WO2016208850A1 - Led용 유리의 제조 방법, led용 유리를 이용한 led 칩 봉지부재와 이를 포함하는 led 패키지 및 이들의 제조방법 - Google Patents

Led용 유리의 제조 방법, led용 유리를 이용한 led 칩 봉지부재와 이를 포함하는 led 패키지 및 이들의 제조방법 Download PDF

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WO2016208850A1
WO2016208850A1 PCT/KR2016/003050 KR2016003050W WO2016208850A1 WO 2016208850 A1 WO2016208850 A1 WO 2016208850A1 KR 2016003050 W KR2016003050 W KR 2016003050W WO 2016208850 A1 WO2016208850 A1 WO 2016208850A1
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led
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phosphor
green sheet
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박태호
이정수
임형석
이현휘
이상근
권광우
김종성
육수경
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
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    • Y02P40/57—Improving the yield, e-g- reduction of reject rates

Definitions

  • the present invention relates to a method for manufacturing a glass for LED, an LED chip sealing member using the glass for LED, an LED package including the same, and a method for manufacturing the same.
  • LEDs Light emitting diodes
  • 'LED' are semiconductors made of gallium (Ga), phosphorus (P), arsenic (As), and the like, and have a property of emitting light when a current flows.
  • LEDs have been widely used as light sources of various display devices because they have a longer lifespan and a faster response time than conventional light bulbs, and can be miniaturized and emit bright colored light.
  • an LED package including an LED chip is used as a light emitting device in a backlight unit (BLU) that emits light behind a liquid crystal display of a liquid crystal display (LCD).
  • BLU backlight unit
  • an LED package used for a backlight unit is formed by mounting an LED chip on a printed circuit board, encapsulating with an encapsulant, and then attaching a lens.
  • the encapsulant basically serves to transmit the light from the LED chip to the outside while protecting the LED chip from heat, moisture, and external impact.
  • the present invention aims to solve the above-mentioned problems of the prior art.
  • the present invention is a glass for LED that can improve the emission quality and solve the problem of deterioration or discoloration due to high temperature, LED chip encapsulation member that can simplify the encapsulation process of the LED chip using the same and LED package comprising The purpose is to provide.
  • the method for producing a glass for LED is (a) forming and processing a glass slurry to which the phosphor is added and dried to form a glass green sheet, (b) a plurality of glass green sheet Cutting to form a plurality of glass green sheet units, (c) vertically stacking and compressing the plurality of glass green sheet units to form a binder, and (d) firing the binder to form glass.
  • a glass slurry to which the phosphor is added and dried to form a glass green sheet
  • a plurality of glass green sheet Cutting to form a plurality of glass green sheet units
  • vertically stacking and compressing the plurality of glass green sheet units to form a binder and (d) firing the binder to form glass.
  • the LED package includes an LED chip and an encapsulation member of the LED chip.
  • the LED chip is mounted on the printed circuit board in the form of a flip chip
  • the encapsulation member is formed to surround the surface except the surface on which the LED chip is mounted on the printed circuit board, including a bottom portion having an upper surface, a side portion and a groove.
  • the encapsulation member may be formed of phosphor in glass (PIG) in which phosphors are dispersed in glass.
  • the LED package includes an LED chip and the sealing member of the LED chip.
  • the LED chip is mounted on a printed circuit board in the form of a flip chip
  • the sealing member is formed so as to surround the surface except the surface on which the LED chip is mounted on the printed circuit board, including a bottom portion having an upper surface, a side portion and a groove.
  • the encapsulation member is formed of PIG in which phosphors are dispersed in glass, and at least one surface of the side portions of the encapsulation member may be formed as a reflective surface.
  • the LED chip encapsulation member is an encapsulation member for encapsulating the LED chip in the LED array used in the backlight unit, the LED chip including a bottom portion having an upper surface, a side portion and a groove printed circuit board It may be formed in a form surrounding the front surface of the LED chip except for the surface mounted on, and may be formed of PIG in which phosphors are dispersed in glass.
  • the LED chip encapsulation member is an encapsulation member for encapsulating the LED chip in the LED array used in the backlight unit
  • the LED chip is a printed circuit board including a bottom portion having an upper surface, a side portion and a groove It is formed in a form surrounding the front surface of the LED chip except the surface mounted on, and formed of PIG in which phosphors are dispersed in the glass, at least one surface of the side portion may be formed as a reflective surface.
  • the LED chip encapsulation member is an encapsulation member for encapsulating the LED chip in the LED array used in the backlight unit, including a top portion, a side portion and a bottom portion having a plurality of grooves, a printed circuit
  • a plurality of LED chips mounted on the substrate are formed to surround the entire surface except for the surface mounted on the printed circuit board, and formed of PIG in which phosphors are dispersed in glass, and at least one surface of the side part may be formed as a reflective surface.
  • the present invention by stacking at least two glass green sheet units in a vertical direction to manufacture the glass for LEDs, it is possible to distribute uniformly without difference in the content of the phosphors disposed in the center portion and the edge portion of the phosphor. Distribution uniformity can be improved.
  • the workability for grinding, hole processing and cutting, etc. is excellent, precision processing can be performed and processing loss To minimize productivity.
  • the LED chip encapsulation member may be formed of PIG in which phosphor is mixed with glass, thereby solving the problem of deterioration or discoloration due to high temperature and maintaining color uniformity.
  • the LED chip encapsulation member may be formed of PIG in which phosphor is mixed with glass, thereby solving the problem of deterioration or discoloration due to high temperature and maintaining color uniformity.
  • at least one surface of the side surface portion of the LED chip sealing member as a reflective surface, it is possible to improve the luminous efficiency in a desired direction.
  • the LED chip encapsulation process can be simplified by encapsulating the encapsulation member separately formed after mounting the LED chip. .
  • 1 is a flow chart sequentially showing a manufacturing process of the glass for LEDs according to an embodiment of the present invention.
  • FIGS. 2A to 2D are cross-sectional views sequentially illustrating a manufacturing process of the glass for LEDs according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a process schematic diagram illustrating a tape casting method according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a view sequentially showing a process for manufacturing a glass for LEDs according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a view showing an LED array mounted with an LED package according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a side cross-sectional view of the LED package taken along the line V-V of FIG.
  • FIG. 7 is a flowchart sequentially illustrating a process of manufacturing an LED chip encapsulation member according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a perspective view of the LED chip sealing member according to a first modification of the present invention.
  • FIG. 9 is a perspective view of the LED chip sealing member according to a second modification of the present invention.
  • FIG. 10 is a perspective view of the LED chip sealing member according to a third modification of the present invention.
  • FIG. 1 is a flow chart sequentially showing a manufacturing process of the LED glass according to an embodiment of the present invention
  • Figure 2a to 2d is a process cross-sectional view showing a manufacturing process of the LED glass according to an embodiment of the present invention in sequence to be.
  • the manufacturing method of the LED glass according to an embodiment of the present invention is a glass green sheet forming step (S110), glass green sheet unit forming step (S120), lamination step (S130) and color conversion glass forming step (S140).
  • the glass slurry to which the phosphor 114 is added is molded and processed, and then dried to form a glass green sheet 110 that is a glass molded body.
  • the glass slurry includes a glass frit 112, a phosphor 114, a binder resin, and a solvent.
  • the glass frit 112 serves as a base material for forming the glass green sheet 110.
  • Such glass frit 112 may include, for example, an alkali-free alumino borosilicate glass component having SiO 2 , Al 2 O 3 , alkaline earth oxides (MgO, CrO, SrO, BaO) and B 2 O 3 as the main component. May be, but is not limited thereto. That is, the glass frit may be used by mixing two or more kinds having different melting points, and in this case, it is appropriate to use one having a large difference in melting point between two or more kinds of glass frits.
  • the phosphor 114 may use various known phosphors, and commercially available phosphors such as YAG, LuAg, TAG, silicate, SiAlON, BOS, and (oxy) nitride may be used.
  • Binder resin is added for the purpose of providing a bonding force between the glass frits 112.
  • a known binder resin such as polyvinylbutyral (PVB), polyvinyl alcohol (PVA), acrylic, cellulose, or the like may be used.
  • the solvent serves to adjust the viscosity of the glass slurry, and may be used alone or in combination of two or more of an alcohol solvent, a ketone solvent, and the like.
  • the glass green sheet 110 may be composed of 5 to 30 wt% of the phosphor, 1 to 15 wt% of the binder resin, and the remaining glass frit, but is not limited thereto.
  • the solvent is removed by volatilization in the drying process.
  • This glass green sheet 110 preferably has a thickness of 1 ⁇ 200 ⁇ m.
  • the thickness of the glass green sheet 110 is less than 1 ⁇ m, handling may be difficult due to a too thin thickness in the lamination process described later.
