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KR102200206B1 - Led 패키지 - Google Patents

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KR102200206B1
KR102200206B1 KR1020190013669A KR20190013669A KR102200206B1 KR 102200206 B1 KR102200206 B1 KR 102200206B1 KR 1020190013669 A KR1020190013669 A KR 1020190013669A KR 20190013669 A KR20190013669 A KR 20190013669A KR 102200206 B1 KR102200206 B1 KR 102200206B1
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KR
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silicon layer
bare chip
led
led package
nanoparticles
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김용일
김종욱
한지웅
이학주
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(주)솔라루체
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Abstract

LED 베어칩의 방열 효율을 극대화하는 LED 패키지를 제공한다. 이에, 본 발명의 일 측면에 따른 LED 패키지는 기판, 상기 기판 상 형성된 LED 베어칩, 및 상기 기판과 상기 베어칩 사이에 형성된 실리콘층,을 포함하고, 상기 실리콘층의 두께는 상기 베어칩 두께의 2.5 내지 10%로 형성되고, 상기 실리콘층은 상면을 기준으로 적어도 일부가 상기 베어칩의 테두리에 대응하거나 또는 테두리로부터 외측으로 돌출되어 형성되고, 상기 실리콘층에는 실리콘 기지(matrix) 대비 Gd2O3를 0.5 내지 8wt% 포함하고, 상기 Gd2O3는 실리콘 기지 내 분산 형성된다.

Description

LED 패키지{LED PACKAGE}
본 발명은 LED 패키지에 대한 것으로서, 방열효율이 현저하게 개선된 LED 패키지에 대한 것이다.
LED는 전류 인가에 의해 p-n 반도체 접합(p-n junction)에서 전자와 정공이 만나 빛을 발하는 반도체 발광 장치로서, 통상, LED 칩을 포함하는 패키지 구조로 제작되며, 그와 같은 구조의 발광장치는 흔히 'LED 패키지'라 칭해진다.
상기 LED를 이용해서 백색 광을 구현하는 방법으로는 비교적 제작이 용이하고, 효율이 우수한 청색 LED 칩과 상기 청색 LED칩에 의해 여기되어 황색을 발광하는 형광체를 조합한 바이너리 시스템(binary system)이 대표적으로 이용되고 있다.
바이너리 시스템에 있어서, 청색 LED칩을 여기 광원으로 사용하고, 이트륨 알루미늄 가넷계(YAG:Yttrium Aluminum Garnet) 형광체, 즉 YAG 형광체 또는 루테튬 알루미늄 가넷계(LuAG:Lutetium Aluminum Garnet), 실리케이트계(Silicate), 나이트라이드계(Nitride) 형광체를 상기 청색 LED 칩에서 출사되는 여기광으로 여기시키는 형태의 백색 발광 다이오드가 주로 사용되어 왔다.
이러한 형광체는 디스펜싱 장치에 의해 LED 베어칩 상부에 몰딩 형성하는 경우가 일반적인데, 고온/고습한 조건에서 열화 특성이 저하되어 발광 다이오드의 발광 효율이 저하되는 문제가 있다. 이에 선행기술문헌1(한국등록특허 제10-1434835호)에서는 열저항성을 극대화하고 형광체를 분산시켜 안정성을 높이기 위해 형광체를 유리와 혼합하는 방법을 개시하고 있으나, 제조 비용의 현저한 상승을 초래하므로 상용화되지 못하였다.
이에, 선행기술문헌2(한국공개특허 제10-2013-0104593호)에서는 LED 소자의 고열을 방열판으로 효과적으로 전달하기 위해 종래 MPCB를 세라믹 PCB로 대체하는 기술을 공개하고 있으나, 결국 관통홀을 형성하여 열을 전달하는 구조를 채용하고 있어 상용화가 어렵고 제종 비용이 현저하게 상승하는 문제점도 내포하고 있다.
