 되고, 웨이퍼 단위 일괄 제조 방식의 생산성은 하나의 공정에서 시간당 여러 웨이퍼가 생산되기 때문에 시간당 웨이퍼 수이다.
하지만, 웨이퍼 단위 일괄 제조 방식에서 생산성을 패키지 수로 환산을 하면, 웨이퍼당 패키수(LED 칩의 크기에 따라 웨이퍼당 수천 ∼ 수만개 패키지를 포함) x 시간당 생산된 웨이퍼 수이다. 예를 들어, 웨이퍼 당 1,000개의 패키지가 있고 시간당 10개의 웨이퍼를 생산하면, 최종제품인 LED 패키지로 환산된 생산성은 시간당 10,000개 LED 패키지이다. 결국, 웨이퍼 단위 일괄 제조 방식의 LED 패키지는 종래의 LED 패키지의 제조 방식과는 비교할 수 없을 정도로 높은 생산성을 가질 수 있다.
웨이퍼 단위 일괄 제조 방식을 위해서는 CSP형태의 LED 패키지 구조가 필수조건이다. CSP형태가 아니면, LED 칩의 집적도(최종적으로 웨이퍼 당 배치될 수 있는 패키지 수)가 낮아져 오히려 원가가 상승할 수 있기 때문이다.
국제표준에 따르면 CSP 는 칩 크기 대비 1.2 배보다 크지 않는 패키지로 정의를 하고 있다. 그래서 CSP 형태의 LED 패키지 일례로 대한민국 공개특허 10-2007-0041729 호와 10-2011-0125994 호에 CSP 구조의 LED 패키지가 개시되어 있다. 이는 수직형 LED 형태의 CSP 로 두개의 비아 (Via)가 캐리어기판에 형성된 구조를 가진다.
상기 공개특허의 두 LED 패키지 모두 구조적인 특성상 두 비아 중 하나의 비아는 칩의 외곽에 형성되기 때문에 LED 칩의 크기와 동일한 크기의 CSP 형태는 아니다. 즉, 칩 외곽에 형성된 비아의 공간이 필요하기 때문에 LED 칩과 동일한 크기의 LED 패키지 구조가 될 수 없어서, LED 칩의 집적도가 떨어지게 된다. 뿐만 아니라, 수직형 구조의 LED 패키지이기 때문에 제조 공정이 복잡하다.
또한, 대한민국 공개특허 10-2012-0082189 호는 본 발명과 구조적으로 유사한 특징을 갖고 있다. 도면 19 는 그 특허의 대표도를 제 도시하여 보여준다. 하지만, 하기에 상세히 설명될 여러 가지 문제점들이 있고, 도면 19 에 확대된 부위의 도면과 그 공개특허와 동일 용어를 사용하여 하기에 그 문제점들을 상세히 설명한다.
도면 19 (a)에 도시된 바와 같이 폴리머층(903)에 형성된 제 1 비하홀(907)과 패키지 기판(904)에 형성된 제 2 비하홀(908)은 동일한 크기로 일직선상에 이격 없이 형성되는 것으로 되어 있으나, 실제적으로 이격 없이 형성될 수 없다. 그 이유는 폴리머층(903)에 제 1 비아홀(907)을 형성하고, 폴리머층(903)과 패키지 기판(904)을 접합한 후 제 2 비아홀(908)을 형성하기 때문이다.
제 1 비아홀(907)과 제 2 비아홀(908)이 동시 형성이 되는 것이 아니라 별도의 공정에서 형성된다. 그래서 제 1 비아홀(907)과 제 2 비아홀(908)은 정렬하여 형성해야 하기 때문에 공정상의 공차로 인해 이격이 발생한다. 그래서 도면 19(b)와 같이 제 2 비아홀(907)이 제 1 비아홀(908) 보다 크게 형성되어야 한다.
제 1 비아홀(907)과의 정렬 공차 및 가공 공차 등을 고려해서 제 2 비아홀(908)이 크게 형성되면, 패키지 기판 상의 전극(906)을 위한 공간이 줄어 들어 집적도에 영향을 줄 수 있다.
또한, 제 1 비아홀(907) 형성 후 제 2 비아홀(908)을 형성하는 단계는 여러 가지 문제를 야기 하는데, 패키지 기판(904)이 접합된 후 제 2 비아홀(908)을 형성하기 위해서는 상기에 언급 했듯이 반드시 정렬하여 정확한 위치에 제 2 비아홀(908)이 형성이 되어야 한다. 하지만, 패키지 기판(904)에 적용될 수 있는 질화알루미늄(Aluminum Nitride: AlN), 실리콘 등의 소재들은 투명한 소재가 아니기 때문에 접합 후에는 패키지 기판(904) 아래에 정렬될 구조물이 보이지 않게 된다. 그래서 폴리머층(903) 또는 그 아래에 형성된 구조물과 정렬을 하기 위해서는 패키지 기판(904)과 폴리머층(903)/그 아래에 형성된 구조물에 정렬 기준을 나타내는 표시(이하, 정렬마크)가 접합 전에 형성되어 있어야 한다.
결국, 공개특허 10-2012-0082189 의 발명을 구현을 하기 위해서는 패키지 기판(904)을 접합하기 전에 패키지 기판(904)상에 정렬마크를 형성하는 별도의 과정(해당 특허 명세서에는 미 설명/미 도시)을 거쳐야 한다. 즉, 정렬마크를 기준으로 패키지 기판(904)을 접합한 후 정렬마크를 기준으로 제 2 비아홀(908)을 형성 하여야 제 2 비아홀(908)이 정확한 위치에 형성된다. 그래서 공정이 복잡하게 된다.
공개특허 10-2012-0082189 의 발명은 상기에 설명한 문제들 보다 더 치명적인 문제점으로 인해 그 발명을 구현하지 못 할 수도 있다. 실리콘 등의 건식/습식 에칭이 용이한 소재를 적용한 패키지 기판(904)의 경우는 레이저 드릴이 아닌 식각 방식을 적용하여 구현을 할 수 있지만, AlN 과 같은 세라믹 소재로 패키지 기판(904)를 적용할 때는 생산성 및 식각 특성을 고려할 때 세라믹 소재는 건식 또는 습식 식각을 적용할 수 없다. 그래서 이러한 세라믹 소재들은 레이저 드릴을 적용해 제 2 비아홀(908)을 형성하여야 한다. 하지만, 패키지기판(904)을 접합한 후에 레이저 드릴로 제 2 비아홀(908)을 형성하는 것은 하기에 상세히 설명될 치명적인 문제점이 있다.
결국, 공개특허 10-2012-0082189 의 발명은 레이저 드릴의 특성상 패키지 기판(904) 아래에 형성된 구조물에 손상을 주지 않고 제 2 비아홀(908)을 형성할 수 없기 때문에 레이저 드릴을 적용해서는 구현할 수 없게 된다.
패키지 기판(904)의 소재로는 실리콘과 전도성 등의 재료 보다는 AlN 과 알루미나의 세라믹 소재를 적용하게 되면, 열전도도와 열팽창계수 등의 우수한 물질적인 특성으로 인해 LED 의 성능을 높일 수 있다. 그래서 LED 의 성능을 높이기 위해서는 세라믹 소재가 바람직하다. 또한, 전도성 재료를 패키지 기판(904) 소재로 적용하게 되면, 전극(906)간의 전기적인 합선을 방지하기 위해 절연층(905)이 반드시 필요해 공정이 복잡해지기 때문에 부도체인 세라믹 소재를 적용하는 것이 더 바람직하다.
레이저 드릴을 간단히 설명을 하면, 소재에 흡수된 높은 레이저 에너지로 소재를 아주 고온으로 국부 가열하여 소재를 녹이거나 소재의 화합물간 결합을 분리하는 특성을 이용해 가공하는 방식이다. 그래서, 국부적으로 아주 고온으로 가열되고, 아주 높은 레이저 에너지가 형성되기 때문에 가공될 부위와 가공되지 않을 부위의 경계 사이를 정확히 분리하여 가공하기가 곤란하다.
높은 레이저 에너지를 특정 물질로 마스킹하여 가공되지 않게 하는 방식을 적용하기도 곤란하다. 설령 가능하다고 해도, 마스킹층을 형성하는 단계가 추가되기 때문에 공정이 복잡해질 수 있다.
