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문제 정의
- 따라서 본 연구는 중저휘도 LED 의 파괴원인이 상당부분 LED 봉지재인 에폭시에 있다고 판단되는 바, 국내에서 사용되고 있는 LED 패키징 수지(Epoxy : Ep)를 분석하고 이의 개선을 위해 유리전이 온도(Tg : glass transitions temperature)가 높은 에폭시 를 적용하여 기존 LED(C.P : Commercial products)와의 파괴(Fail) 모드 및 파괴율을 비교 분석하여 LED 의 신뢰성을 분석 연구 하는데 목적이 있다.
- 높은 유리전이온도(Tg)를 갖는 에폭시를 개발하기 위하여 Table 1 에서와 같이 다양한 배합방식으로 주제와 경화제를 혼합하여 Tg 온도를 상승시켰다. 본 논문에서는 Tg 온도의 영향이 LED 신뢰성에 미치는 영향을 알아보는 것을 중점 고찰하는 것으로 에폭시를 제조하는 핵심 재료를 동일하게 하였다.
- 본 논문에서는 Lamp type LED 의 기본 파괴 모드를 분석하기 위하여, 기존제품에 주로 사용되는 유리전이온도가 130℃인 에폭시(Epoxy)를 봉지재로 한 LED 를 제조하여 비교 분석하였다.
- 본 연구에서는 유리전이 온도 변화에 따른 파괴 형태를 정밀분석하기 위하여 SEM 사진을 통한 정밀분석을 수행하였다. Fig.
제안 방법
- 본 실험에서는 Table 1 의 결과에서와 같이 에폭시 재료의 다양한 조합에 따라 최대 151℃의 유리전이 온도를 얻을 수 있었고 이들을 토대로 열충격 실험을 행한 결과 Table 2 에서와 같이 ‘Sample 4’의 경우(Tg:151℃)의 광도변화가 크게 발생되지 않음에 따라 유리전이 온도가 가장 큰 차이를 보이는 대조군과 sample 4 를 대상으로 유리전이 온도 강화에 따른 LED 신뢰성을 비교 평가하였다.
- 높은 유리전이온도(Tg)를 갖는 에폭시를 개발하기 위하여 Table 1 에서와 같이 다양한 배합방식으로 주제와 경화제를 혼합하여 Tg 온도를 상승시켰다. 본 논문에서는 Tg 온도의 영향이 LED 신뢰성에 미치는 영향을 알아보는 것을 중점 고찰하는 것으로 에폭시를 제조하는 핵심 재료를 동일하게 하였다.
- 다양한 유리전이 온도를 갖는 봉지재를 이용하여 LED 를 제조하고 이를 20mA 의 정격부하를 가하면서 -30℃~80℃까지 100 회씩 반복하여 열충격 시험을 실시하였다. 시료는 5 가지의 조건조건에서 각 10 개씩 선별하여 광도(cd)를 기준으로 표준편차에 따라 유리전이 온도가 높으면서도 안정적인 조건을 찾기 위해 실험을 수행하였다.
- 다양한 유리전이 온도를 갖는 봉지재를 이용하여 LED 를 제조하고 이를 20mA 의 정격부하를 가하면서 -30℃~80℃까지 100 회씩 반복하여 열충격 시험을 실시하였다. 시료는 5 가지의 조건조건에서 각 10 개씩 선별하여 광도(cd)를 기준으로 표준편차에 따라 유리전이 온도가 높으면서도 안정적인 조건을 찾기 위해 실험을 수행하였다.
- LED 의 파괴(Fail) 형태의 분석은 다양한 방법이 있으나, 본 논문에서는 에폭시 주입 양에 따른 불량률 분석과 칩의 본딩조건(1bonding, 2bonding)에 따른 고장률을 분석하였다. 그리고 이들 분석의 결과를 기초로하여 고장률이 높은 조건을 선정한 후, 유리전이 온도를 150℃로 높인 에폭시를 적용하여 기존 제품과 고장률 평가를 수행하였다.
