백색 LED의 광학적 성능 향상을 위한 레이저 고속 경화에 관한 연구

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

While there is a demand for improved light efficiency and lifespan in white LED packages despite continuous price declines, there is also an increased demand for materials and process technologies to reduce process time and improve yields in order to ensure a competitive price. LED package manufacturing process is divided into die bonding, wire bonding, dispensing, encapsulation and test process. The processes that affects the optical properties of LED packages are dispensing and encapsulation processes. The encapsulation process is the most time-consuming process and it is crucial to the overall performance as both the optical performance and reliability varies with the process conditions.operation life evaluation was improved by 9%.
The encapsulation processes has a variety of curing methods, such as thermal curing method using convection oven, thermal curing method using reflow process, photo-curing method using infrared lamp or UV light source, etc.
The most commonly employed curing method is the curing process using the conduction oven, which this process requires the selection of curing temperature and time according to the properties of phosphor and encapsulant materials, and the curing time takes at least 2 hr to up to 8 hr.
Encapsulant including phosphor particles
is applied using dispensing equipment, and the sedimentation degree of phosphor particles is varied with waiting time and curing time after
encapsulant applying process. The degree of sedimentation and dispersion
is varied by depending on the
encapsulant applying condition
and it cause the problems of differences of optical performance and color coordinate distribution of LED packages.
In this paper, we studied that the optical performance was enhanced and the color coordinate distribution was reduced by improving the phosphor dispersion through the high-speed curing process using infrared laser. The sedimentation rate of the phosphor particles is differed in the encapsulant discharging process, which results in the difference in optical properties of each LED package. High speed curing process using infrared laser was developed to control the sedimentation rate. For the uniform curing of encapsulant, an optical system with flat top beam was designed and homogenizer was manufactured and the high speed curing process was studied by applying the uniform laser beam. Difference in curing reaction according to phosphor type (YAG, Silicate, Nitride) were evaluated, and curing reactions were analyzed by varying the laser power and irradiation time.
DSC analysis equipment was employed to characterize the curing reaction by different laser power. Based on the results of analysis of exothermic reactions, it confirmed that uncuring reaction was reduced as increasing the laser power. FT-IR was used to analyze curing reaction according to laser irradiation time. when the variation of Si-H peak at 2,200 cm-1 analyzed, the complete curing reaction was indicated under the condition of 20W/10Sec.
The white LED packages were fabricated to evaluate the
influence of optical properties (
luminous flux, light spectrum and color coordinate distribution) according to the curing method. When comparing to LED packages fabricated by convection oven method, in LED packages fabricated by laser curing methods, the luminous flux was improved by 6%, color temperature was reduced by 280K, color temperature distribution was decreased by 110K. For the investigation of the effect of curing method in reliability of LED packages, the high temperature(85oC)/high humidity(RH85%) operation test were carried. The fabricated LED packages by laser curing method showed higher reliability(2.8~9%) than fabricated
LED packages by convection oven.

Through high speed laser curing method, the optical performances of white LED packages could be successfully improved by preventing the sedimentation and increasing dispersing of phosphor particles. It is expected that the packaging process can be automated by innovatively reducing the curing process time compared to the existing convection curing process.

국문 초록 (Abstract)

