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문제 정의
- 본 연구에서는 기존 일반 경화 방법과 IR 빛을 이용한 경화 방법을 비교하였다. 광학 시뮬레이션을 통해 IR 빛은 패키지의 실리콘 봉지면에 0.
제안 방법
- 36℃, 경화 발열 반응이 130℃에서 안정화되며, 좁은 온도 범위 내에서 경화 반응이 빠르게 일어남을 알 수 있다. DSC 평가 결과를 근거로 실리콘 봉지재가 완전 경화가 가능한 150℃로 경화 조건을 설정하였다.
- IR 경화 방법이 실리콘 봉지재의 표면을 균일하게 경화하는지 확인하기 위해 9080 (9.0 × 8.0 × 1.9 ㎜) 패키지에 실리콘을 봉지 후 150℃에서 각각 30분, 40분, 50분 경화 후 경화 정도를 측정하였다.
- 7배임을 알 수 있었다. IR 전구 1개를 오븐 안에 설치 한 경우 패키지에 조사 되는 IR 빛의 분포를 시뮬레이션 하였다. 그림 5의 결과에서 알 수 있듯이 전구의 IR 코팅면에 의해 빛이 사방으로 퍼지지 않고 전구의 아래 부분으로 집중되고 있으며, 패키지를 중앙 부분에 위치시킬 경우 그 면적 안으로 들어오는 빛의 양이 일정하여 균제도 (uniformity ratio of illumination) Min/Max가 0.
- 그림 3은 IR경화 방식이 봉지재 경화에 미치는 영향을 분석하기 위하여 실험에 사용된 오븐 및 IR 전구를 모델링하여 실제 리드 프레임에 조사되는 빛의 양과 분포를 시뮬레이션을 통해 얻었다. 정밀한 모델링을 위하여 실제 사용된 IR 전구의 실측치를 측정하고, IR 대역에서의 반사도와 투과율을 설정하였다.
- 본 논문에서는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 그림 1(b)와 같이 실리콘 봉지재의 내부 및 외부에서 균일한 경화가 가능한 850 ㎚ 파장을 가지는 적외선 경화 (infrared cure) 방법을 적용하여 기존 일반 경화 방법과 경화 공정, 광출력, 신뢰성 특성을 비교하였다.
- IR 경화 방식은 빛을 직접 LED 패키지에 조사하기 때문에 봉지재를 투과한 빛들이 리드 프레임의 PPA(polypthalamide) 반사판과 Ag 도금면에 의해 봉지재로 반사됨으로써 다중으로 빛을 조사하여 봉지재가 동시에 경화되는 효과를 얻을 수 있다. 본 시뮬레이션에서는 그림 2와 같이 패키지 반사판의 반사율, Ag 도금면의 반사율과 칩에서 발생하는 손실을 고려하였다.
- 실리콘 봉지재의 경화 온도 조건을 설정하기 위해 봉지재에 대한 경화 반응을 DSC (differential scanning calorimeter) 장비로 온도에 따른 반응열을 측정하였다[9]. 그림 4는 실리콘의 반응열 측정 결과로 OE-6630 실리콘 봉지재는 경화 반응이 70℃에서 시작하여 피크 온도 95.
- 일반 경화와 IR 경화 방법에 따른 경화 정도를 평가하기 위해 경화 온도는 150℃, 175℃ 두 가지 조건에서 경화 시간을 10분, 20분, 30분으로 변화하면서 Bond tester (Dage series 4000, Aylesbury, UK) 장비를 이용하여 Chip의 접착강도를 측정하였다.
- 그림 3은 IR경화 방식이 봉지재 경화에 미치는 영향을 분석하기 위하여 실험에 사용된 오븐 및 IR 전구를 모델링하여 실제 리드 프레임에 조사되는 빛의 양과 분포를 시뮬레이션을 통해 얻었다. 정밀한 모델링을 위하여 실제 사용된 IR 전구의 실측치를 측정하고, IR 대역에서의 반사도와 투과율을 설정하였다.
대상 데이터
- 8 ㎜) 크기의 리드 프레임을 사용하였다. Die paste는 Shinetsu사의 KER-3000-M2 메틸계 실리콘 접착제를 사용하였으며, 봉지재는 다우코닝사의 OE-6630 (페닐계)을 사용하였다. 표 1은 실리콘 봉지재의 특성을 나타내었다.
- 경화 방법에 따라 제작된 샘플은 신뢰성 실험을 위해 1 inch × 1 inch 크기의 metal PCB에 실장 후 고온 동작 시험을 하였다.