  • the thickness of the glass green sheet 110 exceeds 200 ⁇ m, it may be difficult to secure a uniform distribution of the target phosphor 114 due to the excessive thickness design.
  • the glass green sheet 110 in a state before firing is molded by using a tape casting molding method.
  • 3 is a process schematic diagram for explaining the tape casting method, with reference to this will be described in more detail with respect to the glass green sheet forming process.
  • the glass slurry 110a to which the phosphor is added is injected into the slurry container 10 mounted on the support table 20.
  • the carrier film C is conveyed in one direction by the carrier film winding roller 30 provided at one end of the support table 20.
  • the glass slurry 110a to which the phosphor is added is injected into the slurry container 10
  • the glass slurry 110a is molded and processed to a predetermined thickness by the doctor blade 40 mounted on the outside of the slurry container 10, and then a dryer ( It is dried while passing through 50 to form a glass green sheet 110.
  • the glass green sheet 110 is wound by the green sheet winding roll 60.
  • the glass green sheet 110 is formed to have a predetermined thickness on the carrier film (C), and the glass green sheet 110 is separated and used in a manner that is selectively separated from the carrier film (C).
  • the present embodiment by molding the glass green sheet 110 in a state before firing by using a tape casting molding method, it is possible to minimize the processing loss by improving the processability for grinding, hole processing, and cutting, and thus productivity. Can improve.
  • the present embodiment is not limited thereto, and other methods such as press molding, extrusion molding, injection molding, and screen printing may be used.
  • the glass is formed by cutting the glass green sheet 110 into a plurality of glass green sheet unit bodies 120.
  • the green sheet unit forming step (S120) is performed.
  • the plurality of glass green sheet units 120 is preferably cut to the same width, but is not necessarily limited thereto.
  • a stacking step (S130) of vertically stacking the plurality of glass green sheet units 120 is performed as shown in FIG. 2C.
  • the phosphor 114 added to the glass frit 112 cannot be uniformly distributed in all regions, the phosphor distribution in the center portion and the edge portion may be uneven.
  • the content distribution of each phosphor 114 is determined and then vertically By stacking at least two or more glass green sheet units 120, the distribution of the phosphors 114 may be uniformly controlled by appropriately combining the content distributions of the phosphors 114 in an appropriate combination.
  • the plurality of glass green sheet units 120 may be stacked such that the same surface faces one direction. On the contrary, the plurality of glass green sheet units 120 may be alternately stacked at least once on each of the upper and lower surfaces thereof. In addition, it is preferable to determine the content distribution of each phosphor 114 before stacking the plurality of glass green sheet units 120 in order to increase the uniformity of the phosphor distribution.
  • the stacking method of the plurality of glass green sheet units 120 may be performed in various forms such as a normal stacking method, an inverting stacking method, an edit stacking method of determining and stacking a content distribution of phosphors, and the like.
  • the laminated glass green sheet units 120 are pressed at 50 to 150 ° C. using an ISO press or a uni-axial press, and then fired to color converting glass 140.
  • Color conversion glass forming step (S140) of forming a) is performed. Through this, the plurality of glass green sheet units 120 are monolithically bonded to one and converted into color conversion glass 140.
  • the softening point of the glass frit 112 is slightly different depending on the content, but the temperature at which the viscosity becomes 10 7.6 poise may be defined as the softening point, and the firing temperature in the present embodiment may be 400 to 1,000 ° C.
  • the firing temperature is less than 400 ° C, a large amount of bubbles are generated in the fired glass frit 112, and the light transmittance and light extraction efficiency are deteriorated.
  • the firing temperature is excessively higher than 1,000 ° C, the phosphor 114 ) Discoloration may occur.
  • the firing is carried out in the order of temperature raising, holding and cooling, wherein the firing holding time is preferably 10 to 120 minutes. If the firing holding time is less than 10 minutes, there is a high possibility that the firing will not be sufficiently performed. On the other hand, if the firing holding time exceeds 120 minutes, there is a problem that the phosphor characteristics are deteriorated due to the reaction between the phosphor and the glass frit.
  • the firing temperature, the firing holding time and the like are not limited to the above examples, and may be set differently according to the type of glass frit.
  • the glass of plate shape for example, quadrilateral plate shape
  • ie, PIG for converting the color emitted from an LED chip
  • the color conversion glass for LED may be formed in a form surrounding the LED chip, a method for producing such a glass for LED will be described below.
  • FIG. 4 is a view sequentially showing a process for manufacturing a glass for LEDs, that is, a glass for LEDs having a structure that can surround the LED chip according to another embodiment of the present invention.
  • the glass slurry to which the phosphor is added is molded and processed, and then dried to form a glass green sheet, which is a glass molded body, and (b) laminated and (c) pressed.
  • the binder which is color conversion glass is formed.
  • a hole machining is performed to one of the binders, and the hole-bonded and non-hole-bonded binders are attached.
  • a method of hole drilling using a laser is illustrated, but is not limited thereto, and other known methods such as sand blasting may be used.
  • the attachment temperature may be 40 to 150 ° C.
  • the attachment pressure may be 2 to 100 bar.
  • the at least two glass green sheet units are vertically stacked to uniformly distribute the content of the phosphors disposed at the center portion and the edge portion. It is possible to improve the distribution uniformity of the phosphor.
  • the manufacturing method of the laminated glass for LEDs according to the present embodiment is formed by molding the glass green sheet in a state before firing by using a tape casting molding method, thereby providing excellent workability for grinding, hole processing and cutting, thereby reducing processing loss. Minimization can increase productivity.
  • FIG. 5 is a view showing an LED array including an LED package according to an embodiment of the present invention
  • Figure 6 is a view showing a state cut along the line V-V of FIG.
  • the LED array illustrated in FIG. 5 constitutes a backlight unit in a display device such as an LCD, and the LED array includes a plurality of LED packages 500 and a printed circuit board 600 on which they are mounted.
  • Figure 6 shows a side cross-sectional view of the LED package according to an embodiment of the present invention, referring to the LED package 500 encapsulated in the form surrounding the top and side of the LED chip 510 and LED chip 510. Member 520.
  • the LED chip is mounted in a chip shape and is packaged in a chip scale package (CSP).
  • CSP chip scale package
  • the LED chip 510 includes a substrate 511, an n-type nitride semiconductor layer (n-GaN) 512, an active layer 513, a p-type nitride semiconductor layer (p-GaN) 514, and p
  • the type electrode 515 and the n type electrode 516 have a structure of a general LED chip.
  • the present invention is not characterized in the structure of such an LED chip, and therefore, it is possible to configure the LED package with any type of LED chip known in the present invention.
  • the LED chip 510 is mounted on the printed circuit board 600 in the form of a flip chip. That is, the LED chip 510 has the substrate 511 facing away from the printed circuit board 600 and the p-type electrode 515 and the n-type electrode 516 through the solder ball 700 to the printed circuit board 600. It is mounted in such a way that it is directly bonded to it.
  • the wire bonding process can be omitted, and the area of the light emitting surface can be increased, and in particular, the effect of increasing the junction area of the LED chip and the surface layer in the LED package according to the present exemplary embodiment can be expected.
  • the encapsulation member 520 of the LED chip is formed to surround all surfaces of the LED chip 510 that do not contact the printed circuit board 600. That is, when the LED chip 510 is formed in a rectangular parallelepiped shape as shown in the present embodiment, the encapsulation member 520 has an upper surface portion 520a adjacent to the substrate 511 of the LED chip 510 and a side surface of the LED chip 510. The bottom portion having a groove and is in contact with the side portion 520b and the printed circuit board 600 surrounding the LED, through which encapsulation is made in the form surrounding the LED chip 510.
  • the sealing member 520 is preferably formed to a thickness of 0.05mm to 1mm. If the thickness of the encapsulation member is less than 0.05mm, the strength is low, there is a risk of breakage, if it exceeds 1mm, the light conversion efficiency may be lowered.
  • the encapsulation member 520 basically consists of a glass-phosphor mixture (PIG) in which phosphors are dispersed in glass, and the phosphor used in the encapsulation member 520 has a wavelength of light emitted from the LED chip 510. And the emission color of the desired LED package. For example, to implement white light using the LED chip 510 emitting blue light, a yellow phosphor is used.
  • PAG glass-phosphor mixture
  • the encapsulation member is formed of a glass-phosphor mixture of the upper surface portion and the side surface portion.
  • the encapsulation member according to the present embodiment may be manufactured by the lamination method of the glass green sheet described above with reference to FIG. 4, but may be manufactured by other methods.
  • FIG. 7 is a flowchart sequentially illustrating a method of manufacturing an LED chip encapsulation member according to an exemplary embodiment of the present invention, and another method of manufacturing the LED chip encapsulation member will be described with reference to the flowchart.
