KR101315939B1 - 발광다이오드 패키지 및 그 제조방법 - Google Patents

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이삼녕
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Abstract

본 발명은 질화물계 발광다이오드(Light Emitting Diode: LED)패키지에 관한 것으로, 발광면적을 증가시킴으로써, 발광효율을 높이고 한번에 6개의 cell을 동시에 발광 시킴으로서 동작전압을 감소시키고 동작전류를 증가시킬 수 있는 질화물계 발광다이오드패키지에 관한 것이다.

Description

발광다이오드 패키지 및 그 제조방법{LED package and manufacturing method thereof}
본 발명은 발광다이오드(Light Emitting Diode: LED)패키지 중 플립칩용 질화물 LED의 패키지 제조에 관한 것으로 본 발명에 의해 6개의 발광 cell 을 가지는 flip chip LED 패키지가 구현된다
플립칩 패키징(Flip-chip packaging)은 원래 30년 전 IBM 이 도입한 것으로 최근까지 플립칩 기술은 고가형(high-end) 디바이스와 틈새시장 용도로만 주로 적용되어 왔다.
플립칩(Flip-chip)은 특수한 칩(또는 셀)구조나 패키지 형식이 아니고 다이(die)와 전극단자를 전기적으로 접속하는 조립 실장 방법이다. 배선에 와이어를 이용하는 방식은 와이어 본드 패키징(wire-bond packaging)이라고 한다. 따라서, 메사타입 칩이나 수직형칩 모두에 적용가능하다.
배선이 다이 표면에 있는 도전성 범프가 뒤집어져서 캐리어에 직접 연결되는 경우를 플립칩이라 한다. 이러한 플립칩 패키징의 방열성능은 와이어 본드 패키징 에 비해 탁월하다.
ASIC, 마이크로프로세서 및 시스템 온 칩 (SOC)과 같은 대부분의 전자 소자는 방열을 위한 소비전력이 10-25 W 정도로 고온 주입 와이어본드 볼 그리드 어레이(BGA) 패키지가 처리할 수 있는 소비전력보다 5-10 W 높다.
이와 달리 플립칩 패키지는 작동환경과 열적 요구사항(최대 접합 온도, 주위온도 및 공기흐름)과 패키지 파라미터(외부 방열판 사용, 패키지/다이 사이즈, 회로기판 층 수/ball 개수 등)에 따라 방열설계 소비전력이 보통 25W이다.
플립칩의 뛰어난 방열성능은 방열판 부분이 있기 때문에 가능하다. 이 경우 열은 써멀볼(thermal ball) 과 내외부의 방열판을 통해 방산된다. 또한, 플립칩은 패키지에서 보틀넥(bottleneck) 작용을 하는 와이어 본드가 필요 없기 때문에 전기적 성능이 좋다.
이러한 플립칩기술은 LED 발광효율을 개선시키기 위한 특징적인 기술로 사용되고 있다. 이 기술은 반도체 칩을 회로 기판에 부착 시킬 때 금속 리드(와이어)와 같은 추가적인 연결 구조나 볼 그리드 어레이(BGA)와 같은 중간 매체를 사용하지 않고, 칩 아랫면의 전극패턴을 이용해 그대로 융착시키는 방식으로 선없는(leadless) 반도체라고도 한다. 패키지가 칩 크기와 같아 소형, 경량화에 유리하고 전극 간 거리(피치)를 훨씬 미세하게 할 수 있다.
일반적으로 질화물 반도체는 절연체인 사파이어 기판 위에 성장하기 때문에 질화물 반도체 표면으로부터 광을 추출하게 된다. 그러나 사파이어 기판은 열전도도가 좋지 않아 GaN-LED 열방출에 큰 문제점으로 지적되어 왔다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 전극을 PCB(Printed Circuit Board) 기판에 패키징하고 사파이어로부터 광을 추출하는 플립칩 기술이 제안되었다. 즉, Ni/Au의 광 투과성 전극은 로듐(Rh)과 같은 높은 광반사 특성을 갖는 오믹금속으로 대체하여 빛의 리사이클(재활용)이 되도록 하여 광추출효율을 개선시키게 되고 전극패드 및 질화물 반도체층을 열방출이 용이한 PCB보드에 부착함으로서 열방출 효율을 개선 시킬 수 있다.