또 다른 가능성으로는 레이저를 흡수하지 않고 투과하는 재료를 적용하여 가공이 되지 않게 할 수도 있지만, 전극패드(902)는 금속 소재로 레이저를 투과하는 소재들이 아니다.
또 다른 대안으로 가공되지 않는 부위에 적용될 소재를 가공하기 위해 필요한 레이저 에너지와 세라믹 소재의 패키지 기판(904)을 가공하기 위해 필요한 레이저 에너지의 차이를 이용하는 것이다. 즉, 가공되지 않을 부위 소재가 가공되는 레이저 에너지보다 낮은 레이저 에너지로 세라믹 소재의 패키지 기판(904)을 가공하게 되면, 가공되지 않을 부위는 가공에 필요한 양의 레이저 에너지를 흡수하지 못 하기 때문에 가공되지 않고 견딜 수 있다. 하지만, 패키지 기판(904) 아래에 형성된 금속 소재의 전극패드(902), 폴리머층(903) 등은 세라믹 소재를 가공하기 위해 필요한 레이저 에너지 보다 훨씬 낮은 레이저 에너지에서도 가공되기 때문에 이 또한 불 가능하다.
도 19 (c)는 패키지 기판(904)에 제 2 비아홀(908)을 형성하기 전의 단면도를 보여 주고, 도 19 (d)는 패키지 기판(904)을 레이저 드릴 하는 단면도를 보여준다. 결국, 세라믹 소재를 적용한 패키지 기판(904)을 레이저 방식으로 제 2 비아홀(908)을 형성할 때는 패키지 기판(904) 아래에 형성된 구조물들의 손상 없이 공개특허 10-2012-0082189 의 발명을 구현할 수 없게 된다.
상기에 설명한 모든 문제점들로 인해 공개특허 10-2012-0082189 의 발명은 LED 의 우수한 성능을 위한 세라믹 소재의 패키지 기판과 비아 형성을 위한 레이저 가공을 적용하지 못 할 수 있다. 그래서 본 발명은 그 특허와 구조적으로 유사하지만, 상기의 문제점들이 모두 해결하면서 보다 간소한 공정으로 구현할 수 있는 특징을 제시한다.
형광체층과 광학렌즈가 포함된 종래의 LED 패키지에 있어서는 캐리어기판에 접합되어 불룩하게 튀어 나온 LED 칩, 골드와이어 등등 수백 마이크로 미터 높이 차가 있는 표면을 디스펜싱방법으로 코팅하기 때문에 균일한 두께의 형광체를 코팅하는 것이 어렵다. 형광체 두께가 균일하지 않으면 yellow ring 현상이 나타날 수 있으며, LED 패키지의 광품질이 떨어질 수 있다.
뿐만 아니라, 종래의 패키징 방식인 몰딩을 통해 광학렌즈를 형성할 경우, 광학렌즈 형성을 위해 LED 칩 주변에 공간이 필요하고, 이로 인해 보통 LED 칩 대비 2 ∼ 3배 큰 광학렌즈가 형성된다. 결국, LED 패키지는 LED 칩 대비 2 ∼ 3배 크게 된다. 종래의 방식으로는 LED 칩과 패키지 크기가 유사한 CSP형태로 광학렌즈가 장착된 LED 패키지를 구현할 수 없게 된다.
종래의 WLP 기술에 있어서 성장기판 보다 큰 8인치 지름의 실리콘 웨이퍼를 캐리어기판으로 주로 적용하는 여러 이유들 중 하나는 광학렌즈를 형성하기 때문이다. 즉, 광학렌즈를 위해 LED 칩 주변에 공간이 필요하기 때문이다. 성장기판에서 절단된 LED 칩을 광학렌즈가 형성될 수 있게 충분한 공간을 확보하여 하나씩 8인치 실리콘 웨이퍼에 접합하고, 웨이퍼 상태에서 몰딩하여 광학렌즈를 형성하게 된다. 이로 인해, 종래의 WLP기술은 CSP 형태의 LED 패키지를 제조할 수 없게 된다.
앞서 언급 했듯이, 웨이퍼 단위 일괄 제조 방식은 하나의 공정에서 여러 웨이퍼를 생산할 수 있기 때문에 생산성을 극대화할 수 있고, CSP 형태의 LED 패키지는 제품의 크기를 2 ∼ 3배 줄일 수 있어서 경박단소화 되기 때문에 원자재가 차지하는 원가를 줄 일 수 있고 소형화 기기에 적합하게 된다. 결국, 웨이퍼 레벨 CSP LED 패키지는 생산성 향상, 원가절감 및 성능향상을 위해 필요하게 된다.
본 발명은 상술한 종래의 LED 패키지의 문제점을 해결하고자 전 공정에서 웨이퍼 단위 일괄 제조 방식으로 제조될 수 있고, LED 칩의 크기와 동일한 크기의 CSP 형태 LED 패키지를 제공한다. 즉, 개별 칩 단위로 진행되는 와이어 본딩, 칩 접합 등의 종래 패키징 공정들 없이 하나의 공정에서 여러 웨이퍼들이 생산되는 웨이퍼 단위 일괄 제조 방식으로 제조되어 혁신적으로 생산성을 높일 수 있는 LED 패키지 및 그 제조방법을 제공한다.
상술한 기술적 과제를 달성 및 상술한 종래 기술의 문제점들을 해결하기 위해 본 발병의 일 실시 예에 따른 LED 패키지는 세라믹 소재의 캐리어기판, 레이저 가공으로 상기의 캐리어기판에 형성되어 LED 칩 내부에 위치하게 될 제1비아와 제2비아, 1형에피층, 활성층 및 2형에피층을 포함하는 에피층이 형성된 성장기판, 상기 성장기판에 형성된 제1전극층과 제2전극층, 상기의 성장기판과 캐리어기판을 웨이퍼본딩 하기 위해 상기의 캐리어기판에 형성된 본딩층 및 상기의 캐리어기판에 형성된 제1전극패드와 제2전극패드를 포함한다.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 LED 패키지는 세라믹 소재의 캐리어기판, 레이저 가공으로 상기의 캐리어기판에 형성되어 LED 칩 내부에 위치하게 될 제1비아와 제2비아, 1형에피층, 활성층 및 2형에피층을 포함하는 에피층이 형성된 성장기판, 상기 성장기판에 형성된 제1전극층과 제2전극층, 상기의 성장기판과 캐리어기판을 웨이퍼본딩 하기 위해 본딩층이 상기의 성장기판에 형성되고 제1비아와 제2비아를 통해 가공되는 본딩층 및 상기의 캐리어기판에 형성된 제1전극패드와 제2전극패드를 포함하여 구성된다.
상기 실시 예에 따른 LED 패키지는 회로하지층과 회로층이 형성된 제1비아와 제2비아 내부를 수지 또는 전도성페이스트를 충전하여 형성된 비아충전제 더 포함하여 구성될 수 있다. 또 다른 실시 예로 비아충전제를 포함하는 LED 패키지는 1형, 2형에피층 및 활성층을 포함한 에피층과 전극층을 캐리어기판에 남겨 두고 성장기판만 제거하여 LED 패키지를 구성할 수도 있다.
본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 LED 패키지는 세라믹소재의 캐리어기판, 레이저 가공으로 상기의 캐리어기판에 형성되어 LED 칩 내부에 위치하게 될 제1비아와 제2비아, 1형에피층, 활성층 및 2형에피층을 포함하는 에피층이 형성된 성장기판, 상기 성장기판에 형성된 제1전극층과 제2전극층, 상기의 성장기판과 캐리어기판을 웨이퍼본딩 하기 위해 상기의 캐리어기판에 형성된 본딩층, 상기 제1/제2비아 내부에 회로하지층과 회로층 형성 없이 전도성페이스트로 제1/제2비아 내부를 충전하여 형성된 전도성비아충전제 및 상기의 캐리어기판과 전도성비아충전제에 형성된 제1전극패드와 제2전극패드를 구성하는 특징을 제공한다.
