WO2017010730A1 - 유리 프릿을 활용한 색변환 소재를 포함하는 led 칩 스케일 패키지 및 그 제조방법 - Google Patents

유리 프릿을 활용한 색변환 소재를 포함하는 led 칩 스케일 패키지 및 그 제조방법 Download PDF

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이정수
임형석
권광우
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Definitions

  • the present invention relates to an LED package using a glass frit and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a package to which an LED chip in the form of a flip chip is applied.
  • the present invention also relates to a method of manufacturing an LED package capable of maintaining color uniformity.
  • the semiconductor light emitting device is a device that can be miniaturized and emits light of vivid color, and is actively used as a light source for various display devices.
  • the material is degraded by high thermal energy or light energy, and in particular, when the binder resin and the phosphor are mixed, the binder resin deteriorates and discolors as the amount of heat generated by the light emitting device increases. There is a problem.
  • the binder resin is applied to manufacture the LED package, due to the poor heat dissipation performance, there is a problem that heat is generated, the resistance may be very high.
  • the light emitting device when used for a long time, the light efficiency is lowered and the package life of the light emitting device is reduced.
  • An object of the present invention is to provide an LED package to which a color conversion material is applied in order to improve high temperature reliability and maintain color uniformity.
  • Another object of the present invention is to provide a method of manufacturing an LED package that can improve workability and light conversion efficiency.
  • an LED package includes a substrate, a first conductive nitride semiconductor layer, an active layer, and a second conductive nitride semiconductor layer sequentially formed on the substrate, and the first conductive nitride.
  • An LED chip including an electrode formed on each of the semiconductor layer and the second conductivity type nitride semiconductor layer, wherein the substrate is positioned above the chip, and each nitride semiconductor layer is positioned below the substrate; And a surface layer covering side and top surfaces of the LED chip, wherein the surface layer is formed by dispersing phosphor in glass.
  • Glass according to the present invention for achieving the above object is characterized in that the low melting glass frit is melted, the molten low melting glass is filled between the high melting glass frit.
  • a method of manufacturing an LED package includes: (a) mixing a low melting point and a high melting point glass frit with a phosphor to form a glass green sheet; (b) baking the glass green sheet to form a fired body; (c) forming a groove in the fired body; And (d) inserting an LED chip in the form of a flip chip into the groove, wherein the firing is performed at a temperature higher than the softening temperature of the low melting glass frit to below the softening temperature of the high melting glass frit. It is done.
  • step (c) may be performed by sand blasting or acid etching using a mask.
  • the LED package according to the present invention uses a low melting point and a high melting point glass frit, thereby controlling the rapid shrinkage of the glass in the firing step, and minimize the occurrence of distortion.
  • a color conversion material utilizing a glass frit it is excellent in heat resistance and can be prevented from discoloration by heat, by using a phosphor, there is an effect that can maintain the color uniformity.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a step (S130) of forming a groove according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 2 shows the step of forming a groove according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of an LED package according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a flowchart illustrating a method of manufacturing an LED package according to an embodiment of the present invention.
  • the LED package includes an LED chip 20 and surface layers 30 and electrodes 10a and 10b formed by dispersing phosphors on glass frits.
  • the LED chip 20 includes a substrate and a first conductivity type nitride semiconductor layer, an active layer, and a second conductivity type nitride semiconductor layer sequentially formed on the substrate, wherein the substrate is positioned on the LED chip, and each nitride semiconductor layer is formed on the substrate. It is in the form of a flip chip located under the substrate.
  • the flip chip shape can omit the wire bonding process, can provide an effect of increasing the area of the light emitting surface, and in particular, in the LED package according to the present invention can increase the bonding area of the LED chip and the surface layer Provide advantages.
  • the LED chip 20 may use the components of a general light emitting device chip as it is, and a first conductive nitride semiconductor layer (mainly n-type nitride semiconductor layer (n-GaN)), an active layer, and a first conductive semiconductor layer sequentially formed on the substrate and the substrate.
  • a two-conducting nitride semiconductor layer (mainly a p-type nitride semiconductor layer (p-GaN)).
  • the cross-sectional shape of the LED chip 20 may be rectangular or circular, but is not limited thereto.
  • the substrate may be a substrate such as sapphire (Al 2 O 3 ).
  • Electrodes 10a and 10b are provided on surfaces of each of the first conductivity type nitride semiconductor layer and the second conductivity type nitride semiconductor layer exposed under the LED chip 20.
  • the electrodes 10a and 10b are preferably formed of laminated metal pads such as Cr, Ni, and Au, and may be adhered to the LED chip surface by a transparent adhesive.
  • the surface layer 30 may cover the outer surface of the LED chip 20, but may cover the side surface of the LED chip 20.
  • the surface layer 30 is preferably a thickness of 0.05 ⁇ 1mm. If the thickness is less than 0.05mm, there is a risk of breakage due to the thin thickness, if the thickness exceeds 1mm, light conversion efficiency may be lowered.
  • the surface layer 30 may be formed with one groove, but two or more grooves may be formed at regular intervals in order to increase the strength of the glass. More preferably, three grooves are formed to increase the area of the surface layer, whereby the strength can be improved.
  • the number of grooves is two or more, each surface layer can be bonded to the LED chip by cutting the surface layer. As shown in FIG. 2, when a surface layer having three grooves is used without cutting, three LED chips may be bonded to each groove of the surface layer.
  • the surface layer 30 is formed by dispersing phosphor in glass.
