고출력 LED 패키징기술의현황 신무환 서론최근들어발광다이오드를이용한조명시장산업의발전이가시화되면서이의기술적선점을위한국가간기업간의경쟁이날로뜨거워지고있는추세이다. 모든기술이그렇듯이이러한 LED 기술역시기술장벽과원천적핵심기술들이존재하며그중에중요한하나가바로패키징기술이라할수있다. 본글에서는이러한 LED 패키징기술에서도가장중요시되고있는여러기술에대한현황및향후전망에대하여논하고자한다. 발광다이오드 (LED) 는크게 SMD타입과램프타입으로구분된다. 램프타입의경우주로투명한몰드 (mold) 로싸여져있으며내부에 LED칩이들어있다. 표면실장소자 (Surface Mount Device) 는부품의다리를인쇄회로기판 (PCB) 의구멍에끼워서납땜하지않고부품을회로기판에얹어놓은상태로납땜하여사용한다. 따라서 SMD타입 LED는소형화가가능해주로휴대폰등모바일기기에사용되고있다. Lens 그림 1. SMD 형 LED 패키지의구조. GaN chip SiC substrate 접착제 Slug- 방열부속품 LED 패키지구성요소 그림 2. LED 칩의구조. LED 패키지는크게칩, 접착제, 봉지재, 형광체및방열부속품등으로구성되어있다. LED 칩은빛이발생하는부분으로기본적으로옆의그림과같이되어있고 p-n 접합구조를가지고있어전류의흐름에따라여분의전자와정공이발광성재결합에의해빛이발생한다. 접착제는 LED 패키지에서각물질들간의접착에주로사용한다. 주요기능은칩과패키지, 패키지와기판또는기판과히트싱크등의면과의기계적접촉, 기판이나패키지와의전기전도, 열방출이다. 금속을이용한 LED 칩의접착은합금을이용한솔더링공정을이용한다. 최근상용화되는 LED 칩용접착제는대부분에폭시계열의고분자접착제가사용되고있다. 봉지재의경우는기본적으로 LED 칩을보호하고빛을투과시켜 저자약력 신무환박사는 1991 년 ( 미 ) North Carolina State University 에서재료공학박사를취득하였고, 현재명지대학교교수로재직중이다. 현재, LED 반도체조명학회총무이사및대학산업기술지원단경기지단장, (EU)THERMINICS 운영위원으로활동중이다. (mwshin@mju.ac.kr) 외부로빛을방출시키는기능을하고있다. LED 봉지용수지는에폭시계열과실리콘계열이주류를이루고있다. 최근의고출력 LED 패키지물질로실리콘봉지재가대부분사용되고있다. 실리콘봉지재는기존의에폭시에비하여청색이나자외선에내구성이강하며열적으로나습기에도매우강한면모를보이고있다. LED 형광체는염료, 반도체등의파장변환물질중대표적인것으로, 전자선, X-선, 자외선등의에너지를흡수한후흡수한에너지의일부를가시광선으로방출하는물질을말한다. LED 패키지가백색조명으로성장하는데매우중요한역할을하였다. 형광체를제조하는방법으로는고상법, 기상법, 액상법이있으며, LED용형광체의제조는경제성을이유로대부분고상법을이용한다. 마지막으로 LED 패키지를구성하는요소는방열부속품이다. LED 패키지에서의방열은 LED 패키지의수명과밀접한관련이있기때문에매우중요한요소이다. LED 패키지의방열부속품에는여러가지가있는데, 대표적으로수냉식, 공랭식, TEC를이용한강제대류, 강제전도방식이있고자연대류를이용한 heat sink와 slug가있다. 그림 3은방열부 16 물리학과첨단기술 November 2008
나타났다. [1] LED 패키지역시온도에따른특성변화가심하게나타나고있다. 그림 5에서도나타나듯이정션온도가증가함에따라 LED의효율은감소하게된다. [2] LED의효율감소는 LED 수명저하로이어지기때문에발열문제의해결은소자의신뢰성을제고하는제일중요한요소이다. 패키지요소의연구동향및이슈 그림 3. LED 패키지의방열부속품 (Heat sink). 속품중하나인 heat sink에대한그림이다. 방열설계의중요성 실제로 LED가백열등과형광등을대체하는조명용으로사용되려면광출력을현재보다더많이높여야하는데고출력 LED 의경우, 소비전력이높아발생되는열을해결하기위해방열이필수적이다. 그렇지못하고생성된열을내부에서지속적으로지니게되면소자의온도가상승하여효율적인광방출을저해하게되고열적스트레스에따라수명이급격히저하된다. 