KR100694847B1 - 발광 다이오드 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

발광 다이오드가 개시된다. 결합홀과, 결합홀의 내주면의 상단부에서 내측으로 돌출된 단턱과, 결합홀의 주변에 회로패턴으로 형성되는 전극단자를 포함하는 프레임기판과; 단턱의 하면에 안착되어 본딩 결합되는 히트싱크 슬러그와; 결합홀을 통해 노출되는 히트싱크 슬러그에 실장되는 발광 다이오드칩과; 발광 다이오드칩과 상기 전극단자를 전기적으로 연결하는 전도성 결합수단과; 프레임기판의 상면에 결합되어 상기 발광 다이오드칩을 커버하는 렌즈를 포함함으로써, 제작시 히트싱크 슬러그의 결합을 용이하게 할 뿐만 아니라, 발광 다이오드를 PCB상에 표면실장(SMT) 시에 일반 리플로우(Reflow)방식으로 솔더링(Soldering)하여 대량 양산에서의 생산성을 높이기에 적합한 발광 다이오드를 제공할 수 있게 된다.

발광 다이오드, 결합홀, 웨이브(Wave) 형상, 렌즈

Description

발광 다이오드 및 그 제조방법{LIGHT EMITTING DIODE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

도 1은 종래기술에 따른 발광 다이오드의 사시도.

도 2는 종래기술에 따른 발광 다이오드의 구조과 제작순서를 개략적으로 설명하기 위한 도 1의 A-A'를 절개한 사시도.

도 3은 종래기술에 따른 다른 발광 다이오드를 나타낸 사시도.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 발광 다이오드의 사시도.

도 5는 도 3의 발광 다이오드의 절개사시도.

도 6은 도 3의 발광 다이오드의 발광특성을 설명하기 위한 종단면도.

도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 렌즈표면이 평면인 발광 다이오드의 종단면도.

도 8은 비교실험에 사용된 웨이브(Wave) 타입의 렌즈를 확대한 종단면도.

도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 발광 다이오드의 제조 방법을 나타낸 순서도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

200 : 발광 다이오드 210 : 프레임기판

213 : 결합홀 215 : 단턱

217 : 전극단자 220 : 히트싱크 슬러그

230 : 발광 다이오드칩 240 : 금(Au)와이어

250 : 렌즈 260 : PCB

본 발명은 발광 다이오드 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

종래의 발광 다이오드를 도 1 및 도 2를 참조하여 설명하면, 리드프레임(Lead frame)(17)에 플라스틱계 수지로 몰딩하여 하우징(10)을 형성하고, 하우징(10)의 중앙에 형성된 홀에 발광 다이오드 칩(30)으로부터 발생되는 열을 외부로 배출하는 히트싱크(Heat Sink)(20)가 삽입된다. 히트싱크(20)의 상면에 발광 다이오드 칩(30)이 실장되고, 발광 다이오드 칩(30)과 리드프레임(17)이 와이어(40)로 본딩된 후, 프라스틱 렌즈(50)를 실리콘(Silicon) 또는 에폭시(Epoxy)로 하우징(10)에 고정하여 발광 다이오드(1)가 완성된다.

이와 같은 발광 다이오드는 제작 시에 히트싱크(20)를 낱개로 하우징(10)에 삽입해야 하는 바, 대량 양산에 적합하지 않은 문제점이 있으며, 발광 다이오드를 표면실장(SMT)할 때 리드프레임(17)과 히트싱크(20)의 저면에 단차가 발생하기 쉬워 히트싱크(20)의 저면이 PCB(미도시) 상에 완전히 밀착되지 않아 방열성능이 저하되는 문제가 발생하기 쉽다.

