KR20190094722A - 광학렌즈 및 이를 포함하는 반도체 소자 패키지 - Google Patents

광학렌즈 및 이를 포함하는 반도체 소자 패키지 Download PDF

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KR20190094722A
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Abstract

실시 예는, 제1면; 상기 제1면 상에 배치되는 제2면; 상기 제1면의 하부로 돌출되는 돌출부; 상기 돌출부의 저면에서 상기 제2면을 향해 형성된 제1리세스; 및 상기 제1리세스 상에 배치된 제2리세스를 포함하고, 상기 제1리세스와 상기 제2리세스의 곡률은 상이하고, 상기 제1리세스와 제2리세스 사이의 경계에서 상기 돌출부의 저면까지의 수직 거리와 상기 제1면에서 상기 돌출부의 저면까지의 수직 거리의 비는 1:0.6 내지 1:2인 광학렌즈 및 이를 포함하는 반도체 소자 패키지를 개시한다.

Description

광학렌즈 및 이를 포함하는 반도체 소자 패키지{OPTICAL LENS AND SEMICONDUCTOR DEVICE PACKAGE}
실시 예는 광학렌즈 및 이를 포함하는 반도체 소자 패키지에 관한 것이다.
GaN, AlGaN 등의 화합물을 포함하는 반도체 소자는 넓고 조정이 용이한 밴드 갭 에너지를 가지는 등의 많은 장점을 가져서 발광 소자, 수광 소자 및 각종 다이오드 등으로 다양하게 사용될 수 있다.
특히, 반도체의 3-5족 또는 2-6족 화합물 반도체 물질을 이용한 발광 다이오드(Light Emitting Diode)나 레이저 다이오드(Laser Diode)와 같은 발광소자는 박막 성장 기술 및 소자 재료의 개발로 적색, 녹색, 청색 및 자외선 등 다양한 색을 구현할 수 있으며, 형광 물질을 이용하거나 색을 조합함으로써 효율이 좋은 백색 광선도 구현이 가능하며, 형광등, 백열등 등 기존의 광원에 비해 저소비전력, 반영구적인 수명, 빠른 응답속도, 안전성, 환경 친화성의 장점을 가진다.
뿐만 아니라, 광검출기나 태양 전지와 같은 수광 소자도 반도체의 3-5족 또는 2-6족 화합물 반도체 물질을 이용하여 제작하는 경우 소자 재료의 개발로 다양한 파장 영역의 빛을 흡수하여 광 전류를 생성함으로써 감마선부터 라디오 파장 영역까지 다양한 파장 영역의 빛을 이용할 수 있다. 또한 빠른 응답속도, 안전성, 환경 친화성 및 소자 재료의 용이한 조절의 장점을 가져 전력 제어 또는 초고주파 회로나 통신용 모듈에도 용이하게 이용할 수 있다.
따라서, 반도체 소자는 광 통신 수단의 송신 모듈, LCD(Liquid Crystal Display) 표시 장치의 백라이트를 구성하는 냉음극관(CCFL: Cold Cathode Fluorescence Lamp)을 대체하는 발광 다이오드 백라이트, 형광등이나 백열 전구를 대체할 수 있는 백색 발광 다이오드 조명 장치, 자동차 헤드 라이트 및 신호등 및 Gas나 화재를 감지하는 센서 등에까지 응용이 확대되고 있다. 또한, 반도체 소자는 고주파 응용 회로나 기타 전력 제어 장치, 통신용 모듈에까지 응용이 확대될 수 있다.
특히, 자외선 파장 영역의 광을 방출하는 발광소자는 경화작용이나 살균 작용을 하여 경화용, 의료용, 및 살균용으로 사용될 수 있다.
그러나, 일반적으로 자외선 반도체 소자 패키지의 플랫(flat) 렌즈는 약 120도의 한정된 지향각을 가지므로 넓은 영역에 조사하기 어려운 문제가 있다. 또한, 돔(dome) 구조를 갖는 발산렌즈는 조도가 불균일하여 균일한 살균 또는 경화가 어려운 문제가 있다.
실시 예는 넓은 영역에 자외선 광을 조사할 수 있는 광학렌즈 및 이를 포함하는 반도체 소자 패키지를 제공할 수 있다.
또한, 조도 균일도가 우수한 광학렌즈 및 이를 포함하는 반도체 소자 패키지를 제공할 수 있다.
실시 예에서 해결하고자 하는 과제는 이에 한정되는 것은 아니며, 아래에서 설명하는 과제의 해결수단이나 실시 형태로부터 파악될 수 있는 목적이나 효과도 포함된다고 할 것이다.
실시 예에 따른 광학렌즈는, 제1면; 상기 제1면 상에 배치되는 제2면; 상기 제1면의 하부로 돌출되는 돌출부; 상기 돌출부의 저면에서 상기 제2면을 향해 형성된 제1리세스; 및 상기 제1리세스 상에 배치된 제2리세스를 포함하고, 상기 제1리세스와 상기 제2리세스의 곡률은 상이하고, 상기 돌출부의 저면에서 상기 제1면까지의 수직 거리와 상기 돌출부의 저면에서 상기 제1리세스와 제2리세스 사이의 경계까지의 수직 거리의 비는 1:0.6 내지 1:2를 만족한다.
상기 돌출부의 저면에서 상기 제2리세스까지의 수직 거리와 상기 경계와 상기 제1면 사이의 수직거리의 비는 1:0.2 내지 1:0.5일 수 있다.
상기 돌출부의 저면에서 상기 경계까지의 수직 거리와 상기 돌출부의 저면에서 상기 제2리세스까지의 수직 거리의 비는 1:1.6 내지 1:3.2일 수 있다.
상기 제1리세스의 최대 직경은 상기 제2리세스의 최대 직경보다 클 수 있다.
상기 제2리세스의 최대 직경과 상기 제1리세스의 최대 직경의 비는 1:1.2 내지 1:1.6일 수 있다.
