KR20140127152A - 반도체 발광장치 및 그 제조방법 - Google Patents

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KR20140127152A
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히로시 고타니
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스탠리 일렉트릭 컴퍼니, 리미티드
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Abstract

본 발명은 적은 양의 반사부재이면서, 반사부재의 양이 많은 종래장치와 같은 차폐효과가 얻어지고, 또한 와이어의 손상을 방지할 수 있는 발광장치를 제공하는 것을 과제로 한다.
반도체 발광장치(100)는, 배선패턴이 형성되고, 한 개 내지 복수 개의 발광소자(30)를 실장한 서브마운트 기판(20)과, 전극부를 구비하며, 서브마운트 기판(20)을 고정하는 금속기판(10)과, 서브마운트 기판(20)의 배선패턴과 금속기판(10)의 전극부를 전기적으로 접속하는 와이어(50)와, 서브마운트 기판의 발광소자 탑재면 상이고, 서브마운트 기판의 발광소자 탑재면, 발광소자(30)의 측면 및 와이어(50)의 일부를 덮는 반사부(40)를 구비하고 있다. 와이어(50)는 서브마운트 기판으로의 접합부로부터 금속기판으로의 접합부까지의 사이에, 반사부(40)와 와이어(50)의 교점의 위치보다 높이가 높은 곳에 굴곡부가 형성되어 있다.

Description

반도체 발광장치 및 그 제조방법{Semiconductor light-emitting device and method for manufacturing thereof}
본 발명은 반도체 발광소자의 주위에 반사부재를 설치하여 이루어지는 반도체 발광장치에 관한 것으로, 특히 효과적으로 반사부재를 배치하는 기술에 관한 것이다.
반도체 발광소자를 이용한 반도체 발광장치에서는, 소자측면에서 나오는 빛을 유효하게 이용하기 위하여, 측면을 반새부재로 덮고, 발광소자가 측면으로부터 발하는 빛을 반사부재와의 경계면에서 반사시켜서 광취출면(측면과 직교하는 상면)으로부터 취출하도록 한 구조가 채용되어 있다.
발광소자의 측면을 반사부재로 덮기 위하여, 예를 들어 특허문헌 1에 기재된 반도체 발광장치에서는, 발광소자가 탑재되는 서브마운트 기판의 주위에 링형상의 틀재를 기판과 일체로 혹은 별도로 설치하고, 틀재 내에 반새부재가 되는 재료, 예를 들어 백색 필러 등을 함유시킨 수지를 주입하여, 반사부재의 층을 형성하고 있다.
선행기술문헌
(특허문헌)
일본공개특허공보 특개2012-33823호
틀재를 이용하여 반사부재의 층을 형성하는 기술은, 발광소자가 서브마운트 기판에 접촉하는 면에 2개의 전극을 구비하는 형태인 경우에는 적용할 수 있지만, 와이어 본딩에 의하여 금속기판 등의 전극부와의 접속을 취할 필요가 있는 발광소자인 경우에는, 틀재가 와이어본딩의 장해가 되므로 적용하기 어렵다. 이러한 발광소자의 경우에는 서브마운트 기판을 금속기판에 고정하여 와이어 본딩한 후, 금속기판에 틀재를 설치하고, 틀재 내를 모두 반사부재로 매립하게 되므로, 꽤 많은 양의 반사부재가 필요하게 된다. 더욱이, 반사부재는 발광소자 구동시에 발생하는 열에 의하여 열팽창하므로, 반사부재에 매립된 와이어에 응력이 걸려, 와이어에 변형이 발생하기 쉽다. 최악의 경우에는, 단선 등을 일으킬 가능성이 있다.
이에 대하여, 틀재를 설치하지 않고, 포팅(potting)에 의하여 발광소자의 주위에 반사부재를 설치하는 것이 생각되는데, 그 경우, 발광소자의 주위에만 반사부재를 배치하기 위해서는 포팅하는 반사부재의 점도의 조정이 어렵다는 문제가 있다. 또한, 발광소자를 탑재한 서브마운트 기판의 전극단자와 금속기판의 전극부를 접속하는 와이어를 통하여 반사부재를 통하여 반사부재를 구성하는 수지가 흐르기 쉬워, 발광소자의 주위에 반사부재로서 기능하는 데에 충분한 두께의 층을 균일하게 형성하는 것이 어렵다.
본 발명은 틀재를 사용하지 않고 소량으로 효과적으로 발광소자의 주위를 덮는 반사부재가 형성된 발광장치를 제공하는 것을 과제로 한다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 서브마운트 기판과 금속기판을 접속하는 와이어의 형상을 궁리함으로써, 포팅한 반사부재가 흐르지 않고, 발광소자 주위에 머무르며, 이에 따라 균일하게 발광소자 주위를 덮는 반사부재의 층이 형성된 발광장치를 제공하는 것이다.
즉, 본 발명의 반도체 발광장치는, 배선패턴이 형성된 제1 기판(서브마운트 기판)과, 상기 제1 기판에 실장된 한 개 내지 복수 개의 발광소자와, 전극부를 구비하고, 상기 제1 기판을 고정하는 제2 기판(금속기판)과, 상기 제1 기판의 배선패턴과 상기 제2 기판의 전극부를 전기적으로 접속하는 와이어를 구비하며, 상기 제1 기판의 발광소자 탑재면 상이고, 상기 제1 기판의 발광소자 탑재면, 상기 발광소자의 측면 및 상기 와이어의 일부를 덮는 반사부를 구비하는 것이다.