본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 LED 패키지는 세라믹소재의 캐리어기판, 레이저 가공으로 상기의 캐리어기판에 형성되어 LED 칩 내부에 위치하게 될 제1비아와 제2비아, 1형에피층, 활성층 및 2형에피층을 포함하는 에피층이 형성된 성장기판, 상기 성장기판에 형성된 제1전극층과 제2전극층, 상기의 성장기판과 캐리어기판을 웨이퍼본딩 하기 위해 본딩층이 상기의 성장기판에 형성되고 제1비아와 제2비아를 통해 가공되는 본딩층 및 상기 제1/제2비아 내부에 회로하지층과 회로층 형성 없이 전도성페이스트로 제1/제2비아 내부를 충전하여 형성된 전도성비아충전제 및 상기의 캐리어기판과 전도성비아충전제에 형성된 제1전극패드와 제2전극패드를 포함하는 특징을 제공한다.
비아 내부에 회로하지층 및 회로층 형성 없이 전도성비아충전제가 충전된 LED 패키지는 1형, 2형에피층 및 활성층을 포함한 에피층과 전극층을 캐리어기판에 남겨 두고 성장기판만 제거된 LED 패키지의 특징을 제공할 수 있다.
뿐만 아니라, 본 발명의 또 다른 실시 예로 1형에피층, 활성층, 2형에피층 및 전극층이 형성된 성장기판에 형성되어 본딩층 아래에 위치하게 될 절연층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 패키지를 제공할 수 있다.
형광체 및 광학렌즈를 필요로 하는 LED 패키지에 대한 본 발명의 실시 예에 따른 LED 패키지는 LED 칩이 접합될 수 있는 오목부의 LED 칩 네스트가 형성된 렌즈, 상기 렌즈의 LED 칩 네스트 표면에 형성된 하나 또는 다중층의 형광체층, 상기 렌즈에 LED 칩 주변을 따라 형성된 반사층 및 상기 렌즈에 형성된 LED 칩 네스트에 성장기판을 포함하여 접합된 LED 칩을 포함하는 특징을 제공한다. 이 경우 또 다른 실시 예로 성장기판만 제거 되어 접합된 LED칩이 구성된 LED 패키지일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시 예로 상기의 LED 칩 네스트의 표면에 확산층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 패키지, 상기의 형광체층과 LED 칩 사이에 본딩층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 패키지 또는 다중 층으로 형성된 형광체층들에서 각 형광체층 위와 아래에 광굴절률층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 패키지를 제공한다.
본 발명의 LED 패키지는 상기에서 언급한 문제들을 해결하면서, 웨이퍼 단위의 일괄 제조 기술, LED 칩과 동일한 크기의 CSP 형태의 LED 패키지, 그리고 종래의 패키징 공정 없이 LED칩, 캐리어기판과 LED 패키지 구조가 동시에 형성되는 것을 특징으로 하는 LED 패키지로 생산성을 극대화, LED칩의 집적도를 최대화할 수 있다.
상기에서 자세히 언급 했듯이 LED 패키지 생산에 있어서 혁신적으로 생산성을 높이면서 제조 원가를 낮추기 위해서는 웨이퍼 단위 일괄 제조 기술, LED 칩과 동일한 크기의 CSP 형태 LED 패키지, 그리고 종래의 패키징 공정 없이 LED칩, 캐리어기판과 LED 패키지 구조가 동시에 형성되는 제조 기술이 필요하다.
이에 본 발명은 LED 칩과 동일한 크기의 CSP형태 LED 패키지로 LED 칩을 최대한 집적화할 수 있고, 웨이퍼 단위 일괄 제조 방식으로 제조 될 수 있는 LED 패키지로 혁신적으로 생산성을 높여 원가 절감을 할 수 있다.
본 발명의 LED 패키지는 LED 칩과 동일한 크기의 CSP 형태 LED 패키지 구조를 갖기 위해 캐리어기판에 형성된 두 비아 모두 LED 칩 내부에 위치한다. 그래서 본 발명은 LED 칩 집적도를 최대한 높일 수 있다.
또한, 본 발명은 LED의 성능을 높이고 공정을 간소화하기 위해 물질적인 특성이 우수한 세라믹 소재의 부도체 캐리어기판을 적용하는 것으로 캐리어기판을 접합하기 전에 레이저 드릴로 비아를 형성하기 때문에 캐리어기판 아래에 형성된 구조물들에는 레이저의 영향을 전혀 받지 않아 레이저 가공에 의한 문제점들을 해결할 수 있다.
캐리어기판 접합 전에 비아를 형성하기 때문에 정렬마크를 위한 공정이 별도로 필요하지 않고, 레이저 드릴로 정렬마크를 형성하기 때문에 공정을 간소화할 수 있다.
캐리어기판에 비아를 형성한 후 본딩층을 캐리어기판에 형성하게 되면, 본딩층에 별도의 패턴 또는 비아를 가공하는 공정이 필요 없기 때문에 더욱 더 공정을 간소화할 수 있다.
캐리어기판 아래의 형성되는 구조들을 캐리어기판 접합 전에 모두 가공하는 것이 아니라, 세라믹 소재의 특성을 이용해 캐리어기판을 접합 후에 캐리어기판을 관통하는 두 비아를 통해 캐리어기판 아래 구조들이 가공이 되기 때문에 공정을 간소화할 수 있다. 즉, 캐리어기판을 관통하는 두 비아를 통해 본딩층/절연층이 가공되어 에피층과 전극패드가 전기적으로 연결 된다.
형광체 코팅/광학렌즈가 장착된 웨이퍼 레벨 CSP LED 패키지를 제조하기 위해서는 종래의 형광체코팅과 몰딩 방식을 적용할 수 없다. 그 이유는 성장기판에 형성된 에피층 성능이 성장기판 전면에 균일하지 않기 때문에 동일 조건으로 형광체 코팅이 되는 웨이퍼 단위 작업으로는 높은 수율을 가질 수 없다.
일반적으로 성장기판(200)에 형성된 LED 칩들의 광성능을 측정하여 광성능별 그룹을 만들어 각 그룹에 적합한 조건으로 형광체 코팅하여 원하는 사양의 제품을 생산하고 있다. 즉, 형광체 코팅 조건(형광체의 종류, 두께 등등)에 따라 LED 칩들의 성능편차를 보정해서 제품 수율을 높이고 있다.
그래서 종래의 캐리어기판에 접합된 LED 칩에 형광체코팅/몰딩하는 것을 반대로 별도로 제조된 렌즈모듈(module)에 정해진 조건에 따라 형광체를 코팅하고, 그 형광체 코팅 조건에 따라 원하는 사양의 제품을 만들 수 있는 LED 칩들이 렌즈모듈에 접합되는 방식의 특징이 있다.
웨이퍼 상태에서 렌즈를 형성하는 방식은 LED 칩 주위로 렌즈 형성을 위한 공간이 필요하여 LED칩의 집적도가 떨어지지만, 본 발명은 렌즈로 인해 LED칩의 집적도가 떨어지지 않기 때문에 LED칩 집적도를 최대한 높일 수 있다.
본 발명에서는 설명의 편의를 위해 종래 방식을 Lens On Chip(LOC), 본 발명에서 제공하는 방식은 Chip On Lens(COL)라고 명명하여 사용한다.
앞서 언급했듯이, LED 칩 대비 2 ∼ 3배 큰 종래의 LED 패키지와 달리 본 발명에서 별도 제작된 렌즈는 형광체 코팅, LED 칩/LED 패키지가 접합될 수 있는 LED 칩 네스트가 있으며, LED 칩/패키지를 렌즈에 접합 후에 반사층이 형성되는 특징이 있다.
뿐만 아니라, 별도의 렌즈모듈을 제작할 경우 다양한 소재의 수지를 적용할 수 있다. 즉, 종래의 LED 패키지의 LOC경우 고가의 실리콘(silicone) 수지를 주로 적용하지만, COL방식은 실리콘 수지 대비 상대적으로 저가인 PC(Poly Carbonate), COC(Cyclic Olefin Copolymer) 등의 엔지니어링 플라스틱들을 적용할 경우 원가 절감/LED 패키지의 신뢰성을 높일 수도 있다.
또한, LOC 방식과 달리 COL은 별도로 렌즈모듈을 제작하기 때문에 렌즈의 구조에 대한 설계자유도가 높아져 광추출성능을 향상시키기 위해 다양한 형태의 렌즈를 설계 및 제조할 수 있다. LOC의 경우 LED 칩과 접합되어 형성되는 렌즈는 캐리어기판 위에 접합된 LED 칩 등 표면의 형상에 따라 그대로 성형이 된다. 하지만, COL의 경우 렌즈모듈을 별도 제조하기 때문에 사출 성형을 위한 금형 가공능력에 따라 다양한 형태의 렌즈 모양으로 성형할 수 있다.
