KR101206209B1 - 회로 스트립을 구비한 조명 조립체 - Google Patents

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마이클 에이. 메이스
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Abstract

조명 조립체는 이격된 관계로 그 위에 배치되는 복수의 회로 스트립을 가지는 방열 부재를 포함한다. 각각의 회로 스트립은 기판의 제1 표면 상에 하나 이상의 회로 트레이스를 가지고 기판의 제2 표면 상에 전기 및 열 전도성 층을 가지는 전기 절연 기판을 포함하여, 하나 이상의 회로 트레이스가 기판의 제2 표면으로부터 전기적으로 절연된다. 회로 스트립은 기판의 제1 표면으로부터 제2 표면으로 연장하는 복수의 관통부를 가진다. 복수의 LED는 복수의 관통부 내에 배치되어, 각각의 LED는 기판의 제2 표면 상의 전기 및 열 전도성 층 상에 배치되고 기판의 제1 표면 상의 하나 이상의 회로 트레이스에 전기적으로 접속된다.
조명 조립체, LED, 회로 스트립, 관통부, 전기 절연 기판

Description

회로 스트립을 구비한 조명 조립체{ILLUMINATION ASSEMBLY WITH CIRCUITIZED STRIPS}
본 발명은 전체적으로 점등 또는 조명 조립체에 관한 것이다. 더 구체적으로는, 본 발명은 발광 다이오드(LED) 어레이를 사용하는 점등 또는 조명 조립체에 관한 것이다.
조명 시스템은 다양한 다른 적용예에서 사용된다. 전통적인 조명 시스템은, 예를 들어 백열광 또는 형광성 광과 같은 광원을 사용하여 왔다. 최근 들어서는, 특히 다른 형태의 발광 요소 및 발광 다이오드(LED)가 조명 시스템에서 사용되어 왔다. LED는 작은 사이즈, 긴 수명 및 낮은 전력 소모라는 장점을 가진다. LED의 이러한 장점들은 수많은 다양한 적용예에서 LED를 유용하게 만들어, LED가 빠르게 다른 광원들을 대체하고 있다.
다수의 조명 적용예에 있어서, 요구되는 광도 및/또는 광 분포를 제공하기 위해서는 복수의 LED를 구비하는 것이 필요하거나 바람직하다. 예를 들면, 복수의 LED는 좁은 영역에서 높은 조도를 제공하기 위해 작은 치수를 가지는 어레이 내에서 조립될 수 있고, 또는 복수의 LED는 넓고 균일한 조도를 제공하기 위해 넓은 영역에 걸쳐 분포될 수 있다.
어레이 내의 LED는 통상적으로 인쇄 회로 보드 상에 장착함으로써 서로 접속되고 다른 전기 시스템에 접속된다. 그러나, LED가 넓은 영역에 걸쳐 분포될 필요가 있는 경우[예를 들어, 매우 높은 성능의 디스플레이 장치를 백라이트(backlight)하는 경우], 인쇄 회로 보드의 사용은 여러 이유로 문제가 된다. 예를 들면, 인쇄 회로 보드는 몇몇 디스플레이 장치(예를 들면, 아주 길고 좁은 스트립)에서 요구되는 사이즈 및 형상으로 제조 및/또는 취급하는 것이 어려울 수도 있다. 인쇄 회로 보드 재료의 강성은, 특히 인쇄 회로 보드가 비평면 형상에 순응하여야만 하는 경우, 제조 또는 조립을 어렵게 만들 수도 있다. 추가로, LED의 방열 요구치가 종래의 인쇄 회로 보드 구성에 만족하지 않을 수도 있다. 따라서, 이들 문제점들을 대처하는 조명 조립체가 필요하다.
본원은 LED 어레이를 사용하는 조명 조립체를 개시한다. 몇몇 실시예에 있어서, 조립체는 이격된 관계로 그 위에 배치되는 복수의 회로 스트립을 가지는 방열 부재를 포함한다. 각각의 회로 스트립은 기판의 제1 표면 상에 하나 이상의 회로 트레이스를 가지고 기판의 제2 표면 상에 전기 및 열 전도성 층을 가지는 전기 절연 기판을 포함하여, 하나 이상의 회로 트레이스가 기판의 제2 표면으로부터 전기적으로 절연된다. 또한, 회로 스트립은 기판의 제1 표면으로부터 제2 표면으로 연장하는 복수의 관통부를 가진다. 복수의 LED는 복수의 관통부 내에 배치된다. 각각의 LED는 기판의 제2 표면 상의 전기 및 열 전도성 층 상에 배치되고 기판의 제1 표면 상의 하나 이상의 회로 트레이스에 전기적으로 접속된다.
몇몇 실시예에 있어서, 조립체는 그 제1 표면 상에 하나 이상의 회로 트레이스를 가지는 전기 절연 기판 및 기판의 제1 표면으로부터 제2 표면으로 연장하는 복수의 관통부를 구비하는 가요성 회로를 포함한다. LED는 하나 이상의 관통부 내에 배치되고, 전기 전도성 방열 부재는 가요성 회로의 제2 표면에 근접하여 배치된다. LED는 방열 부재 및 하나 이상의 회로 트레이스 모두에 전기적으로 접속된다.
