KR101487867B1 - 멀티칩 발광 다이오드 디바이스들 - Google Patents

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Abstract

멀티칩 LED 디바이스들(200, 300)이 설명된다. 본 발명의 실시예들은 상대적으로 높은 효율 및 양호한 색 렌더링을 갖는 멀티칩 LED 디바이스들(200, 300)을 제공한다. LED 디바이스(200, 300)는 복수의 상호연결된 LED 칩들(202, 302) 및 렌즈들과 같은 광학 소자를 포함한다. 광학 소자는 실리콘으로 몰딩될 수 있다. LED 칩들(202, 302)은 병렬로 연결될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, LED 디바이스(200, 300)은 서브마운트(100)를 포함하며, 이것은 알루미나 또는 질화 알루미늄과 같은 세라믹 물질로 만들어질 수 있다. 와이어 본드들(204, 304, 305)은 모든 와이어 본드들이 LED 칩들의 그룹 외부에 있도록 LED 칩들(202, 302)에 연결될 수 있다. 수직 LED 칩들 및 측면 LED 칩들을 포함하여, LED 칩들의 다양한 사이즈들 및 유형들이 사용될 수 있다.

Description

멀티칩 발광 다이오드 디바이스들{MULTI-CHIP LED DEVICES}
발광 다이오드(LED) 조명 시스템들은 기존 조명 시스템들의 대체물들로서 더욱 일반적이 되고 있다. LED 들은 고상 조명(solid state lighting, SSL)의 예이며, 더 적은 에너지를 사용하고 더 내구성이 있고 더 길게 동작하고 임의의 색광을 실제적으로 구현하도록 제어될 수 있는 다중-색 어레이들로 결합될 수 있으며 납이나 수은을 포함하지 않기 때문에 백열 조명 및 형광 조명과 같은 전통적인 조명 해결책들을 넘어서는 이점들을 구비한다. 다수의 애플리케이션들에서, 하나 이상의 LED 칩들(또는 다이들)이 LED 패키지 내에 또는 LED 모듈 상에 장착되고, 그러한 디바이스는 조명 유닛의 일부, 램프, "조명 전구(Light bulb)" 또는 더 단순히 "전구(bulb)" 를 구성할 수 있으며, 이것은 LED 들에 전력을 공급하는 하나 이상의 전원을 포함한다. LED 전구는, 이것이 표준 쓰레드 백열 전구(standard threaded incandescent bulb), 또는 임의의 다양한 유형들의 형광등들을 대체할 수 있도록 하는 폼 팩터(form factor)로 만들어질 수 있다.
색 재생은 LED 조명을 포함하여, 임의의 유형의 인공 조명의 중요한 특성이 될 수 있다. 색 재생은 통상적으로 색 렌더링 인덱스(color rendering index, CRI)를 사용하여 측정된다. CRI 는 조명 시스템의 색 구현(color rendition)이 어떻게 이론적인 흑체 방열기(theoretical blackbody radiator)에 비교되는지의 상대적인 측정이다. 특성 용어들에서, CRI는 특정 램프에 의해 불이 켜질 때 물체의 표면 색상에 있어서의 변화의 상대적인 측정이다. 그 램프에 의해 조명되는 시험 표면들의 세트의 색 좌표들이 이론적인 흑체 방열기에 의해 방사되고 있는 동일 시험 표면들의 좌표들과 동일하면, CRI 가 100 에 상응한다. 일광(daylight)은 가장 높은 CRI(100)을 구비하며 백열 전구들이 상대적으로 그에 가깝고(95), 형광 조명은 덜 정확하다(70-85). 멀티칩 LED 디바이스들의 경우, 그 디바이스로부터의 광의 색은 그 디바이스 내의 각 칩에 의해 방출되는 광의 색에 의해 영향을 받을 것이다. 칩들은, CRI 를 포함하여, 디바이스를 위한 원하는 색 파라미터들을 유지하기 위해 적절히 혼합되어야 한다.
본 발명의 실시예들은 조명 시스템들에 사용하기 위한 상대적으로 높은 효율과 양호한 색 렌더링(color rendering)을 구비하는 멀티칩 LED 디바이스들을 제공한다. 몇몇 실시예들에서, LED 디바이스는 복수의 상호연결된 LED 칩들 및 LED 칩들로부터의 광에 영향을 미치도록 배치된 광학 소자를 포함한다. 몇몇 실시예들에서, 광학 소자는 직경이 5 mm 보다 작은 반면에, 클리어런스(clearance)가 복수의 LED 칩들의 최대 폭의 대략 0.2 내지 0.8 배가 되도록 LED 칩들 중 임의의 칩과 광학 소자의 에지 사이에 그 클리어런스를 유지한다. 몇몇 실시예들에서, 렌즈는 직경이 4 mm 보다 작다. 몇몇 실시예들에서, 클리어런스는 복수의 LED 칩들의 최대 폭의 약 0.3 내지 0.65 배이다. 몇몇 실시예들에서, LED 칩들 중 적어도 일부는 병렬로 연결되어 있다.
몇몇 실시예들에서, 렌즈일 수도 있는 광학 소자는 직경이 약 3.1 mm 이다. 몇몇 실시예들에서, 광학 소자는 몰딩된 실리콘 렌즈이고 그 디바이스를 위한 서브마운트(submount)는 알루미나 또는 질화 알루미늄과 같은 세라믹 물질이다. 몇몇 실시예들에서, 복수의 LED 칩들은 LED 디바이스의 CRI를 최대화시키도록 선택된다. 몇몇 실시예들에서, LED 디바이스는, LED 칩들에 전력이 가해질 때, 적어도 80 lm/W 의 효율을 가진 광을 방출하고 그 CRI 는 적어도 80이다. 몇몇 실시예들에서, LED 디바이스는 적어도 약 89 lm/W 의 효율을 가진 광을 방출하고 그 CRI 는 적어도 82이다.
몇몇 실시예들에서, 복수의 와이어 본드들이 LED 칩들에 연결되며, 각 와이어 본드는 LED 칩과 서브마운트 사이에 연결되고 복수의 와이어 본드들은 모든 와이어 본드들이 복수의 LED 칩들의 외부에 있도록 배열된다. 몇몇의 실시예들에서, 복수의 LED 칩들의 적어도 일부는 수직 LED 칩들이다. 몇몇 실시예들에서, 복수의 LED 칩들의 적어도 일부는 측면(sideview) LED 칩들이다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 LED 서브마운트의 하향도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 멀티칩 LED 디바이스의 하향도이다. 이 경우에, 각 LED 는 칩의 저부 장착 표면 및 칩의 최상부 상의 와이어 본드를 통해 연결된다. 도 2의 디바이스는 도 1의 서브마운트를 사용하며 렌즈 및 그 왜곡은 명확성을 위해 누락된다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 멀티칩 LED 디바이스의 하향도이다. 이 경우에, 각 LED 칩의 최상부 상의 두 개의 와이어 본드들이 그 칩을 연결하기 위해 사용된다. 도 3의 디바이스는 다시 도 1의 서브마운트를 이용하며 렌즈 및 그 왜곡은 명확성을 위해 누락된다.
도 4는 도 2 및 도 3의 LED 디바이스의 전기적 개략도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 LED 서브마운트의 하향도이다.
도 6 - 9는 본 발명의 실시예들에 따른 다양한 고밀도, 멀티칩 LED 디바이스들의 하향도들이다. 도 6 - 9 에서 도시된 실시예들은 모두 도 5의 서브마운트를 사용하며 렌즈 및 그 왜곡은 명확성을 위해 누락된다.
도 10은 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 LED 서브마운트의 하향도이다.
도 11 및 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 다양한 고밀도, 멀티칩 LED 디바이스들의 하향도이다. 도 11 및 도 12에서 도시된 실시예들은 도 10의 서브마운트를 이용하고, 렌즈 및 그 왜곡은 명확성을 위해 누락된다.
도 13은 도 5 - 8의 LED 디바이스들의 일반화된 전기적 개략도이다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 완성된 고밀도 멀티칩 LED 디바이스의 투시도이다.
도 15는 적절한 렌즈 사이즈가 결정되는 방법을 나타내는 본 발명의 실시예의 하향식의 개략적인 예시이다.
본 발명의 실시예들은 본 발명의 실시예들이 도시된 첨부 도면들을 참조하여 이하에서 더 상세하게 설명될 것이다. 그러나, 본 발명은 다수의 상이한 형태들로 구현될 수 있으며 본 명세서에서 제시된 실시예들로 한정되도록 구성되어서는 안된다. 오히려, 이 실시예들은, 본 명세서가 완전해지고 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자들에게 본 발명의 범위를 충분히 전달하도록 제공되는 것이다. 유사한 번호들은 유사한 요소들을 지칭한다.
비록 제1 및 제2 와 같은 용어들이 본 명세서에서 다양한 요소들을 설명하는 데 사용되지만 이 요소들이 이러한 용어들에 의해 제한되지는 않아야 한다는 것이 이해될 것이다. 이러한 용어들은 단순히 요소들 간에 서로 구별하는 데 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 범위를 이탈하지 않으면서, 제1 요소가 제2 요소로 지칭될 수 있고 유사하게 제2 요소가 제1 요소로 지칭될 수 있다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, "및/또는" 의 용어는 관련되어 열거된 항목들 중 하나 이상의 임의의 조합들 및 모든 조합들을 포함한다.
층, 영역, 또는 기판과 같은 요소가 다른 요소 "상에(on)" 있는 것으로서 또는 다른 요소 "상으로(onto)" 연장되는 것으로 지칭될 때, 이것은 직접적으로 다른 요소 상에 있거나 다른 요소 상으로 연장될 수 있으며 또한 중간 요소들이 또한 존재할 수도 있다. 반대로, 요소가 다른 요소의 "바로 위(directly on)" 에 있거나 그 다른 요소의 "바로 위로(directly onto)" 연장되는 것으로 지칭될 때에는, 중간 요소들이 존재하지 않는다. 또한 요소가 다른 요소에 "연결(connected)"되거나 또는 "결합(coupled)" 되는 것으로 지칭될 때, 이것은 다른 요소에 직접적으로 연결되거나 결합될 수 있거나 중간 요소들이 존재할 수도 있다. 반대로, 요소가 "직접적으로 연결(directly connected)" 되거나 그 다른 요소에 "직접적으로 결합(directly coupled)" 되는 것으로 지칭될 때에는, 중간 요소들이 존재하지 않는다.