  • a glass frit and a phosphor are mixed to form a mixture (S510).
  • a yttrium aluminum garnet (YAG), a terbium aluminum garnet (TAG), a silicate, an oxide, a nitride, a sulfide, or the like may be used.
  • the YAG-based phosphor improves stability and brightness with respect to temperature, and may be used by doping rare earth elements such as neodymium (Nd) and europium (Eu).
  • TAG-based phosphor Tb 3 Al 5 O 12 doped with cerium (Ce) may be used.
  • the silicate system is a compound formed by combining at least one metal oxide with silica (SiO 2 ), and calcium silicate, magnesium silicate, and the like may be used.
  • Zinc oxide or the like having excellent thermal stability may be used as the oxide-based phosphor, and calcium silicon nitride (CaSiN 2) doped with europium may be used as the nitride-based phosphor.
  • strontium sulfide (SrS) doped with europium may be used as the sulfide-based phosphor.
  • the phosphor may be mixed in a ratio of about 5 to 50% by weight with respect to the glass, but is not necessarily limited thereto.
  • the phosphor may be adjusted in consideration of color conversion degree, color coordinate, color temperature, color rendering index (CRI), and the like. .
  • the mixture may be formed in the form of melting the low melting glass frit and then filling it between the high melting glass frits.
  • the low melting glass frit is melted in the firing process into a glass state, and the high melting glass frit is not melted in the firing process and remains in the frit state. That is, the glass is formed in a state in which the shape of the high melting point glass frit is maintained as it is, and thus, the glass can be rapidly shrunk while minimizing the warping phenomenon, the curling phenomenon can be prevented, and the strength of the glass can be improved.
  • Low melting glass frits may be used in which the temperature of the firing operation is about 500-800 ° C. and may include glass components comprising alkaline earth oxides (MgO, CrO, BaO).
  • the high melting point glass frit may be a glass in which the temperature of the firing operation is about 800 ° C. or more, and may include borosilicate-based components that are borosilicates.
  • the borosilicate-based component has advantages of excellent strength and durability, and calcium aluminum borosilicate, calcium sodium borosilicate, or the like may be used alone or in combination of two or more thereof.
  • the components of the glass in the present invention are not limited to the above components.
  • the mixture of glass and the phosphor is press molded to form a molded body (S520).
  • the mixture may be press-molded by applying pressure to the mold, and the pressure may be about 2.0 to 2.5kg / cm 2, but is not limited thereto.
  • the molded body After the molded body is formed, it is heat-treated at a temperature above the softening point, more specifically, above the softening point and below the melting point to form a sintered body (S530).
  • the heat treatment of the molded body at a temperature higher than the softening point of the glass is because a sintered body having a strength and a shape secured compared to the molded body can be formed without losing the transparency of the glass, which is advantageous in the formation of the grooves.
  • the groove is formed in the sintered body formed through the heat treatment (S540).
  • Forming the groove in the sintered compact may be performed by sand blasting or acid etching using a mask.
  • Sand blasting and acid corrosion is a processing method for surface treatment. In the case of sand blasting, sand, alumina, silicon carbide and other ceramic powders are sprayed to cut the surface layer to smooth the surface of the sintered body. In this case, a desired shape can be obtained by removing unnecessary parts on the surface of the sintered body.
  • the sintered body is preferably formed to a size that can cover the outer surface of the LED chip and a thickness that can protect the LED chip.
  • the groove of the LED chip encapsulation member is inserted into the LED chip to be combined to form the LED package.
  • Such bonding may be accomplished by physical contact alone using a non-conductive adhesive (NCA), or may be performed by mechanical contact through interference bonding.
  • NCA non-conductive adhesive
  • the interference fit is the sliding of the LED chip is inserted into the groove, for this purpose the shape of the groove may have a shape larger than the shape of the LED chip, but the width of the groove becomes narrower as the distance from the inlet of the groove.
  • the LED package may be formed through a simple process, thereby improving workability.
  • the sealing member in the desired thickness and the desired shape
  • by using the PIG can improve the high temperature reliability.
  • by manufacturing a LED package in the form of a flip chip can increase the light output surface, it is possible to omit additional connection structure such as wire bonding process.
  • the LED chip encapsulation member may include a reflective surface on at least one surface of the side parts.
  • FIG. 8 is a perspective view of an LED chip encapsulation member according to a first modification of the present invention. Referring to this example, a pair of faces facing each other among the side portions 520b 'of the encapsulation member 520' is referred to as a reflective surface. Is formed.
  • the reflective surface is formed on the encapsulation member 520' in the LED package 500.
  • the light is emitted to three surfaces which are not. That is, according to the present embodiment, by forming a reflective surface on at least one surface of the encapsulation member 520 ', light emission in a desired direction can be made while increasing light emission efficiency.
  • the encapsulation process after mounting the LED chip 510 by integrating a member for light transmission, that is, a transmissive surface made of PIG and a member for light reflection, that is, a reflective surface is formed as one encapsulation member 520 '.
  • a member for light transmission that is, a transmissive surface made of PIG
  • a member for light reflection that is, a reflective surface
  • the reflective surface is not required to separately perform a process of mounting a member for light reflection or shielding and a process of mounting a member for light transmission (encapsulation process).
  • the manufacturing process of the LED package 500 is much simpler.
  • the reflective surface of the encapsulation member 520 ' is formed of a mixture of TiO 2 added to the glass.
  • TiO 2 uses a rutile type.
  • the rutile TiO 2 is more suitable for use as a reflective surface of the encapsulation member 120 due to its higher reflectivity and higher refractive index than those of the anatase type and the brookite type TiO 2 .
  • the weight ratio of TiO 2 is selected for the desired high reflectivity.
  • the weight ratio of TiO 2 is preferably 10 to 40% by weight.
  • the average reflectance is 99% or more in the entire visible light region.
  • TiO 2 to be mixed with glass preferably uses a fine powder having a particle size of 1 ⁇ m or less, but a desired reflection effect can be obtained even when TiO 2 having a particle size of more than 1 ⁇ m is used.
  • the three-side light emission is described.
  • the reflective surface may be formed differently from the encapsulation member.
  • FIG. 9 is a perspective view of the LED chip encapsulation member according to a second modification of the present invention.
  • the LED chip encapsulation member 520 ′′ of the present embodiment forms all of the side portions adjacent to the side surfaces of the LED chip as reflective surfaces. Accordingly, one-sided light emission in which light is emitted through only the upper surface portion of the encapsulation member 520 ′′ may be realized.
  • At least one surface may be formed as a reflective surface on the LED chip encapsulation member to obtain a desired light emission direction, and the process after mounting the LED chip may be simplified by integrally forming the reflective surface on the encapsulation member.
  • FIG. 10 is a perspective view of an LED chip encapsulation member according to a third modification of the present invention.
  • the LED chip encapsulation member 520 "'of the present embodiment is connected to a plurality of LED chip encapsulation members according to the first embodiment. That is, the LED chip encapsulation member 520 "'of the present embodiment includes an upper surface portion, a side portion, and a bottom surface portion, and a plurality of grooves are formed in the bottom surface to encapsulate a plurality of LED chips. Made of structure.
  • the surfaces facing each other along the direction in which the grooves of the bottom portion extend from the side portions of the encapsulation member 520 ′′ ' are provided as reflective surfaces.
  • the reflective surface may be formed at any of the side portions of the encapsulation member according to the desired light emission direction.
  • a plurality of LED chips arranged in a line on the printed circuit board can be encapsulated with one encapsulation member 520 "', so that the encapsulation process can be performed more quickly and easily after the LED chip is mounted.
  • a plurality of sealing members as in the previous embodiment are connected to form a rigidity of the sealing member 520 "'can be improved.

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Abstract

본 발명은 LED용 유리의 제조 방법, LED용 유리를 이용한 LED 칩 봉지부재와 이를 포함하는 LED 패키지 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, LED용 유리의 제조 방법은 (a) 형광체가 첨가된 유리 슬러리를 성형 및 가공한 후 건조하여 유리 그린 시트를 형성하는 단계, (b) 유리 그린 시트를 복수개로 절단하여 복수의 유리 그린 시트 단위체를 형성하는 단계, (c) 복수의 유리 그린 시트 단위체를 수직적으로 적층하고 압착하여 결합체를 형성하는 단계 및 (d) 결합체를 소성하여 유리를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

LED용 유리의 제조 방법, LED용 유리를 이용한 LED 칩 봉지부재와 이를 포함하는 LED 패키지 및 이들의 제조방법
본 발명은 LED용 유리의 제조 방법, LED용 유리를 이용한 LED 칩 봉지부재와 이를 포함하는 LED 패키지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
발광 다이오드(light emitting diode, 이하 'LED'라고 함)는 갈륨(Ga), 인(P), 비소(As) 등을 재료로 하여 만들어진 반도체로서, 전류를 흐르게 하면 빛을 발하는 성질을 갖는다. LED는 종래 전구에 비해 수명이 길고 응답속도가 빠를 뿐만 아니라 소형화가 가능하면서도 선명한 색의 광을 방출하기 때문에 각종 표시장치의 광원으로 널리 활용되고 있다. 예를 들어, 액정표시장치(liquid crystal display, LCD)의 액정 화면 뒤에서 빛을 방출해 주는 백라이트 유닛(backlight unit, BLU)에서의 발광소자로 LED 칩을 포함하는 LED 패키지가 사용되고 있다.