조명 조립체를 생산하는 방법이 또한 개시된다. 몇몇 실시예에 있어서, 방법은 절연 기판을 제공하는 단계, 절연 기판 상에 복수의 회로 트레이스를 제공하는 단계, 복수 열의 관통부를 절연 기판 내에 제공하는 단계, 기판을 복수의 스트립으로 분리하는 단계, 각각의 스트립의 하나 이상의 관통부를 LED로 채우는 단계 및 복수의 스트립 중 두 개 이상을 LED 어레이를 형성하도록 열 싱크 상에 배치하는 단계를 포함하고, 각각의 관통부 열이 하나 이상의 관련 회로 트레이스를 가지고, 각각의 스트립이 관련 회로 트레이스 및 복수 열의 관통부 중 하나를 포함하고, LED는 관련 회로 트레이스에 전기적으로 접속되고, 각각의 스트립의 LED는 열 싱크에 전기적으로 접속된다.
도1은 예시적인 조명 조립체의 사시도이다.
도2는 도1의 선 2-2를 따라 취한 개략 단면도이다.
도3은 다른 조명 조립체의 개략 단면도이다.
도4는 다른 형태의 LED를 사용하는, 도2의 실시예의 개략 단면도이다.
도5는 다른 형태의 LED를 사용하는, 도3의 실시예의 개략 단면도이다.
도6은 다른 예시적인 조명 조립체의 사시도이다.
도7은 도6의 선 7-7를 따라 취한 개략 단면도이다.
도8은 복잡한 측면 에지 형상을 가지는 회로 스트립의 개략 평면도이다.
도9는 개별 회로 스트립으로 분리하기 이전의 기판 웨브의 개략 평면도이다.
다음의 설명에 있어서, 첨부 도면이 참조된다. 독자는 다른 실시예가 사용될 수 있고 구조적인 또는 논리적인 변경이 이루어질 수도 있다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 다음의 상세한 설명이 제한적인 의도로 해석되어서는 안 되며, 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위에 의해 정의된다.
본 명세서에서 사용되는 바로는, 용어 "LED" 및 "발광 다이오드"는 다이오드에 전력을 제공하기 위해 접촉 영역을 구비하는 발광 반도체 요소를 전체적으로 칭하는데 사용된다. 다양한 형태의 무기 반도체 발광 다이오드가, 예를 들어 하나 이상의 III족 원소 및 하나 이상의 V족 원소의 조합(III-V족 반도체)으로 형성될 수도 있다. LED에서 사용될 수 있는 III-V족 반도체 재료의 예로서는 갈륨 니트라이드(gallium nitride) 또는 인듐 갈륨 니트라이드(indium gallium nitride)와 같은 질화물 및 인듐 갈륨 포스파이드(indium gallium phosphide)와 같은 인화물을 포함한다. 무기 물질은 주기율표의 다른 그룹(족)으로부터 취해질 수 있고, 다른 형태의 III-V족 물질도 사용될 수 있다.
LED는, 예를 들어 LED 다이, 표면 장착 LED, 칩 온 보드(chip-on-board) LED 및 다른 구성의 LED를 포함하는 패키지 또는 비패키지 형태일 수도 있다. 칩 온 보드(COB)는, 예를 들어 와어어 본딩을 사용하여, 통상적으로 기판과 상호 접속되는 페이스 업 본딩 처리된(face-up-bonded) 칩 장치를 채용하는 하이브리드 기술을 칭한다. 용어 LED는 또한 LED로부터 방사된 광을 다양한 파장의 광으로 변환하는 형광체와 일체 또는 합체되는 LED를 포함한다. LED로의 전기 접속은 와이어 본딩, 테이프 자동 본딩(TAB) 또는 플립-칩(flip-chip) 본딩에 의해 이루어질 수 있다. LED는 도면에 개략적으로 도시되며, 본 명세서에서 기술된 바와 같은 패키지 LED 또는 비패키지 LED 다이일 수 있다.
LED는 적색, 녹색, 청색, 자외선 또는 적외선 스펙트럼 구역과 같은 임의의 원하는 파장을 방사하도록 선택될 수 있다. LED 어레이에 있어서, LED는 각기 동일한 스펙트럼 구역으로 방사하거나 다양한 스펙트럼 구역으로 방사할 수 있다. 다양한 LED가 다양한 색상을 생성하기 위해 사용될 수도 있어서, 발광 요소로부터 방사되는 광의 색상은 선택된다.
도1은 조명 조립체(20)의 일부분의 사시도를 도시한다. 조명 조립체(20)는 하나 이상의 종방향 회로 스트립(22)을 포함한다. 각각의 회로 스트립(22)은 복수의 LED(24)를 지니고 방열 장치(30)에 부착된다. 본 명세서에서 사용되는 바로는, 용어 "방열 장치"는 열이 발생하는 LED의 표면과 같은 고온인 위치로부터 저온 열 매체로의 열 전달을 향상시키는 임의의 장치 또는 요소를 전체적으로 칭하는데 사용된다. 저온 열 매체는 유체(예를 들면, 대기 또는 냉각액) 또는 고체(예를 들면, 대형 금속 블록)일 수 있다. 방열 장치는 수동 또는 능동일 수 있고, 고체 또는 유체 열 매체를 단독으로 또는 양자를 조합하여 사용할 수 있다. 방열 장치는, 예를 들어 열 싱크, 히트 스프레더, 열 파이프 및 열 교환기를 포함한다. 방열 장치는 열 전달을 향상시키기 위해 방열 핀 또는 다른 표면을 포함할 수 있다.
