KR20200027269A - 발광 소자 패키지 - Google Patents

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KR20200027269A
KR20200027269A KR1020180105357A KR20180105357A KR20200027269A KR 20200027269 A KR20200027269 A KR 20200027269A KR 1020180105357 A KR1020180105357 A KR 1020180105357A KR 20180105357 A KR20180105357 A KR 20180105357A KR 20200027269 A KR20200027269 A KR 20200027269A
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성준석
정재훈
성기범
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엘지이노텍 주식회사
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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 발광 소자 패키지는 플레이트 형상의 몸체, 상기 몸체의 상부에 실장되며, 광을 방출하는 반도체 소자, 상기 몸체의 상부에 배치되며, 상기 반도체 소자가 배치되는 캐비티를 포함하는 투광층, 상기 몸체에 상기 투광층을 고정시키는 접착층, 그리고 상기 몸체의 하부에 배치되는 전극을 포함한다.

Description

발광 소자 패키지{LIGHT-EMTTING DEVICE PACKAGE}
실시 예는 발광 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, 높은 안전성, 높은 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, 높은 안전성, 높은 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.
도 1은 종래 자외선 발광 소자 패키지의 일례를 나타낸다.
도 1에 도시된 것처럼 종래 자외선 발광 소자 패키지는 몸체(10), 반도체 소자(20) 및 투광층(30)을 포함한다. 이때, 몸체(10)는 일면에 형성된 캐비티를 포함할 수 있다. 캐비티는 반도체 소자(20)가 배치되는 제1 캐비티와 제1 캐비티보다 직경이 큰 제2 캐비티로 구성된다. 제2 캐비티에는 플레이트 형태의 투광층(30)이 배치될 수 있다.
하지만, 도 1에 도시된 종래 발광 소자 패키지의 경우, 몸체(10)에 캐비티가 구성되므로, 반도체 소자(20)의 측면으로 발광하는 빛은 몸체(10)에 의해 막히게 되므로 발광 소자 패키지의 발광면적이 작아지는 문제점이 있다.
도 2는 도 1의 발광 소자 패키지를 제조하는 과정을 나타낸다.
발광 소자 패키지의 제조 과정을 간략히 살펴보면, 우선, 도 2의 (a)와 같이, 복수의 몸체(10)가 연결된 패키지 기판에 단위 몸체(10)별로 캐비티를 형성하고, 각각의 제1 캐비티에 반도체 소자(20)를 실장한다. 그리고, 도 2의 (b)와 같이, 각각의 제2 캐비티에 투광층(30)을 각각 배치한 후 단위 몸체(10)별로 절단하여 발광 소자 패키지를 제조하게 된다.
하지만, 몸체(10)에 캐비티를 형성한 후 투광층(30)을 덮게 되므로 발광소자와 투광층(30) 사이에 공기층이 형성되어 광특성이 저하되고, 제조 공정이 복잡하고, 제조 시간 및 비용이 늘어나는 문제점이 있다.
따라서, 종래 발광 소자 패키지의 문제점들을 해결하기 위한 새로운 발광 소자 패키지가 요구된다.
실시 예는 발광 소자 패키지를 제공한다.
또한, 광특성이 우수한 발광소자를 제공한다.
또한, 제조 공정 효율이 우수한 발광소자를 제공한다.
실시 예에서 해결하고자 하는 과제는 이에 한정되는 것은 아니며, 아래에서 설명하는 과제의 해결수단이나 실시 형태로부터 파악될 수 있는 목적이나 효과도 포함된다고 할 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 발광 소자 패키지는 플레이트 형상의 몸체, 상기 몸체의 상부에 실장되며, 광을 방출하는 반도체 소자, 상기 몸체의 상부에 배치되며, 상기 반도체 소자가 배치되는 캐비티를 포함하는 투광층, 상기 몸체에 상기 투광층을 고정시키는 접착층, 그리고 상기 몸체의 하부에 배치되는 전극을 포함한다.
상기 캐비티의 깊이와 상기 접착층의 높이의 합은 상기 반도체 소자의 높이보다 크거나 같을 수 있다.
상기 반도체 소자의 상부면과 상기 투광층의 하부면이 접합할 수 있다.
상기 접착층은, 열압착을 통해 생성되되, 상기 투광층과 접촉하는 상기 몸체가 용융되어 생성될 수 있다.
상기 반도체 소자는, 상부면에 사파이어 층이 배치될 수 있다.