그러나 플립칩 패키징은 반도체 제조업체에게는 새로운 문제를 안겨 주고 있다. 후 공정을 전문으로 하는 기업이 필요하며 이들의 기술 전문성을 지렛대로 활 용하여 패키징, 어셈블리 및 테스트 서비스에 플립칩 기술을 구현해야 하기 때문이다.
일반적으로 플립칩 구조의 패키징 기술은 상부광방출(top-emission) 방식이 아닌 사파이어 기판으로부터 광 추출을 얻는 방법으로 그 구조를 도 1에 나타내었다.
LED 구조에서 GaN의 굴절률은 2.4이고 공기의 굴절률은 1이다. GaN과 공기의 큰 굴절률차이에 의해 약 23°의 매우 작은 임계각을 가지게 되어 임계각 이하의 적은 양의 빛만이 공기 중으로 추출이 가능하고 나머지 빛들은 내부전반사에 의해 LED구조 내부에 갇히게 된다. 또한, top-emission LED는 p형 GaN 에피층을 통해 발광하는데, 이 때 p형 투명전극과 p형 패드전극 등의 metal에 의한 흡수 손실이 발생하게 되어 발광효율의 저하를 야기한다.
그러나 메사형 플립칩 LED의 경우, 반사율이 높은 Ag와 같은 metal로 반사면을 형성하여 p-metal로 향하는 빛의 경로를 사파이어 기판 쪽으로 유도하여 빛의 대부분을 Lapping과 Polishing 공정을 통해 충분히 얇아진 사파이어기판을 통해 빛이 추출되도록 한다. 투과율이 우수한 사파이어기판과 공기의 굴절률은 각각 1.76과 1로 굴절률 차이를 줄일 수 있으며, 이는 곧 GaN 에피층에서 공기로 진행하는 빛의 임계각보다 더 큰 임계각을 가지므로 내부전반사를 줄일 수 있음을 의미한다.
게다가, p형 금속전극에 의한 광흡수손실을 줄이므로 광추출효율의 증대를 기대할 수 있고, 기존의 와이어본드 패키징과 비교하여 뛰어난 방열특성을 가져 고출력 소자구현에 높은 가능성을 가지고 있다. 이에 더하여 칩의 크기만큼 패키징이 되기 때문에 소형화, 경량화가 가능하다는 특징도 가지고 있다.
[1] Chien-Ping Wanga et. al., “Analysis of thermal characteristics and mechanism of degradation of flip-chip high power LEDs”, Microelectronics Reliability 52 (2012) pp. 698-703 [2] Hyunsoo Kim et. al., “Electrical and optical characterization of GaN-based light-emitting diodes fabricated with top-emission and flip-chip structures”, Materials Sciencein Semiconductor Processing 13 (2010) pp. 180-184 [3] Yanxu Zhu et. al.,” Enhanced output of flip-chip light-emitting diodes with a sidewall reflector”, Solid-State Electronics 51 (2007) pp. 674-677 [4] Bingfeng Fan et. al., “Thermal study of high-power nitride-based flip-chip light-emitting diodes”, IEEE Transations on electron devices, Vol. 55, No. 12, (2008) pp. 3375-3382
본 발명은 발광다이오드(Light Emitting Diode: LED)패키지에 관한 것으로, 발광면적을 증가시킴으로써, 발광효율을 높이고 한번에 6개의 cell(vertical chip)을 동시에 발광 시킴으로서 동작전압을 감소시키고 동작전류를 증가시킬 수 있는 플립칩용 질화물계 발광다이오드패키지에 관한 것이다.
