KR101249237B1 - 기판 상으로의 조명 소자들의 조립 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 기판(28) 위에 조명 소자(20)를 조립하는 것에 관한 것이다. 조명 소자(20)와 추가 광학 부품(30)의 정확한 위치 지정을 가능하게 하기 위해, 하나의 실장 면 P 내에 조명 소자(20)와 지지 소자(22)를 정렬하고, 한번의 단계에서 조명 소자(20)를 지지 소자(22)와 함께 기판(28) 위에 표면 실장하고, 어떠한 기계적 응력도 조명 소자(20)에 인가되지 않도록 추가 부품(30)을 지지 소자(22) 위에 실장하는 것이 제공된다.
조명 소자, 조명 모듈, 광학 부품, 표면 실장

Description

기판 상으로의 조명 소자들의 조립{ASSEMBLING LIGHTING ELEMENTS ONTO A SUBSTRATE}
본 발명은 일반적으로 조명 소자를 기판 위에 조립하는 것에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 조명 소자, 및 조명 소자를 포함하는 조명 모듈의 사용에 관한 것이다.
발광 다이오드(LED) 등의 표면-실장형(Surface-mounted) 조명 소자는 기판상에 표면 실장될 경우 정확한 정렬(accurate alignment)의 문제를 만들어 낸다. 특히, 콜리메이터(collimator) 및 마이크로-콜리메이터(micro-collimator) 등의 광학 부품(component)을 납땜(soldering) 또는 접착(gluing)하는 동안, 광학 부품과 LED와의 정확한 정렬이 어려울 수 있다.
먼저, 표면-실장형 LED는 기판상의 접속 패드(connection pads)에 접속될 필요가 있다. 이는 종종 납땜 또는 본딩(bonding) 공정에 의해 행해진다. 예를 들어, LED를 기판 위에 본딩하기 위해 리플로우 납땜 공정이 제공된다.
이런 리플로우 납땜 공정 동안, 전도성 페이스트(a conducting paste)를 회로 기판 상의 본딩 패드들에 도포(apply)한다. 전기 부품은 페이스트의 접착력에 의해 본딩 패드 위에 부착된다. 그 후, 부품이 부착된 회로 기판은 가열 공정(a heating process) 하에 놓인다. 이 공정 동안, 전도성 페이스트는 고체가 되고, 부품은 회로 기판에 납땜된다. 하지만, 부품을 기판 위에 납땜하는 동안, 페이스트가 가열되고, 페이스트가 고체가 될 때까지 접착력이 소자를 제 위치에 유지할 만큼 충분하지 않아, 부품이 "표류하는(swim away)" 경향이 있다. 이는 부품의 오-정렬(miss-alignment)로 이어질 수 있다. 그것은 LED가 정확한 위치에 배치될 수 없다는 것을 의미한다.
또한, 추가 광학 부품들을 기판 위에 실장하는 경우, 이들 광학 부품은 이미 실장된 LED와 정확하게 정렬될 필요가 있다. 광학 부품들과 LED 간의 거리가 정확해지도록 정렬이 필요하다. 예를 들어, 콜리메이터를 실장하는 경우, LED와 콜리메이터 간의 기계적 접촉(mechanical contact)이 없이, 콜리메이터와 LED 사이의 거리가 최소로 될 필요가 있다.
따라서, 본 발명의 한 가지 목적은 광학 부품의 정확한 정렬을 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 광학 부품의 용이한 정렬을 제공하는 것이다. 하지만, 본 발명의 또 다른 목적은 조립 동안 조명 소자를 손상시키지 않고 광학 부품을 조립하는 방법을 제공하는 것이다.
상기 개략적으로 설명된 문제를 극복하기 위해서, 본 발명의 일 양상에 따르면, 하나의 실장 면(one mounting plane) 내에 조명 소자와 지지 소자(a support element)를 정렬하고, 한번의 단계에서 조명 소자를 지지 소자와 함께 기판 위에 표면 실장하여, 조명 소자를 기판 위에 조립하는 방법이 제공된다.
