KR100991790B1 - 발광 소자 패키지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 발광 소자 패키지에 관한 것으로 특히, 발광 소자 패키지의 발광 효율과 신뢰성을 향상시킬 수 있는 발광 소자 패키지에 관한 것이다. 이러한 본 발명은, 제1장착홈과, 상기 제1장착홈 내부에 상기 제1장착홈보다 깊게 형성된 제2장착홈을 가지는 패키지 바디와; 상기 제2장착홈 내부에 설치되는 발광 소자와; 상기 패키지 바디에 형성되며, 상기 발광 소자와 전기적으로 연결되는 적어도 한 쌍의 전극을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

패키지, 렌즈, 장착홈, 발광 소자, 전극.

Description

발광 소자 패키지{Light emitting device package}

본 발명은 발광 소자 패키지에 관한 것으로 특히, 발광 소자 패키지의 발광 효율과 신뢰성을 향상시킬 수 있는 발광 소자 패키지에 관한 것이다.

LED(Light Emitting diode)는 반도체 제조 공정을 이용하여 제작되는 발광 소자로써 1920년대 반도체 소자에 전압을 가하여 발광 현상이 관측된 이후로 1960년대 말에 실용화되기 시작했다. 이후 꾸준히 LED의 효율을 개선하기 위한 연구, 개발이 이루어져 왔으며, 특히 기존의 광원을 대체할 정도의 광 특성을 가진 LED에 대한 관심이 커지고 있는 실정이다. 또한, LED에 대한 연구의 증가와 더불어 LED 패키지에 대한 연구도 활발히 이루어지고 있다.

종래의 LED 패키지는 PLCC(Plastic leaded chip carrier) 패키지, 세라믹 패키지와 실리콘 패키지 등으로 구분할 수 있다. PLCC 패키지는 플라스틱 리드 칩 케리어 패키지라고 부르며, 플라스틱으로 된 패키지의 사방으로 리드가 위치하는 패키지이다.

세라믹 패키지는 세라믹을 소정의 온도에서 소성하여 제작하는 패키지로 열전도성이 우수하여 열저항이 낮은 응용 제품에 사용되고 있다. 최근에 출시되고 있 는 실리콘 패키지는 세라믹 패키지와 유사한 열전도성의 실리콘 웨이퍼로 제작하여 우수한 열전도성과 낮은 프로파일을 실현한 패키지이다.

이와 같은 LED 또는 LED 패키지에서 발산하는 광은 공간의 전 영역으로 퍼져나간다. 따라서 일정한 영역에만 빛을 조사시키고자 할 때에는 발산하는 광을 모아주어야 한다. 이를 위해서 LED 칩 또는 LED 패키지의 구조를 조절하거나 렌즈 등의 광학 부품을 이용하고 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 발광 소자 칩에서 출사하는 광이 패키지 상측 방향으로 효과적으로 방출되도록 하여 집광성 및 광도를 향상시킬 수 있는 발광 소자 패키지를 제공하는 데 있다.

상기 기술적 과제를 이루기 위한 제1관점으로서, 본 발명은, 제1장착홈과, 상기 제1장착홈 내부에 상기 제1장착홈보다 깊게 형성된 제2장착홈을 가지는 패키지 바디와; 상기 제2장착홈 내부에 설치되는 발광 소자와; 상기 패키지 바디에 형성되며, 상기 발광 소자와 전기적으로 연결되는 적어도 한 쌍의 전극을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 기술적 과제를 이루기 위한 제2관점으로서, 본 발명은, 하측으로 갈수록 면적이 넓어지는 다층구조의 장착홈이 구비된 패키지 바디와; 상기 장착홈에 장착된 발광 소자와; 상기 장착홈에 채워지는 충진재와; 상기 패키지 바디 상에 위치하는 렌즈부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 발광 소자 패키지는 패키지 상면 방향으로의 출사 광도가 향상될 수 있다. 또한 패키지 측면 방향의 광도가 상면 방향에 비하여 근소하게 향상시킬 수 있으며, 이는 조명 응용에 더 유리한 효과를 줄 수 있다. 이와 같이 다층 구조의 장착홈을 갖는 패키지 구조를 이용하면 통상의 패키지보다 집광도가 우수해질 뿐 아니라 렌즈와 결합해서도 우수한 집광성을 가질 수 있는 효과가 있는 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명이 여러 가지 수정 및 변형을 허용하면서도, 그 특정 실시예들이 도면들로 예시되어 나타내어지며, 이하에서 상세히 설명될 것이다. 그러나 본 발명을 개시된 특별한 형태로 한정하려는 의도는 아니며, 오히려 본 발명은 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 사상과 합치되는 모든 수정, 균등 및 대용을 포함한다.