상기 투광층은, 무기 재료를 통해 구현될 수 있다.
상기 무기 재료는, 플루오르네이티드 에틸렌-프로필렌(fluorinated ethylene-propylene, FEP), 테트라플루오로에틸렌 헥사플루오로프로필렌 비닐리덴플루오라이드(Tetra fluoro ethylene Hexa fluoro propylene Vinylidene fluoride, THV) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 반도체 소자는, 자외선 파장대의 광을 방출할 수 있다.
실시 예에 따르면, 공기층에 의한 광특성 저하를 최소화할 수 있는 발광 소자 패키지를 제작할 수 있다.
또한, 발광 소자 패키지의 제작 공정을 간소화하고 제작 공정에 소요되는 비용을 줄일 수 있다.
또한, 투광층의 광 투과 면적을 늘릴 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 종래 자외선 발광 소자 패키지의 일례를 나타낸다.
도 2는 도 1의 발광 소자 패키지를 제조하는 과정을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 발광 소자 패키지의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 발광 소자 패키지의 변형예를 나타낸 단면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 발광 소자 패키지의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
다만, 본 발명의 기술 사상은 설명되는 일부 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 본 발명의 기술 사상 범위 내에서라면, 실시 예들간 그 구성 요소들 중 하나 이상을 선택적으로 결합, 치환하여 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용되는 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는, 명백하게 특별히 정의되어 기술되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일반적으로 이해될 수 있는 의미로 해석될 수 있으며, 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미를 고려하여 그 의미를 해석할 수 있을 것이다.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함할 수 있고, “A 및(와) B, C 중 적어도 하나(또는 한 개 이상)”로 기재되는 경우 A, B, C로 조합할 수 있는 모든 조합 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다.
이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등으로 한정되지 않는다.
그리고, 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 ‘연결’, ‘결합’ 또는 ‘접속’된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결, 결합 또는 접속되는 경우뿐만 아니라, 그 구성 요소와 그 다른 구성 요소 사이에 있는 또 다른 구성 요소로 인해 ‘연결’, ‘결합’ 또는 ‘접속’ 되는 경우도 포함할 수 있다.
또한, 각 구성 요소의 “상(위) 또는 하(아래)”에 형성 또는 배치되는 것으로 기재되는 경우, 상(위) 또는 하(아래)는 두 개의 구성 요소들이 서로 직접 접촉되는 경우뿐만 아니라 하나 이상의 또 다른 구성 요소가 두 개의 구성 요소들 사이에 형성 또는 배치되는 경우도 포함한다. 또한, “상(위) 또는 하(아래)”으로 표현되는 경우 하나의 구성 요소를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 발광 소자 패키지의 사시도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 단면도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 발광 소자 패키지(100)는 몸체(110), 반도체 소자(120), 투광층(130), 접착층(140) 및 전극(150)을 포함한다.
몸체(110)는 플레이트 형상으로 구현된다. 몸체(110)의 상부와 하부에는 반도체 소자(120), 투광층(130), 전극(150)이 배치될 수 있다.
몸체(110)는 절연재질로 저온 소성 세라믹(low temperature co-fired ceramic, LTCC) 또는 고온 소성 세라믹(high temperature co-fired ceramic, HTCC) 등을 포함할 수 있다. 또한, 몸체(110)는 수지계열의 절연 물질 예컨대, 리프탈아미드(Polyphthalamide, PPA)와 같은 수지 재질로 형성될 수 있다. 또한 몸체(110)는 실리콘, 또는 에폭시 수지, 또는 플라스틱 재질을 포함하는 열경화성 수지, 또는 고내열성, 고내광성 재질로 형성될 수 있다. 그리고, 몸체(110)는 금속화합물로 질화알루미늄(AlN) 또는 알루미나(Al2O3) 등을 포함할 수 있으며, 열 전도도가 140 W/mK 이상인 금속 산화물을 포함할 수 있다. 또한, 몸체(110)는 산화 방지제, 광 반사재, 무기 충전재, 경화 촉매, 광 안정제, 윤활제, 이산화티탄 중에서 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.