본 발명의 반도체 발광장치에 있어서, 와이어는, 상기 제1 기판에 고정된 제1 단부와 상기 제2 기판의 전극부에 고정된 제2 단부와의 사이에 굴곡부를 가지고, 상기 제1 기판의 발광소자 탑재면으로부터 상기 굴곡부까지의 최대 높이는, 상기 제1 기판의 발광소자 탑재면으로부터, 상기 와이어와 상기 반사부 표면과의 교점까지의 높이보다 높다. 또한, 와이어와 반사부의 표면과의 교점에서의 와이어와 제1 기판표면이 이루는 각도가 45°이상 100°이하이다.
또한, 본 발명의 반도체 발광장치의 제조방법은, 제1 기판에 반도체 발광소자를 실장하는 공정과, 제1 기판을 제2 기판에 고정하는 공정과, 제1 기판과 제2 기판을 전기적으로 접속하는 와이어를 접합하는 공정과, 제1 기판 상이며 또한 제1 기판에 실장된 반도체 발광소자의 주위에, 경화 전의 반사부재를 배치한 후, 반사부재를 경화하여 반사부를 형성하는 공정을 포함하며, 상기 와이어를 접합하는 공정은, 제1 기판으로의 와이어 접합부(제1 접합부)와 제2 기판으로의 와이어 접합부(제2 접합부)의 사이에 있는 와이어의 형상을 조정하는 공정을 포함하고, 상기 와이어의 형상은, 경화 전의 반사부재가 와이어를 통하여 제1 기판으로부터 흘러 떨어지는 것을 방지하는 형상이다.
본 발명에 의하여, 소량으로 효과적으로 발광소자의 주위를 덮는 반사부재가 형성된 발광장치를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 발광장치의 일 실시형태를 나타내는 상면도이다.
도 2는 도 1의 발광장치의 A-A선 단면도이다.
도 3은 와이어 형상을 설명하는 도면이다.
도 4의 (a)는 반사부의 표면형상의 변화를 나타내는 도면이고, (b)는 와이어의 출사각도를 설명하는 도면이다.
도 5는 다른 실시형태의 발광장치의 측단면도이다.
도 6은 본 발명의 발광장치의 제조방법의 일 실시형태를 나타내는 도면이다.
도 7은 와이어 형상의 조정 공정을 설명하는 도면이다.
도 8은 종래의 발광장치를 나타내는 측단면도이다.
이하, 본 발명의 발광장치의 실시형태를 도면을 참조하여 설명한다. 도 1 및 도 2는 본 실시형태의 발광장치의 상면도 및 측단면도이다.
도시하는 바와 같이, 본 실시형태의 발광장치(100)는, 주된 요소로서 금속기판(제2 기판)(10)과, 기판(10) 상에 Ag 페이스트 등의 접착제에 의하여 고정된 서브마운트 기판(제1 기판)(20)과, 서브마운트 기판(20)에 탑재된 발광소자(30)와, 발광소자(30)의 주위를 덮는 반사부재의 층(반사부)(40)을 구비하고 있다. 서브마운트 기판(20)에 탑재되는 발광소자(30)는 한 개여도 복수 개여도 되고, 도 1에 나타내는 실시형태에서는 4개의 발광소자(30)가 탑재된 경우를 나타내고 있다.
기판(10)은 알루미늄, 구리 등의 금속제의 판재 또는 AlN 등의 세라믹제의 판재로 구성되어 있고, 서브마운트 기판(20)이 고정되는 영역의 주위에, 발광소자(30)에 전기 공급을 위한 전극(11)이 형성되어 있다. 도 1의 실시형태에서는, 발광소자(30)의 배열방향으로 2개의 전극, 애노드와 캐소드가 배치되어 있다.
서브마운트 기판(20)은 AlN 등의 세라믹이나 FRP 등의 내열성이 높은 재료로 이루어지는 판재로, 발광소자(30)에 전기 공급을 위한 배선패턴이 형성되고, 발광소자(30)가 탑재되는 영역을 제외하는 주변 근방에, 전극 패드(21)가 설치되어 있다. 이러한 전극 패드(21)는, 기판(10)의 전극(11)과 Au 등으로 이루어지는 와이어(50)에 의하여 와이어본드된다.
발광소자(30)는 LED 소자를 이용하여 소정의 파장의 빛을 취출할 수 있는 것이라면 다양한 형태의 발광소자를 이용할 수 있다. 도시하는 실시형태에서는, LED 소자(31) 상에 형광체층(32)이 형성되고, 그 위를 투명판재(33)로 덮은 구조의 발광소자가 채용되어 있다. LED 소자(31)는 전형적으로는, 자외광으로부터 청색 파장의 빛을 발생하는 LED 소자이고, 형광체층(32)은 LED 소자(31)가 발생하는 빛을 흡수하며, 상이한 파장의 빛을 발생하는 형광체를 포함하는 층이다. 형광체층(32)은, 예를 들어 형광체 입자를 실리콘 수지나 에폭시 수지 등의 내열성이 있으며, 또한 빛의 투과성에 뛰어난 수지 중에 분산한 상태로 성막되어 있다. 투명판재(33)는 유리나 투명성이 높은 수지 등으로 이루어지고, LED 소자(31) 상에 형광체층(32)을 균일하게 형성하기 위하여 이용되며, 발광소자의 광출사면을 제공한다.
