KR20160083910A - Ｌｅｄ를 둘러싸는 내부 전반사 층을 갖는 ｌｅｄ를 위한 기판 - Google Patents

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Abstract

패키징된 LED 모듈은 기판 표면 상에 실장되는 LED 다이를 포함한다. 낮은 굴절률 재료의 제1 층이 기판 표면 상에 형성되며, 다이를 둘러싼다. 더 높은 굴절률 재료의 렌즈가 LED 다이 및 제1 층 위에 몰딩된다. 제1 층과 렌즈의 계면은, LED 광이 임계 각도보다 더 큰 각도로 충돌할 때, Snell의 법칙에 따라 내부 전반사(TIR)에 의해 광을 반사시킨다. 제1 층은 낮은 굴절률의 에폭시, 실리콘 또는 다른 재료일 수 있다. 다른 실시예에서, TIR에 대한 공기/렌즈 계면을 생성하기 위해 렌즈가 형성된 이후에 LED 다이를 둘러싸는 층이 처리된다. LED 다이는 인광체 층을 포함할 수 있는데, 이는 훨씬 더 많은 측면 광이 기판 표면에 의해 흡수되지 않고 계면에서 반사되게 한다.

Description

ＬＥＤ를 둘러싸는 내부 전반사 층을 갖는 ＬＥＤ를 위한 기판{SUBSTRATE FOR LED WITH TOTAL-INTERNAL REFLECTION LAYER SURROUNDING LED}
본 발명은 기판 상에 실장되는 발광 다이오드들(LED들)에 관한 것이며, 구체적으로는 광 추출 효율을 개선하기 위해 LED를 둘러싸는 기판의 반사율을 개선하는 기법에 관한 것이다.
도 1은 서브마운트(12) 상에 실장되는 종래의 플립 칩 LED 다이(10)를 예시한다. 플립 칩에서, n 전극 및 p 전극 모두가 LED 다이의 최하부 상에 형성된다.
LED 다이(10)는, 사파이어 기판과 같은 성장 기판 상에 성장되는, n 층(14), 활성 층(15) 및 p 층(16)을 포함하는 반도체 에피택셜 층들로 형성된다. 성장 기판은 레이저 리프트오프(laser lift-off), 에칭, 그라인딩에 의해 또는 다른 기법들에 의해 도 1에서 제거되었다. 일 예에서, 에피택셜 층들은 GaN 기반이고, 활성 층(15)은 청색 광을 방출한다.
미리 제조된 인광체 타일(17)이 실리콘 또는 다른 투명한 접착제(도시되지 않음)에 의해 LED 다이(10)의 최상부 표면 위에 부착된다. 백색 광에 대해, 타일(17)은 황색 광을 방출하는 YAG 인광체로 형성될 수 있다. 청색 LED 광의 일부가 타일(17)을 통해 누설되어, 황색 광과 결합한다. 더 따뜻한 백색 광을 생성하기 위해 적색 인광체 층이 추가될 수 있다.
금속 전극(18)이 p 층(16)에 전기적으로 접촉하고, 금속 전극(20)이 n 층(14)에 전기적으로 접촉한다. 일 예에서, 전극들(18 및 20)은 세라믹 서브마운트(12) 상의 애노드 및 캐소드 금속 패드들(22 및 23)에 초음파로 용접되는 금 패드들이다. 서브마운트(12)는 인쇄 회로 보드에 본딩하기 위해 최하부 금속 패드들(26 및 28)로 이어지는 전도성 비아들(24)을 갖는다.