- LED 의 파괴(Fail) 형태의 분석은 다양한 방법이 있으나, 본 논문에서는 에폭시 주입 양에 따른 불량률 분석과 칩의 본딩조건(1bonding, 2bonding)에 따른 고장률을 분석하였다. 그리고 이들 분석의 결과를 기초로하여 고장률이 높은 조건을 선정한 후, 유리전이 온도를 150℃로 높인 에폭시를 적용하여 기존 제품과 고장률 평가를 수행하였다. LED 고장률 시험을 위한 시험은 국제 표준(Mill-STD) 시험방식을 적용하여 고온고습(85℃,85%), 저온동작(-40℃), 열충격 테스트를 수행하였으며, 테스트 전후 LED 광도(cd)를 비교 측정하기 위하여 LED 측정기(SP320, Instrument system)를 사용하였다.
- 일반적으로 에폭시 봉지재는 외경이 3~5mm 를 사용하고 있으며, 본 연구에서는 4mm 와 5mm 를 기준으로 원형 LED 를 제조하여 시험하였다. 에폭시는 주제와 경화제를 1:1 로 배합한 소재로서 기존 에폭시(Epo)와 높은 유리전이 온도(HTg-Epo)를 갖는 에폭시를 사용하여 실험하였고 광도 감소율을 비교 평가하였다.
- LED 용 에폭시의 성능평가 시 와이어(Wire) 본딩 형태 및 횟수에 따라 많은 실험적 차이가 있을 수 있고 또한 칩의 종류에 따라서도 변화가 있을 수 있기 때문에 본 연구에서는 단일 본딩으로 가능한 Red LED(660nm, AlGaAs)와 2 회 본딩이 요구되는 Green LED(525nm, InGaN)를 선정하였으며, 이들 중 보다 더 신뢰성 시험에 취약한 조건를 선택하여 기존 에폭시와 고 Tg 에폭시의 고장률을 검토하였다.
- 에폭시 유리전이 온도 변화에 따른 LED 의 수명의 변화를 평가하기 위하여 상술된 시험 중 가장 취약하다고 판명된 항온항습 시험을 통하여 수행하였다. 시험에 사용된 LED 는 각 조건별 40 개의 시료를 사용하였으며, 인가전류는 20, 50, 100mA 를 각각 인가하였고, 총 800 시간동안 85℃, 85%습도를 유지하였다.
- 시험에 사용된 LED 는 각 조건별 40 개의 시료를 사용하였으며, 인가전류는 20, 50, 100mA 를 각각 인가하였고, 총 800 시간동안 85℃, 85%습도를 유지하였다. LED 수명의 평가는 LED가 완전히 Off 된 경우를 육안으로 판단하여 기록하였으며, 검사는 50 시간을 주기로 하여 총 16 회 실시하여 분석하였다.
- 유리전이 온도가 130℃인 일반 에폭시를 사용할 경우 가장 취약한 환경조건을 결정하기 위하여 상술한 바와 같이 외경을 4mm, 5mm 인 LED 를 각각 40 개씩 제조하였고, 1 본딩 및 2 본딩 조건을 갖는 LED 를 각각 40 개씩 제작하였다. 제작된 LED 에는 정격 인가전류 20mA 를 적용하였으며, 각 LED 간 회로적 독립성을 위하여 각각에 저항과 및 정전류 회로를 설계하여 적용하였다. 실험은 Table 4 에 나타난 바와 같이 다양한 환경시험을 수행하였으며, 각각 독립적으로 LED 를 40 개씩 실험하였고, 시험 시간은 500 시간이었으며, 시험 전후의 광도(cd)를 테스트하여 그 차이를 비율로 나타내었다.
- 제작된 LED 에는 정격 인가전류 20mA 를 적용하였으며, 각 LED 간 회로적 독립성을 위하여 각각에 저항과 및 정전류 회로를 설계하여 적용하였다. 실험은 Table 4 에 나타난 바와 같이 다양한 환경시험을 수행하였으며, 각각 독립적으로 LED 를 40 개씩 실험하였고, 시험 시간은 500 시간이었으며, 시험 전후의 광도(cd)를 테스트하여 그 차이를 비율로 나타내었다.