몸체(110)는 알루미늄 기판을 가공하여 제작할 수 있다. 따라서, 실시 예에 따른 몸체(110)는 내면과 외면이 모두 전도성을 가질 수 있다. 이러한 구조는 다양한 이점을 가질 수 있다. AlN, Al2O3와 같은 비절연성 재질을 몸체(110)로 사용하는 경우, 자외선 파장대에서 반사율이 20% 내지 40%에 불과하므로 별도의 반사부재를 배치해야 하는 문제가 있다. 또한, 리드 프레임과 같은 별도의 전도성 부재 및 회로 패턴을 필요로 한다. 따라서, 제작 비용이 상승하고 공정이 복잡해지는 문제가 있다. 또한, 금(Au)과 같은 도전성 부재는 자외선을 흡수하여 광 추출 효율이 감소하는 문제가 있다. 그러나, 실시 예에 따르면, 몸체(110) 자체가 알루미늄으로 구성되므로 자외선 파장대에서 반사율이 높아 별도의 반사부재를 생략할 수 있다. 또한, 몸체(110) 자체가 도전성이 있으므로 별도의 회로패턴 및 리드 프레임을 생략할 수 있다. 또한, 알루미늄으로 제작되므로 열전도성이 140 내지 160W/m.k로 우수할 수 있다. 따라서, 열 방출 효율도 향상될 수 있다.
반도체 소자(120)는 몸체(110)의 상부에 실장된다. 즉, 반도체 소자(120)는 몸체(110)의 상부면에 배치된다.
반도체 소자(120)는 광을 방출한다. 구체적으로, 반도체 소자(120)는 자외선 파장대의 광을 방출할 수 있다. 예시적으로 반도체 소자(120)는 근자외선 파장대의 광(UV-A)을 출력할 수도 있고, 원자외선 파장대의 광(UV-B)을 출력할 수 도 있고, 심자외선 파장대의 광(UVC)을 출력할 수 있다. 예시적으로, 근자외선 파장대의 광(UV-A)는 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.
반도체 소자(120)는 상부면에 사파이어 층이 배치될 수 있다. 실시 예에 따른 반도체 소자(120)는 플립칩 구조로 구현될 수 있으며, 기판, 제1 도전형 반도체층, 활성층, 및 제2 도전형 반도체층을 포함할 수 있다. 각 반도체층은 자외선 파장대의 광을 방출할 수 있도록 알루미늄 조성을 가질 수 있다. 파장범위는 제1 도전형 반도체층, 활성층, 및 제2 도전형 반도체층을 포함하는 발광구조물의 Al의 조성비에 의해 결정될 수 있다.
기판은 전도성 기판 또는 절연성 기판를 포함한다. 기판은 반도체 물질 성장에 적합한 물질이나 캐리어 웨이퍼일 수 있다. 기판은 사파이어(Al2O3), SiC, GaAs, GaN, ZnO, Si, GaP, InP 및 Ge 중 선택된 물질로 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
제1 도전형 반도체층과 기판 사이에는 버퍼층(미도시)이 더 구비될 수 있다. 버퍼층은 기판 상에 구비된 발광 구조물과 기판의 격자 부정합을 완화할 수 있다.
제1 도전형 반도체층은 Ⅲ-Ⅴ족, Ⅱ-Ⅵ족 등의 화합물 반도체로 구현될 수 있으며, 제1 도전형 반도체층에 제1도펀트가 도핑될 수 있다. 제1 도전형 반도체층은 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 반도체층은 n형 반도체층일 수 있다.
활성층은 제1 도전형 반도체층을 통해서 주입되는 전자(또는 정공)와 제2 도전형 반도체층을 통해서 주입되는 정공(또는 전자)이 만나는 층이다. 활성층은 전자와 정공이 재결합함에 따라 낮은 에너지 준위로 천이하며, 그에 상응하는 파장을 가지는 빛을 생성할 수 있다. 활성층은 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, 활성층의 구조는 이에 한정하지 않는다.
제2 도전형 반도체층은 활성층 상에 형성되며, Ⅲ-Ⅴ족, Ⅱ-Ⅵ족 등의 화합물 반도체로 구현될 수 있으며, 제2 도전형 반도체층에 제2도펀트가 도핑될 수 있다. 제2 도전형 반도체층은 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, 제2 도펀트가 도핑된 제2 도전형 반도체층은 p형 반도체층일 수 있다.
반도체 소자(120)는 상기에서 설명된 플립칩(flip-chip) 구조에 한정되는 것은 아니며, 레터럴칩(lateral chip) 구조 또는 버티컬칩(vertical chip) 구조로 구현될 수도 있다.