본 양수인에게 양도되며 본원에 참조로 포함되는 미국 특허 제8,536,608호는, 서브마운트(12)의 표면에 부착되며 LED 다이(10)를 둘러싸는 반사성 링(29)(예를 들어, R>90%)의 이용을 기술한다. 이 링(29)은 스퍼터링된 Al 또는 Ag 층과 같은 반사성 재료로 형성된다. 이 링(29)은 인광체 타일(17)과 활성 층(15)에 의해 하향으로 발생되는 광(예를 들어, 광선들(32 및 33))을 반사시킨다. 서브마운트들은 통상적으로 세라믹, 실리콘 또는 다른 광 흡수 재료이며, 따라서 링(29)은 패키지에 의한 광의 흡수를 감소시켜 효율을 증가시킨다.
다음에, LED 다이(10), 인광체 타일(17) 및 링(29)은 예컨대 실리콘으로 형성되는 몰딩된 투명 반구형 렌즈(34)에 의해 캡슐화되어, LED 다이(10)를 보호하고 광 추출 효율을 증가시킨다. 렌즈(34)의 굴절률(예를 들어, n=1.5)은 통상적으로 공기의 굴절률과 다양한 LED 층들의 굴절률 사이에 있다.
링(29)의 반사율은 비교적 높지만, 그것은 100%는 아니다. 따라서, 링(29)에 의한 일부 광 흡수는 여전히 존재한다. 또한, 링(29) 재료의 외측 에지는 렌즈(34)와 서브마운트 표면 사이의 양호한 기밀 밀봉(hermetic seal)을 보장하기 위해 렌즈(34)의 에지 앞에서 종단되어야 한다. 따라서, 링(29)의 에지와 렌즈(34)의 에지 사이에서 일부 광 산란 및 흡수가 존재한다. 또한, 금속 링의 형성은 비교적 복잡하며, 패키지에 비용을 추가한다.
LED 다이 및 인광체 타일로부터의 훨씬 더 많은 하향 광을 반사시키기 위한 기법이 필요하다.
기판 상에 실장되는 LED 다이를 둘러싸는 반사 재료로 형성된 링 대신에, 내부 전반사(total internal reflection)(TIR)를 이용하는 유전체 링이 이용된다. TIR을 이용하면, 100% 반사가 존재한다.
일 실시예에서, 유전체 재료의 평활한 얇은 층이 기판 표면 상에 그리고 LED 다이 주위에 형성된다. 이 재료는 캡슐화 렌즈 재료의 굴절률(예를 들어, n=1.5)보다 더 낮은 굴절률(예를 들어, n<1.4)을 갖는다. 이 재료는 기판 표면에 대해 그리고 렌즈 재료에 대해 매우 양호한 접착성을 갖는다. 이 재료는 내습성이며, 렌즈의 에지를 넘어 연장될 수 있다.
임계 각도보다 더 큰 각도로 낮은 굴절률 재료와 렌즈의 계면 상에 충돌하는 임의의 인광체 또는 LED 광은 실질적으로 100% 반사율로 계면에서 반사된다. 낮은 굴절률 재료는 반사성 금속보다 퇴적하기가 더 단순하다. 낮은 굴절률 재료는 렌즈의 에지를 넘어 연장될 수 있기 때문에, 어떠한 에지들에서도 광의 산란이 존재하지 않으며, 최대량의 광이 반사된다. 또한, 이 재료가 유전체이기 때문에, 오정렬로 인한 전극들의 단락에 대한 우려도 존재하지 않는다.
낮은 굴절률 재료 자체가 확산성 백색 층과 같이 또한 반사성인 경우, 임계 각도 미만의 각도로 충돌하는 임의의 광은 기판에 의해 흡수되지 않고 TIR이 아닌 것에 의해 반사된다. 이러한 백색 층은 TiO2 입자들을 포함하는 낮은 굴절률의 에폭시일 수 있다.
다른 실시예에서, 최대 TIR 및 최저 임계 각도를 달성하기 위해 밀봉된 공기 층(n=1)이 LED 다이 주위에서 기판 표면 위에 형성된다. 공기 층은 LED 다이 영역 주위에 오목부(indentation)를 갖도록 기판을 몰딩함으로써 형성될 수 있다. 렌즈를 몰딩하기 이전에, 오목부는 재료로 채워지며, 이는 초기에 렌즈 재료가 오목부를 채우는 것을 차단한다. 렌즈가 형성된 이후에, 재료는 증발되거나, 용해되거나 또는 수축되어, 공기 갭을 생성한다. 공기/렌즈 계면은 우수한 TIR 계면을 형성한다.