"아래(below)" 또는 "위(above)" 또는 "상부(upper)" 또는 "하부(lower)" 또는 "수평(horizontal" 또는 "수직(vertical)" 과 같은 상대적인 용어들은 본 명세서에서 도면들에 예시된 바와 같이 한 요소, 층, 또는 영역과 다른 요소, 층, 영역 간의 관계를 설명하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 용어들이 도면에 도시된 배향에 부가하여 디바이스의 상이한 배향들을 포함하도록 의도된다는 것이 이해되어질 것이다.
본 명세서에서 사용된 용어들은 특정 실시예들을 설명하기 위한 목적이며 본 발명을 제한하도록 의도된 것은 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단일 형태, "a", "an" 및 "상기(the)" 는, 문맥에서 명확히 다르게 지시하지 않는다면, 또한 복수의 형태들을 포함하는 것으로 의도된다. 본 명세서에서 사용될 때 "포함하다(comprises)", "포함하는(comprising)", "포함하다(includes)", 및/또는 "포함하는(including)" 와 같은 용어들이 서술된 특징물들(features), 정수들(integers), 단계들(steps), 동작들(operations), 요소들(elements), 및/또는 컴포넌트들(components)의 존재를 특정하지만, 하나 이상의 다른 특징물들(features), 정수들(integers), 단계들(steps), 동작들(operations), 요소들(elements), 컴포넌트들(components), 및/또는 그들의 그룹들의 존재 또는 추가를 배제하는 것이 아니라는 것이 또한 이해되어질 것이다.
다르게 정의되지 않는다면, 본 명세서에서 사용된 모든 용어들(기술적 및 과학적 용어들 포함)은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 사람에게 통상적으로 이해되는 바와 동일한 의미를 갖는다. 본 명세서에서 사용된 용어들은, 본 명세서 및 관련 기술분야의 문맥에서 그들의 의미와 일관되는 의미를 구비하는 것으로 이해되어야 하며, 본 명세서에서 명확하게 그렇게 정의되지 않는 한 이상화되거나 과도하게 형식적인 의미로 이해되지 않을 것이다.
명백하게 다르게 설명되지 않는다면, "보다 작은(less)" 및 "보다 큰(greater)" 과 같은 상대적이고 정량적인 용어들은 동량(equality)의 개념을 포함하는 것으로 의도된다. 예를 들어, "보다 작은(less)" 은 가장 엄격한 수학적 의미에서의 "보다 작은(less)" 뿐만 아니라, "보다 작거나 그에 동일한(less than or equal to)"도 의미할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 LED 디바이스를 위한 서브마운트(100)의 하향도이다. 도 1의 서브마운트(100)는, 예컨대 알루미나 또는 질화 알루미늄과 같은 세라믹 물질로 형성될 수 있는 강성 베이스(rigid base)(102)를 포함한다. 서브마운트(100)는 또한 그 서브마운트에 고정된 LED 칩들에 연결성(connectivity)를 제공하도록 형성된 패터닝된 금속 층을 포함한다. 금속 층 부분(104)은 서브마운트에 고정된 LED 칩들의 애노드들로의 연결을 위한 것이며, 금속 층 부분(106)은 상기 LED 칩들의 캐소드들로의 연결을 위한 것이다. 그 금속 층은 초기에 세라믹 베이스 상에 증착되고, 그후 원하는 패턴을 형성하기 위해 에칭될 수 있거나, 형성되어 접착제로 그 베이스에 고정될 수 있거나, 임의의 다른 적절한 형태로 생성될 수 있다. 그 금속 층은, 전원의 양의 측면(positive side)로부터 LED 디바이스로 와이어들을 연결하기 위한 연결점들(108) 및 전원의 음의 측면(negative side)으로부터 LED 디바이스로 와이어들을 연결하기 위한 연결점들(109)과 같이, 제조 동안의 정렬(alignment), 가시적인 식별 등을 위한 다양한 홀들(holes) 및 노치들(notches)을 포함할 수 있다. 연결점들(connection points)은 금속 층 상에 증착된 추가적인 금속 또는 솔더(solder)로 형성될 수도 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 LED 디바이스(200)의 하향도이다. LED 디바이스(200)는 도 1에 설명된 서브마운트(100)를 이용한다. LED 디바이스(200)는 서브마운트의 금속 층 부분(104)에 고정된 복수의 상호연결된 LED 칩들(202)을 포함한다. 이러한 특정 예에서, 네 개의 LED 칩들이 사용된다. LED 칩들의 애노드들은 이 도면에서 칩들의 저부 상에 있고 금속 층 부분(104)과 접촉되어 있으며, 금속 층 부분(104)은 LED 칩들에 전류를 공급하는 전원의 양의 단자에 다시 연결된다. LED 칩들의 캐소드들은 금속 층 부분(106)으로 와이어 본드들(204)에 의해 연결되며, 금속 층 부분(106)은 다시 전원의 음의 단자에 연결된다. 따라서, 이 실시예에서, 네 개의 LED 칩들이 병렬로 연결된다.
도 2를 참조하면, LED 디바이스(200)는 금속 층 부분(104)에 또한 고정되어 있는 정전식 방전(electrostatic discharge, ESD) 보호 칩(206)을 포함한다. ESD 칩(206)은 와이어 본드로 금속 층 부분(106)에 연결된다. 또한 LED 칩들과 서브마운트 사이에 연결된 와이어 본드들(204)은, 모든 와이어 본드들이 LED 디바이스(200)에 사용된 네 개의 LED 칩들의 그룹의 외부상에 배치되도록 배열된다. 이러한 배열은, 복수의 LED 칩들이 서로 근접하게 위치되고 상대적으로 작지만 여전히 상대적으로 놓은 효율과 아웃풋을 갖도록 허용한다. 부가적으로, 네 개의 칩들이 원하는 CRI, 색온도, 또는 다른 색 관련 특성들을 달성하기 위해 다양한 색 조합들로 결합될 수 있다.
도 2의 LED 칩들(202) 및 ESD 칩(206)은 전도성 접착제, 솔더, 용접 프로세스(welding process), 또는 임의의 다양한 다른 방법들로 서브마운트에 고정될 수 있다. 그 디바이스는, 광학 소자, 예컨대 그 최상부 상에 배치되고 LED 칩들로부터의 광에 영향을 주기 위해 적절한 위치에 고정되는 렌즈로 완성된다. 도시될 때 도입될 수 있는 렌즈(lens) 및 왜곡(distortion) 둘 모두는, 예시의 명확성을 위해 도 2로부터 누락되었지만, 예시적인 렌즈가 본 발명의 다른 실시예와 관련하여 이후에 예시된다. 본 명세서에서 사용된 "광학 소자(optical element)" 및 "렌즈(lens)" 라는 용어들 모두는 가장 넓은 의미로 의도된다. 그러한 요소는, 광선들(light rays)의 벤딩(bending) 및/또는 집중(concentrating)에 의해, 색혼합(color mixing)에 의해, 또는 이 효과들의 조합에 의해 광에 영향을 미칠 수 있다. 형광체(phosphor)가 또한 파장 전환(wavelength conversion)을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 본 발명의 실시예의 LED 디바이스에 사용하기 위한 렌즈는 유리 또는 플라스틱으로 만들어 질 수 있거나, 제자리에 또는 다른 곳에서 몰딩될 수 있거나, 원하는 디바이스에 다르게 형성되거나 부착될 수 있다. 예를 들어, 렌즈는 실리콘으로 제자리에 몰딩될 수도 있다. 실시예들에서, 복수의 상호연결된 LED 칩들 중 임의의 칩의 에지와 렌즈의 에지 사이에 클리어런스가 유지된다. 몇몇 실시예들에서, 그 클리어런스는 LED 칩들을 가로지르는 최대 폭의 약 0.2 내지 0.8배이다. 클리어런스트는 또한 LED 칩들의 폭의 0.3 내지 0.65 배가 될 수 있다. 네 개의 LED 칩들을 구비하는 더 특정한 예에서, LED 칩들의 최대 폭이 1.4 mm이면, 렌즈 클리어런스는 약 0.9 mm이거나 LED 칩들의 최대 폭의 약 0.643 배이다.
도 2의 LED 칩들(202)은 높은 색 렌더링 인덱스(CRI)를 가진 결합된 광 아웃풋을 제공하기 위해 다양한 광 색 저장소들(light color bins)으로부터 선택될 수도 있다. 원하는 색 혼합은, 예컨대 청색, 녹색, 호박색, 적색 및/또는 적색-오렌지색 LED 칩들을 사용하여 달성될 수도 있다. LED 칩들 중 하나 이상이 형광체를 구비한 패키지로 되어 있을 수도 있고, 그렇지 않으면 국부적으로 적용된 형광체를 구비할 수도 있다. 원하는 색 특성들을 생성하기 위해 다양한 색 저장소들로부터 칩들을 선택하는 예가, 2010년 1월 10일에 공개되고 본 명세서에서 참조로 결합된 미국 특허 출원 제2010/0140633호에서 설명된다. 실질적으로 백색광을 생성하기 위해 상이한 파장들의 광을 방출하는 LED 들의 그룹들을 사용하는 세부 예는, 본 명세서에서 참조로 결합되고 특허된 미국 특허 제7,213,940호에서 발견될 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 도 2의 LED 디바이스(200)와 같은 LED 디바이스를 위한 렌즈는 직경이 5 mm 보다 작거나 4 mm 보다 작을 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 렌즈는 직경이 약 3.1 mm 일수 있으며 사이즈가 약 700 마이크론(그 칩들이 측면에서 약 700 마이크론이라는 것을 의미함)인 LED 칩들을 포함할 수 있다. 칩들은 사이즈가 약 1000 마이크론 이하 이거나, 약 700 마이크론 이하이거나, 약 500 마이크론 이하이거나, 약 300 마이크론 이하일 수 있다. 도 2에서 도시된 것과 같은 LED 디바이스는 적어도 80 lumens/Watt(lm/W)의 효율과 적어도 80의 CRI를 가질 수 있다. LED 디바이스는 적어도 89 lm/W 의 효율과 적어도 82의 CRI 를 가질 수도 있다. LED 디바이스의 설계는 직접-본드(direct-bond) 칩들, 플립-칩들, 및 사파이어, 탄화 규소, 실리콘 또는 다른 물질들로 형성된 기판을 구비한 칩들과 같은 다양한 유형들의 LED 칩들이 사용될 수 있도록 채택될 수 있다.