상기 제2리세스의 최대 반지름과 상기 제1리세스의 최대 반지름의 차는 상기 돌출부의 저면에서 상기 경계까지의 수직 거리의 0.5배 내지 2.3배일 수 있다.
상기 제1면에서 상기 경계까지의 높이와 상기 돌출부의 저면에서 상기 경계까지의 높이의 비는 1:3 내지 1:10일 수 있다.
상기 돌출부의 저면에서 상기 제1리세스까지의 수직 거리와 상기 제1리세스의 최대 직경의 비는 1:1.5 내지 1:3일 수 있다.
상기 제2리세스의 최대 직경과 상기 돌출부의 수평방향 최소 거리의 비는 1:1.1 내지 1:6일 수 있다.
상기 돌출부는 서로 마주보는 제1측면과 제3측면, 서로 마주보는 제2측면과 제4측면, 상기 제1측면과 제2측면이 이루는 제1모서리, 상기 제2측면과 제3측면이 이루는 제2모서리, 상기 제3측면과 상기 제4측면이 이루는 제3모서리, 및 상기 제4측면과 제1측면이 이루는 제4모서리를 포함하고, 상기 제1 내지 제4모서리는 평면상 상기 제1면의 외측에 배치될 수 있다.
본 발명의 일 특징에 따른 반도체 소자 패키지는, 캐비티를 갖는 몸체; 상기 캐비티 상에 배치되는 반도체 소자; 및 상기 캐비티 상에 배치되는 광학렌즈를 포함하고, 상기 반도체 소자는 자외선 파장대의 광을 출력하고, 상기 광학렌즈는, 제1면; 상기 제1면 상에 배치되는 제2면; 상기 제1면의 하부로 돌출되는 돌출부; 상기 돌출부의 저면에서 상기 제1면을 향해 형성된 제1리세스; 및 상기 제1홈에서 상기 제1면을 향해 형성된 제2리세스를 포함하고, 상기 제1리세스와 상기 제2리세스의 곡률은 상이하고, 상기 돌출부의 저면에서 상기 제1면까지의 수직 거리와 상기 돌출부의 저면에서 상기 제1리세스와 제2리세스 사이의 경계까지의 수직 거리의 비는 1:0.6 내지 1:2를 만족한다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 자외선 광의 지향각을 넓힐 수 있다.
또한, 반도체 소자 패키지에서 출사되는 자외선 광의 조도 균일도를 개선할 수 있다.
본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 반도체 소자 패키지의 개념도이고,
도 2는 도 1의 광학렌즈의 측면도이고,
도 3은 도 1의 광학렌즈의 평면도이고,
도 4는 제1리세스가 생략된 광학렌즈에 입사된 광의 조도 분포를 보여주는 도면이고,
도 5는 도 4의 광학렌즈의 지향각 측정 결과이고,
도 6은 도 1의 광학렌즈에 입사된 광의 조도 분포를 보여주는 도면이고,
도 7은 도 1의 광학렌즈에 입사된 광의 지향각 측정 결과이고,
도 8은 도 1의 반도체 소자의 개념도이고,
도 9는 도 8의 변형예이고,
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 반도체 소자 패키지의 개념도이다.
본 실시 예들은 다른 형태로 변형되거나 여러 실시 예가 서로 조합될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 각각의 실시 예로 한정되는 것은 아니다.
특정 실시 예에서 설명된 사항이 다른 실시 예에서 설명되어 있지 않더라도, 다른 실시 예에서 그 사항과 반대되거나 모순되는 설명이 없는 한, 다른 실시 예에 관련된 설명으로 이해될 수 있다.
예를 들어, 특정 실시 예에서 구성 A에 대한 특징을 설명하고 다른 실시 예에서 구성 B에 대한 특징을 설명하였다면, 구성 A와 구성 B가 결합된 실시 예가 명시적으로 기재되지 않더라도 반대되거나 모순되는 설명이 없는 한, 본 발명의 권리범위에 속하는 것으로 이해되어야 한다.
실시 예의 설명에 있어서, 어느 한 element가 다른 element의 "상(위) 또는 하(아래)(on or under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)(on or under)는 두 개의 element가 서로 직접(directly)접촉되거나 하나 이상의 다른 element가 상기 두 element 사이에 배치되어(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 "상(위) 또는 하(아래)(on or under)"으로 표현되는 경우 하나의 element를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
이하에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 반도체 소자 패키지의 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 반도체 소자 패키지의 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 실시 예에 따른 반도체 소자 패키지는 캐비티(213a)를 포함하는 몸체(200), 몸체(200)의 캐비티(213a) 내에 배치되는 반도체 소자(100), 및 캐비티(213a) 상에 배치되는 광학렌즈(300)를 포함할 수 있다.
몸체(200)는 자외선 광을 반사하는 재질 또는 코팅층을 포함할 수 있다. 몸체(200)는 복수의 서브층(210, 220, 230, 240, 250)을 적층하여 제작할 수 있다. 복수의 서브층(210, 220, 230, 240, 250)은 동일한 재질일 수도 있고 상이한 재질을 포함할 수도 있다. 예시적으로 복수의 서브층(210, 220, 230, 240, 250)은 세라믹 재질을 포함할 수 있으나 반드시 이에 한정하지 않는다.
제1서브층(210)의 하부에는 제1전극패드(262), 제2전극패드(263), 및 제1전극패드(262)와 제2전극패드(263) 사이에 배치되는 방열패드(261)가 배치될 수 있다.
제1서브층(210), 제2서브층(220)의 내부에는 회로 패턴(미도시)이 형성되어 제2서브층(220) 상의 제1전극(231)이 제1전극패드(262)와 전기적으로 연결되고, 제2서브층(220) 상의 제2전극(232)이 제2전극패드(263)와 전기적으로 연결될 수 있다. 회로 패턴의 구성은 특별히 한정하지 않는다. 예시적으로 복수 개의 관통 전극을 이용하여 제1, 제2전극(231, 232)과 복수 개의 패드(261, 262, 263)를 전기적으로 연결할 수 있다.