방열 장치(30)는 열 및 전기 전도성 재료로 제조된다. 방열 장치(30)의 적절한 재료로는 알루미늄이나 구리와 같은 금속 또는, 예를 들어 구리 몰리브덴(copper molybdenm)과 같은 금속 합금을 포함한다. 대체 실시예에서는, 비금속 열 전도성 재료가 사용될 수 있다. 예시적인 비금속 재료로는 미네소타주 세인트폴 소재의 쓰리엠 컴퍼니로부터 상용으로 입수 가능한 쓰리엠 플렉셔블 히트 싱크(3M Flexible Heat Sink)와 같은 흑연 및 실리콘의 합성 물질이 있다. 양호하게는, 방열 장치(30)는 낮은 내열성 및 낮은 전기 저항을 가진다. 몇몇 실시예에 있어서, 방열 장치(30)는 약 15 내지 20 ℃/W의 내열성 및 약 1.7 X 10-8 ohm-meter 이하의 범위인 전기 저항을 가진다.
도2에 가장 잘 도시된 바와 같이, 각각의 회로 스트립(22)은 적어도 그 제1 표면(36) 상의 전기 전도성 층(34) 및 그 제2 표면 상의 전기 및 열 전도성 층(38)을 가지는 전기 절연성의 유전체 기판(32)을 포함한다. 도1 및 도2에 도시된 바와 같이, 기판(32)의 제1 표면(36) 상의 전기 전도성 층(34)은 하나 이상의 회로 트레이스(42)를 형성하도록 패터닝되는 반면, 기판(32)의 제2 표면(40) 상의 층(38)은 패터닝되지 않고 남겨질 수 있다. 층(34)은 LED(24)로의 작동적인 전기 접속을 위한 전력 및 신호 트레이스를 포함하는, 기판(32)의 제1 표면(36) 상의 복수의 회로 트레이스를 형성하도록 교대로 패터닝될 수 있다.
전기 절연성의 유전체 기판(32)은, 예를 들어 델라웨어주 윌밍톤 소재의 듀폰사에 의해 제조되는 캡톤-브랜드 폴리미드(Kapton-brand polyimide)와 같은 폴리미드, 폴리에스테르, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 다층 광학 필름[존자(Jonza) 등에게 허여된 미국 특허 제5,882,774호 및 웨버(Weber) 등에게 허여된 미국 특허 제5,808,794호에 개시됨], 폴리카보네이트, 폴리술폰 또는 FR4 에폭시 합성물을 포함하는 다양한 적절한 재료로 구성될 수도 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 기판(32)은 가요성일 수 있다. 기판(32)의 제1 및 제2 표면(36, 40) 상의 전기 및 열 전도성 층(34, 38)은 다양한 적절한 재료, 양호하게는, 예를 들어 이에 제한되지는 않지만, 구리, 니켈, 금, 알루미늄, 주석, 납, 크롬 및 그 조합을 포함하는 금속으로 구성될 수도 있다. 기판(32)이 가요성인 본 실시예에 있어서, 층(34, 38)도 가요성인 것이 바람직하다. 그 위에 구리 전도성 층을 구비한 폴리미드 절연 기판을 가지는 적절한 가요성 재료로는 미네소타주 세인트폴 소재의 쓰리엠 컴퍼니로부터 상용으로 입수 가능한 상표명, 쓰리엠 플렉셔블 서큐트리(3M Flexible Circuitry)가 있다.
앞서 언급된 다층 광학 필름은 서로 엇갈리는 폴리머 층의 압출에 의해 제조될 수 있다. 이러한 중합체 다층 광학 필름에 있어서, 폴리머 재료는 개별 층의 구성에 있어 지배 또는 배타적으로 사용된다. 이러한 필름은 대량 제조 공정에 적합하며, 대형 시트 또는 롤 제품으로 제조될 수 있다. 필름은 몇몇 광이 인접하는 미세층 사이의 경계부에서 반사되도록 다양한 굴절률 특성을 가지는 개별 미세층을 포함한다. 미세층은 필름에 원하는 반사 또는 투과 특성을 부여하도록 복수의 경 계부에서 반사된 광이 보강 또는 상쇄 간섭을 취하기에 충분할 정도로 얇은 것이다. 자외선, 가시 또는 근적외선 파장에서의 광을 반사하도록 설계된 광학 필름에 대해서, 각각의 미세층은 일반적으로 약 1 ㎛ 미만의 광학 두께(즉, 굴절률로 곱해진 물리적인 두께)를 가진다. 그러나, 필름의 외부면에서의 스킨 층, 또는 미세층 묶음을 분리시키는 필름 내부에 배치되는 보호용 경계 층과 같은 더 두꺼운 층도 포함될 수 있다.
다층 광학 필름의 반사 및 투과 특성은 개별 미세층의 굴절률의 함수이다. 각각의 미세층은 평면 굴절률 nx, ny 및 필름의 두께 축과 관련된 굴절률 nz에 의해 적어도 필름 내 국부 지점에 대해서는 특정될 수 있다. 이들 지수들은 각기 서로 직각인 x, y 및 z 축을 따라 평광된 광에 대한 대상 재료의 굴절률을 나타낸다. 실제, 굴절률은 현명한 재료 선택 및 처리 조건에 의해 제어된다. 다층 광학 필름은 대게 수십 또는 수백 개 층으로 이루어진 두 개의 서로 엇갈리는 폴리머(A, B)의 압출에 이어서, 다층 압출체를 하나 이상의 증배 다이(multiplication die)를 통해 선택적으로 통과시킨 후, 최종 필름을 형성하도록 압출체를 신장시키거나 다르게는 지향시킴으로써 제조될 수 있다. 최종 필름은 그 두께 및 굴절률이 가시 또는 근적외선과 같은 원하는 스펙트럼 구역(들)에 하나 이상의 반사 대역을 제공하도록 맞춰지는 대게 수십 또는 수백 개의 개별 미세층을 포함한다. 적당한 개수의 층에 대해 높은 반사율을 달성하기 위해서는, 인접하는 미세층이 x축에 따라 편광된 광에 대한 굴절률에 있어서 0.05 이상의 차이(△nx)를 나타내는 것이 바람직하 다. 높은 반사율이 두 개의 직교하는 편광에 대해 요구되는 경우, 인접하는 미세층이 또한 y축에 따라 평광된 광에 대한 굴절률에 있어서 0.05 이상의 차이(△ny)를 나타내는 것이 바람직하다.