도 3은 본 발명의 몇몇 실시예들에 따른 LED 디바이스(300)의 하향도이다. LED 디바이스(300)는 다시 도 1에 설명된 서브마운트(100)를 이용한다. LED 디바이스(300)는 서브마운트의 금속 층 부분(104)에 고정된 복수의 상호연결된 LED 칩들(302)을 포함한다. 이 예에서, LED 칩들은 소위 "측면(sideview)" LED 들이며, 그 각각에 대하여 애노드 및 캐소드 둘 모드를 위한 연결점들이 최상부 상에 있다. LED 칩들의 애노드들은 와이어 본드들(304)로 금속 층 부분(104)에 연결되고, LED 칩들의 캐소드들은 와이어 본드들(305)에 의해 금속 층 부분(106)에 연결된다. 이러한 실시예에서, 네 개의 LED 칩들이 병렬로 다시 연결된다.
도 3을 참조하면, LED 디바이스(300)는 금속 층 부분(104)에 고정된 ESD 보호 칩(306)을 포함한다. ESD 칩(306)은 또한 와이어 본드로 금속 층 부분(106)에 연결된다. 복수의 LED 칩들과 서브마운트 사이에 연결된 와이어 본드들이 모든 와이어 본드들이 가능한한 많이 LED 디바이스(300) 내에 사용된 네 개의 LED 칩들의 그룹의 외부에 있도록 배열된다는 것이 유의되어야 한다. 이러한 배열은 LED 칩들이 서로 인접하게 위치되도록 허용한다. 전과 같이, LED 칩들은 원하는 CRI, 색온도, 또는 다른 색 관련 특성을 달성하기 위해 다양한 색 조합들로 결합될 수 있다.
도 3의 LED 칩들(302)은 접착제 또는 임의의 다양한 다른 방식들로 서브마운트에 고정될 수 있다. 이러한 측면 칩들 모두 최상부 상에 연결들을 구비하기 때문에, 접착제는 전도성일 필요가 없다. 전처럼, 그 디바이스는 LED 칩들로부터의 광에 영향을 미치기 위해 그 최상부에 위치되고 제자리에 고정된 예컨대 렌즈와 같은 광학 소자로 완성된다. 도시될 때 도입되는 렌즈 및 왜곡 둘 모두는 그 디바이스가 도시될 때 예시의 명확성을 위해 도 3으로부터 누락되지만, 예시적인 렌즈가 본 발명의 다른 실시예와 관련하여 이후에 예시된다. 본 명세서에서 사용된 "광학 소자(optical element)" 및 "렌즈(lens)" 라는 용어 둘 모두는 가장 넓은 의미로 의도된다. 그러한 요소는 광선들을 벤딩 및/또는 집중함으로서, 색혼합에 의해, 또는 이러한 효과들의 조합에 의해 광에 영향을 미칠 수 있다. 형광체가 또한 파장 전환을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 본 발명의 실시예의 LED 디바이스에 사용하기 위한 렌즈는 유리 또는 플라스틱으로 형성될 수 있거나, 제자리에서 또는 다른 곳에서 몰딩될 수 있거나, 그렇지 않으면 원하는 디바이스에 형성되거나 부착될 수 있다. 예를 들어, 그 렌즈는 실리콘으로 제자리에서 몰딩될 수 있다. 실시예들에서, 복수의 상호연결된 LED 칩들의 에지와 렌즈의 에지 사이에 클리어런스가 다시 유지된다. 몇몇 실시예들에서, 그 클리어런스는 LED 칩들을 가로지르는 최대 폭의 약 0.2 내지 0.8 배이다. 클리어런스는 또한 LED 칩들의 폭의 0.3 내지 0.65 배일 수 있다. 높은 색 렌더링 인덱스(CRI)를 갖는 결합된 광 아웃풋을 제공하기 위해 다양한 광 색 저장소들로부터 다시 도 3의 LED 칩들(302)이 선택될 수 있다. 원하는 색 혼합은, 예컨대 청색, 녹색, 호박색, 적색, 및/또는 적색-오렌지색 LED 칩들을 사용하여, 달성될 수 있다. 그 칩들 중 하나 이상이 형광체를 구비한 패키지로 될 수 있거나 그렇지 않으면 국부적으로 적용된 형광체를 구비할 수도 있다.
몇몇 실시예들에서, 도 3의 LED 디바이스(300)와 같은 LED 디바이스를 위한 렌즈는 직경이 5 mm 보다 작거나 4 mm보다 작을 수 있다. 몇몇 실시예들에서 그 렌즈는 직경이 약 3.1 mm일 수 있다. 다양한 사이즈 및 형태의 LED 칩들이 사용될 수 있다. 전형적인 측면 칩들은 직사각형 최상부, 각진 측면들, 및 더 작고 직사각형인 저부를 구비한다. 직사각형 측면들은 약 100 내지 500 마이크론 사이에서 변화될 수 있으며, 그 칩은 100 내지 150 마이크론의 두께를 가질 수 있다.
도 4는 도 2 및 도 3으로부터의 LED 디바이스의 회로의 전기적 개략도이다. 회로(400)는 LED 들의 단일 그룹을 형성하기 위해 병렬로 연결된 네 개의 LED 들(402)을 포함한다. LED 들을 조명하는 전류는 전원(405)에 의해 공급된다. ESD 보호 디바이스(406)가 LED 들과 병렬로 연결된다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 다양한 LED 디바이스들을 위해 사용될 수 있는 서브마운트(500)의 하향도이다. 도 5의 서브마운트(500)는, 예를 들어 플라스틱으로 형성될 수 있거나, 추가적인 예로서, 알루미나 또는 질화 알루미늄과 같은 세라믹 물질로 형성될 수 있는, 강성 베이스(502)를 포함한다. 서브마운트(500)는, 그 서브마운트에 고정된 LED 칩들에 연결을 제공하도록 형성된 패터닝된 금속 층을 포함한다. 이러한 패터닝된 금속 층은 LED 칩들이 본딩될 수 있는 금속의 반원형 영역들을 포함한다. 금속 층 부분(504)은 서브마운트에 고정된 LED 칩들의 한 그룹의 애노드들에 대한 연결을 위한 것이며, 금속 층 부분(506)은 LED 칩들의 다른 그룹의 애노드들에 대한 연결을 위한 것이다. 금속 층 부분(508)은 LED 칩들의 제1 그룹 내의 LED 칩들의 캐소드들 중 일부에 대한 연결을 위한 것이고, 금속 층 부분(510)은 LED 칩들의 다른 그룹 내의 캐소드들 중 일부에 대한 연결을 위한 것이다. 금속 층 부분(510)은 돌출한 레일(protruding rail)(512)에 연결되고 금속 층 부분들(506, 508)은 상호연결 레일(interconnection rail)(514)에 의해 연결된다. 레일들(512, 514)은 서로 인접하게 연장되며 중앙에 위치된 연결 버스(centrally located connection bus), 또는 더 단순하게는, LED 칩들의 캐소드들 중 일부로부터의 와이어 본드들이 연결된 중앙 버스(central bus)를 형성한다. 본 명세서의 의미 내의 중앙 버스 또는 중앙 연결 버스는, 상이한 LED 들에 연결될 부분들 또는 LED 들의 상이한 단자들이 상대적으로 높은 칩 밀도를 가능하게 하는 연결들을 허용하도록 서로 인접하게 되는 경우, 서브마운트의 금속층의 일부이다. 그러한 중앙 버스는 전형적으로 연결부들의 적어도 일부를 제공하는 하나 이상의 연결 레일들을 구비한다. 이 예에서, LED 칩들의 제1 그룹으로부터의 LED 칩들의 캐소드들의 일부로부터의 와이어 본드들은 레일(514)에 연결되고, LED 칩들의 추가 그룹 내의 LED 칩들의 캐소드들 중 일부로부터의 와이어 본드들은 레일(512)에 연결된다.
금속 층은 초기에 베이스 상에 증착되고 그 후 원하는 패턴을 형성하도록 에칭될 수 있거나, 형성되어 접착제로 그 베이스에 고정될 수 있거나, 베이스로 몰딩될 수 있거나, 또는 임의의 다른 적절한 형태로 생성될 수 있다. 금속 층은, 전원의 양의 측면으로부터의 와이어들을 LED 디바이스에 연결하기 위한 연결점들(520) 및 전원의 음의 측면으로부터의 와이어들을 LED 디바이스로 연결하기 위한 연결점들(522)과 같은 연결점들 뿐만 아니라, 제조 동안의 정렬, 가시적 식별들 등을 위한 다양한 홀들(holes) 및 노치들(notches)을 포함할 수도 있다. 연결점들은 금속 층 상에 증착된 추가의 금속 또는 솔더로 형성될 수도 있다.
도 6은 본 발명의 몇몇 실시예들에 따른 LED 디바이스(600)의 하향도이다. LED 디바이스(600)는 도 5에서 설명된 서브마운트(500)를 이용한다. LED 디바이스(600)는 두 그룹들로 배열된 12 개의 LED 칩들을 포함한다. 6개의 LED 칩들(610)은 서브마운트의 금속 층 부분(504)에 고정되고 병렬로 연결된다. 애노드들은 LED 칩들(610)의 저부 상에 있고 금속 층 부분(504)과 접촉하고 있으며, 금속 층 부분(504)은 다시 연결점들(520)을 통해 LED 디바이스에 전류를 공급하는 전원의 양의 단자에 연결된다. 6개의 LED 칩들(612)은 서브마운트의 금속 층 부분(506)에 고정되고 또한 병렬로 연결된다. LED 칩들(612)의 애노드들은 금속 층 부분(506)과 접촉되어 있다.
도 6을 참조하면, 모든 LED 칩들의 캐소드들은 이하와 같이 서브마운트(50)의 금속 층 부분들에 와이어 본드에 의해 연결된다. LED 칩들(610)의 캐소드들로부터의 와이어 본드들은 서브마운트의 금속 층 부분들에 연결된다. 더 상세하게는, 와이어 본드들(614)은 서브마운트(500)의 중앙 버스의 상호연결 레일(514)에 연결되고 와이어 본드(616)는 서브마운트의 금속 층 부분(508)에 연결된다. LED 칩들(612)의 캐소드들로부터의 와이어 본드들은 서브마운트의 금속 층 부분들에 또한 연결된다. 더 상세하게는, 와이어 본드들은(618)이 서브마운트(500)의 중앙 버스의 연장 레일(extension rail)(512)에 연결되고 와이어 본드들(620)은 서브마운트(500)의 금속 층 부분(510)에 연결된다.