  • the glass is one in which a low melting glass frit is melted, and the molten low melting glass is filled between the high melting glass frits.
  • the low melting glass frit is melted in the firing process into a glass state, and the high melting glass frit remains in the frit state without melting in the firing process.
  • Such a glass form can minimize the warping phenomenon while the glass shrinks rapidly by maintaining the shape of the high melting point glass frit, and can prevent curling.
  • strength of glass can be improved more.
  • the low melting glass frit has a temperature of about 500 to 800 ° C. in the firing operation, and may include a glass component including alkaline earth metal oxides (MgO, CrO, BaO), but is not limited thereto.
  • a glass component including alkaline earth metal oxides (MgO, CrO, BaO) but is not limited thereto.
  • the high melting point glass frit may be a glass having a temperature of about 800 ° C. or more in a calcination operation, and more specifically, it may include a borosilicate-based component which is borosilicate.
  • the borosilicate-based component may be applied at a high melting point, has strength and durability, and may be used alone or in combination of two or more kinds of calcium aluminum borosilicate and calcium sodium borosilicate.
  • the content of the high melting glass frit is preferably 50 to 90% based on the total vol% of the glass frit.
  • the content of the high melting glass frit is less than 50%, the content of the high melting glass frit becomes relatively low compared to the content of the low melting glass frit, so that the properties of the glass are determined by the low melting glass frit. That is, as the low melting glass frit is melted in the firing step, the glass may shrink sharply and curling may occur.
  • the content of the high melting glass frit exceeds 90%, densification by the low melting glass frit may be insufficient.
  • the phosphor may be YAG (yttrium aluminum garnet), TAG (Terbium aluminum garnet), silicate, oxide, nitride and sulfide.
  • the YAG-based phosphor improves temperature stability and brightness, and may be used by doping rare earth elements such as neodymium (Nd) and europium (Eu).
  • the TAG-based phosphor may use Tb 3 Al 5 O 12 doped with cerium (Ce).
  • the silicate system is a compound formed by combining one or more metal oxides with silica (SiO 2 ), and calcium silicate and magnesium silicate may be used. Zinc oxide or the like may be used as the oxide-based phosphor having excellent thermal stability.
  • nitride-based phosphor europium-doped calcium silicon nitride (CaSiN 2 ) or the like may be used.
  • the nitride-based phosphor has a relatively red color and has high color reproducibility and stability to temperature. Therefore, since the probability of discoloration of the phosphor by heat is low, there is an advantage that the failure rate of the LED package is low.
  • Europium-doped strontium sulfide (SrS) or the like may be used as the sulfide-based phosphor.
  • the phosphor may be mixed in an amount of about 5 to 50 vol% with respect to 100 vol% of the slurry, but the content of the phosphor is not limited thereto and may be adjusted in consideration of color conversion degree, color coordinate, color temperature, color rendering index (CRI), and the like. have.
  • the phosphor may be selected according to the wavelength of light emitted from the LED chip 20 to allow the LED package to implement white light. For example, when blue light is emitted from an LED chip and the phosphor is yellow, the yellow phosphor may be excited by blue light to emit yellow light, and the emitted blue may be mixed with the excited yellow light, thereby causing an LED package. Can provide white light.
  • the surface layer 30 covers not only the upper surface of the LED chip 20 but also the side surface, it is possible to prevent color unevenness in which the chromaticity of light is changed and maintain a uniform chromaticity.
  • the number of grooves formed in the surface layer is 2 or more, the area of the surface layer increases, and the strength of glass is improved.
  • FIG. 3 is a flowchart illustrating a method of manufacturing an LED package according to an embodiment of the present invention.
  • Glass green sheets are produced by a tape casting method from slurries containing low and high melting glass frits, binders, and solvents.
  • the tape casting method is a method in which a slurry is injected into a container device, processed to a predetermined thickness using a doctor blade, and then dried to produce a green sheet. Since the processing is performed before the firing using the green sheet, precision processing is possible, thereby improving productivity and minimizing the processing loss compared to performing grinding and cutting in the fired glass state. .
  • the slurry may be prepared with low melting point and high melting point glass frit 60 to 90%, binder 5 to 20%, solvent, 5 to 20% with respect to 100vol% of the slurry, but is not limited thereto.
  • the description of the low melting point and high melting point glass frit may be as described in the LED package description above.
  • the binder it is preferable to use PVB (Polyvinyl Butyral) and an acrylic binder having excellent volatility.
  • the solvent serves to adjust the viscosity of the binder, and may be used alone or in combination of two or more of an alcohol solvent, a ketone solvent, and the like. The solvent is removed by volatilization in the drying process.
  • the method may further include stacking the glass green sheets.
  • One glass green sheet formed in consideration of the thickness of the color conversion material to be manufactured may be formed, or the glass green sheet may be cut and laminated to the same width, but is not limited thereto. Thereafter, the laminated sheet may be compressed, and the compressed sheet is reduced to a thickness of about 15% or less, and after being fired, is formed into one monolithic. At this time, the monolith shrinks to about 15-25% in the width direction and shrinks to about 10% or less in the thickness direction.
  • the high melting point glass frit By maintaining the shape of the high melting point glass frit during firing, it is possible to control the shrinkage of the glass rapidly and to minimize the occurrence of distortion. As the low melting glass frit melts during firing, the pores may be filled by densification. For this reason, the high melting glass frit may not be visible to the naked eye, and may exhibit transparency of the glass.