다른 실시예에서, 공기 갭은 주로 공기인 다공성 유전체 재료에 의해 형성된다.
다른 실시예에서, 친수성 타입 재료가 LED 다이 주위에, 예컨대, 오목하게 된 링(모트(moat))에 퇴적되고, 이에 의해 몰딩된 렌즈 재료는 친수성 타입 재료에 부착되는 것이 아니라, 그것 주위의 기판 표면에 부착된다. 렌즈가 형성된 이후에, 친수성 타입 재료는 다음에 열 또는 UV 광으로 경화되고, 렌즈로부터 떨어져 수축된다. 이는 TIR 계면을 생성하기 위해 남아있는 친수성 타입 재료와 렌즈 사이의 매우 얇은 공기 갭을 초래한다. 한 가지 적합한 친수성 타입 재료는 오일이다.
본 발명은, 플립 칩 LED들(최하부 상에 양 전극들이 있음), 수직 LED들(최상부 상에 하나의 전극이 있고, 최하부 상에 하나의 전극이 있음) 및 측방향 LED들(최상부 상에 양 전극들이 있음)을 포함하는 임의의 타입의 LED 다이를 패키징하는 것에 적용된다. 본 발명은 인광체-변환 LED들(pc-LED들) 및 비-pc-LED들에 또한 적용된다. pc-LED들에 대해, 인광체는 타일로서 LED 다이의 최상부에 부착되거나, 또는 LED 다이의 최상부 및 측면 표면들을 커버할 수 있다. pc-LED의 경우, 본 발명을 이용함으로써 더 많은 측면 광 및 그에 따른 더 큰 효율 이득이 존재한다.
기판은 LED 다이와 인쇄 회로 보드 사이에 인터포저(interposer)로서 이용되는 서브마운트일 수 있다.
도 1은 기판 표면 위에 형성되는 다이 주위에 금속 반사성 링을 갖는 종래 기술의 패키징된 LED 다이의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 낮은 굴절률 층에 의해 둘러싸이는 도 1의 LED 다이를 예시하며, 여기서 층/렌즈 계면은 TIR을 이용하여 반사한다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 기판 표면에 형성된 모트에서 얇은 공기 층에 의해 둘러싸이는 도 1의 LED 다이를 예시하며, 여기서 공기/렌즈 계면은 TIR을 이용하여 반사한다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 렌즈로부터 분리되는 친수성 타입 재료를 이용하여 생성되는 얇은 공기 층에 의해 둘러싸이는 도 1의 LED 다이를 예시하며, 여기서 공기/렌즈 계면은 TIR을 이용하여 반사한다.
동일하거나 유사한 다양한 도면들에서의 요소들은 동일한 번호로 라벨링된다.
도 2는, 금속 반사성 링이 실리콘 렌즈(34)의 굴절률보다 더 낮은 굴절률을 갖는 유전체 층(40)으로 대체된다는 것을 제외하고는, 도 1의 것과 유사한 패키징된 LED 모듈을 예시한다. 렌즈(34)가 1.5-1.6의 굴절률을 가진다고 가정하면, 층(40)은 바람직하게는 1.4 미만의 굴절률을 갖지만; 렌즈 재료의 굴절률보다 더 작은 임의의 굴절률이 계면에서 TIR을 생성할 것이다. 굴절률 차이는 임계 각도를 결정한다. 바람직한 실시예에서, 굴절률들에서의 차이는 적어도 0.4이다. 층(40)은 에폭시, 실리콘 또는 다른 적합한 재료로 형성될 수 있다. 이러한 에폭시들 및 실리콘들은 1.38에 이르기까지의 선택가능한 굴절률들을 갖고서 상업적으로 입수가능하다. 예를 들어, 메틸-기반 실리콘은 1.4의 굴절률을 갖는다. 이러한 재료들이 내습성이며 렌즈 재료 및 기판 표면에 양호하게 부착되기 때문에, 층(40)은 LED 다이(10) 주위에서 기판(12)의 전체 표면 위에 퇴적될 수 있고, 렌즈(34)는 층(40) 위에 직접 몰딩될 수 있다. 따라서, 에지 효과들이 존재하지 않으며, 최대 반사성 영역이 존재한다.