본 발명의 실시예로서의 발광다이오드패키지는 기판; 기판상에 형성된 복수의 led 셀; 복수의 led 셀로 이루어진 두 개 이상의 그룹; 복수의 led 셀의 상부에 형성된 p형 전극; 복수의 led 셀의 주위를 둘러싸며, 칩주위 면적의 일부가 식각되어 트렌치를 형성하여 하부의 n층을 노출시키는 절연층; 복수의 led 셀의 n층으로부터 연장되며 절연층의 트렌치에 의해 노출된 n형 질화물 반도체층에 형성된 n형 콘택전극; 두 개의 그룹의 각각의 p형 전극과 이를 연장하여 n 형 반도체 위에 형성된 절연층 위에 형성된 두 개의 p형 콘택전극을 포함한다.
본 발명의 실시예에 있어서,
상기 복수의 셀이 6개 이상일 수 있다. 본 실시예와 관련된 도2는 6개의 셀이 세 개씩 그룹을 이루고, 두 개의 그룹이 마주보는 형태이다. 각 그룹에 속하는 셀은 세 개 또는 네 개 이상의 복수 개 일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서,
상기 복수의 셀이 대칭 혹은 비대칭으로 배치될 수 있다. 본 실시예와 관련된 도2는 3개의 셀로 이루어진 그룹 2개가 대칭을 이루는 형태를 도시하고 있다. 이러한 배열이 반드시 마주보는 형태의 대칭일 필요는 없으며, 직선 또는 원형의 배열을 포함하는 비대칭배열일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서,
상기 기판의 아래방향이 열방출 기구에 설치될 수 있다. 열방출기구는 히트싱크의 역할을 하는 것이면 구성에 제한이 없다. 즉, 통상적인 pin-fin 타입 열교환 또는 열방출구조물은 물론 히트파이프 방식의 열방출기구를 포함하여 다양한 열방출기구가 적용될 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서,
상기 복수의 셀에 같은 전압을 흘려 구동할 수 있다. 단일한 구동전압을 인가하는 것이 복수의 셀 전체에 동일한 전압인가가 가능하다.
본 발명의 실시예에 있어서,
상기 복수의 셀에 같은 전압을 인가하면서 전류는 각각의 셀에 작용할 수 있다. 각 셀이 병렬 연결되어 셀 별로 각각의 전류가 흐르게 된다.
본 발명의 실시예에 있어서,
각 셀의 일부 부분에 전류 패스를 더 포함하며,
과전류 및 정전기가 상기 전류패스를 따라 LED 셀 외부로 흐를 수 있다. 도2의 부재번호 11로 기재되어 있다. 이와 관련해서는 한국특허출원 10-2010-0054102가 참조될 수 있다.
본 발명의 실시예로서의 발광다이오드 패키지의 제조방법은 기판을 준비하는 단계; 기판상에 n층, 활성층, p층을 포함하는 다수의 반도체층을 형성하는 단계; 다수의 반도체층을 식각하여 n층을 노출시키며 다수의 led 셀을 형성하는 단계; 다수의 셀의 상부에 p전극을 형성하는 단계; 다수의 셀을 제외한 면적에 절연층을 형성하는 단계; 절연층의 일부를 식각하여 트렌치를 형성하는 단계; 트렌치에 의해 드러난 n층에 n형 전극패드를 형성하는 단계; 다수의 셀의 상부에 리플렉터를 형성하는 단계; 다수의 셀의 상부와 절연층의 일부에 p형 전극패드를 형성하는 단계;를 포함한다.
본 발명은 기판 상에 형성된 n 형의 반도체 층 위에 형성된 6개의 LED cell 구조와 n형 패드전극, 및 n형 패드전극으로부터 연장되어 트렌치에 의해 노출된 n형 콘택전극으로 구성된 n형 전극과 p형 질화물 반도체층 상에 형성된 p형 전극과 이를 연장하여 n 형 반도체 위에 형성된 절연층위에 형성된 p 패드전극 에 의해 6개의 cell 이 동시에 발광되며, 또한 플립칩으로 발광 면적을 증가시킬 수 있다.