층, 영역 또는 기판과 같은 요소가 다른 구성요소 "상(on)"에 존재하는 것으로 언급될 때, 이것은 직접적으로 다른 요소 상에 존재하거나 또는 그 사이에 중간 요소가 존재할 수도 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

비록 제1, 제2 등의 용어가 여러 가지 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들을 설명하기 위해 사용될 수 있지만, 이러한 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들은 이러한 용어에 의해 한정되어서는 안 된다는 것을 이해할 것이다.

발광 소자(light emitting diode; LED) 패키지로부터 공간상으로 퍼져나가는 광도 특성은 매우 중요하다. 일반적으로 LED에서 방출되는 광은 공간적으로 발산하는 성질을 보이므로 일정한 영역에 빛을 모아서 조사시킬 필요가 발생한다. 특히 카메라 플래시, 조명 등 응용 제품에서는 공간상으로 퍼지는 빛을 효과적으로 모아주는 것이 중요하다.

본 발명에서는 웨이퍼 레벨 패키지(WLP; wafer level package)의 구조를 이용하여 광도를 증가시킬 수 있는 패키지를 제안하고자 한다. 이 패키지 구조를 이용하면 통상의 패키지보다 집광도가 우수해질 뿐 아니라 렌즈와 결합해서도 우수한 집광성을 가질 수 있다.

<제1실시예>

도 1 및 도 2에서 도시하는 바와 같이, 실리콘과 같은 반도체 웨이퍼 기판(11)을 이용하여 제작되는 패키지 바디(10)에는 발광 소자 장착을 위한 장착홈(12)이 형성된다. 이러한 장착홈(12)은 발광 소자에서 출사되는 광이 효과적으로 외부로 추출될 수 있도록 측면 경사를 가지며, 이러한 측면에는 반사막이 형성될 수 있다.

도 1 및 도 2에서는 단일 패키지 바디(10)를 나타내고 있지만, 상술한 바와 같이, 반도체 웨이퍼 기판(11) 상에 다수의 패키지 바디(10)가 배열되어 웨이퍼 레벨 패키지(WLP)로 제작되고, 통상의 반도체 제작 장비를 이용하여 장착홈(12)을 형성하거나 바디와 바디 사이에 관통홀을 형성하여 개개의 패키지 바디(10)를 분리하기도 한다. 또한, 이러한 패키지 바디(10)에는 발광 소자의 장착을 위한 적어도 한 쌍 이상의 전극(도시되지 않음)이 구비된다.

이러한 장착홈(12)에는 도 3에서와 같이, 발광 소자 칩(13)이 장착되는데, 이때, 상술한 전극과 전기적으로 접속된다.

이와 같이 발광 소자 칩(13)이 장착된 장착홈(12)에는 이후 충진재(도시되지 않음)가 채워지는데, 이러한 충진재는 보통 장착홈(12) 전체에 채워지게 되며, 경 우에 따라 충진재에 형광체, 분산제 등이 포함될 수 있다.

이와 같은 상태의 구조에서 광학 시뮬레이션을 실시한 결과 도 4와 같은 광 프로파일을 얻을 수 있으며, 패키지의 상면 방향을 향하여 고르게 분포함을 알 수 있다.

도 5에서 도시하는 바와 같이, 이러한 패키지 바디(10) 상에는 렌즈(20)가 결합된다. 이러한 렌즈(20)는 패키지 바디(10) 상에 렌즈기판(22) 상에 렌즈 형상(21)이 구비된 웨이퍼 레벨 렌즈부(wafer level optics)를 이용하여 장착될 수 있다.

이와 같이 렌즈(20)가 결합된 상태의 광 프로파일은 도 6과 같으며, 도 4와 비교하여 볼 때, 광이 상측 방향으로 더 분포함을 알 수 있다.

