KR100674831B1

KR100674831B1 - 백색 발광 다이오드 패키지 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR100674831B1
Application number: KR1020040089870A
Authority: KR
Inventors: 박일우; 정윤섭; 윤철수
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2004-11-05
Filing date: 2004-11-05
Publication date: 2007-01-25
Also published as: KR20060040321A; JP2006135288A; TW200616257A; TWI253192B; US20060097621A1

Abstract

본 발명은 백색 발광다이오드 패키지에 관한 것으로서, 리드 프레임을 갖는 패키지기판에 발광다이오드를 실장하는 단계와, 형광체분말와 투명성 폴리머 수지를 혼합하여 500∼10000cps의 점도를 갖는 형광체 페이스트를 마련하는 단계와, 상기 형광체 페이스트의 액적을 상기 발광다이오드 상면에 디스펜싱하여 상기 칩의 상면과 측면에 상기 형광체 페이스트를 도포하는 단계와, 상기 발광다이오드에 도포된 형광체 페이스트를 경화시키는 단계를 포함하는 백색 발광소자 제조 방법을 제공한다.

본 발명에 따르면, 종래의 형광체분말 침전에 의한 불균일한 형광체분포 및 산포문제를 해결하여 우수한 광변환효율을 얻을 수 있으며, 패키지기판 상면의 반사영역 등에 형광체 분말 침전으로 인해 발생될 수 있는 휘도감소와, 측면으로부터의 청색발광에 의해 야기되는 색얼룩문제를 방지할 수 있다.

형광체(phosphor), 디스펜싱공정(dispensing), 백색 발광다이오드(white light emitting diode)

Description

백색 발광 다이오드 패키지 및 그 제조방법{WHITE LIGHT EMITTING DIODE PACKAGE AND METHOD OF PRODUCING THE SAME}

도1a는 종래의 백색 발광다이오드 패키지의 단면을 도시한 개략도이다.

도1b는 도1a에 유사한 형태의 실제 백색 발광다이오드 패키지를 촬영한 SEM 사진이다.

도2a 내지 도2d는 본 발명에 따른 백색 발광다이오드 패키지의 제조방법을 설명하기 위한 공정단면도이다.

도3a는 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 백색 발광다이오드 패키지의 단면을 촬영한 SEM사진이며, 도3b는 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 백색 발광다이오드 패키지의 상부평면을 촬영한 사진이다.

도4는 비교예의 백색 발광다이오드 패키지에 제공된 형광체막의 도포상태를 비교하기 위해 촬영된 SEM사진이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호설명>

11,21: 패키지 기판 12,22: 캡구조물

13a,13b,23a,23b: 리드프레임 14a,14b,24a,24b: 와이어

15,25: 발광다이오드 칩 17,27: 접착제

18,28: 형광체분말 19: 파장변환용 몰딩부

29: 투명몰딩부

본 발명은 백색 발광다이오드에 관한 것으로서, 단파장광을 방출하는 발광다이오드에 파장변환용 형광체를 도포하는 백색 발광다이오드 패키지의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 발광다이오드는 우수한 단색성 피크파장을 가지며 광효율성이 우수하고 소형화가 가능하다는 장점을 가지므로, 다양한 디스플레이 장치 및 광원으로서 널리 사용되고 있다. 특히, 백색 발광다이오드는 조명장치 또는 디스플레이 장치의 백라이트를 대체할 수 있는 고출력, 고효율 광원으로서 적극적으로 개발되고 있다.

이러한 백색 발광다이오드를 구현하는 방안으로는, 근자외선 내지 청색광(370㎚∼480㎚) 발광다이오드에 형광체를 도포하여 백색광으로 변환하는 파장변환방법이 주로 사용되고 있다.

도1a는 종래의 일방법에 따라 제조된 백색 발광다이오드 패키지(10)를 나타 내는 단면도이다.

도1a를 참조하면, 상기 백색 발광다이오드 패키지(10)는 2개의 리드프레임(13a,13b)이 형성된 패키지기판(11)과 상기 패키지기판(11)의 캡구조(12) 내에 실장된 청색 발광다이오드 칩(15)를 포함한다. 상기 발광다이오드 칩(15)은 발광다이오드(15a)와 칩기판(15b)을 포함한 플립칩구조이며, 상기 칩기판(15b)에 형성되어 발광다이오드(15)의 양전극(미도시)에 각각 연결된 전극부(미도시)은 각각 상기 리드프레임(13a,13b)의 상단에 와이어(14a,14b)로 연결될 수 있다.

