JP2014502062A - 上面接続部のみを有するフォトン構成デバイス - Google Patents

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Abstract

標準化されたフォトン構成ブロックを使用して、個別発光体及びアレイ製品の両方を作製する。各フォトン構成ブロックは、基板上に装着された１又はそれ以上のＬＥＤチップを有する。基板の上面と底面の間を抜ける導電体は存在しない。フォトン構成ブロックは、ヒートシンクに取り付けられた相互接続構造により支持される。各フォトン構成ブロックの基板の上面上のランディングパッドを、相互接続構造のリップ部の下側に配置されたコンタクトパッドに取り付ける。半田リフロー処理では、これらのフォトン構成ブロックが、相互接続構造内で自己整合する。相互接続構造上の導電体を、コンタクトパッド及びランディングパッドを介してフォトン構成ブロック内のＬＥＤダイに電気的に結合する。相互接続構造の底面は、フォトン構成ブロックの基板の底面と同一平面上にある。
【選択図】 図２

Description

本発明は、一般に発光ダイオードのパッケージングに関し、より詳細には、単独でエミッタとして、又は他のフォトン構成ブロックとともにエミッタのアレイとしてパッケージできるフォトン構成デバイスに関する。
発光ダイオード（ＬＥＤ）は、電気エネルギーを光に変換する固体素子である。逆ドープ層に電圧を印加すると、これらのドープ層間に挟まれた半導体材料の活性層から光が発光される。ＬＥＤチップを使用するためには、通常、光を集束してチップを損傷から保護するパッケージ内にチップを内包する。通常、ＬＥＤパッケージの底部には、ＬＥＤパッケージを外部回路に電気的に接続するためのコンタクトパッドが存在する。従来、ＬＥＤチップは、個別発光体として、又はアレイ状の一群のＬＥＤチップとともにパッケージされるように設計されている。通常、個別発光体であるＬＥＤチップはキャリア基板上に装着され、これがさらにプリント基板上に装着される。しかしながら、通常、アレイであるＬＥＤチップは、キャリア基板を使用せずにプリント基板上に直接装着される。
従来、アレイ製品は、個別発光体を構成ブロックとして使用して製造されるものではない。通常、個別発光体のキャリア基板は、アレイの下方のプリント基板上の空間を不必要に占めると考えられている。さらに、新たなアレイ設計毎に、個別発光体のキャリア基板を貫通する導電性スルーホールビアを、プリント基板上のコンタクトパッドに正しく接続するように再構成する必要がある。従って、特定のスルーホールビアの組を有するキャリアを、標準的な構成ブロックとして使用することはできなかった。この個別発光体のスルーホールビアの問題は、ＬＥＤチップをキャリア基板の上側のトレース及びコンタクトパッドに電気的に接続することにより解決することができる。しかしながら、ＬＥＤチップをキャリア基板の上側のパッドに接続することによってスルーホールビアを排除すると、キャリア基板が下部のプリント基板に電気的に結合しなくなるので、パッドをいかにして電源に接続するかという新たな問題が生じる。
図１（先行技術）に、キャリア基板１２の上側のパッド１１に２６個のＬＥＤチップのアレイが電気的に接続された既存のアレイ製品１０を示す。アレイ製品１０は、ノースカロライナ州ダーラムのＣｒｅｅ社製のＸＬａｍｐ（登録商標）ＭＰ−Ｌ ＥａｓｙＷｈｉｔｅ製品である。図１では、キャリア基板１２が、プリント基板上ではなく金属ディスク１３上に装着されている。キャリア基板１２は、熱接着剤１４を用いて金属ディスク１３に取り付けられている。アレイ製品１０は、正の電源コードリード１５及び負の電源コードリード１６という個々のワイヤをパッド１１に手で半田付けすることにより、電源に不格好に接続されている。アレイ製品１０は、キャリア基板１２の上側のパッド１１を、下部のボード又はプレート内の電源に容易に接続する特徴部を有していない。また、アレイ製品１０は、一群のアレイ製品に組み込まれるように構成されていない。
米国特許出願第１２／９４１，７９９号明細書
キャリア基板上に装着された１又はそれ以上のＬＥＤチップを標準化された構成ブロックとして使用して、個別発光体、及びＬＥＤが装着された複数の基板のアレイ製品の両方を作製する方法が求められている。
標準化されたフォトン構成ブロックを使用して、１つの構成ブロックを有する個別発光体、及び複数の構成ブロックを有するアレイ製品の両方を作製する。各フォトン構成ブロックは、キャリア基板上に装着された１又はそれ以上のＬＥＤチップを有する。基板の上面と底面の間を抜ける導電体は存在しない。これらのフォトン構成ブロックは、ヒートシンクに取り付けられた相互接続構造により適所に保持される。この相互接続構造の例としては、成形相互接続デバイス（ＭＩＤ）、リードフレームデバイス又はプリント基板が挙げられる。
各フォトン構成ブロックの基板の上面上のランディングパッドを、相互接続構造のリップ部の下側に配置されたコンタクトパッドに半田又は接着剤を用いて取り付ける。リップ部は、基板の側面境界内で基板の上に広がる。半田又はＳＡＣリフロー処理では、フォトン構成ブロックが相互接続構造内に自己整合する。ランディングパッドの融解したＳＡＣ又は半田合金が、金属メッキしたコンタクトパッドを湿らし、融解した合金の表面張力により、ランディングパッドがコンタクトパッドの下方に引き寄せられる。相互接続構造上の導電体が、コンタクトパッド及びランディングパッドを介してフォトン構成ブロック内のＬＥＤダイに電気的に結合される。相互接続構造の底面は、フォトン構成ブロックの基板の底面と同一平面上にある。