투광층(130)은 몸체(110)의 상부에 배치되며, 반도체 소자(120)가 배치되는 캐비티를 포함한다. 즉, 투광층(130)은 몸체(110)와 결합하는 하부면에 캐비티가 형성된 캡(cap) 형상으로 구현될 수 있다. 캐비티에는 반도체 소자(120)가 배치되므로, 캐비티의 폭은 반도체 소자(120)의 폭보다 크거나 같을 수 있다. 또한, 캐비티의 깊이와 접착층(140)의 높이의 합은 반도체 소자(120)의 높이보다 크거나 같을 수 있다. 이러한 투광층(130)의 구조에 따르면, 투광층(130)이 반도체 소자(120)의 상부면과 측면을 감싸는 형태가 되므로, 반도체 소자(120)가 방출한 광은 투광층(130)의 상부면 뿐만 아니라 측면을 통해서도 출력될 수 있다. 따라서, 발광 소자 패키지(100)의 발광면적을 높일 수 있는 장점이 있다.
투광층(130)은 무기 재료를 통해 구현될 수 있으며, 자외선 파장대의 광을 투과할 수 있는 재질로 구현될 수 있고, 자외선 광에 대한 내성이 높은 재질로 구현될 수 있다. 일반적인 실리콘 수지 등은 자외선 광을 흡수하면 라디칼이 발생하여 크랙이 발생허거나 열화될 수 있으나, 본 발명의 실시예에 따른 투광층(130)의 무기 재료를 불소계 수지(fluorine polymer)로 구현함으로써 이러한 문제를 해결할 수 있다. 불소계 수지는 270nm 내지 280nm의 자외선 광의 흡수가 거의 없으며, C-F 결합(탄소 플로오르 결합) 강도가 라디칼의 에너지보다 커서 자외선 광에 영향을 받지 않으면서 C-C 결합(탄소 탄소 결합)을 보호하는 역할을 수행할 있다
무기 재료는 폴리테트라 플루오로에틸렌(Polytetrafluoroethylene, PTFE), 폴리클로로트리플루오로에틸렌(Poly Chloro Tri Fluoro Ethylene, PCTFE), 폴리플루오린화비닐리덴(Polyvinylidene fluoride, PVDF), 클로로트리플루오르에틸렌 (Ethylene chlorotrifluoroethylene, ECTFE), 에틸렌테트라플루오르에틸렌ETFE (Ethylene Tetra fluoro Ethylene), 퍼플루오르알콕시(perfluoroalkoxy, PFA), 플루오르네이티드 에틸렌-프로필렌(fluorinated ethylene-propylene, FEP), 테트라플루오로에틸렌 헥사플루오로프로필렌 비닐리덴플루오라이드(Tetra fluoro ethylene Hexa fluoro propylene Vinylidene fluoride, THV) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
하기 표 1은 상기 불소계 수지의 녹는점, 반사율, 경도, 열팽창계수, 및 280nm의 자외선 광에서의 투과율을 측정한 표이다.
PTFE PCTFE PVDF ECTFE ETFE PFA FEP(HFP) THV
Melting Point(℃) 342 210 210 242 267 315 275 225
Refractive Index 1.35 1.43 1.42 1.44 1.34 1.35 1.34 1.35
Hardness(Shore D) 65 90 82 75 72 60 60 60
CTE(ppm/K) 180 70 144 100 90 120 100 110
Transmittance(%)(250㎛, 280nm) 0 85.3 42.4 65.7 66.4 83.5 87.6 77.5
280nm의 자외선 광에서 투과율이 70%를 넘는 경우 반도체 소자의 투광 부재로서 기능할 수 있다. 280nm의 자외선 광에서 투과율이 70% 미만인 경우 투광층으로 인한 광 손실이 커져 광도가 저하되는 문제가 있다. 상기 표 1을 참조하면, 폴리테트라 플루오로에틸렌(Polytetrafluoroethylene, PTFE)는 녹는점과 열팽창계수는 우수하나, 280nm의 자외선 광에서 투과율이 0%이므로 자외선 반도체 소자의 투광층으로 부적합함을 알 수 있다.
폴리클로로트리플루오로에틸렌(Poly Chloro Tri Fluoro Ethylene, PCTFE)은 280nm의 자외선 광에서 투과율이 85.3%로 상대적으로 높으므로 자외선 반도체 소자용 투광층으로 적합할 수 있다.
폴리플루오린화비닐리덴(Polyvinylidene fluoride, PVDF)은 280nm의 자외선 광에서 투과율이 42.4%로 낮아 자외선 반도체 소자용 투광층으로 부적합함을 알 수 있다.