발광소자(30)는 금범프(gold bump) 등의 도전성 접합제로 서브마운트 기판(20)의 배선패턴에 전기적이며 또한 기계적으로 접속되어 있다. 이에 따라, 발광소자(30)는 서브마운트 기판(20)의 전극 패드(21) 및 와이어(50)를 통하여 기판(10)의 전극(11)에 접속되어, 전기 공급이 가능해진다.
반사부(40)는 산화티탄, 산화아연, 산화탄탈, 산화니오브, 산화지르코니아, 산화알루미늄 등의 백색안료를 포함하는 반사부재로 이루어지고, 백색안료 이외에 베이스재로서 실리콘 수지 등의 내열성 수지나 무기 바인더를 포함한다. 반사부(40)의 쇼어 A 경도는 10~60 정도가 바람직하다.
반사부(40)는 발광소자(30)가 고정되어 있는 부분을 제외하는 서브마운트 기판(20) 상면(발광소자 탑재면)과, 발광소자(30)의 측면, 즉 LED 소자(31), 형광체층(32) 및 투명판재(33)의 주위를 둘러싸도록 배치되어 있다. 따라서, 기판(10)의 전극(11)과 서브마운트 기판(20)의 전극 패드(21)를 접속하는 와이어(50)는, 일부가 반사부(40)에 매립되고, 남은 부분이 반사부(40)로부터 돌출되며, 굴곡하여 기판(10)의 전극(11)에 접속되어 있다. 반사부(40)는 상술한 백색안료를 포함하는 수지 또는 바인더(반사부재 또는 백색수지라고도 함)를 경화 전에, 와이어본딩 후의 서브마운트 기판(20)의 발광소자 탑재면에 포팅함으로써, 서브마운트 기판(20) 상에 배치할 수 있는데, 이때, 이러한 와이어(50)의 형상과 길이를 적절하게 함으로써, 포팅된 경화 전의 반사부재가 서브마운트 기판(20)으로부터 와이어(50)를 통하여 흘러 떨어지는 것을 방지할 수 있다.
이하, 경화 전의 반사부재가 서브마운트 기판으로부터 흘러 떨어지는 것을 방지하기 위한 와이어(50)의 형상에 대하여 상술한다. 도 3은 도 2를 확대한 단면도이다. 이하의 설명에서는, 도 3에서의 상하 및 좌우를 발광장치(100)의 상하, 좌우로 하여 설명하고, 상하방향의 크기를 높이, 좌우방향의 크기를 폭으로 한다.
일반적으로 와이어본딩에 의하여 전기배선을 하는 경우, 와이어는 접속한 기판 사이에서 곡선을 그리도록 본딩된다. 즉, 와이어(50)는 서브마운트 기판(20)의 전극 패드(21)에 접합된 와이어(50)의 일단부(제1 단부)(50a)에서 위쪽으로 끌어올려진 후, 굴곡부(50c)를 거쳐, 다른 쪽 단부(제2 단부)(50b)가 기판(10)의 전극(11)에 접합된다. 이러한 와이어 단부(50a)가 서브마운트 기판(20)의 상면과 이루는 각도를 와이어(50)의 출사각도라고 한다. 본 실시형태에서는, 이러한 굴곡부(50c)의 서브마운트 기판(20)으로부터의 높이와 출사각도를 적절한 범위로 함으로써, 백색수지가 발광소자의 측면을 확실히 덮고, 또한 서브마운트 기판에 머무른 상태의 반사부(40)를 형성할 수 있다.
와이어(50)의 출사각도가 도 4의 (b)의 실선으로 나타내는 바와 같이 90°인 경우, 즉 단부(50a) 근방의 와이어(50) 부분이 서브마운트 기판(20)의 상면(발광소자 탑재면)에 대하여 거의 수직(90°)인 경우에 대하여 상술한다. 서브마운트 기판(20)의 상면으로부터 와이어(50)의 굴곡부(50c)(정점)까지의 높이(h1)가, 수직으로 뻗는 와이어(50)가 반사부(40)가 되는 백색수지의 표면으로부터 밖으로 나가는 점(와이어(50)와 반사부(40) 표면과의 교점)까지의 높이(h0)와 동일한 정도이거나 그보다 낮은 경우(h1≤h0)에는, 백색수지는 굴곡부(50c)와 단부(50b) 사이의 와이어(50) 부분을 통하여 서브마운트 기판(20)의 상면으로부터 흘러 떨어진다. 굴곡부(50c)까지의 높이(h1)가 높이(h0)보다 높으면(h1>h0), 백색수지는 와이어(50)의 영향을 받지 않거나, 오히려 와이어(50)와의 경계면에서 끌어 올려져, 서브마운트 기판(20) 상에 머무른다.
