다이 접합 물질에 따른 LED 패키지의 방열 특성 분석 및 광 효율과 열 전달 효율 개선을 위한 다이 접합 구조의 구현 :Thermal analysis of LED package with different die-bonding materials and Fabrication of die bonding structure to improve optical and heat conduction efficiency

임해동

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자료유형: 학위논문

저자정보: 임해동 (인하대학교, 인하대학교 대학원)

지도교수: 오범환

발행연도: 2014

저작권: 인하대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수6

이 논문의 연구 히스토리 (2)

2014

다이 접합 물질에 따른 LED 패키지의 방열 특성 분석 및 광 효율과 열 전달 효율 개선을 위한 다이 접합 구조의 구현

임해동 일반 2014.01 학위논문

2013

고출력 LED 패키지의 열 전달 개선을 위한 금속-실리콘 병렬 접합 구조의 특성 분석

임해동 , 최봉만 , 이동진 외 3명 한국광학회지 2013.12 학술저널

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단일 칩 고출력 LED (Light Emitting Diode) 패키지가 개발됨에 따라 LED 의 광 효율을 향상시키고, 방열 문제를 해결하기 위한 연구가 다방면으로 진행되고 있다. 본 연구에서는 LED 패키지의 방열 특성과 광학적 특성에 영향을 주는 다이 접착제와 접합 구조에 대하여 분석하고, 다이 접합부에 의한 광 손실의 원인을 파악하여, 이를 개선하기 위한 방법을 제안하고 검증 하였다.

기존 패키지의 설계에 있어서, 다이 접착제의 광학적 특성은 고려 대상이 아니었으나, 본 연구에서 분석한 바에 따르면, 칩에서 방출되는 빛은 다이 접합 공정에서 발생하는 담금 높이에 의해 손실될 수 있음을 확인 하였다. 수평형 칩의 경우, 칩 표면으로 방출 되는 빛은 약 70% 정도이며, 나머지 30 %는 사파이어 옆면으로 방출되기 때문에, 실버 에폭시를 사용하는 경우 실리콘 접착제를 사용한 경우에 비하여 상당한 손실이 발생한다. 하지만 실리콘 접착제는 실버 에폭시에 비하여 열 전도도가 낮아 고출력 LED 의 접합에 사용하기 어렵다. 따라서 본 연구에서는 실버 에폭시의 방열 특성을 유지하면서, 광학적 특성을 개선하기 위하여 두 가지 방법을 제안하고 검증 하였다.

첫 번째 방법은, 기존의 실리콘 접착제를 사용한 칩의 접합부에 열 우회 금속 패턴을 적용하여, 열 전도도가 좋은 금속 패턴을 통해 방열 문제를 해결하는 방법이다. 칩의 하단부 또는 기판의 접합부에 미리 금속 패턴을 형성하고, 기존의 실리콘 접착제를 디스펜싱 하여 칩을 부착하면 광 손실이 없이 방열 특성이 향상된 패키지를 제작할 수 있을 것으로 기대하였다. 방열 특성과 광학적 특성을 확인한 결과, 방열 특성은 전산 모사 결과와 유사한 수치를 보였으며, 측정된 열 저항은 실버 에폭시와 비교하여 약 20 % 증가 하였으나, 광학적 특성은 7.6 % 개선 되었다. 열 저항의 경우, 전산모사 결과와 비교해 보면, 금속 패턴의 최적화를 통해 실버 에폭시 수준으로 제작할 수 있을 것으로 기대한다.

두 번째 방법은, Egg profile 디스펜싱 방법으로, 열 전도도가 좋은 실버 에폭시를 담금 높이가 발생하지 않도록 최소한으로 디스펜싱 하고, 광 특성이 좋은 실리콘 접착제를 추가로 디스펜싱 하여 칩을 부착하는 방법이다. 이러한 방법을 이용하면, 칩 바닥 면은 실버 에폭시를 통해서 방열이 이루어지고, 접착력을 위한 담금 높이는 실리콘 접착제를 통해서 이루어지기 때문에 광 손실이 없이 방열 특성이 향상된 패키지를 제작할 수 있을 것으로 기대하였다. 방열 특성과 광학적 특성을 측정한 결과, 방열 특성은 실버 에폭시와 유사하며 광학적 특성은 개선되었다. 실버 에폭시와 비교하여 열 저항은 0.6 K/W 밖에 차이가 나지 않았으며, 광학적 특성은 5.09 % 개선 되었다. 광학적 특성은 실버 에폭시 디스펜싱 공정에서 일부 담금 높이를 형성하기 때문이며, 디스펜싱 공정의 최적화를 통해서 담금 높이를 최소화 하면 광학적 특성은 더욱 향상될 것으로 기대한다.