일반적으로 백라이트 유닛 등에 사용되는 LED 패키지는 LED 칩을 인쇄회로기판 상에 실장한 후 봉지재로 봉지한 후 렌즈를 부착하여 형성한다. 여기에서, 봉지재는 기본적으로 LED 칩을 열, 수분, 외부 충격으로부터 보호하면서 LED 칩으로부터의 빛을 투과시켜 외부로 방출시키는 역할을 한다.
봉지재로는 주로 실리콘 계열과 에폭시 계열의 수지를 사용하는 것이 일반적이며, 이러한 수지를 형광체와 혼합하여 사용함으로써 LED 칩에서의 발광색을 변환시키는 기능을 한다. 예를 들어, LED 칩으로 청색광을 발하는 청색 LED를 사용할 때 수지와 황색 형광체를 혼합한 봉지재를 사용함으로써 백색광으로 색변환하는 방법이 알려져 있다. 또한, 종래에는 이러한 수지를 플레이트 형상으로 형성한 후 LED 칩 상에서 가압하는 방법으로 봉지하는 방법이 알려져 있다.
하지만, 실리콘 계열의 수지에 형광체를 혼합하여 봉지재를 사용하는 경우, 고온에서 색변환 소재의 열화에 의해 황변 현상이 발생하고 가스 및 수분 침투로 인하여 신뢰성이 저하되는 문제가 있으며, 에폭시 계열의 수지에 형광체를 혼합하여 사용하는 경우에는 내열성이 취약한 문제가 있다.
또한, 이러한 실리콘 계열과 에폭시 계열의 수지를 이용하여 LED 칩의 봉지재를 형성하는 경우에는 봉지구조를 가압하여 설치함에 따라 칩 형상의 자국이 남을 수 있게 되는데, 이로 인해 발광 품질이 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 발광 품질을 향상시키고 고온에 따른 열화나 변색의 문제를 해결할 수 있는 LED용 유리와, 이를 이용하여 LED 칩의 봉지 공정을 간단히 할 수 있는 LED 칩 봉지부재 및 이를 포함하는 LED 패키지를 제공하는 것에 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 대표적인 구성은 다음과 같다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, LED용 유리의 제조 방법은 (a) 형광체가 첨가된 유리 슬러리를 성형 및 가공한 후 건조하여 유리 그린 시트를 형성하는 단계, (b) 유리 그린 시트를 복수개로 절단하여 복수의 유리 그린 시트 단위체를 형성하는 단계, (c) 복수의 유리 그린 시트 단위체를 수직적으로 적층하고 압착하여 결합체를 형성하는 단계 및 (d) 결합체를 소성하여 유리를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, LED 패키지는 LED 칩과 상기 LED 칩의 봉지부재를 포함한다. 여기에서, LED 칩은 인쇄회로기판에 플립칩 형태로 실장되고, 봉지부재는 상면부, 측면부 및 홈을 갖는 저면부를 포함하여 LED 칩이 인쇄회로기판에 실장되는 면을 제외한 면을 둘러싸도록 형성될 수 있다. 또한, 봉지부재는 유리에 형광체가 분산되어 있는 PIG(phosphor in glass)로 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, LED 패키지는 LED 칩과 상기 LED 칩의 봉지부재를 포함한다. 여기에서, LED 칩은 인쇄회로기판에 플립칩 형태로 실장되고, 봉지부재는 상면부, 측면부 및 홈을 갖는 저면부를 포함하여 LED 칩이 상기 인쇄회로기판에 실장되는 면을 제외한 면을 둘러싸도록 형성될 수 있다. 또한, 봉지부재는 유리에 형광체가 분산되어 있는 PIG로 형성되되, 봉지부재의 측면부 중 적어도 하나의 면은 반사면으로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, LED 칩 봉지부재는 백라이트 유닛에 사용되는 LED 어레이에서 LED 칩을 봉지하기 위한 봉지부재로서, 상면부, 측면부 및 홈을 갖는 저면부를 포함하여 LED 칩이 인쇄회로기판에 실장되는 면을 제외한 LED 칩의 전면을 둘러싸는 형태로 형성되고, 유리에 형광체가 분산되어 있는 PIG로 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, LED 칩 봉지부재는 백라이트 유닛에 사용되는 LED 어레이에서 LED 칩을 봉지하기 위한 봉지부재로서, 상면부, 측면부 및 홈을 갖는 저면부를 포함하여 LED 칩이 인쇄회로기판에 실장되는 면을 제외한 LED 칩의 전면을 둘러싸는 형태로 형성되고, 유리에 형광체가 분산되어 있는 PIG로 형성되되 측면부 중 적어도 하나의 면은 반사면으로 형성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, LED 칩 봉지부재는 백라이트 유닛에 사용되는 LED 어레이에서 LED 칩을 봉지하기 위한 봉지부재로서, 상면부, 측면부 및 복수의 홈을 갖는 저면부를 포함하여, 인쇄회로기판에 실장되는 복수의 LED 칩을 인쇄회로기판에 실장되는 면을 제외한 전면을 둘러싸는 형태로 형성되고, 유리에 형광체가 분산되어 있는 PIG로 형성되되 측면부 중 적어도 하나의 면은 반사면으로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 적어도 두 개의 유리 그린 시트 단위체를 수직 방향으로 적층하여 LED용 유리를 제조함으로써 중앙 부분과 가장자리 부분에 배치되는 형광체의 함량 차이 없이 균일하게 분포시키는 것이 가능하여 형광체의 분포 균일도를 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 테이프 캐스팅 성형법을 이용하여 소성 전 상태의 유리 그린 시트를 성형 가공함으로써 그라인딩, 홀 가공 및 커팅 등에 대한 가공성이 우수하게 되어, 정밀 가공을 행할 수 있고 가공 손실을 최소화하여 생산성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, LED 칩 봉지부재를 유리에 형광체가 혼합된 PIG로 형성함으로써 고온에 따른 열화나 변색의 문제를 해결할 수 있으며 색상 균일도를 유지시킬 수 있다. 또한, LED 칩 봉지부재의 측면부의 적어도 하나의 면을 반사면으로 형성함으로써 원하는 방향으로의 발광 효율을 향상시킬 수 있다. 뿐만 아니라, LED 칩 봉지부재를 LED 칩의 상면과 측면을 둘러싸는 형태로 형성함으로써, LED 칩을 실장한 후에 별개로 형성한 봉지부재를 덮는 방식으로 봉지가 가능하게 되어 LED 패키지 공정이 간단하게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 LED용 유리의 제조 과정을 순차적으로 나타낸 순서도이다.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 일 실시예에 따른 LED용 유리의 제조 과정을 순차적으로 나타낸 공정 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 테이프 캐스팅법을 설명하기 위한 공정 모식도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따라 LED용 유리를 제조하는 과정을 순차적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 패키지가 실장된 LED 어레이를 나타낸 도면이다.
도 6은 도 5의 V-V 선은 따라 절단한 LED 패키지의 측단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 칩 봉지부재를 제조하는 과정을 순차적으로 나타낸 순서도이다.
도 8은 본 발명의 제1 변형예에 따른 LED 칩 봉지부재의 사시도이다.
도 9는 본 발명의 제2 변형예에 따른 LED 칩 봉지부재의 사시도이다.
도 10은 본 발명의 제3 변형예에 따른 LED 칩 봉지부재의 사시도이다.
<부호의 설명>
10: 슬러리 컨테이너
40: 닥터 블레이드
50: 건조기
60: 그린 시트 권취 롤
110: 유리 그린 시트
110a: 유리 슬러리
112: 유리 프릿
114: 형광체
120: 유리 그린 시트 단위체
140: 색변환 유리
500: LED 패키지
510: LED 칩
511: 기판
512: n형 질화물 반도체층
513: 활성층
514: p형 질화물 반도체층
515: p형 전극
516: n형 전극
520, 520', 520", 520"': LED 칩 봉지부재
600: 인쇄회로기판
700: 솔더볼
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명한다. 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 본 발명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다. 또한, 각 실시예를 설명함에 있어서 다른 실시예와 동일한 구성에 대하여는 간략히 설명하거나 그 설명을 생략하기로 한다.