따라서, 본 발명은 플립칩용 질화물계 LED의 발광효율을 높이고 동작전류를 감소시켜, 소자의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 플립칩 LED 구조도,
도 2는 본 발명의 실시예인 발광다이오드 패키지의 구성도,
도 3은 본 발명의 실시예인 발광다이오드 패키지의 제조공정 개요도,
도 4는 본 발명의 실시예의 칩배치 및 모듈크기의 치수 예를 나타내는 마스크 예,
도 5는 본 발명의 실시예의 n 패드전극 배치를 위한 마스크 예,
도 6은 본 발명의 실시예의 반사막 및 배리어 설치를 위한 마스크 예,
도 7은 본 발명의 실시예인 발광소자패키지에 전원을 인가한 상태를 나타내는 사진이다.
이하, 첨부된 도면을 참조로 본 발명을 바람직한 실시예에 의해 상세히 설명하기로 한다.
LED의 경우, 플립칩패키지는 메사타입 칩에 주로 적용하여왔으며, 두 전극이 모두 반도체 적층구조의 한 쪽 면에 형성된다. 본 발명에 적용된 수직형 칩의 플립칩패키지는 p와 n전극이 각각 반도체 적층구조의 반대편에 위치하게 되며 기판에서 먼 쪽의 전극은 금속층의 포토리소그래피를 통해 기판에 연결되는 구성을 갖는다.
본 발명의 구성은 도 2과 같다. 사파이어 기판(1) 상에 형성된 n 형의 반도체 층(2) 위에 형성된 6개의 LED cell 구조(3)와 n형 패드전극, 및 n형 패드전극(4)으로부터 연장되어 트렌치에 의해 노출된 n형 질화물 반도체층의 일부와 콘택되는 n형 콘택전극(5)으로 구성된 n형 전극과 p형 질화물 반도체층(6) 상에 형성된 p형 전극(7)과 이를 연장하여 n 형 반도체 위에 형성된 절연층(8)위에 형성된 p 콘택전극(10)을 포함하는 플립칩용 질화물계 발광다이오드를 제공한다.
도 3은 본 발명의 실시예인 발광다이오드 패키지의 제조공정 개요도이다.
도 3의 3a는 사파이어 기판상에 DH 구조 성장 후 LED 구조를 형성한 초기기판 상태를 도시한다.
도 3의 3b는 n측 반도체 층까지 일반적인 에칭 방법(Dry etching 공정)을 통하여 6개의 cell(칩)을 만든 상태를 도시한다.
도 3의 3c는 6개의 cell 측 위에 p-전극을 형성한 상태를 도시한다. 이때 p전극은 ITO, 혹은 Cr/Ni/Au등을 사용한다.
도 3의 4a는 전면에 SiO2 증착 후 개구부를 형성한 상태를 도시한다. 6개의 cell 을 제외한 n-반도체 위에 n-전극을 형성한다. 이때 n전극은 Cr/Ni/Au등을 사용한다.
도 3의 5a는 n-전극 위에 다시 n-type 전극 패드를 형성한 상태를 도시한다.
이때 n 패드전극은Cr/Ni/Au(크롬/니켈/골드)등을 사용한다
도 3의 6a는 6개의 cell 측위에 은(실버)으로 리플렉터(반사막, Reflector)를 형성하고 배리어(Barrier) 전극(티타늄/니켈/골드)을 증착한 상태를 도시한다.
도 3의 7a는 n-패드전극과 p 패드전극 위에 1차 솔더(solder) 를 형성한 상태를 도시한다. 이때 솔더는 Sn 혹은 Sn+Au의 합금을 사용한다. 이때 각 셀마다 전류패스가 형성된다.
도 3의 8a는 2차 솔더(주석)를 p전극과 p 패드측위에 형성한 상태를 도시한다.
도 3의 9a는 완성된 6cell 플립칩(flip chip)을 도시한다. 사파이어기판의(1)의 두께는 100~250 마이크로 정도이며, 6개의 LED cell 크기는 1mmx1mm이다. 도 4는 본 발명의 실시예의 칩배치 및 모듈크기의 치수 예를 나타내는 마스크 예이다.
