KR100643471B1 - 발광소자 패키지 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 발광소자 패키지에 관한 것으로, 상호 이격되어 있는 두 개의 전극 메탈 상부에 링 형상의 구조물을 형성하고, 링 형상의 구조물 내부를 통해 노출된 두 개의 전극 메탈 상부에 발광소자 및 제너 다이오드(Zener Diode)를 실장함으로써, 발광소자 패키지의 크기 및 부피를 보다 작게 가공할 수 있으므로, 전자제품 및 정보통신기기의 소형화, 슬림화에 매우 용이하며, 열전달 효율이 우수한 금속 전극 메탈 상부에 발광소자 칩을 접합시킨 구조이기 때문에, 발광소자 구동시 발생되는 열이 효과적으로 방출될 수 있다는 장점이 있다.
발광소자, 패키지, 제너다이오드, 슬림화
Description
도 1은 종래 기술에 따른 발광소자 패키지의 구조를 개략적으로 설명하기 위한 사시도.
도 2는 종래 기술에 따른 발광소자 패키지의 구조를 개략적으로 설명하기 위한 단면도.
도 3은 본 발명에 따른 발광소자 패키지의 바람직한 일 실시 예를 설명하기 위한 사시도.
도 4a 내지 도 4e는 본 발명에 따른 발광소자 패키지 제조방법의 바람직한 일 실시 예를 설명하기 위한 단면도.
도 5a 내지 도 5g는 도 4a에 도시된 구조물을 형성하는 제조과정을 설명하기 위한 단면도.
도 6a 내지 도 6는 전극 메탈을 형성하는 다른 방법을 설명하기 위한 단면도.
도 7a 또는 도 7b는 전극 메탈을 형성하는 또 다른 방법을 설명하기 위한 단면도.
<도면의 주요부분에 대한 설명>
100. 발광소자 패키지 110. 링 형상의 구조물
120a. 제 1 전극 메탈 120b. 제 2 전극 메탈
130. 발광소자 140. 제너 다이오드(Zener Diode)
150. 전도성 와이어(Conductive Wire)210. 기판
211. 에칭 마스크(Etching Mask) 212. 포토레지스트(Photoresist)
213. 돌출부 220. 절연막
230a. 제 1 전극 메탈 230b. 제 2 전극 메탈
231a, 231b. 시드 메탈(Seed Metal) 240. 반사막
250. 발광소자(LED) 251. 전도성 접착제
260. 제너 다이오드 261. 접착제
270. 전도성 와이어(Conductive Wire)280. 충진제
본 발명은 발광소자 패키지에 관한 것으로서, 특히, 미세전자기계(Micro Electro Mechanical System, MEMS) 기술을 적용하여, 크기 및 부피를 보다 소형화, 슬림화시킨 발광소자 패키지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
발광소자(Light Emitting Diode, LED)는 21세기 화합물 반도체가 주도하는 광 반도체 시대의 차세대 광원으로 기존광원에 비하여 에너지 절감 효과가 뛰어나고, 반 영구적으로 사용할 수 있다는 장점이 있다.
특히, 최근 들어 발광소자의 휘도 문제가 크게 개선되면서 백라이트 유닛(Backlight Unit)용, 자동차용, 광고판용, 교통신호등용, 조명용 등 산업 전반적으로 사용되고 있다.
이러한 발광소자의 패키지는 정보 통신기기의 소형화, 슬림화 추세에 따라 더욱 소형화, 슬림화되고 있으며, 발광소자도 인쇄회로기판(Printed Circuit Board, PCB)에 직접 실장 하기 위하여, 표면 실장 소자(Surface Mount Device, SMD)형으로 만들어지고 있다.
이하, 도면을 참조하여 종래 기술에 따른 발광소자 패키지의 구조에 대해서 설명한다.
도 1은 종래 기술에 따른 발광소자 패키지(10)의 구조를 개략적으로 설명하기 위한 사시도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 기존의 발광소자 패키지(10)는 플라스틱 사출물(11)과 외부에서 전원을 인가할 수 있는 리드 프레임(Lead Frame)(12a, 12b), 전원 인가 시 빛을 발하는 발광소자(13), 정전기 또는 역 전압으로부터 발광소자를 보호하기 위한 제너 다이오드(Zener Diode)(14), 발광소자(13) 및 제너 다이오드(14)를 각각의 리드 프레임(12a, 12b)과 전기적으로 연결하기 위한 전도성 와이어 (Conductive Wire)들(15)로 구성되어 있다.
도 2는 종래 기술에 따른 발광소자 패키지(20)의 구조를 개략적으로 설명하기 위한 단면도이다.
도면에는 도시되지 않았으나, 플라스틱 사출물(21) 내부의 측면부에는 발광소자에서 방출된 광을 외부로 효과적으로 반사하기 위한 반사막을 일반적으로 형성하게 된다.