도 6을 참조하면, LED 디바이스(600)는 금속 층 부분(510)에 고정되고 금속 층 부분(504)에 와이어 본드로 연결된, ESD 보호 칩(630)을 포함한다. 금속 층 부분(504)은 LED 디바이스에 전류를 공급하는 전원의 양의 단자에 연결된다. 금속 층 부분(510)은 LED 디바이스에 전류를 공급하는 전원의 음의 단자에 연결된다. 서브마운트와 LED 디바이스(600) 내의 6개의 LED 칩들의 각 그룹 내의 LED 칩들 사이에 연결된 와이어 본드들은, 그룹 내의 모든 와이어 본드들이 6개의 LED 칩들의 그룹의 외부 상에 배치되어 그룹 내의 LED 칩들이 서로 인접하게 위치되며 그룹 내의 LED 칩들의 이러한 밀도가 LED 디바이스(600)가 상대적으로 작지만 여전히 상대적으로 높은 효율 및 아웃풋을 가지게 허용하도록, 배열된다. 또한, 와이어 본드들의 배열을 함께 가진 서브마운트의 금속층 부분들의 패터닝이 그룹 내의 LED 칩들을 병렬로 상호연결시키는 반면에 그 그룹들 자체는 직렬로 연결된다.
도 6의 LED 디바이스(600)의 LED 칩들 및 ESD 칩은 전도성 접착제, 솔더, 용접 프로세스, 또는 임의의 다양한 다른 방식으로 서브마운트에 고정될 수 있다. 전처럼, 그 디바이스는 LED 칩들로부터의 광에 영향을 미치기 위해 그 디바이스의 최상부 상에 위치된 광학 소자로 완성된다. 그 디바이스가 도시될 때 도입될 광학 소자 및 왜곡 둘 모두는 예시의 명확성을 위해 도 6에서 누락되지만, 예시적인 렌즈가 도 14와 관련하여 이후에 논의된다. 다시, 광학 소자, 예컨대 렌즈가, 광선들을 벤딩 및/또는 집중시킴으로서, 색혼합에 의해, 또는 이러한 효과들의 조합에 의해 광에 영향을 미칠 수도 있다. 형광체는 또한 파장 전환을 제공하는 데 사용될 수 있다. 본 발명의 실시예들의 LED 디바이스에 사용하기 위한 렌즈 또는 다른 광학 소자는 유리 또는 플라스틱으로 형성될 수 있거나, 제자리에 또는 다른 곳에 몰딩될 수 있거나, 또는 그렇지 않으면 원하는 디바이스에 형성되거나 부착될 수도 있다. 실시예들에서, 복수의 상호연결된 LED 칩들 중 임의의 칩의 에지와 렌즈의 에지 사이에 클리어런스가 다시 유지된다. 몇몇 실시예들에서, 그 클리어런스는 LED 칩들을 가로지르는 최대 폭의 약 0,2 내지 0.8배이다. 클리어런스는 또한 LED 칩들의 폭의 0.3 내지 0.65 배일 수 있다. 더 상세한 예에서, LED 칩의 최대 폭이 5.6 mm이면, 렌즈 클리어런스는 약 1.7 mm 이거나 LED 칩들의 최대 폭의 약 0.303 배이다.
전과 같이, 도 6의 디바이스의 LED 칩들은 높은 CRI를 가진 결합된 광 아웃풋을 제공하기 위해 다양한 광 색 저장소들로부터 선택될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 도 6의 LED 디바이스(600)와 같은 LED 디바이스를 위한 렌즈는 직경이 12 mm보다 작을 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 그 렌즈는 직경이 10 mm 보다 작거나, 9 mm보다 작거나, 또는 8 mm보다 작을 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 그 렌즈는 직경이 약 9.1 mm 일 수 있고 사이즈가 약 1000 마이크론(칩들이 측면 상에서 약 1000 마이크론의 폭을 가짐을 의미함)인 동일한 LED 칩들을 사용할 수도 있다. 그러나, 다양한 사이즈의 칩들이 사용될 수 있다. 그 칩들은 사이즈가 약 2000 마이크론 이하이거나 1000 마이크론 이하이거나, 700 마이크론 이하이거나, 또는 500 마이크론 이하일 수 있다. 또한, 혼합된 칩 사이즈들이 단일 디바이스에서 사용될 수 있다. 혼합된 칩 사이즈들을 구비한 특정 실시예는 도 9에 관하여 본 명세서에서 이후에 개시된다. 도 6에서 도시된 것과 같은 LED 디바이스는 적어도 80, 85, 또는 90 1m/W의 효율 및 적어도 80의 CRI를 구비할 수 있다. 종종 백열 대체 조명에 바람직한, 온 백색(warm white color)를 갖는 그러한 LED 디바이스의 효율은 약 100 lm/W 만큼 클 수 있다. 그러나, 그 디바이스가 냉 백색(cool white color)를 위해 저장(bin)되는 경우, 약 150 lm/W 만큼 큰 효율이 달성될 수 있다. 도 6의 LED 디바이스의 설계는, 직접-본드 칩들, 플립 칩들, 및 사파이어, 탄화 규소, 실리콘 또는 다른 물질들로 형성된 기판들을 가진 칩들과 같은 다양한 유형들의 LED 칩들이 사용될 수 있도록 채택될 수 있다.
도 7 및 8은 도 8에 도시된 디바이스와 유사하지만 각 그룹 내에 더 많은 LED 칩들을 포함하는 LED 디바이스들의 하향도이다. 도 7은 본 발명의 몇가지 실시예들에 따른 LED 디바이스(700)의 하향도이다. LED 디바이스(700)는 이전에 설명된 서브마운트(500)를 이용한다. LED 디바이스(700)는 두 개의 그룹들로 배열된 14개의 LED 칩들을 포함한다. 7 개의 LED 칩들(710)은 서브마운트의 금속 층 부분(504)에 고정되고 병렬로 연결된다. 7개의 LED 칩들(712)은 서브마운트의 금속 층 부분(506)에 고정되고 또한 병렬로 연결된다. 전과 같이, LED 칩들의 애노들들은 서브마운트(500)의 금속 층의 부분들과 접촉하고 있다.
도 7을 여전히 참조하면, 모든 LED 칩들의 캐소드들은 서브마운트의 금속 층 부분들로 와이어 본드들에 의해 연결된다. 와이어 본드들(714)은 서브마운트(500)의 중앙 버스의 상호연결 레일(514)에 연결되고, 와이어 본드들(716)은 서브마운트의 금속 층 부분(408)에 연결된다. 와이어 본드들(718)은 서브마운트(500)의 중앙 버스의 연장 레일(512)에 연결되고, 와이어 본드들(720)은 서브마운트(500)의 금속 층 부분(510)에 연결된다. LED 디바이스(700)는, 금속 층 부분(510)에 고정되고 와이어 본드로 금속 층 부분(504)에 연결된, ESD 보호 칩(730)을 포함한다. 전과 같이, 금속 층 부분(504)은 전원의 양의 단자에 연결되고 금속 층 부분(510)은 음의 단자에 연결된다. 서브마운트와 LED 디바이스(700) 내의 7개의 LED 칩들의 각 그룹 내의 LED 칩들 사이에 연결된 와이어 본드들은, 그룹 내의 모든 와이어 본드들이 7개의 LED 칩들의 그룹 외부에 배치되어 그룹 내의 LED 칩들이 서로 인접하게 배치될 수 있도록 다시 배열된다. 그룹 내의 LED 칩들은 칩들의 그룹들이 병렬로 연결되는 반면에 칩들의 그룹들은 직렬로 연결된다.
도 7의 LED 디바이스(700)의 LED 칩들 및 ESD 칩은 전도성 접착제, 솔더, 용접 프로세스, 또는 임의의 다양한 다른 방식들로 서브마운에 고정될 수 있다. 전과 같이, 그 디바이스는 LED 칩드로부터의 광에 영향을 미치기 위해 그 디바이스의 최상부 상에 위치된 광학 소자로 완성된다. 그 디바이스가 도시될 때 도입될 광학 소자 및 왜곡은 예시의 명확성을 위해 도 7에서 누락된다. 다시, 예컨대 렌즈와 같은 광학 소자는 광선들의 벤딩 및/또는 집중에 의해, 색혼합에 의해, 또는 이러한 효과들의 조합에 의해 광에 영향을 미칠 수 있다. 형광체가 또한 파장 전환을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 본 발명의 임의의 실시예의 LED 디바이스에 사용하기 위한 렌즈 또는 다른 광학 소자는 유리 또는 플라스틱으로 형성될 수 있거나, 제자리에 또는 다른 곳에 몰딩될 수 있거나, 그렇지 않으면 원하는 디바이스에 형성되거나 부착될 수 있다. 실시예들에서, 복수의 상호연결된 LED 칩들 중 임의의 칩의 에지와 이전에 설명된 렌즈의 에지 사이에서 클리어런스가 유지된다.
전과 같이, 도 7의 디바이스 내의 LED 칩들은 높은 CRI를 갖는 결합된 광 아웃풋을 제공하기 위해 다양한 광 색 저장소들로부터 선택될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 도 7의 LED 디바이스(700)와 같은 LED 디바이스를 위한 렌즈는 직경이 12 mm 보다 작을 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 그 렌즈는 직경이 10 mm 보다 작거나, 9 mm 보다 작거나, 8 mm 보다 작을 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 렌즈는 직경이 약 9.1 mm일 수 있고, 사이즈가 약 1000 마이크론(그 칩들이 측면 상에서 약 1000 의 폭을 가지는 것을 의미함)인 동일한 LED 칩들을 사용할 수 있다. 그러나, 다양한 사이즈, 물질, 유형들이 도 6에 관하여 설명된 바와 같이 사용될 수 있다. 도 7에서 도시된 것과 같은 LED 디바이스는 적어도 80, 85, 또는 90 lm/W의 효율 및 적어도 80의 CRI를 가질 수 있다. LED 디바이스는 약 95 lm/W의 효율 및 적어도 82의 CRI를 가질 수도 있다. 종종 백열 대체 조명을 위해 바람직한, 온 백색을 갖는 그러한 LED 디바이스의 효율은 약 100 lm/W 만큼 클 수도 있다. 그러나, 그 디바이스가 냉 백색을 위해 저장된 경우, 약 150 lm/W 만큼 큰 효율이 달성될 수 있다.
도 8은 본 발명의 몇몇 실시예들에 따른 LED 디바이스(800)의 하향도이다. LED 디바이스(800)는 이전에 설명된 서브마운트(500)를 이용하며, 두 그룹으로 배열된 16개의 LED 칩들을 포함한다. 8개의 LED 칩들(810)은 서브마운트의 금속 층 부분(504)에 고정된다. 8개의 LED 칩들(812)은 서브마운트의 금속 층 부분(506)에 고정된다. 전과 같이, LED 칩들의 애노드들은 서브마운트(500)의 금속 층의 부분들과 접촉되어 있다. 디바이스(800) 내의 모든 LED 칩들의 캐소드들은 서브마운트의 금속 층 부분들에 와이어 본드들에 의해 연결된다. 와이어 본드들(814)은 서브마운트(500)의 중앙 버스의 상호연결 레일(514)에 연결되며, 와이어 본드들(816)은 서브마운트의 금속 층 부분(408)에 연결된다. 와이어 본드들(818)은 서브마운트(500)의 중앙 버스의 연장 레일(512)에 연결되고, 와이어 본드들(820)은 서브마운트(500)의 금속 층 부분(510)에 연결된다.