상기 캡구조(12) 내부에는 상기 청색 LED 칩(15) 주위를 둘러싸도록 Y-Al-Ga(YAG)계 형광체를 함유한 몰딩부(19)가 형성된다. 상기 몰딩부(19)에 분포한 형광체분말(18)은 LED(15a)로부터 방출되는 청색광의 일부를 황색광으로 변환하고, 변환된 황색광은 변환되지 않은 청색광과 조합되어 원하는 백색광으로 발산될 수 있다.

일반적으로, 상기 파장변환용 몰딩부(19)는 형광체분말이 균일하게 분산된 액상수지를 디스펜싱공정을 이용하여 형성될 수 있다.

하지만, 종래의 디스펜싱공정은 도1b의 단면사진과 같이 액상수지를 이용하므로 그 액상수지가 경화되는 과정에서 형광체분말이 침전되는 문제가 있다. 심지어, A로 표시된 발광다이오드 칩의 측면영역에는 형광체분말이 거의 존재하지 않으므로, 파장변환없이 방출되는 청색광의 비율이 지나치게 높아질 수 있다. 이로 인해 보다 많은 양의 형광체분말이 요구되며. 결과적으로 발광휘도가 저하되고, 편향각도에 따라 빛의 색온도가 상이하므로 부분적으로 황백색 또는 청백색을 띠게 되는 색얼룩현상이 야기된다.

또한, 상기 캡구조 또는 기판의 내부면에 휘도향상을 위해 반사면을 제공하는 경우에, 침전된 형광체분말은 그 반사면에 부착되어 반사효과를 저감시키고, 결과적으로 발광휘도를 저하시키는 원인이 되기도 한다.

다양한 형광체분말을 혼합하여 사용하는 경우에, 상기한 형광체분말의 침전현상은 보다 심각한 문제가 된다. 예를 들어, 자외선 LED와 적절한 배합비를 갖는 적색, 녹색 및 청색 형광체분말의 혼합물을 이용하여 백색 발광다이오드를 제조하는 경우에, 각 형광체마다 다른 비중과 입도를 가지므로, 색의 불균일문제는 보다 심화된다.

이러한 문제 외에도, 디스펜싱공정 및 경화시간에 따라 침전정도가 커지므로, 결과적으로 공정시간에 따라 색좌표가 변화할 수 있으며, 이로 인해, 불량율도 증가할 뿐만 아니라, 패키지에 따른 색좌표의 산포가 커지는 문제도 있다.

본 발명은 상술된 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 백색광의 특성을 향상시키기 위해서, 고점도인 형광체 페이스트를 디스펜싱하여 발광다이오드의 상면과 측면에 균일하게 도포시키는 백색 발광다이오드 패키지 제조방법을 제공하는데 있다.

상기한 기술적 과제를 달성하기 위해서, 본 발명은,

리드 프레임을 갖는 패키지구조에 발광다이오드을 실장하는 단계와, 형광체분말와 투명성 폴리머 수지를 혼합하여 500∼10000cps의 점도를 갖는 형광체 페이스트를 마련하는 단계와, 상기 형광체 페이스트의 액적을 상기 발광다이오드 상면에 디스펜싱하여 상기 칩의 상면과 측면에 상기 형광체 페이스트를 도포하는 단계와, 상기 발광다이오드에 도포된 형광체 페이스트를 경화시키는 단계를 포함하는 백색 발광소자 제조 방법을 제공한다.

바람직하게, 상기 형광체 페이스트는 상기 투명성 폴리머 수지에 대한 상기 형광체 분말의 중량비가 0.5∼10범위일 수 있다. 또한, 바람직하게는 상기 발광다이오드 상면에 디스펜싱되는 상기 형광체 페이스트의 액적부피는 0.012∼0.5㎕일 수 있다.

상기 투명성 폴리머 수지는 경화성 폴리머 수지를 사용하는 것이 바람직하며, 이러한 경화성 폴리머 수지로는 실리콘계 폴리머 수지 또는 에폭시계 폴리머 수지일 수 있다.