서브마운트 기판(20) 표면(전극 패드(21)의 위치)으로부터 반사부 표면까지의 높이(h0)는, 서브마운트 기판(20)의 단부(20a)로부터 전극 패드(21)까지의 거리(d)에 따라 다르고, 단부(20a)로부터의 거리(d)가 짧을수록 높이(h0)는 낮다. 또한, 백색수지의 포팅양에 따라서도 다르다. 따라서, 와이어(50)의 굴곡부(50c)의 높이를 설계하기 위하여는, 이들을 고려하여 결정할 필요가 있다. 우선, 발광소자(30)의 상면 단부와 서브마운트 기판(20)의 상면 단부를 연결하는 직선(L)(단면에서 본 경우의 직선: 실제로는 경사면)의 높이(h)는, 서브마운트 기판(20)의 단부(20a)로부터 발광소자(30)까지의 거리(D)와 발광소자의 높이(H)가 결정되면 결정된다(h=(H÷D)×d). 하지만, 백색수지에 의하여 형성되는 반사부의 표면 형상은 표면 장력에 의하여 직선적으로는 되지 않으므로, 전극 패드(21)의 위치에서 반사부 표면까지의 높이(h0)는, 이 높이(h)에 대하여 표면 장력에 의한 변형분이 증감된 것으로 된다.
반사부의 표면 형상은, 백색수지의 포팅양에 의하여 변화하고, 도 4의 (a)에 나타내는 바와 같이, 상술한 직선(L)(경사면)에 대하여 오목한 형상이 되는 경우에서 직선(L)(경사면)에 대하여 볼록한 형상으로 부푼 형상이 되는 경우까지 변화할 수 있다. 본 실시형태에서는, 백색수지의 포팅양은 발광소자(30)의 측면 전면을 덮고, 또한 서브마운트 기판(20) 상으로부터 넘치지 않을 정도의 양으로 조정된다. 이때, 반사부(40)는 직선(L)에 대하여 볼록한 형상이 된다. 와이어(50)의 굴곡부(50c)의 높이(h1)는, 이와 같은 상태에서의 반사부(40) 표면과 와이어(50)의 교점의 높이(hmax)보다 높아지도록 결정할 필요가 있다.
일례로서, 서브마운트 기판(20)의 단부로부터 770㎛ 떨어진 위치에(d=770㎛), 높이가 270㎛인 발광소자(30)를 서브마운트 기판(20)에 탑재하고, 발광소자의 주위에 백색수지를 상한의 포팅양으로 이용하여 반사부재를 형성한 경우, 서브마운트 기판(20) 상면으로부터 배색수지 표면까지의 높이는, 표 1과 같이 된다. 표 1 중, h는 직선(L)까지의 높이(계산값)이고, 서브마운트 기판(20) 상면에서 백색수지 표면까지의 높이(h0)는, 직선(L)까지의 높이(h)에 대하여 반사부(40)의 부푼 양(와이어 출사각도 90도일 때 80㎛, 와이어 출사각도 45도일 때 60㎛)을 가산한 값이며, hmax에 상당한다.
와이어
출사각도		 서브마운트 기판 단부로부터의
거리(D)(mm)		 직선(L)까지의 높이(h)(mm) 반사층
표면까지의
높이(h0)(mm)
h0/h		 굴곡부까지의 높이(h1)
(mm)(*)

90도
 0.52 0.18 0.26 1.44 0.31
0.39 0.14 0.22 1.59 0.27
0.25 0.09 0.17 1.91 0.22

45도
 0.52 0.14 0.2 1.42 0.24
0.39 0.10 0.16 1.57 0.21
0.25 0.06 0.12 1.87 0.17
*: 여유를 고려한 설계 높이
90°h0=h+0.8
45°h0=h+0.6
표 1에 나타내는 바와 같이, 상술한 예에서는, 서브마운트 기판(20)(전극 패드 위치) 표면으로부터 반사부(40) 표면까지의 높이(h0)는, 직선(L)까지의 높이(h)의 약 1.5배~2배이다.
이상으로부터, 와이어(50)의 굴곡부(50c)의 높이(h1)를 단부(50b)로부터의 반사부재(50)의 높이(h0)가 최대가 되는 값(hmax)보다 높게 함으로써, 와이어(50)를 통하여 백색수지가 흘러 떨어지는 것을 방지할 수 있게 된다. 또한, 평균적인 크기의 발광장치에서는, h1을 발광소자(30)의 상면 단부와 서브마운트 기판(20)의 단부를 연결하는 직선(L)의 높이의 1.5배~2배로 함으로써, 백색수지가 흘러 떨어지는 것을 방지할 수 있다.
단, 굴곡부(50c)로부터 기판(10)까지의 와이어(50) 부분이 제조시의 흔들림 등에 의하여 확실히 백색수지에 접촉하지 않도록 하기 위하여, 실제로 와이어본딩하는 경우의 와이어(50)의 높이(h1)는, hmax보다 약간 높은 것이 바람직하다. 이러한 양은 한정되는 것은 아니지만, 상술한 크기의 서브마운트 기판(20) 및 발광소자(30)의 배치에 있어서, 20~80㎛ 정도로 하는 것이 바람직하다. 표 1에 나타내는 예에서는, h1은 h0+50㎛로 하고 있다.
한편, 이상의 설명에서는, 와이어(50)의 출사각도가 90°인 경우, 즉 와이어(50)를 서브마운트 기판(20)의 상면에 대하여 수직으로 접합한 경우를 나타내었는데, 와이어(50)의 출사각도는 와이어(50)와 반사부(40) 표면의 각도를 고려하여 적절히 결정할 수 있다. 도 4의 (b)에 와이어(50)의 출사각도를 다르게 한 경우(점선)를 나타낸다.