층(40)은, LED 다이 영역 위에 마스크를 이용하여, LED(10) 다이를 부착하기 이전에 기판(12) 상에 퇴적될 수 있다. 대안적으로, "리프트오프" 층이 LED 다이(10) 위에 퇴적될 수 있고, 그 다음에 층(40)의 블랭킷 퇴적(blanket deposition)이 이어진다. 다음에, 리프트오프 재료는 용해되고, LED 다이(10) 위의 층(40) 부분은 리프트 오프된다.
층(40)과 렌즈(34) 사이의 계면만이 TIR에 대해 관련되기 때문에, 층(40)은 임의의 두께일 수 있다. 예를 들어, 층(40)은 3 마이크로미터 미만일 수 있다. 계면은 최대 TIR을 위해 가능한 한 평활해야 한다.
도 2는 흡수 없이 TIR을 이용하여 계면에서 반사되는 광선들(32A 및 33A)을 예시한다. 인광체 타일(17) 및 활성 층(15)으로부터의 대부분의 하향 광이 층(40)에 대해 얕은 각도로 있기 때문에, 거의 모든 충돌 광이 임계 각도보다 더 큰 각도로 충돌할 것이며, Snell의 법칙에 따라 TIR에 의해 반사될 것이다. 기판의 금속 패드들(22 및 23)은 반사성이며(예를 들어, Al 또는 Ag) LED 다이(10) 아래로부터 연장되어, 임계 각도 미만의 각도로 광을 반사시킬 수 있다. 층(40)은 LED(10) 아래로부터 연장되는 패드들(22 및 23)의 임의의 부분 위에 형성될 수 있다.
LED(10)는 실제 디바이스에서보다 나머지 구조체들에 대해 훨씬 더 두껍고 더 넓은 것으로 도시되어 있으며, 따라서 광선들은 실제 디바이스에서 훨씬 더 얕아질 것이다. 실제 디바이스에서, LED 다이(10)는 10 마이크로미터 미만의 높이만을 가질 수 있으며, 그 폭은 0.5mm 미만일 수 있다. 반구형 렌즈(34)는 약 5mm의 직경을 가질 수 있다.
인광체의 이용은 패키지로부터 반사되는 광의 양을 증가시키는 목적을 층(40)이 달성하기 위해 요구되지는 않는다. 인광체 타일(17)(또는 다른 타입의 인광체 층)이 더 두꺼울수록, 더 많은 측면 광이 발생되고, 층(40)에 의해 반사될 것이다.
LED 다이(10)는 플립 칩으로서 도시되어 있지만, LED 다이는 대신에 수직 또는 측방향 LED일 수 있으며, 여기서 하나 이상의 와이어 본드들이 기판 상의 금속 패드들에 접속된다. 와이어들은 렌즈(34)에 의해 캡슐화된다. LED 다이의 풋프린트를 넘어 연장되는 금속 패드들(예를 들어, 와이어 본드 패드들)이 존재하는 경우, 층(40)은 와이어 본딩이 일어난 이후에 그러한 패드들 위에 퇴적될 수 있다.
다른 실시예에서, 층(40)은 심지어 도 1에 도시된 반사성 금속 링(29) 위에 형성될 수 있고, 그에 의해 층(40)을 통과하는 임계 각도 미만의 각도의 임의의 광은 링(29)에 의해 반사될 것이다.