도 8을 여전히 참조하면, 디바이스(800)는, 금속 층 부분(510)에 고정되고 금속 층 부분(504)에 와이어 본드에 의해 연결되는 ESD 보호 칩(830)을 포함한다. 전과 같이, 금속 층 부분(504)은 전원의 양의 단자에 연결되고 금속 층 부분(510)은 음의 단자의 연결된다. 서브마운트와 LED 디바이스(800) 내의 8개의 LED 칩들의 각 그룹 내의 LED 칩들 사이에 연결된 와이어 본드들은, 그룹 내의 모든 와이어 본드들이 8개의 LED 칩들의 그룹 외부 상에 배치되어 그룹 내의 LED 칩들이 서로 인접하게 위치될 수 있도록 다시 배열된다. 그룹 내의 LED 칩들은 병렬로 연결되는 반면에 그 그룹들은 직렬로 연결된다.
도 8의 LED 디바이스(800)의 LED 칩들 및 ESD 칩은 전도성 접착제, 솔더, 용접 프로세스, 또는 임의의 다양한 다른 방식으로 서브마운트에 고정될 수 있다. 전과 같이, 그 디바이스는 LED 칩들로부터의 광에 영향을 미칠 수 있도록 그 디바이스의 최상부 상에 위치된 광학 소자로 완성된다. 그 디바이스가 도시될 때 도입할 수 있는 광학 소자 및 왜곡 둘 모두는 예시의 명확성을 위해 도 8에서 누락된다. 다시, 예컨대 렌즈와 같은 광학 소자는 광선들을 벤딩 및/또는 집중함으로서, 색혼합에 의해, 또는 이러한 효과들의 조합에 의해 광에 영향을 미칠 수 있다. 형광체가 또한 파장 전환을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 본 발명의 임의의 실시예의 LED 디바이스에 사용하기 위한 렌즈 또는 다른 광학 소자는 유리 또는 플라스틱으로 형성될 수 있거나, 제자리 또는 다른 곳에 몰딩될 수 있거나, 그렇지 않으면 원하는 디바이스에 형성되거나 부착될 수 있다. 복수의 상호연결된 LED 칩들 중 임의의 칩의 에지와 이전에 설명된 렌즈의 에지 사이에 클리어런스가 유지된다.
전과 같이, 도 8의 디바이스 내의 LED 칩들이 높은 CRI를 갖는 결합된 광 아웃풋을 제공하기 위해 다양한 광 색 저장소들로부터 선택될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 도 8의 LED 디바이스(800)와 같은 LED 디바이스를 위한 렌즈는 직경이 12 mm 보다 작을 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 렌즈는 직경이 10 mm 보다 작거나, 9 mm 보다 작거나, 8 mm 보다 작을 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 렌즈는 직경이 약 9.1 mm 일 수 있으며 사이즈가 약 1000 마이크론(그 칩들이 측면 상에서 약 1000 의 폭을 가지는 것을 의미함)인 동일한 LED 칩들을 사용할 수 있다. 그러나, 다양한 사이즈, 물질, 유형들이 도 6에 관하여 설명된 바와 같이 사용될 수 있다. 도 8에서 도시된 것과 같은 LED 디바이스는 적어도 80, 85, 또는 90 lm/W의 효율 및 적어도 80의 CRI를 가질 수 있다. LED 디바이스는 약 95 lm/W의 효율 및 적어도 82의 CRI를 가질 수도 있다. 종종 백열 대체 조명을 위해 바람직한, 온 백색을 갖는 그러한 LED 디바이스의 효율은 약 100 lm/W 만큼 클 수도 있다. 그러나, 그 디바이스가 냉 백색을 위해 저장된 경우, 약 150 lm/W 만큼 큰 효율이 달성될 수 있다.
이전에 언급한 바와 같이, 본 발명의 실시예는 동일한 사이즈의 LED 칩들을 사용할 필요가 없다. 도 9는 상이한 사이즈의 LED 칩들이 사용되는 LED 디바이스(900)의 하향도이다. LED 디바이스(900)는 도 4에서 설명된 서브마운트(500)를 이용한다. LED 디바이스(900)는 두 개의 그룹으로 배열된 두 개의 상이한 사이즈의 칩들을 포함하여, 16개의 LED 칩들을 포함한다. 한 사이즈의 6개의 LED 칩들(810) 및 더 작은 사이즈의 두 개의 LED 칩들(911)은 서브마운트의 금속 층 부분(504)에 고정되고 병렬로 연결된다. LED 칩들(910, 911)의 애노드들은 칩들의 저부들 상에 있으며 금속 층 부분(504)과 접촉되어 있고, 금속 층 부분(504)은 다시 연결점들(520)을 통해 디바이스에 전류를 공급하는 전원의 양의 단자에 연결된다. 한 사이즈의 6개의 LED 칩들(912) 및 더 작은 사이즈의 두 개의 LED 칩들(913)은 서브마운트의 금속 층 부분(506)에 고정되고 또한 병렬로 연결된다. LED 칩들(912, 913)의 애노드들은 칩들의 저부들 상에 있고 금속 층 부분(506)과 접촉되어 있다.
도 9를 여전히 참조하면, 모든 LED 칩들의 캐소드들은 이하와 같이 서브마운트(500)의 금속 층 부분들에 와이어 본드에 의해 연결된다. 와이어 본드들(914)은 LED 칩들(910)의 일부의 캐소드들로부터 서브마운트(500)의 중앙 버스의 상호연결 레일(514)으로 연결되며, 와이어 본드들(916)은 LED 칩들(910)의 잔여분으로부터 서브마운트의 금속 층 부분(508)으로 연결된다. 와이어 본드들(917)은 더 작은 LED 칩들 (911)의 캐소드들로부터 서브마운트의 금속 층 부분(408)로 연결된다. LED 칩들(912) 중 일부의 캐소드들로부터의 와이어 본드들(918)은 서브마운트(500)의 중앙 버스의 연장 레일(512)에 연결되고, 와이어 본드들(920)은 LED 칩들(912)의 잔여분의 캐소드들로부터 서브마운트(500)의 금속 층 부분(510)으로 연결된다. 와이어 본드들(921)은 더 작은 LED 칩들(913)의 캐소드들로부터 상기 서브마운트의 금속 층 부분(508)으로 연결된다.
도 9를 참조하면, LED 디바이스(900)는 이전에 설명된 바와 같이 연결된 ESD 보호 칩(930)을 포함한다. 금속 층 부분(504)은 LED 디바이스에 전류를 공급하는 전원의 양의 단자에 연결된다. 금속 층 부분(510)은 LED 디바이스에 전류를 공급하는 전원의 음의 단자에 연결된다. 서브마운트와 LED 디바이스(900) 내의 8개의 혼합된 사이즈 LED 칩들의 각 그룹 내의 LED 칩들 사이에 연결된 와이어 본드들은, 그룹 내의 모든 와이어 본드들이 LED 칩들의 그룹의 외부 상에 배치되어 그룹 내의 LED칩들이 서로 인접하게 위치될 수 있도록 배열된다. 또한, 와이어 본드의 배열을 갖는 서브마운트의 금속 층 부분들의 패터닝은 그룹 내의 LED 칩들을 병렬로 상호연결시키는 반면에 칩들의 그룹들은 직렬로 연결된다.
다른 실시예와 같이, 도 9의 LED 디바이스(900)의 LED 칩들 및 ESD 칩은 전도성 접착제, 솔더, 용접 프로세스, 또는 임의의 다양한 다른 방식으로 서브마운트에 고정될 수 있다. 전과 같이, 그 디바이스는 LED 칩들로부터의 광에 영향을 미칠 수 있도록 그 디바이스의 최상부 상에 위치된 광학 소자로 완성된다. 그 디바이스가 도시될 때 도입할 수 있는 광 소자 및 왜곡 둘 모두는 예시의 명확성을 위해 도 9에서 누락된다. 다시, 예컨대 렌즈와 같은 광학 소자는 광선들을 벤딩 및/또는 집중함으로서, 색혼합에 의해, 또는 이러한 효과들의 조합에 의해 광에 영향을 미칠 수 있다. 형광체가 또한 파장 전환을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 본 발명의 임의의 실시예의 LED 디바이스에 사용하기 위한 렌즈 또는 다른 광학 소자는 유리 또는 플라스틱으로 형성될 수 있거나, 제자리 또는 다른 곳에 몰딩될 수 있거나, 그렇지 않으면 원하는 디바이스에 형성되거나 부착될 수 있다. 복수의 상호연결된 LED 칩들 중 임의의 칩의 에지와 이전에 설명된 렌즈의 에지 사이에 클리어런스가 유지된다.
전과 같이, 도 9의 디바이스 내의 LED 칩들이 높은 CRI를 갖는 결합된 광 아웃풋을 제공하기 위해 다양한 광 색 저장소들로부터 선택될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 도 9의 LED 디바이스(900)와 같은 LED 디바이스를 위한 렌즈는 직경이 12 mm 보다 작을 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 렌즈는 직경이 10 mm 보다 작거나, 9 mm 보다 작거나, 8 mm 보다 작을 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 렌즈는 직경이 약 9.1 mm 일 수 있다. 다양한 사이즈의 다양한 수의 칩들이 본 발명의 실시예에 따른 디바이스를 형성하기 위해 상이한 방법들로 결합될 수 있다. 두 개의 상이한 사이즈, 세 개의 상이한 사이즈, 또는 네 개의 상이한 사이즈들의 칩들이 사용될 수 있다. 사이즈가 약 1000 마이크론(그 칩들이 측면 상에서 약 1000 의 폭을 가지는 것을 의미함)인 더 큰 LED 칩들을 사용할 수 있다. 그러나, 다양한 사이즈가 사용될 수 있다. 더 큰 칩들은 사이즈가 약 2000 마이크론 이하, 1000 마이크론 이하, 700 마이크론 이하, 또는 500 마이크론 이하일 수도 있다. 더 작은 칩들은 사이즈가 1000 마이크론, 700 마이크론, 500 마이크론 또는 그보다 더 작을 수도 있다.