그리고, 발광소자(23)와 제너 다이오드(24)는 리드 프레임(22a, 22b)상의 양극과 음극에 각각 접착제를 사용하여 접합 되어있다.
이어서, 금(Au)과 같은 전도성 와이어(25)로 발광소자(23)와 제너 다이오드(24)가 상호 전기적으로 병렬로 연결되어 있다.
이와 같이 구성하는 이유는, 발광소자(23)에 정전기 등에 의한 역방향 전류가 인가되는 경우, 제너 다이오드(24)를 통해 전류가 우회(Bypass)되도록 하여 발광소자(23)의 손상을 방지하기 위해서이다.
이와 같은 구조로 이루어진 플라스틱 사출물(21)을 인쇄 회로 기판(PCB)에 접착제를 사용하여 접합하고, 인쇄 회로 기판의 금속 배선과 플라스틱 사출물의 리드 프레임(22a, 22b)을 용접에 의하여 연결시켜 이동통신 기기의 백라이트 유닛 등으로 사용하게 된다.
그러나, 전자제품 또는 정보통신 기기의 소형화, 슬림화 추세와 더불어 발광 소자 패키지의 크기 및 부피 또한 작게 가공해야 함에도 불구하고, 상기와 같은 종래의 발광소자 패키지는 플라스틱 사출 제작의 특성상 일정한 크기 이하로 제조하기가 어려워서, 그와 같은 소형화, 슬림화에 적합한 발광소자 패키지를 제조하는데 기술적 한계가 있다.
이와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해서, 본 발명은, 발광소자 및 제너 다이오드(Zener Diode) 등을 실장시키기 위한 패키지 구조물로, 실리콘 기판을 미세하게 식각하여 가공한 패키지 구조물을 적용함으로써, 발광소자 패키지 자체의 크기 및 부피를 종래에 비해 보다 작게 만들 수 있고, 나아가 전자제품 및 정보통신기기의 소형화, 슬림화에 매우 용이한 발광소자 패키지 및 그 제조방법을 제공하는데 목적이 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은, 열전달 효율이 우수한 금속 전극 메탈 상부에 발광소자 칩을 접합시킴으로써, 발광소자 구동시 발생되는 열이 효과적으로 방출될 수 있도록 한 고 효율, 고 신뢰성의 발광소자 패키지 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명에 따른 발광소자 패키지는, 상호 이격되어 있는 제 1 및 제 2 전극 메탈; 제 1 전극 메탈 상부에 전기적으로 연결되도록 본딩되어 있는 발광소자; 제 2 전극 메탈 상부에 본딩되어 있는 제너 다이오드; 발광소자와 제 2 전극 메탈, 제너 다이오드와 제 1 및 제 2 전극 메탈을 전기적으로 연결시키는 전도성 와이어(Conductive Wire)들; 제 1 및 제 2 전극 메탈의 상부에 발광소자와 제너 다이오드의 측면 둘레를 둘러싸며 형성되어 있는 링 형상의 구조물과; 링 형상의 구조물 내부의 발광소자, 제너 다이오드 및 전도성 와이어를 감싸며 채워진 충진제;를 포함한다.
또한, 본 발명에 따른 발광소자 패키지의 제조방법은, 상호 이격되어 있는 제 1 및 제 2 전극 메탈 상부에 링 형상의 구조물을 형성하는 단계; 링 형상의 구조물 내부의 제 1 전극 메탈 상부에 발광소자를 전기적으로 연결되도록 본딩(Bonding)하고, 제 2 전극 메탈 상부에 제너 다이오드를 본딩하는 단계; 발광소자와 제 2 전극 메탈, 제너 다이오드와 제 1 및 제 2 전극 메탈을 전도성 와이어(Conductive Wire)로 전기적으로 연결하는 단계;및 링 형상의 구조물 내부의 발광소자, 제너 다이오드 및 전도성 와이어를 감싸도록 충진제를 채우는 단계;를 포함한다.
이때, 상기 상호 이격되어 있는 제 1 및 제 2 전극 메탈 상부에 링 형상의 구조물을 형성하는 단계는, 기판 하부에 상호 이격된 두 영역을 일정 깊이로 식각하는 단계; 기판의 상, 하부 전면에 절연막을 형성하는 단계; 기판 하부에 이격되어 식각된 두 영역에 각각 제 1 전극 메탈과 제 2 전극 메탈을 형성하는 단계;및 제 1 및 제 2 전극 메탈 상부에 일부가 남아있고, 개구를 가지며, 개구의 내부에 제 1 및 제 2 전극 메탈이 노출되는 링 형상의 구조물이 형성되도록, 기판과 절연 막을 식각하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 발광소자 패키지 및 그 제조방법에 대하여 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 발광소자 패키지(100)의 바람직한 일 실시 예를 설명하기 위한 사시도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 발광소자 패키지(100)는, 링 형상의 구조물(110), 제 1 및 제 2 전극 메탈(120a, 120b), 발광소자(130), 제너 다이오드(140), 전도성 와이어(150)들, 마지막으로 도면에는 도시하지 않았으나, 링 형상의 구조물 내부의 상기 발광소자, 제너 다이오드 및 전도성 와이어를 감싸며 채워진 충진제로 구성된다.