미국의한통계자료에의하면전자소자의고장은 55% 정도가온도에의하여, 19% 정도는습도에의하여야기되는것으로그림 4. 전자소자의고장을유발하는요소. LED 패키지기술은 LED의조명화와실용화에초점을맞추고있다. 최근에는패키지요소의연구동향및이슈역시이부분에맞추어활발히진행중에있다. 특히패키지요소중기판, 형광체, 봉지재, 고방열소재부분인 LED 패키지핵심요소의연구가활발히진행중에있다. 기판의경우 LED chip을형성하는매우중요한요소이다. 근래에는생산성향상을위한 4 inch 웨이퍼의양상기술이일반적으로연구되고있으며추후 2014년에는 6 inch 웨이퍼의양산기술이개발될것으로보고있다. 이와더불어 GaN 단결정성장기술과 GaN 웨이퍼의가공기술역시활발히연구중에있으나상용화를위해서는앞으로더많은연구가필요할것으로예상된다. 지금까지는 LED 기판요소의전체적인흐름에대해서알아보았다. 지금부터는 LED 기판에대한연구를보다자세히알아보도록하겠다. 아래의요소들은 LED 기판에대한기술이슈들이다. 활성이온탐색및주입기술 6 inch 사파이어단결정성장및가공기술 GaN 웨이퍼대구경화기술 전위발생을최소화하는성장속도제어기술 a/c 축성장속도제어기술 결정성장유체해석기술 초임계암모니아기술 품질평가기술및유해물질제거기술등이앞으로 LED 기판요소부분에서각광받고있는연구분야이며 LED 상용화를위해반드시필요한기술이다. 특히우리나라의경우 LED 기판및 chip에대해종사하고있는업체는전체의 9% 만차지하고있다. 이는 LED 부품소재의기초가되는부분에연구가얼마나시급한지를단편적으로보여주고있다. 다음으로 LED 패키지부품중중요한부분은형광체이다. LED의경우빛을내는반도체이기때문에 LED의특성은빛으 그림 5. 정션온도에따른 LED 패키지의효율. [1] US Air Force Avionics Integrity Program. [2] J. Park, M.W. Shin, and C.C. Lee, Optics Letters 29, No. 22 (2004). 물리학과첨단기술 November 2008 17
그림 6. 웨어퍼성장과정. 로좌우된다. LED에서의빛은 LED 자체에서나오는파장을그대로이용하는방법이있고두번째로는형광체와같은물질을도포하여원하는빛의색상을만들어내는방법이있다. LED에서발생하는빛의파장만을이용할경우파장대에한계가있어형광체의이용이필수적이다. 특히고체백색조명이휴대폰용디스플레이광원이나, 노트북컴퓨터, 자동차용광원에실용되고있으며, 그용도를일반조명용시장으로점차넓혀가고있는데이러한고체백색조명의성장은형광체의도움이없었다면불가능했을정도로 LED에서의형광체비중은크다. 이러한형광체에대해최근에는어떠한연구가진행되고있는지알아보도록하겠다. 대표적인형광체연구분야는녹색 / 황색형광체기술과적색형광체후보물질및합성기술, 양자점 / 나노 /Glass ceramic 형광체기반기술분야이다. 녹색 / 황색 / 적색형광체개발기술은새로운조성에고신뢰성을갖는적 / 황 / 녹색의마이크로단위의형광체를제조하는데목표를두고있으며 glass ceramic 형광체는조성설계및결정화제어기술그리고효율향상기술에주안점을두고있다. 형광체는광학적으로활성화된원소와활성화된물질을받쳐주는무기물질인호스트로구성되어있다. 이에앞으로는보조활성제농도제어및분포제어기술, 나노입자대량생산공정기술이새로운이슈로부각될것이며, 여기에광미세유체도포및백색광구현기술과형광체 신뢰성평가기술및특성표준화기술도주요기술로본다. 다음으로는 LED 부품에큰비중을차지하고있는봉지재이다. 대표적인 LED 봉지용수지는에폭시계열과실리콘계열이주류를이루고있다. 에폭시수지는주성분인에폭시주제및산무수물, 아민경화제에경화촉진제및첨가제등을배합시켜만든투명한유기고분자이며실리콘봉지재의경우도주제와경화제로나누어져있으며반응후구조는실록산주체인에메틸기와페닐기가적정비율로혼합되어있는구조를나타내고있다. 단파장 LED용봉지재는고출력이고열이많이발생하기때문에고신뢰성의봉지재가필요하다. 핵심봉지재기술로는고내열성봉지재기술, 고열전도성접착제기술, 봉지 / 접착제용고분자합성기술이있다. 