アレイ製品では、複数のフォトン構成ブロックの基板が相互接続構造によって支持される。全てのフォトン構成ブロックの基板は、実質的に同一の寸法を有する。ヒートシンクの上面上に熱伝導材料を配置し、この熱伝導材料に、相互接続構造の底面が接触する。相互接続構造は、相互接続構造内の穴を貫通するボルトによりヒートシンクに固定される。
相互接続構造により支持された同じ標準化されたフォトン構成ブロックを用いて個別発光体及びアレイ製品を作製する方法は、上面から底面に抜ける導電体を有していないキャリア基板上にＬＥＤダイを装着するステップを含む。相互接続構造のリップ部の下側に配置されたコンタクトパッドの下方には、このコンタクトパッドに隣接して基板の上面上のランディングパッドが配置される。コンタクトパッドの下方にランディングパッドを配置するために、基板の上面上かつ基板の側面境界内に相互接続構造のリップ部を配置する。
ランディングパッドをコンタクトパッドに接合することにより、相互接続構造上の又はその中の導電体が、フォトン構成ブロック上のＬＥＤダイに電気的に接続される。ランディングパッドが金属コンタクトパッドに位置合わせされるようにしてランディングパッドの金属合金を加熱することにより、ランディングパッドをコンタクトパッドに接合することができる。或いは、異方性導電接着膜（ＡＣＦ）技術を用いて、ランディングパッドをコンタクトパッドに接合することもできる。異方性（非対称性）導電接着剤のさらなる詳細については、引用により本明細書に組み入れられている、２００１年１１月８日に出願された「非対称性導電体を利用するＬＥＤベースの光源」という名称の米国特許出願第１２／９４１，７９９号を参照されたい。ランディングパッドがコンタクトパッドに位置合わせされて接合された後は、基板の底面が相互接続構造の底面と実質的に同一平面上にある。
この方法を使用して、複数のフォトン構成ブロックを有するアレイ製品を作製する場合には、第２のフォトン構成ブロックの基板の上面上に相互接続構造の第２のリップ部を配置し、相互接続構造のリップ部の下方の第２のコンタクトパッドの下方に、この第２のコンタクトパッドに隣接して第２の基板上のランディングパッドを配置する。第２のフォトン構成ブロックの第２の基板は、第１のフォトン構成ブロックの基板の寸法と実質的に同一の寸法を有する。第２のランディングパッドを第２のコンタクトパッドに接合することにより、相互接続構造の第２の導電体が、第２のフォトン構成ブロック上の第２のＬＥＤダイに電気的に接続される。第２のランディングパッドが第２のコンタクトパッドに接合された後は、第２のフォトン構成ブロックの基板の底面が、相互接続構造の底面と実質的に同一平面上にある。
次に、ヒートシンクの上面上に熱伝導材料を配置する。この熱伝導材料の上に、相互接続構造の底面及びフォトン構成ブロックの基板の底面を配置する。
新規の発光デバイスは、上面と底面の間の導電体を含まない基板の上方に配置されたＬＥＤダイを含む。このデバイスは、基板の側面境界の外側に位置する導電体にＬＥＤダイを電気的に結合する手段も含む。この手段は、基板の上面上に配置されたランディングパッドに接触する。ランディングパッドが加熱されると、このランディングパッドが、手段上のコンタクトパッドに基板を位置合わせする。この手段は、基板の底面と同一平面上にある底面を有する。
以下の詳細な説明では、さらなる詳細及び実施形態及び技術について説明する。本要約は、本発明を定義することを意図するものではない。本発明は、特許請求の範囲により定義される。
同じ構成部品を同じ数字で示す添付図面に本発明の実施形態を示す。
複数のＬＥＤチップをキャリア基板の上側のパッドに電気的に接続した既存のアレイ製品の斜視図である（先行技術）。 相互接続構造により支持された新規のフォトン構成ブロックの断面図である。 図２に示すランディングパッドに接続されたコンタクトパッドのより詳細な図である。 コンタクトパッドを介して基板上のランディングパッドに結合された相互接続構造上の導電体の断面図である。 中空ビアを通ってコンタクトパッドに至る図４Ａの導電体の経路の斜視図である。 中空ビアの内面を通ってこれを完全に覆う図４Ａの導電体の斜視図である。 相互接続構造のリップ部の丸みのある縁の周囲を通る図４Ａの導電体の断面図である。 異方性導電接着剤（ＡＣＦ）により相互接続構造のリップ部の下側のコンタクトパッドに接合された基板上のランディングパッドを示す図である。 相互接続構造の導電体、及び基板上のランディングパッドに接合するコンタクトパッドの両方として機能する金属箔層を有するリードフレーム相互接続構造を示す図である。 相互接続構造の導電体、及び基板上のランディングパッドに接合するコンタクトパッドの両方として機能する金属層を有するプリント基板から作製した相互接続構造を示す図である。 ４つのランディングパッドに取り囲まれた、４つのＬＥＤダイを含むフォトン構成ブロックの上面図である。 ２つのランディングパッドに取り囲まれた、４つのＬＥＤダイを含むフォトン構成ブロックの別の実装の上面図である。 アレイ製品に組み込んだ相互接続構造内の２つのフォトン構成ブロックの上面図である。 図１１Ａに示すアレイ製品の線Ｂ−Ｂを通る断面図である。 図１１Ａに示すアレイ製品の線Ｃ−Ｃを通る断面図である。 図１１Ａに示す基板のランディングパッドと相互接続構造のコンタクトパッドとの接続部のより詳細な図である。 下部のランディングパッドを除いた図１２Ａのコンタクトパッドを示す図である。 アレイ製品に組み込んだ相互接続構造内の４つのフォトン構成ブロックの斜視図である。 同じ標準化されたフォトン構成ブロックを用いて個別発光体及びアレイ製品の両方を作製するステップのフローチャートである。