종래의 다른 형태의 발광 다이오드를 도 3을 참조하여 설명하면, 리드프레임(117) 주위에 폴리아미드(Polyamide)계 플라스틱(PA,PPA 등)수지로 사출하여 하우징(110)을 형성하고, 하우징(110)의 오목하게 들어간 부분에 발광 다이오드 칩(130)을 실장하고 리드프레임(117)과 와이어(140)로 본딩한 후에, 하우징(110)의 상면에 실리콘 또는 에폭시를 도포함으로써 렌즈(150)를 형성하여 발광 다이오드(100)가 완성된다.

이와 같은 발광 다이오드(100)는 제조 공정 상에 렌즈(150)를 형성하기 위한 실리콘 또는 에폭시의 도포 시에, 즉 일정 양을 디스펜싱(Dispensing)하는 데 있어, 편차가 발생하여 발광 다이오드 마다 광학적 특성의 차이가 발생하는 문제점이 있다.

본 발명은 제작 시에 히트싱크 슬러그의 결합이 용이하고, PCB 상에 표면실장(SMT) 시에 일반 리플로우(Reflow) 방식으로 솔더링(Soldering)하여 대량 양산에서의 생산성을 높이기에 적합한 발광 다이오드 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명은 광효율이 우수하고 균일한 광학적 특성을 갖는 렌즈를 구비한 발광 다이오드 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 결합홀과, 상기 결합홀의 내주면의 상단부에서 내측으로 돌출된 단턱과, 상기 결합홀의 주변에 회로패턴으로 형성되는 전극단자를 포함하는 프레임기판과; 상기 단턱의 하면에 안착되어 본딩 결합되는 히트싱크 슬러그와; 상기 결합홀을 통해 노출되는 히트싱크 슬러그에 실장되는 발광 다이오드칩과; 상기 발광 다이오드칩과 상기 전극단자를 전기적으로 연결하는 전도성 결합수단과; 상기 프레임기판의 상면에 결합되어 상기 발광 다이오드칩을 커버하는 렌즈를 포함하는 발광 다이오드가 제공된다.

상기 전극단자는 상기 프레임기판을 관통하여 상기 프레임기판의 상면과 하면에 형성되고, 상기 전도성 결합수단은 도전성 와이어인 것이 바람직하다.

상기 렌즈의 종단면은 웨이브(Wave) 형상의 상면을 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, (a) 결합홀과, 상기 결합홀의 내주면의 상단부에서 내측으로 돌출된 단턱과, 상기 결합홀의 외주부에 회로패턴으로 형성되는 전극단자를 포함하는 프레임기판을 형성하는 단계와; (b) 상기 결합홀에 히트싱크 슬러그를 결합하는 단계와; (c) 상기 히트싱크 슬러그의 노출된 상면에 발광 다이오드칩을 안착 시키는 단계와; (d) 상기 발광 다이오드칩을 상기 전극단자와 전기적으로 연결하는 단계와; (e) 상기 프레임기판 상에 이형제가 도포된 금형을 설치하고 상기 몰드 프레스로 금형에 압력을 가하는 단계와; (f) 상기 금형 내에 에폭시계 수지를 주입하고 경화시켜 렌즈를 몰딩하는 단계와; (g) 상기 금형을 제거하고 몰딩된 프레임기판을 미리 설정된 크기로 다이싱하는 단계를 포함하는 발광 다이오드 제조방법이 제시된다.

상기 단계 (b)는 접착제(Glue), 에폭시 수지, 및 전열성 컴파운드(Thermal Compound) 중 어느 하나 이상의 물질을 사용한 본딩에 의해 수행되는 것이 바람직하다.

상기 금형은 종단면이 웨이브(Wave) 형상인 상면을 포함하는 것이 바람직하다.

상기 단계 (f)는 액상 에폭시의 주제와 경화제를 소정의 혼합 비율로 혼합하여 인젝션몰딩(Injection molding)에 의하거나, EMC(Epoxy Molded Compound)형태의 에폭시를 트렌스퍼 몰딩(Transfer molding)에 의해 수행되는 것이 바람직하다.