우선, 상기 링 형상의 구조물(110)은, 벌크 마이크로 머시닝(Bulk Micromachining) 기술을 사용해 기판을 이방성 식각(Anisotropic Etching)하여 가공한 것으로서, 이후, 제 1 전극 메탈(120a) 제 2 전극 메탈(120b)이 위치할 영역의 상, 하부가 각각 관통되어 있으며, 하부에 상기 전극 메탈들을 이격되도록 형성하기 위한 돌출부가 형성되어있는 구조이다.
또한, 상기 전극 메탈들(120a, 120b)과 상기 링 형상의 구조물(110)이 맞닿아 있는 부분에 절연막이 형성되어 있는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 기판으로는 실리콘 기판을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 제 1 및 제 2 전극 메탈(120a, 120b)은 앞서 언급했듯이, 상기 링 형상 의 구조물(110) 하부에 상기 돌출부를 경계로 이격되어 위치하며, 금(Au) 또는 구리(Cu)를 사용하고, 전기도금(Electroplating) 방법이나 스크린 프린팅(Screen Printing) 방법, 또는 디스펜싱(Dispensing) 방법으로 형성하는 것이 바람직하다.
상기 발광소자(130)는 상기 제 1 전극 메탈(120a) 상부에 전도성 접착제를 통해 전기적으로 연결되도록 접착시키는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제너 다이오드(140)는, 과전압에 의한 발광소자의 손상을 방지하기 위한 것으로서, 상기 제 2 전극 메탈(120b) 상부에 접착된다.
그러나, 상기 제너 다이오드(140)는 전극 단자가 상부에 위치하기 때문에, 상기 발광소자(130)의 경우와 같이 전도성 접착제를 사용할 필요는 없다.
상기 전도성 와이어(Conductive Wire)(150)들은, 상기 발광소자(130)와 제너 다이오드(140)를 전기적으로 병렬로 연결시키기 위해서 필요한 요소로서, 먼저, 발광소자(130)의 상부 전극(P-전극)과 제 2 전극 메탈(120b)을 와이어 본딩(Wire Bonding)하고, 제너 다이오드(140)의 전극 단자중 음극(Cathode) 단자와 제 1 메탈 전극(120a), 양극(Anode) 단자와 제 2 메탈 전극(120b)을 각각 와이어 본딩(Wire Bonding)한다.
마지막으로, 도면에는 도시되지 않았으나, 상기 링 형상의 구조물 내부의 상기 발광소자, 제너 다이오드 및 전도성 와이어를 외부로부터 보호하기 위해서, 상기 링 형상의 구조물 내부 공간에 충진제를 채우는 것이 바람직하다.
한편, 상기 발광소자의 측면에서 방출되는 광의 출력을 보다 향상시키기 위해서, 상기 링 형상의 구조물 내측면에 반사막을 구비하는 것이 바람직하다.
도 4a 내지 도 4e는 본 발명에 따른 발광소자 패키지 제조방법의 바람직한 일 실시 예를 설명하기 위한 단면도이다.
도 4a는 상호 이격되어 있는 제 1 및 제 2 전극 메탈(230a, 230b) 상부에 시드 메탈(231a, 231b) 및 링 형상의 구조물(210)을 형성한 단계를 나타낸다.
상기 링 형상의 구조물은 벌크 마이크로 머시닝(Bulk Micromachining) 기술을 통해서 기판을 이방성 식각(Anisotropic Etching)하여 만들어진 구조물을 말한다.
여기서, 상기 기판은 실리콘 기판인 것이 바람직하다.
한편, 상기와 같은 구조의 형성 과정에 대한 보다 상세한 설명은, 도 5a 내지 도 5g에 대한 설명으로 대신한다.
도 4b는 링 형상의 구조물(210) 내측면에 발광소자의 광 출력을 향상시키기 위해서 반사막(240)을 형성한 단계를 나타낸다.
상기 반사막(240)은 상기 링 형상의 구조물 내측면과 접착력이 우수한 접착층(Adhesion Layer)과 발광소자의 발광 빛을 효율적으로 반사할 수 있도록 반사 효율이 우수한 거울층(Mirror Layer)로 이루어지며, 상기 접착층과 거울층 사이에 장벽층(Barrier Layer)를 형성하여, 후공정에서 100℃ ~ 400℃의 고온에 노출시 접착층 물질이 거울층 물질에 확산(Diffusion)되어 반사 효율이 저하되는 것을 방지하도록 형성하는 것이 바람직하다.