필요한 경우, Z축을 따라 편광된 광에 대한 미세층 사이의 굴절률 차이(△nz)도 비스듬히 입사하는 광의 P-편광 성분에 대한 원하는 반사 특성을 달성하도록 맞춰질 수 있다. 설명의 용이성을 위해, 다층 광학 필름 상의 관심 있는 임의의 지점에서, x축은 △nx의 크기가 최대가 되도록 필름 평면 내에서 지향되는 것으로 고려된다. 따라서, △ny의 크기는 △nx의 크기 이하일 수 있다(그러나, 더 클 수는 없음). 또한, 차이(△nx, △ny, △nz)를 산출하는데 있어 어떤 재료로서 시작할 것인가의 선택은 △nx가 음이 아니라는 필요성에 의해 규정된다. 즉, 경계부를 형성하는 두 개의 층 사이의 굴절률 차이는 △nj = n1j - n2j이며, 여기서 j = x, y 또는 z이고, 층 지시 번호(1, 2)는 n1x > n2x, 즉 △nx > 0을 만족하도록 선택된다.
비스듬한 입사각으로 p 편광된 광의 높은 반사율을 유지하기 위해서, 미세층 사이의 z 지수 어긋남이 최대 평면 굴절률 차이(△nx)보다 실질적으로 작도록, 즉 △nz < 0.5*△nx를 만족하도록 제어될 수 있다. △nz < 0.25*△nx를 만족하는 것이 더 바람직하다. 0 또는 0에 가까운 크기의 z 지수 어긋남은 p-편광된 광에 대한 반사율이 입사각의 함수로서 일정하거나 거의 일정한 미세층 사이의 경계부를 낳는 다. 또한, z 지수 어긋남(△nz)은 평면 굴절률 차이(△nx)에 비해 반대되는 극성을 가지도록, 즉 △nz < 0을 만족하도록 제어될 수 있다. 이러한 조건은 s-편광된 광의 경우와 같이, p-편광된 광에 대한 반사율이 입사각이 증가함에 따라 증가하는 경계부를 낳는다.
다르게는, 다층 광학 필름은 모든 중합체 미세층이 사실상 등방성인, 즉 각각의 층에 대해 nx = ny = nz를 만족하는 단순한 구성을 가질 수 있다. 또한, 콜레스테릭 반사 편광자 및 특정 블록 공중합체와 같은, 공지된 자기 조립 주기 구조(self-assembled periodic structures)는 이러한 적용 목적을 위한 다층 광학 필름으로 여겨질 수 있다. 콜레스테릭 미러는 좌우 카이랄-피치(chiral-pitch) 원소의 조합을 사용하여 이루어질 수 있다.
도2를 다시 참조하면, 기판(32)은 기판(32)의 제1 표면(36)으로부터 제2 표면(40)으로 기판(32)을 통해 연장하는 복수의 관통 구멍 또는 관통부(50)를 더 가진다. 각각의 관통부(50)는 그 안에 LED(24)를 수용하도록 구성된다. 제조 공정 및 사용되는 재료에 따라, 관통부(50)는 기술 분야에서 공지된 바와 같이, 화학 에칭, 플라즈마 에칭, 레이저 밀링 또는 절연 기판(32)을 통한 펀칭이 될 수 있다.
도면에 있어서, 회로 스트립(22)은 관통부의 단일 열을 수용하기에 충분한 폭(W)을 가진다. 다른 실시예에 있어서, 회로 스트립(22)의 폭(W)은 2열 이상의 관통부를 수용할 수도 있다. 특정 점등 적용예 및 그 관련 휘도와 해상도 요구치에 따라, LED(24)는 LED에서 LED까지의 이격(피치)이 3 mm 내지 15 mm의 범위 내인 상태로, 주어진 회로 스트립(22)을 따라 배열될 수도 있다. 매우 높은 해상도 및/또는 휘도가 요구되는 경우와 같은 몇몇 적용예에 있어서는, 원하는 피치가 3 mm 미만일 수도 있다. 해상도 및/또는 휘도 요구치가 낮은 다른 적용예에 있어서는, 원하는 피치가 15 mm를 초과할 수도 있다.