와이어에 의한 페이스트의 원하지 않는 유동을 방지하기 위해서, 상기 형광체 페이스트를 경화시키는 단계 후에 발광다이오드 또는 발광다이오드칩을 리드프레임에 와이어본딩하는 공정을 실시하는 것이 바람직하다. 다만, 와이어본딩공정시 그 높이를 낮게 조정하여 원하지 않는 유동의 발생을 억제하면 와이어본딩공정을 칩 실장시에 수행할 수도 있다. 또한, 본 발명은 플립칩 발광다이오드와 같은 다양한 패키지구조에 적용될 수 있다.

바람직하게는, 상기 패키지기판은 상면에 발광다이오드를 둘러싼 캡구조물을 더 포함한 구조일 수 있다. 이 경우에, 상기 형광체 페이스트를 경화시킨 후에, 상기 캡구조물 내에 투명수지를 이용하여 투명몰딩부를 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명은 상기한 제조방법에 따라 제조된 백색 발광다이오드 패키지를 포함한다.

본 발명에서는, 약 500∼10000cps인 고점도성 형광체페이스트를 마련되며, 상기 형광체페이스트를 발광다이오드의 상면에 소량으로 제공되어, 발광다이오드의 상면과 측면에 한하여 도포시킨다. 따라서, 형광체분말의 침전에 의한 종래 기술의 문제를 해결하는 동시에, 형광체를 발광다이오드의 측면까지 균일하게 도포시킴으로써 우수한 광변환효율을 얻을 수 있으며, 또한, 패키지기판 상면 등의 반사영역 에 형광체 분말이 부착되어 발생되는 휘도감소를 방지할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

도2a와 같이, 리드 프레임(23a,23b)을 갖는 패키지기판(21)에 발광다이오드(25a)를 실장한다. 상기 패키지기판(21)은 상기 발광다이오드 칩(25)과 전기적으로 접속될 리드프레임(23a,23b)을 구비하며, 실시형태에 따라 내부에 경사진 반사면을 갖는 캡구조물(22)을 포함할 수 있다. 상기 발광다이오드(25a)는 자외선 또는 근자외선, 청색 등의 단파장 발광다이오드일 수 있으며, 일반적으로 발광다이오드 칩(25)형태로 제공된다. 본 실시형태에서는, 상기 발광다이오드(25a)는 칩기판(25b)에 플립칩 본딩방식으로 실장된 플립칩 발광다이오드(25)로 예시되어 있다. 상기 발광다이오드칩(25)은 상기 패키지기판(21)에 접착제(27) 등의 고정수단을 이용하여 탑재될 수 있다.

이어, 도2b와 같이, 디스펜싱공정을 이용하여 발광다이오드(25a)의 상면에 형광체 페이스트(28)의 액적을 제공한다. 본 발명에서 채용되는 형광체 페이스트(28)는 약 500∼10000cps인 고점도성 형광체 페이스트이다. 이러한 고점도 형광체 페이스트(28)는 투명성 폴리머수지에 대한 형광체분말의 중량비가 0.5∼10범위가 되도록 혼합하여 마련될 수 있다. 이러한 혼합비를 갖는 형광체 페이스트는 종래의 디스펜싱공정에 사용되는 형광체혼합물(투명성 폴리머 수지: 형광체 분말 = 약 10:1)에 비해 높은 점도를 가질 수 있다.

본 발명에 사용되는 투명성 폴리머수지로는 바람직하게 경화성 수지 또는 아 크릴계 수지를 사용할 수 있으나, 다만 수용성 폴리머 수지는 높은 점도를 구현하기 곤란하므로 바람직하지 않다. 본 발명에 바람직하게 사용가능한 경화성 수지로는 실리콘계 폴리머 수지 또는 에폭시계 폴리머 수지가 있다.

그 결과, 도2c와 같이, 상기한 디스펜싱공정에 의해 상기 형광체 페이스트(28')는 발광다이오드(25a)의 상면과 측면에 한하여 도포될 수 있으며, 도포된 형광체 페이스트(28')는 소정의 조건(열, 자외선 등)으로 경화된다. 도2c에 도시된 바와 같이, 발광다이오드(25a)의 상면과 측면에 제한된 도포를 실현하기 위해서, 형광체 페이스트의 점도와 함께 하나의 발광다이오드에 투입되는 액적량을 조절하는 것이 요구될 수 있다. 상기 형광체 페이스트(28)의 액적량은 발광다이오드(25a)의 크기와 형태에 따라 다소 차이가 있다. 이러한 발광다이오드(25a)의 크기와 형태를 고려한 바람직한 액적량은 0.012∼0.5㎕범위일 수 있다.

