KR101160037B1 - 파워 표면 마운트 발광 다이 패키지 - Google Patents

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Abstract

발광 다이 패키지가 개시된다. 다이 패키지는 기판, 반사판 및 렌즈를 포함하여 구성된다. 기판은 열 전도성은 있지만 전기 절연성 재료로 만들어지거나, 열 및 전기 전도성 모두를 가지는 재료로 만들어진다. 실시 예들에서, 기판은 전기 전도성 재료로 만들어지고, 상기 기판은 상기 전기 전도성 재료 위에 형성되는 전기 절연성 및 열 전도성을 가진 재료를 더 포함한다. 기판은 마운팅 패드에 설치된 발광 다이오드(LED)와의 연결을 위한 트레이스들을 구비한다. 반사판은 기판과 연결되고 마운팅 패드를 실질적으로 둘러싼다. 렌즈는 마운팅 패드를 실질적으로 덮는다. 작동 중에 LED에서 발생되는 열은 하부 열발산판으로 작동하는 기판과 상부 열발산판으로 작동하는 반사판 모두에 의하여 LED로부터 빠져나간다. 반사판은 LED로부터 나오는 빛을 원하는 방향으로 보내기 위한 반사 면을 포함한다.

Description

파워 표면 마운트 발광 다이 패키지{POWER SURFACE MOUNT LIGHT EMITTING DIE PACKAGE}
본원출원은 반도체 장치의 패키징 분야, 더욱 상세하게는 발광 다이오드의 패키징 분야와 관련된 것이다.
발광 다이오드(LED)들은 종종 리드프레임 패키지 내에 패키징된다. 리드프레임은 통상적으로 LED를 봉입한 몰딩된 플라스틱 몸체, 렌즈 부분 및 LED와 연결되고 플라스틱 몸체의 바깥으로 뻗은 박형의 금속 리드선들을 포함한다. 리드프레임 패키지의 금속 리드선들은 LED에 전력을 공급하는 도관의 역할을 하는 동시에, LED로부터 열이 빠져나가도록 한다. 전력이 LED에 공급되어 빛이 발생하면 LED로부터 열이 발생한다. 리드선들은 리드프레임 패키지 외부의 회로와 연결되기 위하여 패키지 몸체로부터 바깥쪽으로 뻗어있다.
LED에 의해 발생된 열의 일부는 플라스틱 패키지 몸체에 의해 방산된다. 그러나 대부분의 열은 패키지의 금속으로 된 구성요소를 통해 LED로부터 빠져나간다. 금속 리드선들은 통상적으로 매우 얇고 작은 십자형 부분을 가지고 있다. 이러한 이유로 인해, LED로부터 열을 제거하기 위한 금속 리드선들의 용량은 제한된다. 이것은 LED로 보내질 수 있는 전력량을 제한하고, 이로써 LED에 의해 발생 가능한 빛의 양을 제한한다.
열 방출을 위해 LED 패키지의 용량을 증가시키기 위한 어떤 LED 패키지 설계에서는, 열발산판 슬러그(heat sink slug)가 LED 패키지 내의 금속 리드선 아래에 위치된다. 열발산판 슬러그는 열 방산을 위한 LED 패키지의 용량을 증가시키지만, 열발산판 슬러그는 패키지의 크기, 질량 및 가격을 증가시킨다. 크기, 질량 및 가격의 증가는 바람직하지 않다.
다른 LED 패키지 설계에 있어서는, 리드프레임의 리드선들이 LED 패키지 몸체의 인접한 모서리를 넘어 다양한 형태와 구조로 뻗어있다. 이것은 주위 공기로 노출되는 리드선 부분들의 표면적을 증가시킨다. 뻗친 리드선들에 의한 노출 표면적의 증가는 열 방산을 위한 LED 패키지의 용량을 증가시키지만, 뻗친 리드선들은 LED 패키지의 크기, 질량 및 가격을 증가시킨다.
통상적인 리드프레임 패키지 설계에 따른 또다른 바람직하지 않은 면은, 패키지의 열 팽창과 관계된다. 열이 발생되면, LED 패키지는 열 팽창을 겪게 된다. LED 패키지의 각 부분들은 다양한 열 팽창 계수(Coefficient of thermal expansion; CTE)를 가지고 있다. 예를 들어, LED의 CTE, 패키지 몸체의 CTE, 리드선들의 CTE, 렌즈의 CTE들은 서로 다르다. 이러한 이유로 인해, 열이 가해지면, 각 부분들은 서로 다른 정도의 열 팽창을 겪게 되고 이로 인해 패키지의 각 부분들 사이에서 기계적 응력이 생겨서 신뢰도에 불리한 영향을 끼치게 된다.
결과적으로, 종래 기술에 따른 패키지의 하나 또는 그보다 많은 단점들을 극복 또는 경감하는 개량된 LED 패키지의 필요가 있다.
본원발명의 실시 예는 발광 다이오드와 같은 반도체 다이의 패키지에 있어서, 고정 패드에 설치된 발광 다이오드와 연결되기 위해 전기 전도성 요소들을 가지는 기판, 기판과 연결되고 실질적으로 고정 패드를 둘러싸는 반사판 및 고정 패드를 실질적으로 덮는 렌즈를 포함하는 패키지를 제공한다.
본원 발명의 다른 실시 예는 하단 열발산판(heat sink)와 상단 열발산판을 포함하는 반도체 다이 패키지를 제공한다. 하단 열발산판은 상단 표면에 트레이스(trace)들이 있을 수 있다. 반도체 칩은 하단 열발산판의 상단 표면에 설치되고 그 트레이스들과 전기적으로 연결될 수 있다. 상단 열발산판은 기계적으로 하단 열발산판과 연결될 수 있다.