<제2실시예>

도 7 및 도 8에서 도시하는 바와 같이, 실리콘과 같은 반도체 웨이퍼 기판(110)을 이용하여 제작되는 패키지 바디(100)에는 발광 소자 장착을 위한 장착홈(120)이 다층 구조로 형성된다.

즉, 도 7 및 도 8에서는 패키지 바디(100)를 이루는 기판 상에 넓은 제1장착홈(121)이 형성되고, 이 제1장착홈(121)의 내측에 이 제1장착홈(121)보다 깊게 형성된 제2장착홈(122)이 형성된 2단 형태의 장착홈(120)이 구비된 상태를 나타내고 있다. 그러나 경우에 따라 3단의 형상을 갖는 장착홈(120)이 형성될 수도 있다.

이러한 장착홈(120)은 발광 소자에서 출사되는 광이 효과적으로 외부로 추출될 수 있도록 측면 경사를 가지며, 측면에는 반사막이 형성될 수 있다. 이때, 이와 같은 제1장착홈(121)과 제2장착홈(122)의 측면 경사각은 동일할 수 있다.

도 7 및 도 8에서는 단일 패키지 바디(100)를 나타내고 있지만, 상술한 바와 같이, 반도체 웨이퍼 기판(110) 상에 다수의 패키지 바디(100)가 배열되어 웨이퍼 레벨 패키지(WLP)로 제작되고, 통상의 반도체 제작 장비를 이용하여 장착홈(120)을 형성하거나 바디와 바디 사이에 관통홀을 형성하여 개개의 패키지 바디(100)를 분리하기도 한다.

이때, 이러한 장착홈(120)과 관통홀은 실리콘 반도체 웨이퍼 기판(110)을 이용하여, 식각 또는 벌크 마이크로 머시닝(bulk micromachining)과 같은 방법으로 형성할 수 있다.

또한, 이러한 패키지 바디(100)에는 발광 소자의 장착을 위한 적어도 한 쌍 이상의 전극(도 12 참고)이 구비된다. 이러한 전극은 패키지 바디(100)의 측면을 따라 또는 장착홈(120) 내에 형성되는 관통홀을 통하여 패키지 바디(100)의 후면에 연결될 수 있고, 따라서 추후 제작된 발광 소자 패키지를 회로 기판과 접속이 용이하도록 할 수 있다.

이러한 장착홈(120) 중 제2장착홈(122)에는 도 9에서와 같이, 발광 소자 칩(130)이 장착되는데, 이때, 상술한 전극과 전기적으로 접속된다.

이와 같이 발광 소자 칩(130)이 장착된 장착홈(120)에는 이후 충진재(160; 도 12 참고)가 채워질 수 있는데, 이러한 충진재는 제2장착홈(122)에만 채워지거나 제1장착홈(121) 및 제2장착홈(122)에 채워질 수 있다. 또한, 제1장착홈(121)을 채우고 제2장착홈(122)의 일부에 채워질 수 있다. 이러한 충진재에는 형광체, 분산제 등이 포함될 수 있다.

이와 같은 상태의 구조에서 광학 시뮬레이션을 실시한 결과 도 10과 같은 광 프로파일을 얻을 수 있으며, 패키지의 상면 방향을 향하여 고르게 분포함을 알 수 있다. 또한, 제1실시예의 경우인 도 4에 비하여 상면 방향으로의 광의 진행이 더 많이 분포하는 것을 알 수 있다. 즉, 상술한 다층 구조의 장착홈(120)은 상면 방향으로 광의 진행을 더 풍부하게 할 수 있으며, 이러한 분포는 발광 소자 패키지의 광 추출 효율을 향상시킬 수 있음을 의미한다.

이후, 패키지 바디(100) 상측에는 렌즈(200)가 결합되어 도 11과 같은 상태를 이루게 된다. 이때, 렌즈(200)는 단일 렌즈가 결합될 수도 있고, 패키지 제작 과정에서 개개의 패키지 바디(100)와 정렬되는 렌즈 형상(210)을 갖는 렌즈 기판(220)이 배열된 웨이퍼 레벨 렌즈부를 결합하여 개개의 패키지로 분리될 수도 있다.