조명 소자와 지지 소자는 단 하나의 실장 면 내에 정렬될 수 있다. 실장 면은 기판 면과 평행할 수 있다. 조명 소자와 지지 소자를 하나의 면 내에 배열함으로써, 단 한번의 단계에서 조명 소자와 지지 소자를 기판 위에 실장하는 것이 가능하다. 조명 소자를 기판 위에 먼저 실장한 후, 다음 단계에서 지지 소자를 기판 위에 실장할 필요가 없다. 단 한번의 실장 단계를 제공함으로써, 조명 소자와 지지 소자의 정확한 정렬을 제공하는 것이 가능하다.
지지 소자는 기판 위에 실장될 수 있는 임의의 고체 재료일 수 있다.
조명 유닛을 조립하기 위해서, 추가 부품이 지지 소자 위에 어떤 기계적 응력(mechanical stress)도 조명 소자에 인가되지 않고 실장될 수 있다. 지지 소자와 조명 소자 간의 정확한 정렬이 존재하기 때문에, 조명 소자 위에 기계적 응력 없이 추가 부품이 지지 소자 위에 실장될 수 있다. 조명 소자와 추가 부품과의 접촉이 방지될 수 있다.
조명 소자는 LED(a light emitting diode), 표면 실장형 LED, 또는 광 센서(예컨대, CCD(a charge coupled device)) 등의 광 방출기(a light emitter)인 것이 바람직하다.
실장 면 내에 조명 소자와 지지 소자를 정렬하기 위하여, 실시예들에서는 조명 소자와 지지 소자를 캐리어 매트릭스(a carrier matrix) 내에 제공한다. 캐리어 매트릭스는 조명 소자와 지지 소자 간의 거리를 규정할 수 있다. 소자들을 캐리어 매트릭스 내로 실장함으로써, 기판 위에 납땜될 조명 소자와 지지 소자 간의 거리는 명확하게 규정될 수 있다. 캐리어 매트릭스는, 추가 부품이 지지 소자 위에 어떤 기계적 응력도 조명 소자 위에 인가되지 않고 실장될 수 있는 거리에 소자들이 있게 되도록 설계될 수 있다.
실시예들에 따르면, 조명 소자 및/또는 지지 소자를 캐리어 매트릭스의 수용대(seatings) 내에 고착(secure)시키는 것이 제공된다. 수용대는 매트릭스의 표면 내의 오목부(recesses)일 수 있고, 이는 캐리어 매트릭스 내에 고착될 필요가 있는 소자들의 모양을 정확하게 가질 수 있다. 또한, 공기 흡입(air suction)에 의해 수용대 내에 소자들을 고착시키는 것이 가능하다. 또한, 수용대는, 소자들이 밀착부(a tight fit)에 의해 고착되도록, 유연할 수 있다.
실시예들에 따르면, 조명 소자와 지지 소자는 본딩에 의해 기판 위에 실장된다. 이런 표면 실장 기법은 땜납 본딩(solder bonding) 또는 임의의 다른 본딩 방법일 수 있다.
실시예들에 따르면, 조명 소자와 지지 소자를, 예를 들어, 표면 실장 본딩에 의해, 기판 위에 실장한 후에, 추가 부품이 지지 소자에 기계적으로 고착될 수 있다. 이는 예컨대, 추가 부품을 지지 소자 위에 접착함으로써 행해질 수 있다.
실시예들에서는, 광학 부품을 지지 소자 위에 실장하는 것을 제공한다. 이러한 광학 부품은 조명 소자로부터 출력된 광을 집광(collect), 분배하고(distribute), 및/또는 방향을 재배향(redirect)하거나, 또는 조명 소자 상에 광을 집광하고, 분배하고, 및/또는 방향을 재배향하는 데 사용되는 임의의 부품일 수 있다. 실시예들에 따른 광학 부품은, 마이크로-콜리메이터뿐만 아니라 콜리메이터일 수 있다.
마이크로-콜리메이터는 조명 소자에 대해 제한된 거리, 예컨대, 0.5mm를 가질 수 있다. 거리는 이보다 더 가까울 수 있다. 마이크로-콜리메이터의 외부 에지와 조명 소자의 외부 에지 간의 거리는 심지어 0.25mm로 가까울 수 있다.
조명 소자를 냉각(cool down)하기 위해, 실시예들에서는 지지 소자 위에 히트 싱크(a heat sink)를 실장하는 것을 제공한다. 히트 싱크는 또한 광학 활성화 표면(an optically active surface)을 포함할 수 있다.