반도체 소자(100)는 자외선 파장대의 광을 출력할 수 있다. 예시적으로 반도체 소자(100)는 근자외선 파장대의 광(UV-A)을 출력할 수도 있고, 원자외선 파장대의 광(UV-B)을 출력할 수 도 있고, 심자외선 파장대의 광(UV-C)을 출력할 수도 있다. 파장범위는 반도체 구조물의 Al의 조성비에 의해 결정될 수 있다.
예시적으로, 근자외선 파장대의 광(UV-A)은 320nm 내지 420nm 범위의 파장을 가질 수 있고, 원자외선 파장대의 광(UV-B)은 280nm 내지 320nm 범위의 파장을 가질 수 있으며, 심자외선 파장대의 광(UV-C)은 100nm 내지 280nm 범위의 파장을 가질 수 있다.
광학렌즈(300)는 캐비티(213a) 상에 배치될 수 있다. 광학렌즈(300)는 자외선 파장대의 광을 투과할 수 있는 재질이면 특별히 제한하지 않는다. 예시적으로 투과층은 쿼츠(Quartz)와 같이 자외선 파장 투과율이 높은 광학 재료를 포함할 수 있으나 이에 한정하는 것은 아니다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 광학렌즈(300)는 제1면(310), 제1면(310) 상에 배치되는 제2면(320), 제1면(310)의 하부로 돌출되는 돌출부(330), 돌출부(330)의 저면(330a)에서 제2면(320)을 향해 형성된 제1리세스(341), 및 제1리세스(341) 상에 형성된 제2리세스(342)를 포함할 수 있다.
제1면(310), 제2면(320) 및 돌출부(330)는 광학렌즈(300)의 외측면을 형성할 수 있다. 제1면(310), 제2면(320), 및 돌출부(330)는 사출 성형에 의해 일체로 형성될 수 있으나 반드시 이에 한정하는 것은 아니고 복수의 구성요소를 조립하여 제작할 수도 있다.
제1면(310)은 원판 형상을 가질 수 있다. 제1면(310)은 평탄면을 가질 수 있으나 반드시 이에 한정하지 않는다. 제1면(310)은 부분적으로 곡면을 가질 수도 있다. 제1면(310)은 몸체(200)의 상면 상에 배치될 수 있다.
제2면(320)은 제1면(310) 상에 볼록하게 배치된 광 출사면일 수 있다. 광학렌즈(30)로 입사된 광은 제2면(320)을 통해 외부로 출사될 수 있다.
제2면(320)의 형상은 특별히 한정하지 않는다. 제2면(320)은 돔(dome) 형상일 수도 있고, 돌출부(330)와 마주보는 중앙(321)이 돌출부(330)를 향해 함몰된 구조를 가질 수도 있다. 또한, 부분적으로 평탄면을 가질 수도 있다. 또한, 중앙(321)으로 갈수록 곡률이 완만해지는 형상을 가질 수도 있다. 여기서 곡률이란 선이 휘어진 정도를 의미할 수 있다.
제1면(310)에서 제2면(320)의 중심(321)까지의 수직거리(H3+H4)와 제1면(310)의 반지름(½W4)의 비는 1:2.3 내지 1:3.0일 수 있다. 비율이 1:2.3 이상인 경우 제1면(310)의 반지름이 증가하므로 제2리세스(342)의 직경을 늘릴 수 있다. 따라서, 제2리세스(342)로 입사되는 광량이 증가하여 렌즈 효율이 개선될 수 있다. 또한, 비율이 1:3.0보다 작은 경우 렌즈의 면적을 줄여 반도체 소자 패키지의 사이즈를 줄일 수 있다.
돌출부(330)는 제1면(310)의 하부로 돌출될 수 있다. 돌출부(330)는 제4서브층(240)과 제5서브층(250) 사이의 단차 영역(214)에 지지될 수 있다. 단차 영역(214)과 광학렌즈(300) 사이에는 접착층(미도시)이 도포될 수 있다.
돌출부(330)의 두께는 특별히 한정하지 않는다. 예시적으로 돌출부(330)의 두께는 0.2mm 내지 1.0mm일 수 있다. 돌출부(330)의 두께가 0.2mm 보다 큰 경우 몸체(200)의 단차 영역(214)에 충분히 삽입되어 고정될 수 있으며, 두께가 1.0mm 보다 작은 경우에는 패키지의 높이를 낮출 수 있다.
제1리세스(341)는 돌출부(330)의 저면(330a)에서 제2면(320)을 향해 형성될 수 있으며, 제1곡률을 가질 수 있다. 제2리세스(342)는 제1리세스(341) 상에 배치될 수 있고 제2곡률을 가질 수 있다. 제1곡률과 제2곡률은 상이할 수 있다. 따라서, 제1리세스(341)와 제2리세스(342) 사이의 경계(343)는 제1곡률을 갖는 제1리세스(341)와 제2곡률을 갖는 제2리세스(342)가 접하는 지점일 수 있다.
제1리세스(341)와 제2리세스(342)의 내면은 광이 입사되는 면일 수 있다. 제1리세스(341)의 제1곡률은 제2리세스(342)의 제2곡률보다 작을 수 있다. 즉, 제1리세스(341)의 곡률 반지름이 제2리세스(342)의 곡률 반지름보다 클 수 있다.
실시 예에 따르면, 제1리세스(341)의 직경(W2)을 제2리세스(342)의 직경(W1)보다 크게 제어하여 반도체 소자(100)에서 출사되는 광이 대부분 제1리세스(341)와 제2리세스(342)의 내부로 입사되도록 설계할 수 있다.