본 명세서에서 하나의 구성요소가 다른 구성요소의 "위"에 있다라고 기재된 경우, 이는 다른 구성요소 "바로 위"에 위치하는 경우뿐만 아니라 이들 사이에 또 다른 구성요소가 존재하는 경우도 포함한다. 또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 등은 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명은 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
즉, 명세서에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 일 실시예로부터 다른 실시예로 변경되어 구현될 수 있으며 개별 구성요소의 위치 또는 배치도 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 행하여지는 것이 아니며, 본 발명의 범위는 특허청구범위의 청구항들이 청구하는 범위 및 그와 균등한 모든 범위를 포괄하는 것으로 받아들여져야 한다.
LED용 유리의 제조 방법
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 LED용 유리의 제조 과정을 순차적으로 나타낸 순서도이고, 도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 일 실시예에 따른 LED용 유리의 제조 과정을 순차적으로 나타낸 공정 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 LED용 유리의 제조 방법은 유리 그린 시트 형성 단계(S110), 유리 그린 시트 단위체 형성 단계(S120), 적층 단계(S130) 및 색변환 유리 형성 단계(S140)를 포함한다.
도 1 및 도 2a에 도시된 바와 같이, 유리 그린 시트 형성 단계(S110)에서는 형광체(114)가 첨가된 유리 슬러리를 성형 및 가공한 후, 건조하여 유리 성형체인 유리 그린 시트(110)를 형성한다. 여기에서, 유리 슬러리는 유리 프릿(112), 형광체(114), 바인더 수지 및 용매를 포함한다.
유리 프릿(112)은 유리 그린 시트(110)를 형성하는 모재의 역할을 한다. 이러한 유리 프릿(112)은 예를 들어, SiO2, Al2O3, 알칼리토족 산화물(MgO, CrO, SrO, BaO) 및 B2O3가 주성분인 무알칼리 알루미노 보로실리케이트 유리 성분을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 즉, 유리 프릿은 용융점(melting point)이 상이한 2종류 이상을 혼합하여 사용할 수 있으며, 이 경우 2 종류 이상의 유리 프릿 상호간의 용융점의 차이가 큰 것을 이용하는 것이 적절하다.
형광체(114)는 공지된 다양한 형광체를 이용할 수 있으며, 대표적으로 YAG계, LuAg계, TAG계, 실리케이트계, SiAlON계, BOS계, (옥시)나이트라이드계 등의 상용화 형광체를 이용할 수 있다.
바인더 수지는 유리 프릿(112)들 간의 결합력을 제공하기 위한 목적으로 첨가된다. 이러한 바인더 수지로는 PVB(polyvinylbutyral), PVA(polyvinyl alcohol), 아크릴계, 셀룰로오스계 등의 공지된 바인더 수지가 이용될 수 있다.
용매는 유리 슬러리의 점도를 조절하는 역할을 하며, 알코올계 용매, 케톤계 용매 등을 단독 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다.
유리 그린 시트(110)는 형광체 5 ~ 30중량%, 바인더 수지 1 ~ 15중량% 및 나머지 유리 프릿으로 조성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 여기서, 용매는 건조 과정에서 휘발되어 제거된다.
이러한 유리 그린 시트(110)는 1 ~ 200㎛의 두께를 갖는 것이 바람직하다. 유리 그린 시트(110)의 두께가 1㎛ 미만일 경우에는 후술하는 적층 과정시 두께가 너무 얇은 관계로 핸들링에 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 유리 그린 시트(110)의 두께가 200㎛를 초과할 경우에는 과도한 두께 설계로 인하여 목적하는 형광체(114)의 분포 균일도 확보에 어려움이 따를 수 있다.
본 실시예에서는 테이프 캐스팅 성형법을 이용하여 소성 전 상태의 유리 그린 시트(110)를 성형 가공한다. 도 3은 테이프 캐스팅법을 설명하기 위한 공정 모식도로, 이를 참조하여 유리 그린 시트 형성 과정에 대하여 보다 상세히 설명한다.
우선, 형광체가 첨가된 유리 슬러리(110a)를 지지 테이블(20) 상부에 장착되는 슬러리 컨테이너(10)의 내부로 주입한다. 이때, 지지 테이블(20)의 일단에 설치되는 캐리어 필름 권취 롤러(30)에 의해 캐리어 필름(C)이 일 방향으로 이송된다. 이와 같이, 형광체가 첨가된 유리 슬러리(110a)가 슬러리 컨테이너(10)에 주입되면, 슬러리 컨테이너(10)의 외부에 장착된 닥터 블레이드(40)에 의해 일정한 두께로 성형 및 가공된 후, 건조기(50)를 통과하면서 건조되어 유리 그린 시트(110)가 형성된다.
이후, 유리 그린 시트(110)는 그린 시트 권취 롤(60)에 의해 권취된다. 이때, 유리 그린 시트(110)는 캐리어 필름(C) 상에 일정한 두께로 형성되며, 유리 그린 시트(110)는 캐리어 필름(C)으로부터 선택적으로 떼어내는 방식으로 분리되어 사용된다.
이와 같이, 본 실시예에서는 테이프 캐스팅 성형법을 이용하여 소성 전 상태의 유리 그린 시트(110)를 성형 가공함으로써 그라인딩, 홀 가공 및 커팅 등에 대한 가공성을 향상시켜 가공 손실을 최소화할 수 있고, 이에 따라 생산성을 향상시킬 수 있다. 하지만, 본 실시예에는 이에 한정되는 것은 아니고 프레스 성형, 압출 성형, 사출 성형, 스크린 프린팅 등의 다른 방식을 이용하는 것도 가능하다.
테이프 캐스팅 성형법 등을 이용하여 유리 그린 시트(110)를 성형한 후에는 도 2b에 도시된 바와 같이, 유리 그린 시트(110)를 복수개로 절단하여 복수의 유리 그린 시트 단위체(120)를 형성하는 유리 그린 시트 단위체 형성 단계(S120)를 수행한다. 이때, 복수의 유리 그린 시트 단위체(120)는 동일한 너비로 절단하는 것이 바람직하나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.
이어서, 도 2c에서와 같이 복수의 유리 그린 시트 단위체(120)를 수직적으로 적층하는 적층 단계(S130)을 수행한다.
일반적으로, 유리 프릿(112)에 첨가되는 형광체(114)는 모든 영역에서 균일하게 분산 배치하는 것이 불가능하기 때문에 중앙 부분과 가장자리 부분에서의 형광체 분포도가 불균일해질 수 있다.
따라서, 본 발명에서는 형광체(114)가 불균일하게 분산 배치된 유리 그린 시트를 절단하여 복수의 유리 그린 시트 단위체(120)로 분리한 후, 각각의 형광체(114)의 함량 분포도를 판별하고 나서 수직적으로 적어도 둘 이상의 유리 그린 시트 단위체(120)를 적층하는 것에 의해 형광체(114)의 함량 분포도를 적절히 조합하여 균일하게 재배치함으로써 형광체(114)의 분포도를 균일하게 제어할 수 있게 된다.
본 단계에서는 복수의 유리 그린 시트 단위체(120)를 동일한 면이 한 방향을 향하도록 적층할 수 있다. 이와 달리, 복수의 유리 그린 시트 단위체(120)는 각각의 상면 및 하면이 적어도 한 번 이상 교번적으로 엇갈려 적층될 수도 있다. 또한, 형광체 분포도의 균일도를 높이기 위해 복수의 유리 그린 시트 단위체(120)를 적층하기 전에 각각의 형광체(114)의 함량 분포도를 판별하는 것이 바람직하다.
이처럼, 복수의 유리 그린 시트 단위체(120)를 적층하는 방식은 정상으로 적층하는 방식, 뒤집어서 적층하는 방식, 형광체의 함량 분포도를 판별하여 적층하는 편집 적층 방식 등 다양한 형태로 이루어질 수 있다.
다음으로, 도 2d에서와 같이, 적층된 복수의 유리 그린 시트 단위체(120)를 ISO 프레스 또는 단축 프레스(uni-axial press)를 이용하여 50 ~ 150℃에서 압착한 후 소성하여 색변환 유리(140)를 형성하는 색변환 유리 형성 단계(S140)를 수행한다. 이를 통해 복수의 유리 그린 시트 단위체(120)는 하나로 단일 결합(monolithic bond)되어 색변환 유리(140)로 탈바꿈하게 된다.