백색수지가 와이어(50)를 통하는 것을 방지하기 위하여는, 와이어(50)는 반사부(40) 표면에 대하여, 법선방향을 향하고 있거나, 그보다 수직방향을 향하고 있는 것이 바람직하다. 법선방향은, 반사부(40)의 표면이 대략 평탄한 경사면이라고 가정하면, 서브마운트 기판(20)의 단부(20a)로부터 발광소자(30)까지의 거리(D)와 서브마운트 기판(20) 상면으로부터 발광소자(30) 상면까지의 높이(H)로 결정되는 경사면(도 3의 직선(L))의 경사로 결정된다. 서브마운트 기판(20) 상면과 경사면의 각도(θ2)와 와이어(50)의 출사각도(θ1)의 합이 90°가 되도록 와이어(50)의 출사각도(θ1)를 결정하면, 와이어(50)는 반사부재(40)의 표면으로부터 대략 법선방향으로 밖으로 나오게 된다. 서브마운트 기판(20)의 짧은 변이 짧은 것에서는, 그 상면과 경사면의 각도(θ2)는 45°정도가 되므로, 와이어(50)의 출사각도는 45°이상인 것이 바람직하다. 단, 상술한 굴곡부의 높이를 제어하기 쉽다는 관점에서는 90°가 가장 바람직하다. 한편, 백색수지가 흘러 떨어지는 것을 방지한다는 관점에서는 와이어(50)의 출사각도는 90°이상이어도 좋지만, 각도가 너무 크면 와이어(50)의 단부(50a)를 기판(10)에 접합하기 위하여 굴곡부(50c)의 굴곡을 크게 할 필요가 있다. 굴곡을 크게 하면 와이어에 응력이 걸리므로, 출사각도는 100°이하인 것이 바람직하다.
와이어(50)의 출사각도를 45°로 한 경우의, 와이어(50)의 굴곡부(50c)의 높이(h1)(설계값)를 함께 표 1에 나타내고 있다. 표 1에서 알 수 있는 바와 같이 출사각도가 45°인 경우에도, 굴곡부의 높이를, 발광소자(30)의 상면 단부와 서브마운트 기판(20)의 상면 단부를 연결하는 직선(L)까지의 높이(h)의 1.5배~2배로 함으로써, 실제적인 와이어 접합위치에 있어서, 와이어로부터 백색수지가 흘러 떨어지는 것을 방지할 수 있다.
이상, 상술한 바와 같이, 본 실시형태의 발광장치(100)는 발광소자(30)를 탑재한 서브마운트 기판(20)과 기판(10)을 전기적으로 접속하는 와이어(50)를 반사부재(40)로부터 돌출한 형상으로 함으로써, 와이어가 반사부재(40)의 열팽창의 영향을 받아 변형되지 않아, 안정적인 동작을 확보할 수 있다.
한편, 상술한 실시형태에서는, 발광소자(30)로서 플립칩(flip chip) 형태의 발광소자를 이용한 발광장치(100)를 예시하였는데, 본 발명은 도 5에 나타내는 바와 같은 MB 소자(300)를 이용한 경우에도 마찬가지로 적용할 수 있다. 도 5에 나타내는 MB 소자는, LED 소자(301)의 양면에 전극이 형성되어 있고, 상면에 형성된 전극을 서브마운트 기판(20)의 전극(21)에 와이어본딩한 것으로, 그 상면에 수지층(302)과 판부재(303)를 적층한 구조를 가지고 있다. 수지층(302)은 형광체 주입 수지여도 투명수지여도 좋고, 수지층(302)이 형광체 주입 수지인 경우에는, 판부재(303)는 투명유리여도 형광체 플레이트여도 좋다. 또한, 수지층(302)이 투명수지인 경우에는 판부재(303)는 형광체 플레이트를 이용한다. 이와 같은 구조의 MB 소자에 있어서는, 수지층(302) 및 판부재(303)의 측면에서 나오는 빛은 발광소자의 광출사면에서 나오는 빛과 색상이 다르기 때문에, 위에서 보았을 때에 주변만 색상이 다르게 보인다. 수지층(302)과 판부재(303)의 측면을 반사부재(40)로 덮음으로써, 측면에서 나오는 빛이 반사부재(40)에서 반사되어 광출사면을 향하는 빛과 혼색되므로, 상술한 색상의 차이가 발생하는 것을 방지할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 발광장치의 제조방법을 설명한다.
본 발명의 발광장치의 제조방법은, 주로 도 6에 나타내는 바와 같이, 서브마운트 기판에 발광소자를 실장하는 공정 S61, 발광소자를 실장한 서브마운트 기판을 금속기판에 고정하는 공정 S62, 서브마운트 기판(전극 패드)과 금속기판(전극)을 와이어본딩하는 공정 S63, 발광소자의 주위에 반사부재를 배치하는 반사부 형성공정 S64로 이루어진다. 와이어본딩 공정 S63과, 반사부 형성공정 S64 이외의 공정은, 종래의 반도체 발광장치의 제조방법과 마찬가지이므로, 이하, 공정 S63, S64를 중심으로 각 공정을 설명한다. 이하의 설명에서는, 복수(예를 들어, 5개)의 발광소자를 일렬로 배치한 발광장치를 예로 설명한다.