반도체 소자(100)의 수평 방향 폭과 제1리세스(341)의 최대 직경(W2)의 비는 1:1.5 내지 1:2.5일 수 있다. 비율이 1:1.5 이상인 경우 제1리세스(341)의 최대 직경(W2)이 증가하여 대부분의 광이 제2리세스(342)의 내부로 입사될 수 있으며, 비율이 1:2.5이하인 경우 돌출부(330)의 저면(330a)이 광학렌즈(300)를 지지할 수 있을 정도의 면적을 가질 수 있다.
제1리세스(341)의 외주면에서 반도체 소자(100)의 중심을 연장한 2개의 가상선이 이루는 각도(θ1)는 100도 내지 170도일 수 있다. 각도(θ1)가 100도 이상인 경우 반도체 소자(100)에서 출사되는 광이 대부분 제1리세스(341)의 내면으로 입사될 수 있으며, 각도가 170보다 작은 경우 렌즈의 사이즈가 과도하게 커지는 것을 방지할 수 있다.
제1면(310)에서 돌출부(330)의 저면(330a)까지의 거리(H5)와 경계(343)에서 돌출부(330)의 저면(330a)까지의 거리(H2)의 비(H5:H2)는 1:0.6 내지 1:2일 수 있다. 이때, 제1면(310)에서 돌출부(330)의 저면(330a)까지의 수직 거리(H5)는 돌출부(330)의 두께와 동일할 수 있다.
비가 1:0.6인 경우 경계(343)는 제1면(310)보다 낮게 배치되고, 비가 1:2인 경우 경계(343)는 제1면(310)보다 높게 배치될 수 있다. 비가 1:1인 경우 경계(343)는 제1면(310)과 동일 높이에 배치될 수 있다.
비율이 1:0.6 이상인 경우 제1리세스(341)와 제2리세스(342) 사이의 경계(343)가 높아져 제2리세스(342)의 직경이 커질 수 있다. 따라서, 반도체 소자(100)에서 제2리세스(342)로 입사되는 광량이 커져 렌즈 효율이 개선될 수 있다. 또한, 비율이 1:2이하인 경우 제2리세스가 너무 커지는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 돌출부의 저면(330a)이 넓어져 광학렌즈(300)를 몸체(200) 상에 고정할 수 있다.
제2리세스(342)의 곡률을 돌출부(330)까지 연장한 가상 원의 반지름(½W5)과 돌출부(330)의 저면(330a)에서 제2리세스(342)까지의 수직 거리(H3)의 비(½W5:H3)는 1:1.1 내지 1:1.3 또는 1:1.1 내지 1:1.8일 수 있다. 비가 1:1.1이상인 경우 제1 및 제2리세스(341, 342)의 높이가 높아져 입사되는 광을 측면으로 굴절시켜 지향각을 개선할 수 있고, 비가 1:1.3(또는 1:1.8) 이하인 경우 제1리세스(341)와 제2면(320)의 사이에 두께가 두꺼워져 제2면(320)의 중앙으로 입사되는 광을 측면으로 굴절시킬 수 있다. 또한, 상기 비율을 만족하는 범위 내에서 제2리세스(342)가 커지는 경우 입사되는 광량이 커져 전체적으로 높은 렌즈 효율을 가질 수 있다.
돌출부(330)의 저면(330a)에서 제2리세스(342)까지의 수직 거리(H3)와 경계(343)면과 제1면(310) 사이의 수직거리(H1)의 비(H3:H1)는 1:0.2 내지 1:0.5일 수 있다. 비가 1:0.2 이상인 경우 경계(343)면이 상승하므로 상대적으로 제1리세스(341)의 직경이 커져 조도 균일도 및/또는 렌즈 효율이 개선될 수 있다. 또한, 비가 1:0.5보다 작은 경우 제2리세스(342)의 높이를 확보하여 제2리세스(342)로 입사되는 광을 측면으로 굴절시킬 수 있다.
돌출부(330)의 저면(330a)에서 경계(343)까지의 수직 거리(H2)와 돌출부(330)의 저면(330a)에서 제2리세스(342)까지의 수직 거리(H3)의 비(H2:H3)는 1:1.6 내지 1:3.2일 수 있다. 비가 1:1.6이상인 경우 제1리세스(341)의 곡률이 커져 입사되는 광을 측면으로 굴절시켜 지향각을 증가시킬 수 있다. 또한, 비가 1:3.2보다 작은 경우에는 제1리세스(341)와 제2면(320)의 사이에 두께가 두꺼워져 제2면(320)의 중앙으로 입사되는 광을 측면으로 굴절시킬 수 있다.
제1리세스(341)의 최대 직경(W2)은 제2리세스(342)의 최대 직경(W1)보다 클 수 있다. 이때, 제2리세스(342)의 최대 직경(W2)과 제1리세스(341)의 최대 직경(W1)의 비(W2:W1)는 1:1.2 내지 1:1.6일 수 있다. 비율이 1:1.2 이상 1:1.6이하로 조절하는 경우 제1리세스(341)와 제2리세스(342)의 내부로 입사하는 광량을 늘리면서 입사된 광을 측면으로 제어하여 지향각을 개선할 수 있다.
또한, 제2리세스(342)의 최대 반지름(½W1)과 제1리세스(341)의 최대 반지름(½W2)의 차(W6)는 경계(343)의 높이(H2)의 0.5배 내지 2.3배일 수 있다. 이러한 조건을 만족하는 경우 제1리세스(341)와 제2리세스(342)의 내부로 입사하는 광량을 늘리면서 입사된 광을 측면으로 제어하여 지향각을 개선할 수 있다.
제1면(310)에서 경계(343)면까지의 높이(H1)와 돌출부(330)의 저면(330a)에서 경계(343)면까지의 높이(H2)의 비(H1:H2)는 1:3 내지 1:10일 수 있다. 또한, 돌출부(330)의 저면(330a)에서 제1리세스(341)까지의 수직 거리(H3)와 제1리세스(341)의 최대 직경(W2)의 비(H3:W2)는 1:1.5 내지 1:3일 수 있다. 이러한 조건을 만족하는 경우 제1리세스(341)와 제2리세스(342)에 입사되는 광량을 높여 조도 균일도 및/또는 렌즈 효율을 개선할 수 있다.