이때, 소성은 유리 프릿(112)의 연화점 이상에서 실시하는 것이 바람직하다. 유리 프릿(112)의 연화점은 함량에 따라서 약간씩 상이하나 점도가 107.6 poise가 되는 온도를 연화점으로 정의할 수 있으며, 본 실시예에서의 소성 온도는 400 ~ 1,000℃가 될 수 있다. 소성 온도가 400℃ 미만일 경우에는 소성된 유리 프릿(112)에 기포가 다량 발생하여 광 투과율 및 광추출 효율이 저하되는 문제점이 있고, 반대로 소성 온도가 1,000℃를 초과하여 지나치게 높을 경우, 형광체(114)에 변색이 발생할 수 있다.
또한, 소성은 승온, 유지 및 냉각의 순서로 수행되는데, 이때, 소성 유지 시간은 10 ~ 120분인 것이 바람직하다. 소성 유지 시간이 10분 미만일 경우, 소성이 충분히 되지 않을 우려가 크고, 반대로 소성 유지 시간이 120분을 초과할 경우에는 형광체와 유리 프릿의 반응에 의하여 형광체 특성이 저하되는 문제가 있다.
하지만, 소성 온도 및 소성 유지 시간 등은 위 실시예에 한정되는 것은 아니며, 유리 프릿의 종류에 따라 달리 설정할 수 있다.
이상 설명한 방법에 의해 LED 칩에서 발광하는 색을 변환하기 위한 플레이트 형상(예를 들어, 4각 플레이트 형상)의 유리, 즉 PIG를 제작할 수 있다. 한편, 후술하는 바와 같이, LED용 색변환 유리를 LED 칩을 둘러싸는 형태로 형성할 수도 있는데, 이하에서 이러한 LED용 유리를 제조하는 방법을 설명한다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 LED용 유리, 즉 LED 칩을 둘러쌀 수 있는 구조를 갖는 LED용 유리를 제조하는 과정을 순차적으로 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 앞서 설명한 방법과 동일하게 (a) 형광체가 첨가된 유리 슬러리를 성형 및 가공한 후 건조하여 유리 성형체인 유리 그린 시트를 형성하고, 이를 (b) 적층 및 (c) 압착하여 (d) 색변환 유리인 결합체를 형성한다.
이어서, (e) 결합체 중 하나에 홀 가공을 수행하고, 홀 가공된 결합체와 홀 가공되지 않은 결합체를 부착한다. 도면에서는 레이저를 이용하여 홀 가공하는 방법을 도시하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니고 샌드 블라스팅(sand blasting) 등 다른 공지의 방법을 이용하는 것도 가능하다. 결합체 간의 부착 시에 부착 온도는 40~150℃로 할 수 있고, 부착 압력은 2~100 bar로 할 수 있다.
홀 가공된 결합체와 홀 가공되지 않은 결합체를 상호 부착한 다음에는 (f) 이를 칩 사이즈로 절단한다. 도면에서는 블레이드(blade)를 이용하여 절단하는 방법을 도시하고 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니고, 다이싱 소(dicing saw), 레이저 등을 이용하여 절단하는 것도 가능하다.
칩 사이즈로의 절단이 이루어지면 (g) 이를 소성하여 색변환 유리를 형성한다.
이러한 방법에 의하면 LED 칩을 둘러싸는 형태로 LED 색변환 유리를 형성하여 봉지부재로 사용할 수 있게 되는데, 이에 대하여는 뒤에서 다시 설명한다.
전술한 본 실시예에 따른 적층 방식의 LED용 유리의 제조 방법은 적어도 둘 이상의 유리 그린 시트 단위체를 수직적으로 적층하는 것에 의해 중앙 부분과 가장장리 부분에 배치되는 형광체의 함량 차이 없이 균일하게 분포시키는 것이 가능하여, 형광체의 분포 균일도를 향상시킬 수 있다. 또한, 본 실시예에 따른 적층 방식의 LED용 유리의 제조 방법은 테이프 캐스팅 성형법을 이용하여 소성 전 상태의 유리 그린 시트를 성형 가공함으로써, 그라인딩, 홀 가공 및 커팅 등에 대한 가공성이 우수하여 가공 손실을 최소화할 수 있으므로 생산성을 향상시킬 수 있다.
LED 칩 봉지부재 및 LED 패키지
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 패키지를 포함하는 LED 어레이를 나타내는 도면이고, 도 6은 도 5의 V-V선을 따라 절단한 모습을 나타내는 도면이다.
도 5에 도시된 LED 어레이는 LCD와 같은 표시장치에서 백라이트 유닛을 구성하는 것으로서, LED 어레이는 복수의 LED 패키지(500)와 이들이 실장되는 인쇄회로기판(600)으로 이루어진다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 패키지의 측단면도를 나타내는 것으로서, 이를 참조하면 LED 패키지(500)는 LED 칩(510)과 LED 칩(510)의 상면 및 측면을 둘러싸는 형태의 봉지부재(520)를 포함한다. 본 실시예에서는 LED 칩을 필립칩(flip-chip) 형태로 실장하고 이와 유사한 크기를 갖도록 패키징하는 칩 스케일 패키지(chip scale package, CSP)로 형성된다.
본 실시예에 따른 LED 칩(510)은 기판(511), n형 질화물 반도체층(n-GaN)(512), 활성층(513), p형 질화물 반도체층(p-GaN)(514), p형 전극(515) 및 n형 전극(516)이 적층되어 있는 일반적인 LED 칩의 구조를 갖는다. 본 발명은 이러한 LED 칩의 구조에 특징이 있는 것은 아니며, 따라서 본 발명에서는 공지된 어떠한 형태의 LED 칩으로도 LED 패키지를 구성하는 것이 가능하다.
상술한 바와 같이, 본 실시예에 따른 LED 칩(510)은 인쇄회로기판(600) 상에 플립칩 형태로 실장된다. 즉, LED 칩(510)은 인쇄회로기판(600)과 마주하지 않는 쪽으로 기판(511)을 두고 솔더볼(700)을 통해 p형 전극(515)과 n형 전극(516)을 인쇄회로기판(600)에 직접 접합시키는 방식으로 실장된다. 플립칩 형태로 실장함에 따라 와이어 본딩 공정을 생략할 수 있고 출광면의 면적을 증대시킬 수 있으며, 특히 본 실싱예에 따른 LED 패키지에서 LED 칩과 표면층의 접합 면적을 증대시킬 수 있는 효과를 기대할 수 있다
LED 칩의 봉지부재(520)는 LED 칩(510)을 인쇄회로기판(600)에 접하지 않는 모든 면을 둘러싸도록 형성된다. 즉, 본 실시예와 같이 LED 칩(510)이 직육면체 형상으로 형성되는 경우 봉지부재(520)는 LED 칩(510)의 기판(511)에 인접한 상면부(520a), LED 칩(510)의 측면을 둘러싸는 측면부(520b) 및 인쇄회로기판(600)에 접하고 홈을 갖는 저면부로 이루어져, 이를 통해 LED 칩(510)을 둘러싸는 형태로 봉지가 이루어진다.
봉지부재(520)는 바람직하게는 0.05mm 내지 1mm의 두께로 형성된다. 만약 봉지부재의 두께가 0.05mm 미만일 경우에는 강도가 낮아 파손의 위험이 있으며, 1mm를 초과하는 경우에는 광 변환 효율이 저하될 수 있다.
본 실시예에 따른 봉지부재(520)는 기본적으로 유리에 형광체가 분산된 유리-형광체 혼합물(PIG)로 이루어지며, 봉지부재(520)에 사용되는 형광체는 LED 칩(510)에서 방출되는 광의 파장과 원하는 LED 패키지의 발광색에 따라 선택하게 된다. 예를 들어, 청색광이 방출되는 LED 칩(510)을 사용하여 백색광을 구현하고자 하는 경우에는 황색 형광체를 사용하게 된다.
본 실시예에서 봉지부재는 상면부와 측면부 전체가 유리-형광체 혼합물로 형성된다.
본 실시예에 따른 봉지부재는 앞서 도 4를 통하여 설명한 유리 그린 시트의 적층 방식에 의해 제조할 수 있으나, 다른 방법으로도 제조할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 칩 봉지부재를 제조하는 방법을 순차적으로 나타낸 순서도로서, 이를 참조하여 LED 칩 봉지부재의 또 다른 제조 방법을 설명한다.
우선, 유리 프릿 및 형광체를 혼합하여 혼합체를 형성한다(S510).
유리에 혼합되는 형광체로는 YAG(yttrium aluminum garnet)계, TAG(terbium aluminum garnet)계, 실리케이트계, 산화물계, 질화물계, 황화물계 등이 사용될 수 있다.