以下、添付図面に例を示す本発明のいくつかの実施形態を詳細に参照する。
図２は、相互接続構造２１により支持されたフォトン構成ブロック２０の断面図である。フォトン構成ブロック２０は、上部にＬＥＤダイ２３が装着された基板２２を含む。基板２２は、非導電性セラミックである。別の実装では、基板２２が結晶シリコンである。基板２２の上面２５上には、ランディングパッド２４が配置される。基板２２の上面２５から基板２２の底面２６に抜ける導電体は存在しない。ＬＥＤダイ２３は、ランディングパッド２４のみを介して電源に電気的に結合される。ＬＥＤダイ２３と基板２２の間には、熱伝導材料が配置される。熱伝導材料（ＴＩＭ）の第１の層２７は、ランディングパッド２４と同じ材料で作製され同じ処理で堆積される。１つの実装では、パッド２４及び第１の層２７が、Ｃｕ−Ｎｉ−Ａｕ合金製又はＣｕ−Ｎｉ−Ａｇ合金製のトレースである。第１の層２７上には、熱伝導材料の第２の層２８が堆積される。１つの実装では、第２の層２８が銀充填エポキシである。ＬＥＤダイ２３は、第２の層２８及び第１の層２７を介して基板２２の上面２５に接合される。
ＬＥＤダイ２３は、ワイヤボンド２９を介してランディングパッド２４に電気的に接続される。ＬＥＤダイ２３の上には、蛍光体などの波長変換材料の薄い共形層が形成される。次に、基板２２の上面２５の片側のランディングパッド２４の中間あたりから上面２５の反対側のランディングパッド２４の中間あたりまで、ＬＥＤダイ２３及びワイヤボンド２９を覆ってシリコンなどの透明な樹脂封入材料を覆い被せる。このシリコンは、レンズ３０の形を形成する。フォトン構成ブロック２０は、基板２２、ランディングパッド２４、及びレンズ３０に封入された全てのものを含む。
相互接続構造２１は、ランディングパッド２４を介してフォトン構成ブロック２０を支持する。ランディングパッド２４は、相互接続構造２１のリップ部の下側に配置されたコンタクトパッド３１に電気的及び機械的に接続される。１つの実装では、ランディングパッド２４が、半田ペーストによってコンタクトパッド３１に取り付けられる。半田ペーストの例には、ＳＡＣ３０５（９６．５％Ｓｎ、３．０％Ａｇ、０．５％Ｃｕ）などのＳＡＣ合金がある。別の実装では、ランディングパッド２４が、接着剤によってコンタクトパッド３１に取り付けられる。接着剤の例には、異方性導電フィルム（ＡＣＦ）技術に関連する異方性導電接着剤がある。図２の実施形態では、ランディングパッドが、半田４８によってコンタクトパッド３１に電気的及び機械的に接続される。
図２の実施形態では、コンタクトパッド３１が、スルーホールビア３４によって相互接続構造２１の上面３３の導電性トレース３２に電気的に接続される。従って、各導電性トレース３２は、ビア３４、コンタクトパッド３１、半田４８、ランディングパッド２４及びワイヤボンド２９を介してＬＥＤ２４に電気的に結合される。相互接続構造２１の底面３５は、基板２２の底面２６と実質的に同一平面上にある。
フォトン構成ブロック２０及び相互接続構造２１は、熱伝導材料の第３の層３６を介してヒートシンク３７に取り付けられる。１つの実装では、熱伝導材料の第３の層３６が熱接着剤である。別の実装では、第３の層３６が熱グリースで形成され、相互接続構造２１が、ボルト３８によってヒートシンク３７に取り付けられる。底面２６及び３５が正確に同一平面上にあることからわずかにずれていても、これらは全て熱グリースなどの熱伝導材料の厚みにより補正される。ボルト３８は、相互接続構造２１をヒートシンク３７上の適所に保持し、フォトン構成ブロック２０は、ランディングパッド２４とコンタクトパッド３１の接続によって適所に保持される。従って、基板２２は、ＴＩＭの第３の層３６を介してヒートシンク３７に熱的に結合される。１つの実装では、基板２２の底面２６が、ヒートシンク３７に直接接続されず、むしろ熱グリースの層３６内に「浮かんで」いる。フォトン構成ブロック２０は、ランディングパッド２４とコンタクトパッド３１の接合のみを介してヒートシンク３７に機械的に接続される。対照的に、先行技術のアレイ製品１０のキャリア基板１２は、基板１２の底面をヒートシンクに接着又は半田付けすることのみによりヒートシンクに取り付けられる。
従来の個別発光体と比較すると、新規のフォトン構成ブロック２０の下方からは、プリント基板（ＰＣＢ）及びＴＩＭの層が１つ除去されている。従来の個別発光体では、金属コアＰＣＢの上のＴＩＭ層上にキャリア基板が位置し、これがさらに、ヒートシンクの上の別のＴＩＭ層上に位置する。この新規のフォトン構成ブロックを使用してアレイ製品を製造すると、金属コアＰＣＢ及び追加のＴＩＭのコストが削減されるので、従来の個別発光体を使用してアレイ製品を製造するよりも経済的である。さらに、ＬＥＤダイから発生した熱が、キャリア基板から１つのＴＩＭ層を通じてヒートシンクに直接伝わり、従来の個別発光体の追加のＭＣＰＣＢ及びＴＩＭ層を通じて伝わるよりも効果的である。
別の実施形態では、フォトン構成ブロック２０及び相互接続構造２１が、第３のＴＩＭ３６を介してヒートシンク３７に直接取り付けられない。代わりに、ヒートシンク３７とフォトン構成ブロック２０の間に熱拡散装置が配置される。そして、この熱拡散装置に、第３のＴＩＭ層３６を介してフォトン構成ブロック２０及び相互接続構造２１が取り付けられる。熱拡散装置の例には、蒸気チャンバがある。