상기 에폭시계 수지에는 발광 다이오드의 색상에 대응하여 확산제 또는 형광체가 혼합되는 것이 바람직하다.

이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 발광 다이오드 및 그 제조방법의 바람직한 실시예에 대하여 보다 상세하게 설명하도록 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어 도면 부호에 상관없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 발광 다이오드를 나타낸 사시도이고, 도 5는 도 3의 절개사시도이고, 도 6은 발광특성을 설명하기 위한 도 3의 발광 다이오드의 종단면도이다.

도 4 내지 도 7을 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 발광 다이오드(200)는 프레임기판(210), 히트싱크 슬러그(220),그리고 발광 다이오드칩(230)으로 대별된다.

프레임기판(210)은 히트싱크 슬러그(220)가 안착되어 본딩될 수 있도록 중앙에 결합홀(213)이 형성되며, 결합홀(213)의 내주면의 상단부에서 내측으로 단턱(215)이 돌출되어 히트싱크 슬러그(220)가 결합홀(213) 내에서 상측으로 이탈되는 것을 방지하고 단턱(215)의 하면이 히트싱크 슬러그(220)가 본딩될 수 있는 접착면을 제공하는 역할을 한다.

히트싱크 슬러그(220)는 발광 다이오드칩(230)으로부터 발생되는 열을 외부로 배출하는 역할을 하며, 본 실시예에서는 구리(Cu) 코어에 니켈(Ni) 및 은(Ag)를 도금한 것이 사용된다.

결합홀(213)의 외주부에는 전극단자(217)가 회로패턴으로 형성되어 있다. 전극단자는 상면과 하면에 동박적층판에 에칭으로 회로패턴을 형성시키는 등의 다양한 방식으로 랜드 패턴(Land Pattern)을 형성하고 상하의 회로를 비아 홀(Via Hole)로 연결하는 일반적인 PCB 회로 패턴 형성 방식으로 형성된다.

히트싱크 슬러그(220)의 결합홀(213)을 통해 상측으로 노출되는 상면에는 발광 다이오드칩(230)이 실장된다. 본 실시예에서는 히트싱크 슬러그(220)의 상면과 발광 다이오드칩(230)의 하면 사이에 열전도성이 우수한 페이스트(미도시)를 개재하여 결합시키는 방식으로 발광 다이오드칩(230)이 다이 어테치(Die Attach)된다.

히트싱크 슬러그(220) 상에 실장된 발광 다이오드칩(230)은 프레임기판(210)의 상면에 형성된 전극단자(217)와 전도성 결합수단으로 전기적으로 연결된다. 본 실시예에서는 전도성 결합수단으로 금(Au)와이어(240)가 사용되었으나, 전도성 페이스트, 탭본딩(Tab Bonding) 등의 다양한 수단이 사용될 수 있다.

발광 다이오드칩(230)과 전극단자(217)가 와어어 본딩된 상태에서 프레임기판(210) 상면에 렌즈(250)가 형성된다.

한편, 도 6에 렌즈(250)의 종단면은 웨이브(Wave) 형상의 상면을 갖는다. 도 7에 나타나 있듯이 렌즈(250')의 상면이 평면인 경우에는 발광 다이오드에서 발산되는 광선 중 렌즈 표면의 경계면에 임계각(θ) 이상의 각도로 입사되는 광선은 다시 렌즈(250') 내부로 전반사 되어 발광 다이오드(200')의 휘도(광량, 밝기)가 감소되는 문제가 있기 때문에, 렌즈(250)의 종단면을 웨이브(Wave) 형상으로 한 것이다.

