KR20100093527A - Led package substrate and led package using the same - Google Patents
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Abstract
방열성이 우수하고 나아가 신뢰성, 양산성, 비용 문제를 동시에 해결할 수 있는 LED 패키지 기판을 제공한다. LED 소자(105)의 n극(105a)에 접속되는 n전극(101)과 LED 소자(105)의 p극(105b)에 접속되는 p전극(102)의 간격을 최협부에서 20∼500㎛의 범위 내로 하여 적어도 상기 최협부의 일부 또는 전부에 세라믹(103)을 충전하였다.The company provides LED package boards with excellent heat dissipation and can solve reliability, mass production, and cost issues simultaneously. The distance between the n-electrode 101 connected to the n-pole 105a of the LED element 105 and the p-electrode 102 connected to the p-pole 105b of the LED element 105 is 20-500 µm at the narrowest part. The ceramic 103 was filled in at least one part or all the said narrowest part in the range.
Description
본 발명은 LED 소자를 탑재한 LED 패키지의 기판 및 그것을 사용한 LED 패키지에 관한 것이다.The present invention relates to a substrate of an LED package having an LED element and an LED package using the same.
최근 에너지 절약 관점에서 각 방면에서 다양한 전력 절약 관련 제품의 개발이 이루어지고 있다. 저소비전력인 발광 다이오드, 즉 LED(Light Emitting Diode)도 그와 같은 제품의 하나로서, 특히 청색 LED 소자의 개발 성공에 의해 백색 LED의 생산이 가능하게 됨으로써 이것을 액정 백라이트나 일반 조명에 채용하고자 하는 움직임이 일어나 일부 제품에서는 이미 채용이 시작되었다.Recently, in terms of energy saving, various power saving related products have been developed in each aspect. Low-power light-emitting diodes, or LEDs (Light Emitting Diodes), are one such product. In particular, the success of the development of blue LED devices enables the production of white LEDs, which is a move to adopt them in liquid crystal backlights or general lighting. This happened, and some products had already begun hiring.
이와 같은 백색 LED로서는, 예를 들면 특허문헌 1의 도 1에 포탄형 LED 패키지에 청색 LED 소자를 탑재한 후 형광체를 함유한 수지로 봉지하고, LED 소자의 청색광과, 형광체를 투과하여 여기된 광을 합성하여 백색을 얻는 것이 나타나 있다.As such a white LED, for example, in FIG. 1 of Patent Document 1, a blue LED element is mounted in a shell type LED package, and then encapsulated with a resin containing a phosphor, and the blue light of the LED element and light excited through the phosphor It is shown by synthesizing to obtain white color.
이와 같은 LED 패키지는 이미 세계 표준적인 패키지 형상으로서 확립되어 있으며 양산성·비용면에도 우수하기 때문에 시장에 대량으로 유통되고 있다. 그러나 최근 LED 소자의 출력 증대에 따라 LED 소자에서 발생하는 열량이 대폭 커진 결과, 전술한 것과 같은 포탄형 패키지로는 방열 수준을 따라잡을 수 없어 온도 상승에 의해 발생하는 LED 소자의 발광 효율 저하가 큰 문제가 되고 있다.Such LED packages are already established as world standard package shapes and are widely distributed in the market because of their excellent mass production and cost. However, as the amount of heat generated from the LED device is greatly increased as the output of the LED device increases recently, the shell type package as described above cannot catch up with the heat dissipation level, and thus the luminous efficiency of the LED device caused by the temperature rise is greatly reduced. It is a problem.
이 방열 문제를 해결하기 위해 지금까지 다양하게 개량된 LED 패키지가 제안되었다.To solve this heat dissipation problem, various modified LED packages have been proposed.
예를 들면 특허문헌 2에서는 패키지 재질에 고열전도성 질화알루미늄을 사용하여 질화알루미늄 기판상에 전극 패턴을 인쇄하고 LED 소자의 플립칩 실장에 의해 높은 방열성을 얻는 LED 패키지가 나타나 있다.For example, Patent Document 2 discloses an LED package that uses a high thermal conductivity aluminum nitride as the package material, prints an electrode pattern on an aluminum nitride substrate, and obtains high heat dissipation by flip chip mounting of the LED element.
그러나 상기 LED 패키지에서는 전극 패턴을 인쇄하는 공정이 들어가기 때문에 대량생산성에 어려움이 있고 비용도 증대될 뿐만 아니라 원재료로서 고가의 질화알루미늄을 사용하기 때문에 패키지 가격이 더욱 상승된다는 결점을 가지고 있다. 아울러 작금의 LED 소자를 더욱 고출력화하기 위해서는 질화알루미늄의 열전도율로도 그 방열 능력을 감당하기 힘들어지는 등 개선해야 할 과제는 많다.However, the LED package has a drawback that the price of the package is further increased since the process of printing the electrode pattern has difficulty in mass productivity and the cost is increased, as well as the use of expensive aluminum nitride as a raw material. In addition, in order to increase the output power of the current LED element, there are many problems to be improved, such as the heat dissipation ability of aluminum nitride is difficult to handle.
또 특허문헌 3에서는 기판에 형성한 쓰루홀을 금속으로 충전하여 방열 비어로 하고 LED 소자를 그 위에 플립칩 실장한다는 LED 패키지가 제안되어 있다.Patent Literature 3 also proposes an LED package in which a through hole formed in a substrate is filled with metal to form a heat dissipation via, and the LED element is flip-chip mounted thereon.