상이한 사이즈들의 복수의 LED 칩들을 사용하는 능력은 설계자가 전압, 전류 밀도, 및 광 아웃풋의 원하는 조합을 위해 멀티칩 LED 디바이스를 "튜닝(tune)"할 수 있도록 한다. 또한 더 큰 칩 밀도를 달성하기 위해 더 큰 칩들 사이에 또는 더 큰 칩들 주변에 공간들을 채우기 위해 더 작은 칩들이 사용될 수 있다. 더 큰 칩들이 전류 밀도로 인해 더 작은 칩들보다 동일 구동 전류에 대하여 더 낮은 순방향 전압(forward voltage)를 가지기 때문에, 상이한 사이즈의 칩들이 동일한 구동 전류를 위한 상이한 전류 밀도들을 구비한다. 도 2에 관련하여 설명된 실시예와 같은 한 그룹의 칩들을 사용하여 본 발명의 실시예들, 또는 도 6 -도 9 에 관련하여 설명된 것들과 같은 병렬 그룹들이 직렬로 연결된 두 그룹들의 칩들을 가진 실시예들에서, 상이한 사이즈의 LED 칩들이 함께 혼합될 수 있다. 도 9에 도시된 것과 같은 LED 디바이스는 적어도 80, 85, 또는 90 lm/W의 효율 및 적어도 80의 CRI를 가질 수 있다. LED 디바이스는 약 95 lm/W의 효율 및 적어도 82의 CRI를 가질 수도 있다. 종종 백열 대체 조명을 위해 바람직한, 온 백색을 갖는 그러한 LED 디바이스의 효율은 약 100 lm/W 만큼 클 수도 있다. 그러나, 그 디바이스가 냉 백색을 위해 저장된 경우, 약 150 lm/W 만큼 큰 효율이 달성될 수 있다. 도 9의 LED 디바이스의 설계는 또한, 직접-본드 칩들, 플립-칩들, 및 사파이어, 탄화규소, 실리콘 또는 다른 물질들로 이루어진 기판들을 가진 칩들과 같은 다양한 유형들의 LED 칩들이 사용될 수 있도록 채택될 수 있다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 다양한 LED 디바이스들에 사용될 수 있는 다른 서브마운트(1000)의 하향도이다. 도 10의 서브마운트(1000)는 또한 예컨대 플라스틱으로 이루어지거나, 또는 다른 예로서 알루미나 또는 질화 알루미늄과 같은 세라믹 물질로 이루어질 수 있는 강성 베이스(1002)를 포함한다. 서브마운트(1000)는 그 서브마운트에 고정된 LED 칩들로의 연결성을 제공하기 위해 형성된 패터닝된 금속층을 포함한다. 이러한 패터닝된 금속 층은 또한 수직 LED 칩들이 본딩될 수 있는 금속의 반원형 영역들을 포함한다. 금속 층 부분(1004)은 서브마운트에 고정된 LED 칩들의 한 그룹의 애노드들에 대한 연결을 위한 것이며, 금속 층 부분(1006)은 LED 칩들의 다른 그룹의 애노드들에 대한 연결을 위한 것이다. 금속 층 부분(1008)은 LED 칩들의 제1 그룹내의 LED 칩들의 캐소드들 중 일부에 대한 연결을 위한 것이고, 금속 층 부분(1010)은 LED 칩들의 다른 그룹 내의 캐소드들 중 일부에 대한 연결을 위한 것이다. 금속 층 부분(1010)은 돌출 레일(1012)에 연결되며 금속 층 부분들(1004, 1006)은 이러한 레일에 인접하고 그 부분들이 서로 인접하게 된다. 도 5에 도시된 서브마운트와 같이, 레일(1012) 및 금속 층의 인접 부분들은 중앙에 위치된 연결 버스, 또는 더 간단하게는, LED 칩들의 캐소드들 중 일부로부터의 와이어 본드들이 연결되는 중앙 버스를 형성한다.
금속 층은 먼저 베이스 상에 증착되고 그 후에 원하는 패턴을 형성할 수 있거나, 형성되어 접착제로 베이스에 고정될 수 있거나, 베이스에 몰딩될 수 있거나, 또는 임의의 다른 적절한 형태로 생성될 수 있다. 금속 층은, 전원의 양의 측면으로부터 LED 디바이스로 와이어들을 연결하기 위한 연결점들(1020) 및 전원의 음의 측면으로부터 LED 디바이스로 와이어들을 연결하기 위한 연결점들(1022)과 같은 연결점들 뿐만 아니라, 제조 동안의 정렬, 가시적 식별들 등을 위해 다양한 홀들 및 노치들을 포함할 수 있다. 연결점들이 금속 층 상에 증착된 금속 또는 솔더로 형성될 수도 있다.
도 11은 본 발명의 몇몇 실시예에 따라 LED 디바이스(1100)의 하향도이다. LED 디바이스(1100)는 도 10 에 설명된 서브마운트(1000)를 이용한다. LED 디바이스(1100)는 두 개의 그룹으로 배열된 12개의 LED 칩들을 포함한다. 6개의 LED 칩들(1120)은 서브마운트의 금속 층 부분(1006)에 고정되고 병렬로 연결된다. 애노드들이 LED 칩들(1120)의 저부 상에 있고 금속 층 부분(1006)과 접촉하여 있다. 6개의 LED 칩들(1121)이 서브마운트의 금속 층(1004)에 고정되며 또한 병렬로 연결된다. LED 칩들(1121)의 애노드들이 금속 층 부분(1004)과 접촉되어 있다.
도 11을 여전히 참조하면, LED 칩들 모두의 캐소드들이 서브마운트(1000)의 금속 층 부분들로의 와이어 본드들에 의해 연결된다. LED 칩들(1120)의 캐소드들로부터의 와이어 본드들이 서브마운트의 금속 층 부분들에 연결된다. 더 상세하게는, 와이어 본드들(1122)이 서브마운트(1000)의 중앙 버스의 상호연결 레일(1012)에 연결되며, 와이어 본드들(1123)가 서브마운트의 금속 층 부분(1010)에 연결된다. LED 칩들(1121)의 캐소드들로부터의 와이어 본드들이 또한 서브마운트의 금속 층 부분들에 연결된다. 더 상세하게는, 와이어 본드들(1125)이 서브마운트(1000)의 금속 층 부분(1006)의 인접한 부분에 연결되며, 와이어 본드들(1126)은 서브마운트(1000)의 금속 층 부분(1008)에 연결된다.
도 11을 참조하면, LED 디바이스(1100)는 금속 층 부분(1010)에 고정되고 금속 층 부분(1004)에 와이어 본드로 연결된 ESD 보호 칩(1130)을 포함한다. 금속 층 부분(1004)은 연결점들(1020)을 경유하여 LED 디바이스에 전류를 공급하는 전원의 양의 단자에 연결된다. 금속 층 부분(1010)은 연결점들(1022)을 경유하여 LED 디바이스에 전류를 공급하는 전원의 음의 단자에 연결된다. 서브마운트와 LED 디바이스(1100) 내의 6개의 LED 칩들의 각 그룹 내의 LED 칩들 사이에 연결된 와이어 본드들은, 그룹 내의 모든 와이어 본드들이 6개의 LED 칩들의 그룹의 외부 상에 배치되도록 배열되며, 그룹 내의 LED 칩들이 서로 인접하게 위치되도록 허용하고, 그룹 내의 LED 칩들의 이러한 밀도는 LED 디바이스(1100)가 상대적으로 작지만 상대적으로 높은 효율과 아웃풋을 가지도록 허용한다. 또한, 와이어 본드들의 배열과 함께 서브마운트의 금속 층 부분들의 패터닝은 그룹 내의 LED 칩들이 병렬로 연결되도록 하는 반면에 그룹들 자체가 직렬로 연결된다. 다른 직렬 및 병렬 조합이 실행될 수 있다.
도 11의 LED 디바이스(1100)의 LED 칩들 및 ESD 칩은 전도성 접착제, 솔더, 용접 프로세스, 또는 임의의 다양한 다른 방식들로 서브마운트에 고정될 수 있다. 전과 같이, 그 디바이스는 LED 칩들로부터의 광에 영향을 미치기 위해 그 디바이스의 최상부 상에 배치된 광학 소자로 완성된다. 그 디바이스를 볼 때 도입될 광학 소자(optical element) 및 왜곡(distortion) 둘 모두 예시의 명확성을 위해 도 11에 누락되어 있지만, 예시적인 렌즈가 도 14에 관하여 이후에 논의된다. 다시, 광학 소자, 예컨대 렌즈가 광선들의 벤딩 및/또는 집중에 의해, 색 혼합에 의해, 또는 이러한 효과들의 조합에 의해 광에 영향을 미칠 수 있다. 형광체는 또한 파장 전환을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 실시예들에서, 복수의 상호연결된 LED 칩들 중 임의의 칩들의 에지와 렌즈의 에지 사이에 다시 클리어런스가 유지된다. 몇몇 실시예들에서, 그 클리어런스는 LED 칩들을 가로질러 최대 폭의 약 0.2 내지 0.8배이다. 클리어런스는 또한 LED 칩들의 폭의 0.3 내지 0.65 배가 될 수 있다. 더 상세한 예에서, LED 칩들의 최대 폭이 5.6 mm이면, 렌즈 클리어런스는 약 1.7 mm 또는 LED 칩들의 최대 폭의 약 0.303 배이다.
전과 같이, 도 11의 디바이스내의 LED 칩들은 높은 CRI 를 가진 결합된 광 아웃풋을 제공하기 위해 다양한 광 색 저장소들(light color bins)로부터 선택될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 도 11의 LED 디바이스(1100)와 같은 LED 디바이스를 위한 렌즈는 직경이 12 mm 보다 작다. 몇몇 실시예들에서, 그 렌즈는 직경이 10 mm 보다 작거나, 9 mm보다 작거나, 8 mm보다 작다. 몇몇 실시예들에서, 직경이 약 9.1 mm보다 작고 사이즈가 약 1000 마이크론(그 칩들이 그 측면상에서 약 1000 마이크론의 폭을 갖는다는 것을 의미함)인 동일한 LED 칩들을 사용할 수 있다. 그러나, 다양한 사이즈들의 칩들이 사용될 수 있다. 그 칩들은 사이즈가 약 2000 마이크론 이하이거나, 약 1000 마이크론 이하 이거나, 약 500 마이크론 이하일 수 있다. 도 11에 도시된 것과 같은 LED 디바이스는 적어도 80, 85, 또는 90 lm/W의 효율 및 적어도 80의 CRI 를 가질 수도 있다. LED 디바이스는 약 95 lm/W 의 효율과 적어도 82의 CRI 를 가질 수도 있다. 도 11의 LED 디바이스의 설계는, 직접-본드 칩들, 플립-칩들, 및 사파이어, 탄화 규소, 실리콘 또는 다른 물질들로 만들어진 기판들을 갖는 칩들과 같은 다양한 유형의 LED 칩들이 사용될 수 있도록, 조절될 수 있다. 종종 백열 대체 조명을 위해 바람직한 온백색을 가진 그러한 LED 디바이스의 효율은, 약 100 lm/W 만큼일 수 있다. 그러나, 그 디바이스가 냉 백색을 위해 저장된 경우, 약 150 lm/W 만큼 큰 효율이 달성될 수 있다.