YAG계 형광체는 온도에 대한 안정성 및 휘도를 향상시키며, 네오디뮴(Nd), 유로퓸(Eu)와 같은 희토류 원소를 도핑하여 사용할 수 있다. TAG계 형광체으로는 세륨(Ce)으로 도핑된 Tb3Al5O12을 사용할 수 있다. 실리케이트계는 1종 이상의 금속 산화물과 실리카(SiO2)의 결합에 의해 생긴 화합물로, 칼슘 실리케이트 및 마그네슘 실리케이트 등이 사용될 수 있다. 산화물계 형광체로는 열적 안정성이 우수한 산화아연 등을 사용될 수 있고, 질화물계 형광체로는 유로퓸이 도핑된 칼슘실리콘나이트라이드(CaSiN2) 등을 사용할 수 있다. 또한, 황화물계 형광체로는 유로퓸이 도핑된 스트론튬 설파이드(SrS) 등을 사용할 수 있다.
형광체는 유리에 대하여 약 5 ~ 50중량% 정도의 비율로 혼합될 수 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 색변환 정도, 색좌표, 색온도, CRI(color rendering index) 등을 고려하여 그 함량을 조절할 수 있다.
한편, 저융점 유리 프릿을 용융시킨 후 이를 고융점 유리 프릿 사이로 채우는 형태로 혼합체를 형성할 수도 있다. 이와 같은 공정에 따르면 저융점 유리 프릿은 소성 과정에서 용융되어 유리 상태로 되고 고융점 유리 프릿은 소성 과정에서 용융되지 않아 프릿 상태로 남아있게 된다. 즉, 고융점 유리 프릿의 형상이 그대로 유지되는 상태로 유리가 형성되고, 따라서 유리가 급격히 수축하면서 뒤틀리는 현상을 최소화할 수 있으며 컬링 현상을 방지할 수 있고 유리의 강도를 향상시킬 수 있게 된다.
저융점 유리 프릿은 소성 작업의 온도가 약 500~800℃인 유리가 사용될 수 있고 알칼리토족 산화물(MgO, CrO, BaO)을 포함하는 유리 성분을 포함할 수 있다. 또한, 고융점 유리 프릿은 소성 작업의 온도가 약 800℃ 이상인 유리가 사용될 수 있고 붕규산염인 보로실리케이트계 성분을 포함할 수 있다. 보로실리케이트계 성분은 강도 및 내구성이 우수한 장점이 있으며 칼슘 알루미늄 보로실리케이트, 칼슘소듐 보로실리케이트 등을 단독 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다. 하지만, 본 발명에서의 유리의 성분은 상술한 성분들에 한정되는 것은 아니다.
다음으로, 유리와 형광체의 혼합체를 프레스 성형하여 성형체를 형성한다(S520). 혼합체는 몰드에 투입한 후 압력을 가하여 프레스 성형이 수행될 수 있고, 이때 압력은 대략 2.0~2.5kg/㎠가 될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
성형체를 형성한 후에는 이를 연화점 이상의 온도, 보다 구체적으로는 연화점 이상, 용융점 미만의 온도에서 열처리하여 소결체를 형성한다(S530). 성형체를 유리의 연화점 이상의 온도에서 열처리하는 것은 유리의 투명성을 잃지 않으면서 성형체에 비하여 강도 및 형상을 확보한 상태의 소결체를 형성할 수 있어 홈의 형성 과정에서 유리하기 때문이다.
끝으로, 열처리를 통해 형성된 소결체에 홈을 형성한다(S540). 소결체에 홈을 형성하는 것은 마스크를 이용한 샌드 블라스팅 또는 산 부식(acid etching)을 통해 수행할 수 있다. 샌드 블라스팅 및 산 부식은, 표면처리를 하는 가공 방법으로, 샌드 블라스팅의 경우 모래, 알루미나, 탄화규소 등의 세라믹 분말 등을 분사하여 표면층을 깎아내어 소결체의 표면을 매끄럽게 하는 특징이 있으며, 산 부식의 경우 소결체 표면에 불필요한 부분을 제거함으로써 원하는 모양을 얻을 수 있다.
소결체는 LED 칩의 크기를 고려하여 LED 칩의 외부 표면을 덮을 수 있는 크기와 LED 칩을 보호할 수 있는 두께로 형성하는 것이 바람직하다.
이러한 과정을 통하여 LED 칩 봉지부재를 형성하면 LED 칩 봉지부재의 홈을 LED 칩에 삽입하여 결합시킴으로써 LED 패키지를 형성하게 된다. 이러한 결합은 비전도성 접착제(NCA)를 사용하여 물리적 접촉만으로도 이루어질 수 있으며, 또는 억지끼움 결합을 통해 기계적 접촉으로 수행할 수도 있다. 억지끼움 결합은 홈에 상기 LED 칩이 삽입되어 슬라이딩 되는 것으로, 이를 위해 홈의 모양은 LED칩의 형태보다 큰 형태를 갖되 홈의 입구에서 멀어질수록 홈의 폭이 좁아지는 형태를 가질 수 있다.
이와 같이, 본 실시예에 따르면 간단한 공정을 통해 LED 패키지를 형성할 수 있어 작업성을 향상시킬 수 있다. 또한, 열처리한 후 홈을 형성함으로써 원하는 두께 및 원하는 형태로 봉지부재를 제조할 수 있으며, PIG를 사용함으로써 고온 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 아울러, 플립칩 형태의 LED 패키지를 제조함으로써 출광면을 증대시킬 수 있고 와이어 본딩 공정 등의 추가적인 연결 구조를 생략할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따르면 LED 칩 봉지부재가 측면부 중 적어도 하나의 면에 반사면을 포함할 수 있다.
도 8은 본 발명의 제1 변형예에 따른 LED 칩 봉지부재의 사시도로서, 이를 참조하면 본 실시예에서는 봉지부재(520')의 측면부(520b') 중 마주하는 한 쌍의 면이 반사면으로 형성된다.
이러한 구성에 의해 본 실시예에서는 LED 칩(510)에서 봉지부재(520')의 반사면으로 향하는 광은 반사되어 투과하지 않으므로, LED 패키지(500)에서 봉지부재(520')에 반사면이 형성되지 않은 3면으로의 발광이 이루어지게 된다. 즉, 본 실시예에 따르면 봉지부재(520')의 적어도 하나의 면에 반사면을 형성함으로써 발광 효율을 높이면서 원하는 방향으로의 발광이 이루어질 수 있게 된다.
또한, 광투과를 위한 부재, 즉 PIG로 이루어진 투과면과 광반사를 위한 부재, 즉 반사면을 일체화하여 하나의 봉지부재(520')로 형성함으로써, LED 칩(510)을 실장한 후의 봉지 공정을 단순화할 수 있다. 즉, 본 실시예에서는 LED 칩(510)을 실장한 후 광반사 내지 차폐를 위한 부재를 장착하는 공정과 광투과를 위한 부재를 장착하는 공정(봉지 공정)을 별도로 수행할 필요 없이, 반사면을 포함하는 봉지부재(520')를 미리 형성하고 LED 칩(510) 실장 후 미리 형성한 봉지부재(520')로 씌우는 공정만을 수행하면 되므로, LED 패키지(500) 제조 공정이 훨씬 간단하게 된다.
본 실시예에서 봉지부재(520')의 반사면은 유리에 TiO2를 첨가한 혼합물로 형성된다. 이때, TiO2는 루타일(rutile) 타입을 사용하는 것이 바람직하다. 루타일 타입의 TiO2는 아나타제(anatase) 타입 및 브루카이트(brookite) 타입의 TiO2에 비해 반사율이 높고 굴절율이 높아 봉지부재(120)의 반사면으로 사용하기에 보다 적합하다.
유리에 혼합하는 TiO2의 중량비에 따라 반사면에서의 반사율이 달라질 수 있으므로, 본 실시예에서는 원하는 고반사율을 위해 TiO2의 중량비를 선택하게 된다. 본 실시예에서는 유리를 B2O3-SiO2-Al2O3 조성의 보로실리케이트(borosilicate) 유리를 사용하는 경우에는 TiO2의 중량비는 10~40중량%로 하는 것이 바람직하다. 예를 들어, TiO2 중량비를 15중량%로 하는 경우 가시광선 전 영역에서 평균 99% 이상의 반사율을 갖는다.
한편, 유리와 혼합하는 TiO2는 입자 사이즈가 1㎛ 이하의 미분을 사용하는 것이 바람직하나, 입자 사이즈가 1㎛를 초과하는 TiO2를 사용하더라도 원하는 반사 효과를 얻을 수 있다.
이상 봉지부재(520')의 측면부(520b') 중에서 마주보는 한 쌍의 면이 반사면으로 형성되어 3면 발광이 이루어지는 경우를 설명하였으나, 봉지부재에서 반사면을 달리 형성하는 것도 가능하다.