이와 같이, 경화된 형광체막의 두께는 액적량을 통해 제어될 수 있으며, 나아가, 발광다이오드의 측면과 상면에 위치한 형광체막의 두께도 액적량과 함께 점도 및 경화전 경과시간을 적절히 조절함으로써 제어가능하다. 예를 들어, 측면 발광다이오드(sideview LED)의 경우에는 측면에서 상대적으로 큰 두께의 형광체막이 요구되므로, 액적량을 다소 높히거나, 점도도 다소 낮은 범위로 설정하거나 디스펜싱후에서 경화전까지의 시간을 다소 길게 유지할 수 있다. 이러한 형광체막의 두께는 발광다이오드 형태와 크기에 따라 달리할 수 있으나, 형광체막의 측면 및 상면두께를 각각 5㎛∼40㎛정도로 적절히 조정할 수 있다.

본 발명에서는 형광체 페이스트(28')가 발광다이오드(25a)의 상면 및 측면에 한하여 도포되므로, 상기 패키지기판(21)의 상면과 캡구조물(22)의 내부반사면에는 불필요하게 존재하지 않으며, 보다 균일한 형광체분포를 얻을 수 있다.

추가적으로, 도2d와 같이, 상기 도포된 형광체 페이스트(28')를 경화시킨 후에, 상기 캡구조물(22) 내에 투명수지를 이용하여 투명몰딩부(29)를 형성할 수 있다. 상기 투명몰딩부(29)는 실장된 발광다이오드(25a)를 보호하기 위해서 제공되는 것으로서 형광체분말을 포함하지 않는 통상의 투명성 폴리머 수지로 형성할 수 있다. 또한, 상기 발광다이오드(25a)(엄밀히 말하면, 발광다이오드칩(25))과 리드프레임(23a,23b)을 연결하기 위해, 와이어본딩공정은 형광체페이스트(28')의 경화단계후 그리고 투명몰딩부(29)형성 전에 실시한다. 이는 소량으로 디스펜싱되는 형광체 페이스트(28)의 액적이 와이어(24a,24b)를 따라 불필요한 이동이 발생되는 것을 방지하기 위함이다.

이하, 본 발명에 따른 실시예를 통해 본 발명에 따른 작용과 효과를 보다 상세히 설명한다.

(실시예)

본 실시예에서는, 기판에 발광다이오드(320 ×300 ×80㎛)가 플립칩으로 탑재된 플립칩 발광다이오드를 패키지기판을 실장하였다. 또한, 투명성 폴리머수지로서 실리콘계 경화성수지와 TAG계 형광체 분말을 약 1:7의 중량비로 혼합하여 약 4000cps의 점도를 갖는 형광체 페이스트를 마련하였다. 상기 형광체 페이스트를 디스펜싱공정을 이용하여 발광다이오드 상면에 제공하였다. 본 디스펜싱공정에서 사용된 액적의 크기를 약 0.1㎕ 로 하였다. 상기 발광다이오드 상면에 제공된 형광체 페이스트가 발광다이오드 측면까지 도포되도록 소정의 시간을 경과시킨 후에 경화시켜 형광체막을 형성하였다. 그 결과, 형광체막의 두께는 발광다이오드의 상면에서는 약 20㎛이고, 측면에서는 약 15㎛으로 나타났다. 이어, 플립칩 발광다이오드의 단자(플립칩용 기판 상면에 위치함)과 패키지기판의 리드프레임을 와이어본딩으로 연결한 후에 동일한 실리콘계 경화성수지를 사용하여 투명몰딩부를 형성하였다.

도3a을 참조하여, 발광다이오드 칩의 발광다이오드의 상면과 측면에 거의 균일한 두께로 형광체가 도포된 것을 확인할 수 있다. 이와 같이, 본 발명에서 제시한 소량의 고점도 형광체 페이스트를 이용한 디스펜싱공정을 통해 균일한 분포를 갖는 형광체막을 발광다이오드의 상면과 측면에 제공할 수 있다. 또한, 도3b를 참조하면, 형광체막이 플립칩기판에서 발광다이오드에 한하여 도포된 것을 확인할 수 있다.