도 12는 본 발명의 몇몇 실시예들에 따라 LED 디바이스(1200)의 하향도이다. LED 디바이스(1200)는 다시 도 10에 설명된 서브마운트(1000)를 이용한다. 그러나, LED 디바이스(1200)는 두 개의 상이한 유형의 LED 칩들을 포함한다. LED 칩들(1220)은 금속 레일(1012)에 고정된 도 11의 LED 칩들(1120)과 동일한 형태로 위치되고 연결된다. LED 칩들(1221)이 서브마운트의 금속 층 부분(1004)에 고정된다. 그러나, 디바이스(1200)는 또한 측면 LED 칩들(1240)을 포함하고, 그 각각은 애노드 및 캐소드 둘 모두에 대하여 최상부에 연결된 와이어 본드들을 구비한다. LED 칩들(1240)은 또한 정사각형 형태 대신에 직사각형 형태이다. 와이어 본드들(1242)은 애노드들을 연결하고 와이어 본드들(1244)은 적절한 금속 층 부분에 캐소드들을 연결한다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 고밀도 LED 멀티칩 디바이스들은 상이한 유형들 및 형태들의 LED 들을 포함할 수 있다. 임의의 다양한 유형들이 홀로 사용될 수 있거나 상이한 유형들, 사이즈들 및 형태들의 LED 들이 결합될 수 있다.
도 12를 참조하면, LED 디바이스(1200)는 금속 층 부분(1010)에 고정되고 금속 층 부분(1004)에 와이어 본드로 연결된 ESD 보호 칩(1230)을 포함한다. 금속 층 부분(1004)은 연결점들(1020)을 경유하여 LED 디바이스에 전류를 공급하는 전원의 양의 단자에 연결된다. 금속 층 부분(1010)은 연결점들(1022)을 경유하여 LED 디바이스에 전류를 공급하는 전원의 음의 단자에 연결된다. 서브마운트와 LED 디바이스(1200) 내의 6개의 혼합된 유형의 LED 칩들의 각 그룹 내의 LED 칩들 사이에 연결된 와이어 본드들은, 그룹 내의 와이어 본드들 모두가 6개의 LED 칩들의 그룹 외부 상에 배치되도록 다시 배열되어, 그룹 내의 LED 칩들이 함께 인접하게 배치되도록 허용하며, 그룹 내의 LED 칩들의 이러한 밀도는 LED 디바이스(1200)가 상대적으로 작지만 상대적으로 높은 효율 및 아웃풋을 가지도록 허용한다. 또한, 와이어 본드들의 배열로 서브마운트의 금속 층 부분들의 패터닝하는 것은 그룹 내의 LED 칩들을 병렬로 상호연결하지만 그 그룹들 자체는 직렬로 연결된다. 본 명세서에서 설명된 다양한 실시예들에서 도시된 서브마운트들을 가지고 LED 들의 다른 직렬 및/또는 병렬 조합들이 가능할 수 있다.
전과 같이, 도 12의 디바이스(1200)가 LED 칩들로부터의 광에 영향을 미치기 위해 그 디바이스의 최상부 상에 위치된 광학 소자로 완성된다. 그 디바이스를 볼 때 도입될 광학 소자 및 왜곡 둘 모두 예시의 명확성을 위해 누락되었지만, 예시적인 렌즈가 도 14에 관하여 이후에서 논의된다. 혼합된 칩 사이즈들 몇 형태들을 가진 실시예에서, 복수의 상호연결된 LED 칩들 중 임의의 칩들의 에지와 렌즈의 에지 사이에 다시 클리어런스가 유지된다. 몇몇 실시예들에서, 그 클리어런스는 LED 칩들을 가로질러 최대 폭의 약 0.2 내지 0.8배이다. 클리어런스는 또한 LED 칩들의 폭의 0.3 내지 0.65 배가 될 수 있다. 더 상세한 예에서, LED 칩들의 최대 폭이 5.6 mm이면, 렌즈 클리어런스는 약 1.7 mm 또는 LED 칩들의 최대 폭의 약 0.303 배이다.
전과 같이, 도 12의 디바이스 내의 LED 칩들은 높은 CRI 를 가진 결합된 광 아웃풋을 제공하기 위해 다양한 광 색 저장소들(light color bins)로부터 선택될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 도 12의 LED 디바이스(1100)와 같은 LED 디바이스를 위한 렌즈는 직경이 12 mm 보다 작다. 몇몇 실시예들에서, 그 렌즈는 직경이 10 mm 보다 작거나, 9 mm보다 작거나, 8 mm보다 작다. 몇몇 실시예들에서, 직경이 약 9.1 mm보다 작고 사이즈가 약 1000 마이크론(그 칩들이 그 측면상에서 약 1000 마이크론의 폭을 갖는다는 것을 의미함)인 동일한 LED 칩들을 사용할 수 있다. 그러나, 다양한 사이즈들의 칩들이 사용될 수 있다. 그 칩들은 사이즈가 약 2000 마이크론 이하이거나, 약 1000 마이크론 이하 이거나, 약 500 마이크론 이하일 수 있다. 도 12에 도시된 것과 같은 LED 디바이스는 적어도 80, 85, 또는 90 lm/W의 효율 및 적어도 80의 CRI 를 가질 수도 있다. LED 디바이스는 약 95 lm/W 의 효율과 적어도 82의 CRI 를 가질 수도 있다. 또한 종종 백열 대체 조명을 위해 바람직한 온백색을 가진 그러한 LED 디바이스의 효율은, 약 100 lm/W 만큼일 수 있다. 그러나, 그 디바이스가 냉 백색을 위해 저장된 경우, 약 150 lm/W 만큼 큰 효율이 달성될 수 있다.
도 13은 도 6 내지 도 12로부터 LED 디바이스들의 회로의 일반화된 전기적 개략도이다. 회로(1300)는 병렬로 연결된 LED들의 제1 그룹을 형성하기 위해 병렬로 연결된 복수의 LED 들(1302)을 포함한다. 복수의 LED 들(1303)은 병렬로 연결된 LED 들의 제2 그룹을 형성하기 위해 병렬로 연결된다. 병렬의 LED 들의 두 그룹들은 다시 직렬로 연결된다. LED 들을 조명하기 위한 전류는 전원(1305)에 의해 공급된다. ESD 보호 디바이스(1306)는 LED 들의 두 그룹 둘 모두에 걸쳐 있는 전체 LED 회로를 걸쳐 병렬로 연결된다.
도 14는 도 11에 관하여 이전에 도시되고 설명된 LED 디바이스(1100)의 투시도이다. 도 14에서, 광학 소자, 렌즈(1150)는 6개의 LED 칩들 및 서브마운트(1000)의 두 개의 그룹들에 걸쳐서 볼 수 있다. 그 렌즈에 의해 도입된 왜곡을 또한 볼 수 있다. 도 14에 관하여, 디바이스(1100)는 금속 층에서의 플러스 표시(plus sign)가 최상부 왼쪽 코너에 있도록 위치된다. 이전에서 언급된 바와 같이, 본 발명의 실시예의 LED 디바이스에 사용하기 위한 렌즈는 유리 또는 플라스틱으로 이루어지거나, 제자리에 또는 다른 곳에 몰딩될 수 있거나, 그렇지 않으면 원하는 디바이스에 형성되거나 부착될 수도 있다. 예를 들어, 렌즈가 실리콘으로부터 제자리에 몰딩될 수도 있다. 도 14는 도 11에 이전에 도시된 LED 디바이스의 실시예에서 사용된 렌즈를 예시하지만, 본질적으로 동일한 유형과 형태의 렌즈가, 사용된 LED 칩들의 수 및 기판의 사이즈에 대하여 렌즈의 사이즈에 있어서 적절한 조절과 함께 본 명세서에서 설명된 실시예들 중 임의의 실시예에 사용될 수 있다.
도 15는 LED 칩들과 렌즈의 에지 사이의 클리어런스가 본 발명의 실시예들을 위해 어떻게 결정되는지 예시한다. 도 15의 도면은 단지 개략적이다. 이 예에서, 14개의 LED 칩들이 정사각형들(1502)로 표시된다. 렌즈의 외부 에지는 원(1504)으로 표시된다. 원(1506)은 그들의 가장 넓은 점에서 LED 칩들을 제한한다. 영역(1508)은 길이(1510)에 의해 정의된 클리어런스의 사이즈를 가진 클리어런스 영역이다. 이전에 설명된 바와 같이, 이 실시예들에서 이러한 사이즈는 LED 칩들을 가로질러 최대 폭의 약 0.2 내지 0.8일 수 있다. 클리어런스는 또한 LED 칩들의 폭의 약 0.3 내지 0.65일 수 있다.
특히 도 5 - 15에서 도시된 실시예들에 의해 예시된, 본 명세서에서 설명된 고밀도 멀티칩 디바이스들은 다수 유형들의 LED 칩들로 이루어질 수 있다. 수직 칩들이 이 실시예들에서 광범위하게 사용되어 왔지만, 플립-칩 및 측면 칩들이 또한 사용될 수 있다. 측면 스타일 칩들은 또한 이러한 특정 실시예들 중 몇몇에 도시되어 왔다. 특히 청색광에 대하여, 낮은 재흡수를 갖는 칩들은 광 아웃풋을 향상시키는 데 도움이 될 수 있다. 정사각형 서브마운트들이 도시되었지만, 다양한 형태들 및 사이즈들의 서브마운트들이 사용될 수 있다. 서브마운트들은 이전의 예시들에서와 같은 세라믹, 금속, 또는 플라스틱일 수 있다. 플라스틱 서브마운트는 열 강하(heat sinking)에 도움이 되는 금속 슬러그(metal slug)를 구비할 수 있다. 다양한 반도체 물질들이, 탄화규소 및 사파이어를 포함하여, LED 들에 사용될 수 있다. 그 레이아웃은 LED 칩들을 상호연결하기 위해 필요한 와이어 본드들의 배치에 의해 부분적으로 고밀도 및 매우 높은 광 아웃풋을 제공된다. 특정 서브마운트 금속 패턴 설계들은 서브마운트에 의해 광 흡수를 최소화하고, 또한 광 아웃풋을 증가시키는 것을 돕는다.