조립 중, 관통부(50)는 LED(24)를 배치하는데 있어서 편리한 정렬 지점이라는 장점을 제공한다. 양호하게는, 관통부(50)는 기판(32)의 제2 표면(40) 상에 제공되는 전기 및 열 전도성 층(38)를 통해 연장하지 않고, 따라서 관통부(50) 내에 위치되는 LED(24)가 제조 공정 중에 층(38)에 부착될 수도 있다. 전기 및 열 전도성 층(38)은, 예를 들어 LED(24)로의 전기적인 접속을 형성하는 것, LED(24)로부터 아래의 방열 장치(30)로의 직적접인 열 경로를 제공하는 것, LED(24)로부터 열을 측방향으로 멀리 퍼지게 하는 것 및 다른 시스템으로의 전기적인 접속을 제공하는 것을 포함하는 복합적인 목적으로 기능할 수도 있다. 도1 및 도2의 조명 조립체(20)에 있어서, 도시된 LED(24)는 LED(24)의 기부(52) 상에 하나의 전기적인 접촉부를 가지고 LED(24)의 반대(상부) 표면 상에 다른 전기적인 접촉부를 가지는 형태이다. 각각의 LED(24)의 기부(52) 상의 접촉부는 기판(32)의 제2 표면(40) 상에서 층(38)에 전기 및 열적으로 접속되고, 각각의 LED(24)의 상부 상의 접촉부는 LED(24)로부터 회로 트레이스(42) 상의 접합 패드(56)로 연장하는 와이어본드(54)에 의해 기판(32)의 제1 표면(36) 상에서 회로 트레이스(42)에 전기적으로 접속된다.
열 및 전기 전도성 접착제, 땝납 리플로우(re-flow), 초음파 본딩[LED 다이가 적절한 후면 도금(metallization)을 가지는 경우] 및 Au/Sn 공융 본딩이 LED(24)을 기판(32)의 제2 표면(40) 상의 열 및 전기 전도성 층(38)에 부착시키는데 사용될 수 있는 부착 방법들에 속한다. 땝납은 대게 접착제보다 낮은 내열성을 가지지만, 모든 LED(24)가 땝납이 가능한 기부 도금을 가지는 것은 아니다. 땝납 부착은 또한 공정 중 LED(24)를 정렬시키는 용융된 땝납의 표면 장력에 기인하여, LED(24) 자기 정렬이라는 장점을 가진다. 그러나, 몇몇 LED는 땝납 리플로우 온도에 민감할 수도 있고, 이러한 경우 접착제가 더 적절하다.
LED(24)는 수 개 이상의 관통부(50) 내에 배치된다. 몇몇 관통부(50)는 선택적으로 LED(24)가 없이 남겨질 수도 있다. 예를 들면, 몇몇 실시예에 있어서, 하나 건너씩 빈 채로 남겨질 수 있다. 빈 관통부(50)는 여러 가지 목적으로 유용하다. 회로 스트립 내의 몇몇 관통부가 LED로 채워진 이후, LED가 테스트 중에 결합이 있는 것이 발견되는 경우, 교체 LED가 결합이 있는 LED 다음의 빈 관통부 내에 부착될 수도 있다. 빈 관통부는 또한 회로 스트립(22)으로의 적절한 전력 및 신호 연결부를 만드는데 사용될 수 있고, 또는 조립체의 다른 요소에 대한 레지스트레이션을 위한 정렬 지점으로서 사용될 수 있다.
LED(24)가 부착된 상태인 회로 스트립(22)은 제1 표면(36)이 방열 장치(30)와 멀리 대면하고, 전기 및 열 전도성 층(38)이 방열 장치(30)에 인접하도록 방열 장치(30) 상에 배치된다. 따라서, 기판(32)의 제1 표면(36) 상의 회로 트레이스(42)는 기판(32)에 의해 전기 전도성 층(38) 및 방열 장치(30)로부터 전기적으로 절연된다. 기판(32)의 제2 표면(40) 상의 전기 및 열 전도성 층(38)은 양호하게는 접합 층(60)으로서 도1 및 도2에 도시된 바와 같이 전기 및 열 전도성 접합을 사용하여 방열 장치(30) 상에 장착된다. 열 및 전기 전도성 접착제 또는 땝납은 층(38)을 방열 장치(30)에 부착하는데 사용될 수 있는 부착 방법에 속한다. 따라서, 조명 조립체(20)의 열 제어 시스템의 능동 소자인 것 이외에, 방열 장치(30)는 또한 조명 조립체(20)의 전기 회로의 능동 소자이다. 예를 들면, 방열 장치(30)는 회로 스트립(22) 내의 각각의 LED(24)에 공통의 전기적인 접지를 제공할 수도 있다. 또한, 방열 장치(30)가 양호한 전기 전도성을 가지는 재료로 구성되는 경우, 낮은 전압 강하를 가진 균등한 전류 분배 및 EMI 차단을 포함하는 추가 장점이 유리하게 제공된다.
기판(32)의 제2 표면(40) 상의 층(38) 및 방열 장치(30) 모두는 금속일 수 있고, 회로 스트립(22)은 접합되어야 하는 하나 이상의 금속 표면에 땝납을 적용시키고, 이어서 층(38)의 금속 표면 및 방열 장치(30)가 서로에 대해 땝납 접합되게 함으로써 방열 장치(30) 상에 장착될 수 있다. 적절한 땝납 방법으로는 리플로우 땝납 및 웨이브 땝납을 포함한다. 땝납은 또한 땝납 페이스트(paste)를 사용하고 회로 스트립(22)을 가열된 닙 또는 스탬프로 방열 장치(30)에 적층시킴으로써 수행될 수도 있다. 회로 스트립(22)과 방열 장치(30) 사이의 접합은 회로 스트립(22)의 전체 영역에 걸쳐 연장할 수도 있고, 또는 회로 스트립의 일부분만을 덮을 수도 있다. 몇몇 경우에는, LED와 방열 장치 사이의 조명 조립체의 층 또는 부품이 LED(24)와 방열 장치(30) 사이에 직접적인 열 경로를 제공하는 것이 바람직하다. 몇몇 경우에는, 회로 스트립(22)은 회로 스트립(22)을 LED(24)로 채우기 이전에 방열 장치(30) 상에 장착될 수 있다.
