JP6032768B2 - Ｌｅｄマトリクスの製造方法及びｌｅｄマトリクスを有する装置 - Google Patents

Description

本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）照明装置の分野、より具体的には、大面積ＬＥＤ照明装置のための発光ダイオード（ＬＥＤ）マトリクスの製造方法及び対応する照明装置に関する。

大面積照明装置における発光ダイオード（ＬＥＤ）は、しばらく前から使用されており、多数のＬＥＤが、大面積にわたって均一に照明を提供するために、アレイ又はマトリクスとして配置されている。通常、ＬＥＤは、従来の表面実装技術を用いて、プリント回路基板（ＰＣＢ）の上に配置されている。しかしながら、最近は、大面積ＬＥＤアレイを提供するための別のタイプのソリューションが提案されている。

ＷＯ ２００７／１２５５６６ Ａ１は、Ｎ個の導電性ワイヤが並列に配置されて、ワイヤの長手方向に垂直な幅Ｄを有するワイヤのアレイを作るＬＥＤアレイの製造方法を開示する。更に、ＬＥＤコンポーネントは、各ＬＥＤコンポーネントが少なくとも２つの隣接するワイヤに電気的に接続されるようにワイヤのアレイに配置され、その後で、ワイヤのアレイは、アレイの幅が増加するようにストレッチされる。ワイヤを接続するためには、ＬＥＤコンポーネントはそれぞれ、スナップロックで、又は、はんだ付け、糊付け、圧接接続（ＩＤＣ）若しくはそれに類似する手段で、プリント回路基板又はリードフレームに配置される。提案される方法は、広い照明領域が重要であるアプリケーションに対して低コストソリューションを提供する。しかしながら、小型のコンポーネントをワイヤに実装することは難しく、提案される方法は、ワイヤを、コンポーネントの実装後に取り除かれる一時的なキャリアの上に置かなければならないことを要する。

上記観点から、本発明の目的は、代替的かつ改善されたＬＥＤアレイの製造方法を提供することであり、及び上記に検討された問題を少なくとも軽減することである。

この目的は、請求項１に規定されるように本発明によるＬＥＤマトリクスの製造方法によって達成される。それゆえ、本発明の態様によると、導体シートに第１の所定のパターンを提供するステップと、複数のＬＥＤを第１の導体構造の各コンポーネント領域に実装し、これによってサブアセンブリを形成するステップと、第２の導体構造を提供するためにサブアセンブリをトリミングするステップと、サブアセンブリをストレッチングし、これによって接続トラックをまっすぐにするステップとによって、蛇行する接続トラックと相互接続された複数のコンポーネントを有する第１の導体構造を提供するステップを有する発光ダイオード（ＬＥＤ）マトリクスの製造方法が提供される。第２の導体構造は、ｍｘｎの導体マトリクスがストレッチングのステップ中に形成されるように配置される。従って、第１のステップにおいて、導体構造が導電性シート材料から得られる大面積ＬＥＤマトリクスの効率的な製造方法が提供される。前記シート材料は、有利にはロールから供給され、第１の導体構造は、導体シートの一体性を維持しながら機械的に打ち出される。これにより、ＬＥＤを各コンポーネント領域の上に実装するために、パターン化された導体シートを標準のはんだ付け（又は選択的に糊付け）による選択及び配置の工程に供給することができる。ブリッジ部を支配する任意の一体性を解放するために、例えばレーザー・カッティング、あるいはパンチング及び／又はカッティングを用いて、導体シートをトリミングした後、導体構造は、蛇行する接続トラックがまっすぐにされ、大面積マトリクスが形成されるようにストレッチされる。従って、前記方法は、低コストで大量生産するのに非常に有利な標準的なコンポーネント実装設備を用いる機械的リール・ツー・リール工程に好適である。更に、例えば高密度の組み立てにおいてコンポーネントの実装を行うことによって、最終のＬＥＤマトリクスの大面積を提供しながら、実装設備の効率的な時間及びスペースの利用が提供される。本概念に伴う更なる有利な点は、従来技術のワイヤソリューションと比較すると、２つより多い接続パッドを持つＬＥＤ（又は他のコンポーネント）は、第１の所定のパターンがこのようなコンポーネントに適応しているときに、サブアセンブリの上に実装可能である点である。