  • the firing temperature is less than the softening temperature of the low melting glass frit, the compactness of the fired body may be insufficient, leading to a decrease in strength and transmittance of the glass as the porosity increases.
  • the firing temperature is higher than the softening temperature of the high melting glass frit, the phosphor powder may deteriorate or the glass may be warped.
  • the glass firing temperature may be approximately 500 ⁇ 800 °C.
  • the time to perform the firing may be about 10 to 100 minutes, but is not limited thereto.
  • the fired body may perform sand blasting or acid etching using a mask. Referring to FIG. 1, a groove may be formed on the surface of the fired body exposed by the mask.
  • Sand blasting and acid corrosion are processing methods of surface treatment.
  • sand blasting sand, alumina, silicon carbide and other ceramic powders are sprayed to scrape the surface layer to smooth the surface of the fired body, and in the case of acid corrosion, it is desired to remove unnecessary parts on the fired body surface. You can get a look.
  • the fired body is preferably formed to have a size that can cover the outer surface of the LED chip, and a thickness that can protect the LED chip.
  • One groove may be formed, but two or more grooves are preferably formed to improve the strength of the surface layer formed of glass. As the number of grooves increases, the area of the surface layer increases, so that the strength of the glass can be further increased. More preferably, three or more grooves may be formed at regular intervals as shown in FIG. 2. When the number of the grooves is two or more, the protruding portions between the grooves and the grooves may be cut and used as one surface layer, respectively, but the LED chips may be bonded to the plurality of grooves by themselves without a cutting process.
  • the LED chip 20 including a substrate and a first conductivity type nitride semiconductor layer, an active layer and a second conductivity type nitride semiconductor layer sequentially formed in the groove, and exposed to the upper portion of the LED chip 20 Bonding the substrate to be inserted into the groove first.
  • each of the n-type nitride semiconductor layer and the p-type nitride semiconductor layer exposed to the lower portion of the LED chip 20 is inserted into the groove and joined.
  • the outer surface of the LED chip may be covered with a surface layer 30 including a glass frit and phosphor.
  • the surface layer 30 is preferably a thickness of 0.05 ⁇ 1mm that can protect the LED chip 20.
  • the bonding may be performed by only physical contact using a non-conductive adhesive (NCA), and may be bonded by mechanical contact through interference bonding.
  • NCA non-conductive adhesive
  • the interference fit is that the LED chip 20 is inserted into the groove and slide.
  • the groove has a shape larger than that of the LED chip, and the width of the groove becomes narrower as it moves away from the groove entrance.
  • workability can be improved by using a tape casting method, sand blasting and acid corrosion.
  • a tape casting method sand blasting and acid corrosion.
  • by forming the grooves after firing it is possible to produce a surface layer of a desired thickness and shape, it is possible to improve the high temperature reliability by using a low melting point and a high melting point glass frit for the surface layer.
  • LED chip scale package including the color conversion material using the glass frit and the manufacturing method thereof are as follows.
  • glass frit mixed with 20 vol% of low melting glass frit containing alkaline earth metal oxide and 70 vol% of high melting glass frit containing borosilicate component, phosphor powder (Y 3 (Al, Gd) 5 O 12 : Ce 2+ ) 10 vol%, binder PVB 10 vol%, a solvent was prepared by mixing 10 vol% alcohol.
  • the glass green sheet was formed by the tape casting method, the glass green sheet was baked at about 800 ° C. to form a fired body. After forming a groove on the surface of the fired body by using a mask and sand blasting by sand blasting, a surface layer having a thickness of 1 mm was prepared.
  • a surface layer was prepared under the same conditions as in Example 1 except that the content of the low melting glass frit was 50% and the content of the high melting glass frit was 50%.
  • a surface layer was prepared under the same conditions as in Example 1 except that the content of the low melting glass frit was 10% and the content of the high melting glass frit was 90%.
  • a surface layer was prepared under the same conditions as in Example 1 except that the surface layer thickness was 0.05 mm.
  • the surface layer was manufactured under the same conditions as in Example 1 except that three grooves were formed in the surface layer.
  • a surface layer was prepared under the same conditions as in Example 1 except that no high melting glass frit was used.
  • a surface layer was prepared under the same conditions as in Example 1 except that the content of the high melting glass frit was 10% and the content of the low melting glass frit was 90%.
  • a surface layer was prepared under the same conditions as in Example 1 except that the content of the high melting glass frit was 30% and the content of the low melting glass frit was 70%.
  • a surface layer was prepared under the same conditions as in Example 1 except that the surface layer thickness was 3 mm.
  • the prepared specimens were measured for transmittance of 450 nm using the transmittance equipment.
  • the prepared specimens were measured for light efficiency values at a wavelength of 440 nm (wavelength band in which white light from a mounted blue chip is emitted).
  • the content of the high melting glass frit was 50 to 90 vol%, and the vitrification was well performed without distortion after firing, and relatively excellent transmittance and light efficiency were measured.
  • Comparative Example 1 when the high melting glass frit was not added, distortion occurred in the firing process, and the transmittance was not good.
  • the content of the high melting glass frit is 30 vol% or less, it can be seen that the distortion occurs and vitrification is not good.
  • the surface layer was so thick that the light efficiency was relatively low.