상기와 같은 반사막의 각 층을 이루기에 적합한 물질은, 상기 접착층(Adhesion Layer)은 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 장벽층(Barrier Layer)은 백금(Pt), 니켈(Ni), 거울층(Mirror Layer)은 은(Ag), 알루미늄(Al)이 바람직하며, 스퍼터링(Sputtering) 또는 전자 빔 증착(E-Beam Evaporation) 방법으로 이러한 물질들의 층을 형성할 수 있다.
도 4c는 링 형상의 구조물 내부에 노출되어 있는 시드 메탈(231a) 상부에 발광소자(250)를 전도성 접착제(251)를 이용하여 전기적으로 연결되도록 본딩(Bonding)하고, 시드 메탈(231b) 상부에는 제너 다이오드(260)를 접착제(261)를 이용하여 본딩한 단계를 나타낸다.
이와 같이 상기 발광소자(250)를 열전달 효율이 우수한 금속 전극 메탈 상부에 접합시킨 구조는, 발광소자 구동시 발생하는 열을 효과적으로 방열시키기 때문에, 발광소자를 과전류로부터 보호하기 위해 구비되는 제너 다이오드(260)와 더불어서, 신뢰성과 안정성이 보다 향상된 발광소자 패키지를 구현할 수 있다는 장점이 있다 .
도 4d는 발광소자(250)와 시드 메탈(231b), 제너 다이오드(260)와 시드 메탈들(231a, 231b)을 전도성 와이어(Conductive Wire)(270)를 이용하여 와이어 본딩(Wire Bonding)한 단계를 나타낸다.
이때, 도면에 도시된 바와 같이, 상기 발광소자와 제너 다이오드를 전기적으 로 병렬로 연결시키는 것이 바람직하다.
이와 같이 병렬로 형성하면, 상기 발광소자(250)에 정전기 등에 의한 역방향 전류의 인가시, 제너 다이오드(260)에 의해 전류가 우회(Bypass)되어 정전기에 의한 발광소자의 손상을 방지할 수 있기 때문이다.
도 4e는 링 형상의 구조물 내부의 발광소자(250), 제너 다이오드(260) 및 전도성 와이어(270)를 전부 감싸도록 충진제(280)를 채운 단계를 나타낸다.
상기 충진제(280)로는 형광체, 실리콘 젤, 투광성이 우수한 에폭시 등과 같은 물질들을 이용할 수 있다.
도 5a 내지 도 5g는 도 4a에 도시된 구조물을 형성하는 제조과정을 설명하기 위한 단면도이다.
도 5a는 기판(210)의 상, 하부에 에칭 마스크(211)를 형성한 단계를 나타낸다.
이때, 상기 기판(210)은 실리콘 기판을 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 기판(210)의 두께는 200㎛ ~ 1000㎛ 범위인 것이 적당하다.
그리고, 상기 에칭 마스크는 상기 기판을 식각할 때, 식각할 부분과 하지 않을 부분을 구분하기 위해서 필요한 것으로서, 일반적으로, 실리콘 산화막과 실리콘 질화막을 사용한다.
도 5b는 기판(210) 하부의 전극 메탈이 형성될 부분을 제외한 영역에 에칭 마스크(211)를 패터닝(Patterning)한 단계를 나타낸다.
상기 에칭 마스크(211)는 포토리소그래피(Photolithography) 기술을 이용하여 패터닝 하는데, 포토리소그래피를 위한 마스크 물질로써, 통상적으로 사용되어지는 포토레지스트(Photoresist)(212)를 사용한다.
도 5c는 패터닝된 에칭 마스크(211)를 통해 기판(210) 하부의 전극 메탈이 형성될 부분을 식각한 단계를 나타낸다.
이때, 효율적인 전극 메탈의 형성을 위해서, 100㎛ ~ 500㎛ 의 깊이로 식각하는 것이 바람직하다.
여기서, 식각 면을 수직하게 형성하는 것이 바람직한데, 이와 같이 형성하기위한 식각 방법으로는 Deep RIE(Reactive Ion Etching) 장비를 사용한 건식 식각(Dry Etching) 방법과 식각 용액을 사용한 습식 식각(Wet Etching) 방법이 있다.
한편, 상기 습식 식각 방법으로 수직한 식각면을 갖도록 하기 위해서는, 기판으로 오리엔테이션(Orientation) 단결정 실리콘 기판을 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 식각 용액으로는 KOH 용액과 TMAH, EDP 용액을 사용하는 것이 바람직하다.
도 5d는 에칭 마스크와 포토레지스트(Photoresist)를 제거한 단계를 나타낸 다.