<소자실장공정 S61>
서브마운트 기판(20) 및 LED 소자(31)를 준비한다. LED 소자는, 예를 들어 크기가 0.8mm×0.8mm이고 높이가 0.27mm인 플립칩 형태의 소자이다. 서브마운트 기판은 소정의 전극패턴이 형성된 배선기판이고, 짧은 변의 길이는 소자의 한 변의 크기보다 크며, 긴 변은 소자의 [한 변의 크기×소자수]보다 큰 직사각형의 상면 형상을 가지고, 상면의 LED 소자의 주위에는 소정의 면적이 설치되어 있다. 이러한 LED 소자의 주위의 소정의 장소에 LED 소자에 전기 공급하기 위한 전극 패드(21)가 형성되어 있다. 전극 패드가 형성되는 위치는, 한정되는 것은 아닌데, 도 1의 본 실시형태와 같이 복수의 LED 소자를 일렬로 배치한 발광장치에서는, 서브마운트 기판의 길이방향을 따라서 2곳에 전극 패드가 설치된다. 또한, 서브마운트 기판의 단부로부터의 거리에 대하여는, 와이어본딩의 작업성 등을 고려하여 서브마운트 기판의 단부와 LED 소자의 중간에 적절한 위치에 결정된다.
서브마운트 기판으로의 소자 실장은, 우선 범프본더 장치를 이용하여, 서브마운트 기판 상의 소정의 위치에 범프를 배치한다. 이어서, 플립 실장장치에 의하여 범프 상에 LED 소자를 배치한다. 다음으로 LED 소자 바로 위에 포팅에 의하여 형광체 함유 수지를 떨어뜨리고, 그 위에서부터 투명판재를 배치한다. 이때, 형광체 함유수지는 표면장력에 의하여 투명판재의 하면 전체와 LED 소자의 측면까지 돌아 들어가, LED 소자의 상면과 측면이 형광체 함유수지의 층(파장변환층)으로 덮인 구조(필레트 구조)가 형성된다. 한편, 형광체 함유수지 중에 소정의 크기의 스페이서 입자를 넣어 둠으로써, LED 소자 상면과 평행하게 투명판재를 배치할 수 있다.
<금속기판으로의 배치공정 S62>
서브마운트 기판보다 큰 크기의 금속기판을 준비한다. 접착제를 포팅에 의하여, 금속기판의 소정의 위치에 떨어뜨리고, 서브마운트 기판을 배치한다.
<와이어본딩 공정 S63>
와이어본딩 장치를 사용하여, 서브마운트 기판의 전극 패드를 금속기판에 전기적으로 접속한다. 와이어본딩 장치에서는, 접속해야 할 2개의 점 중, 최초의 점(제1 접합점)에 와이어 선단을 접합(용접)한 후, 와이어를 끌어내는 캐필러리(capillary)를 소정의 방향으로 이동시키면서 소정 길이의 와이어를 끌어내고, 또 다른 하나의 점(제2 접합점)에 있어서 와이어의 접합과 절단을 행함으로써, 2점 사이의 와이어본딩을 행한다. 이때, 캐필러리에 의하여 와이어를 끌어올리는 이동량과 각도의 설정을 이동의 단계마다 행함으로써 와이어루프(굴곡부)의 형상을 제어한다.
상술한 이동량과 각도의 설정은, 예를 들어 이하와 같은 와이어본딩 장치의 파라미터로 제어할 수 있다.
P1: y방향의 이동량의 설정(툴업)
P2: y방향의 이동의 미량의 설정(툴반환량)
P3: x방향의 이동량의 설정(리버스 높이)
P4: y방향의 이동량의 설정(리버스양)
P5: 제2 점까지의 이동궤적의 보정(궤적보정)
출사각도에 대하여는, 예를 들어 P3을 +방향으로 조정하고, P4를 짧게 설정함으로써, 제1 접합점으로부터의 각도를 수직에 대하여 비스듬하게 할 수 있다. 또한, 굴곡부(루프) 정점의 높이에 대하여는, P4를 짧게 하면 정점이 낮아진다. 또한, P5를 [-방향]으로 보정하면 정점의 높이를 낮게, [+방향]으로 보정하면 정점의 높이를 높게 할 수 있게 된다. 이러한 모습을 도 7에 나타낸다. 이들 파라미터 P1~P5에 의하여, 제1 점과 제2 점을 연결하는 와이어의 길이 및 궤적이 원하는 길이·궤적이 되도록 제어할 수 있다.
본 실시형태에서는, 예를 들어 서브마운트 기판(20)의 전극 패드(21)를 제1 접합점, 금속기판(10)의 전극(11)을 제2 접합점으로 하였을 때, 제1 접합점에서의 와이어의 수평면에 대한 각도를 45°~100°의 범위로 설정한다. 바람직하게는 90°로 설정한다. 또한, 굴곡부의 정점의 높이를 서브마운트 기판의 단부와 발광소자 상면 단부를 연결하는 경사면(직선(L))의 전극 패드(21) 바로 위의 높이(h)와 백색수지의 표면장력에 의한 부푼 분량의 합계보다 높은 값, 예를 들어 높이(h)의 1.5배~2배가 되도록 설정한다. 이에 따라, 다음의 공정에서 발광소자의 주위에 반사부재의 재료인 백색수지를 배치하였을 때, 경화전의 백색수지가 서브마운트 기판으로부터 와이어를 통하여 흘러 떨어지지 않고, 발광소자의 주위에 적절한 양의 백색수지를 배치할 수 있다.