종래의 실리콘 웨이퍼가 적용된 WLP와 달리 열전도도가 높고 에피층과 열팽창 계수가 유사한 세라믹 기판을 캐리어기판으로 적용하여 신뢰성이 향상된다. 또한, 열전도도가 낮은 성장기판 표면이 캐리어기판에 접합되는 것이 아니라 에피층 표면이 열전도도가 높은 세라믹 소재의 캐리어기판에 바로 접합되는 형태로 열 저항을 낮추어 열방출 성능을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 성장기판에 에피층들이 형성된 후 성장기판의 단면도.
도 2와 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 성장기판에 성장된 에피층 에칭 후의 국부 단면도 및 평면도.
도 4와 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 에칭된 에피층에 제1/제2전극층을 형성한 후의 국부 단면도 및 평면도.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 절연층을 증착한 상태에서의 국부 단면도.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 캐리어기판에 두개의 비아가 형성된 상태에서의 국부 단면도 및 여러 가지 가공 모양의 예를 보여주는 비아의 단면도
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 본딩층이 도포된 상태에서의 국부 단면도.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 앞서 가공된 성장기판과 두개의 비아가 형성된 캐리어기판을 웨이퍼본딩한 상태에서의 국부 단면도 및 평면도.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 캐리어기판에 형성된 두개의 비아를 통해 본딩층/절연층을 에칭하여 제1/제2전극층이 노출된 상태에서의 국부 단면도.
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 제1/제2전극층의 전기적인 연결을 위해 회로하지층과 회로층을 증착한 상태에서의 국부 단면도.
도 12는 본 발명의 일 실시 예에 따른 LED 패키지로 회로하지층과 회로층을 패턴하여 제1/제2전극패드가 형성된 상태에서의 국부 단면도 및 평면도.
도 13은 본 발명의 일 실시 예에 따른 LED 패키지로 두 비아 내부를 수지(resin) 또는 전도성페이스트로 충전된 상태에서의 국부 단면도.
도 14는 본 발명의 일 실시 예에 따른 LED 패키지로 두 비아 내부에 회로하지층과 회로층이 없이 전도성페이스트로 두 비아 내부를 충전하고, 캐리어기판 표면에 제1/제2전극패드를 형성한 상태에서의 국부 단면도.
도 15는 본 발명의 일 실시 예에 따른 렌즈모듈로 사출 성형을 통해 형성된 렌즈모듈의 평면도 및 렌즈의 국부 단면도.
도 16은 본 발명의 일 실시 예에 따른 LED 패키지로 렌즈에 형광체 코팅 및 LED 칩이 접합된 상태에서의 국부 단면도.
도 17은 본 발명의 일 실시 예에 따른 LED 패키지로 LED 칩 주변을 따라 반사층을 형성한 상태에서의 국부 단면도.
도 18은 본 발명의 일 실시 예에 따른 LED 패키지로 성장기판만 제거된 LED 패키지의 국부 단면도
도 19는 공개특허 10-2012-0082189의 LED 패키지 일례를 보여주는 단면도.
도 2와 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 성장기판에 성장된 에피층 에칭 후의 국부 단면도 및 평면도.
도 4와 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 에칭된 에피층에 제1/제2전극층을 형성한 후의 국부 단면도 및 평면도.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 절연층을 증착한 상태에서의 국부 단면도.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 캐리어기판에 두개의 비아가 형성된 상태에서의 국부 단면도 및 여러 가지 가공 모양의 예를 보여주는 비아의 단면도
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 본딩층이 도포된 상태에서의 국부 단면도.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 앞서 가공된 성장기판과 두개의 비아가 형성된 캐리어기판을 웨이퍼본딩한 상태에서의 국부 단면도 및 평면도.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 캐리어기판에 형성된 두개의 비아를 통해 본딩층/절연층을 에칭하여 제1/제2전극층이 노출된 상태에서의 국부 단면도.
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 제1/제2전극층의 전기적인 연결을 위해 회로하지층과 회로층을 증착한 상태에서의 국부 단면도.
도 12는 본 발명의 일 실시 예에 따른 LED 패키지로 회로하지층과 회로층을 패턴하여 제1/제2전극패드가 형성된 상태에서의 국부 단면도 및 평면도.
도 13은 본 발명의 일 실시 예에 따른 LED 패키지로 두 비아 내부를 수지(resin) 또는 전도성페이스트로 충전된 상태에서의 국부 단면도.
도 14는 본 발명의 일 실시 예에 따른 LED 패키지로 두 비아 내부에 회로하지층과 회로층이 없이 전도성페이스트로 두 비아 내부를 충전하고, 캐리어기판 표면에 제1/제2전극패드를 형성한 상태에서의 국부 단면도.
도 15는 본 발명의 일 실시 예에 따른 렌즈모듈로 사출 성형을 통해 형성된 렌즈모듈의 평면도 및 렌즈의 국부 단면도.
도 16은 본 발명의 일 실시 예에 따른 LED 패키지로 렌즈에 형광체 코팅 및 LED 칩이 접합된 상태에서의 국부 단면도.
도 17은 본 발명의 일 실시 예에 따른 LED 패키지로 LED 칩 주변을 따라 반사층을 형성한 상태에서의 국부 단면도.
도 18은 본 발명의 일 실시 예에 따른 LED 패키지로 성장기판만 제거된 LED 패키지의 국부 단면도
도 19는 공개특허 10-2012-0082189의 LED 패키지 일례를 보여주는 단면도.
본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
이에 앞서, 후술하는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 것으로서, 이는 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 개념과 당해 기술분야에서 통용 또는 통상적으로 인식되는 의미로 해석되어야 함을 명시한다.
또한, 본 발명과 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
여기서 첨부된 도면들은 설명과 이해의 편의 및 명확성을 위해 일부분을 과장하거나 간략화하여 도시한 것으로 각 구성요소는 실제크기와 정확하게 일치하지 않는다.
1형, 2형, 제1, 제2라고 명시된 것은 본 발명의 설명을 용이하게 하기 위해 부여한 명칭으로 서로 대응하여 일치되어야 한다는 것을 의미하지 않으며, 이에 한정하지 않는다.
또한, 여기서 언급된 LED 칩 및 LED 패키지는 본 발명의 설명과 이해의 편의를 위해 혼용되어 사용될 수 있다. 앞서 언급했듯이 종래의 방식에서는 에피/칩/패키징 공정의 3단계로 LED 패키지가 제조되기 때문에 LED 칩과 LED 패키지를 정확히 구분할 수 있지만, 본 발명은 LED 칩을 형성하면서 LED 패키지가 동시에 형성되는 발명이어서 LED 칩과 패키지를 정확히 구분하여 나눌 수 없기 때문에 LED 칩과 패키지를 정확한 의미로 구별하지 않고 사용된다. 다만, 캐리어기판(100)이 접합되고 회로층(402)이 형성되게 되면, 패키지 형태를 갖추는 것이기 때문에 주로 LED 패키지로 명시되겠지만, 설명의 편의를 위해 LED 칩으로 설명될 수도 있다.
도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 LED 패키지를 나타낸 국부 단면도로서, 도시된 바와 같이 크게 캐리어기판(100), 제1비아(101), 제2비아(102), 성장기판(200), 1형에피층(201), 활성층(202), 2형에피층(203), 제1전극층(301), 제2전극층(302), 절연층(303), 본딩층(304), 제1전극패드(405), 제2전극패드(408)를 포함하여 구성한다.
도 12의 LED 패키지는 도 1에서 도 12을 통해 구체적인 실시 예를 보이면서 상세하게 설명된다.
도 1은 에피웨이퍼로 성장기판에 여러 에피층들이 성장된 후의 단면도를 보여준다. 에피층들은 1형에피층(201), 2형에피층(203)과 1형과 2형에피층(201/203) 사이에 위치하는 활성층(202)을 포함한다. 하지만, 그 외 버퍼(buffer)층, Undoped-GaN층, Electron Blocking 층 등이 위 또는 아래에 배치될 수도 있다, 여기서, 에피층이라고 하는 것은 이러한 모든 에피층을 포함한 의미로 사용되며, 이에 대해 한정하지 않는다.