이와 같은 LED 패키지에서는 특허문헌 3 중에는 금속의 구체적인 명칭은 기재되어 있지 않지만, 충전 금속으로서 은이나 구리를 사용함으로써 높은 방열성을 얻을 수 있다. 그러나 실제로는 쓰루홀 중에 은이나 구리를 용침(溶浸)시키면 응고 수축에 의해 쓰루홀과 이들 충전 금속이 벗겨지고 최악의 경우에는 충전 금속이 탈락되어 단선된다는 결점이 있다. 이 결점을 해소하기 위해서는 충전 금속의 분말과 유리 분말을 혼합한 금속 페이스트를 사용하여 쓰루홀에 충전한 후 금속 성분의 융점 이하에서 소결 고화시킬 필요가 있다. 그러나 이렇게 하면 금속 성분에 대해 유리 성분을 혼입시키게 되므로 금속 성분이 가진 본래의 열전도성을 발휘할 수 없다. 또 쓰루홀 충전에서는 스크린 인쇄를 사용하는 것이 일반적이지만, 그 경우 양산성이나 제조 비용에 어려움이 생긴다는 문제가 있다.In such an LED package, although the specific name of a metal is not described in patent document 3, high heat dissipation can be obtained by using silver and copper as a filling metal. However, in practice, there is a drawback that, if silver or copper is infiltrated in the through-holes, the through-holes and these filler metals are peeled off by solidification shrinkage, and in the worst case, the filler metals fall off and are disconnected. In order to eliminate this drawback, it is necessary to fill in the through hole using the metal paste which mixed the powder of a filled metal and glass powder, and to sinter and solidify below the melting point of a metal component. However, this results in the incorporation of the glass component with respect to the metal component, so that the original thermal conductivity of the metal component cannot be exhibited. In the through-hole filling, screen printing is generally used, but in this case, there is a problem in that productivity and manufacturing cost are difficult.
또 특허문헌 4에는 구리를 주체로 하는 리드 프레임과 방열용 금속판을 백색 방열 수지를 사이에 두고 일체화한 LED 패키지가 나타나 있다. 이와 같은 LED 패키지는 원료로 저렴한 구리를 사용하고 또한 복잡한 공정을 거치지 않고 제조할 수 있기 때문에 비용면에서 우수할 뿐만 아니라 방열 수지의 열전도율이 충분하면 양호한 방열성도 기대할 수 있다. 그러나 방열 수지의 열전도율은 특허문헌 4 중에도 있는 것처럼 겨우 10W/m·K정도로서 리드 프레임과 방열 금속판의 열전도율과 비교하여 현저하게 낮고, 그 결과 리드 프레임에서 방열 금속판으로의 열이동에 대한 저항이 되어 실제로는 양호한 방열성을 발휘하기 힘들다. 나아가 수지의 저내열성 때문에 LED를 장시간 연속 점등 상태로 사용한 경우, 상기 방열성 문제로 인해 패키지 온도가 상승하여 수지가 열변형 혹은 열화되는 것도 생각된다. 따라서 방열 효율은 좋지만 좁은 전극 갭이 필요하고, 또한 그 간격에 정밀도가 필요한 플립칩 실장은 이 패키지 구조에는 적합하지 않다.Moreover, patent document 4 has shown the LED package which integrated the lead frame which mainly consists of copper, and the metal plate for heat dissipation through white heat dissipation resin. Such an LED package is not only excellent in terms of cost because it uses inexpensive copper as a raw material and can be manufactured without a complicated process, and good heat dissipation can be expected if the heat conductivity of the heat dissipating resin is sufficient. However, the thermal conductivity of the heat-dissipating resin is only about 10 W / m · K as in Patent Document 4, which is remarkably low compared to the thermal conductivity of the lead frame and the heat-dissipating metal plate. As a result, it becomes a resistance to heat transfer from the lead frame to the heat-dissipating metal plate. It is difficult to exhibit good heat dissipation. Furthermore, when the LED is used in a continuous lighting state for a long time because of the low heat resistance of the resin, it is also considered that the package temperature rises due to the heat dissipation problem and the resin is thermally deformed or degraded. Therefore, flip chip mounting, which has good heat dissipation efficiency but requires a narrow electrode gap, and which requires precision in the gap, is not suitable for this package structure.
즉, 도 6(a)에 도시한 것처럼 플립칩 실장에서는 LED 소자(201)의 n극(201a) 및 p극(201b)을 LED 패키지 기판(202)의 n전극(202a) 및 p전극(202b)에 직접 접합하기 때문에 도 6(b)에 도시한 와이어(W)에 의한 와이어 실장에 비해 LED 소자(201)의 발광부(201c)로부터의 열을 LED 패키지 기판(202)을 통해 빼앗기기 쉬워 방열성이 우수하다. 그러나 플립칩 실장에서는 LED 소자(201)의 n극(201a) 및 p극(201b)에 맞춰 n전극(202a), p전극(202b)간의 갭(202c)을 좁힐 필요가 있으며 게다가 그 정밀도가 엄격하게 요구되기 때문에 LED 패키지 기판이 열변형 등에 의해 쉽게 변형, 열화되는 경우에는 플립칩 실장은 적합하지 않다.That is, as shown in FIG. 6A, in the flip chip mounting, the n-
또 특허문헌 4 중에 언급된 수지는 모두 단파장광에 약하여 LED 소자로부터의 광이나 태양광에 의해 황변이나 열화 등을 일으키고, 그 결과 패키지로서의 수명을 저하시키는 등 결점도 많다.In addition, all of the resins mentioned in Patent Document 4 are weak to short wavelength light, causing yellowing and deterioration due to light from the LED element and sunlight, and as a result, there are many disadvantages such as lowering the life of the package.
LED를 일반 조명으로서 보급시키기 위해서는 방열성에 추가하여 신뢰성(내UV성, 내습성 등의 내후성이나 내열성, 기계적 강도 등), 양산성, 비용을 동시에 만족할 필요가 있다. 그러나 상술한 것처럼 방열성을 중시하여 개량한 결과 신뢰성이나 양산성, 비용면에서 열화되는 등 상기 4요소 전부에 착안하여 개선한 LED 패키지는 눈에 띄지 않는다.In order to spread LED as general lighting, it is necessary to satisfy reliability (weather resistance such as UV resistance, moisture resistance, heat resistance, mechanical strength, etc.), mass production, and cost in addition to heat dissipation. However, the LED package improved by focusing on all four elements such as deterioration in reliability, mass production, and cost as a result of improving the heat dissipation as mentioned above is not noticeable.
본 발명이 해결하려고 하는 과제는 방열성이 우수하고 또 신뢰성, 양산성, 비용의 문제를 동시에 해결할 수 있는 LED 패키지 기판 및 그것을 사용한 LED 패키지를 제공하는 데 있다.The problem to be solved by the present invention is to provide an LED package substrate and an LED package using the same that can simultaneously solve the problems of excellent heat dissipation and reliability, mass production, and cost.