[선행기술문헌]
1. 한국등록특허 제10-1434835호
2. 한국공개특허 제10-2013-0104593호
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 LED 베어칩의 방열 효율을 극대화하는 LED 패키지를 제공하는데 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 LED 패키지는 기판, 상기 기판 상 형성된 LED 베어칩, 및 상기 기판과 상기 베어칩 사이에 형성된 실리콘층,을 포함하고, 상기 실리콘층의 두께는 상기 베어칩 두께의 2.5 내지 10%로 형성되고, 상기 실리콘층은 상면을 기준으로 적어도 일부가 상기 베어칩의 테두리에 대응하거나 또는 테두리로부터 외측으로 돌출되어 형성되고, 상기 실리콘층에는 실리콘 기지(matrix) 대비 Gd2O3를 0.5 내지 8wt% 포함하고, 상기 Gd2O3는 실리콘 기지 내 분산 형성된다.
이때, 상기 실리콘층은 실라카 및 폴리실록산을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 실리콘층은 상면을 기준으로 적어도 3면이 상기 베어칩의 테두리로부터 돌출 형성될 수 있다.
또한, 상기 실리콘층은 상기 LED 베어칩의 측면을 둘러싸는 인입부가 더 형성될 수 있다.
또한, 상기 베어칩과 실리콘층의 다이 전단 강도(Die Shear strength)는 500g 이상으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 실리콘층의 열전도율은 1.15 W/mK 이상일 수 있다.
또한, 상기 LED 패키지는 상기 LED 베어칩 상 형성된 형광체층을 더 포함하고, 상기 형광체층에는 나노입자가 분포하고, 상기 나노입자는 상대적으로 LED 패키지의 하부 영역에서 밀하게 분포될 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 측면에 따른 LED 패키지는 기판, 상기 기판 상 형성된 LED 베어칩, 상기 기판과 상기 베어칩 사이에 형성된 실리콘층, 및 상기 LED 베어칩 상 형성된 형광체층,을 포함하고, 상기 실리콘층은 제1 나노입자를 포함하고, 상기 형광체층은 제2 나노입자를 포함하고, 상기 제1 나노입자 및 제2 나노입자는 서로 같은 재질로 형성된다.
삭제
이때, 상기 실리콘층의 제1 나노입자와 상기 형광체층의 제2 나노입자는 수평 방향으로 연속되도록 배치되어 하나의 하부 방열 영역을 형성할 수 있다.
본 발명은 나노 입자가 포함된 실리콘층에 의해 LED 베어칩을 접착하여 LED 패키지의 방열 효율을 더욱 향상시킨다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 패키지의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 패키지의 평면 사진이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 패키지의 온도 측정 영역을 설명하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 패키지의 온도 측정 결과를 나타낸 표이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 LED 패키지의 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 당업자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하여 상세하게 설명한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 LED 패키지를 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 패키지(101)의 단면도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 패키지의 평면 사진이다.
도면을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 패키지(101)는 기판(10), LED 베어칩(30), 형광체(40), 및 실리콘층(50)을 포함하여 이루어지고, 도시한 바와 같이 리플렉터(20)를 더 포함할 수 있다.
실리콘층(50)은 형광체층(40)을 형성하기 전에 기판(10)과 LED 베어칩(50)을 본딩하는 역할을 수행하는데, 본 실시예에 따른 실리콘층(50)은 LED 베어칩(50)에서 발생한 열을 하부로 방열시키는 역할을 함께 수행한다. 이때, 실리콘 층은 실리콘 90 내지 97wt%, 실리카 1 내지 2wt%, 폴리실록산 1 내지 2wt%를 포함하고, 나노 입자인 Gd2O3(61)를 0.5 내지 7.5wt% 포함하여 이루어진다. 이때, 0.5 이하에서는 후술할 방열 효과가 미비하기 때문이고, 7.5 이상인 경우에는 LED 베어칩(30)의 다이 전단 강도가 떨어져 내구성의 저하를 초래하기 때문이다. 또한, Gd2O3는 도 1의 확대원 A에서와 같이 실리콘 기재 내에서 분산 분포되도록 한다. 이때, 실리콘층(50)의 열전도율은 Gd2O3의 첨가에 따라 1.15 W/mK 이상으로 형성되므로 LED 베어칩에서 도출된 열의 하부 방열 통로를 형성한다.