다른 실시 예에서는, 하단 열발산판은 제1 및 제2 표면을 가진 열 및 전기 전도성 판을 포함한다. 상기 판은 구리, 알루미늄 또는 각각의 합금과 같은 금속으로 이루어질 수 있다. 얇은 열 전도 절연성 필름은 금속 판의 제1 표면의 일부에 형성되고, 금속 판의 다른 표면들 위에 형성될 수 있다.
금속 트레이스들 및/또는 리드선들과 같은 전도성 요소들은 세라믹/폴리머 필름 위에 형성될 수 있다. 세라믹/폴리머 필름은 절연성이기 때문에, 전도성 트레이스들은 금속 판과 전기적으로 접촉하지 않는다. 전도성 요소는 LED와 같은 전자 소자를 수용하기 위해 채용된 마운팅 패드를 형성하거나 마운팅 패드와 전기적으로 연결될 수 있다.
어떤 실시 예에서는, 하나 또는 그보다 많은 비아 홀(via hole)들이 기판을 관통하도록 형성될 수 있다. 어떤 실시 예에서는, 비아 홀들의 안쪽으로 세라믹/폴리머 필름과 같은 절연성 재료로 코팅될 수 있다. 전기 전도성 트레이스들과 같은 전기적 도체들은 비아 홀들의 내부에 형성되어 기판의 제1 표면 위의 전도성 요소들을 기판의 제2 표면 위의 전도성 요소들과 전기적으로 연결시킨다.
본원 발명의 실시 예에 따른 기판은 또한, 정전기 방전(electro-static discharge; ESD) 및/또는 과전압 방지를 위한 하나 또는 그보다 많은 전도성 요소들 사이를 연결하는 제너 다이오드 및/또는 저항기 네트워크 전기 회로를 포함할 수 있다.
본원 발명의 다른 면들 및 이점은 다음의 상세한 설명과 함께 발명의 원리의 실례를 보여주는 첨부된 관련 도면에 의하여 분명해질 것이다.
도 1A는 본원 발명의 일 실시 예에 따른 반도체 다이 패키지를 나타낸 사시도;
도 1B는 도 1A의 반도체 다이 패키지를 나타낸 분해 사시도;
도 2A는 도 1A의 반도체 다이 패키지를 나타낸 평면도;
도 2B는 도 1A의 반도체 다이 패키지를 나타낸 측면도;
도 2C는 도 1A의 반도체 다이 패키지를 나타낸 정면도;
도 2D는 도 1A의 반도체 다이 패키지를 나타낸 저면도;
도 3은 도 1A의 반도체 다이 패키지를 나타낸 측단면도;
도 4는 추가적인 요소를 구비한 도 1A의 반도체 다이 패키지를 나타낸 측면도;
도 5는 본원 발명의 다른 실시 예에 따른 반도체 다이 패키지를 나타낸 분해 사시도;
도 6A는 도 5의 반도체 다이 패키지를 나타낸 평면도;
도 6B는 도 5의 반도체 다이 패키지를 나타낸 측면도;
도 6C는 도 5의 반도체 다이 패키지를 나타낸 정면도;
도 6D는 도 5의 반도체 다이 패키지를 나타낸 저면도;
도 7A는 본원 발명의 다른 실시 예들에 따른 반도체 다이 패키지의 일부를 나타낸 평면도;
도 7B는 도 7A의 반도체 다이 패키지의 일부를 나타낸 정면도;
도 7C는 도 7A의 A-A선을 따라 자른 반도체 다이 패키지의 일부를 나타낸 정단면도;
도 8은 본원 발명의 다른 실시 예에 따른 반도체 다이 패키지의 일부를 나타낸 측면도;
도 9는 본원 발명의 다른 실시 예에 따른 반도체 다이 패키지의 일부를 나타낸 측면도;
도 10A는 본원 발명의 다른 실시 예에 따른 반도체 다이 패키지의 일부를 나타낸 평면도;
도 10B는 본원 발명의 다른 실시 예에 따른 반도체 다이 패키지의 일부를 나타낸 평면도이다.
이하에서 본원 발명은 본원 발명의 다양한 실시 예들을 도시한 도 1 내지 10B를 참고로 하여 설명된다. 도면들에 도시된 바와 같이, 층(layer)들 또는 부분들의 크기는 본원 발명의 일반적인 구조를 설명하기 위한 설명의 목적 때문에 과장되게 표현되었다. 또한, 본원 발명의 다양한 면들은 기판 또는 다른 층이나 구조 위에 형성된 층 또는 구조와 관련하여 기술되었다. 당해 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 이해될 것과 같이, 다른 층이나 기판 "위에" 형성되는 층과 관련해서는 추가적인 층들이 삽입될 수 있다고 보기로 한다. 삽입 층이 없는 다른 층 또는 기판 위에 형성되는 층에 대해서 여기에서는 층 또는 기판의 "직접 위에" 형성된다고 기술된다. 또한, "밑에"와 같은 상대적인 용어들은 여기에서는 도면에 도시된 바와 같이 다른 층 또는 부분과의 관계에서 하나의 층 또는 부분들로 사용된다. 이는 이 용어들은 도면에 그려진 방향에 더하여 장치의 다양한 방향들을 포함하려는 의도로 사용된 것이라고 이해될 수 있을 것이다. 예를 들어, 설명의 목적을 위한 도면들에 나타난 바와 같이, 본원 발명의 실시 예들은 마운팅 패드에 설치된 발광 다이오드와의 연결을 위한 트레이스들을 가지는 하단 열발산판(기판)과 실질적으로 마운팅 패드를 둘러싸는 상단 열발산판(반사판)을 포함하는 발광 다이 패키지로 예시된다. 렌즈는 마운팅 패드를 덮는다. 사실상, 본원 발명의 일부 실시 예들에 따른 다이 패키지는 LED가 설치되고 연결되는 기판으로서 사용되고 추가적으로 열의 흡입과 방출의 용도로 사용되는 하단 열발산판과, LED에 의해 발생된 빛을 나아가에 하는 반사판으로 사용되고 추가적으로 열의 흡입과 방출의 용도로 사용되는 상단 열발산판의 두 부분의 열발산판을 포함하여 구성된다. 양 하단 및 상단 열발산판들이 LED로부터 열을 빠져나가게 하기 때문에, 더 많은 전력이 LED로 전달될 수 있고, 이로써 LED는 더 많은 빛을 낼 수가 있다.