클로로트리플루오르에틸렌 (Ethylene chlorotrifluoroethylene, ECTFE)와 에틸렌테트라플루오르에틸렌 (Ethylene Tetra fluoro Ethylene, ETFE)는 각각 280nm의 자외선 광에서 투과율이 65.7%와 66.4%로 낮아 자외선 반도체 소자용 투광층(130)로 부적합함을 알 수 있다.
이에 반해, 퍼플루오르알콕시(perfluoroalkoxy, PFA), 플루오르네이티드 에틸렌-프로필렌(fluorinated ethylene-propylene, FEP), 테트라플루오로에틸렌 헥사플루오로프로필렌 비닐리덴플루오라이드(Tetra fluoro ethylene Hexa fluoro propylene Vinylidene fluoride, THV)는 280nm의 자외선 광에서 투과율이 70%를 넘으므로 자외선 반도체 소자용 투광층(130)으로 적합함을 알 수 있다.
불소계 수지는 불소 함량이 50% 이상인 경우 자외선에 대한 내성이 커질 수 있다. 그러나, 불수의 함량의 높아지면 접착력이 약해지는 문제가 발생할 수 있다. C와 F의 결합 에너지가 높아 자외선에 대한 내성은 커지나 다른 재료와의 결합력은 상대적으로 낮아지기 때문이다. 접착력이 약해지면 기판에서 박리될 가능성이 높아져 신뢰성에 문제가 발생할 수 있다.
하기 표 2는 불소계 수지의 접착력을 측정한 표이다. 접착력은 표 2의 불소계 수지들을 기준으로 9단계로 구분하여 표시하였다. 접착력이 가장 높은 것은 9로 표시하고 접착력이 가장 낮은 것은 1로 표시하였다.
Fluoropolymer PTFE PCTFE PVDF ECTFE ETFE PFA FEP(HFP) THV
접착력 1 1 9 1 3 1 3 9
폴리클로로트리플루오로에틸렌(Poly Chloro Tri Fluoro Ethylene, PCTFE)은 280nm의 자외선 광에서 투과율이 85.3%로 상대적으로 높았으나 접착력이 낮아 부적합함을 알 수 있다.폴리플루오린화비닐리덴(Polyvinylidene fluoride, PVDF)은 접착력이 우수하나 280nm의 자외선 광에서 투과율이 낮아 부적합함을 알 수 있다.
테트라플루오로에틸렌 헥사플루오로프로필렌 비닐리덴플루오라이드(Tetra fluoro ethylene Hexa fluoro propylene Vinylidene fluoride, THV)는 280nm의 자외선 광에서 투과율이 70%를 넘고 부착력도 우수하므로 본 실시 예의 투광층으로 적합함을 알 수 있다.
실시 예에 따르면 비닐리덴플루오로라이드(VDF)는 전체 수지 함량의 10% 내지 80%로 포함될 수 있다. 비닐리덴플루오로라이드(VDF)의 함량이 10% 이하인 경우에는 수소가 적어 기판과의 접착력이 약해지는 문제가 있으며, 함량이 80% 보다 커지는 경우 열에 약해지는 문제가 있다.
또한, 비닐리덴플루오로라이드(VDF)와 헥사플루오로프로필렌(HFP)의 중량비는 1:0.75 내지 1:1일 수 있다. 중량비가 1:0.75 내지 1:1을 만족하는 경우 VDF의 수소 함량을 절절하게 유지할 수 있어 접착력을 개선할 수 있다.
THV 수지의 경우 비닐리덴플루오로라이드(VDF)는 80 중량% 내지 10중량%일 수 있고, 헥사플루오로프로필렌(HFP)는 60 중량% 내지 10중량%일 수 있고, 테트라플루오로에틸렌(TFE)는 50 중량% 내지 0중량%일 수 있다.
자외선에 대한 내성은 플로우르(F)의 함량이 중요한 인자이며 접착력은 수소(H)가 중요한 인자일 수 있다. 따라서, 자외선 반도체 소자의 수지로 사용되기 위해서는 적정한 플로우르(F)와 수소(H)의 비율을 제어하는 것이 중요할 수 있다.
이때, 불소계 수지들은 브롬(Br) 또는 요오드(I)를 포함할 수 있다. 불소계 수지에 브롬(Br) 또는 요오드(I)가 포함되는 경우 탄소와의 결합력이 상대적으로 약하여 쉽게 경화될 수 있다. 이때, 브롬(Br) 또는 요오드(I)의 중량%는 수소의 중량%보다 작을 수 있다. 브롬(Br) 또는 요오드(I)가 수소의 중량%보다 많을 경우 경화시 수지가 과도하게 수축되어 크랙이 발생할 수 있다. 또한, 수소의 자리에 브롬(Br) 또는 요오드(I)가 치환되므로 수소의 함량이 줄어들어 접착력이 저하될 수 있다.