(비교예)

본 비교예에서는, 상기한 실시예와 동일한 발광다이오드 패키지와 디스펜싱공정을 적용하되, 점도를 본 발명의 조건에서 벗어난 통상의 형광체 혼합물을 사용하였다. 보다 구체적으로, 투명성 폴리머수지로서 에폭시계 경화성수지와 TAG계 형광체 분말을 약 8:1의 중량비로 혼합하여 약 300cps의 점도를 갖는 낮은 점도를 갖는 형광체 혼합물을 제조하고, 이를 이용한 디스펜싱공정을 실시하여 발광다이오드 패키지를 제조하였다.

도4는 본 비교예의 백색 발광다이오드 패키지에 제공된 형광체막의 도포상태를 비교하기 위해 촬영된 SEM사진이다.

도4를 참조하면, 도3에 도시된 발광다이오드 패키지와 달리, 형광체분포가 매우 불균일하며, 특히 발광다이오드의 측부에 넓게 흘러 퍼진 것을 확인할 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 점도범위를 벗어난 종래의 형광체 혼합물로는 발광다이오드 상면에 소량으로 투척하더라도, 원하는 균일한 두께의 형광체막을 얻을 수 없다는 것을 확인할 수 있다.

본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위 에 속한다고 할 것이다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 고점도인 형광체페이스트를 소량으로발광다이오드의 상면에 디스펜싱함으로써, 발광다이오드의 상면과 측면에 한하여 도포시킨다. 따라서, 형광체분말의 침전에 의한 불균일한 형광체분포 및 산포문제를 해결하여 우수한 광변환효율을 얻을 수 있으며, 패키지기판 상면의 반사영역 등에 형광체 분말 침전으로 인해 발생될 수 있는 휘도감소문제를 방지할 수 있다.

Claims

리드 프레임을 갖는 패키지기판에 발광다이오드를 실장하는 단계;

형광체분말와 투명성 폴리머 수지를 혼합하여 500∼10000cps의 점도를 갖는 형광체 페이스트를 마련하는 단계;

상기 형광체 페이스트의 액적을 상기 발광다이오드 상면에 디스펜싱하여 상기 칩의 상면과 측면에 상기 형광체 페이스트를 도포하는 단계; 및,

상기 발광다이오드에 도포된 형광체 페이스트를 경화시킴으로써 상기 발광다이오드를 둘러싼 형광체막을 형성하는 단계를 포함하는 백색 발광소자 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 형광체 페이스트는 상기 투명성 폴리머 수지에 대한 상기 형광체 분말의 중량비가 0.5∼10범위인 것을 특징으로 하는 백색 발광다이오드 패키지 제조방법.
제1항에 있어서,

상기 발광다이오드 상면에 디스펜싱되는 상기 형광체 페이스트의 액적부피는 0.012∼0.5㎕인 것을 특징으로 하는 백색 발광다이오드 패키지 제조방법.
제1항에 있어서,

상기 투명성 폴리머 수지는 경화성 폴리머 수지인 것을 특징으로 하는 백색 발광다이오드 패키지 제조방법.
제4항에 있어서,

상기 경화성 폴리머 수지는 실리콘계 폴리머 수지 또는 에폭시계 폴리머 수지인 것을 특징으로 하는 백색 발광다이오드 패키지 제조방법.
제1항에 있어서,

상기 형광체막을 형성하는 단계 후에, 와이어를 이용하여 상기 리드프레임과 상기 발광다이오드를 전기적으로 접속시키는 단계인 것을 특징으로 하는 백색 발광다이오드 패키지 제조방법.
제1항에 있어서,

상기 발광다이오드는, 플립칩 발광다이오드인 것을 특징으로 하는 백색 발광다이오드 패키지 제조방법.
제1항에 있어서,

상기 패키지기판은 상면에 발광다이오드를 둘러싼 캡구조물을 더 포함하며,

상기 형광체막을 형성하는 단계 후에, 상기 캡구조물 내에 투명수지를 이용하여 투명몰딩부를 형성하는 단계를 더 포함하는 백색 발광다이오드 패키지 제조방법.
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