일반적으로 성장기판에 형성된 1형에피층(201)은 N형 반도체, 2형에피층(203)은 P형 반도체, 활성층(202)은 빛을 생성하는 층이다. 하지만, 1형에피층이 P형 반도체이고, 2형에피층이 N형 반도체일 수도 있다.
도 2는 LED 칩 하나의 단면도로 전기적인 연결을 위해 에피층을 에칭하여 활성층(202) 아래에 위치한 1형에피층(201) 표면이 들어나게 한다. 에피층의 에칭은 감광성물질(Photo Resist)를 도포하고 패턴하여 에칭 마스킹으로 적용해 건식/습식 에칭을 통해 1형에피층(201) 표면이 나타나게 한다.
도 3에서 도시된 바와 같이, 에피층 에칭 후 성장기판에 배열되어 있는 LED 칩 중에서 4개의 LED 칩들과 LED 칩의 하나의 평면도를 보여준다. 성장기판에 LED 칩 크기에 따라 수천 ∼ 수만 개의 LED 칩이 형성될 수 있다. LED 칩 하나의 평면도에서 A-A’ 단면을 통해 본 발명의 상세한 실시 예를 설명한다.
도 4와 5는 1형/2형에피층(201/203)에 오믹접합(Ohmic Contact)을 가지는 전도성물질을 증착하여 패턴한 단면도와 평면도이다. 1형에피층(201)은 제1전극층(301), 2형에피층(203)은 제2전극층(302)과 연결이 된다. 제1/제2전극층(301/302)은 하나의 전도성층 또는 여러 층의 다층 구조를 가질 수 있다. Ni, Au, ITO, Ti, Al, Ag 등의 층으로 구성될 수 있으며, 이들 물질이 조합되어 형성될 수 있다. 하지만, 이들 물질들로만 한정하지는 않는다.
두 전극층(301/302)은 1형/2형에피층(201/203)과의 전기적인 연결의 목적뿐만 아니라 활성층(202)에서 생성된 빛을 반사하여 빛추출성능을 향상시키기 위해 광반사층의 기능을 할 수 있다. 그래서 두 전극층 (301/302)는 오믹접합과 광반사에 적합한 소재들이 적용이 되어야 성능을 더 향상 시킬 수 있다.
도 5는 제1/제2전극층(301/302)의 패턴 형태를 보여주는데, LED의 성능을 위해서는 여러 가지 형태를 가질 수 있으며, 이에 한정하지 않는다. 다만, 제1/제2전극층(301/302)과 서로 연결되어 합선이 되지 않아야 한다.
도 6은 절연층(303)을 성장기판(200) 전면에 증착된 후의 단면도로 절연층(303)은 에피층들 사이의 누설전류 방지를 위해 필요할 수도 있다. 아래 상세히 설명되겠지만, 본딩층(304)도 누설전류 방지의 역할을 할 수 있기 때문에 절연층(303)은 생략될 수도 있다.
절연층(303)으로 산화규소 또는 실리콘나이트라이드 등을 적용할 때는 화학기상증착을 통해 형성할 수 있다. 하지만, 특정 물질 또는 증착 기술을 한정하지는 않는다.
도 7 (a)는 캐리어기판(100)의 단면도를 도시한 것으로 캐리어기판(100)은 성장기판(200)과의 웨이퍼본딩 전에 LED 칩 당 두개의 비아(101/102)가 형성되고, 웨이퍼본딩 후에는 LED 칩 내부에 위치하게 된다. 이 비아들(101/102)은 제1/제2전극층(301/301)을 전기적으로 연결하기 위한 통로 역할을 한다. 즉, 제1/제2전극층(301/302)은 두 비아(101/102)를 통해 아래에 상세히 설명될 제1/제2전극패드(405/408)와 서로 전기적으로 연결된다.
캐리어기판(100)은 LED 패키지의 성능향상을 위해서는 열전도도가 우수하고 에피층과 열팽창계수가 유사한 소재를 적용하는 것이 바람직하다. 그래서 AlN, BeO, 알루미나 등의 세라믹 소재가 적용될 수 있다.
캐리어기판(100)에 두 비아(101/102)는 레이저 드릴 기술로 수십 마이크로미터 지름의 크기까지 형성할 수 있고, 두 비아(101/102)의 크기가 작을수록 LED 칩의 발광면적을 높일 수 있어서 광효율을 증대시킬 수 있다.
도 7 (b)와 (c)는 비아 모양에 대한 예를 보여 주는 것으로서 두 비아(101/102)는 레이저 드릴로 여러 가지 모양으로 가공할 수 있으며, 두 비아(101/102)를 통한 전기적인 연결을 어떤 기술로 적용할 것인지 또는 두 비아(101/102)의 내부를 어떤 물질로 충전할 것인지에 따라 적합한 모양으로 가공이 될 수 있다. 하지만, 여기서 예로 든 모양으로 두 비아(101/102)의 모양을 한정하고자 하는 것은 아니다. 다만, 전기적인 연결을 위해 두 비아(101/102)는 캐리어기판(100)이 관통된 형태로 형성되어야 한다.
도 7 (b)에 도시된 바와 같이 비아를 기울어져 있는 내벽을 갖게 가공하거나, 비아 내벽이 기울기가 있으면서 일부는 크게 일부는 작게 가공하여 도 8(c)처럼 가공할 수도 있다. 이런 모양으로 가공하는 이유는 진공증착방식(Evaporator 또는 Sputter 등의 방식)을 적용할 경우 수직 내벽보다는 기울기가 있는 내벽이 더 균일하게 전도성 물질이 증착 되기 때문이고, 도금으로 전도성 물질을 증착을 할 경우 도금 용액의 원활한 흐름을 위해서는 도 7 (b)와 (c) 처럼 가공된 비아는 수직 내벽을 갖는 비아 보다 더 비아 내벽에 균일한 도금 두께를 얻을 수 있다.
뿐만 아니라, 비아 내부를 빈 공간 없이 충전할 경우도 도 7(b)와 (c)처럼 가공된 비아가 더 충전이 용이하고 충전 시 발생할 수 있는 내부 보이드(void)를 최소화할 수 있다.
도 8 (a)에 도시된 바와 같이 두 비아(101/102)를 형성한 후 성장기판과 웨이퍼본딩될 캐리어기판(100)의 면에 본딩층(304)이 도포된다. 여기서 본딩층(304)은 스프레이 코팅으로 두 비아(101/102)를 막히지 않게 표면에만 코팅을 하게 되면, 본딩층(304)은 추가 별도 가공하지 않아도 제1/제2전극층(301/302)은 아래에 상세히 설명될 제1/제2전극패드(405/408)와 전기적으로 연결될 수 있다.
스프레이 코팅으로 본딩층(304)을 코팅하게 되면, 홀 내벽으로 일부 본딩층(304) 재료가 도포될 수 있지만, 본딩층(304)의 두께는 수 마이크로미터의 두께를 가지기 때문에 수십 마이크로 미터 크기의 두 비아(101/102)를 통해 제1/제2전극패드(405/408)와 제1/제2전극층(301/302)를 전기적인 연결하는데 문제가 되지 않는다.
도 7 (b)에 도시된 바와 같이, 성장기판(200)에 본딩층(304)이 도포될 수도 있다. 성장기판(200)에 본딩층(304)을 형성할 경우 공정을 간소화하기 위해 아래에 설명될 캐리어기판(100)과 웨이퍼본딩 후에 캐리어기판(100)에 형성된 두 비아(101/102)를 통해 본딩칭(304)이 가공된다.
경우에 따라서는 성장기판(200)과 캐리어기판(100) 모두에 본딩층을 도포할 수도 있다. 이 경우는 상장기판(200)에만 본딩층(304)을 형성한 경우와 동일한 방법으로 본딩층(304)이 가공이 되어야 한다.
웨이퍼본딩 전에 본딩층(304)을 가공을 하게 되면, 감광성 재료로 패턴 또는 에칭마스킹층을 형성하고 에칭을 진행하여야 본딩층(304)을 가공할 수 있다. 아니면, 본딩층(304)의 소재가 감광성 재료이어야 한다.