실시 예에 따르면, 경화 후의 플로우르(F)와 수소(H)의 중량비는 1:0.0140~1:0.0302일 수 있다. 중량비가 0.0140미만인 경우 수소의 함량이 낮아져 충분한 접착력을 확보하기 어려운 문제가 있으며, 중량비가 0.0302을 초과하는 경우 플로우르(F)의 함량이 낮아져 자외선 내성이 약해지는 문제가 발생할 수 있다.
불소계 수지의 플로우르(F)와 수소(H)의 중량비는 경화 과정에서 제어될 수도 있다. 실시 예에 따르면, 테트라플루오로에틸렌 헥사플루오로프로필렌 비닐리덴플루오라이드(Tetra fluoro ethylene Hexa fluoro propylene Vinylidene fluoride, THV)는 광 또는 전자에 의해 경화될 수 있다. 예시적으로 전자빔 조사에 의해 가교 결합(Cross-linking)을 할 수 있다.
이때, 불소계 수지에 조사되는 전자빔 흡수선량(absorbed dose)은 150 kGy 내지 200 kGy로 조절될 수 있다. 전자빔 흡수선량이 150kGy 보다 적으면 경화가 되지 않아 부착강도가 낮으며, 200kGy 보다 높으면 경화 밀도가 높아져 수축하거나, 크랙이 발생할 수 있다.
THV 수지에 전자빔을 조사하면 하기 반응식 1과 같이 수소의 일부가 탈리될 수 있다. 이후 반응식 2와 같이 수소가 탈리된 부분에서 C-C 결합이 형성될 수 있다. 따라서, 온도 저항성이 증가하고 화학적 내구성이 증가할 수 있다.
[반응식 1]
Figure pat00001
[반응식 2]
Figure pat00002
하기 표 3은 불소계 수지에 전자빔을 조사한 후 플루오르의 중량과 수소의 중량을 측정한 표이다. 플루오르의 중량과 수소의 중량은 다양한 측정 방법을 이용할 수 있다. 예시적으로 플루오르의 중량과 수소의 중량은 EDS, EDAX(Energy dispersive X ray Analysis), NMR(nuclear magnetic resonance), XPS(X-ray photoelectron spectroscopy) 등 다양한 장비 등을 이용하여 측정할 수 있으나 계측장비는 이에 한정하지 않는다.
Polymer
Monomer VDF/HFP TFE/HFP/VDF TFE/P VDF/TFE/PMVE FEP
Cure 전 % F 66 70 56 67 74
% H 2 1 4 1 0
Cure 후 % F 66 70 55 67 74
% H 1.99 0.99 3.5 0.99 0
UV 내성 (1000hr@275nm) Good Good Fail Good Good
접착력(Kgf/mm) 1.2 1.0 1.8 1.2 0.4
플로우르(F)와 수소(H)의 중량비 0.0302 0.0140 0.0636
 0.0148
 0
상기 표 3을 참조하면 전자빔 조사한 이후에 수소의 중량%가 줄어들었음을 확인할 수 있다. 이는 전자빔 조사에 의해 수소의 일부가 탈리하였기 때문이다.경화를 위해 전자빔 조사 시간이 너무 길어지는 경우 상대적으로 많은 수소가 탈리되어 접착력이 낮아질 수 있다. 또한, 전자빔 조사 시간이 너무 짧은 경우 경화가 완료되지 않을 수 있다.
표 3을 참조하면, 경화 후의 플로우르(F)와 수소(H)의 중량비가 0.0140미만인 경우 수소의 함량이 낮아져 충분한 접착력을 확보하기 어려운 문제가 있으며, 중량비가 0.0302을 초과하는 경우 플로우르(F)의 함량이 낮아져 자외선 내성이 약해지는 문제가 있음을 알 수 있다.