상기 과제를 해결하기 위해 본원의 발명자는 전극용 재료로서는 양호한 열전도성을 가지고, 비교적 저렴한 구리를 주체로 하는 금속을 기본으로 하고, 구조용 재료로서는 수지가 아닌 강도 및 내후성이 우수한 세라믹을 사용하고, LED 소자의 실장 방식으로서는 방열에 유리한 플립칩 실장 방식을 전제 조건으로 그 패키지 구조에 대해서 검토하였다. 그 결과, 플립칩 실장 가능한 좁은 전극 간격을 가진 전극쌍(n전극 및 p전극)에서 그 전극쌍 사이에 세라믹을 충전함으로써 여러 가지 과제를 해결할 수 있다는 것을 발견하고, 나아가 응용 전개를 추가한 결과 최종적으로 방열성이 우수하고 또 신뢰성, 양산성, 비용 문제를 동시에 해결한 LED 패키지 기판을 발명하기에 이르렀다.MEANS TO SOLVE THE PROBLEM In order to solve the said subject, the inventor of this application uses the ceramic which has favorable thermal conductivity as a material for electrodes, and mainly uses the metal which is comparatively cheap copper, and is excellent in strength and weather resistance rather than resin as a structural material, LED As the device mounting method, the package structure was examined under the flip chip mounting method which is advantageous for heat dissipation. As a result, we found that in the electrode pairs (n electrode and p electrode) with narrow electrode spacing that can be flip-chip mounted, various problems can be solved by filling ceramics between the electrode pairs. This led to the invention of the LED package substrate which has excellent heat dissipation and solves reliability, mass production, and cost problems at the same time.
본 발명의 LED 패키지 기판은 LED 소자를 탑재한 LED 패키지의 기판으로서, LED 소자의 n극에 접속되는 n전극과 LED 소자의 p극에 접속되는 p전극과의 간격이 그 최협부에서 20∼500㎛의 범위 내에 있으며, 적어도 상기 최협부의 일부 또는 전부에 세라믹이 충전되어 있는 것을 특징으로 하는 것이다.The LED package board | substrate of this invention is a board | substrate of the LED package which mounts LED element, and the space | interval of the n electrode connected to the n pole of an LED element, and the p electrode connected to the p pole of an LED element is 20-500 at the narrowest part. It exists in the range of micrometers, and at least one part or all of the said narrowest part is filled with ceramic, It is characterized by the above-mentioned.
이와 같이 n전극과 p전극의 간격을 20∼500㎛로 제한함으로써 LED 소자를 직접 전극상에 플립칩 실장할 수 있게 되어 LED 발열부와 전극과의 거리를 최대한 짧게 할 수 있기 때문에 효율적인 방열을 할 수 있게 된다. 그리고 그 n/p전극간에 세라믹을 충전함으로써 충전한 세라믹의 열적·기계적 안정성에 의해 n/p전극간이 견고하게 유지된다. 그 결과, 전극 간격의 치수가 고정밀도로 유지되어 LED 소자의 초음파 접합 등을 수행하더라도 n전극이나 p전극에 왜곡이나 변형을 일으키지 않는 안정적인 플립칩 실장이 가능해짐과 동시에 열변형, 광열화, 흡습 열화가 없는 신뢰성이 높은 LED 패키지를 얻을 수 있다.Thus, by limiting the distance between the n electrode and the p electrode to 20 ~ 500㎛ the LED element can be directly flip-chip mounted on the electrode, so that the distance between the LED heating portion and the electrode can be as short as possible, so that efficient heat dissipation can be achieved. It becomes possible. The n / p electrodes are firmly held by the thermal and mechanical stability of the filled ceramics by filling the ceramics between the n / p electrodes. As a result, the size of the electrode gap is maintained with high accuracy, and stable flip chip mounting that does not cause distortion or deformation on the n electrode and the p electrode is possible even when ultrasonic bonding of the LED element is performed, and at the same time, thermal deformation, light degradation, and moisture absorption deterioration. A highly reliable LED package can be obtained.
아울러 n/p전극 간격을 20㎛ 미만으로 한 경우 세라믹의 충전이 어려워진다. 반면 n/p전극 간격을 500㎛ 초과로 한 경우 종래의 350㎛각(角) 사이즈의 LED 소자의 플립칩 실장이 불가능해지고, 대형의 1㎜각 사이즈의 LED 소자를 사용한 경우라 해도 LED 소자와 전극을 접합하는 땜납 범프의 LED 소자와의 접촉 면적 혹은 전극과의 접촉 면적이 작아지는 결과 LED 소자에서 전극으로의 전열량(傳熱量)이 저하되어 양호한 방열을 수행할 수 없게 된다.In addition, when the n / p electrode interval is less than 20㎛, it is difficult to charge the ceramic. On the other hand, when the n / p electrode interval is greater than 500 µm, flip chip mounting of conventional 350 µm square size LED elements becomes impossible, and even when a large 1 mm square size LED element is used, As the contact area with the LED elements or the contact areas with the electrodes of the solder bumps joining the electrodes becomes smaller, the amount of heat transfer from the LED elements to the electrodes is lowered, so that good heat dissipation cannot be performed.
본 발명에서 n전극 및 p전극은 리드 프레임에 의해 형성하는 것이 바람직하다. 이로써 n/p전극 간격의 제품간 불균일이 억제되기 때문에 세라믹의 충전 불량이 줄어듬과 동시에 LED 소자의 자동 실장이 용이해진다. 나아가 그 제법에 연속 프레스 가공 등 양산성이 우수한 공정을 채용할 수 있게 되어 양산성, 비용면에서도 우수한 LED 패키지 기판의 제공이 가능해진다.In the present invention, the n electrode and the p electrode are preferably formed by a lead frame. As a result, non-uniformity between products at n / p electrode intervals is suppressed, thereby reducing the poor filling of the ceramic and at the same time, the automatic mounting of the LED element is facilitated. Furthermore, the manufacturing method can employ | adopt the process which was excellent in mass productivity, such as continuous press work, and can provide the LED package board excellent in mass productivity and cost.