하지만, 캐리어기판(100)의 소재로 에칭이 용이하지 않은 세라믹 소재를 적용할 경우는 웨이퍼본딩 전에 캐리어기판(100)에 형성된 두 비아(101/102)를 통해 본딩층(304)을 가공할 수 있다. 즉, 캐리어기판(100) 소재로 적용되는 세라믹 소재가 에칭마스킹 역할을 할 수 있기 때문에 굳이 본딩층(304) 가공을 위해 별도의 감광성 재료의 패턴 및 에칭마스킹층을 형성하는 공정이 필요하지 않아 공정을 간소화할 수 있다. 뿐만 아니라, 웨이퍼본딩 전 레이저 드릴 가공 과정에서 두 비아(101/102)와 정렬마크를 같이 형성할 수 있기 때문에 정렬마크 형성을 위해 별도 공정을 진행할 필요가 없다.
실리콘 등의 에칭이 용이한 소재를 적용한 캐리어기판(100)의 경우, 발명의 구현을 위해서는 공개특허 10-2012-0082189와 같이 웨이퍼본딩 후에 캐리어기판(100)에 두 비아(101/102)를 형성하는 것이 바람직하다. 즉, 캐리어기판(100)이 에칭이 잘 되기 때문에 캐리어기판(100)이 에칭마스크 역할을 할 수 없기 때문이다.
즉, 웨이퍼본딩 전에 캐리어기판(100)에 두 비아(101/102)를 형성하고, 웨이퍼본딩 후에 두 비아(101/102)를 통해 본딩층(304)을 가공하기 위해서는 캐리어기판(100)에 에칭마스크 역할을 할 수 있는 에칭마스크층을 형성하여야 본딩층(304)을 가공할 수 있다.
하지만, 두 비아(101/102)가 있는 상태에서 감광성 재료를 도포하는 것이 쉽지 않고, 두 비아(101/102)의 가장자리에 이격 없이 에칭마스크층을 정확히 정렬하는 것이 불가능하기 때문에 캐리어기판(100)에 형성된 두 비아(101/102)에 영향을 주지 않고, 두 비아(101/102)를 통해 본딩층(304)를 가공하는 것이 쉽지 않다. 또한, 두 비아(101/102) 내벽에 에칭마스크층을 형성하는 것이 곤란하기 때문에 두 비아(101/102)를 통해 본딩층(304)를 가공하는 것이 곤란해진다.
결국, 캐리어기판(100)의 소재로 에칭이 용이한 소재를 적용할 경우 본 발명의 목적 중 하나인 공정 간소화를 할 수 없게 된다. 그래서 본 발명의 목적을 위해서는 건식/습식 에칭이 용이하지 않는 세라믹 소재를 적용하여 캐리어기판(100)이 에칭마스크 역할을 할 수 있게 하고, 웨이퍼본딩 전에 캐리어기판(100)에 형성된 두 비아(101/102)를 통해 본딩층(304)를 가공하여 공정을 간소화할 수 있게 한다.
여기서 본딩층(304)은 제1/제2전극층(301/302)이 서로 전기적인 합선이 되지 않게 하기 위해서 전기적인 절연 물질이어야 한다. 앞서 언급되었듯이, 전기적인 절연 물질의 본딩층(304)은 에피층들간의 누설전류 방지의 역할을 할 수도 있다.
앞서 설명된 에피층의 에칭과 전극층 형성으로 표면은 높이 차이가 있게 된다. 이런 높이 차이는 성장기판(200)과 캐리어기판(100)의 웨이퍼본딩을 위해 최소화하는 것이 바람직하다. 또한, 높이 차이가 있는 표면을 웨이퍼본딩 하기에 적합한 소재로 본딩층(304)을 형성하는 것이 바람직하다. 본딩층(304)은 제1/제2전극층(301/302)및 절연층(303)과의 접합력이 우수한 물질이어야 한다.
본 발명에서는 표면이 최소 수백 nm의 높이 차이를 가질 수 있으며, 이에 적합한 본딩층(304) 소재로는 BCB(BenzoCycloButene), PI(PolyImide) 등의 수지 소재를 본딩층(304)으로 적용할 수 있다. 하지만, 이런 소재들로만 한정하지는 않는다.
도 9는 본딩층(304)를 형성하고 캐리어기판(100)과 성장기판(200)을 서로 맞대어 웨이퍼본딩된 후의 단면도와 평면도를 도시한 것이다. 앞서 설명된 제1/제2전극층(301/302)과 두 비아(101/102)를 서로 정렬하여 성장기판에 형성된 수천 ∼ 수만개의 LED 칩들이 캐리어기판(100)과 접합된다.
도 10에서 도시된 바와 같이, 본딩층(304)이 성장기판(200) 또는 캐리어기판(100)과 성장기판(200) 모두에 형성된 경우, 캐리어기판(100)을 에칭마스크로 활용하여 두 비아(101/102)를 통해 본딩층(304)과 절연층(303)을 에칭하면, 제1/제2전극층(301/302)을 노출시켜 전기적인 연결을 할 수 있는 상태가 된다. 본딩층(304)과 절연층(303)은 건식 에칭 또는 건식과 습식 에칭의 조합으로 에칭될 수 있다. 앞서 언급했듯이, 에피층간의 누설전류방지를 위해 본딩층(304)만을 적용할 경우 절연층(303)은 없을 수도 있다.
도 11은 회로하지층(401)과 회로층(402)이 형성된 후의 단면도를 보여준다. 여기서 회로하지층(401)은 캐리어기판(100)과의 접합력이 우수한 전도성물질로 증착이 되어야 하고, Ti, Ni, Cr 등과 같이 서로 다른 물질들 사이에 위치해 접합력 증진시키는 물질이 포함될 수 있고, 회로층(402)를 형성하는 기술에 적합한 전도성 물질이어야 한다. 회로하지층(401)과 회로층(402)은 Ti, Ni, Cr, Cu, Au, Sn 등의 금속들이 적용될 수 있다. 하지만, 이런 금속들로만 한정하지 않는다. 회로하지층(401) 또는 회로층(402)은 하나의 전도성물질이거나 여러 전도성물질들이 조합된 다층구조를 가질 수 있다.
회로하지층(401)과 회로층(402)은 도 12에서 도시된 바와 같이 에칭을 통해 패턴되어 제1/제2전극패드(405/408)를 형성되게 한다. 제1/제2전극패드(405/408)는 LED 모듈(module) PCB의 전극패드와 솔더링으로 연결되어 LED 모듈이 제조되기 때문에 두 전극패드(405/408)는 솔더링에 적합한 표면처리층를 포함한다. 그 표면처리 방식으로는 Ni/Au 도금, HASL(Hot Air Solder Leveling), OSP(Organic Solder Preservative), Ni/Pd/Au도금 등등이 적용될 수 있다. 하지만, 이런 표면처리들로만 한정하지는 않는다.
표면처리층은 회로하지층(401)과 회로층(402)의 패턴을 형성하기 전에 형성할 수도 있고, 이 경우에는 표면처리층, 회로층(402)와 회로하지층 모두 패턴이 필요하다.
회로층(402)위에 표면처리층를 추가하는 것이 아니라, 위에서 언급한 표면처리층 중 전도성을 갖는 표면처리층만으로도 회로층(402)를 형성할 수 있고, 이 경우에는 회로하지층(401)은 표면처리층에 적합한 전도성물질이어야 한다.
여기서 제1/제2전극패드(405/408)를 표면처리에 적용되는 전도성물질만으로 회로층(402)을 형성할 경우 제1/제2전극패드(405/408)는 제1/제2회로하지층과 표면처리층만으로 구성되고, 제1/제2전극패드(405/408)를 회로층(402) 위에 추가로 표면처리층을 형성할 경우 제1/제2전극패드(405/408)는 제1/제2회로하지층(403/406)과 표면처리층이 추가되어 형성된 제1/제2회로층(404/407)을 포함한다.
캐리어기판(100)과 접합력이 우수한 회로하지층(401)를 형성하는 것이 바람직하지만, 회로하지층(401) 없이 제1/제2전극패드(405/408)을 형성할 수도 있다.