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Abstract

본 발명은 저융점 및 고융점 유리 프릿을 활용한 색변환 소재를 통해 열에 의한 변색을 방지할 수 있는 LED 패키지 및 그 제조 방법에 대하여 개시한다. 본 발명에 따른 유리 프릿을 이용한 LED 패키지는 기판과, 상기 기판 상에 순차 형성되는 제1 도전형 질화물 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 질화물 반도체층과, 상기 제1 도전형 질화물 반도체층 및 제2 도전형 질화물 반도체층 각각에 형성되는 전극을 포함하되, 상기 기판이 칩 상부에 위치하고, 각각의 질화물 반도체층이 상기 기판 하부에 위치하는 플립칩(Flip Chip) 형태의 LED 칩; 및 상기 LED 칩의 측면 및 상부면을 덮는 표면층을 포함하고, 상기 표면층은 유리 프릿에 형광체가 분산되어 형성된 것을 특징으로 한다.

Description

유리 프릿을 활용한 색변환 소재를 포함하는 LED 칩 스케일 패키지 및 그 제조방법
본 발명은 유리 프릿을 활용한 LED 패키지 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 플립칩(Flip Chip) 형태의 LED 칩이 적용된 패키지에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 색상 균일도를 유지시킬 수 있는 LED 패키지를 제조하는 방법에 관한 것이다.
반도체 발광소자는 소형화가 가능하면서도 선명한 색의 광을 방출하는 소자로, 각종 표시장치의 광원으로 적극적으로 활용되고 있다.
하지만, 종래의 발광소자는 높은 열 에너지 또는 광 에너지에 의하여, 구성되는 재료가 열화되며, 특히 바인더 수지와 형광체를 혼합하여 사용하는 경우, 발광소자의 발열량이 증가함에 따라, 바인더 수지가 열화 및 변색되는 문제점이 발생하고 있다. 또한, 회로 기판 상부에 LED 칩을 접합시킨 후, 바인더 수지를 도포하여 LED 패키지를 제조하는 경우, 방열성능이 좋지 않은 구조로 인해, 열이 발생하는 문제가 있고, 저항이 매우 높아질 수 있다.
따라서, 상기 발광소자를 장기간 사용하는 경우, 광 효율이 저하되고, 발광소자의 패키지 수명이 감소하게 된다.
본 발명에 관련된 배경기술로는 대한민국 등록특허공보 제10-0646093호(1996.11.14. 공고)가 있으며, 상기 문헌에는 발광소자 패키지가 개시되어 있다.
본 발명의 목적은 고온 신뢰성을 향상시키고, 색상의 균일도를 유지시키기 위해, 색변환 소재를 적용한 LED 패키지를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 작업성 및 광 변환 효율을 향상시킬 수 있는 LED 패키지를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
상기 하나의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 LED 패키지는 기판과, 상기 기판 상에 순차 형성되는 제1 도전형 질화물 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 질화물 반도체층과, 상기 제1 도전형 질화물 반도체층 및 제2 도전형 질화물 반도체층 각각에 형성되는 전극을 포함하되, 상기 기판이 칩 상부에 위치하고, 각각의 질화물 반도체층이 상기 기판 하부에 위치하는 플립칩(Flip Chip) 형태의 LED 칩; 및 상기 LED 칩의 측면 및 상부면을 덮는 표면층을 포함하고, 상기 표면층은 유리에 형광체가 분산되어 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 하나의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 유리는 저융점 유리 프릿이 용융되어, 용융된 저융점 유리가 고융점 유리 프릿 사이로 채워진 것을 특징으로 한다.
상기 다른 하나의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 LED 패키지의 제조 방법은, (a) 저융점 및 고융점 유리 프릿과 형광체를 혼합하여 유리 그린시트를 형성하는 단계; (b) 상기 유리그린시트를 소성하여 소성체를 형성하는 단계; (c) 상기 소성체에 홈을 형성하는 단계; 및 (d) 상기 홈에 플립 칩 형태의 LED 칩을 삽입 결합하는 단계;를 포함하고, 상기 소성은 상기 저융점 유리 프릿의 연화 온도 이상 내지 상기 고융점 유리 프릿의 연화 온도 미만에서 수행되는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 (c) 단계는 마스크를 이용하여, 샌드 블라스팅(sand blasting) 또는 산 부식(acid etching)하는 방법으로 수행될 수 있다.
본 발명에 따른 LED 패키지는 저융점 및 고융점 유리 프릿을 사용함으로써, 소성 단계에서 유리의 급격한 수축을 제어하고, 뒤틀림 발생을 최소화할 수 있다. 또한, 유리 프릿을 활용한 색변환 소재를 사용하여, 내열성이 우수하고 열에 의한 변색을 방지할 수 있으며, 형광체를 사용함으로써, 색상 균일도를 유지시킬 수 있는 효과가 있다.
아울러, 테이프 캐스팅법, 샌드 블라스팅, 산 부식 방법을 사용함으로써, 작업성이 향상되고, 플립칩 형태의 LED 패키지를 제조함으로써, 출광면을 증대시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 홈을 형성하는 단계(S130)를 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 홈을 형성하는 단계를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 LED 패키지의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 LED 패키지를 제조하는 방법을 나타낸 순서도이다.