본 발명의 LED 패키지 기판은 방열성이 우수하고 나아가 신뢰성, 양산성, 비용의 문제를 동시에 해결할 수 있어 하이 파워 LED나 조명용 LED용 패키지로서 유용하다.The LED package substrate of the present invention is excellent in heat dissipation and can solve the problems of reliability, mass production, and cost at the same time, and thus is useful as a package for high power LED or lighting LED.
도 1은, 본 발명에 관한 LED 패키지 기판의 제1 실시예를 도시하며, (a)는 그 평면도, (b)는 (a)의 A-A단면도이다.
도 2는, 도 1에 도시한 LED 패키지 기판을 리드 프레임에 의해 형성한 예를 도시한다.
도 3은, 본 발명에 관한 LED 패키지 기판의 제2 실시예를 도시하며, (a)는 그 평면도, (b)는 (a)의 B-B단면도이다.
도 4는, 본 발명에 관한 LED 패키지 기판의 제3 실시예를 도시한 단면도이다.
도 5는, 본 발명에 관한 LED 패키지 기판에 LED 소자를 플립칩 실장한 예를 도시하며, (a)는 그 평면도, (b)는 (a)의 C-C단면도이다.
도 6은, LED 소자가 기판에 실장되는 형태를 도시하며, (a)는 플립칩 실장, (b)는 와이어 실장을 도시한다.1 shows a first embodiment of an LED package substrate according to the present invention, (a) is a plan view thereof, and (b) is an AA sectional view of (a).
FIG. 2 shows an example in which the LED package substrate shown in FIG. 1 is formed of a lead frame.
Fig. 3 shows a second embodiment of the LED package substrate according to the present invention, (a) is a plan view thereof, and (b) is a BB cross-sectional view of (a).
4 is a cross-sectional view showing a third embodiment of the LED package substrate according to the present invention.
Fig. 5 shows an example in which an LED element is flip-chip mounted on the LED package substrate according to the present invention, (a) is a plan view thereof, and (b) is a CC sectional view of (a).
6 shows a form in which an LED element is mounted on a substrate, (a) shows flip chip mounting, and (b) shows wire mounting.
본 발명의 LED 패키지 기판에서 n/p전극간에 세라믹을 충전하는 방법은 그 수단을 불문하고 충전할 수 있으면 되고, 예를 들면 열가소성을 가진 세라믹 그린체를 사용한 인서트 성형이나 아웃서트 성형, 용융 혹은 반용융 상태의 세라믹 원료를 사용한 사출 성형 등에 의해 충전할 수 있다.In the LED package substrate of the present invention, a method of filling ceramics between n / p electrodes may be performed regardless of the means thereof. For example, insert molding or insert molding using a ceramic green body having thermoplasticity, melting or half It can fill by injection molding etc. using the ceramic raw material of a molten state.
또 n전극 및 p전극을 리드 프레임에 의해 형성할 경우, 그 리드 프레임은 프레스 가공, 방전 가공, 식각 등에 의해 제작할 수 있지만 양산성이나 치수 정밀도를 고려한 경우 프레스 가공이 가장 바람직하다.In the case where the n electrode and the p electrode are formed by a lead frame, the lead frame can be produced by press working, electric discharge working, etching, or the like, but press working is most preferable in consideration of mass productivity and dimensional accuracy.
전극 재질은 열전도율이 300W/m·K 이상인 구리 또는 구리 합금으로 하는 것이 바람직하다. 구체적으로는 열전도성 및 신뢰성을 충분히 고려한 경우 구리함유율 99.9% 이상의 무산소 구리계 합금이 바람직하고, 그 중에서도 순도 99.9% 이상의 무산소 구리에 대해 Zr을 0.015∼0.15질량% 첨가한 합금이나 순도 99.9% 이상의 무산소 구리에 대해 Sn을 0.10∼0.15질량% 첨가한 합금이 가장 바람직하다. 이와 같이 전극을 열전도율이 300W/m·K 이상인 구리 또는 구리 합금으로 구성함으로써 유리 성분을 혼입한 금속 페이스트나 질화알루미늄에 비해 큰 열전도율을 얻을 수 있어 높은 방열 효과를 얻을 수 있다. 나아가 금속 페이스트나 질화알루미늄보다 저렴하기 때문에 그 비용을 낮춘 LED 패키지 기판의 제공이 가능해진다.It is preferable that an electrode material is made into copper or a copper alloy whose thermal conductivity is 300 W / m * K or more. Specifically, when sufficient thermal conductivity and reliability are taken into consideration, an oxygen-free copper-based alloy having a copper content of 99.9% or more is preferable. Among these, an alloy containing 0.015 to 0.15% by mass of Zr or an oxygen-free oxygen of 99.9% or more with respect to oxygen-free copper having a purity of 99.9% or more. The alloy which added 0.10-0.15 mass% Sn with respect to copper is the most preferable. Thus, when an electrode is comprised from copper or a copper alloy whose thermal conductivity is 300 W / m * K or more, a large thermal conductivity can be obtained compared with the metal paste and aluminum nitride which mixed the glass component, and high heat dissipation effect can be acquired. Furthermore, since it is cheaper than metal paste or aluminum nitride, it is possible to provide an LED package substrate having a lower cost.