또한, 실리콘층(50)은 그 두께가 LED 베어칩(30)의 두께 대비 2.5 내지 10%로 형성된다. 통상 LED 베어칩은 120 내지 200um로 형성되는데, 실리콘층(50)은 그 최소 두께를 LED 베어칩의 2.5%인 3um로 형성한다. 이 보다 실리콘층(50)의 두께가 작은 경우에는 LED 베어칩(30)의 다이 전단 강도가 현저하게 저하되기 때문이며, 실리콘층(50)의 두께가 베어칩 대비 10%(12um) 보다 큰 경우에는 LED 베어칩(30)에서 출사된 광이 LED 베어칩(30)의 하부로 진입하여 실리콘층(5)을 투과하면서 광속이 저해되기 때문에 상한을 설정하였다.
이때, 전술한 함량 범위에서 실리콘층(50)과 LED 베어칩(30)의 다이 전단 강도(Die shear strength)는 바람직하게 600g으로 형성된다. 실리콘층(50)의 다이 전단 강도에 대하여는 뒤에서 더욱 상세하게 설명한다.
나아가, 도 1을 참조하면 확대원 B에서와 같이 실리콘층(50)은 상면을 기준으로 적어도 일부가 베어칩의 테두리보다 돌출되도록 형성되거나 최소 LED 베어칩(30)의 테두리와 대응되도록 형성된다. LED 베어칩(30)의 측면 방열을 위해 접촉면적을 최대화하기 위함이다.
더욱 나아가, 도 1의 확대원 B를 참조하면 실리콘층(51)은 LED 베어칩(30)의 하부 측면을 둘러싸는 인입부(51)가 더 형성되어 있다. 인입부는 LED 베어칩(30)의 하부 측면과 맞닿어 있으므로 하부 방열 효율을 더욱 증대시키는 역할을 한다. 이 경우, 실리콘층(50)은 상면을 기준으로 적어도 3면 이상이 LED 베어칩(30)의 테두리로부터 돌출 형성시켜 방열 효율 뿐만 아니라 다이 전단 강도도 증대시키는 것이 바람직하다.
형광체층(40)은 LED 베어칩(30)으로부터 출사된 광을 여기하는데, 주로 여기되어 방출되는 파장이 노란색인 형광체(Y)를 주성분으로 하여 제조될 수 있고, LED 베어칩(30)이 블루계열의 광을 출사하는 경우에는 레드 (R)계열 또는 그린(G) 계열의 형광체를 사용할 수 있다.
한편, 형광체는 기지인 수지 매트릭스 내에서 분포하도록 형성되어 LED 베어칩(30)을 덮도록 형성된다.
한편, 본 실시예에 따른 형광체층(40)은 나노입자(미도시)를 더 포함할 수 있다. 나노입자는 Gd2O3, La2O3 중 선택된 적어도 어느 하나로 이루어지는데 광속의 상승을 위해서는 Gd2O3, La2O3가 바람직하고 더욱 바람직하게는 Gd2O3, La2O3의 함량비를 조절하는 것이 좋다.
이하, 본 발명의 다른 실시예에 따른 LED 패키지(102)에 대하여 설명한다. 도 2은 본 발명의 다른 실시예에 따른 LED 패키지(102)의 모식도이다. 본 실 시예에서는 이전 실시예와 같은 구성에 대하여는 동일한 참조부호를 부여하였다.
본 실시예에 따른 LED 패키지(102)는 형광체층(40)에서 하층에 근접한 나노입자(61)의 충진밀도를 상부보다 더욱 크게 형성한다. 이때, 나노입자(61)로는 열전도율이 큰 Gd2O3를 포함하여 이루어진다. 나노입자(61)인 Gd2O3는 형광체와 함께 교반되어 기지 내에서 분포하도록 한다.
이때, 나노입자(61)는 충진밀도가 하층이 상층보다 더 크게 형성될 수 있는데, 형광체 및 나노입자 복합 슬러리를 디스펜싱한 후에 형광체는 부유제에 의해 부유시키고, 나노입자(61)는 상온 소성에 따라 하부로 중력 낙하시켜 LED 패키지의 하부 영역에서 최대로 밀하게 분포시킨다.