- 이러한 결과를 보다 더 장기적이고 여러 개의 시편으로 평가하기 위하여 동일한 조건으로 40 개씩 LED 를 다시 선정하고, 전류는 각각 100mA 에서 800 시간 동안 고온고습조건에서 지속적으로 인가하였다. LED 수명판단은 광원이 완전히 라이트 오프(light off) 상태를 기준으로 파괴되었다고 평가하였으며, 그 결과를 Fig.
- LED 봉지재로서 사용되고 있는 에폭시의 유리전이 온도(Tg)를 상승시킨 LED 와 기존의 에폭시를 사용한 LED 를 비교 실험하여 다음과 같은 결과를 얻었다.
대상 데이터
- 일반적으로 에폭시 봉지재는 외경이 3~5mm 를 사용하고 있으며, 본 연구에서는 4mm 와 5mm 를 기준으로 원형 LED 를 제조하여 시험하였다. 에폭시는 주제와 경화제를 1:1 로 배합한 소재로서 기존 에폭시(Epo)와 높은 유리전이 온도(HTg-Epo)를 갖는 에폭시를 사용하여 실험하였고 광도 감소율을 비교 평가하였다.
- 에폭시 유리전이 온도 변화에 따른 LED 의 수명의 변화를 평가하기 위하여 상술된 시험 중 가장 취약하다고 판명된 항온항습 시험을 통하여 수행하였다. 시험에 사용된 LED 는 각 조건별 40 개의 시료를 사용하였으며, 인가전류는 20, 50, 100mA 를 각각 인가하였고, 총 800 시간동안 85℃, 85%습도를 유지하였다. LED 수명의 평가는 LED가 완전히 Off 된 경우를 육안으로 판단하여 기록하였으며, 검사는 50 시간을 주기로 하여 총 16 회 실시하여 분석하였다.
- 유리전이 온도가 130℃인 일반 에폭시를 사용할 경우 가장 취약한 환경조건을 결정하기 위하여 상술한 바와 같이 외경을 4mm, 5mm 인 LED 를 각각 40 개씩 제조하였고, 1 본딩 및 2 본딩 조건을 갖는 LED 를 각각 40 개씩 제작하였다. 제작된 LED 에는 정격 인가전류 20mA 를 적용하였으며, 각 LED 간 회로적 독립성을 위하여 각각에 저항과 및 정전류 회로를 설계하여 적용하였다.
이론/모형
- 그리고 이들 분석의 결과를 기초로하여 고장률이 높은 조건을 선정한 후, 유리전이 온도를 150℃로 높인 에폭시를 적용하여 기존 제품과 고장률 평가를 수행하였다. LED 고장률 시험을 위한 시험은 국제 표준(Mill-STD) 시험방식을 적용하여 고온고습(85℃,85%), 저온동작(-40℃), 열충격 테스트를 수행하였으며, 테스트 전후 LED 광도(cd)를 비교 측정하기 위하여 LED 측정기(SP320, Instrument system)를 사용하였다. 또한 파괴부 분석을 위하여 주사전자 현미경(SEM)을 이용하였다.
- LED 고장률 시험을 위한 시험은 국제 표준(Mill-STD) 시험방식을 적용하여 고온고습(85℃,85%), 저온동작(-40℃), 열충격 테스트를 수행하였으며, 테스트 전후 LED 광도(cd)를 비교 측정하기 위하여 LED 측정기(SP320, Instrument system)를 사용하였다. 또한 파괴부 분석을 위하여 주사전자 현미경(SEM)을 이용하였다. 실험에 사용된 에폭시의 물리적 특징은 Table 3 과 같다.