또 본 발명의 LED 패키지 기판의 LED 소자 탑재면에는 n/p전극 사이에 충전하는 세라믹과 동일 재질로 LED 소자의 탑재부를 둘러싸도록 개구 반사부, 이른바 리플렉터를 형성하는 것이 바람직하다. 이 리플렉터의 형성은 세라믹 충전과는 다른 공정으로 수행할 수도 있지만, 그 생산 리드 타임을 고려한 경우 세라믹을 충전할 때에 동시에 형성하는 것이 가장 바람직하다. 아울러 LED 패키지 기판의 강도를 향상시킬 목적으로 LED 패키지 기판의 리플렉터 형성면(LED 소자 탑재면)과 반대면에 절연체로 이루어진 기대(基臺)를 형성해도 좋다. 이 기대의 재질은 절연체라면 무엇이든 상관없지만, 바람직하게는 n/p전극 사이에 충전하는 세라믹과 동일한 재질이 좋고, 특히 n/p전극 사이로의 세라믹 충전, 리플렉터 형성, 기대 형성을 인서트 성형에 의해 동시에 수행하면 생산 리드 타임을 삭감할 수 있어 양산성 향상·비용 삭감의 두 가지 면에서 매우 유효하다. 또 상기 리플렉터의 상부에 상기 리플렉터와는 다른 재질로 이루어진 추가 리플렉터를 장착해도 좋다. 이 추가 리플렉터의 재질은 불문하지만, 예를 들면 알루미늄이나, 표면을 알루미늄 도금 처리 혹은 은도금 처리된 스테인레스, 백색도값이 높은 세라믹 등으로 만들 수 있다.In addition, it is preferable to form an opening reflecting portion, a so-called reflector, on the LED element mounting surface of the LED package substrate of the present invention so as to surround the mounting portion of the LED element with the same material as the ceramic charged between the n / p electrodes. The reflector may be formed by a process different from the ceramic filling, but it is most preferable to simultaneously form the ceramic when the production lead time is taken into consideration. In addition, in order to improve the strength of the LED package substrate, a base made of an insulator may be formed on the surface opposite to the reflector formation surface (LED element mounting surface) of the LED package substrate. The material of the base may be any insulator, but preferably, the same material as that of the ceramic filling between the n / p electrodes is preferable. In particular, the ceramic filling, reflector formation, and base formation between the n / p electrodes are formed by insert molding. Performing at the same time can reduce the production lead time, which is very effective in two aspects: improving mass production and reducing cost. In addition, an additional reflector made of a material different from the reflector may be mounted on the reflector. Regardless of the material of the additional reflector, for example, the surface may be made of aluminum, aluminum plated or silver plated stainless steel, high whiteness ceramic, or the like.
나아가 본 발명에서는 세라믹으로서 소성 온도 1050℃ 이하에서 소성 가능한 세라믹을 사용하여 n/p전극과 세라믹을 직접 접합하여 일체화하는 것이 바람직하다. 이로써 n/p전극 사이가 보다 견고하게 유지됨과 동시에 제조 공정이 간략화되어 저비용으로 신뢰성이 높은 LED 패키지 기판을 제공할 수 있다. 소성 온도 1050℃ 이하로 소성 가능한 세라믹으로서는 소성 온도 600∼960℃ 정도의 붕규산계 유리 혹은 붕규산계 유리에 알루미나, 마그네시아, 황산바륨 중 어느 하나를 40 체적% 이하 혼합한 재료가 가장 바람직하다. 아울러 세라믹 재질에 대해서는 그 목적이나 전극 재질의 열팽창 계수에 따라 적절한 열팽창 계수를 가진 것을 선택할 수 있다. 아울러 직접 접합 방법에 대해서는 수단을 불문하지만, 예를 들면 바인더를 첨가하여 열가소성을 부여한 세라믹 그린체를 사용하여 인서트 성형이나 아웃서트 성형을 한 후 탈지, 일체 소성을 수행하는 방법, 세라믹 원료를 용융 혹은 반용융화시켜 사출 성형하여 일체화를 수행하는 방법 등이 있다.Furthermore, in the present invention, it is preferable that the n / p electrode and the ceramic are directly bonded and integrated using a ceramic that can be baked at a firing temperature of 1050 ° C or lower as a ceramic. As a result, the n / p electrodes can be more firmly maintained, and the manufacturing process can be simplified to provide a highly reliable LED package substrate at low cost. As a ceramic which can be baked at a firing temperature of 1050 ° C. or lower, a material obtained by mixing 40% by volume or less of alumina, magnesia, or barium sulfate with borosilicate glass or borosilicate glass having a firing temperature of about 600 to 960 ° C. is most preferred. In addition, the ceramic material can be selected to have an appropriate thermal expansion coefficient according to the purpose or the thermal expansion coefficient of the electrode material. In addition, the direct joining method may be any means, but for example, a method of performing degreasing and integral firing after insert molding or out-insert molding using a ceramic green body imparting thermoplasticity by adding a binder, and melting or Anti-melting, injection molding, and the like to perform integration.
나아가 그 세라믹은 소성후의 백색도가 JIS P8148(JIS 2001년도판)에서 정하는 백색도값으로 70% 이상인 것이 바람직하고, 백색도값이 85% 이상인 것이 보다 바람직하다. 이로써 광반사율을 높일 수 있어 광취출 효율이 높은 LED 패키지 기판을 제공할 수 있다.Furthermore, the ceramic is preferably 70% or more, and more preferably 85% or more in whiteness value determined by JIS P8148 (JIS 2001 edition) after the degree of firing. As a result, the light reflectance can be increased, thereby providing an LED package substrate having high light extraction efficiency.
또 본 발명에서는 n/p전극과 세라믹의 일체화후에 적어도 대기중에 노출되어 있는 n/p전극의 표면에 대해 은 혹은 알루미늄을 기초로 하는 금속에 의해 도금 처리를 하는 것이 바람직하다. 이로써 광반사율을 높일 수 있어 광취출 효율이 높은 LED 패키지 기판의 제공이 가능해짐과 동시에 n/p전극의 표면 산화가 억제되기 때문에 신뢰성이 높은 LED 패키지 기판을 제공할 수 있다. 아울러 n/p전극과 세라믹의 일체화 전에 전술한 도금 처리를 한 경우 일체화할 때의 가열시에 도금 재질과 구리 혹은 구리 합금으로 이루어진 n/p전극과의 화학반응이 발생하여 광반사율의 저하, 나아가 전극 형상의 변화가 발생하여 LED 패키지 기판으로서의 실용성이 저하되기 때문에 일체화 후에 도금 처리를 하는 것이 바람직하다.In the present invention, after the n / p electrode and the ceramic are integrated, it is preferable to perform plating treatment with a metal based on silver or aluminum on at least the surface of the n / p electrode exposed to the atmosphere. As a result, the light reflectance can be increased, thereby providing an LED package substrate having high light extraction efficiency, and at the same time suppressing surface oxidation of the n / p electrode, thereby providing a highly reliable LED package substrate. In addition, when the above-described plating treatment is performed before the n / p electrode and the ceramic are integrated, a chemical reaction between the plating material and the n / p electrode made of copper or copper alloy occurs during the heating at the time of integrating, thereby lowering the light reflectance. Since the change of an electrode shape arises and the utility as an LED package board | substrate falls, it is preferable to perform plating process after integration.