한편, 여기에서는, 와이어본딩의 제1 접합점을 서브마운트 기판측으로 하였는데, 기판측을 제1 접합점으로 하여도 좋고, 마찬가지로 제어할 수 있다.
<반사부 형성공정 S64>
반사부재는, 발광장치의 실시형태에서 설명한 바와 같이, 백색안료를 실리콘 수지나 무기 바인더에 분산시킨 것으로, 경화전의 점도는 종래의 반사부재의 형성에 이용하는 백색수지와 같은 정도이거나 약간 높은 정도이다. 구체적으로는 점도는 5~20Pa·s가 바람직하고, 백색안료의 함유량이나 수지의 종류 등을 조정함으로써, 조정할 수 있다.
이와 같은 백색수지를 포팅장치에서 서브마운트 기판 상에 떨어뜨리면서 행한다. 예를 들어, 우선 배열하는 발광소자의 한쪽 측으로부터 포팅하고, 발광소자 사이 및 발광소자의 하측에 백색수지를 골고루 퍼지게 한다. 그 후, 발광소자의 주위를 둘러싸도록 노즐을 이동시키면서 포팅을 행하고, 발광소자의 측면을 덮도록 백색수지를 배치한다. 백색수지의 포팅양은, 서브마운트 기판의 단부와 발광소자 상면 단부를 연결하는 경사면보다 볼록한 형상으로 반사부가 형성되는 양이다. 이와 같은 양은 어느 정도 계산에 의하여 구할 수 있다. 마지막으로 백색수지를 가열하여 경화함으로써 반사부가 형성된다.
본 발명의 반도체 발광장치의 제조방법에 따르면, 반사부 형성공정에 앞서는 와이어본딩 공정에 있어서, 와이어 형상을 조정하고, 반사부재가 서브마운트 기판으로부터 와이어를 통하여 흘러 떨어지지 않는 형상으로 해 둠으로써, 발광소자의 주위에 필요량의 반사부재를 배치할 수 있어, 반사부재의 사용량이 적음에도 불구하고, 충분한 차폐 효과를 가지는 발광장치를 제조할 수 있다.
(실시예)
이하, 본 발명의 발광장치의 실시예를 설명한다.
<발광장치의 제작>
발광소자로서 YAG 형광체를 이용한 플립형 백색발광소자(소자수: 4개, 소자크기: 0.8mm×0.8mm)를 사용하여, 도 1 및 도 2에 나타내는 구조의 발광장치를 다음과 같이 제작하였다.
우선, 발광소자를 Au 범프를 이용하여 AlN제의 서브마운트 기판에 실장한 후, 서브마운트 기판을 금속기판에 Ag 필러 주입 실리콘 접착제를 사용하여 고정하였다. 소자실장 후의 서브마운트 기판과 소자의 관계는, 서브마운트 기판의 단부로부터 발광소자의 단부까지의 거리(D)가 0.77mm, 서브마운트 기판 상면으로부터 발광소자의 높이(H)가 0.27mm이었다. 이어서, 서브마운트측을 제1 접합점으로 하고, 기판측을 제2 접합점으로 하며, 와이어의 출사각도 90°로 Au 와이어를 사용한 와이어본딩을 행하였다. 서브마운트 기판의 단부로부터 제1 접합점까지의 거리는 0.25mm이고, 와이어의 굴곡부의 높이를 제1 접합점에서 직선(L)까지의 높이의 2배+0.05mm(0.22mm)로 조정하였다. 그 후, 발광소자의 주위에 반사부재(TiO2 함유 실리콘 수지: 경화 전의 점도: 8Pa·s, 경화 후의 쇼어 A 경도 53)를 배치하여, 실시예의 발광장치를 제조하였다.
또한, 참고예로서, 도 8에 나타내는 바와 같은 종래 구조의 발광장치를 제작하였다. 이러한 발광장치는, 발광소자(30)를 실장한 서브마운트 기판(20)을 금속기판(10)에 고정할 때까지는 실시예와 완전히 동일하게 제조하고, 그 후에 와이어본딩을 행한 후, 금속기판(10)의 주위에 벽재(60)를 배치하며, 벽재 중에 백색수지를 충전하여 반사부(40)를 형성하였다.
참고예에서 필요로 하는 백색수지의 사용량 100중량%에 대하여, 실시예에서는 백색수지의 사용량은 11중량%로, 수지사용량을 약 1/9로 줄일 수 있었다.
<평가>
실시예 및 참고예의 발광장치에 대하여, 다음의 평가를 행하였다. 결과를 표 2에 나타낸다.
(1) 반사부재를 배치하기 전과 후의 색도 및 색온도의 측정
20mA의 전류를 공급하여 발광장치를 발광하게 하였을 때의 빛을 화이버로 분광기(오츠카 전자 제품: 순간 멀티 측광 시스템(MCPD))에 넣고, 색도(CIE-XYZ 표색계)와 색온도를 분광광도계를 사용하여 계측하였다.
(2) 넓은 발광면적의 휘도를 측정 가능한 시스템을 사용하여 측정하고, 발광부분 면적 내의 평균휘도 및 최대 휘도를 산출하였다.