図３に、図２のコンタクトパッド３１の一方をより詳細に示すとともに、コンタクトパッドが接続されるランディングパッド２４を示す。コンタクトパッド３１は、相互接続構造２１上の金属トレースである。１つの実装では、相互接続構造２１が、成形相互接続デバイス（ＭＩＤ）である。ＭＩＤ２１は、液晶ポリマー（ＬＣＰ）などの金属化された高温熱可塑性物質を金型に注入することにより製造された３次元電子回路キャリアである。ＭＩＤ２１の表面上のトレースの経路は、レーザーによって書かれる。レーザービームが熱可塑性物質を切除すると、熱可塑性物質中の金属添加物が極細の導電体経路を形成する。この導電体経路上の金属粒子が、その後の金属化のための核を形成する。金属化浴を使用して、導電体経路上に、銅、ニッケル及び／又は金トレースの連続層を形成する。例えば、切除した熱可塑性物質を銅浴に入れると、導電体経路上に銅の層が生じる。レーザーによりＭＩＤ２１の表面を切除できる場所であれば、どこであっても素早く３次元回路トレースを形成することができる。
レーザーがパッドの形を切除した後には、ＭＩＤ２１のリップ部３９の下側にコンタクトパッド３１が形成される。相互接続構造２１の上面３３には、コンタクトパッド３１が形成されたのと同じ方法で金属トレース３２も形成される。レーザーは、レーザービームをリップ部３９の上面３３及び下側のいずれにも向けることができるように多関節とされ、又は２つのレーザーを使用することもできる。図３の実装では、トレース及びパッドが形成される前に、スルーホールビア３４が金属で満たされる。金属化浴により、金属ビア３４の端部を覆ってトレース３２及びコンタクトパッド３１をめっきする。
コンタクトパッド３１とランディングパッド２４の間の電気的及び機械的接続は、両パッド間の半田合金をリフローすることによって行われる。例えば、ランディングパッド２４の端部にＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ半田合金を配置している場合、ＳＡＣリフロー処理を行うことができる。ＳＡＣ半田が融解すると、この半田がコンタクトパッド３１の金属を湿らせる。この時、この融解したＳＡＣ合金の表面張力により、ランディングパッド２４がコンタクトパッド３１の下に引き込まれる。その後、ＳＡＣ合金が冷えて固化すると、ランディングパッド２４とコンタクトパッド２４の間に接合が形成される。
図４Ａに、ＭＩＤ２１上の金属トレース４０を基板２２上のランディングパッド２４に電気的に結合する方法の別の実装を示す。図３に示すようにビア３４を金属で満たす代わりに、図４のＭＩＤ２１は、先細の中空ビア４１を含む。中空ビア４１は、成形相互接続デバイス２１を形成する成形処理において円錐プラグを使用して形成される。上面３３を横切り、中空ビア４１の内面を巡り、その後リップ部３９の下側に至ってコンタクトパッド３１の形を形成する導電体経路をレーザーにより切除する。その後、この導電体経路及びパッド形状を金属化浴中でめっきする。図４Ｂに、レーザーの導電体経路をより詳細に示す。この導電体経路は、レーザーの幅よりも大幅に広くすることができる。レーザーを何度も移動させて、図４Ｃに示すような広い導電体経路を作製することもできる。図４Ｃでは、中空ビア４１の部分的に円錐形の内面全体が切除され、金属化ステップにおいてめっきされる。
図５に、ＭＩＤ２１上の金属トレース４２を基板２２上のランディングパッド２４に電気的に結合する方法の別の実装を示す。ＭＩＤ２１のリップ部３９には、丸みを帯びた端部が与えられている。上面３３を横切り、丸みを帯びた端部を巡り、その後リップ部３９の下側に至る連続的な導電体経路をレーザーにより形成する。
図６に、半田を用いずにコンタクトパッド３１をランディングパッド２４に電気的及び機械的に結合する別の方法を示す。図３に示すような半田リフローを用いて接合を形成する代わりに、図６では、異方性導電接着剤を用いてコンタクトパッド３１をランディングパッド２４に接続する。半田を使用しないので、フォトン構成ブロック２０は、相互接続構造２１内で自己整合せず、接着剤が硬化する前に正確に位置決めしなければならない。異方性導電接着膜（ＡＣＦ）技術では、接着剤中に導電性ボールを分散させる。例えば、エポキシ接着剤中に、Ａｕ被覆ポリマーボール又はＮｉ充填ボールを分散させる。次に、電気的に結合する面を、ともにボールの直径まで押圧する。その後、例えば加熱によって接着剤を硬化させる。ボールが両方の面に接触する領域で電気接触が行われる。この異方性導電接着剤は、硬化した接着剤中にボールが分散したままの領域では非導電性である。図６では、異方性導電接着剤により、パッド３１、リップ部３９の下側、及びＭＩＤ２１の側部全体が、ランディングパッド２４及び基板２２の側部に機械的に結合する。一方、電気接続は、導電性ボールの直径の範囲内までともに押圧されたコンタクトパッド３１とランディングパッド２４の領域間でのみ行われる。
図７に、相互接続構造２１上の導電体４４を基板２２上のランディングパッド２４に半田を用いて電気的に結合する方法の別の実装を示す。図７の相互接続構造２１は、成形相互接続デバイスではなくリードフレームである。金属箔４４を、個別発光体又はアレイ製品のパッケージに必要な、導電体、リード及び「ガルウィング」の形に打ち抜く。次に、打ち抜いた金属箔４４の周囲に液晶ポリマー４５を射出成形することにより、リードフレーム構造２１を作製する。金属箔４４は、導電体４４及びコンタクトパッド３１の両方として機能する。リップ部３９の下方の金属箔の端部は、半田リフロー処理中における自己整合を容易にするために、ランディングパッド２４の形状に対応する形状を有するコンタクトパッドの形状に打ち抜くことができる。