앞 단계에서, 기판의 하부를 식각하기 위해 사용된 에칭 마스크와 이를 패터닝하기 위해 사용된 포토레지스트는 더 이상 필요하지 않으므로, 이들을 제거하는 단계인데, 이와 같은 물질은 습식 식각(Wet Etching) 방법으로 제거하는 것이 일반적이다.
도 5e는 기판(210) 상부와 하부의 전면에 절연막(220)을 형성한 단계를 나타낸다.
이와 같이 절연막(220)을 형성하는 이유는, 전극 메탈을 기판상에 직접 형성시, 아무리 이격시켜 형성한다고 하더라도 기판을 통해서 전류가 흐를 가능성이 있기 때문이다.
또한, 이러한 절연막(220)으로는, 이후, 기판 상부의 식각시 에칭 마스크로써의 역할도 동시에 할 수 있는 물질인 것이 바람직한데, 이러한 물질로는 앞에서 기판 하부의 식각을 위한 에칭 마스크로써, 이미 사용한 바 있는 실리콘 산화막 또는 실리콘 질화막을 예로 들 수 있다.
특히, 실리콘 산화막은 절연 특성이 우수할 뿐 아니라, 장시간 식각시에도 마스크로써 우수한 성능을 보이기 때문에, 절연막 물질로 사용하는데 가장 적합하다.
이와 같이 한 가지 물질만으로 절연막(220)과 에칭마스크(211)의 역할을 동시에 함으로써, 제조 공정을 보다 단순화시킬 수 있는 장점이 있다.
도 5f는 기판(210) 하부의 식각된 영역에 시드 메탈(Seed Metal)(231a, 231b)과 제 1 및 제 2 전극 메탈(230a, 230b)를 형성한 단계를 나타낸다.
여기서, 상기 시드 메탈은 반도체 공정에서 이미 물성의 신뢰성이 입증된 스퍼터링(Sputtering) 방법 또는 전자 빔 증착(E-Beam Evaporation) 방법을 이용하여 증착한다.
이러한 상기 시드 메탈(231a, 231b)은 위에서 형성한 절연막(220)과 상기 전극 메탈들 사이에서 접착력(Adhesion)을 우수하게 하는 역할을 한다.
또한, 상기 시드 메탈은 접착력뿐만 아니라, 전기적 특성도 우수하여야 한다.
일반적으로, 상기 시드 메탈은 절연막으로 사용하는 실리콘 산화막 또는 실리콘 질화막과 접착력이 우수한 티타늄(Ti), 크롬(Cr)등을 접착층(Adhesion Layer)으로 사용하며, 또한, 전기적 특성이 좋으면서 반도체 공정으로 쉽게 증착할 수 있는 금(Au), 구리(Cu)를 사용하여, 크롬(Cr)/금(Au), 티타늄(Ti)/금(Au), 크롬(Cr)/구리(Cu), 티타늄(Ti)/구리(Cu)와 같이 이중층 구조로 형성한다.
이와 같이, 시드 메탈을 형성한 후, 도면에 도시된 바와 같이, 제 1 및 제 2 전극 메탈(230a, 230b)을 서로 단락(Short)되지 않도록, 기판에서 식각되지 않은 돌출부를 넘지 않는 두께로 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 전극 메탈의 두께가 지나치게 두꺼울 경우는, 메탈 내부의 스트레스로 인해 기판의 휨 현상이나 균열(Crack) 현상이 발생할 수 있고, 지나치게 얇을 경우 는, 기판의 지지력이 약해져 기판이 쉽게 구부러지거나 끊어질 우려가 있으므로, 이러한 문제를 고려하여 적절한 두께로 형성하는 것이 바람직하다.
참고로, 도면에서와 같이 돌출부의 높이와 동일하게 전극 메탈을 형성하기 위해서는, 기판 하부에 전극 메탈을 형성한 후, 돌출부의 절연막 또는 돌출부가 나타날 때까지 기판 하부를 연마(Polishing)하여 평탄화하는 방법이 있다.
한편, 전극 메탈은 발광소자 구동 시 발생하는 열을 효과적으로 방출하기 위해, 열 전달 효율이 우수하여야 할 뿐만 아니라, 전도성이 우수하여야 한다.
이와 같은 전극 메탈용 물질로는 금(Au), 구리(Cu)를 사용하는 것이 바람직하며, 전기도금(Electroplating) 방법, 스크린 프린팅(Screen Printing) 방법, 디스펜싱(dispensing) 방법 등을 통해 형성하는 것이 바람직하다.
도 5g는 기판(210) 상부를 링 구조물 형상으로 식각하되, 링 형상의 구조물을 통해서, 시드 메탈들(231a, 231b) 상부의 일부가 노출되도록 식각한 단계를 나타낸다.