[부호의 설명]
10a, 10b : 전극
20 : LED 칩
30 : 표면층
S110 : 유리 그린시트 형성 단계
S120 : 소성체 형성 단계
S130 : 홈 형성 단계
S140 : LED 칩 접합 단계
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 명세서에서 어떤 층이 다른 막 또는 기판의 "위"에 있다라고 기재된 경우, 상기 어떤 층이 상기 다른 막 또는 기판의 위에 직접 존재할 수도 있고, 그 사이에 제3의 다른 막이 개재될 수도 있다. 첨부 도면에서, 층 및 영역들의 두께 및 크기는 명세서의 명확성을 위해 과장되게 나타낸 것이다. 따라서, 본 발명의 첨부 도면에 도시된 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되지 않는다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 유리 프릿을 활용한 색변환 소재의 LED 패키지의 적용 및 그 제조 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2를 참조하면, LED 패키지는 LED 칩(20)과 유리 프릿에 형광체가 분산되어 형성되는 표면층(30) 및 전극(10a, 10b)을 포함한다.
상기 LED 칩(20)은 기판 및 기판 상에 순차 형성되는 제1 도전형 질화물 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 질화물 반도체층을 포함하되, 상기 기판이 LED 칩 상부에 위치하고, 각각의 질화물 반도체층이 상기 기판 하부에 위치하는 플립칩(Flip Chip) 형태이다. 상기 플립칩 형태는 와이어 본딩 공정을 생략할 수 있으며, 출광면의 면적을 증대시킬 수 있는 효과를 제공할 수 있고, 특히 본 발명에 따른 LED 패키지에서 LED 칩과 표면층의 접합 면적을 증대시킬 수 있는 장점을 제공한다.
LED 칩(20)은 일반적인 발광소자 칩의 구성 요소를 그대로 이용할 수 있으며, 기판 및 기판 상에 순차 형성된 제1 도전형 질화물 반도체층(주로 n형 질화물 반도체층(n-GaN)), 활성층, 제2 도전형 질화물 반도체층(주로 p형 질화물 반도체층(p-GaN))을 포함한다. LED 칩(20)의 횡단면 형상은 사각형 또는 원형 등일 수 있으며, 이에 한정하는 것은 아니다. 상기 기판은 사파이어(Al2O3)와 같은 기판이 사용될 수 있다.
상기 LED 칩(20) 하부에 노출된 제1 도전형 질화물 반도체층 및 제2 도전형 질화물 반도체층 각각의 표면에 전극(10a, 10b)이 구비된다. 상기 전극(10a, 10b)은 Cr, Ni, Au와 같은 적층 금속패드로 형성되는 것이 바람직하며, 투명 접착제에 의해 LED 칩 표면에 접착될 수 있다.
표면층(30)은 상기 LED 칩(20)의 외부표면을 덮되, 표면의 측면까지 덮을 수 있다. 상기 표면층(30)은 0.05~1mm의 두께인 것이 바람직하다. 상기 두께가 0.05mm 미만일 경우, 얇은 두께로 인해 파손의 위험이 있으며, 두께가 1mm를 초과하는 경우, 광 변환 효율이 저하될 수 있다.
또한, 도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 표면층(30)은 1개의 홈이 형성될 수 있으나, 유리의 강도를 높이기 위해 일정 간격으로 홈이 2개 이상 형성될 수 있다. 보다 바람직하게는 3개의 홈을 형성하여 표면층의 면적이 증가되는 것에 의해, 강도를 향상시킬 수 있다. 홈의 개수가 2 이상인 경우, 표면층을 절단하여 각각의 표면층을 LED칩에 접합할 수 있다. 도 2와 같이, 홈의 개수가 3개인 표면층이 절단 없이 사용되는 경우에는, 표면층의 각각의 홈에 LED칩 3개가 접합될 수 있다.
상기 표면층(30)은 유리에 형광체가 분산되어 형성된다. 상기 유리는 저융점 유리 프릿이 용융되어, 용융된 저융점 유리가 고융점 유리 프릿 사이로 채워진 것이다. 저융점 유리 프릿은 소성 과정에서 용융되어 유리 상태로 되고, 고융점 유리 프릿은 소성 과정에서 용융되지 않고 프릿 상태로 남아있게 된다. 이러한 유리 형태는 고융점 유리 프릿의 형상이 그대로 유지되는 것에 의해, 유리가 급격히 수축하면서 뒤틀리는 현상을 최소화할 수 있으며, 컬링 현상(curling)을 방지할 수 있다. 또한, 유리의 강도를 보다 향상시킬 수 있다.
저융점 유리 프릿은 소성 작업의 온도가 약 500~800℃이고, 알칼리토금속 산화물(MgO, CrO, BaO)을 포함하는 유리 성분을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 고융점 유리 프릿은 소성 작업의 온도가 약 800℃ 이상인 유리가 사용될 수 있으며, 보다 구체적으로는 붕규산염인 보로실리케이트(borosilicate)계 성분을 포함하는 것이 바람직하다. 상기 보로실리케이트계 성분은 고융점에 적용될 수 있고, 강도 및 내구성이 우수한 장점이 있으며, 칼슘 알루미늄 보로실리케이트, 칼슘소듐 보로실리케이트 등을 단독 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다.
상기 고융점 유리 프릿의 함량은 유리 프릿의 전체 vol%에 대해, 50~90%인 것이 바람직하다. 고융점 유리 프릿의 함량이 50% 미만인 경우, 고융점 유리 프릿의 함량이 저융점 유리 프릿의 함량에 비해 상대적으로 낮아지게 되어, 저융점 유리 프릿에 의해 유리의 특성이 결정된다. 즉, 소성 단계에서 저융점 유리 프릿이 용융되면서 유리가 급격히 수축하여 컬링 현상 및 뒤틀림이 발생할 수 있다. 반대로, 고융점 유리 프릿의 함량이 90%를 초과하는 경우, 저융점 유리 프릿에 의한 치밀화가 부족할 수 있다.