図８に、基板２２上のランディングパッド２４に半田を用いて電気的に結合される相互接続構造２１内の導電体４６の別の実装を示す。図６の相互接続構造２１は、プリント基板（ＰＣＢ）である。例えば、相互接続構造２１は、エポキシ樹脂バインダを含む繊維ガラス織布４６で作製されたＦＲ−４プリント基板である。ＦＲ−４ ＰＣＢ２１は、複数の金属層を有する。この金属層４７の１つが、導電体及びコンタクトパッド３１の両方として機能する。リップ部３９の下方の金属層４７の端部は、半田リフロー処理中における自己整合を容易にするために、ランディングパッド２４の形状に対応する形状に形成することができる。
図９は、４つのＬＥＤダイ５１〜５４を含むフォトン構成ブロック５０の上面図である。同じ材料を使用して、４つのランディングパッド５５〜５８、及び４つのＬＥＤの下方の第１のＴＩＭ層２７を作製する。各ＬＥＤダイの下方の第１の層２７上には、熱伝導材料の第２の層２８が堆積し、これは図９の視野では見えない。ＬＥＤダイ５１及び５４は、ランディングパッド５５と５８の間に電気的に直列に接続される。２つのワイヤボンドが、各ＬＥＤをランディングパッド及びもう一方のＬＥＤダイに接続する。例えば、ワイヤボンド５９及び６０は、ＬＥＤダイ５１をランディングパッド５５に接続する。点線の円は、シリコンレンズ３０が基板２２上の構成部品を封入する範囲を示す。レンズ３０は、ランディングパッド５５〜５８のほぼ中間まで広がる。レンズ３０の直径は、発光光の大部分が、レンズから光が放射するのに必要な臨界角の範囲内でレンズ３０の表面に到達できるように、ＬＥＤダイの２×２アレイの各辺の長さの約２倍である。
フォトン構成ブロック５０を使用して、単一のフォトン構成ブロックを有する個別発光体、及び複数のフォトン構成ブロックを有するアレイ製品の両方を作製することができる。相互接続構造２１は、フォトン構成ブロック５０を複数の異なる個別発光体製品に組み込むように容易に成形又は構成することができる。相互接続構造２１をボルト３８によってヒートシンク３７に取り付けるためのボルト穴は、フォトン構成ブロック５０の設計を変更することなく容易に位置変更することができる。また、ＬＥＤダイに電気的に結合する導電体は、成形相互接続デバイスの表面上に導電路を描くようにレーザーを用いて容易にリトレースすることができる。従って、フォトン構成ブロック５０を用いて新たな発光体製品を作製する毎に、新たな発光体を試験して合格とする必要はない。
図１０は、４つのＬＥＤダイ５１〜５４を取り囲む２つのランディングパッド６２〜６３のみを有するフォトン構成ブロック６１の上面図である。図９のフォトン構成ブロック５０と同様に、ランディングパッド６２〜６３及び４つのＬＥＤの下方の第１のＴＩＭ層２７は、Ｃｕ−Ｎｉ−Ａｕ合金又はＣｕ−Ｎｉ−Ａｇ合金などの同じ材料で作製される。ランディングパッド６２〜６３は、基板２２の４つの角部に延びる箇所を有する。ＳＡＣリフローでは、この基板２２の角部の方にランディングパッド５５〜５８よりも広がる半田合金が、基板２２をより正確に相互接続構造２１のコンタクトパッドの下方に位置合わせする。しかしながら、ランディングパッド６２〜６３のコンタクトパッドの下方の表面積が狭いことにより、ランディングパッドとコンタクトパッドの間の機械的接続は弱くなる。
図１１Ａは、図９のフォトン構成ブロック５０を別のフォトン構成ブロック６４とともにアレイ製品に組み込んだ上面図である。成形相互接続デバイス６５が、フォトン構成ブロック５０及び６４を１×２アレイ内の適所に保持する。ＭＩＤ６５の領域は、平行斜線で示している。ＭＩＤ６５は６つのリップ部を有し、これらのリップ部は、フォトン構成ブロック５０及び６４の角部の上に広がってこれらの角部を適所に保持する。例えば、ＭＩＤ６５のリップ部３９は、基板２２の右上の角部の上に広がり、このリップ部３９の下側のコンタクトパッドは、半田又は接着剤を用いてランディングパッド５５の一部に電気的及び機械的に接続される。ＭＩＤ６５は、フォトン構成ブロック５０の左上の角部及びフォトン構成ブロック６４の右上の角部の両方の上に広がる別のリップ部６６も有する。リップ部６６の下方の別個のコンタクトパッドが、フォトン構成ブロック５０のランディングパッド５６及びフォトン構成ブロック６４のランディングパッド６７に接合する。ＭＩＤ６５は、このアレイ製品をヒートシンク３７に取り付けるボルト３８のための４つの穴６８を有する。
図１１Ｂは、図１１Ａに示す１×２アレイ製品の線Ｂ−Ｂを通る断面図である。図１１Ｂには、リップ部３９の下側のコンタクトパッド３１をランディングパッド５５に電気的及び機械的に接続する方法を示している。図１１Ｂには、リップ部６６の下方のコンタクトパッドがランディングパッド５６及び６７に接合する部分も示している。図１１Ｃは、図１１Ａに示す１×２アレイ製品の線Ｃ−Ｃを通る断面図である。図１１Ｃの断面では、ＭＩＤ６５のコンタクトパッドは見えない。
図１２Ａ〜図１２Ｂに、図１１Ａのランディングパッド５５とコンタクトパッド３１の接続をより詳細に示す。コンタクトパッド３１は、下方のランディングパッド５５の角部と同じ輪郭形状を有する。上部のコンタクトパッドが下方のランディングパッド上の半田と位置合わせされた状態で半田リフロー処理を行うことができ、又はこの処理を逆にすることもできる。図１１Ｂの構造を逆にして、コンタクトパッド上にランディングパッドが存在し、コンタクトパッド上の融解した半田に位置合わせされるようにすることもできる。