또한, 본원 발명에서, 다이 패키지 자체는 LED로부터 열을 흡입하여 방출하는 열발산판으로서 작용한다. 이러한 이유로 인하여, 본원 발명에 따른 LED 다이 패키지는 별개의 열발산판 슬러그들이나 패키지의 외부로 뻗어나온 리드선들이 요구되지 않을 수 있다. 따라서, 본원 발명에 따른 LED 다이 패키지는 종래 기술의 다이 패키지보다 더욱 작고, 더욱 신뢰성이 있으며, 제조 비용은 더 적게 소요될 수 있다.
도 1A는 본원 발명의 일 실시 예에 따른 반도체 다이 패키지(10)의 사시도이고, 도 1B는 도 1A의 반도체 다이 패키지의 분해 사시도이다. 도 1A 및 1B를 참고하면, 본원 발명의 발광 다이 패키지(10)는 하단 열발산판(20), 상단 열발산판(40) 및 렌즈(50)를 포함한다.
하단 열발산판(20)은 도 2A 내지 2D 에서 더욱 상세하게 설명된다. 도 2A, 2B, 2C 및 2D 각각은 도 1A의 하단 열발산판의 평면도, 측면도, 정면도 및 저면도를 제공한다. 또한, 도 2C는 하단 열발산판의 정면도 뿐 아니라 LED 어셈블리(60)도 나타낸다. LED 어셈블리(60)는 또한 도 1B에 도시된다. 도 1A 내지 2D를 참고로 하면, 하단 열발산판(20)은 전기적 트레이스(22, 24)들, 솔더 패드(26, 32, 34)들 및 LED 어셈블리(60)를 위한 지지대를 제공한다. 이러한 이유로, 하단 열발산판(20)은 기판(20)이라고 지칭할 수도 있다. 도면에서는, 혼란을 피하기 위해, 대표적인 솔더 패드(26, 32, 34)들만 참고 숫자에 의해 지시되도록 하였다. 트레이스(22, 24)들과 솔더 패드(26, 32, 24)는 전도성 재료에 의해 만들어질 수 있다. 또한, 추가적인 트레이스들과 접속구들이 기판(20)의 위, 옆 또는 바닥에 만들어지거나 기판(20) 안에서 층을 이룰 수 있다. 트레이스(22, 24)들, 솔더 패드(26, 32, 34)들과 어떤 다른 접속구들은 비아 홀과 같은 공지된 방법을 이용하여 어떤 하나의 조합을 이루도록 상호 연결될 수 있다.
일부 실시 예에서는, 기판(20)이 예를 들어 질화알루미늄(A1N) 또는 알루미나 (A12O3)와 같은 높은 열 전도성을 가지나 전기적으로는 절연성을 가지는 재료로 만들어질 수 있다. 7A 내지 10B를 참고로 하여 아래에서 설명되는 것과 같은 다른 실시 예들에선, 기판(20)은 전기 및 열 전도성 모두를 가지는 재료를 포함하여 이루어질 수 있다. 이러한 실시 예에서는, 금속 리드선들, 전도성 트레이스(22, 24)들 또는 둘 모두가 아래에서 더욱 상세하게 설명되는 것과 같이 기판의 일부분 위에 형성된 절연성 필름에 의하여 기판으로부터 절연될 수 있다. 기판(20)의 치수는 용도와 다이 패키지(10)를 제조하는 공정에 따라 매우 다양할 수 있다. 비록 본원 발명이 특정한 치수에 한정되는 것은 아니지만, 본원 발명에 따른 다이 패키지(10)의 구체적인 일 실시 예는 치수들이 표시된 도면에 의해 설명된다. 도면들에 나타난 모든 치수들은 도면, 상세한 설명 또는 둘 모두에서 다르게 명시된 것을 제외하고는 길이, 폭, 높이 및 반지름에 있어서는 '밀리미터'이고, 각도에 있어서는 '도'이다.
기판(20)은 전기적 트레이스(22, 24)들을 포함하는 상단 표면(21)을 가진다. 트레이스(22, 24)들은 솔더 패드(예를 들면 상단 솔더 패드(26))들부터 마운팅 패드(28)까지 전기적으로 연결되게 한다. 상단 솔더 패드(26)들은 일반적으로 기판(20)의 가장자리 부근에 위치하는 트레이스(22, 24) 부분을 포함할 수 있다. 상단 솔더 플레이트(26)는 측면 솔더 패드(32)들과 전기적으로 연결된다. 마운팅 패드(28)는 트레이스(22), 트레이스(24) 또는 둘 모두의 부분들을 포함하는 상단 표면의 부분으로서, LED 어셈블리(60)가 설치된다. 통상적으로 마운팅 패드(28)는 상단 표면(21)의 중심과 대체로 근접하게 위치된다. 본원 발명의 대체 가능한 실시 예에서는, LED 어셈블리(60)는 다른 반도체 회로들이나 칩들로 대체될 수 있다.