투광층(130)는 반도체 소자(120)를 충분히 덮을 만큼의 두께를 가질 수 있다. 기판의 상면에서 반도체 소자(120)의 상면까지의 거리(d2)와 기판의 상면에서 투광층(130)의 상면까지의 거리(d3)의 비(d2:d3)는 1:1.5 내지 1:2.5일 수 있다. 거리의 비가 1:1.5 보다 작은 경우 투광층(130)의 두께가 너무 얇아져 공정 불량이 발생하거나 장기간 반도체 소자 패키지를 사용할 경우 일부 영역에서 반도체 소자(20)가 노출될 수 있으며, 거리의 비가 1:2.5보다 큰 경우 투광층(130)이 너무 두꺼워져 광 출력이 저하될 수 있다. 예시적으로 반도체 소자(120)의 두께는 250um이고 투광층(130)의 두께는 300um일 수 있으나 이에 한정하지 않는다.
기판의 상면에서 반도체 소자(120)의 상면까지의 거리(d2)와 반도체 소자(120)의 상면에서 투광층(130)의 상면까지의 거리(d1)의 비(d2:d1)는 1:0.5 내지 1:1.5일 수 있다. 거리비가 1:0.5 보다 작은 경우 투광층(130)의 두께가 너무 얇아져 기판 상면에서 박리될 위험이 있다. 또한, 거리비가 1:1.5보다 커지는 경우에는 투광층(130)의 두께가 너무 두꺼워져 광 출력이 저하되는 문제가 있다.
접착층(140)은 몸체(110)에 투광층(130)을 고정시킨다. 투광층(130)에는 하부면에 캐비티가 형성되어 있으므로, 접착층(140)은 몸체(110)와 투광층(130)이 맞닿는 부분을 따라 형성될 수 있다.
접착층(140)은 열압착을 통해 생성될 수 있다. 구체적으로, 접착층(140)은 열압착을 통해 몸체(110)와 투광층(130)의 접촉부위가 용융되어 생성될 수 있다. 이때, 열압착은 투광층(130)의 융점 이하의 온도에서 수행될 수 있다.
종래 발광 소자 패키지(100)에서 부품간 결합을 위해 이용하던 유기 본딩재료를 사용하지 않고, 투광층(130)을 용융시켜 접착층(140)을 형성하므로, 접착층(140)은 반도체 소자(120)가 방출하는 광을 통과시킬 수 있다. 따라서, 발광 소자 패키지(100)의 발광면적을 증가시킬 수 있다.
또한, 반도체 소자(120)가 방출하는 광이 자외선 영역대의 광일 경우 자외선 광에 의해 유기 본딩재료가 분해되어 부품간 결합이 이탈될 수 있으나, 본 발명의 실시예에 따른 접착층(140)은 자외선 광에 내성이 강한 투광층(130)과 동일한 소재로 구성되므로 투광층(130)과 몸체(110)의 이탈을 방지할 수 있다.
전극(150)은 몸체(110)의 하부에 배치된다. 전극(150)은 몸체(110)를 통과하여 반도체 소자(120)에 전력을 공급할 수 있는 구조로 구현되거나 몸체(110)를 통과하는 도선을 통해 반도체 소자(120)에 전력을 공급할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 발광 소자 패키지의 변형예를 나타낸 단면도이다.
도 5에 도시된 발광 소자 패키지(100)는 도 4에 도시된 발광 소자 패키지(100)와 같이, 몸체(110), 반도체 소자(120), 투광층(130), 접착층(140) 및 전극(150)을 포함한다.
이때, 투광층(130)의 하부면은 반도체 소자(120)의 상부면과 접합할 수 있다. 이를 위해 투광층(130)에 형성된 캐비티의 높이와 접합층의 높이의 합은 반도체 소자(120)의 높이와 동일할 수 있다.
이와 같이, 투광층(130)의 하부면과 반도체 소자(120)의 상부면이 접합하게 되면, 반도체 소자(120)와 투광층(130) 사이에 공기층이 형성되지 않는다. 따라서, 반도체 소자(120)의 기판에서 방출되는 광이 공기층 통과없이 바로 투광층(130)을 통과하게 되는데, 이를 통해 공기층에 따른 광특성 저하를 없앨 수 있어 발광 소자 패키지(100)의 광특성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 발광 소자 패키지의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 6a를 참조하면, 하나의 몸체 기판(111) 상에 복수의 반도체 소자(120)와 복수의 전극(150)이 배치될 수 있다. 몸체 기판(111)은 본 발명의 실시예에 따른 발광 소자 패키지(100)의 몸체(110)에 해당할 수 있다.