ＳＡＣリフロー処理では、ランディングパッド５５上のＳＡＣ半田が融解すると、この半田がコンタクトパッド３１の金属を湿らせる。そして、この融解したＳＡＣ半田の表面張力により、コンタクトパッド３１が、ランディングパッド５５の同じ形状の部分上に引き込まれる。これにより、基板２２の角部の４つのランディングパッドの各々が、同じ形状のコンタクトパッドの方に引き込まれ、フォトン構成ブロック５５がＭＩＤ６５のフレーム内に位置合わせされる。ＳＡＣ半田が冷えて固化すると、ランディングパッドとコンタクトパッドの間に接合が形成される。フォトン構成ブロックは、ランディングパッドとコンタクトパッドの間の半田接合により適所に保持されて、アレイ製品をヒートシンクに取り付けていない場合でも、基板の底面がＭＩＤ６５の底面３５と実質的に同一平面上に存在するようになる。このアレイ製品は、ヒートシンクなどのいずれのサブマウントにも取り付けずに出荷することができる。ランディングパッドとコンタクトパッドの間の接合は、大抵の場合に出荷時に遭遇する振動及び衝撃にもかかわらずアレイ製品の機械的完全性を維持するほど十分に強い。
図１２Ａには、第１のＬＥＤダイ５１に電気的に結合された、ＭＩＤ６５の上面上の導電体６９も示している。導電体６９は、レーザーによって切除された経路をめっきすることにより形成された金属トレースである。金属トレース６９は、固体金属ビア７０、コンタクトパッド３１、半田４８又はＡＣＦ接着剤、ランディングパッド５５及びワイヤボンド５９〜６０を介してＬＥＤダイ５１に電気的に結合される。破線は、シリコンレンズ３０の範囲を示す。
図１２Ｂには、下方のフォトン構成ブロック５０のランディングパッド５５を除いた図１２Ａのコンタクトパッド３１を示している。コンタクトパッド３１の周囲の三角形の平行斜線領域は、フォトン構成ブロック５０の基板２２の右上の角部上に広がるリップ部３９である。図１２Ｂには、基板２２の右下の角部上に広がるＭＩＤ６５のリップ部７１も示している。ＭＩＤ６５の格子パターンで示す領域は、相互接続構造の上面３３から底面３５まで液晶ポリマーで満たされる。
図１３は、図９のフォトン構成ブロック５０を他の３つのフォトン構成ブロックとともにアレイ製品に組み込んだ斜視図である。成形相互接続デバイス７２が、フォトン構成ブロックを２×２アレイ内の適所に保持する。相互接続構造７２は、中央アイランド７３を支持するフォトン構成ブロック間のブリッジを含み、この中央アイランド７３の下方では、４つのフォトン構成ブロックの内側ランディングパッドにコンタクトパッドが付着する。ＭＩＤ７２は成形処理で形成されるので、非平面表面が容易に作製される。ＭＩＤ７２は、フォトン構成ブロックの周囲に、金属フィルムなどの反射性材料でコーティングされた湾曲壁７４を有する。これらの湾曲壁は、フォトン構成ブロックから発光された光に放物反射を与えるように成形することができる。この湾曲壁上には、コンタクトパッドに接続する導電体（図１３には図示せず）がレーザーで描かれ、金属化浴中でめっきされる。これらの導電体は、図３〜図４に示すように、スルーホールビア又は中空ビアによってコンタクトパッドに接続される。図１３には、相互接続構造によって支持された２×２アレイのフォトン構成ブロックのデバイスを示しているが、フォトン構成ブロック間のブリッジを使用して、同様に他の寸法のアレイを作製することもできる。
図１４は、キャリア基板上に１又はそれ以上のＬＥＤチップを装着した同じ標準化されたフォトン構成ブロックを用いて個別発光体及びアレイ製品の両方を作製する方法のステップ７５〜８１を示すフローチャートである。この方法を使用して、並列又は直列などのあらゆる構成でフォトン構成ブロックを接続し、結果として得られるアレイ製品の所望の光出力及び電力消費を達成することができる。この方法では、フォトン構成ブロックが、最終的な照明製品の他の構造に電気的、機械的及び熱的に容易に接続される。電源への電気的接続を容易に構成することができる。フォトン構成ブロックの向きを、照明製品の反射体及びレンズと容易に合わせることができる。相互接続構造を照明製品に機械的に接続するボルトの位置を、フォトン構成ブロックを変更することなく容易に再構成することができる。また、相互接続構造を、数多くのヒートシンクに熱的に接続するように容易に構成することができる。
最初のステップ７５において、第１のフォトン構成ブロック５０のキャリア基板２２上に発光ダイオードダイ５１を装着する。基板２２は、その上面２５から底面２６に抜ける導電体を有していない。ＬＥＤダイ５１は、第１のＴＩＭ層２７及び第２のＴＩＭ層２８を用いて基板２２に取り付けられる。基板２２の上面２５上のランディングパッド５５は、第１のＴＩＭ層２７と同じ材料から同じ工程で作製される。
ステップ７６において、相互接続構造６５のリップ部３９の下側に配置されたコンタクトパッド３１の下方に、これに隣接させてランディングパッド５５を配置する。その際、リップ部３９を、基板２２の上面２５上かつ基板２２の側面境界内に配置する。ステップ７６の最後に、相互接続構造６５内にフォトン構成ブロックを配置する。
ステップ７７において、ランディングパッド５５をコンタクトパッド３１に接合することにより、相互接続構造６５の導電体３２をＬＥＤダイ５１に電気的に接続する。これらのパッドは、半田又はＡＣＦ接着剤のいずれかによって接合される。半田を使用する場合には、ランディングパッドが金属コンタクトパッドと位置合わせされるようにしてランディングパッド５５上の金属合金を加熱することにより、ランディングパッド５５をＬＥＤダイ５１に電気的に接続する。異方性導電接着剤フィルム（ＡＣＦ）技術を使用してパッドを接合する場合には、フォトン構成ブロックを相互接続構造６５内に正確に位置決めし、加熱によりＡＣＦ接着剤が硬化すると、ランディングパッド５５がコンタクトパッド３１に接合される。ランディングパッド５５をコンタクトパッド３１と位置合わせして接合した後、基板２２の底面２６は、相互接続構造６５の底面３５と実質的に同一平面上にある。