도 13에 도시된 바와 같이, 필요에 따라서는 회로하지층(401)과 회로층(402)을 형성 후에 두 비아(101/102) 내부를 수지(resin) 또는 전도성페이스트로 충전할 수도 있다. 두 비아(101/102) 내부를 충전한 후에 캐리어기판(100) 표면의 회로하지층(401)과 회로층(402) 부분은 패턴 되고 표면처리가 된다. 두 비아(101/102) 내부의 충전은 스크린 인쇄법을 통해 충전될 수 있다.
도 14에 도시된 바와 같이, 두 비아(101/102)내부에 전도성 페이스트를 이용해 충전할 경우에는 두 비아(101/102) 내부에 회로하지층(401)과 회로층(402)이 필요 없을 수 있다. 즉, 전도성페이스트를 이용해 전도성비아충전제(502)를 두 비아(101/102)내부에 충전하여 제1/제2전극층(301/302)과 제1/제2전극패드(405/408)이 서로 전기적으로 연결할 수 있다.
두 비아(101/102) 내부의 충전은 작업성을 고려했을 때 스크린 인쇄법을 통해 충전하는 것이 바람직하고, 스크린 인쇄법을 통해 수지 또는 전도성페이스트를 충전하게 되면, 비아 위쪽으로 수지 또는 전도성페이스트가 심하게 돌출될 수도 있기 때문에 필요에 따라서는 평탄화 작업을 할 수도 있다.
도 14에서와 같이 전도성비아충전제(502)를 형성한 후에는 캐리어기판(100)에 전도성물질을 증착 및 패턴하여 제1/제2전극패드(405/408)를 형성할 수 있다. 이 경우 제1/제2전극패드(405/408)는 회로하지층 없이 표면처리층만 또는 회로층과 표면처리층만으로 형성되거나, 캐리어기판(100)과의 우수한 접합력을 위해 회로하지층과 표면처리층만을 포함할 수 있고, 추가적으로 표면처리층을 형성하여 표면처리층 아래에 회로하지층과 회로층을 포함할 수도 있다.
LED 패키지의 적용분야에 따라서는 형광체층과 광학렌즈가 추가로 필요할 수도 있다. 하지만, 본 발명에서 제공하는 LED 패키지는 웨이퍼 단위 일괄 제조 방식으로 제조되기 때문에 웨이퍼 상태에서 전면에 형광체 코팅하고 몰딩하여 광학렌즈를 형성하면 좋겠지만, 앞서 언급 했듯이 웨이퍼 단위로 형광체 코팅과 광학렌즈를 형성하는 데는 한계가 있다. 그래서 본 발명은 앞서 언급한 COL 방식의 LED 패키지를 제공한다.
도 15는 렌즈모듈의 평면도와 하나의 렌즈 단면도를 보여 준다. 렌즈는 중앙에 LED 칩이 접합될 수 있게 오목부의 LED 칩 네스트(nest)(601)을 포함하고, 렌즈 형태를 가진다. LED 칩이 접합되는 LED 칩 네스트(601)의 깊이는 LED 칩의 두께에 따라 결정되고, LED 칩 네스트(601)의 내벽은 LED 칩의 접합 용이성과 가공 공차를 고려해 수직이 아니라 경사져 형성될 수도 있다.
렌즈모듈은 여러 개의 렌즈들을 배열하여 형성되며, 생산성, 품질과 원가 등을 고려해 렌즈모듈에 몇 개의 렌즈를 배열할 것인지 결정 된다. 렌즈모듈은 PC 또는 COC 등의 엔지니어링 플라스틱 소재로 제조될 수 있다. 하지만, 이러한 소재들로만 한정하지는 않는다.
도 16에서 도시된 바와 같이, 렌즈모듈의 LED 칩 네스트(601)에 형광체층(701)를 코팅하고 LED 칩을 절단하여 하나씩 렌즈모듈의 LED 칩 네스트(601)에 접합한다. 형광체층(701)은 실리콘 수지(silicone resin)에 형광체분말이 혼합되어 액상의 형광체(701)를 디스펜싱(dispensing)방법으로 코팅 후 LED 칩을 접합한다.
앞서 언급 했듯이, COL방식은 LOC방식과 달리 렌즈가 별도로 제작되기 때문에 여러 가지 형태의 렌즈로 성형 가공하여 제조할 수 있다. 예를 들면, 렌즈의 LED 칩 네스트(601) 표면에 광추출을 향상시키기 위해 광확산층(미 도시)을 형성할 수 있다.
즉, 미세한 피라미드 구조의 광확산층을 형성하거나, 굴곡진 표면 형상을 만들어 LED 칩에서 생성된 빛이 다시 LED 칩 방향으로 반사되지 않고, 빛이 굴절되어 외부로 추출되게 하여 광추출을 향상시킬 수 있다.
여기서 형광체층(701)의 코팅은 한가지 종류의 형광체 또는 여러 가지 형광체를 혼합하여 하나의 형광체층 또는 여러 가지 형광체를 다층 구조로 적층하여 형성할 수도 있다. 또한, 형광체층(701)을 다층 구조로 형성할 경우 각 형광체 층의 위와 아래에 광굴절률을 조절할 수 있는 수지로 광굴절률층(미 도시)을 포함할 수 있다. 광굴절률층은 각 형광체층의 광굴절률에 적합한 광굴절률을 가지는 소재로 광추출성능을 향상시킬 수 있다.
도 16에는 본딩층을 도시하지 않았지만, 필요할 경우 형광체 코팅 후에 별도의 본딩층을 형성하여 LED 칩을 접합 할 수도 있다.
종래의 LOC방식은 불룩하게 튀어 나온 LED 칩, 골드와이어 등등 수백 마이크로 미터 높이 차가 있는 표면을 디스펜싱방법으로 코팅을 하였기 때문에 균일하게 형광체를 코팅하는 것이 어려웠다. 하지만, 본 발명의 COL방식은 별도 제작된 렌즈의 평탄한 오목부인 LED 칩 네스트(601)에 형광체층(701)을 코팅하기 때문에 균일한 두께로 코팅하기가 쉬워진다.
또한, 렌즈는 LED 칩 크기와 거의 유사한 크기의 LED 칩 네스트(601)에 형광체층(701)이 코팅되기 때문에 고가의 형광체 사용량을 최소화할 수 있다.
도 17은 렌즈 장착된 LED 패키지의 최종제품의 단면도로 LED 칩을 LED 칩 네스트(601)에 접합하게 되면, LED 칩 네스트(601)의 내벽과 LED 칩 사이에 틈새가 발생할 수 있고, 이 틈새를 광반사 성능이 우수한 수지/잉크로 충전하여 반사층(702)을 형성한다. 만약, 반사층(702)으로 충전하지 않으면 그 틈새를 통해 형광체(701)와 렌즈를 통과하지 않은 빛이 추출될 수 있다. 이 틈새로 추출되는 빛을 막아주고 다시 반사되어 형광체(701)를 통과하여 렌즈부로 빛이 추출되게 하는 반사층(702)이 필요하게 된다.
반사층(702) 코팅 완료 후 여러 LED 패키지가 접합되어 있는 렌즈모듈에 배열된 렌즈를 하나씩 절단하면 렌즈가 장착된 LED 패키지가 완성된다.
반사층(702)은 백색 잉크 또는 백색 실리콘 수지 등의 소재를 이용해 형성할 수 있다. 하지만, 이러한 소재들로 한정하지는 않는다.
도 18에서 도시된 바와 같이, 보다 더 광 성능을 향상시기키 위해서 성장기판을 제거한 Thin GaN LED 패키지 형태로 제조될 수도 있다. 즉, 빛이 성장기판을 통해 추출될 때 광 손실이 발생할 수 있기 때문에 성장기판을 제거한 LED 패키지로 제조할 수도 있다. 성장기판은 Laser Lift Off (LLO) 기술을 통해 제거될 수 있다.