빈 LED(24) 다이가 관통부를 채우는데 사용되는 경우, LED(24)는 대게 수직으로 250 마이크로미터의 높이를 가지고, 절연 기판(32)은 25 내지 50 마이크로미터의 두께 범위 내에 있고, 전도성 층(34, 36)의 두께는 17 내지 34 마이크로미터의 범위 내에 있지만, LED(24)의 전력 요구치에 기초하여 범위가 다소 변화될 수 있다. 접합 패드(56)에서의 양호한 와이어본딩을 보조하기 위해서, 접합 패드(56)는 니켈 및 금의 표면 도금을 포함할 수 있다. 경사진 측벽(62)을 가진 관통부(50)가 도시되고, 이는 화학적으로 에칭된 관통부에서는 전형적인 것이다. 그러나, 플라즈마 에칭 또는 레이저 밀링된 관통부는 실질적으로 수직인 측벽을 가질 수도 있다.
도3은 조명 조립체(20)와 유사한 조명 조립체(20a)의 개략 단면도이지만, 회로 스트립(22a)이 스트립(22)을 대체한다. 도3의 회로 스트립(22a)은 기판(32)의 제2 표면(40) 상의 전기 및 열 전도성 층(38)이 생략되었다는 점에서 도2의 스트립(22)과 구별된다. 도3의 실시예에 있어서, 회로 스트립(22a)은 관통부(50) 모두 또는 일부를 LED(24)로 채우기 이전에 방열 장치(30) 상에 장착된다. 관통부(50)가 LED(24)로 채워지면, 각각의 LED(24)의 기부(52)는 방열 장치(30)에 직접적으로 전기 및 열적으로 접속되고, 각각의 LED(24)의 상부 상의 접촉부는 LED(24)로부터 회로 트레이스(42) 상의 접합 패드(56)로 연장하는 와이어본드(54)에 의해 회로 트레이스(42)에 전기적으로 접속된다. 기판의 제2 표면(40) 상에 금속 층이 존재하지 않는 경우, 회로 스트립(22a)은 열 및 전기 전도성 접착제 또는 땝납을 포함하는 임의의 적절한 방법으로 부착될 수도 있다. 기판(32)을 방열 장치(30)에 부착시키는데 접착제가 사용되는 경우에도, 땝납 접합이 또한 LED(24)와 방열 장치(30) 사이의 열전도성을 향상시키기 위해 LED(24)와 방열 장치(30) 사이에 형성될 수 있다. 따라서, 방열 장치(30)는 조명 조립체(20)의 능동적인 열 및 전기 소자가 된다.
도4 및 도5는 각각 대체 회로 스트립(22b, 22c)를 사용하는 또 다른 조명 조립체(20b, 20c)의 개략 단면도이다. 도4 및 도5에 있어서, 도시된 와이어본딩된 LED(24a)는 모두 도1 내지 도3의 와이어본딩된 LED(24)에서와 같이 다이오드의 대향 측면 상이 아니라, LED의 동일 측면 상에 전기 접촉 패드를 가진다. 도4의 회로 스트립(22b)의 구성은 도2의 스트립(22)과 유사하고, LED(24a)는 관통부(50) 내부에 위치 설정되고 열전도성 층(60)에 의해 층(38)에 열적으로 접속된다. 층(60)은, 예를 들어 접착제, 땝납, 초음파 본딩 또는 Au/Sn 공융 본딩을 포함할 수도 있다. 도5의 회로 스트립(22c)의 구성은 도3의 스트립(22a)과 유사하고, LED(24a)는 관통부(50) 내부에 위치 설정되고 열전도성 접착제 또는 땝납 층(60)에 의해 방열 장치(30)에 열적으로 접속된다. 도4 및 도5의 조명 조립체에 있어서, LED(24a)는 방열 장치(30)에 직접적인 열 경로를 제공하지만, 방열 장치(30)는 조명 조립체(20)의 능동 전기 소자가 아니다.
도6 및 도7은 방열 장치(30a, 30b) 조합체 상에 배치되는 대체 회로 스트립(22d)을 사용하는 또 다른 조명 조립체(20d)를 도시한다. 각각의 회로 스트립(22d)은 기판(32)의 제1 표면(36)으로부터 제2 표면(40)으로 기판(32)을 통해 연장하는 복수의 관통 구멍 또는 관통부(50)를 가지는 전기 절연성의 유전체 기판(32)을 포함한다. 각각의 관통부(50)는 그 안에 LED(24b)를 수용하도록 구성된다. 전기 및 열 전도성 층(38d)은 제2 표면(40) 상에 배치되고 관통부(50)를 가로질러 연장한다. 전기 및 열 전도성 층(38d)은 각각의 관통부(50)가 섹션(64) 중 하나와 연관되는 상태로, 복수의 분할 섹션(64)을 형성하도록 패터닝된다.