ステップ７８において、図１４の方法を使用してアレイ製品を作製する場合、第２の基板の上面上に相互接続構造６５の第２のリップ部６６を配置し、リップ部６６の下側に取り付けられた第２のコンタクトパッドの下方に、これに隣接させて第２のランディングパッド６７を配置する。第２の基板は、第２のフォトン構成ブロック６４の一部であり、第１の基板２２の寸法と実質的に同一の寸法を有する。第２の基板上に配置された第２のＬＥＤダイは、第１の基板２２上のＬＥＤダイ５１の寸法と実質的に同一の寸法を有する。
ステップ７９において、図１４の方法を使用してアレイ製品を作製する場合、リップ部６６の下側に取り付けられた第２のコンタクトパッドに第２のランディングパッド６７を接合することにより、第２の基板上に配置された第２のＬＥＤダイに相互接続構造６５の第２の導電体を電気的に接続する。例えば、ＳＡＣリフロー処理を使用して、又は異方性導電接着剤を使用して、ランディングパッド６７を第２のコンタクトパッドに接合することができる。第２の基板の上面上に第２のリップ部６６を配置し、リップ部６６の下側のコンタクトパッドにランディングパッド６７を接合した後、第２の基板の底面は、相互接続構造６５の底面３５と実質的に同一平面上にある。
ステップ８０において、ヒートシンク３７の上面上に熱伝導材料３６を配置する。ヒートシンク３７の上面は、基板２２の下方及び基板を直接取り囲む領域を除き、平面である必要はない。例えば、ヒートシンク３７の上面を、大部分が湾曲した照明器具の表面とすることができる。同様に、基板２２の底面３５及び相互接続構造６５の底面も、基板２２の直近を除き、同一平面上にある必要はない。
ステップ８１において、熱伝導材料３６が基板２２の底面２６及び相互接続構造６５の底面３５の両方に接触するように、熱伝導材料３６の上に基板２２及び相互接続構造６５を配置する。図１４の方法を使用してアレイ製品を作製する場合、熱伝導材料３６がフォトン構成ブロック６４の第２の基板の底面に接触するように、熱伝導材料３６の上に第２の基板を配置することもできる。図１４の方法を使用して、図１３に示すアレイ製品のような２つよりも多くのフォトン構成ブロックを有するアレイ製品を作製することもできる。
以上、説明目的でいくつかの特定の実施形態を説明したが、本特許文書の教示は一般的適用性を有しており、上述した特定の実施形態に限定されるものではない。従って、特許請求の範囲に示す本発明の範囲から逸脱することなく、上述した実施形態の様々な特徴部の様々な修正、適合及び組み合わせを実施することができる。
２０：フォトン構成ブロック
２１：相互接続構造
２２：基板
２３：ダイ
２４：ランディングパッド
２５：基板上面
２６：基板底面
２７：第１の層
２８：第２の層
２９：ワイヤボンド
３０：レンズ
３１：コンタクトパッド
３２：導電性トレース
３３：相互接続構造上面
３４：スルーホールビア
３５：相互接続構造底面
３６：第３の層
３７：ヒートシンク
３８：ボルト
４８：半田

Claims (21)

  1. 第１の発光ダイオード（ＬＥＤ）ダイと、
    上面及び底面を有し、前記第１のＬＥＤダイの下方に配置され、前記上面から前記底面に抜ける導電体を有していない第１の基板と、
    導電体及び底面を有する相互接続構造と、
    を備え、前記相互接続構造の前記底面と前記第１の基板の前記底面とが実質的に同一平面上にあり、前記相互接続構造の前記導電体が前記第１のＬＥＤダイに電気的に結合される、
    ことを特徴とするデバイス。
  2. 前記第１の基板の前記上面上に配置されたランディングパッドと、
    前記相互接続構造のリップ部の下側に配置されたコンタクトパッドと、
    をさらに備え、前記ランディングパッドと前記コンタクトパッドは、半田又は接着剤によって取り付けられる、
    ことを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
  3. 前記第１の基板が側面境界を有し、前記相互接続構造がリップ部を有し、該リップ部は、前記側面境界内で前記第１の基板の上に広がる、
    ことを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
  4. 前記第１の基板の寸法と実質的に同一の寸法を有する第２の基板と、
    前記第２の基板上に配置された第２のＬＥＤダイと、
    をさらに備え、前記第２のＬＥＤダイは、前記第１のＬＥＤダイの寸法と実質的に同一の寸法を有し、前記第２の基板の前記上面から前記第２の基板の前記底面に抜ける導電体が存在せず、前記相互接続構造の前記底面と前記第２の基板の前記底面とが実質的に同一平面上にあり、前記相互接続構造の第２の導電体が前記第２のＬＥＤダイに電気的に結合される、
    ことを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
  5. 前記相互接続構造は、成形相互接続デバイス（ＭＩＤ）、ＦＲ−４エポキシ回路基板、及びリードフレーム構造からなる群から選択される、
    ことを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
  6. 固体金属で作製された、上面を有するヒートシンクと、
    熱伝導材料と、
    をさらに備え、前記第１の基板の前記底面が前記熱伝導材料に接触し、前記ヒートシンクの前記上面が前記熱伝導材料に接触する、
    ことを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
  7. 前記相互接続構造の前記底面は、前記熱伝導材料に接触する、
    ことを特徴とする請求項６に記載のデバイス。