이상에 설명된 특성들은, 지금 대중적인 MR16 할로켄 멀티-반사기 전구와 같은 밝은 할로겐 전구에 대하여 고상 대체물에 사용되는 것으로 설명된 고밀도 디바이스 광을 가능하게 할 수 있다. 실시예들에서, 그 디바이스 사이즈는 측면 상에서 약 10 mm 이다. 더 작은 LED 칩들, 또는 더 적거나 더 큰 LED 칩들이, 예컨대 측면 상에 5 mm 보다 작거나 측면 상에서 3.5 mm 보다 작은 패키지와 같이, 작은 패키지 내에서 매우 높은 효율을 달성할 수 있다. 4 개의 1000 마이크론 LED 칩들이 한 개의 2000 마이크론 LED 칩들로 대체될 수 있다. 디바이스는 또한, 이전에 언급된 MR 16 전구와 같은 특정 백열 또는 할로겐 전구에 적절한 폼 팩터에 맞을 정확히 최대 사이즈로 축척될 수 있다.
특정 실시예들이 본 명세서에서 예시되고 설명되었지만, 본 발명에서 통상의 지식을 가진 자는 동일한 목적을 달성하기 위해 계산된 임의의 배열이 도시된 특정 실시예들에 대하여 대체될 수 있으며 본 발명이 다른 환경들에서 다른 애플리케이션들을 구비한다는 것을 이해한다. 이러한 애플리케이션은 본 발명의 임의의 적응예 또는 변형예들을 포함하도록 의도된다. 이하의 청구범위들은 본 발명의 범위를 본 명세서에서 설명된 특정 실시예들로 제한하도록 의도되지 않는다.

Claims (35)

  1. 복수의 상호연결된 LED 칩들; 및
    상기 LED 칩들로부터의 광에 영향을 미치기 위해 배치된 광학 소자를 포함하고,
    상기 복수의 상호연결된 LED 칩들은 상기 LED 칩들이 고정되는 서브마운트의 금속 부분에 접속된 제1 단자; 및 와이어 본드에 접속된 제2 단자를 각각 포함하되, 상기 제2 단자에 접속된 상기 와이어 본드는 상기 복수의 상호연결된 LED 칩들의 외부에서 상기 서브마운트에 접속되고,
    상기 광학 소자는 직경이 5 mm 보다 작은 반면에, 클리어런스가 상기 복수의 상호연결된 LED 칩들의 폭의 0.2 내지 0.8 배가 되도록 LED 칩들 중 임의의 칩과 광학 소자의 에지 사이에 상기 클리어런스를 유지하는, LED 디바이스.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광학 소자는 직경이 4 mm 보다 작은, LED 디바이스.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 클리어런스는 상기 복수의 상호연결된 LED 칩들의 폭의 0.3 내지 0.65 배인, LED 디바이스.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 LED 칩들은 병렬로 연결되고, 상기 서브마운트는 세라믹을 포함하는, LED 디바이스.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 광학 소자는 실리콘으로부터 몰딩되는, LED 디바이스.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 복수의 상호연결된 LED 칩들 중 적어도 일부의 상기 제1 단자는 상기 서브마운트의 금속 부분에 접촉하는, LED 디바이스.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 LED 칩들에 전력이 인가될 때, 상기 LED 디바이스는 적어도 80 lm/W의 효율 및 적어도 80의 색 렌더링 인덱스(color rendering index, CRI)를 구비한 광을 방출하는, LED 디바이스.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 광학 소자는 직경이 3.1 mm이고, 상기 효율은 적어도 89 lm/W이고, 상기 CRI 는 적어도 82인, LED 디바이스.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 복수의 상호연결된 LED 칩들의 적어도 일부는 측면 LED 칩들인, LED 디바이스.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 LED 칩들에 전력이 인가될 때, 상기 LED 디바이스는 적어도 80 lm/W의 효율과 적어도 80의 색 렌더링 인덱스(CRI)를 가진 광을 방출하는, LED 디바이스.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 광학 소자는 직경이 3.1 mm이고 상기 효율은 적어도 89 lm/W이고 상기 CRI는 적어도 82인, LED 디바이스.
  12. 서브마운트;
    상기 서브마운트에 고정된 복수의 LED 칩들 ― 상기 복수의 LED 칩들은 각각 상기 LED 칩들이 고정되는 상기 서브마운트의 금속 부분에 접속된 제1 단자를 포함함 ―;
    LED 칩의 제2 단자와 상기 서브마운트 사이에 각각 연결된 복수의 와이어 본드들 ― 상기 복수의 와이어 본드들은 모든 상기 와이어 본드들이 복수의 LED 칩들의 외부에서 상기 서브마운트에 접속되도록 배열되어 있음 ―; 및
    상기 복수의 LED 칩들로부터의 광에 영향을 미치도록 배치되는 광학 소자
    를 포함하는, LED 디바이스.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 광학 소자는 실리콘을 포함하고 상기 서브마운트는 세라믹을 포함하는, LED 디바이스.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 복수의 LED 칩들의 적어도 일부는 병렬로 연결되는, LED 디바이스.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 복수의 LED 칩들은 네 개의 LED 칩들을 포함하는, LED 디바이스.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 복수의 LED 칩들의 적어도 일부의 제1 단자는 상기 서브마운트의 금속 부분과 접촉되어 있는, LED 디바이스.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 LED 칩들에 전력이 인가될 때, 상기 LED 디바이스는 적어도 80 lm/W의 효율과 적어도 80의 색 렌더링 인덱스(CRI)를 가진 광을 방출하는, LED 디바이스.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 광학 소자는 직경이 3.1 mm이고 그 효율은 적어도 89 lm/W이며 상기 CRI 는 적어도 82인, LED 디바이스.
  19. 제15항에 있어서,
    상기 복수의 LED 칩들 중 적어도 일부는 측면 LED 칩들인, LED 디바이스.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 LED 칩들에 전력이 인가될 때, 상기 LED 디바이스는 적어도 80 lm/W의 효율 및 적어도 80의 색 렌더링 인덱스(CRI)를 가진 광을 방출하는, LED 디바이스.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 광학 소자는 직경이 3.1 mm이고 상기 효율은 적어도 89 lm/W이고 상기 CRI는 적어도 82인, LED 디바이스.
  22. 세라믹 서브마운트;
    상기 서브마운트에 고정된 복수의 LED 칩들로서, LED 디바이스의 색 렌더링 인덱스(CRI)를 최대화하도록 선택된, 상기 복수의 LED 칩들; 및
    상기 복수의 LED 칩들로부터의 광에 영향을 미치도록 배치된 실리콘 렌즈
    를 포함하되,
    상기 복수의 LED 칩들은 상기 LED 칩들이 고정되는 상기 세라믹 서브마운트의 금속 부분에 접속된 제1 단자; 및 와이어 본드에 접속된 제2 단자를 각각 포함하되, 상기 제2 단자에 접속된 상기 와이어 본드는 상기 복수의 LED 칩들의 외부에서 상기 서브마운트에 접속되는,
    LED 디바이스.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 복수의 LED 칩들 중 적어도 일부는 상기 서브마운트의 상기 금속 부분에 접촉되어 있는, LED 디바이스.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 LED 칩들에 전력이 인가될 때, 상기 LED 디바이스는 적어도 80 lm/W의 효율을 가진 광을 방출하며 상기 CRI 는 적어도 80인 것인, LED 디바이스.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 실리콘 렌즈는 직경이 3.1 mm이고, 상기 효율은 적어도 89 lm/W이고 상기 CRI 는 적어도 82인, LED 디바이스.
  26. 제22항에 있어서,
    상기 복수의 LED 칩들의 적어도 일부는 측면 LED 칩들인, LED 디바이스.
  27. 제26항에 있어서,
    상기 LED 칩들에 전력이 인가될 때, 상기 LED 디바이스는 적어도 80 lm/W의 효율을 가진 광을 방출하며 상기 CRI 는 적어도 80인 것인, LED 디바이스.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 실리콘 렌즈는 직경이 3.1 mm이고 상기 효율은 적어도 89 lm/W이고 상기 CRI 는 적어도 82인, LED 디바이스.
  29. LED 디바이스를 어셈블링하는 방법으로서,
    상기 LED 디바이스의 색 렌더링 인덱스(CRI)를 최대화하기 위해 복수의 LED 칩들을 선택하는 단계;
    세라믹 서브마운트에 상기 복수의 LED 칩들을 고정하는 단계 ― 상기 복수의 LED 칩들은 상기 LED 칩들이 고정되는 상기 서브마운트의 금속 부분에 접속된 제1 단자를 각각 포함함 ―;
    상기 복수의 LED 칩들을 와이어 본드들과 적어도 부분적으로 상호연결하는 단계 ― 상기 와이어 본드들은 각각 LED 칩의 제2 단자와 상기 서브마운트 사이에 연결되고, 상기 와이어 본드들은 또한 상기 복수의 LED 칩들의 외부에서 상기 서브마운트에 접속되도록 배열되어 있음 ―; 및
    상기 LED 칩들로부터의 광에 영향을 미치기 위해 상기 세라믹 서브마운트에 실리콘 렌즈를 부착하는 단계
    를 포함하는, LED 디바이스를 어셈블링하는 방법.
  30. 제29항에 있어서,
    알루미나로부터 상기 세라믹 서브마운트를 만드는 단계를 더 포함하는, LED 디바이스를 어셈블링하는 방법.
  31. 제30항에 있어서,
    상기 복수의 LED 칩들의 적어도 일부가 상기 서브마운트의 금속 부분에 접촉되어 있는, LED 디바이스를 어셈블링하는 방법.
  32. 제30항에 있어서,
    상기 복수의 LED 칩들의 적어도 일부는 측면 LED 칩들인, LED 디바이스를 어셈블링하는 방법.
  33. 제29항에 있어서,
    질화 알루미늄으로부터 상기 세라믹 서브마운트를 만드는 단계를 더 포함하는, LED 디바이스를 어셈블링하는 방법.
  34. 제33항에 있어서,
    상기 복수의 LED 칩들의 적어도 일부는 상기 서브마운트의 금속 부분과 접촉되어 있는, LED 디바이스를 어셈블링하는 방법.
  35. 제33항에 있어서,
    상기 복수의 LED 칩들의 적어도 일부는 측면 LED 칩들인, LED 디바이스를 어셈블링하는 방법.
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