발광 다이오드가 엘시디(LCD) 디스플레이에 있어 백라이트(Backlight)의 라이트소스(Light Source)로 사용되는 경우에 렌즈(250)가 웨이브(Wave) 형상으로 되어 있기 때문에 칩에서 발산한 빛이 렌즈(250) 표면의 경계면 상에서 임계각(θ) 이상의 빛이 렌즈(250) 내로 반사되지 않고, 렌즈(250) 외부로 발산하여 광효율이 상승하고, 지향특성이 넓어 빛을 넓은 범위에 까지 고르게 퍼지게 하여 면 전체의 균일도가 높은 광을 발생할 수 있게 된다.

도 8은 비교실험에 사용된 웨이브(Wave) 타입의 렌즈를 확대한 종단면도이다. 도 8을 참조하여 렌즈의 상면 형상에 따른 비교실험예를 설명한다.

비교실험에 사용된 렌즈의 상면 형상은 웨이브(Wave) 타입과 평면(Flat) 타입으로 구별된다. 웨이브(Wave) 타입의 렌즈를 구비한 발광 다이오드의 구성은 도 6에 도시된 바와 같고, 평면(Flat) 타입의 렌즈를 구비한 발광 다이오드의 구성은 도 7에에서 도시된 바와 같다. 렌즈의 형상만을 달리하여 실험하였으므로, 실험에 사용된 발광 다이오드의 전체적인 구성은 전술한 바와 같아 자세한 설명은 생략한다.

실험에 사용된 렌즈의 크기는 7.0(mm)×6.3(mm)로 하였으며, 높이(h)는 1.5(mm)로 하였다. 렌즈 상면의 웨이브(Wave)형상을 특정하기 위한 요소로서, 골과 마루의 수평거리(d)는 0.4(mm)로, 곡면의 곡율반경(R)은 0.26(mm)로, 골부분과 마루부분의 접점에서의 접선이 이루는 각도(α, α')는 각각 90˚로 하였다.

또한, 실험에 사용된 의 크기는 1×1×0.08 [W×D×H, mm]로 하였으며, 인가전원은 3.5(V) 및 350(mA)로 하였다.

상기와 같은 조건에서, 광원(발광 다이오드)과의 측정거리가 10(cm)로 하고 암실환경을 조성한 후에 디텍터(Detector)로 광도와 파장을 측정하였다. 디텍터(Detector)로 Instrument社의 C140-B 장비가 사용되었다. C140-B측정장비에 광파이버로 연결된 JIG TOOL을 연결하여 소켓에 장착된 발광다이오드를 장비의 Detector sensor와 광파이버로 연결된 JIG TOOL(원통형 암실분위기의 JIG)에 끼워 측정하였다.

상기의 비교실험에서의 실험결과는 표 1에 나타나 있듯이 평면(Flat) 타입의 렌즈를 구비한 발광 다이오드에 비해 웨이브(Wave) 타입의 렌즈를 구비한 발광 다이오드의 경우에 10.4% 가량의 광도가 증가함을 알 수 있었다.

No.	Wave type (도 6)		Flat type (도 7)		변화율 (광도상승율)
	광도	파장	광도	파장
1	6.45	529.3	4.00	534.0
2	6.30	529.9	3.98	534.2
3	5.96	528.8	5.83	531.7
4	5.80	531.8	6.34	530.8
5	6.82	529.2	6.20	531.5
6	6.38	529.2	6.16	531.5
7	6.51	531.1	6.15	527.1
8	6.66	529.8	6.11	531.7
9	6.62	530.7	6.09	531.5
10	6.72	531.8	6.17	527.5
11	6.14	530.2	6.12	531.3
12	6.64	529.0	6.28	531.1
13	6.03	529.0	6.26	527.2
14	6.69	529.1	6.24	530.6
15	6.41	530.4	5.99	527.4
16	7.27	529.7	6.10	531.5
17	7.32	531.2	5.98	527.1
18	6.41	530.1	6.11	532.1
19	7.10	530.5	6.10	532.1
20	6.44	529.8	6.16	531.6
Max.	7.32	531.8	6.34	534.2	15.3%
Avg.	6.53	530.0	5.92	530.7	10.4%
Min.	5.80	528.8	3.98	527.1	45.8%

<표 1 : 렌즈의 상면 형상에 따른 비교실험 데이터>

도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 발광 다이오드의 제조 방법을 나타낸 순서도이다.