트레이스(22, 24)들은 LED 어셈블리(60)가 솔더 패드(26, 32, 34)들과 전기적으로 연결될 수 있도록 전기적 경로를 제공한다. 따라서, 트레이스들 중 일부는 제1 트레이스(22)들이라고 표현되는 한편, 다른 일부는 제2 트레이스(24)들이라고 표현된다. 제시된 실시 예에서, 마운팅 패드(28)는 제1 트레이스(22)들과 제2 트레이스(24)들의 둘 모두의 부분들을 포함한다. 제시된 예에서, LED 어셈블리(60)는 마운팅 패드(28)의 제1 트레이스(22) 위에 위치됨으로써 제1 트레이스(22)와의 접촉을 이뤄진다. 제시된 실시 예에서, LED 어셈블리(60)의 상단과 제2 트레이스(24)들은 본드 와이어(62)에 의해 상호 연결된다. LED 어셈블리(60)의 구조와 방향에 따라, 제1 트레이스(22)들은 LED 어셈블리(60)를 위한 양극 연결을 제공하고 제2 트레이스(24)들은 음극 연결을 제공한다. 또는 이와 반대로 될 수도 있다.
LED 어셈블리(60)는 추가적인 요소들을 포함할 수 있다. 예를 들면, 도 1B와 2C에서는, LED 어셈블리(60)는 LED 본드 와이어(62), LED 보조 어셈블리(64) 및 발광 다이오드(LED)(66)를 포함하는 것으로 도시되어 있다. 이러한 LED 보조 어셈블리(64)는 당해 기술분야에서 공지된 것이고 상기 발명을 논의하려는 목적으로 도시된 것이며 본원 발명을 한정하고자 하는 의도는 없다. 도면들에서, LED 어셈블리(60)가 기판(20)에 다이 결합된 것이 나타나 있다. 대체 가능한 실시 예에서는, 마운팅 패드(28)가 LED 어셈블리(60)의 플립 칩(flip-chip) 결합이 가능하도록 구성될 수 있다. 추가적으로, 다중(multiple) LED 어셈블리들이 마운팅 패드(28) 위에 설치될 수 있다. 대체 가능한 실시 예에서는, LED 어셈블리(60)가 다중 트레이스들의 위쪽에 설치될 수 있다. 이것은 플립 칩 기술이 사용될 때에는 특별히 그러하다.
트레이스(22, 24)들의 위치 및 형상은 본원 발명의 범위 내인 한, 도면들에 도시된 바와 같이 매우 다양할 수 있다. 도면들에서, 세 개의 분리된 음극 트레이스(24)들은 세 개의 LED 어셈블리들이 마운팅 패드(28)에 위치되어 각각이 서로 다른 음극 트레이스와 연결되고, 이로써 세 개의 LED 어셈블리들이 별개로 전기적으로 제어될 수 있음을 설명하기 위해 도시되었다. 트레이스(22, 24)들은 금, 은, 주석 또는 다른 금속들과 같이 전도성 재료로 제작된다. 트레이스(22, 24)들은 도면에 도시된 것과 같은 치수를 가질 수 있으며 용도에 따라 미크론 또는 수십 미크론 단위 두께의 치수를 가질 수 있다. 예를 들면, 트레이스(22, 24)는 15 미크론의 두께를 가질 수 있다. 도 1A 및 2A에는 방위 표시(27)가 넣어져 있다. 이러한 표시들은 다이 패키지(10)의 조립 후에도 다이 패키지(10)의 적절한 방향을 식별하기 위해 사용될 수 있다. 도시된 바와 같이, 트레이스(22, 24)들은 마운팅 패드(28)부터 기판(20)의 가장자리들로 뻗칠 수 있다.
계속하여 도 1A 내지 2D를 참고하면, 기판(20)의 측면 부근에는 반 원통형 공간(23)들과 사분의 일 원통형 공간(25)이 형성된다. 상기 도면들에서는 혼잡을 피하기 위해 대표적인 공간(23, 25)들만 참조 부호가 지시하도록 되어 있다. 반 원통형 공간(23)들과 사분의 일 원통형 공간(25)들은 다이 패키지(10)를 구성요소로 하는 인쇄 회로 기판(PCB) 또는 다른 장치(미도시)에 접합될 때 솔더가 관통하고 안에서 굳어지기 위한 공간을 제공한다. 더군다나, 반 원통형 공간(23)들과 사분의 일 원통형 공간(25)들은 제조 과정 중 편리한 경계식별 및 구분점들을 제공한다.
기판(20)은 다수 개의 인접 부분들을 가지는 스트립 중에서 하나의 개별적인 부분으로서 제조될 수 있으며, 각 부분들이 기판(20)이 된다. 대체 가능하게는, 기판(20)이 다중 행렬을 이루는 인접 부분들로 이루어지는 어레이 중의 한 개별적 부분으로서 제조될 수 있다. 이와 같은 구조에서, 반 원통형 공간(23)과 사분의 일 원통형 공간(25)은 제조 과정 중 스트립 또는 어레이를 위한 손잡이로 사용될 수 있다.
또한, 반 원통형 공간(23)과 사분의 일 원통형 공간(25)은 부분들 사이의 스크라이브(scribe)된 홈 또는 다른 식각과 더불어 스트립 또는 웨이퍼로부터 각 개별적인 기판을 분리시키는 데 도움이 된다. 상기 분리는 스트립 또는 웨이퍼를 구부림으로써 반 원통형 공간(23)과 사분의 일 원통형 공간(25)을 가로지르는 식각 라인에 물리적 응력을 가하여 성취될 수 있다. 이러한 특징들은 제조 공정을 단순화하여 제조 과정 중에 스트립 또는 웨이퍼를 다루기 위한 특별한 운반 고정체의 필요성을 제거하여 비용이 절감된다. 또한, 반 원통형 공간(23)과 사분의 일 원통형 공간(25)는 상단 솔더 패드(26)들, 측면 솔더 패드(32)들 및 하단 솔더 패드(34)들을 연결하는 비아 홀들로 기능할 수 있다.