상기 형광체는 YAG(yttrium aluminium garnet)계, TAG(Terbium aluminium garnet)계, 실리케이트계, 산화물계, 질화물계 및 황화물계 등이 사용될 수 있다. YAG계 형광체는 온도에 대한 안정성 및 휘도를 향상시키며, 네오디뮴(Nd), 유로퓸(Eu)와 같은 희토류 원소를 도핑하여 사용될 수 있다. TAG계 형광체는 세륨(Ce)으로 도핑된 Tb3Al5O12을 사용할 수 있다. 실리케이트계는 1종 혹은 1종 이상의 금속 산화물과 실리카(SiO2)의 결합에 의해 생긴 화합물로, 칼슘 실리케이트 및 마그네슘 실리케이트 등이 사용될 수 있다. 열적 안정성이 우수한 산화물계 형광체로는 산화아연 등이 사용될 수 있다. 질화물계 형광체는 유로퓸이 도핑된 칼슘실리콘나이트라이드(CaSiN2) 등이 사용될 수 있으며, 상대적으로 붉은색 빛을 띄며, 색재현성 및 온도에 대한 안정성이 높다. 따라서, 열에 의해 형광체가 변색될 확률이 낮기 때문에 LED 패키지의 불량 발생률이 낮은 장점이 있다. 황화물계 형광체로는 유로퓸이 도핑된 스트론튬 설파이드(SrS) 등이 사용될 수 있다.
상기 형광체는 슬러리 100 vol%에 대하여 대략 5~50 vol% 정도 혼합될 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니고 색 변환 정도, 색좌표, 색온도, CRI(color rendering index) 등을 고려하여 그 함량을 조절할 수 있다.
상기 형광체는 LED 칩(20)에서 방출되는 광의 파장에 따라 종류가 선택되어 LED 패키지가 백색광을 구현하도록 할 수 있다. 예를 들어, LED 칩에서 청색이 발광되고 형광체가 황색인 경우, 황색 형광체는 청색 빛에 의해 여기되어 황색 빛을 방출할 수 있으며, 상기 발광된 청색은 상기 여기된 황색 빛과 혼색되어, LED 패키지가 백색 빛을 제공할 수 있다.
상기 표면층(30)은 LED 칩(20)의 상부면 뿐만 아니라 측면까지 덮기 때문에, 광의 색도가 달라지는 색 얼룩 현상을 방지할 수 있으며, 균일한 색도를 유지할 수 있다. 또한, 표면층에 형성되는 홈의 개수를 2이상으로 함에 따라, 표면층의 면적이 증가하여 유리의 강도가 향상된다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 LED 패키지를 제조하는 방법을 나타낸 순서도이다.
먼저, 저융점 및 고융점 유리 프릿과 형광체를 혼합하여 유리 그린시트를 형성하는 단계(S110)이다.
유리 그린시트는 저융점 및 고융점 유리 프릿, 바인더, 용매를 포함하는 슬러리로부터 테이프 캐스팅법에 의해 제조된다. 테이프 캐스팅법은 슬러리를 컨테이너 장치에 주입하여, 닥터 블레이드(doctor blade)를 이용하여 일정한 두께로 가공한 후, 건조시켜 그린 시트(green sheet)를 제조하는 방식이다. 그린 시트를 이용하여 소성 전 상태에서 가공이 수행되기 때문에, 정밀 가공이 가능하여, 소성된 유리상태에서 그라인딩, 커팅 등을 수행하는 것에 비해 생산성을 향상시키며, 가공 손실을 최소화할 수 있는 장점이 있다.
상기 슬러리는 슬러리 100vol%에 대하여, 저융점 및 고융점 유리 프릿이 60~90 %, 바인더 5~20 %, 용매, 5~20 %로 제조될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
저융점 및 고융점 유리 프릿에 대한 설명은 상기 LED 패키지 설명에서 저술한 바와 같을 수 있다. 바인더는 휘발성이 우수한 PVB(Polyvinyl Butyral) 및 아크릴 바인더를 사용하는 것이 바람직하다. 용매는 바인더의 점도를 조절하는 역할을 하며, 알코올계 용매, 케톤계 용매 등을 단독 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다. 용매는 상기 건조 과정에서 휘발되어 제거된다.
(S110) 단계 이후에는, 상기 유리 그린시트를 적층하는 단계를 더 포함할 수 있다.
제조되는 색변환 소재의 두께를 고려하여 상기 형성된 하나의 유리 그린시트를 형성하거나, 상기 유리 그린시트를 동일한 너비로 절단하여 적층할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 이후, 상기 적층된 시트는 압착될 수 있으며, 압착된 시트는 대략 15%이하의 두께로 축소되며, 소성된 후, 하나의 단일체(monolithic)로 형성된다. 이때, 단일체는 폭 방향으로 대략 15-25%로 수축하며, 두께 방향으로 대략 10%이하로 수축된 형태이다.
다음으로, 상기 저융점 유리 프릿의 연화온도 이상 내지 고융점 유리 프릿의 연화온도 미만에서 소성하는 단계(S120)이다.