구체적으로는, 앞에서 기판 하부에 전극 메탈들(230a, 230b)을 형성하기 위해서, 에칭 마스크를 포토레지스트(Photoresist)를 통해 패터닝하고, 패터닝된 에칭 마스크를 통해 기판을 이방성 식각(Anisotropic Etching)하였던 것과 마찬가지로, 여기서도 그와 같은 방법을 통해서 기판 상부를 식각한다.
이때, 절연막(220)이 노출될 때까지는 이방성 식각을 통해 식각하고, 노출된 절연막은 건식 식각(Dry Etching) 방법 또는 습식 식각(Wet Etching) 방법을 통해 제거하여, 도면에서와 같이 시드 메탈들(231a, 231b)이 노출되도록 식각한다.
참고로, 지금까지 링 형상의 구조물을 통해 노출된 제 1 및 제 2 전극 메탈 상부에 각각 발광 소자와 별도의 실장용 제너 다이오드(Zener Diode) 칩을 사용하여 3회의 와이어 본딩(Wire Bonding)을 실시하는 예로 패키지 구조를 설명하였으나, N 타입(Type) 반도체 불순물이 도핑된 실리콘 기판을 이용하여 링 형상의 구조물을 형성하고, 실리콘 기판과 제 1 전극 메탈이 전기적으로 연결되도록 만든 후, 실리콘 기판에 P 타입의 반도체 불순물을 확산(Diffusion)시키고, P 타입의 반도체 불순물이 제 2 전극 메탈과 전기적으로 연결되도록 만드는 PN 접합 또는 PNP 접합 제너 다이오드를 구현함으로써, 별도의 실장용 제너 다이오드 칩을 사용하지 않더라도 충분히 패키지 구현이 가능하며, 이와 같은 변형 및 응용된 발광소자 패키지 구조 또한 본 발명에서 추구하는 기술적 사상과 무관하지 않음을 강조하는 바이다.
도 6a 내지 도 6c 공정은 전극 메탈을 형성하는 다른 방법을 설명하기 위한 단면도이다.
먼저, 상기한 도 5a 내지 도 5d와 마찬가지 방법으로, 기판(210) 하부에 상호 이격된 두 영역을 일정 깊이 식각하여, 돌출부(213)를 형성한다. (도 6a)
이때, 상기 기판은 실리콘 기판인 것이 바람직하다.
그리고, 상기 기판(210) 상, 하부에 절연막(220)을 형성하되, 상기 돌출부(213) 형상을 따라서 일정 두께로 절연막을 형성한다. (도 6b)
이어서, 상기 절연막 하부에 상기 돌출부(213) 형상을 따라서 일정한 두께로 시드 메탈(231)을 형성한다. (도 6c)
이후, 상기 돌출부(213) 하부에 형성된 시드 메탈(231)을 포토리소그래피(Photolithography)와 건식 식각(Dry Etching) 방법을 통해 제거하여, 시드 메탈이 둘(231a, 231b)로 나뉘어지도록 한다. (도 6d)
그런 다음, 상기 나뉘어진 시드 메탈들(231a, 231b) 각각의 하부에 상기 돌출부를 덮도록, 상기 기판의 식각된 깊이보다 두껍게 전극 메탈(230a, 230b)을 형성한다. (도 6e)
여기서, 전극 메탈들(230a, 230b)을 기판으로부터의 두께가 두껍게 형성할수록 형성된 메탈의 측면으로도 도금되어, 도면상의 두 전극 메탈(230a, 230b) 사이의 간격(d1)이 점점 작아지게 되고, 전극 메탈들이 서로 융합하면서 전기적으로 연결될 가능성도 그만큼 커지게 된다.
그러므로, 이후 전극 메탈들(230a, 230b)이 상호 전기적으로 단락(Short)되지 않도록 하기 위해서, 마지막으로, 상기 돌출부(213) 하부의 절연막이 노출될 때까지 연마(Polishing)하여, 제 1 전극 메탈(230a)과 제 2 전극 메탈(230b)을 형성한다. (도 6f)
이와 같은 공정을 통한 전극 메탈의 형성방법은, 기판에 메탈을 형성하기 위한 영역을 식각하고, 그 식각된 영역의 깊이만큼 메탈을 모두 채워 두껍게 형성하는 방법이다.
도 7a 또는 도 7b 공정은 전극 메탈을 형성하는 또 다른 방법을 설명하기 위한 단면도이다.
앞에서 설명한, 도 6a 내지 도 6d와 같은 공정을 통해, 식각된 기판(210)에 절연막(220)을 형성하고, 시드메탈들(231a, 231b)을 형성한다. (도 7a)
그리고, 상기 나누어진 시드 메탈들(231a, 231b) 각각의 면에 상기 기판의 식각된 깊이보다 얇은 두께(d2)로 제 1 및 제 2 전극 메탈(230a, 230b)을 형성한다. (도 7b)
이때, 상기 전극 메탈을 형성하는 두께(d2)는, 30㎛ ~ 100㎛ 범위인 것이 바람직하다.