보다세부적으로알아보면, 고분자중합및재료블랜드기술 광투과율개선및내열특성향상기술 팽창률 / 흡수율최적화기술 분자구조제어기술 고열전달접착기술등이있으며이러한기술모두봉지재의안정화및신뢰성을향상시키는데그목적이있다. 열적, 광적안정성이떨어질경우형광체를이용한백색 LED의경우그수명이매우짧아열적, 광적으로안정한봉지재의사용이필수적이기때문이다. LED 봉지재의투과율의경우패키지효율및최종제품의신뢰성에직접적인영향을미치기때문에매우중요한봉지재의특성이다. 그림 8은대표적인봉지재의투과율을나타낸그림이다. 굴절률이높은실리콘이제조회사에관계없이 90% 이상의투과율을나타내고있으며같은실리콘계열이라도굴절률이낮은봉지재 (EG6301, TX2335) 가낮은투과율을나타내고있다. 마지막으로고방열소재에대한연구동향및이슈에대한내용이다. 방열소재는방열설계를하는데있어핵심요소이기때문에 LED 패키지에있어서매우중요한요소이다. 방열소재기술은크게두가지로나눌수있다. 소재자체의기술과소재를평가하는기술이다. 소재자체의기술로는고출력 그림 7. 형광체의전자현미경사진. % Transmittance 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 300 400 500 600 700 800 그림 8. 대표적인봉지재의투과율. Wavelength (nm) JCR6175 EG6301 TX2336 IVS2335 DYMAX9617 EPOXY 18 물리학과첨단기술 November 2008
그림 9. 세라믹패키지공정도. 그림 10. LED 패키지칩디자인 ( 논플립칩 ). LED용고방열금속 PCB 기술과고방열복합소재기술그리고하이브리드구조성형기술이여기에속한다. 그리고소재평가기술은계면 / 접합부공정제어기술및측정평가기술등이있다. 세부적인고방열소재기술은 3D 구조형성및도금기술 HDI-Via 형성및 Thin insulator 기술 후막배선응용및고열전도성피막코팅기술 선택적방열구조형성및고방열 filler 기술 Package on Package 지지구조형성기술등이있다. 위의그림 9는최근고방열소재로각광받고있는세라믹패키지공정도이다. 세라믹패키지의경우 chip의팽창계수와비슷하여 delamination 현상이적으며열전도도역시우수하여고방열소재의하나로그연구가활발하다. [3] 계면 / 접합부공정기술은 TIM (Thermal Interface Material) 의기술개발로그연구가활발하다. 방열설계연구동향 LED 패키지에있어방열설계는앞서말한바와같이 LED 패키지의신뢰성을가름하는매우중요한요소이다. 이러한 LED 패키지의방열설계연구는크게 4가지로나누어설명할수있다. 칩본딩에따른열설계 패키지물질에따른열설계 고출력멀티칩위한열설계 주변환경및구동조건을고려한열설계우선칩본딩에따른열설계의경우칩레벨에서의열방출경로를조절하여 LED 패키지의열방출을최대로하는연구가진행중에있다. 칩의형태에따라 epi-up 방식의논플립칩 (non-flip chip) 과 epi-down 방식의플립칩 (flip chip) 으로나누어방열설계가진행되며각각 Au 범프와패드를칩의실장에따라디자인하여열설계를할수있다. 그림 10은칩본딩 ( 논 그림 11. LED 패키지칩디자인 ( 플립칩 ). 플립칩 ) 에따라설계가능한칩디자인을제시한그림이다. 논플립칩의경우플립칩에비하여접합온도가높게나타나고있다. 그이유는논플립칩샘플에서사파이어기판의취약한방열특성이전체패키지의열특성에영향을미쳤기때문이라보고있다. 이에반해플립칩의경우칩들이각각열전도도를갖는열접착물질 (Ag paste) 을통해알루미늄금속기판위에직접실장되기때문에알루미늄금속기판은칩에서발생한열의방출을위한방열판역할과외부전극과의연결을위한 chip on board 역할을한다. 그렇기때문에상대적으로열적특성이우수하다. 그림 11 은플립칩을디자인한그림이다. 이렇듯칩본딩의경우칩의형태및패턴등에따라열설계연구가진행중에있다. 다음은패키지물질에따른열설계연구동향이다. 패키지물질의경우기존의 PPA를대신하여최근에세라믹패키지에대한연구가활발히진행되고있다. 이는세라믹패키지가갖는장점때문인데세라믹패키지의장점으로는기존 PPA에비하여열전도도가 6배정도우수하며열팽창계수가 LED 칩과유사하다. 그렇기때문에해당재료를통해내부에서발생하는열의분산방열및외부에서발생한열로부터내부에 LED 칩을보호할수 [3] Lianqiao Yang, Sun Ho Jang, W. J. Hwang, and Moo Whan Shin, Thermochimica Acta. 455, 95 (2007). 물리학과첨단기술 November 2008 19