소성시 고융점 유리 프릿의 형상이 그대로 유지되는 것에 의해, 유리가 급격히 수축하는 것을 제어하고 뒤틀림 발생을 최소화할 수 있다. 소성시 저융점 유리 프릿이 용융되면서 치밀화에 의해 기공을 메울 수 있다. 이로 인해, 고융점 유리 프릿은 육안으로 보이지 않아 유리의 투명성을 나타낼 수 있다.
소성 온도가 상기 저융점 유리 프릿의 연화온도 미만일 경우, 소성체의 치밀성이 부족하여 기공률이 증가함에 따라 유리의 강도 및 투과율 저하를 일으킬 수 있다. 반대로 소성온도가 상기 고융점 유리 프릿의 연화온도 이상일 경우, 형광체 분말이 열화하거나 유리의 뒤틀림이 발생할 수 있다.
상기 유리 소성 온도는 대략 500~800℃일 수 있다. 소성을 수행하는 시간은 대략 10~100분이 될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 소성체를 유리 프릿의 연화점 이상의 온도에서 열처리할 경우, 유리 프릿의 투명성을 잃지 않으면서 강도 및 형상을 확보한 상태이기 때문에, 후술할 홈 형성과정에서 유리하다.
다음으로, 상기 소성체에 홈을 형성하는 단계(S130)이다.
상기 소성체는 마스크를 이용하여 샌드 블라스팅(sand blasting) 또는 산 부식(acid etching)을 수행할 수 있다. 도 1를 참조하면, 상기 마스크에 의해 노출되는 소성체의 표면에 홈을 형성할 수 있다.
샌드 블라스팅 및 산 부식은, 표면처리를 하는 가공 방법이다. 샌드 블라스팅의 경우, 모래, 알루미나, 탄화규소 등의 세라믹 분말 등을 분사하여 표면층을 깎아내어, 소성체의 표면을 매끄럽게 하는 특징이 있으며, 산 부식의 경우, 소성체 표면에 불필요한 부분을 제거함으로써 원하는 모양을 얻을 수 있다.
상기 소성체는 LED 칩의 크기를 고려하여, LED 칩의 외부 표면을 덮을 수 있는 크기와, LED 칩을 보호할 수 있는 두께로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 홈은 1개가 형성될 수도 있으나, 유리로 형성된 표면층의 강도를 향상시키기 위해 2개 이상의 홈이 형성되는 것이 바람직하다. 홈이 많아질수록 표면층의 면적이 커지기 때문에, 유리의 강도를 보다 높일 수 있다. 보다 바람직하게는 도 2에서와 같이 일정간격으로 3개 이상의 홈이 형성될 수 있다. 상기 홈의 개수가 2개 이상인 경우, 홈과 홈 사이의 돌출 부분을 절단하여 1개의 표면층으로 각각 사용될 수도 있으나, 절단 공정 없이 그 자체로 사용하여 복수개의 홈에 LED칩을 접합시킬 수도 있다.
다음으로, 상기 LED 칩을 상기 홈에 삽입하여 결합하는 단계(S140)이다.
상기 홈에 기판 및 기판 상에 순차 형성되는 제1 도전형 질화물 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 질화물 반도체층을 포함하는 LED 칩(20)을 접합하되, 상기 LED 칩(20)의 상부에 노출된 기판이 상기 홈에 먼저 삽입되도록 접합하는 단계이다.
그 다음으로, 상기 LED 칩(20)의 하부에 노출된 n형 질화물 반도체층 및 p형 질화물 반도체층 각각이, 상기 홈에 삽입되어 접합한다. 상기 홈에 LED 칩(20)이 접합되는 단계를 통해, LED 칩의 외부 표면은 유리 프릿 및 형광체를 포함하는 표면층(30)으로 덮일 수 있다. 상기 표면층(30)은 LED 칩(20)을 보호할 수 있는 0.05~1mm의 두께가 바람직하다. 상기 접합은 비전도성 접착제(NCA)를 사용하여 물리적 접촉만으로도 접합할 수 있으며, 억지끼움 결합을 통해 기계적 접촉으로 접합할 수 있다. 상기 억지끼움 결합은 홈에 상기 LED 칩(20)이 삽입되어 슬라이딩 되는 것이다. 상기 홈의 모양은 LED칩의 형태보다 큰 형태를 가지며, 상기 홈 입구에서 멀어질수록 홈의 폭이 좁아지는 형태를 가진다.
본 발명의 경우, 테이프 캐스팅법, 샌드 블라스팅 및 산 부식을 이용함으로써, 작업성을 향상시킬 수 있다. 또한, 소성 후 홈을 형성함으로써, 원하는 두께 및 형태의 표면층을 제조할 수 있으며, 상기 표면층에 저융점 및 고융점 유리 프릿을 사용하여 고온 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
아울러, 플립칩 형태의 LED 패키지를 제조함으로써, 출광면을 증대시킬 수 있는 효과가 있으며, 와이어 본딩 공정 등의 추가적인 연결 구조를 생략할 수 있다.
이와 같이 유리 프릿을 활용한 색변환 소재를 포함하는 LED 칩 스케일 패키지 및 그 제조방법에 대하여 그 구체적인 실시예를 살펴보면 다음과 같다.