그리고, 상기 전극 메탈들(230a, 230b)은 도금(Plating) 방법으로 형성하는 것이 바람직하다.
이와 같은 공정을 통한 전극 메탈의 형성방법은, 제 1 전극 메탈과 제 2 전극 메탈의 형성시 연결될 가능성이 작기 때문에, 연마(Polishing) 공정이 필요 없다는 장점이 있다.
이상, 본 발명의 실시 예에 따른 발명의 구성을 상세히 설명하였지만, 본 발명은 반드시 이러한 실시 예로 국한되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형 실시될 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따르면, 미세전자기계(Micro Electro Mechanical System, MEMS) 기술인 벌크 마이크로머시닝(Bulk Micromachining) 기술을 통해 가공한 실리콘 구조물에 발광소자를 패키징(Packaging)하기 때문에, 기존의 플라스틱 사출 방식을 통한 발광소자의 패키징 시보다 발광소자 패키지의 크기 및 부피를 보다 작게 가공할 수 있고, 따라서, 전자 제품의 소형화, 슬림화에 매우 용이할 뿐만 아니라, 반도체 제조공정을 적용하면 실리콘 기판상에 대량 생산도 용이하므로, 제조원가를 크게 줄일 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 열 전달 효율이 우수한 금속 전극 메탈 상부에 발광소자 칩이 접합된 구조이므로, 발광소자 구동시 발생되는 열이 효과적으로 방출될 수 있으며, 한편, 제너 다이오드를 내장하기 때문에, 과전압에 의한 발광소자 손상을 방지할 수 있으므로, 고 효율, 고 신뢰성을 갖는 발광소자 패키지를 구현할 수 있다는 장점이 있다.
Claims (18)
- 상호 이격되어 있는 제 1 및 제 2 전극 메탈;상기 제 1 전극 메탈 상부에 전기적으로 연결되도록 본딩되어 있는 발광소자;상기 제 2 전극 메탈 상부에 본딩되어 있는 제너 다이오드;상기 발광소자와 제 2 전극 메탈, 상기 제너 다이오드와 제 1 및 제 2 전극 메탈을 전기적으로 연결시키는 전도성 와이어(Conductive Wire)들;상기 제 1 및 제 2 전극 메탈의 상부에 상기 발광소자와 제너 다이오드의 측면 둘레를 둘러싸며 형성되어 있는 링 형상의 구조물과;상기 링 형상의 구조물 내부의 상기 발광소자, 제너 다이오드 및 전도성 와이어를 감싸며 채워진 충진제를 포함하는 발광소자 패키지.
- 제 1항에 있어서,상기 링 형상의 구조물은,상기 제 1 전극 메탈 또는 제 2 전극 메탈과 접하는 부분은 절연 물질로 이루어져 있으며, 나머지 부분은 실리콘 재질인 것을 특징으로 하는 발광소자 패키지.
- 제 1항에 있어서,상기 링 형상 구조물의 내측면에는,상기 발광소자의 측면에서 방출되는 광이 효율적으로 반사되고, 발광효율이 향상되도록, 반사막이 더 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 발광소자 패키지.
- 제 1항에 있어서,상기 충진제는,형광체, 실리콘 젤, 에폭시 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 발광소자 패키지.
- 제 1항에 있어서,상기 제 1 전극 메탈과 제 2 전극 메탈 사이에,절연물질이 개재되어 있는 것을 특징으로 하는 발광소자 패키지.
- 상호 이격되어 있는 제 1 및 제 2 전극 메탈 상부에 링 형상의 구조물을 형성하는 단계;상기 링 형상의 구조물 내부의 제 1 전극 메탈 상부에 발광소자를 전기적으로 연결되도록 본딩(Bonding)하고, 제 2 전극 메탈 상부에 제너 다이오드를 본딩하는 단계;상기 발광소자와 제 2 전극 메탈, 상기 제너 다이오드와 제 1 및 제 2 전극 메탈을 전도성 와이어(Conductive Wire)로 전기적으로 연결하는 단계;및상기 링 형상의 구조물 내부의 상기 발광소자, 제너 다이오드 및 전도성 와이어를 감싸도록 충진제를 채우는 단계;를 포함하는 발광소자 패키지 제조방법.
- 제 6항에 있어서,상호 이격되어 있는 제 1 및 제 2 전극 메탈 상부에 링 형상의 구조물을 형성하는 단계는,기판 하부에 상호 이격된 두 영역을 일정 깊이로 식각하는 단계;상기 기판의 상, 하부 전면에 절연막을 형성하는 단계;상기 기판 하부에 이격되어 식각된 두 영역에 각각 제 1 전극 메탈과 제 2 전극 메탈을 형성하는 단계;및상기 제 1 및 제 2 전극 메탈 상부에 일부가 남아있고, 개구를 가지며, 개구의 내부에 제 1 및 제 2 전극 메탈이 노출되는 링 형상의 구조물이 형성되도록, 상기 기판과 절연막을 식각하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광소자 패키지 제조방법.