前記方法の実施態様では、ストレッチングの前に、追加のコーティング及び／又は光学素子が付与される。リードフレームの局部的なベンディングも行うことができ、これは例えばＬＥＤの向きを変更するのに有益となりうる。

実施態様によると、前記方法は、更に、ストレッチされたサブアセンブリを基板の上に配置するステップを含む。（ＰＣＢベースのＬＥＤマトリクスを使用するときとは対照的に）従来の基板からＬＥＤマトリクスの生産を分離することによって、ＬＥＤマトリクスが実装される基板をより自由に選択することができる。

この基板は、リフレクタとして、及び、金属の場合には追加のヒートシンクとして働くことができる。

前記方法の１つの実施形態によると、第１の所定のパターンは、第１又は第２の導体構造内に少なくとも１つのサーマルパッド領域を提供するために選択され、これは熱放出が容易になった所定の領域を、ＬＥＤ導体マトリクスの中に一体化させるのに有利である。

１つの実施態様によると、少なくとも１つのサーマルパッド領域がコンポーネント領域、又は接続トラックに配置される。サーマルパッドの領域は、好ましくはＬＥＤ又はＬＥＤが配置されたコンポーネントを冷却するのに十分な熱放出を提供するために選択される。前記方法（及び対応して生産されたＬＥＤ導体マトリクス及びＬＥＤ導体マトリクスが配置された照明装置）の実施形態によると、ＬＥＤ又はコンポーネントに配置されたサーマルパッドの領域は、コンポーネントの異なる側で異なるサイズとなるように配置され、これは例えばコンポーネントが非対称的に熱を放出するときに、又はコンポーネント／ＬＥＤ相互接続パッドの１つが、（材料の選択、電気的設計における位置、基板上の位置などのために）他のパッドよりも多くの熱を放出する場合に有利である。

１つの実施態様によると、前記方法は、更に、１ｘ１ｘ１ｍｍ未満のサイズのＬＥＤ又はＬＥＤパッケージを受け入れるためのコンポーネント領域に少なくとも１つの凹部を提供するステップを有する。これは、ウエハレベルチップサイズパッケージ（Wafer Level Chip Scale Package）ＷＬＣＳＰに適合でき、市場で最も安価なＬＥＤパッケージになることが期待される。

１つの実施形態によると、実装のステップは、はんだ領域を第１の導体構造の上に規定するステップと、はんだをはんだ領域に付与するステップと、ＬＥＤを各コンポーネント領域に配置するステップと、はんだ付けを実行するステップとを有し、これは有利である。

１つの実施態様によると、第１又は第２の導体構造は、例えばホールのようなアライメント機能及び／又はストレッチアライメント機能で配置される。

１つの実施形態によると、前記方法は、更に、スプリッティング、又は所定の輪郭へのサブアセンブリのトリミングの１つを用いて、サブアセンブリの機械的変形を提供するステップを有する。

１つの実施形態によると、前記方法は、更に、少なくとも１つのＬＥＤの所定の照射方向を提供するために、少なくともサブアセンブリの一部を変形するステップを有する。例えば、特定のＬＥＤが配置される部分は、ＬＥＤのための所定の照射方向を提供するために曲げられてもよく、これによって上面発光ＬＥＤを側面発光ＬＥＤとして使用することを可能とする。

１つの実施態様によると、前記方法は、更に、光学特性、コンポーネント・インターコネクト・ボードの機械的固定、追加のコンポーネントの機械的固定、熱特性、及びコネクタの機能性のうちの１つを提供するためにサブアセンブリの変形を提供するステップを有する。

１つの実施態様によると、第１の所定のパターン及び第２の導体構造の少なくとも１つを提供するステップは、エッチング、カッティング、パンチング、スリッティング、又はレーザー・カッティングを用いて行われる。

本発明の第２及び第３態様によると、本発明による方法で生産されたＬＥＤマトリクス及びこのようなＬＥＤマトリクスを有する大面積照明装置が提供される。これらは、前記方法を参照して上述したように、同じ利点を有し、例えば基板に実装する前の回路の分離処理は、照明装置に、より最適化された基板を提供することを可能にする。更に、本方法によって生産されたＬＥＤマトリクスは、（例えば、前述のように今もなおサイズが限定され、生産コストが高い非常に大型のＰＣＢの使用か、あるいは、個々のＰＣＢ同士の間に相互接続ライナーを備えるＰＣＢのアレイの使用か、のいずれかを必要とする標準ＰＣＢソリューションを有する大面積照明と比較すると、）マトリクスのサブポーション同士の間の相互接続を必要とすることなく、非常に大型に作ることができる。