1. 표면층의 제조
실시예 1
알칼리 토금속 산화물을 포함하는 저융점 유리 프릿 20 vol%와 보로실리케이트계 성분을 포함하는 고융점 유리 프릿 70 vol%으로 혼합된 유리 프릿 70 vol%, 형광체 분말 (Y3(Al,Gd)5O12:Ce2+) 10 vol%, 바인더 PVB 10 vol%, 용매인 알코올 10 vol%을 혼합하여 슬러리를 제조하였다. 테이프 캐스팅법에 의해 유리 그린시트를 형성한 후, 상기 유리 그린시트를 약 800℃에서 소성하여 소성체를 형성하였다. 상기 소성체의 표면에 홈을 형성하기 위해 마스크를 이용하고 모래를 분사하여 샌드 블라스팅(sand blasting) 수행한 후, 1mm 두께의 표면층을 제조하였다.
실시예 2
저융점 유리 프릿의 함량이 50%, 고융점 유리 프릿의 함량이 50%인 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건으로 표면층을 제조하였다.
실시예 3
저융점 유리 프릿의 함량이 10%, 고융점 유리 프릿의 함량이 90%인 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건으로 표면층을 제조하였다.
실시예 4
표면층 두께 0.05mm인 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건으로 표면층을 제조하였다.
실시예 5
표면층에 홈이 3개가 형성된 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건으로 표면층을 제조하였다.
비교예 1
고융점 유리 프릿을 사용하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건으로 표면층을 제조하였다.
비교예 2
고융점 유리 프릿의 함량이 10%, 저융점 유리 프릿의 함량이 90%인 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건으로 표면층을 제조하였다.
비교예 3
고융점 유리 프릿의 함량이 30%, 저융점 유리 프릿의 함량이 70%인 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건으로 표면층을 제조하였다.
비교예 4
표면층 두께가 3mm인 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건으로 표면층을 제조하였다.
[표 1]
Figure PCTKR2016007280-appb-I000001
2. 물성 평가 방법 및 그 결과
준비된 시편을 투과율 장비를 이용해 450nm의 투과율를 측정하였다.
준비된 시편을 적분구 투과율 장비를 이용하여 파장 440nm(장착된 blue chip에서의 백색광이 발광되는 파장대)에서의 광 효율 값을 측정하였다.
실시예 1~5의 경우, 고융점 유리 프릿의 함량이 50~90 vol%로 소성 후 뒤틀림 없이 유리화가 잘 이루어졌으며, 상대적으로 우수한 투과율 및 광 효율이 측정되었다.
반대로, 비교예 1은 고융점 유리 프릿이 첨가되지 않은 것에 의해, 소성 과정에서 뒤틀림 현상이 발생하였으며, 투과율이 좋지 않았다. 비교예 2~3의 경우, 고융점 유리 프릿의 함량이 30 vol%이하인 것으로 보아 뒤틀림 현상이 발생하고 유리화가 잘 이루어지지 않은 것을 알 수 있다. 비교예 4는 표면층의 두께가 너무 두꺼워서 광효율이 상대적으로 낮았다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (11)

  1. 기판과, 상기 기판 상에 순차 형성되는 제1 도전형 질화물 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 질화물 반도체층과, 상기 제1 도전형 질화물 반도체층 및 제2 도전형 질화물 반도체층 각각에 형성되는 전극을 포함하되, 상기 기판이 칩 상부에 위치하고, 각각의 질화물 반도체층이 상기 기판 하부에 위치하는 플립칩(Flip Chip) 형태의 LED 칩; 및
    상기 LED 칩의 측면 및 상부면을 덮는 표면층;을 포함하고,
    상기 표면층은 유리에 형광체가 분산되어 형성된 것을 특징으로 하는 LED 패키지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 표면층은 일정 간격으로 홈이 2개 이상 형성된 것을 특징으로 하는 LED 패키지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 표면층은 0.05 ~ 1mm의 두께인 것을 특징으로 하는 LED 패키지.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 유리는 저융점 유리 프릿이 용융되어, 용융된 저융점 유리가 고융점 유리 프릿 사이로 채워진 것을 특징으로 하는 유리.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 고융점 유리 프릿의 함량은 유리 프릿의 전체 vol%에 대해, 50~90%인 것을 특징으로 하는 유리.
  6. (a) 저융점 및 고융점 유리 프릿과 형광체를 혼합하여 유리 그린시트를 형성하는 단계;
    (b) 상기 유리 그린시트를 소성하여 소성체를 형성하는 단계;
    (c) 상기 소성체에 홈을 형성하는 단계; 및
    (d) 상기 홈에 플립 칩 형태의 LED 칩을 삽입 결합하는 단계;를 포함하고,
    상기 소성은 상기 저융점 유리 프릿의 연화 온도 이상 내지 상기 고융점 유리 프릿의 연화 온도 미만에서 수행되는 것을 특징으로 하는 LED 패키지의 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 (c) 단계는 마스크를 이용하여, 샌드 블라스팅(sand blasting) 또는 산 부식(acid etching)하는 방식으로 수행되는 것을 특징으로 하는 LED 패키지의 제조 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 유리 그린시트는 테이프 캐스팅법을 수행하여 형성되는 것을 특징으로 하는 LED 패키지의 제조 방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 (b) 단계를 수행하기 전에,
    상기 유리 그린시트를 적층하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 패키지의 제조 방법.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 (c) 단계의 홈은 일정간격으로 2개 이상 형성되는 것을 특징으로 하는 LED 패키지의 제조 방법.
  11. 제6항에 있어서,
    상기 고융점 유리 프릿의 함량은 유리 프릿의 전체 vol%에 대해, 50~90%인 것을 특징으로 하는 LED 패키지의 제조 방법.
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