둘 이상의 조명 소자를 갖는 조명 유닛을 제공하기 위하여, 실시예들에서는, 적어도 두 개의 조명 소자 사이에 적어도 하나의 지지 소자를 제공한다. 그 후, 추가 부품이 지지 소자에 고착될 수 있고, 적어도 두 개의 조명 소자에 의해 사용될 수 있다.
실시예들에서는, 지지 소자와 조명 소자 간에 일정한 거리(a fixed distance)가 제공되도록, 적어도 두 개의 지지 소자에 적어도 두 개의 조명 소자를 제공한다. 이런 일정한 길이는, 추가 부품이 조명 소자와 기계적으로 접촉함 없이 조명 소자에 대하여 최소 거리에 있는 지지 소자 위에 실장될 수 있도록 선택된다. 조명 소자와 광학 부품과의 고 응축 조립체(a highly condensed assembly)가 가능하다.
본 발명의 다른 양상은, 조명 소자와 광학 부품을 조립하는 기술된 방법을 사용하는 것이다.
본 발명의 다른 양상은, 한번의 단계에서 조명 소자와 지지 소자가 기판 위에 실장되는, 적어도 하나의 조명 소자와, 적어도 하나의 지지 소자를 포함하는 조명 모듈이다.
추가 광학 부품이 지지 소자 위에 실장되는 것이 가능하다. 조명 모듈은 상술된 방법에 따라 바람직하게 조립된다. 조명 모듈은, 예컨대, 자동차 헤드 램프 모듈 등의 자동차 조명 유닛 내에서 바람직하게 사용될 수 있다.
본 발명의 이런 및 다른 양상은 하기의 도면들을 통해 보다 상세하게 예시적으로 기술될 것이다.
도 1은 본 발명의 방법의 흐름도이다.
도 2는 캐리어 매트릭스, LED, 및 지지 소자를 나타낸다.
도 3은 실장 면에서 정렬된 LED 와 지지 소자가 캐리어 매트릭스 내에 있는 것을 나타낸다.
도 4는 LED와 지지 소자를 기판 위에 표면 실장하는 것이다.
도 5는 두 개의 콜리메이터와 함께 실장된 LED와 지지 소자를 나타낸다.
도 6은 지지 소자에 기계적으로 고정된 콜리메이터들을 나타낸다.
도 1은 조명 소자를 기판 위에 조립하는 방법(2)을 도시한다. 첫번째 단계(4)에서, LED는 지지 소자와 정렬된다. 이는 도 2에 도시된다.
도 2는 LED(20)와 지지 소자(22)를 나타낸다. 또한, 캐리어 매트릭스(24)가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, LED(20)와 지지 소자(22)는 하나의 면 P 내에서 그들의 베이시스(basis)와 정렬된다. 캐리어 매트릭스(24)는 오목 부(26;recesses)가 LED(20) 및 지지 소자(22)와 정렬되도록 위치된다.
하나의 실장 면 P에 LED(20)와 지지 소자(22)를 정렬한 후에, LED(20)와 지지 소자(22)는 도 3에 도시된 바와 같이, 단계(6)에서 캐리어 매트릭스(24) 내로 실장된다.
도 3에서 알 수 있듯이, LED(20)와 지지 소자(22)는 캐리어 매트릭스(24)의 오목부(26) 내에 실장된다. 또한, 기판(28)이 도시되어 있다. 캐리어 매트릭스(24)는 일정한 거리를 두고, LED(20)와 지지 소자(22)를 지니고 있다. 오목부(26)는, LED(20)와 지지 소자(22)가 캐리어 매트릭스(24) 내에 기계적으로 고정되도록 형성된다.
하나의 실장 면 P에 소자(20, 22)들을 정렬한 후에, 또 LED(20)와 지지 소자(22)를 캐리어 매트릭스(24) 내에 실장한 후에, 단계(8)에서 조립체(assembly)는 기판(28) 위에 본딩된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 캐리어 매트릭스(24)는 단 한번의 단계(8)에서 LED(20)와 지지 소자(22)를 기판(28) 위에 실장한다. 소자(20, 22)들은 기판(28) 위에 납땜된다. 기판(28)은 소자(20, 22)들이 납땜되는 본딩 패드(도시 생략)를 포함한다. 납땜은 리플로우 납땜 공정을 이용하여 행해질 수 있다. LED(20)는 본딩 패드를 통해 전기적으로 접속될 수 있다.