説明された発明は、ＬＥＤ製品に広く適応可能であるが、特に、数ｍ^２まで計測可能な実に大型のＬＥＤモジュール及びランプにとって興味深い。他の目的、特徴及び有利な点も、図からだけでなく、以下の詳細な開示、添付された従属請求項からも明らかになるだろう。

上記は、本発明の追加の目的、特徴及び有利な点と共に、下記の本発明の好ましい実施形態の図示された及び非限定の詳細な説明を通して、同一の符号が同じ要素に対して使用されている添付の図を参照して、一層よく理解できるであろう。

異なる製造ステップ中の本発明によるＬＥＤマトリクスの略平面図の一つである。 異なる製造ステップ中の本発明によるＬＥＤマトリクスの略平面図の一つである。 異なる製造ステップ中の本発明によるＬＥＤマトリクスの略平面図の一つである。 異なる製造ステップ中の本発明によるＬＥＤマトリクスの斜視図の一つである。 異なる製造ステップ中の本発明によるＬＥＤマトリクスの斜視図の一つである。 本発明によるＬＥＤマトリクスの実施形態の詳細な略図の一つである。 本発明によるＬＥＤマトリクスの実施形態の詳細な略図の一つである。 本発明によるＬＥＤマトリクスの実施形態の詳細な製造ステップの略図の一つである。 本発明によるＬＥＤマトリクスの実施形態の詳細な製造ステップの略図の一つである。 本発明によるＬＥＤマトリクスの実施形態の詳細な製造ステップの略図の一つである。 本発明によるＬＥＤマトリクスの実施形態の詳細な製造ステップの略図の一つである。

本発明によるＬＥＤマトリクスの製造方法の例示的な実施形態は、図１ａ）乃至ｅ）を参照して説明される。前記方法のステップは、連続する順序で説明されるが、いくつかのステップは別の順番で行ってもよく、又はいくつかの追加の工程ステップを挟んでもよい。ＬＥＤマトリクスの導体構造は、以下リードフレームとしても言及される。

ここで、図１ａ）を参照すると、前記方法のステップ［１１００］に始まり、導体シート１５０が最初に提供される。導体シートは、好ましくは、銅（Ｃｕ）、白銅（Ｃｕ／Ｎｉ）、パーマロイ（Ｎｉ／Ｆｅ）、銅（Ｃｕ）めっき鉄（Ｆｅ）、銅（Ｃｕ）めっきＲＶＳ（ステンレス鉄）、錫めっき鉄（Ｆｅ）、及び金属めっきポリマを含む金属シート用材料のグループの中から選択される。導体シート１５０は、ここで２００μｍ厚の銅シートである。

第１の所定のパターン１１５は、ステップ［１１０１］で導体シート１５０に付与され、これによって、必要な一体性を維持しながら、特定の機械的及び電子的レイアウトに対応する第１の導体構造１００を形成する。第１の所定のパターンを提供するステップ［１１０１］は、ここで、レーザー・カッティングを用いて行われる。任意で、導体シート１００内の第１の所定のパターン１１５は、パンチング、又はマスキング及びエッチング工程を用いて提供される。第１の所定のパターン１１５は、ＬＥＤ１２０の電気的および機械的接続専用の複数のコンポーネント領域１１１を提供するために選択される。各コンポーネント領域１１１は、ギャップΔによって隔てられた接続パッド１１１ａ、１１１ｂの一対を有する。コンポーネント領域１１５は、更に、ストレッチされたときにＬＥＤマトリクスのための電気回路を形成するようにデザインされた蛇行接続トラック１１６を介して相互接続される。

標準のＬＥＤマトリクスに対しては、電気回路の一連の並列構成が提供され、これはＬＥＤの故障を許容するのに有利である。つまり、ＬＥＤマトリクスの電気回路内のオープン回路又はショート回路から発生する故障は、アレイ内の１行にのみ影響を及ぼすので、ＬＥＤマトリクスが一体化される照明アプリケーションはまだ機能している。接続トラックは、ここで０．２＊０．２ｍｍの断面を有するリードに基づき、接続トラックの長さは、完成したＬＥＤマトリクスが各寸法７５ｍｍのＬＥＤピッチを有するように選択される。ＬＥＤマトリクスレイアウトのためのＬＥＤピッチは、好ましくは、５０から１００ｍｍの範囲で選択され、接続トラックの断面は、導体シートで使用される材料に依存して選択される。