나아가 본 발명에서는 방열성 향상을 위해 n/p전극에 히트 싱크를 열을 전달할 수 있도록 결합, 이른바 열적으로 결합하는 것이 바람직하다. 그 결합 형태로서는 (1) n/p전극의 적어도 한쪽에 히트 싱크를 열적으로 결합하는 형태, (2) n/p전극에 각각 별개의 히트 싱크를 열적으로 결합하는 형태, (3) n/p전극에 절연층을 사이에 두고 하나의 히트 싱크를 열적으로 결합하는 형태 중 어느 하나로 할 수 있다. 상기 (3)에서 사용하는 절연층의 열전도율은 방열 효율을 높이기 위해 300W/m·K 이상이 바람직하고, 이와 같은 절연층용 재료로서는, 예를 들면 절연 처리를 한 그래파이트 씨트나 카본나노튜브 복합 플라스틱 등이 있다. 또 히트 싱크의 설치 위치는 열적으로 결합되어 있으면 그 제한은 없으며, 예를 들면 전극 아우터 리드부나 전극 배면(LED 소자 탑재면과 반대면)에 장치할 수 있다.Furthermore, in the present invention, the heat sink is preferably coupled to the n / p electrode so as to transfer heat to improve heat dissipation. The coupling mode includes (1) thermally coupling a heat sink to at least one of the n / p electrodes, (2) thermally coupling a separate heat sink to the n / p electrodes, and (3) n / p. The heat sink can be thermally coupled to one of the electrodes with an insulating layer interposed therebetween. The thermal conductivity of the insulating layer used in the above (3) is preferably 300 W / m · K or more in order to increase the heat dissipation efficiency. As the insulating layer material, for example, graphite sheet, carbon nanotube composite plastic or the like which has been insulated There is this. In addition, the installation position of a heat sink is not restrict | limited, if it is thermally coupled, For example, it can be mounted in an electrode outer lead part or an electrode back surface (opposite surface to LED element mounting surface).
그리고 전술한 본 발명의 LED 패키지 기판을 기판으로서 사용함으로써 방열성이 우수하고 나아가 신뢰성, 양산성, 비용의 문제를 동시에 해결할 수 있는 LED 패키지를 제공할 수 있다.By using the above-described LED package substrate of the present invention as a substrate, it is possible to provide an LED package which is excellent in heat dissipation and can solve the problems of reliability, mass production, and cost at the same time.
<실시예><Examples>
이하, 본 발명의 실시예를 도면에 기초하여 설명하기로 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[실시예 1]Example 1
도 1은 본 발명에 관한 LED 패키지 기판의 제1 실시예를 도시하며, (a)는 그 평면도, (b)는 (a)의 A-A단면도이다. 아울러 도 1(b)에는 LED 패키지에 탑재된 LED 소자를 확대하여 도시하였다.1 shows a first embodiment of an LED package substrate according to the present invention, (a) is a plan view thereof, and (b) is an A-A cross-sectional view of (a). In addition, Figure 1 (b) shows an enlarged view of the LED device mounted on the LED package.
도 1에 도시한 LED 패키지 기판(100)은 본 발명의 기본형으로서, n전극(101)과 p전극(102)의 전극쌍을 구비하고 그 최협부에 세라믹(103)을 충전한 구조를 가진다.The
이와 같은 LED 패키지 기판(100)은, 도 2에 도시한 것처럼 리드 프레임(104)을 이용하여 제작할 수 있다.Such an
구체적으로는 우선 구리 혹은 300W/m·K 이상의 열전도율을 가진 구리 합금으로 이루어진 금속판을 프레스 가공 등에 의해 가공하여 n전극(101) 및 p전극(102)를 구비한 리드 프레임(104)을 얻는다. 이 때 n전극(101) 및 p전극(102)의 최협부의 간격이 20∼500㎛의 범위 내가 되도록 형성하는데, 최종적으로 최협부의 간격이 20∼500㎛의 범위 내가 되는 것이면, 예를 들면 그 간격을 500㎛ 이상으로 형성한 후 20∼500㎛의 범위 내가 되도록 리드 프레임(104)을 변형시키는 등의 수법을 사용해도 좋다. 또 본 실시예에서는 n/p전극쌍의 최협부가 1군데인 경우의 예만 도시하였으나, 최협부를 2군데 이상 형성하여 여러 개의 LED소자를 탑재할 수 있도록 해도 좋다. 나아가 이 리드 프레임(104)의 n/p전극 최협부에 대해 세라믹(103)을 충전하고 낱개로 개별화하여 LED 패키지 기판으로 한다. 아울러 세라믹의 충전 방법에 대해서는 그 수단을 불문하는데, 예를 들면 아웃서트 성형 등에 의해 충전할 수 있다.Specifically, first, a metal plate made of copper or a copper alloy having a thermal conductivity of 300 W / m · K or more is processed by press working to obtain a
이 LED 패키지 기판(100)에는, 도 1(b)에 도시한 것처럼 LED소자(105)가 플립칩 실장된다. 구체적으로는 LED 패키지 기판(100)의 n극(101)에 LED소자(105)의 n극(105a)이 땜납 범프(106)를 사이에 두고 접속되고, p전극(102)에 LED소자(105)의 p극(105b)이 땜납 범프(106)를 사이에 두고 접속된다. LED소자(105)를 탑재한 LED 패키지의 전체상은 도시되지 않았으나, 평소대로 LED소자(105)를 수지 봉지한 구조를 갖는다.The
아울러 도 1(b)에서 세라믹(103)은 n/p전극 최협부의 중앙부에 충전되어 있는데, 충전 위치는 이에 한정되지 않으며 n/p전극 최협부의 상부, 하부 혹은 전부에 충전해도 좋다. 또 n/p전극 최협부의 일부 혹은 전부에 세라믹(103)이 충전되고, 또한 LED소자(105)의 탑재를 저해하지 않는 상태라면 이 n/p전극 최협부를 벗어나 충전해도 좋고 n/p전극 최협부 이외의 n/p전극의 틈에 충전해도 좋다.In addition, although the ceramic 103 is filled in the center part of the n / p electrode narrowest part in FIG. 1 (b), the charging position is not limited to this, You may fill in the upper part, lower part, or all of the n / p electrode narrowest part. If the ceramic 103 is filled in part or the entirety of the n / p electrode narrowest portion, and the mounting of the
[실시예 2][Example 2]
도 3은 본 발명에 관한 LED 패키지 기판의 제2 실시예를 도시하며, (a)는 그 평면도, (b)는 (a)의 B-B단면도이다. 아울러 도 3(b)에는 LED 패키지에 탑재된 LED소자를 아울러 도시하고 있다.Fig. 3 shows a second embodiment of the LED package substrate according to the present invention, (a) is a plan view thereof, and (b) is a B-B cross sectional view of (a). In addition, Figure 3 (b) also shows the LED element mounted in the LED package.