기판(20)은 열 접촉 패드(36)를 포함하는 하단 표면(29)을 가진다. 열 접촉 패드는 금, 은, 주석, 또는 값비싼 제료에 한정되지 않는 다른 재료와 같이 높은 열 전도율을 가진 재료를 이용하여 제조될 수 있다.
도 3은 도 1A 및 1B의 반도체 다이 패키지의 일부의 측단면도를 나타낸 것이다. 특별히, 도 3은 상단 열발산판(40)과 렌즈(50)의 측단면도를 나타낸다. 도 1A, 1B 및 3을 참고하면, 상단 열발산판(40)은 알루미늄, 구리, 세라믹, 플라스틱, 복합 재료 또는 이러한 재료들의 조합과 같이 높은 열 전도율을 가진 재료로 제조된다. 트레이스(22, 24)들을 밀폐시켜 스크래치와 산화와 같은 물리적, 환경적 해악으로부터 보호하기 위하여 온도가 높고 기계적으로 단단한 유전체 물질이 중심의 다이 접합 부분을 제외하고 트레이스(22, 24)들을 보호 코팅 하는 데 이용될 수 있다.
그 다음, 보호용 코팅은 써모셋(THERMOSET)에 의해 제조된 열 경계면 재료와 같은 높은 온도의 접착제로 덮어져 기판(20)이 상단 열발산판(40)과 접촉된다.
상단 열발산판(4)은 도 2A 및 2C의 마운팅 패드(28)에 설치된 LED 어셈블리(60)를 실질적으로 둘러싸는 반사 표면(42)을 포함한다. 반사 표면(42)은 샘플 광선(63)으로 도시된 것과 같이 LED 어셈블리(60)로부터 빛의 일부를 반사한다. 빛의 다른 부분들은 샘플 광선(61)으로 도시된 것과 같이 반사 표면(42)에 의해 반사되지 않는다. 도시된 광선(61, 63)은 광학 분야에서 종종 사용되는 빛의 궤적을 나타낸 것을 의미하지는 않는다. 빛의 효율적인 반사를 위해, 상단 열발산판(40)은 광택 가공, 압인 가공 또는 둘 모두가 가능한 재료로 적절하게 제조된다. 또는, 높은 반사율을 달성하기 위해, 광학적 반사 표면(42) 또는 전체 열발산판(40)은, 알루미늄 또는 상기 목적을 달성할 수 있는 다른 물질과 같은 높은 반사성 재료로 도금되거나 적층될 수 있다. 이러한 이유로 인하여, 상단 열발산판(40)은 또한 반사판(40)이라고 지칭된다. 반사판(40)은 패키지(10)의 열 특성에 관한 요구가 있을 때에는 높은 열 전도율을 가진 재료로 제조된다.
제시된 실시 예에서, 반사판(42)은 반사판의 수평한 평면에 대하여 45도만큼 경사진 평평한 표면으로 도시되어 있다. 본원 발명은 제시된 실시 예에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 반사판(42)은 반사판의 수평한 평면에 대하여 다른 각을 이룰 수 있다.
또는, 반사판은 파라볼라 또는 다른 형태를 가질 수도 있다.
반사판(40)은 렌즈(50)를 지지하고 결합시키기 위한 선반(44)을 포함한다. LED 어셈블리(60)는 (도 1A 및 1B의) 다이 패키지(10) 내부에서 예를 들면 실리콘과 같은 봉입 재료(46)에 의해 봉입되어 있다. 봉입 재료(46)는 높은 광 투과성과 렌즈(50)의 굴절률에 대응하는 굴절률을 가진 적절한 고온 합성수지다.
렌즈(50)는 유리, 석영, 고온 플라스틱 또는 이 물질들의 조합물과 같이 높은 투광성을 가진 재료로 제조된다. 렌즈(50)는 봉입 재료(46)와 접촉되도록 위치될 수 있다. 그 결과, 다이 패키지(10)가 가열되어 열 팽창하게 되면, 렌즈(50)가 다이 패키지(10)의 다른 부분들의 열 팽창으로부터 발생하는 기계적 응력으로부터 보호되도록 렌즈(50)는 봉입 재료(46)에 의해 완충 지지된다. 다른 실시 예에서, 렌즈(50)는 인광 물질, 탄살칼슘과 같은 약 확산제, 형광성 재료와 같은 중심 주파수 천이 물질 또는 이러한 물질들의 조합물과 같은 광 화학물질로 채워질 수 있는 얕은 트로프(trough)(52)를 가진다.
도 4는 외부 열발산판(70)과 연결된 다이 패키지(10)를 나타낸다. 도 4를 참고로 하면, 열 접촉 패드(36)는 외부 열발산판(70)에 에폭시, 솔더 또는 다른 열 전도성 접착제, 전기 전도성 접착제 또는 열 및 전기 전도성 접착제(74)에 의해 접착될 수 있다. 외부 열발산판(70)은 다이 패키지(10)로부터 열을 흡입하는 인쇄 회로 기판(PCB) 또는 다른 구조물일 수 있다. 외부 열발산판은 다양한 구조의 회로 요소(미도시)들 또는 열 방출 핀(72)들일 수 있다.
일정한 대체 가능한 구조를 가진 발명의 실시 예가 도 5 내지 6D에 도시된다. 제2 실시 예의 부분들은 도 1A 내지 4에 도시된 제1 실시 예의 대응되는 부분들과 유사하다. 편의를 위해서, 제1 실시 예의 부분들과 유사한 도 5 내지 6D에 도시된 제2 실시 예의 부분들에는 동일한 참조 숫자가 부여되고, 서로 유사하지만 변화된 부분들에는 문자 'ａ'가 수반되도록 하고, 서로 다른 부분들에는 다른 참조 숫자들이 부여되도록 한다.