도 3을 참조하면, 돌출부(330)는 서로 마주보는 제1측면(331)과 제3측면(333), 서로 마주보는 제2측면(332)과 제4측면(334), 제1측면(331)과 제2측면(332)이 이루는 제1모서리부(335), 제2측면(332)과 제3측면(333)이 이루는 제2모서리부(336), 제3측면(333)과 제4측면(334)이 이루는 제3모서리부(337), 및 제4측면(334)과 제1측면(331)이 이루는 제4모서리부(338)를 포함하고, 제1 내지 제4모서리부(335, 336, 337, 338)는 평면상 제1면(310)의 외측에 배치될 수 있다. 즉, 서로 마주보는 제1 내지 제4모서리부(335, 336, 337, 338)들의 대각선 거리는 제1면(310)의 직경보다 클 수 있다. 이 경우 돌출부(330)의 모서리부가 패키지의 몸체(200)에 삽입 고정되면서 렌즈의 크기를 줄여 전체 패키지의 크기를 줄일 수 있다.
제1리세스(342)의 최대 직경(W2)과 돌출부(330)의 수평방향 최소 거리(W3)의 비(W2:W3)는 1:1.1 내지 1:1.6일 수 있다. 비가 1:1.1 이상인 경우 돌출부의 저면이 소정의 면적을 확보하여 몸체의 단차 영역에 삽입 고정될 수 있다. 또한, 비가 1:1.6이하인 경우 렌즈의 크기가 과도하게 커지는 것을 방지할 수 있다.
도 4는 제1리세스가 생략된 광학렌즈에 입사된 광의 조도 분포를 보여주는 도면이고, 도 5는 도 4의 광학렌즈의 지향각 측정 결과이고, 도 6은 도 1의 광학렌즈에 입사된 광의 조도 분포를 보여주는 도면이고, 도 7은 도 1의 광학렌즈에 입사된 광의 지향각 측정 결과이다.
도 4를 참조하면, 광학렌즈에 제1리세스만 형성된 경우 제1리세스의 직경이 작으므로 반도체 소자(100)에서 출사되는 광의 상당 부분은 돌출부의 저면(11)으로 입사될 수 있다. 그러나, 도 4의 광선 추적 결과와 같이 돌출부의 저면(11)으로 입사된 광(L1)은 대부분 상부를 향해 굴절되는 것을 확인할 수 있다.
그 결과, 도 5와 같이 약 60도의 지향각과 120도의 지향각이 혼합되어 있는 것을 확인할 수 있다. 즉, 자외선 광의 경우 렌즈의 저면(11)으로 입사되면 지향각이 좁아지고 조도 균일도가 저하되는 것을 확인할 수 있다.
그러나, 도 6과 같이 제1리세스(341)의 하부에 제1리세스(341)를 형성하여 직경을 넓힌 경우 반도체 소자(100)에서 출사되는 대부분의 광은 제1리세스(341)의 내부로 입사되고, 그 결과 도 4에 비해 측면으로 굴절되어 출사되는 것을 확인할 수 있다. 또한, 도 7과 같이 140도의 넓은 지향각을 가질 수 있고 조도 균일도가 개선됨을 확인할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 반도체 소자의 개념도이고, 도 8은 도 7의 변형예이다.
도 7을 참조하면, 실시 예에 따른 반도체 소자는 서브 마운트(22) 상에 플립칩과 같이 실장될 수 있다. 즉, 반도체 소자의 제1전극(152)과 제2전극(151)이 서브 마운트(22)의 제1패드(23a)와 제2패드(23b)에 플립칩 형태로 실장될 수 있다. 이때, 제1패드(23a)와 제2패드(23b)는 와이어(W)에 의해 몸체(10)에 각각 솔더링될 수 있다.
그러나, 반도체 소자를 실장하는 방법은 특별히 제한하지 않는다. 예시적으로 도 8과 같이 반도체 소자의 기판(110)을 서브 마운트(22)상에 배치하고 제1전극(152)과 제2전극(151)을 직접 몸체(10)에 솔더링할 수도 있다.
실시 예에 따른 반도체 소자는 기판(110), 제1 도전형 반도체층(120), 활성층(130), 및 제2 도전형 반도체층(140)을 포함할 수 있다. 각 반도체층은 자외선 파장대의 광을 방출할 수 있도록 알루미늄 조성을 가질 수 있다.
기판(110)은 도전성 기판 또는 절연성 기판을 포함한다. 기판(110)은 반도체 물질 성장에 적합한 물질이나 캐리어 웨이퍼일 수 있다. 기판(110)은 사파이어(Al2O3), SiC, GaAs, GaN, ZnO, Si, GaP, InP 및 Ge 중 선택된 물질로 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다. 필요에 따라 기판(110)은 제거될 수 있다.
제1 도전형 반도체층(120)과 기판(110) 사이에는 버퍼층(미도시)이 더 구비될 수 있다. 버퍼층은 기판(110) 상에 구비된 발광 구조물(160)과 기판(110)의 격자 부정합을 완화할 수 있다.
제1 도전형 반도체층(120)은 Ⅲ-Ⅴ족, Ⅱ-Ⅵ족 등의 화합물 반도체로 구현될 수 있으며, 제1 도전형 반도체층(120)에 제1도펀트가 도핑될 수 있다. 제1 도전형 반도체층(120)은 Inx1Aly1Ga1 -x1- y1N(0≤x1≤1, 0≤y1≤1, 0≤x1+y1≤1)의 조성식을 갖는 반도체 재료, 예를 들어 GaN, AlGaN, InGaN, InAlGaN 등에서 선택될 수 있다. 그리고, 제1도펀트는 Si, Ge, Sn, Se, Te와 같은 n형 도펀트일 수 있다. 제1도펀트가 n형 도펀트인 경우, 제1도펀트가 도핑된 제1 도전형 반도체층(120)은 n형 반도체층일 수 있다.