복수의 반도체 소자(120)와 복수의 전극(150)이 일정한 간격으로 몸체 기판(111) 상에 배치되면, 투광층 기판(131)이 몸체 기판(111) 상부에 배치된다. 투광층 기판(131)에는 일정한 간격에 따라 복수의 캐비티가 형성된다. 이때, 캐비티의 개수와 몸체 기판(111) 상에 배치된 반도체 소자(120)의 개수는 동일할 수 있다.
몸체 기판(111) 위에 투광층 기판(131)을 배치한 후, 일정한 온도와 압력으로 열압착 공정이 진행된다. 열압착 공정을 통해 몸체 기판(111)과 맞닿은 투광층 기판(131)의 일부가 용융되어 접착층(140)이 생성된다.
도 6b를 참조하면, 접착층(140)이 생성되어 몸체 기판(111)과 투광층 기판(131)이 고정된 후, 접착된 몸체 기판(111)과 투광층 기판(131)을 패키지 단위로 다이싱(dicing)한다. 패키지 단위로 다이싱되면, 몸체(110), 반도체 소자(120), 투광층(130), 접착층(140) 및 전극(150)을 각각 포함하는 복수의 발광 소자 패키지(110)가 생성된다.
종래 발광 소자 패키지(100)에서는 몸체(110)에 캐비티가 포함되어 있어, 패키지 단위로 본딩재료를 도포하고 투광층(130)을 부착해야 하였다. 이에 따라, 공정의 개수가 많아지고 공정 처리 시간이 많이 소요됨에 따라, 비용이 증가하고 패키지 불량율이 높아지는 문제점이 있었다. 하지만, 본 발명의 실시예에 따른 발광 소자 패키지 제조 방법에 따르면, 몸체(110) 기판에 반도체 소자(120) 및 전극(150)을 배치한 후, 투광층(130) 기판을 접착하고 이를 패키지 단위로 다이싱하므로, 공정이 간소화된다. 따라서, 공정에서의 불량률 및 비용이 감소하고 제조 시간을 크게 줄일 수 있다.
발광 소자 패키지는 수지(resin)나 레지스트(resist)나 SOD 또는 SOG의 경화용 광원으로 사용될 수 있다. 또는, 발광 소자 패키지는 치료용 의료용으로 사용되거나 공기 청정기나 정수기 등의 살균에 사용될 수도 있다.
그러나 반드시 이에 한정하는 것은 아니고 상술한 발광 소자 패키지는 조명 시스템의 광원으로 사용될 수 있는데, 예를 들어 영상표시장치의 광원이나 조명 장치 등의 광원으로 사용될 수 있다.
영상표시장치의 백라이트 유닛으로 사용될 때 에지 타입의 백라이트 유닛으로 사용되거나 직하 타입의 백라이트 유닛으로 사용될 수 있고, 조명 장치의 광원으로 사용될 때 등기구나 벌브 타입으로 사용될 수도 있으며, 또한 이동 단말기의 광원으로 사용될 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.
100 : 발광 소자 패키지 110 : 몸체
120 : 반도체 소자 130 : 투광층
140 : 접착층 150 : 전극

Claims (8)

  1. 플레이트 형상의 몸체,
    상기 몸체의 상부에 실장되며, 광을 방출하는 반도체 소자,
    상기 몸체의 상부에 배치되며, 상기 반도체 소자가 배치되는 캐비티를 포함하는 투광층,
    상기 몸체에 상기 투광층을 고정시키는 접착층, 그리고
    상기 몸체의 하부에 배치되는 전극을 포함하는 발광 소자 패키지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 캐비티의 깊이와 상기 접착층의 높이의 합은 상기 반도체 소자의 높이보다 크거나 같은 발광 소자 패키지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 반도체 소자의 상부면과 상기 투광층의 하부면이 접합하는 발광 소자 패키지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 접착층은,
    열압착을 통해 생성되되, 상기 투광층과 접촉하는 상기 몸체가 용융되어 생성되는 발광 소자 패키지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 반도체 소자는,
    상부면에 사파이어 층이 배치되는 발광 소자 패키지.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 투광층은,
    무기 재료를 통해 구현되는 발광 소자 패키지.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 무기 재료는,
    플루오르네이티드 에틸렌-프로필렌(fluorinated ethylene-propylene, FEP), 테트라플루오로에틸렌 헥사플루오로프로필렌 비닐리덴플루오라이드(Tetra fluoro ethylene Hexa fluoro propylene Vinylidene fluoride, THV) 중 적어도 하나를 포함하는 발광 소자 패키지.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 반도체 소자는,
    자외선 파장대의 광을 방출하는 발광 소자 패키지.
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