단계(8)에서 소자(20, 22)들을 기판(28) 위에 납땜한 후에, 매트릭스(24)를 들어올려 오목부(26)로부터 소자(20, 22)들을 제거한다.
그 후, 콜리메이터, 렌즈, 반사형 소자(reflective elements) 등의 광학 부 품 또는 다른 광학 부품을, 도 5에 도시된 바와 같이, 단계(10)에서 지지 소자(22) 위에 위치시킨다. 도 5는 기판(28) 위에 납땜된 소자(20, 22)들을 나타내고, 또한 콜리메이터(30)를 광학 부품의 예로서 나타낸다. 콜리메이터(30)는 지지 소자(22)에 정확하게 맞춰지는 오목부를 포함하도록 형성된다.
콜리메이터(30)는 도 6에 도시된 바와 같이, 단계(12)에서 지지 소자(22)에 고정된다. 도 6은 콜리메이터(30)가 지지 소자에 기계적으로 고정되는 것을 도시한다. 이는 콜리메이터(30)를 지지 소자(22)에 접착함으로써 행해질 수 있다. 지지 소자(22)와 LED(20) 간의 거리 d는 최소가 되도록 선택된다. 캐리어 매트릭스(24)를 사용하여 지지 소자(22)와 LED(20)를 정렬함으로써, 거리 d는 명확하게 규정될 수 있다. 콜리메이터(30)는 LED(20)로의 기계적 힘 또는 응력 없이, 지지 소자(22) 위에 실장될 수 있다.
결과적으로, LED(20), 지지 소자(22), 기판(28), 및 콜리메이터(30)를 포함하는 조명 모듈이 조립된다. 콜리메이터(30)를 지지 소자(22)에 접착하는 대신에, 히트 싱크(도시 생략)를 지지 소자(22) 위에 고정하는 것이 또한 가능하다.
본 발명의 방법은 LED 위에 기계적 힘 또는 응력을 인가함 없이 LED와 추가 광학 부품을 조립하는 것을 제공한다. 조립체는 LED와 광학 부품의 위치가 명확하게 규정될 수 있고, 제조 공정이 소자(20, 22)들의 정확한 위치 지정(positioning)을 지원하기 때문에, LED와 광학 부품 간의 정확한 맞춤(exact fitting)을 특징으로 한다.

Claims (27)

  1. 조명 소자(20), 및 추가 부품(further component; 30)을 위한 지지 소자(22)를 기판(28) 위에 조립하는 방법으로서,
    - 하나의 실장 면(P) 내에 상기 조명 소자(20)와 상기 지지 소자(22)를 정렬하는 단계, 및
    - 한번의 단계에서 상기 조명 소자(20)를 상기 지지 소자(22)와 함께 기판(28) 위에 표면 실장하는 단계
    를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    어떠한 기계적 응력도 상기 조명 소자(20)에 인가되지 않도록 상기 추가 부품(30)을 상기 지지 소자(22) 위에 실장하는 단계를 더 포함하는 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 조명 소자(20)는 광 방출기(light emitter; 20) 또는 광 센서(optical sensor; 20)인 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 광 방출기(20)는 표면 실장형 발광 다이오드(20)인 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 하나의 실장 면(P) 내에 상기 조명 소자(20)와 상기 지지 소자(22)를 정렬하는 단계는, 상기 조명 소자(20)와 상기 지지 소자(22) 중 적어도 하나를 하나의 캐리어 매트릭스(carrier matrix)(24) 내로 실장하는 단계, 및 상기 조명 소자(20)와 상기 지지 소자(22)가 상기 기판(28)에 고정될 때까지, 상기 조명 소자(20)와 상기 지지 소자(22)를 상기 캐리어 매트릭스(24) 내에 유지하는 단계를 포함하는 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 조명 소자(20)와 상기 지지 소자(22) 중 적어도 하나를 상기 캐리어 매트릭스(24) 내로 실장하는 단계는, 상기 조명 소자(20)와 상기 지지 소자(22) 중 적어도 하나를 상기 캐리어 매트릭스(24)의 수용대들(seatings)(26) 내에서 기계적으로 고착(secure)시키는 단계를 포함하는 방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 조명 소자(20)와 상기 지지 소자(22) 중 적어도 하나를 상기 캐리어 매트릭스(24) 내로 실장하는 단계는, 상기 캐리어 매트릭스(24) 내에서 상기 조명 소자(20)에 대하여 일정한 거리를 두고 상기 지지 소자(22)를 고착시키는 단계를 포함하는 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 조명 