Temperature rise ( o C) 120 100 80 60 40 20 θ i :θ 0 =10:1 θ i :θ 0 =1:1 θ i :θ 0 =1:10 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Chip number 그림 12. 칩개수에따른정션온도의변화. 그림 13. 주변온도에따른열저항변화. 있는기능도병행하고있다. 세라믹패키지를활용하기위하여 LTCC(Low Temp. Cofired Ceramic) 기술이응용되고있으며보다우수한방열특성을구현하기위하여 thermal via를설계하고이를조정하여보다양호한열특성을구현하고자노력하고있다. 이와더불어세라믹에 PCB와같은회로구현및여러개의패키지를하나의세라믹보드에집약하는기술도연구중에있다. 다음으로는고출력멀티칩패키지를위한열설계기술이다. 이기술은 LED 패키지가앞으로고출력이요구되고있는시점에서동일패키지내에많은수의칩을집적하여보다고출력을얻기위한연구의일환으로최근연구중에있는연구분야이다. 고출력멀티칩의열설계를위해서칩의수, 칩의배열, 칩의크기등다양한요소들에대해서연구가이루어지고있다. 위의그림 12는칩의수에따른 LED 패키지의정션온도에대한그림이다. 칩의개수에따라정션온도가변화하는것을확인할수있다. [4] 이처럼고출력멀티칩의열설계를위해서다양한연구가진행되고있으며앞으로도보다많은연구가필요하다. 마지막으로주변환경및구동조건에따른열설계기술이다. LED 패키지는경우에따라여러가지주변환경에서작동한다. 그러므로열설계시미리주변환경이 LED 패키지에주는영향을파악해야한다. LED 패키지에영향을주는주변환경은주변온도, 냉각방식 ( 강제대류, 강제전도, 자연대류 ), [5] 계면물질 [6] 과압력등이있다. LED 패키지의냉각방식에따른연구는일정수준정립되어있다. 자연대류를인가하는방식은 JEDEC 51-2에규정되어있다. 주변온도및계면물질과압력 [7] 등도 LED 패키지의열특성에미치는영향이크기때문에앞으로연구가더욱필요한분야이다. 그림 13, 14는지금까지연구된주변온도에따른영향과압력에따른 LED 패키지의열특성변화를나타낸그림이다. 주변환경과함께 LED 패키지에인가되는구동환경역시 LED 패키지의열특성을좌우하는중요한요소이다. 지금까지의 LED 패키지는 DC 모드하에서구동되어왔다. 하지만 LED의응용분 R th (K/W) 18.5 18.0 17.5 17.0 16.5 16.0 15.5 15.0-10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Applied force (kgf) 그림 14. 인가압력에따른열저항변화. 그림 15. LED 패키지의불연속구동모드. No TIM Thermal tape Thermal grease 야가넓어짐에따라 AC 모드에가구동되는 LED 패키지의연구가활발하다. AC 모드에서의 LED 구동은 LED 패키지의응용분야확대뿐만아니라 LED 패키지의열설계에있어서도매우중요한계기가되었다. [8] LED에서열이발생하는원인인전력을조절함 [4] Lan Kim and Moo Whan Shin, IEEE Trans. Component and Packaging Technology 30, No. 4 (2007). [5]Lan Kim, Jong Hwa Choi, Sun Ho Jang, and Moo Whan Shin, Thermochimica Acta. 455, 21 (2007). [6] Lianqiao Yang, Jianzheng Hu, Lan Kim and Moo Whan Shin, Phys. Stat. Sol. (c) 3, 2187 (2006). [7] Lianqiao Yang, Jianzheng Hu, and Moo Whan Shin, Solid State Phenomena 124-126, 483-486 (2007). 20 물리학과첨단기술 November 2008