- 제 6항에 있어서,상호 이격되어 있는 제 1 및 제 2 전극 메탈 상부에 링 형상의 구조물을 형성하는 단계는,상기 기판 하부에 상호 이격된 두 영역을 식각하여 돌출부를 형성하는 단계;상기 기판 상, 하부에 절연막을 형성하되, 상기 돌출부 형상을 따라서 일정 두께로 절연막을 형성하는 단계;상기 기판 하부에서 상기 돌출부 형상을 따라서 상기 절연막 하부에 일정한 두께로 시드 메탈을 형성하는 단계;상기 돌출부 하부 영역의 시드 메탈을 제거하여 상호 이격된 두 개의 시드 메탈들을 형성하는 단계;상기 두 개의 시드 메탈 하부에 상기 기판의 식각된 두께보다 두껍게 전극 메탈을 형성하는 단계 및;상기 전극 메탈을 상기 돌출부 또는 돌출부 하부의 절연막이 노출될 때까지 연마(Polishing)하여, 전기적으로 연결되지 않는 제 1 전극 메탈과 제 2 전극 메탈을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 발광소자 패키지 제조방법.
- 제 6항에 있어서,상호 이격되어 있는 제 1 및 제 2 전극 메탈 상부에 링 형상의 구조물을 형성하는 단계는,상기 기판 하부에 상호 이격된 두 영역을 식각하여 돌출부를 형성하는 단계;상기 기판 상, 하부에 절연막을 형성하되, 상기 돌출부 형상을 따라서 일정 두께로 절연막을 형성하는 단계;상기 기판 하부에서 상기 돌출부 형상을 따라서 상기 절연막 하부에 일정한 두께로 시드 메탈을 형성하는 단계;상기 돌출부 하부 영역의 시드 메탈을 제거하여 상호 이격된 두 개의 시드 메탈들을 형성하는 단계 및;상기 두 개의 시드 메탈들 각각의 면에 상기 기판의 식각된 깊이보다 얇은 두께로 제 1 및 제 2 전극 메탈을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 발광소자 패키지 제조방법.
- 제 7항에 있어서,상기 기판은,실리콘 기판인 것을 특징으로 하는 발광소자 패키지 제조방법.
- 제 7항에 있어서,상기 기판의 두께는,200㎛ ~ 1000㎛ 인 것을 특징으로 하는 발광소자 패키지 제조방법.
- 제 7항에 있어서,상기 기판의 식각은,Deep RIE(Reactive Ion Etching) 장비를 이용한 건식 식각(Dry Etching) 또는 식각 용액을 통한 습식 식각(Wet Etching)을 통해 수행하는 것을 특징으로 하는 발광소자 패키지 제조방법.
- 제 7항에 있어서,상기 절연막은,실리콘 산화막 또는 실리콘 질화막인 것을 특징으로 하는 발광소자 패키지 제조방법.
- 제 7항에 있어서,상기 기판의 상, 하부 전면에 절연막을 형성한 후, 제 1 및 제 2 전극 메탈을 형성하기 전에,상기 절연막과의 우수한 접착(Adhesion)을 위해서, 상기 기판 하부의 식각된 영역에 형성시킨 절연막 하부에 시드 메탈(Seed Metal)을 더 형성하는 것을 특징으로 하는 발광소자 패키지 제조방법.
- 제 14항에 있어서,상기 시드 메탈은,크롬(Cr)/금(Au), 티타늄(Ti)/금(Au), 크롬(Cr)/구리(Cu), 티타늄(Ti)/구리( Cu)의 이중층 중 어느 하나로 형성하는 것을 특징으로 하는 발광소자 패키지 제조방법.
- 제 6항에 있어서,상기 충진제는,형광체, 실리콘 젤, 에폭시 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 발광소자 패키지 제조방법.
- 제 6항에 있어서,상기 상호 이격되어 있는 제 1 및 제 2 전극 메탈 상부에 링 형상의 구조물을 형성하고, 상기 발광소자와 제너 다이오드를 본딩하기 전에,광 출력 향상을 위해서, 상기 링 형상의 구조물 내측면에 반사막을 형성하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광소자 패키지 제조방법.
- 제 17항에 있어서,상기 반사막은,접착층(Adhesion Layer), 장벽층(Barrier Layer), 거울층(Mirror Layer)으로 이루어지고, 상기 접착층(Adhesion Layer)은 티타늄(Ti) 또는 크롬(Cr), 장벽층(Barrier Layer)은 백금(Pt) 또는 니켈(Ni), 거울층(Mirror Layer)은 은(Ag) 또는 알루미늄(Al)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 발광소자 패키지 제조방법.
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