활성층(130)은 제1 도전형 반도체층(120)을 통해서 주입되는 전자(또는 정공)와 제2 도전형 반도체층(140)을 통해서 주입되는 정공(또는 전자)이 만나는 층이다. 활성층(130)은 전자와 정공이 재결합함에 따라 낮은 에너지 준위로 천이하며, 그에 상응하는 파장을 가지는 빛을 생성할 수 있다.
활성층(130)은 단일 우물 구조, 다중 우물 구조, 단일 양자 우물 구조, 다중 양자 우물(Multi Quantum Well; MQW) 구조, 양자점 구조 또는 양자선 구조 중 어느 하나의 구조를 가질 수 있으며, 활성층(130)의 구조는 이에 한정하지 않는다.
제2 도전형 반도체층(140)은 활성층(130) 상에 형성되며, Ⅲ-Ⅴ족, Ⅱ-Ⅵ족 등의 화합물 반도체로 구현될 수 있으며, 제2 도전형 반도체층(140)에 제2도펀트가 도핑될 수 있다. 제2 도전형 반도체층(140)은 Inx5Aly2Ga1 -x5- y2N (0≤x5≤1, 0≤y2≤1, 0≤x5+y2≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질 또는 AlInN, AlGaAs, GaP, GaAs, GaAsP, AlGaInP 중 선택된 물질로 형성될 수 있다. 제2도펀트가 Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등과 같은 p형 도펀트인 경우, 제2도펀트가 도핑된 제2 도전형 반도체층(140)은 p형 반도체층일 수 있다.
제1전극(152)는 제1 도전형 반도체층(120)과 전기적으로 연결될 수 있고, 제2전극(151)은 제2 도전형 반도체층(140)과 전기적으로 연결될 수 있다. 제1 및 제2전극(152, 151)은 Ti, Ru, Rh, Ir, Mg, Zn, Al, In, Ta, Pd, Co, Ni, Si, Ge, Ag 및 Au와 이들의 선택적인 합금 중에서 선택될 수 있다.
실시 예에서는 수평형 발광소자의 구조로 설명하였으나, 반드시 이에 한정하지 않는다. 예시적으로 실시 예에 따른 발광소자는 수직형 또는 플립칩 구조일 수도 있다.
도 10은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 반도체 소자 패키지의 개념도이다.
도 10에 따른 반도체 소자 패키지는 캐비티(213a)를 포함하는 몸체(200), 몸체(200)의 캐비티(213a) 내에 배치되는 반도체 소자, 및 캐비티(213a) 상에 배치되는 광학렌즈를 포함할 수 있다. 이때, 반도체 소자 및 광학렌즈는 전술한 구성이 모두 적용될 수 있다.
몸체(200)는 알루미늄 기판을 가공하여 제작할 수 있다. 따라서, 실시 예에 따른 몸체(200)는 내면과 외면이 모두 도전성을 가질 수 있다. 이러한 구조는 다양한 이점을 가질 수 있다. AlN, Al2O3와 같은 비도전성 재질을 몸체(200)로 사용하는 경우, 자외선 파장대의 반사율이 20% 내지 40%에 불과하므로 별도의 반사부재를 배치해야 하는 문제가 있다. 또한, 리드 프레임과 같은 별도의 도전성 부재 및 회로 패턴이 필요할 수 있다. 따라서, 제작 비용이 상승하고 공정이 복잡해질 수 있다. 또한, 금(Au)과 같은 도전성 부재는 자외선을 흡수하여 광 추출 효율이 감소하는 문제가 있다.
그러나, 실시 예에 따르면, 몸체(200) 자체가 알루미늄으로 구성되므로 자외선 파장대에서 반사율이 높아 별도의 반사부재를 생략할 수 있다. 또한, 몸체(200) 자체가 도전성이 있으므로 별도의 회로패턴 및 리드 프레임을 생략할 수 있다. 또한, 알루미늄으로 제작되므로 열전도성이 140W/m.k 내지 160W/m.k으로 우수할 수 있다. 따라서, 열 방출 효율도 향상될 수 있다.
몸체(200)는 복수 개의 도전부(220A-1, 220A-2)를 포함할 수 있다. 복수 개의 도전부(220A-1, 220A-2) 사이에는 절연라인(220A-3)이 배치될 수 있다. 복수 개의 도전부(220A-1, 220A-2)는 도전성을 가지므로 극을 분리하기 위해 절연라인(220A-3)이 배치될 필요가 있다. 따라서, 절연라인(220A-3)은 복수 개의 캐비티(213a)를 관통할 수 있다.
절연라인(220A-3)은 절연 기능을 갖는 다양한 재질이 모두 포함될 수 있다. 예시적으로 절연라인(220A-3)은 폴리이미드와 같은 레진을 포함할 수 있으나 반드시 이에 한정하지 않는다. 절연라인(220A-3)의 두께는 10㎛ 내지 100㎛일 수 있다. 두께가 10㎛이상인 경우 복수 개의 도전부(220A-1, 220A-2)를 충분히 절연시킬 수 있으며, 두께가 70㎛이하인 경우 패키지의 사이즈가 커지는 문제를 개선할 수 있다.
반도체 소자는 다양한 종류의 광원 장치에 적용될 수 있다. 예시적으로 광원장치는 살균 장치, 경화 장치, 조명 장치, 및 표시 장치 및 차량용 램프 등을 포함하는 개념일 수 있다. 즉, 반도체 소자는 케이스에 배치되어 광을 제공하는 다양한 전자 디바이스에 적용될 수 있다.
살균 장치는 실시 예에 따른 반도체 소자를 구비하여 원하는 영역을 살균할수 있다. 살균 장치는 정수기, 에어컨, 냉장고 등의 생활 가전에 적용될 수 있으나 반드시 이에 한정하지 않는다. 즉, 살균 장치는 살균이 필요한 다양한 제품(예: 의료 기기)에 모두 적용될 수 있다.