  8. 異方性導電接着剤をさらに備え、前記相互接続構造の前記導電体は、前記異方性導電接着剤を介して前記第１のＬＥＤダイに電気的に結合される、
    ことを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
  9. 前記異方性導電接着剤は、前記相互接続構造を前記第１の基板に機械的に接続する、
    ことを特徴とする請求項８に記載のデバイス。
  10. ランディングパッドが配置された上面及び底面を有し、該上面から該底面に抜ける導電体を有していない基板上に発光ダイオード（ＬＥＤ）ダイを装着するステップと、
    前記ランディングパッドを、底面を有する相互接続構造のリップ部の下側に配置されたコンタクトパッドに隣接させて配置し、位置合わせ後に前記相互接続構造の前記底面と前記基板の前記底面とが同一平面上にくるようにするステップと、
    前記ランディングパッドを加熱して、該ランディングパッドが前記コンタクトパッドに位置合わせされるようにするステップと、
    を含むことを特徴とする方法。
  11. 前記相互接続構造は導電体を含み、前記加熱後に、前記相互接続構造の前記導電体が前記ＬＥＤダイに電気的に結合される、
    ことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
  12. 前記基板は側面境界を有し、前記ランディングパッドを前記コンタクトパッドに隣接させて配置するステップは、前記リップ部を前記基板の前記側面境界内に配置するステップを含む、
    ことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
  13. 前記相互接続構造は、成形相互接続デバイス（ＭＩＤ）、ＦＲ−４エポキシ回路基板、及びリードフレーム構造からなる群から選択される、
    ことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
  14. ヒートシンクの上面上に熱伝導材料を配置するステップと、
    前記熱伝導材料の上に前記基板及び前記相互接続構造を配置して、前記熱伝導材料が、前記基板の前記底面及び前記相互接続構造の前記底面の両方に接触するようにするステップと、
    をさらに含むことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
  15. 上面、底面及び側面境界を有し、前記上面から前記底面に抜ける導電体を有していない第１の基板上に第１の発光ダイオード（ＬＥＤ）ダイを装着するステップと、
    底面を有する相互接続構造の第１のリップ部を、前記第１の基板の前記上面上かつ前記側面境界内に配置し、前記上面上に前記第１のリップ部を配置した後に、前記相互接続構造の前記底面と前記第１の基板の底面とが実質的に同一平面上にくるようにするステップと、
    前記相互接続構造の導電体を前記ＬＥＤダイに電気的に接続するステップと、
    を含むことを特徴とする方法。
  16. 第２の基板の上面上に前記相互接続構造の第２のリップ部を配置し、前記第２の基板の前記上面上に前記第２のリップ部を配置した後に、前記相互接続構造の前記底面と前記第２の基板の底面とが実質的に同一平面上にくるようにするステップと、
    前記相互接続構造の第２の導電体を、前記第２の基板上に配置された第２のＬＥＤダイに電気的に接続するステップと、
    をさらに含み、前記第２の基板は、前記第１の基板の寸法と実質的に同一の寸法を有し、前記第２のＬＥＤダイは、前記第１のＬＥＤダイの寸法と実質的に同一の寸法を有する、
    ことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
  17. 前記相互接続構造は、成形相互接続デバイス（ＭＩＤ）、ＦＲ−４エポキシ回路基板、及びリードフレーム構造からなる群から選択される、
    ことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
  18. ヒートシンクの上面上に熱伝導材料を配置するステップと、
    前記熱伝導材料の上に前記第１の基板及び前記相互接続構造を配置して、前記熱伝導材料が、前記第１の基板の前記底面及び前記相互接続構造の前記底面の両方に接触するようにするステップと、
    をさらに含むことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
  19. 発光ダイオード（ＬＥＤ）ダイと、
    上面、底面及び側面境界を有し、前記ＬＥＤダイの下方に配置され、前記上面から前記底面に抜ける導電体を有していない基板と、
    前記基板の前記側面境界の外側に位置する導電体に前記ＬＥＤダイを電気的に結合する手段と、
    を備え、前記手段は、前記基板の前記底面と実質的に同一平面上にある底面を有する、
    ことを特徴とするデバイス。
  20. 前記基板の前記上面上に配置されたランディングパッドをさらに備え、前記手段は、半田又は接着剤によって前記ランディングパッドに取り付けられる、
    ことを特徴とする請求項１９に記載のデバイス。
  21. 前記基板の前記上面上に配置されたランディングパッドをさらに備え、前記ランディングパッドと前記コンタクトパッドの間に配置された半田が加熱されると、前記ランディングパッドが、前記基板を前記手段上のコンタクトパッドに位置合わせする、
    ことを特徴とする請求項１９に記載のデバイス。
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