그림 17. LED 패키지의습기농도분포도. 그림 16. LED 패키지내응력구배 ( 위 ), 마이크로스코프로촬영한박리된 LED 패키지내부사진 ( 아래 ). 으로써보다효율적인열설계가가능하기때문이다. 그림 15는 LED 패키지의불연속구동모드를나타낸그림이다. 시간에따라전류를조절해줄수있기때문에 LED에서발생하는열을최소로할수있다. 아직이분야에대한연구는활발히진행되고있지는않지만앞으로의응용성을고려하였을때매우중요한기술이될것으로사료된다. Thermo-mechanical 분석 LED 패키지에서의 thermo-mechanical 특성은패키지내의 delamination 현상을파악하는주요인자이다. Thermo-mechanical에대한연구는실험과함께시뮬레이션을이용하여진행되고있다. Thermo-mechanical 특성에서는물질의열전도도, 비열, 밀도, 열팽창계수등이영향을미친다. 시뮬레이션을통하여 LED 패키지내에열응집구역과응력밀집구역을확인할수있다. [9] 위의그림 16은 LED 패키지내의응력구배에대한시뮬레이션결과와마이크로스코프로촬영한박리현상에대한사진이다. 리드프레임의외부가장자리에서큰응력이발생하며이는실제 LED 패키지에서보여준결함의영역과일치한다. [10] 이러한연구는실제 LED 패키지를설계하는데있어매우중요한기술이되며 LED 패키지의열설계에있어서도주요인자로작용한다. Thermo-mechanical 연구와함께습기농도분포에대한연구도활발히진행중에있다. 습기농도분포에대한연구도시뮬레이션을통해서이루어지고있는데시뮬레이 션과실험의결과가거의일치하기때문에시뮬레이션을통한 LED패키지의설계가가능하다. 습기농도분포는시간에따른변화로나타내고있다. [11] 시뮬레이션결과칩과리드프레임사이에서의박리를통한습기침투가일어나고있음을그림 17에서보여주고있다. 이러한연구는앞으로 LED 패키지의물질및구조에따라진행될것이며 LED 패키지의열적구조적설계에있어매우중요한기반기술이될것이다. 결 본논문에서는고출력 LED 패키징에대한요소기술들에대한기술적현황및전망에대하여간단히논하였다. 향후 LED 칩의기본을이루는에피성장기술의획기적인기술향상이이루어져광효율의급진적인발전이구현되기까지는필연적으로발생하는발열에대한대책이필수적이며, 이는패키지의수명과신뢰성을결정하는중요인자임에는틀림이없다. 현장에서는이를위하여방열설계를위한원가와제품이추구하는광출력및수명을연계하는결정이선행되어야하며이로부터각제품에맞는열설계가진행되어야할것으로판단된다. 향후방열설계이외에고출력 LED 패키징기술개발을결정하는요소로서는우수한열특성과광특성을동시에갖는봉지재의개발및적용기술, 특허를피할수있는고휘도 / 고신뢰성형광체의개발및적용기술, 우수한열특성을갖는새로운 TIM 물질및패키징재료의개발및적용등으로정리할수있을것이며이들에대한원천적기술개발을위한정부차원의지원이절실하다고할수있다. [8] Lianqiao Yang, Jianzheng Hu and Moo Whan Shin, IEEE Electron Device Letters 29, No.8 (2008). [9] Jianzheng Hu, Lianqiao Yang, and Moo Whan Shin, IEEE Transactions on Device and Materials Reliability 8, No. 2 (2008). [10] JianZheng Hu, Lianqiao Yang, Woong Joon Hwang and Moo Whan Shin, J. Crystal Growth 288, 157 (2006). [11] Jianzheng Hu, Lianqiao Yang, Moo Whan Shin, Microelectronics Journal 38, 148 (2007). 론 물리학과첨단기술 November 2008 21