이 실시예는 LED 패키지 기판(100)의 LED 소자(105)의 탑재부를 둘러싸도록 개구 반사부, 즉 리플렉터(107)를 n/p전극 사이에 충전한 세라믹(103)과 동일 재질로 형성하고, 나아가 LED소자(105) 탑재면과 반대면에 세라믹(103)과 동일 재질에 의해 기대(110)를 형성한 것이다.This embodiment is formed of the same material as the ceramic 103 filled with the aperture reflecting portion, that is, the
구체적으로는 우선 구리 혹은 300W/m·K 이상의 열전도율을 가진 구리 합금으로 이루어진 금속판을 프레스 가공 등에 의해 가공하고 n/p전극의 최협부를 20∼500㎛의 범위내에 형성한 전극쌍을 얻는다. 그 후, 이 전극쌍 사이에 1050℃ 이하에서 소성 가능하고 또한 소성후의 백색도를 JIS P8148(JIS 2001년도판)에 의해 정해진 백색도값으로 70% 이상인 세라믹(103)의 그린체를 충전하고, 나아가 세라믹(103)과 동일 재질로 이루어진 세라믹의 그린체를 사용하여 LED 탑재부를 둘러싸도록 반사면(107a)을 가진 리플렉터(107)를 형성한다. 이 리플렉터(107)의 반사면(107a)은 그 목적에 따라 임의의 경사각 및 형상으로 형성할 수 있다. 나아가 LED소자(105) 탑재면과는 반대면에 세라믹(103)과 동일 재질로 이루어진 기대(110)를 형성한다. 아울러 이 기대에는 필요에 따라 n/p전극과 히트 싱크를 접합하기 위한 개구부(111)를 형성할 수 있다.Specifically, first, a metal plate made of copper or a copper alloy having a thermal conductivity of 300 W / m · K or more is processed by press working to obtain an electrode pair in which the narrowest portion of the n / p electrode is formed within a range of 20 to 500 µm. Thereafter, the green body of the ceramic 103 is filled between the electrode pairs at a temperature of 1050 ° C. or lower and 70% or more at a whiteness value determined by JIS P8148 (JIS 2001 edition). A
이와 같이 하여 얻어진 LED 패키지 기판 전구체를 탈지·소결후 노출되어 있는 n전극(101) 및 p전극(102)의 표면에 대해 은 혹은 알루미늄의 도금 처리를 하여 LED 패키지 기판(100)으로 한다. 아울러 소결할 때에는 세라믹의 수축 균열을 방지할 목적으로 하중을 가하면서 소결하는 무수축 소결법을 채용해도 좋다. 또 도금 처리시에는 광택성이나 경도 등을 높일 목적으로 최적의 하지(下地) 도금을 수행한 후에 마무리 은도금 혹은 알루미늄 도금을 해도 좋다.The LED package substrate precursor thus obtained is plated with silver or aluminum on the surfaces of the n-
[실시예 3]Example 3
도 4는 본 발명에 관한 LED 패키지 기판의 제3 실시예를 도시한 단면도이다.4 is a cross-sectional view showing a third embodiment of the LED package substrate according to the present invention.
이 실시예는 방열성을 더욱 향상시키기 위해 LED 패키지 기판의 n/p전극에 히트 싱크를 열적으로 결합한 것이다.This embodiment thermally couples a heat sink to the n / p electrode of the LED package substrate to further improve heat dissipation.