층(38d)의 섹션(64)은, 예를 들어 LED로의 전기적인 접속을 형성하는 것, LED로부터 아래의 방열 장치(30a, 30b)로의 열 경로를 제공하는 것, LED(24)로부터 열을 측방향으로 멀리 퍼지게 하는 것 및 다른 시스템으로의 전기적인 접속을 제공하는 것을 포함하는 복합적인 목적으로 기능할 수도 있다. 도6 및 도7의 조명 조립체(20d)에 있어서, 도시된 LED(24b)는 LED의 기부(52) 상에 하나의 전기적인 접촉부를 가지고 LED의 반대(상부) 표면 상에 다른 전기적인 접촉부를 가지는 형태이다. 각각의 LED의 기부(52) 상의 접촉부는 층(38d)의 관련 섹션(64)에 전기 및 열적으로 접속되고, 각각의 LED의 상부 상의 접촉부는 LED(24b)로부터 기판(32)을 통해 연장하는 채워진 관통부(66)로 연장하는 와이어본드(54)에 의해 인접하는 섹션(64)에 전기적으로 접속된다. 다른 실시예에 있어서, 관통부(66)는 채워지지 않을 수도 있고, 와이어본드(54)가 인접하는 섹션(64)에 직접적으로 접속할 수 있다. 층(38d)의 분할 섹션(64)은 LED가 일렬로 연결되는 것을 허용하고, 이는 특정 적용예에서 바람직할 수도 있다. 다른 실시예와 관련하여 전술된 바와 같이, 층(38d)은 금속일 수 있고, 열 및 전기 전도성 접착제, 땝납 리플로우, 초음파 본딩(LED 다이가 적절한 후면 도금을 가지는 경우) 및 Au/Sn 공융 본딩을 포함하는 부착 방 법에 의해 LED(24b)에 부착될 수 있다.
각각의 회로 스트립(22d)에 대해서, 층(38d)의 섹션(64)은 관련된 하나의 제1 방열 장치(30a)에 각각 직접적으로 접합된다. 제1 방열 장치(30a)는 스트립(22d)의 폭(W2)보다 큰 폭(W1)을 가지고, 관련 LED에 의해 발생된 열을 제2 방열 장치(30d)로 전달하는 것을 보조하는 히트 스프레더로서 기능한다. 제2 방열 장치(30b)는 조립체(20d)로부터의 열을 분산하는 것을 보조하기 위해 핀(68)과 같은 형상부를 포함할 수 있다.
도시된 실시예에 있어서, 각각의 제1 방열 장치(30a)는 층(38d)의 관련 섹션(64)에 전기 및 열적으로 접속되지만, 제2 방열 장치(30b)로부터는 전기적으로 고립된다. 층(38d) 및 제1 방열 장치(30a)가 금속인 경우, 각각의 섹션(64) 및 관련 제1 방열 장치(30a)는 접합되어야 하는 하나 이상의 금속 표면에 땝납을 적용하고, 이어서 층(38d)의 금속 표면 및 제1 방열 장치(30a)가 서로 땝납 접합되게 함으로써 열 및 전기적으로 접합될 수 있다. 땝납은 또한 땝납 페이스트를 사용하고 가열된 닙 또는 스탬프로 회로 스트립(22d)의 섹션(64)을 금속인 제1 방열 장치(30a)에 적층시킴으로써 수행될 수도 있다. 제1 방열 장치(30a)는 열적으로는 전도성이지만 전기적으로는 절연된 층(69)에 의해 제2 방열 장치(30b)로부터 전기적으로 분리된다. 층(69)의 재료는, 예를 들면 미네소타주 세인트폴 소재의 쓰리엠사로부터 입수 가능한 쓰리엠 2810과 유사한 보론 니트라이드(boron nitride) 첨가 폴리머와 같은 열전도성 접착제일 수 있다.
예를 들어, 기판을 절단함으로써 형성된 것처럼, 직선의 측면 에지(70)를 가 지는, 도1 및 도6의 회로 스트립이 도시된다. 다른 실시예에서는, 회로 스트립은, 예를 들어 다이 커팅 또는 에칭 공정에 의해 형성되는 복잡한 측면 에지를 가질 수도 있다. 도8에 복잡한 측면 에지(70a)를 가지는 예시적인 회로 스트립(22e)의 상면 또는 평면도가 도시된다. 스트립(22e)은 복수의 상대적으로 좁은 목부 영역(74)에 의해 분리되는 복수의 상대적으로 넓게 확대된 영역(72)을 포함한다. 복수의 전력 및 신호 전도성 트레이스(42a)는 기판(32)의 제1 표면 상에 제공된다. 확대된 영역(72)은 각각 LED(도시 생략)를 수용하는 관통부(50) 및 LED와 다른 전기 시스템으로의 전기적인 접속을 형성하는 접합 패드(56)를 포함한다.
도1 내지 도8의 회로 스트립은 절연 유전체 기판의 시트 또는 웨브로서 제조될 수 있다. 도9는 도8의 회로 스트립(22e)을 제조하는 일 방법을 도시한다. 절연 유전체 기판(32)의 웨브 또는 시트(80)는 그 위에 복수의 전도성 트레이스(42a)를 가지도록 도금 및 패터닝된다. 이어서, 웨브 또는 시트(80)는 절단되고, 다이 커팅되고, 지퍼식(zipped) 천공부가 제공되고, 찢어지거나, 혹은 개별 회로 스트립(22e)을 분리시키도록 에칭된다. 도9에서 복잡한 측면 에지(70a) 형상이 기판(32)의 사용되지 않는 영역을 유용하게 최소화시키는 방법을 관찰할 수 있다. 회로 스트립(22e)이 분리된 이후에, LED는 전술된 바와 같이 원하는 배열 및 이격 거리로 방열 장치 상에 장착되는 스트립(22e)의 관통부 일부 또는 모두에 장착시킴으로써 회로 스트립(22e)에 부착될 수 있다.
모든 조명 조립체 실시예에 있어서, 개시된 회로 스트립 또는 LED, 혹은 그 둘 모두는 다른 광학 장치, 필름 또는 조명 조립체 상의 다른 요소와 합체될 수 있 다. 이러한 장치, 필름 또는 다른 요소는, 예를 들면 광 흡수 마스킹(masking) 부품, 고반사율 물질과 피막 및 형광체를 포함할 수도 있다.