도 3 및 도 4는 패키징된 LED 모듈을 예시하고, 여기서 LED 다이(10)를 둘러싸는 낮은 굴절률 층은 공기이다.
도 3에서, 기판(12)은 렌즈(34) 에지 앞에서 종단되는 LED 다이(10) 주위의 원형 모트(44)(오목부)를 포함하도록 몰딩된다. 모트(44)는 평활한 계면 표면을 제공하기 위해 렌즈(34)가 그것 위에 몰딩될 때 평탄한 상부 표면을 갖는 재료로 채워진다. 이 재료는, 렌즈 재료로부터 증발, 용해, 수축하거나 또는 경화 이후에 다공성으로 되는 타입의 재료이다. 재료를 증발시키기 위해 레이저 절제가 또한 이용될 수 있다. 렌즈(34)가 기판(12) 위에 몰딩된 이후에, 모트(44) 내의 재료는 경화된다. 재료가 증발되고, 용해되고, 렌즈(34)로부터 떨어져 수축하거나 또는 다공성인 경우, 모트(44)는 공기(46) 또는 다른 낮은 굴절률 가스로 주로 채워질 것이다. 그러면, 공기/렌즈 계면은 광범위한 광 각도들에 걸쳐 TIR을 제공하기 위해 굴절률들에서의 최대 차이를 가질 것이다. 모트(44)를 이용함으로써, 정밀한 양의 재료가 제공되어, 평탄 표면을 가질 수 있다. 광선들(32B 및 33B)은 공기/렌즈 계면에서 반사되는 것으로 도시되어 있다.
일 실시예에서, 모트(44)는 졸-겔로 채워진다. 졸-겔은 잘 알려져 있으며, 겔을 형성하도록 용매 내에 나노-입자들을 포함한다. 렌즈(34)가 형성된 이후에, 용매는 다음에 열에 의해 건조되어, 일부 수축 및 나노-입자들에 의해 형성되는 결정들을 초래한다. 결과적인 층은 렌즈(34) 아래에 공기 갭을 생성할 것이다.
공기 갭을 관통하는 임의의 광선들이 링(29)에 의해 반사되도록 공기 갭은 도 1의 반사성 금속 링(29) 위에 또한 생성될 수 있다.
도 4는 도 3과 유사하지만, 공기 갭이 형성될 영역에 오일과 같은 친수성 타입 재료를 퇴적시킴으로써 공기 갭이 형성된다. 이러한 친수성 타입 재료들은 알려져 있으며, 이는 그것에 대한 실리콘 또는 다른 렌즈 재료의 접착을 방지한다. 렌즈(34)가 형성된 이후에, 렌즈(34)는 기판(12) 표면에 부착되지만, 친수성 타입 재료에는 부착되지 않는다. 다음에, 친수성 타입 재료는 그것을 수축시키기 위해 가열되거나 다른 방식으로 경화되어, 도 4에 도시된 공기 갭(50)을 남긴다. 다른 실시예에서, 친수성 타입 재료는 도 3에서의 모트(44)를 채울 수 있으며, 그것이 경화 동안 수축될 때, 친수성 타입 재료는 렌즈(34)로부터 떨어져서 공기 갭을 형성한다. 광선들(32C 및 33C)은 공기/렌즈 계면에서 반사되는 것으로 도시되어 있다.
많은 LED 다이들을 지지하는 기판 웨이퍼 상에서 처리가 수행되는 경우, 기판(12)은 다음에 싱귤레이트되어(singulated) 개별 LED들/기판들을 형성하며, 여기서 다양한 도면들은 개별 LED들/기판들을 나타낼 수 있다.
예들에서의 기판(12)은 LED 다이와 인쇄 회로 보드(PCB) 사이의 서브마운트 인터포저이지만, (PCB)와 같은 임의의 기판이 이용될 수 있다.