도 4(a)의 예는 히트 싱크(108a)를 p전극(102)의 하면(LED 소자 탑재면과 반대면)에 직접 접합한 것이다. 그 접합 방법은 전극과 히트 싱크가 열적에 결합되는 형태라면 어떠한 방법이어도 좋고, 예를 들면 레이저 용접이나 납땜 등의 용접법이나 고열전도성의 접착제를 사용한 접착법 등이 있다.In the example of FIG. 4A, the
도 4(b)의 예는 히트 싱크(108b)를 n전극(101)의 하면에, 히트 싱크(108c)를 p전극(102)의 하면에 각각 직접 접합한 것이다. 그 접합 방법으로서는 전술한 것 처럼 용접법이나 접착법 등을 사용할 수 있다.In the example of FIG. 4B, the
도 4(c)의 예는 히트 싱크(108d)를 n전극(101) 및 p전극(102)의 하면에 대해 300W/m·K 이상의 열전도율을 가진 절연층(109)을 사이에 두고 접합한 것이다. n/p전극, 절연층 및 히트 싱크의 접합은 열적으로 결합되는 형태라면 어떠한 방법이어도 좋고, 예를 들면 초음파 용접법이나 고열전도성 접착제를 사용한 접착법 등이 있다.In the example of FIG. 4C, the
이와 같이 하여 얻어진 LED 패키지 기판(100)은, 도 5에 도시한 것처럼 LED소자(105)가 플립칩 실장되었을 때 최대의 효과를 발휘하고, 발생한 열은 도면 중의 화살표의 경로를 따라 효율적으로 히트 싱크(108b),(108c)에 전달된다. 아울러 플립칩 실장의 구체적인 형태는 도 1(b)에 설명한 바와 같다.The
또 LED 소자(105)에서 발생한 광은 도금 처리된 n/p전극(101),(102)의 표면, 백색도 70% 이상을 가진 세라믹(103)의 표면 및 리플렉터(107)의 반사면(107a)에 의해 효율적으로 반사되어 광취출 효율이 좋은 LED 패키지 기판이 된다. 또 LED 패키지 기판(100)을 금속 및 세라믹으로 구성함으로써 LED 소자(105)의 실장시의 n/p전극(101),(102)의 비뚤어짐이나 변형이 억제되고, 나아가 LED 소자(105)에서 발생하는 열에 의한 변형, 단파장광에 의한 열화나 대기중 습도에 의한 열화가 없는, 신뢰성이 매우 높은 LED 패키지 기판으로 할 수 있다. 또 도 2에 설명한 것처럼 리드 프레임 방식을 채용할 수 있기 때문에 연속 프레스 가공 등 양산성이 우수한 제법의 채용이 가능해져 비용면에서도 매우 유용하다.In addition, the light generated from the
도면에는 도시되지 않았으나, 이와 같이 하여 얻어진 LED 패키지 기판(100)에 대해 LED 소자(105)를 플립칩 실장하고 형광체를 혼합한 실리콘 수지에 의해 LED소자(105)를 봉지하여 LED 패키지로 하였다.Although not shown in the figure, the
[실시예 4]Example 4
본 발명의 LED 패키지 기판과 종래의 LED 패키지 기판의 비교로서, (X) 도 5에 도시된 LED 패키지 기판으로서, 전극(101) 및 (102)가 열전도율 394W/m·K를 가진 구리로 이루어지고, 또한 세라믹(103)이 85%의 백색도를 가진 것, (Y) 도 6(a)에 도시된 LED 패키지 기판으로서, 기판(202)의 재질이 열전도율 170W/m·K 또한 35%의 백색도를 가진 질화알루미늄, 전극(202a) 및 (202b)가 유리 성분 30 질량%를 함유한 은으로 이루어진 것, (Z) 도 6(b)에 도시된 LED 패키지 기판으로서, 기판(202)의 재질이 열전도율 170W/m·K 또한 35%의 백색도를 가진 질화알루미늄으로 이루어진 것,의 3종류에 대해서 사이즈 10㎜각, 구리 전극 두께 0.3㎜, 은전극 두께 10㎛, 질화알루미늄 기판 두께 0.3㎜로 시작(試作)하였다. 단 (X), (Y), (Z)의 비교가 공평해지도록 하기 위해, 도면에는 도시되지 않았으나 (Y) 및 (Z)의 하부에 (X)의 히트 싱크(108b) 및 (108c)와 동일 형상 또한 동일 재질로 이루어진 히트 싱크를 장착했다. 또 도 5에 도시된 리플렉터(107)는 이것을 장착하지 않았다. 또 LED 소자 표면의 온도를 측정하기 위해 수지에 의한 LED 소자의 봉지는 수행하지 않았다. 나아가 (X) 및 (Y)는 플립칩 실장, (Z)는 와이어 실장으로 동일 종류·동일 사이즈의 LED 소자를 탑재하고 20mA의 전류를 투입하여 발광 시험을 하고, 서모그래피에 의해 LED 소자의 표면 온도를 측정하였다. LED 소자의 표면 온도가 일정해졌을 때의 각각의 LED 소자 표면 온도를 측정한 결과, (X) 38℃, (Y) 52℃, (Z) 121℃였다. 이 결과는 아레니우스의 법칙으로부터 (X)는 (Y)에 대해 2.6배, 또 (Z)에 대해 315배 긴 수명임을 나타내고, 혹은 따라서 동일 수명으로 설계할 경우, (X)쪽이 LED소자를 보다 고밀도로 실장할 수 있다는 것을 나타내고 있어 본 발명의 우위성이 확인되었다. 또 각각의 광취출 효율에 대해서 적분구(積分球)에 의한 방사속 측정에 의해 비교하였을 때 방사속은 각각 (X) 14.88mW, (Y) 12.78mW, (Z) 10.89mW가 되어 (X)가 가장 높았다.As a comparison between the LED package substrate of the present invention and the conventional LED package substrate, (X) the LED package substrate shown in Fig. 5, wherein the
이상과 같이 본 발명에 관한 LED 패키지 기판을 사용함으로써 LED 패키지의 고방열성화, 고신뢰성화, 양산화 용이, 저비용화가 진행됨으로써 LED 소자를 고밀도로 탑재한 LED 조명 장치 외에 3색의 LED 소자를 화소로서 이용한 LED 컬러TV, USB포트에 접속하여 사용 가능한 소형 프로젝터 등에 적합하게 사용할 수 있고, 나아가 그들 제품의 시장 보급에 크게 기여할 수 있기 때문에 그 산업상 이용가치는 매우 크다.As described above, by using the LED package substrate according to the present invention, high heat dissipation, high reliability, easy mass production, and low cost of the LED package are progressed, and in addition to the LED lighting device in which the LED elements are mounted at a high density, three color LED elements are used as pixels. It can be used suitably for small projectors that can be used by connecting to LED color TVs and USB ports, and furthermore, it can greatly contribute to the market spread of their products.
100 LED패키지 기판 101 n전극
102 p전극 103 세라믹
104 리드 프레임 105 LED 소자
105a n극 105b p극
106 땜납 범프 107 리플렉터(개구 반사부)
107a 반사면 108a∼108d 히트 싱크
109 절연층 110 기대
111 개구부 201 LED 소자
201a n극 201b p극
201c 발광부 202 LED 패키지 기판
202a n전극 202b p전극
202c 전극 갭100 LED package board 101 n electrode
102 p-
104
105a n-
106
107a
109
111
201a n-
201c
202a n electrode 202b p electrode
202c electrode gap
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
WITN | Withdrawal due to no request for examination |