도 5는 본원 발명의 다른 실시 예에 따른 LED 다이 패키지(10a)의 분해 사시도이다. 도 5를 참고로 하면, 본원 발명의 발광 다이 패키지(10a)는 하단 열발산판(기판)(20a), 상단 열발산판(반사판)(40a) 및 렌즈(50)를 포함한다.
도 6A, 6B, 6C 및 6D는 각각 도 5의 기판(20a)의 평면도, 측면도, 정면도 및 저면도를 제공한다. 도 5 내지 6D를 참고로 하면, 제시된 실시 예에서, 기판(20a)은 하나의 양극 트레이스(22a)와 네 개의 음극 트레이스(24a)들을 포함한다. 이 트레이스(22a, 24a)들은 도 2A의 트레이스(22, 24)들과 다르게 구성된다. 기판(20a)은 반사판(40a)의 레그(leg)(35)들이 수용됨으로써 반사판(40a)이 기판(20a)과 기계적으로 결합되도록 하는 선반 공간(33)들을 한정하는 플랜지(31)들을 포함한다.
본 발명의 다른 실시 예가 도 7A 내지 10B에 도시된다. 이 실시 예들에 따르면, 고전력 발광 장치를 위한 기판은 제1 및 제2 표면을 가진 열 및 전기 전도성 판을 포함한다. 상기 판은 구리, 알루미늄 또는 어느 하나의 합금과 같은 금속을 포함하여 구성된다. 얇은 열 전도 절연 필름은 상기 금속 판의 제1 표면 위에 형성된다. 일부 실시 예에서는, 열 전도 절연 필름은 미국 미네소타 찬하쎈 소재의 버그퀴스트(Bergquist)사 제품인 써멀 클래드 필름(Thermal Clad film)과 같은 세라믹/폴리머 필름을 포함하여 구성된다.
금속 트레이스 및/또는 금속 리드선과 같은 전도성 요소는 세라믹/폴리머 필름 위에 형성될 수 있다. 세라믹/폴리머 필름이 절연성을 가지기 때문에 전도성 트레이스들은 금속 판에 전기적으로 접촉되지 않는다. 전도성 요소는 전자 장치를 수용하기 위해 적용된 마운팅 패드를 형성하거나 상기 마운팅 패드와 전기적으로 연결된다. 도 1 내지 6에 도시된 실시 예와 관련하여 위에서 살펴본 바와 같이, 금속 트레이스들의 위치 및 형상은 본 발명의 범위 내인 한, 매우 다양할 수 있다.
LED 어셈블리는 예를 들면 솔더링, 열초음파 접합 또는 열 압착에 의하여 마운팅 패드에 접착될 수 있다. LED에서 발생된 열은 금속 판을 통해 적어도 얼마간이 방출될 수 있다. 기판 자체가 열발산판으로서 기능할 수 있기 때문에, 구조물에 별도의 열발산판을 접착할 필요가 줄어들거나 제거될 수 있다. 그러나, 별도의 열발산판이 열이 조작 수단에 의해 빠져나가도록 금속 판과 열 교환을 이루게 설치될 수 있다.
또 하나의 실시 예에서는, 하나 또는 그보다 많은 비아 홀들이 절연 필름과 금속 판을 관통하도록 형성될 수 있다. 비아 홀들은 그 안쪽이 세라믹/폴리머 필름과 같은 절연성 재료로 코팅될 수 있다. 전기 전도성 트레이스들과 같은 전기적 도체들이 비아 홀들의 안에 형성되어 기판의 제1 표면의 전도성 요소들이 기판의 제2 표면의 전도성 요소들과 전기적으로 연결될 수 있다. 이러한 실시 예에 따른 기판은 금속 리드선들을 사용하지 않는 인쇄 회로 기판과 같은 표면에 설치될 수 있으며, 그 결과 기계적으로 더욱 튼튼한 패키지가 된다.
본원 발명의 실시 예들에 따른 기판은 또한 개별 제너(zener) 다이오드 및/또는 정전기 방전(electrostatic discharge; ESD) 및/또는 과전압 보호를 위한 저항기 네트워크를 포함할 수 있다.
도 7 내지 10에 도시되어 있지는 않지만, 기판은 반 원통형 및 사분의 일 원통형 공간, 방향 표시들, 측면 접착 패드들, 플랜지들 및 도 1 내지 6에 도시된 기타 특징들과 같은 특징들을 더 포함할 수 있다.
도 7A 내지 10B에 도시된 실시 예들의 부분들은 도 1 내지 6D에 도시된 실시 예들의 부분들과 유사하다. 편의를 위해서, 제1 실시 예의 부분들과 유사한 도 7A 내지 10B에 도시된 실시 예의 부분들에는 같은 참조 번호들이 부여되고, 유사하지만 변경된 부분들에는 문자 "b"가 수반된 동일한 참조 번호들이 부여된다.
여기에선 도 7A를 참고로 하여 본원 발명의 다른 실시 예들에 따른 기판(20b)이 설명된다. 도 7A 및 7B는 각각 기판(20b)의 평면도 및 정면도를 제공한다. 또한, 도 7B는 기판(20b)의 정면도에 더하여 LED 어셈블리(60)까지 보여준다. 기판(20b)은 제1 및 제2표면(51a, 51b)을 가진 열 및 전기 전도성 판(51)을 포함한다. 상기 판(51)은 구리, 알루미늄 또는 각각의 합금과 같은 금속을 포함하여 구성될 수 있다. 얇은 열 전도 절연성 필름(48)은 금속 판(51)의 제1 표면(51a)의 적어도 일부 위에 형성된다. 어떤 실시 예에서는, 열 전도 절연 필름(48)은 미국 미네소타 찬하쎈 소재의 버그퀴스트(Bergquist)사 제품인 써멀 클래드 필름(Thermal Clad film)과 같은 세라믹/폴리머 필름을 포함하여 구성된다. 추가적으로, 열 전도 절연 필름(49)은 측면 표면들 뿐 아니라 판(51)의 제2 표면(51b) 위에도 형성될 수 있다.