백색 LED 패키지는 지속적인 가격 하락에도 불구하고 광 효율과 수명 향상이 요구되고 있으며, 가격 경쟁력을 확보하기 위해 공정시간 단축 및 수율 향상을 위한 소재 및 공정 기술에 대한 요구가 증대되고 있다. LED 패키지 제조 공정은 크게 다이 본딩, 와이어 본딩, 디스펜싱, 봉지재 경화와 테스트 공정으로 구분된다. 이중 LED 패키지의 광학적 특성에 가장 큰 영향을 미치는 공정은 디스펜싱과 봉지재 경화 공정이다. 봉지재 경화 공정은 패키지 공정 중 가장 많은 시간이 소요되며, 봉지재의 경화 조건에 따라 광학정 성능과 신뢰성에 영향을 미치는 가장 중요한 공정이다.
봉지재 경화 공정은 컨벡션 오븐을 이용한 열 경화 방법, 리플로우 공정을 이용한 열 경화 방법, 적외선 램프 또는 UV 광원을 이용한 광경화 방법 등 다양한 경화 방법이 있다. 현재 가장 많이 사용되고 있는 경화 방법은 컨벡션 오븐을 이용한 경화 공정으로 형광체와 봉지재의 특성에 맞게 경화 온도 및 시간을 선정하며, 경화 시간은 최소 2시간에서 최대 8시간의 시간이 소요된다.
형광체가 혼합된 봉지재는 디스펜싱 장비를 이용하여 토출하며, 토출 후 공정대기 시간과 경화 시간에 따라 형광체의 침전 정도가 달라진다. 이는 형광체의 입경 크기와 비중, 봉지재의 점도 특성에 영향을 받으며, 봉지재 토출하는 공정 조건에 따라 형광체의 침전 및 분산 정도가 차이가 발생하여, LED 패키지의 광학적 성능 차이 및 색 좌표 산포가 커지는 문제가 발생한다.
본 연구는 적외선 레이저를 이용하여 백색 LED의 고속 경화를 통해 형광체의 분산성을 향상시켜 광학적 성능을 향상하고 색좌표 산포를 줄이는 경화 공정을 연구하였다. 봉지재 토출 공정과 경화 공정에서 형광체의 침전 속도가 차이가 발생하며, 형광체 침전 속도 차이로 인해 백색 LED의 광학적 특성 산포가 발생하게 된다. 형광체의 침전 속도를 제어하기 위해 적외선 레이저를 이용한 고속 경화 공정을 개발하였으며, 봉지재의 균일한 경화를 위해 Flat top beam을 갖는 광학계를 설계 후 Homogenizer를 제작하여 균일한 레이저 빔을 적용한 고속 경화 공정을 연구하였다. 형광체 종류(YAG, Silicate, Nitride)에 따른 경화 반응의 차이를 평가하고, 레이저 파워 및 조사 시간에 따른 경화 반응을 분석하였다.
레이저 파워에 따른 경화 반응 차이를 분석하기 위해 DSC 장비를 이용하여 발열 반응을 분석한 결과 레이저 파워가 증가할수록 미경화 현상이 감소한 것을 확인하였다. 레이저 조사 시간에 따른 경화 여부를 분석하기 위해 FT-IR장비를 이용하여 2,200cm-1의 Si-H 피크 변화를 분석한 결과 25W/10초 조건에서 완전 경화를 확인하였다.
경화 방법에 따른 백색 LED 패키지의 광학적 특성을 평가하기 위해 제작한 패키지의 광속, 스펙트럼, 색좌표 산포를 평가한 결과는 기존 컨벡션 오븐을 이용한 열 경화 공정보다 레이저 고속 경화를 통해 광속은 6.0% 향상되었으며, 색온도는 280K 낮아졌으며, 색온도 산포는 110K 줄어 광학적 성능을 개선하였다. 경화 조건에 따른 신뢰성을 검증하기 위해 고온 동작과 고온고습 동작 시험을 통해 패키지의 광속 유지율을 평가한 결과 컨벤션 경화 대비 약 2.8%에서 9%의 신뢰성이 향상되었다.
레이저 고속 경화 방법을 통해 형광체의 침전을 억제하고 분산성을 증가하여 백색 LED의 광학적 성능을 개선할 수 있었고, 기존 경화 공정보다 경화 공정 시간을 혁신적으로 단축하여 패키징 공정 자동화가 가능할 것으로 사료된다.

목차 (Table of Contents)

• 목 차 i
• 그림차례 iii
• 표 차례 vii
• 국문초록 viii
• 1. 서 론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.2 연구 목적 4
• 2. 이론적 배경 7
• 2.1 LED 개념 및 발광 원리 7
• 2.2 LED 칩 구조 9
• 2.3 형광체 개념 및 발열 특성 11
• 2.4 기판 소재 종류 및 열 특성 14
• 2.5 봉지 소재의 경화 특성 17
• 2.6 백색 LED 구현 방법 20
• 2.7 LED 패키지의 제조 공정 21
• 2.8 LED 패키지의 광학적 특성 23
• 3. 제안된 레이저 고속 경화 공정 29
• 3.1 기존 경화 공정 29
• 3.2 레이저 고속 경화 메커니즘 32
• 3.3 레이저 고속 경화 공정 33
• 4. 실험 방법 36
• 4.1 형광체 침전 속도 36
• 4.2 형광체 위치에 따른 광학적 특성 37
• 4.3 봉지재 경화 반응 38
• 4.4 봉지재 균일 경화 반응 41
• 4.5 레이저 경화 공정 및 평가 방법 42
• 4.6 균일 경화용 레이저 광학계 설계 및 제작 46
• 4.7 경화 방법에 따른 패키지 제작 55
• 4.8 패키지의 광학적 특성 및 신뢰성 평가 56
• 5. 실험 결과 및 고찰 58
• 5.1 형광체 침전 속도 58
• 5.2 형광체 위치에 따른 광 특성 59
• 5.3 레이저에 의한 패키징 소재 특성 62
• 5.3.1 칩 구조에 따른 특성 62
• 5.3.2 형광체 조성에 따른 열 특성 63
• 5.3.3 실리콘 봉지재 특성 64
• 5.4 레이저에 의한 경화 공정 평가 67
• 5.4.1 형광체 조성에 따른 경화 반응 67
• 5.4.2 형광체 함량에 따른 경화 반응 70
• 5.5 균일 광학계를 이용한 고속 경화 공정 평가 76
• 5.5.1 레이저 경화 조건 최적화 76
• 5.5.2 고속 경화 공정 최적화 81
• 5.6 신뢰성 평가 87
• 6. 결 론 90
• 참고 문헌 92
• Abstract 96