도 9를 참조하여 설명하면, 프레임기판 형성 단계(410)에서는 중앙에 상하로 관통된 결합홀과, 결합홀의 내주면의 상단부에서 내측으로 돌출된 단턱과, 결합홀의 외주부에 회로패턴으로 형성되는 전극단자를 구비하는 프레임기판을 제조한다.

전극단자는 회로패턴으로 형성되는 데, 그 상면과 하면에 동박적층판에 에칭으로 회로패턴을 형성시키는 등의 다양한 방식으로 랜드 패턴(Land Pattern)을 형성하고 상하의 회로를 비아 홀(Via Hole)로 연결하는 일반적인 PCB 회로 패턴 형성 방식으로 형성된다.

히트싱크 슬러그 결합 단계(420)에서는 단턱의 하면과 히트싱크 슬러그의 상면 일부에 접착수단을 개재하여 본딩시킴으로써 결합홀에 히트싱크를 안착 및 결합시킨다.

접착수단으로 접착제(Glue), 에폭시 수지, 및 전열성 컴파운드(Thermal Compound) 등의 개별 물질 또는 혼합물을 사용할 수 있다.

발광 다이오드칩을 안착 및 본딩 단계(430)에서는 결합홀을 통해 히트싱크 슬러그의 노출된 상면에 열전도성이 우수한 페이스트 등을 사용하여 발광 다이오드칩을 안착 및 본딩한다.

발광 다이오드칩과 전극단자와의 전기적 연결 단계(440)에서는 히트싱크 슬러그 상에 실장된 발광 다이오드칩과 프레임기판의 상면에 형성된 전극단자와 금(Au)와이어로 본딩한다. 와이어 본딩뿐만 아니라 전도성 페이스트, 탭본딩(Tab Bonding) 등의 다양한 수단이 사용될 수 있다.

금형을 이용한 렌즈 성형 단계(450)에서는 프레임기판 상에 탈형(Ejecting)을 용이하게 하기위해 이형제를 내부에 도포한 금형을 설치하고, 몰드 프레스로 금형에 압력을 가하면서 금형 내로 에폭시계 수지를 주입하고 미리 설정된 경화조건 하에서 경화시킨 후 탈형(Ejecting)하여 렌즈를 성형한다.

금형 내에 주입되는 에폭시계 수지에는 발광 다이오드의 색상에 대응하여 확산제 또는 형광체가 혼합될 수 있다.

또한, 렌즈를 성형하는 방식으로서 본 실시예에서 적용된 액상 에폭시의 주 제와 경화제를 소정의 혼합 비율로 혼합하여 인젝션몰딩(Injection molding)뿐만 아니라 EMC(Epoxy Molded Compound)형태의 에폭시를 트렌스퍼 몰딩(Transfer molding)하는 등의 다양한 방식이 고려될 수 있다.

마직막으로, 프레임기판의 다이싱 단계(460)에 렌즈가 성형된 프레임기판을 미리 설정된 크기로 다이싱하여 본 발명에 따른 발광 다이오드를 완성하게 됨으로써 대량생산에 적합한 발광 다이오드의 제조방법이 제공되게 된다.

상기에서는 본발명의 바람직한 실시예에 대해 설명하였지만, 해당기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

상기와 같은 구성을 갖는 본 발명에 의하면, 회로패턴이 형성된 프레임기판에 히트싱크 슬러그를 본딩하기 쉬운 홀구조를 채용하여, 제작시 히트싱크 슬러그의 결합을 용이하게 할 뿐만 아니라, 발광 다이오드를 PCB상에 표면실장(SMT) 시에 일반 리플로우(Reflow)방식으로 솔더링(Soldering)하여 대량 양산에서의 생산성을 높이기에 적합한 발광 다이오드 및 그 제조방법을 제공할 수 있다.