図１ａ）及び１ｂ）に示されるように、第１の所定のパターン１１５は、導体シート１５０の一体性がブリッジング部１１７によって支配されるように選択される。第１の所定のパターン１１５は、ここで更に、ＬＥＤの実装中に、実装及びトリミング設備内で導体シート１５０を整列させるための導体シート１５０の端部１２５に配置されたアラインメントホール１１８、及びストレッチングツールを適応するためのアライメントホール１１９を提供するために選択され、これらは、以下、それぞれステップ［１１０２］及び［１１０４］を参照して説明される。

ここで図１ｂ）を参照すると、ステップ［１１０２］では、ＬＥＤは、サブアセンブリを形成する第１の導体構造１００に実装される。実装は、標準のＬＥＤ組立工程を用いて行ってもよい、すなわち、はんだはコンポーネント領域接続パッド１１１ａ、１１１ｂの上にスクリーン印刷され、ＬＥＤ１２０はコンポーネント領域１１１の上に配置され、ＬＥＤ１２０のはんだ付けが続き、これはリフローはんだ付け工程で行ってもよい。

ステップ［１１０３］では、第２の導体構造１００´に対応する最終の所定のパターン、すなわちＬＥＤ１２０の電子回路が、ブリッジング部１１７のトリミングによってサブアセンブリに提供される。ブリッジング部１１７が取り除かれた第２の導体構造１００´は、図１ｃ）に示されている。更に、導体シート１５０の端部１２５は、導体回路から切り落とされる。導体シートのトリミングは、例えばレーザー・カッティング又はパンチングによって行われてもよい。

連続する導体シートの上に多数のサブアセンブリを提供する工程では、例えば方法がリール・ツー・リール工程に組み込まれた時に、処理された導体シートは、多数の個々のサブアセンブリ（ＬＥＤが実装された導体構造）に分割される。

ここで図１ｄ）を参照すると、ステップ［１１０４］では、サブアセンブリ、すなわち、ＬＥＤ１２０を電気的に接続するトリミングされた蛇行接続トラック１１６を含む導体構造１００´がストレッチされ、これによって接続トラック１１６をまっすぐにする。ストレッチングは、リードフレームが２方向（ｘ，ｙ）に最終のＬＥＤマトリクスへと伸展するように、２方向に行われる。最大延伸力は、好ましくは接続トラックの断裂力よりも１０倍小さくなるように選択され、これは選択された導体シート材料及び接続トラックの選択された断面に依存する。

例示された実施形態では、蛇行する（又は折り畳まれた）導体部と相互接続された１３ｘ１３ＬＥＤを備える２００μｍ厚のエッチングされた銅シートがストレッチされ、これによって３０＊２００ｍｍの初期リードフレームサイズから６００＊６００ｍｍに伸展される。最終のＬＥＤマトリクスの領域は、従って、リードフレームの製造過程で加工寸法よりも６０倍大きくなる。それゆえ、ストレッチングの前に、スクリーン印刷によってはんだを付与すること、及び蛇行する導体部を持つリードフレームの上にコンポーネントを実装することは、非常に効率の良い、非常に有利な、大面積用ＬＥＤマトリクスの製造方法を提供する。

図１ｅ）では、最終のＬＥＤアレイ、すなわち、ストレッチされたサブアセンブリ１００´は、基板２００の上に実装され、ここで、これはタイルであり、従って照明タイル３００を形成する。最終のＬＥＤアレイは、任意の適切な基板、例えばリフレクタ又は絶縁ヒートシンクの上に配置されてもよい。本発明による照明タイルは、図１ｅ）に示されるように、好ましくは、６００＊６００から６００＊１２００ｍｍの範囲の寸法で製造される。更に、例えばヘッドライトアプリケーションのような他のアプリケーション、例えば１５０＊１５０ｍｍの寸法が好ましいＴＬレトロフィット（retrofit）に対して、本発明の概念に適応することができる。