도 5는 본 발명의 실시예의 n 패드전극 배치를 위한 마스크 예이다.
도 6은 본 발명의 실시예의 반사막 및 배리어 설치를 위한 마스크 예이다. 이러한 마스크들을 사용하여 완성된 도 2와 같은 패키지에 있어서, n-패드전극(4)은 6개 cell구조(3)에 공통으로 작용되며 양쪽의 패드 메탈인 N-콘택전극(5)에 전압을 동시에 일정하게 인가하여 6개 LED cell구조(3)를 동작시키게 된다. P 형 전극은 6개 LED cell 구조(3)에 의해 독립적으로 구분되어 각각 전류가 적용되나 패드메탈을 2부분으로 구분하여 p-콘택전극(10)을 통해 3개의 cell이 같이 동작 한다.
따라서 전압은 6개의 cell에 모두 일정하게 작용하며 전류는 각각의 cell에 적용되어 일정전압에 최대전류를 흘릴 수 있다. 도 7은 이러한 본 발명의 실시예인 발광소자패키지에 전원을 인가한 상태를 나타내는 사진이다.
또한 3개의 cell이 하나의 그룹으로 형성되므로써 하나의 cell이 동작 중 소실되더라도 광의 방출이 가능하게 되어 소자의 신뢰성 또한 개선할 수 있다.
본 명세서에 기재된 본 발명의 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고 발명의 기술적 사상을 모두 포괄하는 것은 아니므로, 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
따라서, 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 권리범위 내에 있게 된다.

Claims (8)

  1. 기판;
    상기 기판상에 형성된 복수의 led 셀;
    상기 복수의 led 셀로 이루어진 두 개 이상의 그룹;
    상기 복수의 led 셀의 상부에 형성된 p형 전극;
    상기 복수의 led 셀의 주위를 둘러싸며, 칩주위 면적의 일부가 식각되어 트렌치를 형성하여 하부의 n층을 노출시키는 절연층;
    상기 복수의 led 셀의 n층으로부터 연장되며 절연층의 트렌치에 의해 노출된 n형 질화물 반도체층에 형성된 n형 콘택전극;
    상기 두 개의 그룹의 각각의 p형 전극과 이를 연장하여 n 형 반도체 위에 형성된 절연층위에 형성된 두 개의 p형 콘택전극;을 포함하는 발광다이오드 패키지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 셀이 6개 이상인 것을 특징으로 하는 발광다이오드 패키지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 셀이 대칭 혹은 비대칭으로 배치되는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 패키지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 기판의 아래방향이 열방출 기구에 설치되는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 패키지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 셀에 같은 전압을 흘려 구동하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 패키지.
  6. 제1항에 있어서
    상기 복수의 셀에 같은 전압을 인가하면서 전류는 각각의 셀에 작용하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 패키지.
  7. 제1항에 있어서,
    각 셀의 일부 부분에 전류 패스를 더 포함하며,
    과전류 및 정전기가 상기 전류패스를 따라 LED 셀 외부로 흐르는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 패키지.
  8. 기판을 준비하는 단계;
    상기 기판상에 n층, 활성층, p층을 포함하는 다수의 반도체층을 형성하는 단계;
    상기 다수의 반도체층을 식각하여 n층을 노출시키며 다수의 led 셀을 형성하는 단계;
    상기 다수의 셀의 상부에 p전극을 형성하는 단계;
    상기 다수의 셀을 제외한 면적에 절연층을 형성하는 단계;
    상기 절연층의 일부를 식각하여 트렌치를 형성하는 단계;
    상기 트렌치에 의해 드러난 n층에 n형 전극패드를 형성하는 단계;
    상기 다수의 셀의 상부에 리플렉터를 형성하는 단계;
    상기 다수의 셀의 상부와 절연층의 일부에 p형 전극패드를 형성하는 단계;를 포함하는 발광다이오드 패키지의 제조방법.
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