또한, 에폭시 수지를 금형에서 몰딩하여 렌즈를 일정한 형상과 크기로 성형함으로써, 발광 다이오드마다 비교적 균일한 광학적 특성을 가지며, 다양한 형상의 렌즈를 성형할 수 있게 된다. 특히, 표면이 웨이브(Wave)형상의 렌즈를 채용하여 렌즈 표면의 계면 상에서 임계각 이상의 빛이 반사되지 않고 발광 다이오드 외부로 발산하여 광효율이 우수하며 지향특성이 넓고 균일도가 높은 광을 낼 수 있는 발광 다이오드 및 그 제조방법을 제공할 수 있다.

Claims (8)

1. 결합홀과, 상기 결합홀의 내주면의 상단부에서 내측으로 돌출된 단턱과, 상기 결합홀의 주변에 회로패턴으로 형성되는 전극단자를 포함하는 프레임기판과;

   상기 단턱의 하면에 안착되어 본딩 결합되는 히트싱크 슬러그와;

   상기 결합홀을 통해 노출되는 히트싱크 슬러그에 실장되는 발광 다이오드칩과;

   상기 발광 다이오드칩과 상기 전극단자를 전기적으로 연결하는 전도성 결합수단과;

   상기 프레임기판에 결합되어 상기 발광 다이오드칩을 커버하는 렌즈를 포함하되,

   상기 전극단자는 상기 프레임기판을 관통하여 상기 프레임기판의 상면과 하면에 형성되고, 상기 전도성 결합수단은 도전성 와이어인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,

   상기 렌즈의 종단면은 웨이브(Wave) 형상의 상면을 포함하는 발광 다이오드.
4. (a) 결합홀과, 상기 결합홀의 내주면의 상단부에서 내측으로 돌출된 단턱과, 상기 결합홀의 주변에 회로패턴으로 형성되는 전극단자를 포함하는 프레임기판을 형성하는 단계와;

   (b) 상기 결합홀에 히트싱크 슬러그를 결합하는 단계와;

   (c) 상기 히트싱크 슬러그의 노출된 상면에 발광 다이오드칩을 안착 시키는 단계와;

   (d) 상기 발광 다이오드칩을 상기 전극단자와 전기적으로 연결하는 단계와;

   (e) 상기 프레임기판 상에 이형제가 도포된 금형을 설치하고 상기 몰드 프레스로 금형에 압력을 가하는 단계와;

   (f) 상기 금형 내에 에폭시계 수지를 주입하고 경화시켜 렌즈를 몰딩하는 단계와;

   (g) 상기 금형을 제거하고 몰딩된 프레임기판을 미리 설정된 크기로 다이싱하는 단계를 포함하는 발광 다이오드 제조방법.
5. 제4항에 있어서,

   상기 단계 (b)는 접착제(Glue), 에폭시 수지, 및 전열성 컴파운드(Thermal Compound) 중 어느 하나 이상의 물질을 사용한 본딩에 의해 수행되는 발광 다이오 드 제조방법.
6. 제4항에 있어서,

   상기 금형은 종단면이 웨이브(Wave) 형상인 상면을 포함하는 발광 다이오드 제조방법.
7. 제4항에 있어서,

   상기 단계 (f)는 액상 에폭시의 주제와 경화제를 소정의 혼합 비율로 혼합하여 인젝션몰딩(Injection molding)에 의하거나, EMC(Epoxy Molded Compound)형태의 에폭시를 트렌스퍼 몰딩(Transfer molding)에 의해 수행되는 발광 다이오드 제조방법.
8. 제4항에 있어서,

   상기 에폭시계 수지에는 발광 다이오드의 색상에 대응하여 확산제 또는 형광체가 포함되는 발광 다이오드 제조방법.

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