예시적으로 정수기는 순환하는 물을 살균하기 위해 실시 예에 따른 살균 장치를 구비할 수 있다. 살균 장치는 물이 순환하는 노즐 또는 토출구에 배치되어 자외선을 조사할 수 있다. 이때, 살균 장치는 방수 구조를 포함할 수 있다.
경화 장치는 실시 예에 따른 반도체 소자를 구비하여 다양한 종류의 액체를 경화시킬 수 있다. 액체는 자외선이 조사되면 경화되는 다양한 물질을 모두 포함하는 최광의 개념일 수 있다. 예시적으로 경화장치는 다양한 종류의 레진을 경화시킬 수 있다. 또는 경화장치는 매니큐어와 같은 미용 제품을 경화시키는 데 적용될 수도 있다.
조명 장치는 기판과 실시 예의 반도체 소자를 포함하는 광원 모듈, 광원 모듈의 열을 발산시키는 방열부 및 외부로부터 제공받은 전기적 신호를 처리 또는 변환하여 광원 모듈로 제공하는 전원 제공부를 포함할 수 있다. 또한, 조명 장치는, 램프, 해드 램프, 또는 가로등 등을 포함할 수 있다.
표시 장치는 바텀 커버, 반사판, 발광 모듈, 도광판, 광학 시트, 디스플레이 패널, 화상 신호 출력 회로 및 컬러 필터를 포함할 수 있다. 바텀 커버, 반사판, 발광 모듈, 도광판 및 광학 시트는 백라이트 유닛(Backlight Unit)을 구성할 수 있다.
반사판은 바텀 커버 상에 배치되고, 발광 모듈은 광을 방출할 수 있다. 도광판은 반사판의 전방에 배치되어 발광 모듈에서 발산되는 빛을 전방으로 안내하고, 광학 시트는 프리즘 시트 등을 포함하여 이루어져 도광판의 전방에 배치될 수 있다. 디스플레이 패널은 광학 시트 전방에 배치되고, 화상 신호 출력 회로는 디스플레이 패널에 화상 신호를 공급하며, 컬러 필터는 디스플레이 패널의 전방에 배치될 수 있다.
반도체 소자는 표시장치의 백라이트 유닛으로 사용될 때 에지 타입의 백라이트 유닛으로 사용되거나 직하 타입의 백라이트 유닛으로 사용될 수 있다.
반도체 소자는 상술한 발광 다이오드 외에 레이저 다이오드일 수도 있다.
레이저 다이오드는, 발광소자와 동일하게, 상술한 구조의 제1 도전형 반도체층과 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함할 수 있다. 그리고, p-형의 제1 도전형 반도체와 n-형의 제2 도전형 반도체를 접합시킨 뒤 전류를 흘러주었을 때 빛이 방출되는 electro-luminescence(전계발광) 현상을 이용하나, 방출되는 광의 방향성과 위상에서 차이점이 있다. 즉, 레이저 다이오드는 여기 방출(stimulated emission)이라는 현상과 보강간섭 현상 등을 이용하여 하나의 특정한 파장(단색광, monochromatic beam)을 가지는 빛이 동일한 위상을 가지고 동일한 방향으로 방출될 수 있으며, 이러한 특성으로 인하여 광통신이나 의료용 장비 및 반도체 공정 장비 등에 사용될 수 있다.
수광 소자로는 빛을 검출하여 그 강도를 전기 신호로 변환하는 일종의 트랜스듀서인 광 검출기(photodetector)를 예로 들 수 있다. 이러한 광 검출기로서, 광전지(실리콘, 셀렌), 광 출력전 소자(황화 카드뮴, 셀렌화 카드뮴), 포토 다이오드(예를 들어, visible blind spectral region이나 true blind spectral region에서 피크 파장을 갖는 PD), 포토 트랜지스터, 광전자 증배관, 광전관(진공, 가스 봉입), IR(Infra-Red) 검출기 등이 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다.
또한, 광검출기와 같은 반도체 소자는 일반적으로 광변환 효율이 우수한 직접 천이 반도체(direct bandgap semiconductor)를 이용하여 제작될 수 있다. 또는, 광검출기는 구조가 다양하여 가장 일반적인 구조로는 p-n 접합을 이용하는 pin형 광검출기와, 쇼트키접합(Schottky junction)을 이용하는 쇼트키형 광검출기와, MSM(Metal Semiconductor Metal)형 광검출기 등이 있다.
포토 다이오드(Photodiode)는 발광소자와 동일하게, 상술한 구조의 제1 도전형 반도체층과 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함할 수 있고, pn접합 또는 pin 구조로 이루어진다. 포토 다이오드는 역바이어스 혹은 제로바이어스를 가하여 동작하게 되며, 광이 포토 다이오드에 입사되면 전자와 정공이 생성되어 전류가 흐른다. 이때 전류의 크기는 포토 다이오드에 입사되는 광의 강도에 거의 비례할 수 있다.
광전지 또는 태양 전지(solar cell)는 포토 다이오드의 일종으로, 광을 전류로 변환할 수 있다. 태양 전지는, 발광소자와 동일하게, 상술한 구조의 제1 도전형 반도체층과 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함할 수 있다.
또한, p-n 접합을 이용한 일반적인 다이오드의 정류 특성을 통하여 전자 회로의 정류기로 이용될 수도 있으며, 초고주파 회로에 적용되어 발진 회로 등에 적용될 수 있다.