이하, 도 12를 참고하여 패키지의 제작 과정을 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 기판(110) 상에 상술한 바와 같이, 식각 또는 벌크 마이크로머시닝 등과 같은 방법으로 계단 형상을 갖는 장착홈(120)을 형성한다. 이때, 도 12와 같이, 2단 구조를 갖는 장착홈(120)은 두 단계로 형성될 수 있다. 즉, 제1장착홈(121)을 먼저 형성한 후, 이 제1장착홈(121) 내에 제2장착홈(122)을 형성할 수 있다.

이때, 이러한 장착홈(120) 형성과 동시에 발광 소자(130)와 연결되는 전극(140)의 경로 형성을 위한 관통홀(111)과 개개의 패키지로 구분되는 분리홈(112) 을 함께 형성할 수 있다.

이와 같이, 장착홈(120)과 관통홀(111) 및 분리홈(112)이 형성된 기판(110) 상에는 절연층(도시되지 않음)을 형성하고, 장착홈(120) 내측과 기판(110)의 후면과 서로 연결되는 한 쌍의 전극(140)을 형성한다. 이러한 전극(140)은 양전극(141)과 음전극(142)으로 나누어 형성할 수 있다.

또한, 이러한 전극(140)은 상술한 바와 같이, 관통홀(111)을 통하여 기판(110)의 상면과 하면에 연결되어 형성될 수 있으며, 경우에 따라 분리홈(112)의 위치에 관통홀을 형성하여 기판(110)의 상면과 하면을 연결하여 형성할 수도 있다.

한편, 분리홈(112)은 추후 개개의 패키지로 분리할 구분선이 되며, 이러한 분리홈(112)은 이웃하는 전극(140)을 서로 분리하는 역할을 수행할 수도 있다.

장착홈(120) 내측에는 도시하는 바와 같이, 반사막(170)이 형성되어 발광 소자(130)에서 출사되는 광이 반사되어 외측으로 추출되는 정도를 향상시킬 수 있다.

이러한 장착홈(120)에는 발광 소자(130)가 솔더(150)에 의하여 양전극(141) 및 음전극(142)에 각각 전기적으로 접속되어 장착된다. 도 12에서는 플립칩 본딩되는 측면형 발광 소자(130)를 도시하고 있으나, 수직형 발광 소자, 통상의 측면형 발광 소자도 이용될 수 있음은 물론이다.

이와 같이 발광 소자(130)가 장착된 장착홈(120) 내에는 실리콘 수지(silicone resin)와 같은 물질의 충진재(160)가 채워진다. 이때, 이러한 충진재(160)는 발광 소자(160)의 상측에 위치하는 충진재(160)의 높이(t1)가 발광 소자(160)의 측면과 장착홈(120)의 측벽과의 사이의 거리(w1, w2)와 실질적으로 동일 한 높이로 채워질 수 있다.

즉, 상술한 바와 같이, 제2장착홈(122)에만 충진재(160)가 채워질 수 있고, 또한 제2장착홈(122)과 제1장착홈(121)의 적어도 일부에 충진재(160)가 채워질 수 있다. 이는 충진재(160)에 형광체가 포함되는 경우에 형광체에 의하여 변환되는 빛의 균일성을 향상시킬 수 있다. 즉, 형광체를 포함하는 충진재(160)를 통과하는 빛의 경로 거리가 대체적으로 동일하도록 할 수 있다.

이와 같이 충진재(160)가 채워진 상태에서 렌즈기판(220) 상에 렌즈 형상(210)이 구비된 웨이퍼 레벨 렌즈(200)가 결합되는데, 이러한 렌즈(200)는 렌즈 형상(210)이 발광 소자(130)가 장착된 장착홈(120)과 일치하도록 배열되어 결합되며, 접착제(180)를 이용하여 결합될 수 있다. 이러한 렌즈 형상(210)은 실리콘(silicone)으로 이루어질 수 있고, 경우에 따라서는 렌즈기판(220)이 없이 직접 렌즈 형상(210)이 결합될 수도 있다.

이때, 충진재(160) 상측과 렌즈(200) 사이에는 에어 갭(190)이 위치할 수 있으며, 이러한 에어 갭(190)의 높이는 5 내지 500 ㎛로 형성하는 것이 적당하다.

이상과 같이 패키지(100) 상에 렌즈(200)가 결합된 이후에는 개개의 패키지 구분 영역에서 분리선(A - A' 선)을 따라 패키지(100) 및 렌즈(200)를 함께 분리하여 개개의 발광 소자 패키지로 제작된다.