본 연구에서 제안하는 방법을 이용하여 제작한 패키지는 실버 에폭시와 유사한 방열 특성을 보이면서 광학적 특성이 개선되었다. 열 저항은 실버 에폭시와 유사하면서 패키지의 광 효율을 5~7 %까지 개선하였으며, 아직 공정 개선의 여지가 남아 있어, 최적화 공정이 수행 된다면, 보다 좋은 효율 개선 효과를 얻을 수 있을 것이다.

Heat dissipation and luminous efficacy has been a serious issue with the development of high power LED package. Generally, the conventional LED is bonded on sub-mount using Ag epoxy or solder. Epoxy provides a low cost solution due to easy handling and good mechanical property. Solder is considered to be a suitable material due to high thermal conductivity. Additionally, die attach material is required to have good stress relaxation and heat conduction.

An optical property of die adhesive hasn’t been considered in design of LED package. However, we demonstrate that the light output of LED chip was affected by immersion height caused by bonding process. In case of Lateral type LED, Light output of top surface of LED is 70% and that of the other surface is 30%. Therefore, improvement of luminous efficacy can be expected by using a transparent adhesive like a silicone. Since thermal conductivity of Silicone adhesive is too low, however, it hasn''t been used for die-bonding of high power LED package. Therefore, we proposed a die-bonding structure of low thermal resistance and high luminous efficacy

The first method is to apply a thermal bypass metal in die-bonding layer. . This structure has advantages in terms of mechanical property, stress relaxation, thermal conduction and optical efficiency. As a result, we demonstrate that the heat generated from the chip is easily dissipated through the metal islands. Area of metal islands is 30 percent of chip area. Although thermal conductivity of silicone die adhesive is 0.2 W/m?K, thermal resistance of silicone-metal island layer is comparable to that of Ag-epoxy bonded LED package. In addition, luminous efficacy of LED package was increased by 7.6%.

The second method is a 2step-dispensing method. This method consists of dispensing of high thermal conductive material and high transparent material. This method does not make the immersion height by Ag epoxy. Therefore, there was no loss of light output compared with silicone adhesive bonded LED package. But, this method was dramatically improved to thermal resistance of LED package.

Thermal resistance of LED package fabricated by proposed methods was similar to that of LED package bonded by Ag epoxy. It will be possible to more improve optical property to 15 % by optimization process.

#LED diebonding

1장. 서론 1
1-1. 연구 배경 1
1-2. 고출력 LED 패키지와 방열의 필요성 10
2장. LED 관련 이론 18
2-1. LED 원리 18
2-2. LED 칩의 구조 및 제작 공정 24
1) 수평형 LED 25
2) 수직형 LED 28
2-3. LED 패키지 제작 공정 및 구조 30
1) LED 패키지 제작 공정 30
2) LED 패키지 구조 33
2-4. 백색 LED 구현 원리 35
1) Color mixing 방법 35
2) Color conversion 방법 36
2-5. LED 패키지 열 전달 이론 37
1) 열 전달 이론 37
2) 열 저항 40
3) LED 모듈의 열 저항 네트워크 41
4) 열 천이 측정 방법 (Thermal Transient Test) 43
2-6. Die bonding 방법의 종류 51
1) 공융 접합 (Eutectic bonding) 방식 51
2) 솔더링 (Soldering) 방식 52
3) 플립칩 (Filp-chip bonding) 방식 53
4) Epoxy die bonding 53
5) 최근 연구 동향 54
3장. LED 패키지 전산모사 57
3-1. LED 칩 광학 구조 모델링 57
3-2. LED 조명 반사컵 설계 59
1) 반사경 설계 기법 [54] 59
2) 칩 표면 광량 분포 변화에 따른 배광 특성 변화 [55] 72
3) 2단 반사컵의 최적 설계 [55] 77
3-3. 다이 본딩 물질에 따른 광학 특성 80
1) 칩 표면 방사 비율 전산모사 81
2) 담금 높이에 따른 광 효율 차이 비교 83
3-4. LED 패키지 방열 특성 전산모사 89
1) 패키지 구조 및 전산모사 조건 90
2) 열 우회 금속 (Thermal bypass metal) 92
3) Egg profile die bonding method 98
4장. 패키지 제작 및 분석 102
4-1. 공정 순서 102
4-2. 패키지 재료 및 특성 105
1) LED 칩 105
2) Substrate 106
3) 다이 접착제 107
4) 봉지재, 형광체 108
4-3. 접착제 토출 및 다이 본딩 (Die bonding) 공정 110
1) 표면 거칠기(Surface Roughness) 측정 결과 110
2) 시린지 니들의 선택 113
3) 다이 본딩 공정 115
4) Egg profile 디스펜싱 118
4-4. 와이어 본딩 (Wire bonding) 공정 120
4-5. 봉지 (Encapsulation) 공정 125
4-6. Thermal Bypass Metal PCB 제작 공정 130
4-7. 열 저항 측정 결과 133
4-8. 광학 특성 측정 결과 139`
5장. 결론 및 요약 143
참고문헌 145

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