(3) 냉열 사이클 시험(-40℃와 165℃ 사이의 사이클, 3000회)을 행하고, 그에 따른 와이어의 변형을 x선으로 측면에서 관찰하며, 루프 부분의 패임이나 밑부분의 꺽임 정도를 확인하였다.
평가항목 실시예 참고예
색도
 반사부재 도포 전 0.3246, 0.3352 0.3255, 0.3368
반사부재 도포 후 0.3398, 0.3620 0.3419, 0.3654
색온도
 반사부재 도포 전 5866K 5820K
반사부재 도포 후 5227K 5158K
휘도
 최대값 95.6 96.1
평균값 65.5 65.5
와이어의 변형 없음 있음
표 2에 나타내는 결과로부터 알 수 있듯이, 색도 및 색온도는 실시예 및 참고예 모두 반사부재의 배치 전후에서 같은 값을 나타내었다. 또한, 휘도에 대하여도 실시예와 참고예는 동일한 결과가 얻어져, 참고예와 동일한 차폐효과(측면으로부터의 광누출이 없음)가 있다는 것이 확인되었다. 이러한 결과로부터, 실시예의 발광장치는 틀재 내에 반사부재를 배치한 경우와 동등한 성능이 얻어지는 것을 알 수 있었다.
한편, 참고예의 발광장치에서는, 냉열 사이클의 1회로 와이어에 변형이 발생하고, 횟수의 증가에 따라 변형이 진행되어 가는 것이 확인된 것에 대하여, 실시예의 발광장치는 와이어의 많은 부분이 반사부재의 밖으로 나와 있으므로, 변형되어 있지 않았다.
(산업상의 이용가능성)
본 발명에 따르면, 적은 양의 반사부재이면서, 반사부재의 양이 많은 종래장치와 같은 차폐효과가 얻어지고, 또한 와이어의 손상을 방지할 수 있는 발광장치가 제공된다.
10: 기판
11: 전극
20: 서브마운트 기판
21: 전극 패드
30, 300: 발광소자
31: LED 소자
32: 형광체층
33: 투명판재
40: 반사부(반사부재)
50: 와이어
100: 발광장치

Claims (5)

  1. 배선패턴이 형성된 제1 기판과,
    상기 제1 기판에 실장된 한 개 내지 복수 개의 발광소자와,
    전극부를 구비하고, 상기 제1 기판을 고정하는 제2 기판과,
    상기 제1 기판의 배선패턴에 고정된 제1 단부, 상기 제2 기판의 전극부에 고정된 제2 단부, 및 상기 제1 단부와 상기 제2 단부와의 사이에 굴곡부를 구비하며, 상기 배선패턴과 상기 전극부의 사이를 전기적으로 접속하는 와이어와,
    상기 제1 기판의 발광소자 탑재면 상이고, 또한 상기 제1 기판을 그 법선방향에서 보았을 때에 그 단면보다 내측 영역에, 상기 제1 기판의 발광소자 탑재면, 상기 발광소자의 측면 및 상기 와이어의 일부를 덮는 반사부를 구비하며,
    상기 제1 기판의 발광소자 탑재면으로부터 상기 굴곡부까지의 높이는, 상기 제1 기판의 발광소자 탑재면으로부터, 상기 와이어와 상기 반사부 표면과의 교점까지의 높이보다 높고,
    상기 와이어와 상기 반사부 표면과의 교점에서의 상기 와이어와 상기 제1 기판 표면이 이루는 각도가 45°이상 100°이하인 것을 특징으로 하는 반도체 발광장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 발광소자는, 반도체 발광소자와, 적어도 상기 반도체 발광소자의 광취출면을 덮는 파장변환 재료층과, 상기 파장변환 재료층 상에 고정된 투명판재를 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광장치.
  3. 제1 기판에 반도체 발광소자를 실장하는 공정과,
    제1 기판을 제2 기판에 고정하는 공정과,
    제1 기판과 제2 기판을 전기적으로 접속하는 와이어를 접합하는 공정과,
    제1 기판 상이고, 또한 제1 기판에 실장된 반도체 발광소자의 주위에, 경화 전의 반사부재를 배치한 후, 반사부재를 경화하여 반사부를 형성하는 공정을 포함하며,
    상기 와이어를 접합하는 공정은, 제1 기판으로의 와이어 접합부(제1 접합부)와 제2 기판으로의 와이어 접합부(제2 접합부)와의 사이에 있는 와이어의 형상을 조정하는 공정을 포함하고,
    상기 와이어의 형상은, 경화 전의 반사부재가 와이어를 통하여 제1 기판으로부터 흘러 떨어지는 것을 방지하는 형상인 것을 특징으로 하는 반도체 발광장치의 제조방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 와이어를 접합하는 공정은, 상기 제1 접합부와 상기 제2 접합부와의 사이에 와이어의 굴곡부를 형성하는 공정을 포함하고, 그 공정에 있어서, 상기 제1 기판의 상면으로부터 상기 와이어의 굴곡부까지의 높이가, 상기 반사부의 표면과 와이어와의 교점의, 상기 제1 기판의 상면으로부터의 높이보다 높아지도록 상기 와이어의 형상을 조정하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광장치의 제조방법.
  5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 와이어를 접합하는 공정은, 상기 제1 접합부로부터 연장되는 와이어의 각도를 조정하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광장치의 제조방법.
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