이와 같이 제작된 패키지의 광 프로파일은 도 13과 같다. 이를 제1실시예의 광 프로파일인 도 6과 비교하면 패키지 상면 방향으로의 출사 광도가 더 커진 것을 알 수 있고, 또한 패키지 측면 방향의 광도가 상면 방향에 비하여 근소하게 큰 것 을 알 수 있으며, 이는 조명 응용에 더 유리한 효과를 줄 수 있다.

상술한 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 구체적으로 설명하기 위한 일례로서, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 다양한 형태의 변형이 가능하고, 이러한 기술적 사상의 여러 실시 형태는 모두 본 발명의 보호범위에 속함은 당연하다.

도 1 내지 도 6은 본 발명의 제1실시예를 나타내는 도로서,

도 1은 패키지 바디를 나타내는 사시도이다.

도 2는 도 1의 일부 절결 사시도이다.

도 3은 발광 소자가 장착된 상태를 나타내는 사시도이다.

도 4는 광의 진행을 나타내는 그래프이다.

도 5는 렌즈를 결합한 상태를 나타내는 사시도이다.

도 6은 렌즈 결합 후의 광의 진행을 나타내는 그래프이다.

도 7 내지 도 13은 본 발명의 제2실시예를 나타내는 도로서,

도 7은 패키지 바디를 나타내는 사시도이다.

도 8은 도 7의 일부 절결 사시도이다.

도 9는 발광 소자가 장착된 상태를 나타내는 사시도이다.

도 10은 광의 진행을 나타내는 그래프이다.

도 11은 렌즈를 결합한 상태를 나타내는 사시도이다.

도 12는 패키지 바디에 렌즈를 결합한 상태의 공정을 나타내는 단면도이다.

도 13은 렌즈 결합 후의 광의 진행을 나타내는 그래프이다.

Claims (12)

1. 제1장착홈과, 상기 제1장착홈 내부에 상기 제1장착홈보다 깊게 형성된 제2장착홈을 가지는 패키지 바디와;

   상기 제2장착홈 내부에 설치되는 발광 소자와;

   상기 패키지 바디에 형성되며, 상기 발광 소자와 전기적으로 연결되는 적어도 한 쌍의 전극을 포함하고, 상기 전극은 상기 패키지 바디의 제2장착홈에 형성된 관통홀을 통하여 패키지 바디의 하측면과 연결되어 구성되는 것을 특징으로 하는 발광 소자 패키지.
2. 제 1항에 있어서, 상기 제1장착홈 및 제2장착홈 중 적어도 어느 하나에는 충진재가 채워지는 것을 특징으로 하는 발광 소자 패키지.
3. 제 2항에 있어서, 상기 충진재는 상기 발광 소자 상측부의 두께가 상기 발광 소자 측면과 상기 제1장착홈 또는 제2장착홈 사이의 거리와 실질적으로 동일하게 채워지는 것을 특징으로 하는 발광 소자 패키지.
4. 제 2항에 있어서, 상기 충진재에는 형광체가 포함된 것을 특징으로 하는 발광 소자 패키지.
5. 제 1항에 있어서, 상기 제1장착홈과 제2장착홈은 계단 형상으로 연결되는 것을 특징으로 하는 발광 소자 패키지.
6. 삭제
7. 삭제
8. 제 1항에 있어서, 상기 제1장착홈 및 제2장착홈 중 적어도 어느 하나에는 반사막이 위치하는 것을 특징으로 하는 발광 소자 패키지.
9. 제 1항에 있어서, 상기 패키지 바디는 실리콘 반도체로 형성된 것을 특징으로 하는 발광 소자 패키지.
10. 제 1항에 있어서, 상기 패키지 바디 상측에는 렌즈부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자 패키지.
11. 하측으로 갈수록 면적이 넓어지는 다층구조의 장착홈이 구비된 패키지 바디와;

    상기 장착홈에 장착된 발광 소자와;

    상기 장착홈에 채워지는 충진재와;

    상기 패키지 바디 상에 위치하는 렌즈부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 발광 소자 패키지.
12. 제 11항에 있어서, 상기 충진재와 렌즈부 사이에는 에어 갭을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자 패키지.

Images