소자(20)를 상기 지지 소자(22)와 함께 상기 기판(28) 위에 표면 실장하는 단계는, 적어도 상기 조명 소자(20)를 상기 기판(28) 위에 본딩하는 단계를 포함하는 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 조명 소자(20)를 상기 지지 소자(22)와 함께 상기 기판(28) 위에 표면 실장하는 단계는, 적어도 상기 조명 소자(20)를 리플로우 납땜 공정(reflow soldering process)을 이용하여 상기 기판(28) 위에 납땜하는 단계를 포함하는 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 조명 소자(20)를 상기 지지 소자(22)와 함께 상기 기판(28) 위에 표면 실장하는 단계는, 적어도 상기 조명 소자(20)를 상기 기판(28) 위에 땜납 본딩(solder bonding)하는 단계를 포함하는 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 추가 부품(30)을 상기 지지 소자(22) 위에 실장하는 단계는, 상기 지지 소자(22) 위에 상기 추가 부품(30)을 기계적으로 고착시키는 단계를 포함하는 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 추가 부품(30)을 상기 지지 소자(22) 위에 실장하는 단계는, 상기 추가 부품(30)을 상기 지지 소자(22) 위에 접착(gluing)하는 단계를 포함하는 방법.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 추가 부품(30)을 상기 지지 소자(22) 위에 실장하는 단계는, 광학 부품(30)을 상기 지지 소자(22) 위에 실장하는 단계를 포함하는 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 광학 부품(30)은 콜리메이터(collimator; 30)인 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 콜리메이터(30)는 마이크로-콜리메이터(micro-collimator; 30)인 방법.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 추가 부품(30)을 상기 지지 소자(22) 위에 실장하는 단계는 히트 싱크(heat sink)를 상기 지지 소자(22) 위에 실장하는 단계를 포함하는 방법.
  17. 제1항에 있어서,
    적어도 하나의 지지 소자(22)를 적어도 2개의 조명 소자들(20) 사이에 제공하는 단계를 더 포함하는 방법.
  18. 제1항에 있어서,
    적어도 2개의 지지 소자들(22)과 적어도 하나의 조명 소자(20)를, 상기 지지 소자들(22)과 상기 조명 소자(20) 사이에 일정한 거리가 제공되도록 정렬하는 단계를 더 포함하는 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 지지 소자들과 상기 조명 소자(20) 사이의 일정한 거리는, 추가 부품(30)을 상기 지지 소자(22) 위에 실장할 때 상기 추가 부품(30)이 상기 조명 소자(20)와 접촉하지 않도록 선택되는 방법.
  20. 적어도 하나의 조명 소자(20), 및 추가 부품(30)을 위한 적어도 하나의 지지 소자(22)를 포함하며, 상기 조명 소자(20)와 상기 지지 소자(22)가 한번의 단계에서 기판(28) 위에 실장되는 조명 모듈.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 추가 부품(30)으로서 적어도 하나의 추가 광학 부품(30)이 상기 지지 소자(22) 위에 실장되는 조명 모듈.
  22. 제20항에 있어서,
    적어도 2개의 지지 소자들(22), 및 상기 지지 소자들(22) 사이에 배치된 적어도 하나의 조명 소자(20)를 포함하는 조명 모듈.
  23. 제20항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 조명 소자(20)와 상기 적어도 하나의 지지 소자(22)는 상기 기판 위에 납땜되는 조명 모듈.
  24. 제21항에 있어서,
    상기 추가 광학 부품(30)은 콜리메이터 또는 마이크로-콜리메이터인 조명 모듈.
  25. 제21항에 있어서,
    상기 추가 광학 부품(30)은 상기 지지 소자(22) 위에 접착되는 조명 모듈.
  26. 제20항에 있어서,
    상기 조명 모듈은 자동차 조명 유닛들(automotive lighting units) 내에 있는 조명 모듈.
  27. 삭제
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