기판(20b)은 전기 트레이스(22, 24)들, 솔더 패드(26)들 및 LED 어셈블리(60)와 같은 전기 전도성 요소들을 위한 지지대를 제공한다. 또한, 추가적인 트레이스들과 접속구들이 기판(20b)의 상단, 측면 또는 하단에 조립되거나 기판(20b) 내에 적층된다. 트레이스(22, 24)들, 솔더 패드(26)들 및 다른 접속구들은 예를 들면 비아 홀들과 같은 공지된 방법에 의해 어떠한 조합들로도 상호 연결될 수 있다.
기판(20b)은 전기 트레이스(22, 24)들을 포함하는 상단 표면(21b)을 가진다. 트레이스(22, 24)들은 솔더 패드들(예를 들면 상단 솔더 패드(26)들)부터 마운팅 패드(28)까지의 전기적 연결들을 제공한다. 상단 솔더 패드(26)들은 기판(20b)의 측면들과 대체로 근접해 있는 트레이스(22, 24)들을 포함하여 구성된다. 마운팅 패드(28)는 LED 어셈블리(60)가 설치된 트레이스(22), 트레이스(24) 또는 둘 모두의 부분들을 포함하는 상단 표면의 부분이다. 통상적으로 마운팅 패드(28)는 상단 표면(21b)의 중심에 대체로 근접하게 위치된다. 본원 발명의 대체 가능한 실시 예들에서, LED 어셈블리(60)는 다른 반도체 회로들 또는 칩들로 대체될 수 있다.
트레이스(22, 24)들의 위치 및 형상은 본원 발명의 범위 내인 한 도면들에서 도시된 위치 및 형상으로부터 다양하게 변화될 수 있다. 도면들에서는, 단 하나의 음극 트레이스와 단 하나의 양극 트레이스만 보여진다. 그러나, 다중 음극 또는 양극 트레이스들은 세 개의 LED 어셈블리들이 서로 다른 음극 또는 양극 트레이스들과 연결되어 개별적으로 전기적인 콘트롤이 가능하게 다수 개의 LED 어셈블리들을 마운팅 패드(28) 위에 설치하기 용이하도록 기판(20b) 위에 포함된다. 트레이스(22, 24)들은 금, 은, 주석 또는 다른 금속들과 같은 전도성 재료로 이루어진다.
기판(20b)은 열 접촉 패드(36)를 포함하는 하단 표면(29b)을 가진다. 열 접촉 패드는 금, 은, 주석 또는 값비싼 금속에 한정되지 않는 다른 금속과 같은 높은 열 전도성을 가진 재료로 제조된다.
도 7C는 도 7A는 A-A 구분선을 따라 자른 기판(20b) 부분의 정단면도이다. 도 7C에 도시된 바와 같이, 하나 또는 그보다 많은 비아 홀(45a, 45b)들이 기판(20b)을 관통하도록 형성된다. 비아 홀(45a, 45b)들의 안쪽이 세라믹/폴리머 필름과 같은 절연성 재료로 코팅될 수 있다. 전기 전도성 트레이스(47a, 47b)들과 같은 전기 전도체들은 비아 홀들의 안에 형성되고 기판의 제1 표면 위의 전도성 요소들을 기판의 제2 표면 위의 전도성 요소에 전기적으로 연결할 수 있다. 도 7C에 도시된 바와 같이, 비아 홀(45a) 내부의 전도성 트레이스(47a)는 기판(20b)의 제1 면(21b), 즉 상단 표면(21b) 위의 트레이스(24)를 기판(20b)의 제2 면(29b), 즉 하단 표면(29b) 위의 솔더 패드(34)와 연결시킨다. 이와 같이, 비아 홀(45b)을 관통하여 연장된 전도성 트레이스(47b)는 트레이스(22)를 접착 패드(38)와 연결시킨다.
이러한 실시 예에 따른 기판은 금속 리드선들을 사용하지 않는 인쇄 회로 기판과 같은 표면 위에 설치되고, 그 결과 기계적으로 더욱 튼튼한 패키지가 될 수 있다.
상기에서 논의한 바와 같이, 고온이고 기계적인 강성이 큰 유전체 재료는 트레이스(22, 24)들을 밀폐하여 스크래치나 산화와 같은 물리적 및 환경적 해로움을 방지하는 목적으로 트레이스(22, 24)들을 보호 코팅하기 위해 사용될 수 있다. 보호 코팅 공정은 기판 제조 공정의 일부가 될 수 있다. 보호용 코팅막은 사용시 트레이스(22, 24)들을 상단 열발산판(40)으로부터 절연시킨다. 보호용 코팅막은 기판(20b)을 상단 열발산판(40)과 접착시키는 써모셋(THERMOSET)에 의해 제조된 열 경계 물질과 같은 고온 접착제로 덮힌다.
비아 홀들이 이용되지 않은 다른 실시 예들은 도 8 및 9에 도시되었다. 도 8에 도시된 바와 같이, 전도성 트레이스(22, 24)들은 패키지 밖으로 뻗어 있어 회로 기판에 직접 설치될 수 있는 금속 리드선(39, 41)들을 형성하거나 상기 금속 리드선(39, 41)들에 연결된다. 이러한 실시 예에서, 기판(20b)의 제1 표면(21b)만이 전기적으로 절연된 열 전도성 필름(48)을 포함할 수 있다.