한편, 본 발명은 상술한 적어도 하나의 실시 예에 포함되며, 하나의 실시 예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 안에서 예시되지 않은 여러 가지 변형과 응용이 가능함은 물론 구성요소의 치환 및 균등한 타 실시 예로 변경할 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백하다. 따라서 본 발명의 특징에 대한 변형과 응용에 관계된 내용은 본 발명의 범위 내에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 캐리어기판 101 제 1 비아 102 제 2 비아
200 성장기판 201 1 형에피층 202 활성층
203 2 형에피층 301 제 1 전극층 302 제 2 전극층
303 절연층 304 본딩층 401 회로하지층
402 회로층 403 제 1 회로하지층 404 제 1 회로층
405 제 1 전극패드 406 제 2 회로하지층 407 제 2 회로층
408 제 2 전극패드 501 비아충전제 502 전도성비아충전제
600 렌즈 601 LED 칩 네스트 701 형광체층
702 반사층 901 발광구조물 902 전극패드
903 폴리머층 904 패키지 기판 905 절연층
906 전극 907 제 1 비아홀 908 제 2 비아홀
200 성장기판 201 1 형에피층 202 활성층
203 2 형에피층 301 제 1 전극층 302 제 2 전극층
303 절연층 304 본딩층 401 회로하지층
402 회로층 403 제 1 회로하지층 404 제 1 회로층
405 제 1 전극패드 406 제 2 회로하지층 407 제 2 회로층
408 제 2 전극패드 501 비아충전제 502 전도성비아충전제
600 렌즈 601 LED 칩 네스트 701 형광체층
702 반사층 901 발광구조물 902 전극패드
903 폴리머층 904 패키지 기판 905 절연층
906 전극 907 제 1 비아홀 908 제 2 비아홀
Claims (17)
- 세라믹 소재의 캐리어기판;
레이저 가공으로 상기의 캐리어기판에 형성되어 LED 칩 내부에 위치하게 될 제1비아와 제2비아;
1형에피층, 활성층 및 2형에피층을 포함하는 에피층이 형성된 성장기판;
상기 성장기판에 형성된 제1전극층과 제2전극층;
상기의 성장기판과 캐리어기판을 웨이퍼본딩 하기 위해 상기의 캐리어기판에 형성된 본딩층; 및
상기의 캐리어기판에 형성된 제1전극패드와 제2전극패드를 포함하는 LED 패키지 - 세라믹 소재의 캐리어기판;
레이저 가공으로 상기의 캐리어기판에 형성되어 LED 칩 내부에 위치하게 될 제1비아와 제2비아;
1형에피층, 활성층 및 2형에피층을 포함하는 에피층이 형성된 성장기판;
상기 성장기판에 형성된 제1전극층과 제2전극층;
상기의 성장기판과 캐리어기판을 웨이퍼본딩 하기 위해 본딩층이 상기의 성장기판에 형성되고 제1비아와 제2비아를 통해 가공되는 본딩층; 및
상기의 캐리어기판에 형성된 제1전극패드와 제2전극패드를 포함하는 LED 패키지 - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
회로하지층과 회로층이 형성된 제 1 비아와 제 2 비아 내부를 수지로 충전하여 형성된 비아충전제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 패키지 - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
회로하지층과 회로층이 형성된 제 1 비아와 제 2 비아 내부를 전도성페이스트로 충전하여 형성된 비아충전제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 패키지 - 제 3 항에 있어서
1 형에피층, 2 형에피층 및 활성층을 포함한 에피층과 전극층을 캐리어기판에 남겨두고 성장기판만 제거된 LED 패키지 - 제 4 항에 있어서
1 형에피층, 2 형에피층 및 활성층을 포함한 에피층과 전극층을 캐리어기판에 남겨두고 성장기판만 제거된 LED 패키지 - 세라믹소재의 캐리어기판;
레이저 가공으로 상기의 캐리어기판에 형성되어 LED 칩 내부에 위치하게 될 제1비아와 제2비아;
1형에피층, 활성층 및 2형에피층을 포함하는 에피층이 형성된 성장기판;
상기 성장기판에 형성된 제1전극층과 제2전극층;
상기의 성장기판과 캐리어기판을 웨이퍼본딩 하기 위해 상기의 캐리어기판에 형성된 본딩층;
상기 제1/제2비아 내부에 회로하지층과 회로층 형성 없이 전도성페이스트로 제1/제2비아 내부를 충전하여 형성된 전도성비아충전제; 및
상기의 캐리어기판과 전도성비아충전제에 형성된 제1전극패드와 제2전극패드를 포함하는 LED 패키지 - 세라믹소재의 캐리어기판;
레이저 가공으로 상기의 캐리어기판에 형성되어 LED 칩 내부에 위치하게 될 제1비아와 제2비아;
1형에피층, 활성층 및 2형에피층을 포함하는 에피층이 형성된 성장기판;
상기 성장기판에 형성된 제1전극층과 제2전극층;
상기의 성장기판과 캐리어기판을 웨이퍼본딩 하기 위해 본딩층이 상기의 성장기판에 형성되고 제1비아와 제2비아를 통해 가공되는 본딩층;
상기 제1/제2비아 내부에 회로하지층과 회로층 형성 없이 전도성페이스트로 제1/제2비아 내부를 충전하여 형성된 전도성비아충전제; 및
상기의 캐리어기판과 전도성비아충전제에 형성된 제1전극패드와 제2전극패드를 포함하는 LED 패키지 - 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서
1 형에피층, 2 형에피층 및 활성층을 포함한 에피층과 전극층을 캐리어기판에 남겨두고 성장기판만 제거된 LED 패키지 - 제 1 항, 제 2 항, 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
1 형에피층, 활성층, 2 형에피층 및 전극층이 형성된 성장기판에 형성되어 본딩층 아래에 위치하게 될 절연층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 패키지 - LED 칩이 접합될 수 있는 오목부의 LED 칩 네스트가 형성된 렌즈;
상기 렌즈의 LED 칩 네스트 표면에 형성된 형광체층;
상기 렌즈에 LED 칩 주변을 따라 형성된 반사층; 및
상기 렌즈에 형성된 LED 칩 네스트에 성장기판을 포함하여 접합된 LED 칩을 포함하는 LED 패키지 - LED 칩이 접합될 수 있게 오목부의 LED 칩 네스트가 형성된 렌즈;
상기 렌즈의 LED 칩 네스트 표면에 형성된 형광체층;
상기 렌즈에 LED 칩 주변을 따라 형성된 반사층; 및
상기 렌즈에 형성된 LED 칩 네스트에 성장기판만 제거 되어 접합된 LED 칩을 포함하는 LED 패키지 - LED 칩이 접합될 수 있는 오목부의 LED 칩 네스트가 형성된 렌즈;
상기 렌즈의 LED 칩 네스트 표면에 다중 층으로 형성된 형광체층;
상기 렌즈에 LED 칩 주변을 따라 형성된 반사층; 및
상기 렌즈에 형성된 LED 칩 네스트에 성장기판을 포함하여 접합된 LED 칩을 포함하는 LED 패키지 - LED 칩이 접합될 수 있게 오목부의 LED 칩 네스트가 형성된 렌즈;
상기 렌즈의 LED 칩 네스트 표면에 다중 층으로 형성된 형광체층;
상기 렌즈에 LED 칩 주변을 따라 형성된 반사층; 및
상기 렌즈에 형성된 LED 칩 네스트에 성장기판만 제거 되어 접합된 LED 칩을 포함하는 LED 패키지 - 제 11 항, 제 12 항, 제 13 항 또는 제 14 항에 있어서,
상기의 LED 칩 네스트 표면에 확산층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 패키지 - 제 11 항, 제 12 항, 제 13 항 또는 제 14 항에 있어서,
상기의 형광체층과 LED 칩 사이에 본딩층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 패키지 - 제 13 항 또는 제 14 항에 있어서,
다중 층으로 형성된 형광체층들에서 각 형광체층 위와 아래에 광굴절률층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 패키지
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020130026655A KR101578266B1 (ko) | 2013-03-12 | 2013-03-12 | 웨이퍼 레벨 칩 스케일 발광다이오드 패키지 |
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|---|---|
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|---|---|---|---|
| KR1020130026655A KR101578266B1 (ko) | 2013-03-12 | 2013-03-12 | 웨이퍼 레벨 칩 스케일 발광다이오드 패키지 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101997104B1 (ko) * | 2018-02-21 | 2019-07-05 | 순천대학교 산학협력단 | 마이크로 어레이 발광 다이오드 및 이의 제조 방법 |
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| KR20100042602A (ko) * | 2008-10-16 | 2010-04-26 | 가부시키가이샤 한도오따이 에네루기 켄큐쇼 | 플렉시블 발광 장치, 전자기기 및 플렉시블 발광 장치의 제작 방법 |
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- 2013-03-12 KR KR1020130026655A patent/KR101578266B1/ko not_active IP Right Cessation
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