本発明の実施形態によると、第１の所定のパターンは、サーマルパッドが導体構造内に一体化されるように選択される。サーマルパッドは、図２ａ）及び２ｂ）に示されるように、コンポーネント領域に配置されてもよい。図２ａ）において、コンポーネント領域１１１に配置された追加のサーマルパッド２１１のデザインが示されており、サーマルパッドのデザインは、低出力ＬＥＤ１２０に適応している。高出力ＬＥＤ２２０に対しては、図２ｂ）にビジュアル化されているように、より大きなサーマルパッド２１２が、ＬＥＤ２２０から熱放出を容易にするためにコンポーネント領域１１１に配置されている。

本発明の実施形態によると、ここで図３を参照すると、小型パッケージＬＥＤ３２０を実装するために、導体構造のコンポーネント領域１１１は凹部３１１を備えている。連続で実行される図３ａ）乃至３ｄ）に示されるように、ここで、導体構造のサーマルパッド２１２（導体構造の詳細のみを図示）は、コンポーネント領域１１１に配置されており、これは、初期ギャップΔを有するように配置された２つの専用接続パッド１１１ａ、１１１ｂを有する。前記ギャップΔは、その後、図３ｂ）に示されているように、鍛造工具（forging tool）４００を用いて縮小される。前記ギャップが縮小されると同時に、鍛造工具（forging tool）４００は、コンポーネント領域１１１に凹部３１１を形成する。凹部３１１のサイズは、小型パッケージコンポーネント３２０に適合するように選択され、ここで、０．５＊０．５＊０．３ｍｍのウエハレベルチップサイズパッケージ（Wafer Level Chip Scale Package）ＷＬＣＳＰに適合するように選択される。このステップは、有利には、前述のように、リール・ツー・リール工程に組み込まれる。

本発明は、主に幾つかの実施形態に関して上述された。しかしながら、当業者に容易に受け入れられているように、添付された請求項によって規定されている通り、上記に開示されたもの以外の他の実施形態も、発明の範囲内で等しく可能である。

Claims (10)

1. 導体シートに第１の所定のパターンを提供することによって、蛇行する接続トラックに相互接続された複数のコンポーネント領域を有する第１の導体構造を提供するステップと、
   前記第１の導体構造の各コンポーネント領域に複数のＬＥＤを実装し、これによってサブアセンブリを形成するステップと、
   第２の導体構造を提供するために前記サブアセンブリをトリミングするステップと、
   前記サブアセンブリをストレッチングして、これによって前記接続トラックをまっすぐにするステップと、を有し、
   前記第２の導体構造は、ｍ×ｎＬＥＤ導体マトリクスが前記ストレッチングのステップ中に形成されるように構成される、
   発光ダイオード（ＬＥＤ）マトリクスの製造方法。
2. 前記ストレッチングされたサブアセンブリを基板の上に配置するステップを更に有する、請求項１に記載の方法。
3. 前記第１の所定のパターンは、前記第１又は第２の導体構造内に少なくとも１つのサーマルパッド領域を提供するために選択される、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記少なくとも１つのサーマルパッド領域は、コンポーネント領域又は接続トラックに配置される、請求項３に記載の方法。
5. １×１×１ｍｍ未満のサイズのＬＥＤ又はＬＥＤパッケージを受け入れるための前記コンポーネント領域に少なくとも１つの凹部を提供するステップを更に有する、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記実装ステップは、
   前記第１の導体構造の上にはんだ領域を規定するステップと、
   前記はんだ領域の上にはんだを付与するステップと、
   前記ＬＥＤを各コンポーネント領域に配置するステップと、
   はんだ付けを実施するステップと、
   を有する、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記第１又は第２の導体構造は、アライメント機能部及び／又はストレッチアライメント機能部を用いて構成される、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の方法。
8. 分割、又は所定の輪郭へのサブアセンブリのトリミングのうちの１つを用いて、前記サブアセンブリの機械的変形を提供するステップを更に有する、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の方法。
9. 少なくとも１つのＬＥＤの所定の照射方向を提供するために、前記サブアセンブリの少なくとも一部を変形するステップを更に有する、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の方法。
10. 前記第１の所定のパターン及び前記第２の導体構造の少なくとも１つを提供するステップは、エッチング、カッティング、パンチング、スリッティング、又はレーザー・カッティングを用いて行われる、請求項１乃至９のいずれか一項に記載の方法。
    

Images