- 본 실험에서는 경화 방법에 따른 LED 광원을 제작하기 위하여 500 × 500 × 150 ㎛3 크기의 LED (중심 파장 447.5 ㎚)를 사용하였으며, 패키지는 일반 조명용으로 사용되고 있는 5,050 (5.0 × 5.0 × 1.8 ㎜) 크기의 리드 프레임을 사용하였다.
성능/효과
- 시험 조건은 60℃, 85℃ 고온 조건에서 입력 전류 100 ㎃를 인가하여 1,000 hr 진행하였다. 60℃ 조건에서 광출력 변화를 확인한 결과 일반 경화 오븐에서 경화한 LED는 2.6% 상승하였고, IR 오븐에서 경화한 LED는 2.5% 상승하여 광출력 변화가 동등 수준임을 확인하였다. 그림 10과 같이 고온 85℃ 조건에서 광출력 변화를 확인한 결과 일반 경화한 LED는 7.
- IR 경화 방법을 이용하여 die paste의 접합 강도를 평가한 결과 동일 경화 시간에서 19.2% 접합강도가 증가하였다. 또한, 실리콘 봉지재의 중심부와 가장자리부의 경도 평가 결과 일반 경화 방법은 14.
- 4%의 차이만 나타내어 균일한 경화가 이루어짐을 알 수 있었다. 고온 85℃ 조건에서 구동하여 신뢰성을 평가한 결과 IR을 이용한 경화방법은 일반 경화 방법에 비해 광출력 유지율이 2.3% 향상되어 신뢰성 개선 효과가 있음을 알 수 있었다.
- 본 연구에서는 기존 일반 경화 방법과 IR 빛을 이용한 경화 방법을 비교하였다. 광학 시뮬레이션을 통해 IR 빛은 패키지의 실리콘 봉지면에 0.79의 균제도를 가지고 입사함을 확인하였다.
- 5% 상승하여 광출력 변화가 동등 수준임을 확인하였다. 그림 10과 같이 고온 85℃ 조건에서 광출력 변화를 확인한 결과 일반 경화한 LED는 7.2% 광출력이 감소하였으며, IR oven에서 경화한 LED는 4.9%의 광출력이 감소하여 2.3%의 신뢰성이 개선됨을 확인하였다. 이는 IR 경화 방법이 일반 경화 보다 균일하게 경화되고 리드 프레임과 봉지재의 접착력이 증가시켜 외부로부터 습기나 가스의 침입을 차단함으로써 장기 신뢰성을 향상시키기 때문으로 사료된다.
- 또한 실제 빛이 나오는 필라멘트 모양을 그대로 구현함으로써 시뮬레이션 과정에서 발생하는 오차를 최소화하였다.
- 2% 접합강도가 증가하였다. 또한, 실리콘 봉지재의 중심부와 가장자리부의 경도 평가 결과 일반 경화 방법은 14.8% 차이가 있었으며, IR 경화 방법은 3.4%의 차이만 나타내어 균일한 경화가 이루어짐을 알 수 있었다. 고온 85℃ 조건에서 구동하여 신뢰성을 평가한 결과 IR을 이용한 경화방법은 일반 경화 방법에 비해 광출력 유지율이 2.
- 실리콘 봉지재의 경화 (150℃, 1 hr) 후 LED 광원의 광출력 (radiant flux)를 비교한 결과 그림 9와 같이 일반 경화 방법을 적용한 LED는 102.1 ㎽, IR 경화 방법을 적용한 LED는 102.2 ㎽로 경화 방법에 따른 광출력 차이는 나타나지 않았다.
- 5 ㎛로 IR 경화 방법이 경화 속도가 빠름을 알 수 있다. 일반 경화 후 중심부의 압입 깊이는 110.5 ㎛, 가장지리부는 96.3 ㎛로 14.8% 차가 발생하며, 열전도에 의해 가장자리부가 중심부보다 먼저 경화가 진행됨을 알 수 있다. 반면, IR 경화 후 중심부의 압입 깊이는 64.
- 패키지 내에 IR 빛의 양을 시뮬레이션한 결과 입사한 빛과 패키지에서 반사되어 나오는 빛의 합이 입사한 빛의 약 1.7배임을 알 수 있었다. IR 전구 1개를 오븐 안에 설치 한 경우 패키지에 조사 되는 IR 빛의 분포를 시뮬레이션 하였다.
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