피막은 회로 스트립을 웨브(80)로부터 분리하기 전 또는 후에, LED 모두 또는 일부에 직접적으로 적용될 수 있다. 피막은 LED를 개별적으로나, 또는 두 개 이상의 LED 그룹으로 덮는 것이 가능하다. 피막의 형상 및 위치는 원하는 광 안내 또는 광 추출 효과를 제공할 수 있다. 피막은 LED의 최종으로 원하는 형상을 형성할 수 있고, 또는 다른 피막 층으로 이후 덮여질 수도 있다. 초기 피막 층을 다른 피막 층으로 덮는 것은 더 고가이며, 높은 굴절률을 가지고 서서히 경화하는 피막 및 LED가 채워진 회로 스트립이 용이하게 취급되면서 생성되어야 하는 고유의 피막 형상을 허용하고, 이후에 적용될 더 복잡한 피막을 허용한다. 피막의 형상은 굴절 및 반사의 조합을 통해 광을 분배할 수도 있다. 또한, 피막은 다른 광학 부품과 조합을 이루는 원하는 광 출력 프로파일을 생성할 수도 있다. 다른 광학 요소는 조명 조립체의 원하는 광학 특성에 따라, 회로 스트립 사이, LED 위 또는 LED 사이에 적용될 수 있다.
도6의 조립체(20d)는 인접하는 회로 스트립(22d)의 제1 방열 장치(30a) 사이에 배치되는 광학 필름 층(82)을 도시한다. 대체 실시예에 있어서, 층(82)은 제1 방열 장치(30a)에 걸쳐 또는 LED의 위치에서 층(80)에 구멍이 제공되는 경우 회로 스트립의 전체에 걸쳐 연장할 수 있다. 도7에 있어서, 기판(32)의 제1 표면(36)에 걸쳐 연장하는 광학 피막(84)이 도시된다. 광학 필름 층(82) 및 피막(84)은 본 명세서에서 기술되는 임의의 조명 조립체와 연계하여 사용될 수 있다.
특정 실시예가 양호한 실시예의 설명을 위해 본 명세서에서 도시 및 기술되었지만, 기술 분야의 숙련자에게 있어 동일한 목적을 달성하기에 적합한 다양한 대체 및/또는 등가의 구현이 본 발명의 범위 내에서 도시 및 기술된 특정 실시예를 대체할 수도 있음은 명백하다. 화학, 기계, 전자-기계 및 전기 분야의 숙련자는 본 발명이 매우 다양한 실시예로 구현될 수도 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다. 본 적용예는 본 명세서에서 기술된 양호한 실시예의 변형 및 변경을 포함한다. 따라서, 본 발명은 청구범위 및 그 등가물에 의해서만 한정되어야 한다.

Claims (21)

  1. 방열 부재와,
    방열 부재 상에 서로 이격되도록 배치되는 복수의 가요성 회로 스트립과,
    복수의 관통부(via) 내에 배치되는 복수의 LED를 포함하고,
    각각의 회로 스트립은 전기 절연 기판을 포함하는데, 상기 기판의 제1 표면은 하나 이상의 회로 트레이스를 가지고 상기 기판의 제2 표면은 전기 및 열 전도성 층을 가지는 것이고,
    상기 하나 이상의 회로 트레이스는 상기 기판의 제2 표면으로부터 전기적으로 절연되고, 상기 회로 스트립은 상기 기판의 제1 표면으로부터 제2 표면으로 연장되는 복수의 관통부를 가지는 것이며,
    각각의 LED는 전기 절연 기판의 제2 표면의 전기 및 열 전도성 층 상에 배치되어 상기 기판의 제1 표면의 하나 이상의 회로 트레이스에 전기적으로 접속되는 것인 조명 조립체.
  2. 제1항에 있어서, LED가 전기 절연 기판의 제2 표면의 전기 및 열 전도성 층에 전기적으로 접속되는 것인 조명 조립체.
  3. 삭제
  4. 제1 표면에 하나 이상의 가요성 회로 트레이스를 가지는 전기 절연 기판 및 상기 기판의 제1 표면으로부터 제2 표면으로 기판을 통해 연장되는 복수의 관통부를 구비하는 가요성 회로와,
    복수의 관통부 중 하나 이상의 관통부 내에 배치되는 LED와,
    가요성 회로의 제2 표면과 동일한 쪽에 배치되는 전기 전도성 방열 부재를 포함하고,
    LED가 방열 부재 및 하나 이상의 회로 트레이스 모두에 전기적으로 접속되는 것인 조명 조립체.
  5. 전기 절연 기판을 제공하는 단계와,
    전기 절연 기판 상에 복수의 회로 트레이스를 제공하는 단계와,
    각각 하나 이상의 관련 회로 트레이스를 가지는 복수 열의 관통부를 전기 절연 기판 내에 제공하는 단계와,
    각각 관련 회로 트레이스 또는 복수 열의 관통부를 포함하는 복수의 스트립으로 기판을 분리하는 단계와,
    관련 회로 트레이스에 전기적으로 접속되는 LED로 각각의 스트립의 하나 이상의 관통부를 채우는 단계와,
    복수의 스트립 중 두 개 이상을 LED 어레이를 형성하도록 가요성 열 싱크 상에 배치하는 단계를 포함하고,
    각각의 스트립의 LED가 열 싱크에 전기적으로 접속되는 것인 조명 조립체 제조 방법.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
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