도 9에 나타낸 실시 예는 전도성 트레이스(22, 24)들이 기판(20b)의 제2 표면 위의 접착 패드(34, 38)들과 접촉하기 위해 기판(20b)의 측벽들 밑으로 연장된 경우이다. 이러한 구성은 패키지가 금속 리드선들 또는 비아 홀들의 사용 없이 회로 기판 위에 바로 설치 가능하도록 할 수 있다.
도 10A 및 10B에 도시된 바와 같이, 기판(20b)은 개별 제너 다이오드(65), 저항기 네트워크(67), 다른 전자 요소들 또는 이들의 어떤 조합과 같은 전자 회로를 포함하도록 구성될 수 있다. 이러한 전자 회로는 양극 및/또는 음극 요소들로서 작동할 수 있는 트레이스(22, 24)들 사이에 연결될 수 있다. 전자 회로는 다양한 목적들에 사용될 수 있는데, 정전기 방전, 과전압 방지 또는 둘 모두를 예방하는 것을 그 예로 들 수 있다. 제시된 예들에서, 도 10B에 도시된 트레이스(22)와 트레이스(24) 사이에 연결된 제너 다이오드(D1)(65)는 과도한 역 전압이 기판(20b)에 설치된 광전자 소자에 인가되는 것을 방지한다. 유사하게, 인쇄 저항기(67)와 같은 저항기 네트워크(67)는 정전기 방전 보호 효과를 기판(20) 위에 설치된 장치에 제공할 수 있다.
상술한 것에 의해, 본원 발명은 신규하고 종래 기술을 뛰어넘는 이점들이 있음이 명백하다 하겠다. 비록 본 발명의 구체적인 실시 예들이 위에서 설명되고 도시되었지만, 본 발명이 이렇게 설명되고 도시된 특정한 형상들이나 배열들에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 본원 발명을 실행하는 데 있어서 다양한 구성들, 크기들, 재료들이 적용될 수 있다. 본 발명은 다음의 청구항들에 의해 한정된다.
이상에서와 같이, 본 발명에 의한 발광 다이 패키지에 의하면 열 방산을 위한 LED 패키지의 용량이 증가되어 LED가 더 많은 빛을 낼 수 있고, LED 패기지의 크기, 질량 및 가격이 줄어들며, 패키지의 열 팽창에 의한 문제점이 해소되어 신뢰성이 높다는 장점이 있다.

Claims (18)

  1. 제1 표면을 갖는 기판;
    절연 필름에 의해 상기 기판으로부터 절연되는 상기 제1 표면 상의 제1 트레이스(trace) ? 상기 제1 트레이스는 발광 디바이스를 장착하기 위한 마운팅 패드(mounting pad)를 형성하고 상기 마운팅 패드로부터 상기 기판의 측면 가장자리로 연장됨 ?;
    상기 제1 트레이스에 전기적으로 연결되고 상기 제1 표면으로부터 연장되는 리드; 및
    상기 제1 트레이스의 위에서 상기 기판의 상기 제1 표면에 접합되는 반사기 ? 상기 반사기는 상기 마운팅 패드를 실질적으로 둘러싸고 상기 기판의 상기 제1 표면의 그외의 부분들 및 상기 제1 트레이스의 부분들을 노출 상태로 남겨둠 ?
    를 포함하는 발광 다이 패키지.
  2. 제1항에 있어서,
    제2 트레이스; 및
    상기 기판 상에 장착되고 상기 제1 및 제2 트레이스들에 연결되는 발광 다이오드(LED)
    를 더 포함하는 발광 다이 패키지.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 LED는 광학적으로 투명한 폴리머 내에 봉입되는(encapsulated) 발광 다이 패키지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 구리, 알루미늄 및 구리/알루미늄 합금으로 구성된 그룹으로부터 선택된 금속을 포함하는 발광 다이 패키지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 절연 필름은 세라믹 폴리머 필름을 포함하는 발광 다이 패키지.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 기판은 상기 제1 표면에 대향하는 제2 표면을 포함하고, 상기 기판을 통과하는 적어도 하나의 비아 홀을 더 포함하는 발광 다이 패키지.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 비아 홀의 표면은 절연 필름 코팅으로 코팅되는 발광 다이 패키지.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 비아 홀은 이를 통과하는 전도성 트레이스를 포함하고, 상기 전도성 트레이스는 상기 절연 필름 코팅에 의해 상기 기판으로부터 절연되고, 상기 제1 및 제2 트레이스들 중 하나와 전기적으로 접촉하는 발광 다이 패키지.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 제1항에 있어서,
    상기 반사기는 증가된 열 전달을 위해 상기 기판과 기계적으로 맞물리는 적어도 하나의 레그(leg)를 포함하는 발광 다이 패키지.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 적어도 하나의 측면을 따라 상기 반사기와 기계적으로 맞물리는 플랜지(flange)들을 포함하는 발광 다이 패키지.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 반사기는 열 전도성인 재료를 포함하는 발광 다이 패키지.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 마운팅 패드를 실질적으로 덮는 렌즈를 더 포함하는 발광 다이 패키지.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 렌즈는 광학 약품을 수용하도록 구성된 트로프(trough)를 포함하는 발광 다이 패키지.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 렌즈는 주파수 천이 화합물, 확산 물질, 및 인광체로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 재료들을 포함하는 발광 다이 패키지.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 반사기는 알루미늄, 구리, 플라스틱, 복합재, 또는 이들 재료들의 조합을 포함하는 재료를 포함하는 발광 다이 패키지.
  18. 제2항에 있어서,
    상기 반사기는 상기 제1 및 제2 트레이스들의 위에서 상기 기판의 상기 제1 표면에 접합되고, 상기 반사기는 상기 마운팅 패드를 실질적으로 둘러싸고 상기 기판의 상기 제1 표면의 그외의 부분들 및 상기 제1 및 제2 트레이스들의 부분들을 노출 상태로 남겨두는 발광 다이 패키지.
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