나아가, 본 실시예에서는 실리콘층(50)과 형광체층(40)이 같은 나노 입자(62)가 포함되도록 하였다. 이때, 실리콘층의 나노 입자(62)로는 열전도율을 고려하여 상기한 Gd2O3를 사용하였다.
또한, 도 5에 도시한 것과 같이 실리콘층(50) 및 형광체층(40)에서 제1 나노입자(61)와 제2 나노입자(62)는 수평 방향으로 서로 연속되도록 배치된다.
다시 말해, 실리콘층(50)의 제1 나노입자(61)와 형광체층(40)의 제2 나노입자(62)는 하부 방열을 수행하게 되고 전체로서 하나의 하부 방열 영역으로 기능하도록 하여 하부 방열 효과가 더욱 극대화된다.
이하, 본 발명의 실험예를 설명한다.
실험예1 : 방열효과 실험
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 패키지의 온도 측정 영역을 설명하는 도면이다. 도 3에서와 같이 LED 패키지에서의 리드(Lead)와 기판이 붙어있는 솔더부의 온도를 측정하였다. 또한, 도 4에서와 같이 온도 측정 결과를 도시하였다. 이때, KS C 7653기준에 의거하였다. 이때 실리콘층의 두께는 약 5um 로 형성하였다. 또한, 실리콘층을 이용한 시편으로 150um의 LED 베어칩을 기판에 본딩한 후 150도에서 2시간 경화 후 분리되는 다이 전단 강도를 측정하였다. 이때, MIL-STD-883 기준에 따라 실험을 수행하였다.
우선, 도 3에서와 같이 Gd2O3를 실리콘 기지 대비 6 wt% 적용한 LED 베어칩 LED 패키지의 경우에는 적용하지 않은 비교예에 비해서 2.1도가 감소됨을 확인할 수 있었다. 따라서, LED 패키지의 열화방지 효과가 매우 뛰어남을 알 수 있다.
나아가, Gd2O3의 함량을 변화시키고, 형광체층에 Gd2O3를 더 포함시킨 경우와 이 경우 형광체층에서 Gd2O3의 하부 밀도를 밀하게 형성한 결과는 아래의 표 1과 같았다.
비교예1 실험예1 실험예2 실험예3 실험예4 실험예5 비교예2 비교예3
실리콘층의 Gd2O3 함량
(실리콘기지대비)(wt%)
0 3 5 7 3 7 9 11
측정온도(도) 48.3 47.6 47.2 46.5 47.6 46.1 46.0 46.0
형광체층의 Gd2O3 함량
(형광체대비) (wt%)
0 0 0 0 1 1 1 1
형광체층의
Gd2O3 하부 밀도
- - - - 동일
다이 전단 강도 (g) 610 605 596 601 610 605 547 443
실험예1 내지 3의 경우에는 상기한 바와 같이 Gd2O3의 영향으로 하부 방열 효율이 증대하여 비교예1에 비하여 2도 정도의 방열 효과를 나타냄을 알 수 있으며, 실험예4의 경우에는 형광체층에 Gd2O3를 포함시켰지만 형광체층에 포함된 Gd2O3가 전체적으로 분산된 경우이므로 실험예1과 방열 효과의 유의미한 차이는 도출되지 않았다. 실험예5의 경우에는 형광체층에 포함된 Gd2O3가 하부 쪽에 밀하게 형성된 경우라 실리콘층과 형광체층의 하부 전체적으로 방열이 이루어져 46.1도의 나은 온도가 측정된 것으로 보인다. 그러나, 비교예2, 3의 경우에는 방열 효율은 개선되지만, 다이 전단 강도는 오히려 떨어지는 것이 확인된다. 따라서, 실험예5의 조건에서 구조적 안정성을 겸한 최적 방열 성능이 도출됨을 알 수 있다.