도 9는 본 발명의 제2 변형예에 따른 LED 칩 봉지부재의 사시도로서, 이를 참조하면 본 실시예의 LED 칩 봉지부재(520")는 LED 칩의 측면에 인접하는 측면부 전부를 반사면으로 형성한다. 이에 따라, 봉지부재(520")의 상면부만을 통해 광이 방출되는 1면 발광이 구현될 수 있다.
이와 같이, 본 발명에서는 LED 칩 봉지부재에 적어도 하나의 면을 반사면으로 형성하여 원하는 발광 방향을 얻을 수 있고, 봉지부재에 반사면을 일체로 형성함으로써 LED 칩의 실장 이후의 공정을 단순화할 수 있다.
도 10은 본 발명의 제3 변형예에 따른 LED 칩 봉지부재의 사시도로서, 이를 참조하면 본 실시예의 LED 칩 봉지부재(520"')는 제1 실시예에 따른 LED 칩 봉지부재가 복수 개 연결되어 있는 형태로 형성된다. 즉, 본 실시예의 LED 칩 봉지부재(520"')는 상면부, 측면부 및 저면부를 포함하고, 저면부에 복수의 홈이 형성되어 복수의 LED 칩을 봉지할 수 있는 구조로 이루어진다.
또한, 본 실시예에서는 봉지부재(520"')의 측면부 중에서 저면부의 홈이 이어지는 방향을 따라 마주보는 면들이 반사면으로 형성된다. 다만, 측면부에서 반사면이 형성되어 있는 형태는 예시적인 것으로, 반사면은 원하는 발광 방향에 따라 봉지부재의 측면부 중 어느 곳에도 형성될 수 있다.
이러한 구성에 의하면 인쇄회로기판 상에 일렬로 배열된 복수의 LED 칩을 즉 하나의 봉지부재(520"')로 봉지할 수 있어 LED 칩 실장 이후 봉지 공정을 더 신속하고 용이하게 수행할 수 있게 된다. 또한, 앞선 실시예와 같은 봉지부재가 복수 개 연결되어 형태로서 봉지부재(520"')의 강성을 향상시킬 수 있게 된다.
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해되어야 한다.

Claims (22)

  1. (a) 형광체가 첨가된 유리 슬러리를 성형 및 가공한 후, 건조하여 유리 그린 시트를 형성하는 단계;
    (b) 상기 유리 그린 시트를 복수개로 절단하여 복수의 유리 그린 시트 단위체를 형성하는 단계;
    (c) 상기 복수의 유리 그린 시트 단위체를 수직적으로 적층하여 압착하여 결합체를 형성하는 단계; 및
    (d) 상기 결합체를 소성하여 유리를 형성하는 단계;
    를 포함하는 LED용 유리의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 (a) 단계에서, 상기 성형은 테이프 캐스팅 성형, 압출 성형, 스크린 프린팅 중 어느 하나의 방식으로 실시하는 것을 특징으로 하는, LED용 유리의 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 (a) 단계에서, 상기 유리 그린 시트는 1 ~ 200㎛의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는, LED용 유리의 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 (c) 단계에서, 상기 복수의 유리 그린 시트 단위체는 각각의 형광체의 함량 분포도를 판별한 후 적층하는 것을 특징으로 하는, LED용 유리의 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 (c) 단계에서, 상기 복수의 유리 그린 시트 단위체는 동일한 면이 한 방향을 향하도록 적층하거나 또는 상기 복수의 유리 그린 시트 단위체는 각각의 상면 및 하면이 적어도 한 번 이상 교번적으로 엇갈려 적층되는 것을 특징으로 하는, LED용 유리의 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 (d) 단계에서, 소성 온도는 400~1,000℃인 것을 특징으로 하는, LED용 유리의 제조 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 (c) 단계 이후에,
    (c1) 상기 결합체를 홀 가공하는 단계;
    (c2) 상기 홀 가공된 결합체와 홀 가공되지 않은 결합체를 부착하는 단계 및
    (c3) 상기 부착된 결합체를 칩 사이즈로 절단하는 단계
    를 더 포함하는 LED용 유리의 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 (c1) 단계에서, 홀 가공은 레이저 또는 샌드 블라스팅(sand blasting)을 이용하여 실시하고, 가공하는 홀의 크기는 30~500㎛인 것을 특징으로 하는, LED용 유리의 제조 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 (c2) 단계에서, 결합체 간의 부착 온도는 40~150℃이고, 부착 압력은 2~100bar 인 것을 특징으로 하는, LED용 유리의 제조 방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 (c3) 단계에서, 상기 부착된 결합체의 절단은 레이저, 블레이드 또는 다이싱 소(dicing saw)를 이용하는 것을 특징으로 하는, LED용 유리의 제조 방법.
  11. LED 칩과 상기 LED 칩의 봉지부재를 포함하는 LED 패키지에 있어서,
    상기 LED 칩은 인쇄회로기판에 플립칩 형태로 실장되고,
    상기 봉지부재는 상면부, 측면부 및 홈을 갖는 저면부를 포함하여, 상기 LED 칩이 상기 인쇄회로기판에 실장되는 면을 제외한 면을 둘러싸도록 형성되며,
    상기 봉지부재는 유리에 형광체가 분산되어 있는 PIG(phosphor in glass)로 형성되는, LED 패키지.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 형광체는 YAG계, TAG계, 실리케이트계, 산화물계, 질화물계 및 황화물계 중 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, LED 패키지.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 봉지부재의 두께는 0.05 ~ 1mm인 것을 특징으로 하는, LED 패키지.
  14. LED 칩과 상기 LED 칩의 봉지부재를 포함하는 LED 패키지에 있어서,
    상기 LED 칩은 인쇄회로기판에 플립칩 형태로 실장되고,
    상기 봉지부재는 상면부, 측면부 및 홈을 갖는 저면부를 포함하여, 상기 LED 칩이 상기 인쇄회로기판에 실장되는 면을 제외한 면을 둘러싸도록 형성되며,
    상기 봉지부재는 유리에 형광체가 분산되어 있는 PIG(phosphor in glass)로 형성되되, 상기 봉지부재의 측면부 중 적어도 하나의 면은 반사면으로 형성되는 것을 특징으로 하는, LED 패키지.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 봉지부재의 측면부 중 마주보는 한 쌍의 면이 반사면으로 형성되는 것을 특징으로 하는, LED 패키지.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 봉지부재의 측면부 전체가 반사면으로 형성되는 것을 특징으로 하는, LED 패키지.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 봉지부재의 측면부 중 반사면은 유리에 TiO2를 첨가한 혼합물로 형성되는 것을 특징으로 하는, LED 패키지.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 봉지부재의 측면부 중 반사면에 사용되는 TiO2는 루타일 타입인 것을 특징으로 하는, LED 패키지.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 봉지부재의 측면부 중 반사면은 B2O3-SiO2-Al2O3 조성의 보로실리케이트(borosilicate) 유리에 10~40 중량%의 TiO2를 첨가한 혼합물로 형성되는 것을 특징으로 하는, LED 패키지.
  20. 백라이트 유닛에 사용되는 LED 어레이에서 LED 칩을 봉지하기 위한 LED 칩 봉지부재로서,
    상면부, 측면부 및 홈을 갖는 저면부를 포함하여, 상기 LED 칩이 인쇄회로기판에 실장되는 면을 제외한 LED 칩의 전면을 둘러싸는 형태로 형성되고,
    유리에 형광체가 분산되어 있는 PIG로 형성되는 것을 특징으로 하는, LED 칩 봉지부재.
  21. 백라이트 유닛에 사용되는 LED 어레이에서 LED 칩을 봉지하기 위한 LED 칩 봉지부재로서,
    상면부, 측면부 및 홈을 갖는 저면부를 포함하여, 상기 LED 칩이 인쇄회로기판에 실장되는 면을 제외한 LED 칩의 전면을 둘러싸는 형태로 형성되고,
    유리에 형광체가 분산되어 있는 PIG로 형성되되, 상기 측면부 중 적어도 하나의 면은 반사면으로 형성되는 것을 특징으로 하는, LED 칩 봉지부재.
  22. 백라이트 유닛에 사용되는 LED 어레이에서 복수의 LED 칩을 봉지하기 위한 LED 칩 봉지부재로서,
    상면부, 측면부 및 복수의 홈을 갖는 저면부를 포함하여, 인쇄회로기판에 실장되는 복수의 LED 칩을, 인쇄회로기판에 실장되는 면을 제외한 전면을 둘러싸는 형태로 형성되고,
    유리에 형광체가 분산되어 있는 PIG로 형성되되, 상기 측면부 중 적어도 하나의 면은 반사면으로 형성되는 것을 특징으로 하는, LED 칩 봉지부재.
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