성능/효과
- 에폭시의 양에 따른 결과를 고찰해보면, 4 파이 LED 가 5 파이 LED 보다 외부 열변화 조건에 더 좋은 특성을 보였다. 이러한 이유는 이번 실험 결과만으로 정확히 규명할 수는 없으나, 비교적 열팽창 계수가 낮은 에폭시 층과 칩 그리고 리드프레임 등의 팽창 관계가 온도 차단 층이 얇을수록 자유롭게 전달되기 때문에 외부 물리적인 충격을 고려하지 않는다면 상대적으로 더 안정적인 것으로 평가되었다.
- 에폭시의 양에 따른 결과를 고찰해보면, 4 파이 LED 가 5 파이 LED 보다 외부 열변화 조건에 더 좋은 특성을 보였다. 이러한 이유는 이번 실험 결과만으로 정확히 규명할 수는 없으나, 비교적 열팽창 계수가 낮은 에폭시 층과 칩 그리고 리드프레임 등의 팽창 관계가 온도 차단 층이 얇을수록 자유롭게 전달되기 때문에 외부 물리적인 충격을 고려하지 않는다면 상대적으로 더 안정적인 것으로 평가되었다. 그리고 본딩 횟수에 따른 결과를 비교해 보면 Red(1 본딩)가 green(2 본딩)보다 광도 감소율이 높은 특성을 보이고 있음을 알 수 있다.
- 약 300 시간이 경과되는 시점에서 유리전이 온도가 130℃인 에폭시 시료 40 개 중 12 개가 고장이 발생하였고 이후 총 800 시간이 경과된 후에는 21 개가 고장으로 판정되었다. 반면, 유리전이 온도가 151℃인 에폭시를 사용한 시료의 경우에는 약 500 시간과 800 시간에 각각 1 개씩만이 고장으로 판정되어 상대적으로 매우 높은 안정성을 보였다.
- 그러나 강제로 억제된 변형 에너지는 한계에 이를 경우 급격한 전기적 충격에 의한 폭발성 파괴를 일으키며 칩이 Fail 되는 형태를 보이고 있다. 이러한 결과로부터 강제 변위 고정을 위한 유리전이 온도의 상승은 LED 신뢰성에 보다 유리한 결과를 나타냄을 알 수 있었다.
- 1) 4 파이보다는 5 파이 LED 가 고온 고습 평가 시 상대적으로 높은 광도 저하율을 나타내었으며, 이는 에폭시 양에 따른 열응력의 영향은 크지 않음을 알 수 있었다.
- 2) 1-bonding(Red chip) 보다는 2-bonding(Green chip)의 경우가 보다 높은 신뢰성 특성을 나타내었다. 이는 2-bonding 의 경우, 열팽창 계수의 차이에 따른 칩 계면이 리드프레임과 이격되더라도 LED 수명은 유지되기 때문으로 판단된다.
- 3) 유리전이 온도가 높은 에폭시를 적용할 경우, 낮은 에폭시를 적용할 경우보다 신뢰성이 크게 상승함을 알 수 있었다.
- 4) 유리전이 온도가 낮은 에폭시 경우의 LED 파괴는 칩과 리드프레임 경계면에서 열팽창계수의 차에 의한 상대 변형의 차이에 의해 크랙이 진전하여 발생되고, 유리전이 온도가 높은 에폭시의 경우, 억제된 내부 응력의 폭발적 팽창에 의해 파괴가 발생되었다.
- 이러한 이유는 이번 실험 결과만으로 정확히 규명할 수는 없으나, 비교적 열팽창 계수가 낮은 에폭시 층과 칩 그리고 리드프레임 등의 팽창 관계가 온도 차단 층이 얇을수록 자유롭게 전달되기 때문에 외부 물리적인 충격을 고려하지 않는다면 상대적으로 더 안정적인 것으로 평가되었다. 그리고 본딩 횟수에 따른 결과를 비교해 보면 Red(1 본딩)가 green(2 본딩)보다 광도 감소율이 높은 특성을 보이고 있음을 알 수 있다.
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