또한, 상술한 반도체 소자는 반드시 반도체로만 구현되지 않으며 경우에 따라 금속 물질을 더 포함할 수도 있다. 예를 들어, 수광 소자와 같은 반도체 소자는 Ag, Al, Au, In, Ga, N, Zn, Se, P, 또는 As 중 적어도 하나를 이용하여 구현될 수 있으며, p형이나 n형 도펀트에 의해 도핑된 반도체 물질이나 진성 반도체 물질을 이용하여 구현될 수도 있다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (20)

  1. 제1면;
    상기 제1면 상에 배치되는 제2면;
    상기 제1면의 하부로 돌출되는 돌출부;
    상기 돌출부의 저면에서 상기 제2면을 향해 형성된 제1리세스; 및
    상기 제1리세스 상에 배치된 제2리세스를 포함하고,
    상기 제1리세스와 상기 제2리세스의 곡률은 상이하고,
    상기 돌출부의 저면에서 상기 제1면까지의 수직 거리와 상기 돌출부의 저면에서 상기 제1리세스와 제2리세스 사이의 경계까지의 수직 거리의 비는 1:0.6 내지 1:2인 광학렌즈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 돌출부의 저면에서 상기 제2리세스까지의 수직 거리와 상기 경계와 상기 제1면 사이의 수직거리의 비는 1:0.2 내지 1:0.5인 광학렌즈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 돌출부의 저면에서 상기 경계까지의 수직 거리와 상기 돌출부의 저면에서 상기 제2리세스까지의 수직 거리의 비는 1:1.6 내지 1:3.2인 광학렌즈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1리세스의 최대 직경은 상기 제2리세스의 최대 직경보다 큰 광학렌즈.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2리세스의 최대 직경과 상기 제1리세스의 최대 직경의 비는 1:1.2 내지 1:1.6인 광학렌즈.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2리세스의 최대 반지름과 상기 제1리세스의 최대 반지름의 차는 상기 돌출부의 저면에서 상기 경계까지의 수직 거리의 0.5배 내지 2.3배인 광학렌즈.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1면에서 상기 경계까지의 높이와 상기 돌출부의 저면에서 상기 경계까지의 높이의 비는 1:3 내지 1:10인 광학렌즈.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 돌출부의 저면에서 상기 제1리세스까지의 수직 거리와 상기 제1리세스의 최대 직경의 비는 1:1.5 내지 1:3인 광학렌즈.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제2리세스의 최대 직경과 상기 돌출부의 수평방향 최소 거리의 비는 1:1.1 내지 1:5인 광학렌즈.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 돌출부는 서로 마주보는 제1측면과 제3측면, 서로 마주보는 제2측면과 제4측면, 상기 제1측면과 제2측면이 이루는 제1모서리부, 상기 제2측면과 제3측면이 이루는 제2모서리부, 상기 제3측면과 상기 제4측면이 이루는 제3모서리부, 및 상기 제4측면과 제1측면이 이루는 제4모서리부를 포함하고,
    상기 제1 내지 제4모서리부는 평면상 상기 제1면의 외측에 배치되는 광학렌즈.
  11. 캐비티를 갖는 몸체;
    상기 캐비티 상에 배치되는 반도체 소자; 및
    상기 캐비티 상에 배치되는 광학렌즈를 포함하고,
    상기 반도체 소자는 자외선 파장대의 광을 출력하고,
    상기 광학렌즈는,
    제1면;
    상기 제1면 상에 배치되는 제2면;
    상기 제1면의 하부로 돌출되는 돌출부;
    상기 돌출부의 저면에서 상기 제1면을 향해 형성된 제1리세스; 및
    상기 제1리세스에서 상기 제1면을 향해 형성된 제2리세스를 포함하고,
    상기 제1리세스와 상기 제2리세스의 곡률은 상이하고,
    상기 돌출부의 저면에서 상기 제1면까지의 수직 거리와 상기 돌출부의 저면에서 상기 제1리세스와 제2리세스 사이의 경계까지의 수직 거리의 비는 1:0.6 내지 1:2인 반도체 소자 패키지.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 반도체 소자의 수평 방향 폭과 상기 제1리세스의 최대 직경의 비는 1:1.5 내지 1:2.5인 반도체 소자 패키지.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 돌출부의 저면에서 상기 제2리세스까지의 수직 거리와 상기 경계와 상기 제1면 사이의 수직거리의 비는 1:0.2 내지 1:0.5인 반도체 소자 패키지.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 돌출부의 저면에서 상기 경계까지의 수직 거리와 상기 돌출부의 저면에서 상기 제2리세스까지의 수직 거리의 비는 1:1.6 내지 1:3.2인 반도체 소자 패키지.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 제2리세스의 최대 직경과 상기 제1리세스의 최대 직경의 비는 1:1.2 내지 1:1.6인 반도체 소자 패키지.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 제2리세스의 최대 직경과 상기 제1리세스의 최대 직경의 차는 상기 경계의 높이의 0.5배 내지 2.3배인 반도체 소자 패키지.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 제1면에서 상기 경계까지의 높이와 상기 돌출부의 저면에서 상기 경계까지의 높이의 비는 1:3 내지 1:10인 반도체 소자 패키지.
  18. 제11항에 있어서,
    상기 돌출부의 저면에서 상기 제1리세스까지의 수직 거리와 상기 제1리세스의 최대 직경의 비는 1:1.5 내지 1:3인 반도체 소자 패키지.
  19. 제11항에 있어서,
    상기 제2리세스의 최대 직경과 상기 돌출부의 수평방향 최소 거리의 비는 1:1.1 내지 1:6인 반도체 소자 패키지.
  20. 제11항에 있어서,
    상기 돌출부는 서로 마주보는 제1측면과 제3측면, 서로 마주보는 제2측면과 제4측면, 상기 제1측면과 제2측면이 이루는 제1모서리부, 상기 제2측면과 제3측면이 이루는 제2모서리부, 상기 제3측면과 상기 제4측면이 이루는 제3모서리부, 및 상기 제4측면과 제1측면이 이루는 제4모서리부를 포함하고,
    상기 제1 내지 제4모서리부는 평면상 상기 제1면의 외측에 배치되는 반도체 소자 패키지.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US20170084802A1 (en) * 2015-09-23 2017-03-23 Hon Hai Precision Industry Co., Ltd. Optical lens for light emitting diode device

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