실험예2 : 두께에 따른 다이 전단 강도 측정
실험예5에서의 실리콘층을 이용한 시편으로 150um의 LED 베어칩을 기판에 본딩한 후 150도에서 2시간 경화 후 분리되는 다이 전단 강도를 측정하였다. 이때, MIL-STD-883 기준에 따라 실험을 수행하였다.
비교예1 실험예1 실험예2 실험예3 실험예4 비교예2 비교예3
실리콘층 두께(um) 2 4 7 10 12 14 17
돌출부
(4면 돌출)
다이 전단 강도
(g)
233 603 621 682 791 809 827
PKG 광속
(lm, IF=60mA)
32.18 32.19 32.19 32.19 32.18 32.15 32.11
비교예1의 경우에는 다이 전단 강도가 233에 불과하여 통상적으로 요구되는 250에도 못미치는 강도가 확인되었다. 그러나, 실험예1 내지 3과 비교예2,3의 경우에는 모두 600을 상회하는 우수한 다이 전단 강도를 나태냈다. 또한, 실험예4의 경우에는 돌출부의 영향으로 더욱 우수한 다이 전단 강도가 구현되었다. 그러나, 비교예2,3의 경우에는 실리콘층의 두께 증가에 따라 하부 진입 광이 반사되지 않고 실리콘층에 투과되는 경우가 증가하여 광속의 유의미한 저감을 나타냈었다.
이상과 같이, 본 명세서와 도면에는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
10: 기판
20: 리플렉터
30: LED 베어칩
40: 형광체
45: 나노입자의 분포가 밀한 영역
50: 실리콘층
61,62: 나노입자

Claims (10)

  1. 기판;
    상기 기판 상 형성된 LED 베어칩; 및
    상기 기판과 상기 베어칩 사이에 형성된 실리콘층;을 포함하고,
    상기 실리콘층의 두께는 상기 베어칩 두께의 2.5 내지 10%로 형성되고,
    상기 실리콘층은 상면을 기준으로 적어도 일부가 상기 베어칩의 테두리에 대응하거나 또는 테두리로부터 외측으로 돌출되어 형성되고,
    상기 실리콘층에는 실리콘 기지(matrix) 대비 Gd2O3를 0.5 내지 8wt% 포함하고, 상기 Gd2O3는 실리콘 기지 내 분산 형성되고,
    상기 실리콘층은 상기 LED 베어칩의 측면을 둘러싸는 인입부가 더 형성된 것을 특징으로 하는 LED 패키지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 실리콘층은 실리카 및 폴리실록산을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 패키지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 실리콘층은 상면을 기준으로 적어도 3면이 상기 베어칩의 테두리로부터 돌출 형성된 것을 특징으로 하는 LED 패키지.
  4. 삭제
  5. 제2항에 있어서,
    상기 베어칩과 실리콘층의 다이 전단 강도(Die Shear strength)는 500g 이상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 LED 패키지.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 실리콘층의 열전도율은 1.15 W/mK 이상인 것을 특징으로 하는 LED 패키지.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 LED 패키지는 상기 LED 베어칩 상 형성된 형광체층을 더 포함하고, 상기 형광체층에는 나노입자가 분포하고, 상기 나노입자는 상대적으로 LED 패키지의 하부 영역에서 밀하게 분포되는 것을 특징으로 하는 LED 패키지.
  8. 삭제
  9. 기판;
    상기 기판 상 형성된 LED 베어칩;
    상기 기판과 상기 베어칩 사이에 형성된 실리콘층; 및
    상기 LED 베어칩 상 형성된 형광체층;을 포함하고,
    상기 실리콘층은 제1 나노입자를 포함하고,
    상기 형광체층은 제2 나노입자를 포함하고,
    상기 제1 나노입자 및 제2 나노입자는 서로 같은 재질로 형성되고,
    상기 실리콘층은 상기 LED 베어칩의 측면을 둘러싸는 인입부가 더 형성되고,
    상기 실리콘층의 제1 나노입자와 상기 형광체층의 제2 나노입자는 수평 방향으로 연속되도록 배치되어 하나의 하부 방열 영역을 형성하는 것을 특징으로 하는 LED 패키지.
  10. 삭제
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