본 발명의 특정 실시예들이 도시되고 기술되었지만, 본 발명의 더 광범위한 양태들에서 본 발명으로부터 벗어나지 않으면서 변경들 및 수정들이 이루어질 수 있으며, 따라서 첨부 청구항들은 본 발명의 실제 사상 및 범위 내에 있는 모든 이러한 변경들 및 수정들을 그 범위 내에 포함한다는 점이 본 기술분야의 통상의 기술자에게 명백할 것이다.

Claims (15)

  1. 발광 디바이스로서,
    기판 표면 상에 실장되는 발광 다이오드(LED) 다이;
    상기 LED 다이를 캡슐화하며, 상기 기판 표면 위에 연장되는 제1 재료의 렌즈 ― 상기 제1 재료는 제1 굴절률을 가짐 ―; 및
    상기 LED 다이를 둘러싸는, 상기 기판 표면 위에 있는 제2 재료의 제1 층
    을 포함하고,
    상기 제2 재료와 상기 제1 재료는 상기 LED 다이를 둘러싸는 계면에서 만나고, 상기 제2 재료는 상기 제1 굴절률보다 더 낮은 제2 굴절률을 갖는 발광 디바이스.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 재료는 상기 기판 표면 위에 몰딩되는 실리콘을 포함하는 발광 디바이스.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 실리콘은 1.5 초과의 굴절률을 갖는 발광 디바이스.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2 재료의 제1 층은 상기 렌즈의 외측 에지 아래에 연장되는 발광 디바이스.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2 재료의 제1 층의 주변부는 상기 렌즈 내에 있는 발광 디바이스.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2 재료의 제1 층은 가스 층을 포함하는 발광 디바이스.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 가스는 공기를 포함하는 발광 디바이스.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제2 재료의 제1 층은 실리콘 또는 에폭시 중 하나를 포함하는 발광 디바이스.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 굴절률과 상기 제2 굴절률 사이의 차이는 적어도 0.4인 발광 디바이스.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제2 재료를 포함하는 갭을 생성하기 위해 상기 렌즈로부터 후퇴된(pulled back), 상기 기판 표면 상에 형성된 수축가능한 제2 층을 더 포함하고, 상기 제2 재료는 가스를 포함하는 발광 디바이스.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 기판 표면 상에 형성된 다공성 층을 더 포함하고, 상기 다공성 층은 상기 제2 재료를 포함하고, 상기 제2 재료는 가스를 포함하는 발광 디바이스.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 기판 표면은 서브마운트 표면인 발광 디바이스.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 LED 다이는 인광체 층을 포함하고, 그에 의해 상기 인광체 층으로부터 방출되는 광의 적어도 일부는 내부 전반사(total internal reflection)(TIR)에 의해 상기 계면에서 반사되는 발광 디바이스.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 기판 표면은 상기 LED 다이를 둘러싸는 오목부(indentation)를 갖고, 상기 오목부의 적어도 일부는 상기 제2 재료를 포함하는 발광 디바이스.
  15. 발광 디바이스를 형성하는 방법으로서,
    기판 표면 상에 실장되는 발광 다이오드(LED) 다이를 제공하는 단계;
    상기 기판 표면 상에 제1 재료의 제1 층을 형성하는 단계;
    상기 LED 다이 위에 그리고 상기 제1 층 위에 제2 재료의 렌즈를 형성하는 단계 ― 상기 제2 재료는 소정의 굴절률을 가짐 ―; 및
    상기 기판 표면과 상기 제2 재료 사이에 가스를 포함하는 갭을 야기시키기 위해 상기 렌즈가 형성된 이후에 상기 제1 층을 처리하는 단계
    를 포함하고,
    상기 가스가 상기 제2 재료에 접촉하는 곳에 계면이 생성되고, 상기 가스의 굴절률은 상기 제2 재료의 굴절률보다 더 낮은 방법.
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