KR102176383B1 - 하부 반사기를 가지는 led 렌즈의 캡슐화 - Google Patents

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Abstract

LED 다이를 캡슐화하기 위해 기판상에 마운트된 LED 다이상에 렌즈가 부착되어 있다. 렌즈는 원하는 광 패턴을 달성하기 위해 돔 또는 기타 형태로서 성형된 상부 표면을 가질 수 있다. 렌즈는 LED 다이를 위한 캐비티를 가진다. LED 다이를 둘러싸는 각진 표면을 가지는 하나 이상의 패시트 링과 같은 반사기 패턴이 렌즈의 하부 표면에 몰딩된다. 패시트 링의 각진 표면은 LED 다이로부터의 하향 또는 얕은 발광을 위로 반사시킨다. 상이한 반경들과 높이들의 복수의 패시트 링들은 발광의 성형을 위해 렌즈의 하부에 형성될 수 있다. 임의의 적합한 형태의 패시트가 사용될 수 있다. 패시트 링들은 LED 모듈로 하여금 좁은 빔 또는 다른 발광 패턴을 방출하게 하도록 형성될 수 있다.

Description

하부 반사기를 가지는 LED 렌즈의 캡슐화{ENCAPSULATING LED LENS WITH BOTTOM REFLECTORS}
본 발명은 발광 다이오드들(LEDs)의 캡슐화에 관한 것이고, 구체적으로 하부의 반사성 특징형상들(bottom reflective features)을 가지는 렌즈를 가지는 LED 다이(die)의 캡슐화에 관한 것이다.
LED 다이를 서브마운트(submount)(기판)에 마운트(mount)하고, 미리 형성된 돔 렌즈(dome lens)를 LED 다이상에 위치시켜 LED 다이를 캡슐화하는 것은 흔한 일이다. 돔 렌즈는 투명하거나 반투명한 탄성 실리콘을 포함하는 LED 다이를 위한 캐비티를 가진다. 그렇지 않은 경우엔 렌즈의 하부는 평평하다. 돔 렌즈가 LED 다이 위에서 가압될(pressed) 때, 실리콘이 LED 다이 주변의 공동을 채운다.
이러한 구조를 가지면, 발광은 일반적으로 램버시안(lambertian)이다. 유용한 발광은 일반적으로 전방 방향으로 방출된 광이므로, LED 다이의 측면부 또는 얕은 각도에서 방출된 광은 자주 낭비되는 광이다. 이러한 캡슐화된 LED 다이들은 모든 광을 전방 방향으로 향하게 하기 위해 작은 반사성 원뿔형의 컵들에 마운트되지만, 이러한 컵들은 LED 모듈에 비용과 크기를 추가한다.
추가적으로, 아래 방향으로 방출된 광은 서브마운트 표면에 의해 어느 정도 흡수될 수 있고 얕은 각도로 반사될 수 있다. 그러므로 이 광 또한 낭비될 수 있다.
필요한 것은 위에서 언급된 단점들을 겪지 않는 렌즈 캡슐화 기술이다.
일 실시예에서, LED 다이들의 어레이(array)는 서브마운트 웨이퍼(submount wafer)에 마운트되고, 여기에서 LED 다이들의 전극들은 서브마운트 웨이퍼 상의 금속 패드들에 전기적으로 연결된다. 플립 칩 LED들(flip chip LEDs) 또는 와이어-결합 LED들(wire-bonded LEDs)이 사용될 수 있다. 본 발명은 또한 단일 LED를 한번에 프로세싱(processing)하는 것에도 적용된다.
렌즈는 예를 들어 몰딩 프로세스(molding process)에 의해서 미리 형성된다. 렌즈는 강화된 실리콘 또는 기타 적합한 투명한 물질로 형성될 수 있다. 렌즈는 일반적으로 원형이고, 원하는 광 패턴을 달성하기 위해 돔 또는 기타 형태로서 형성된(shaped) 상부 표면을 가질 수 있다. 렌즈는 LED 다이를 위해 캐비티를 가지고 있다. 반사기 패턴은 각진 표면(angled surface)을 가지는 패시트 링(facet ring)과 같이 렌즈의 하부 표면에 몰딩된다. 일 실시예에서, 패시트들(facets)은 렌즈의 하부 표면에 몰딩된 각진 인덴테이션(angled indentation)들이다. 각도들은 평평하거나 둥글 수 있다.
렌즈와 패시트들의 하부는 반사 금속 필름과 같은 반사 필름으로 선택적으로 코팅될 수 있다.
연화된 실리콘이 캐비티 안에 공급된다.
렌즈가 LED 다이 위에서 가압될 때, 캐비티 내의 실리콘은 LED 다이를 캡슐화하고, LED 다이는 패시트 링에 의해 둘러싸인다. 패시트 링의 각진 표면은 LED 다이로부터의 하향 또는 얕은(shallow) 발광을 위쪽으로 반사시킨다. 반사 필름이 패시트들을 코팅하지 않는 경우, 상향 반사는 전반사(TIR)에 의할 수 있다.
상이한 반경들과 높이들을 가지는 복수의 동심 패시트 링들(concentric facet rings)은 발광을 확산시키기 위해 렌즈의 하부에 형성될 수 있다. 상이한 패시트 링들의 각도들은 다르거나 동일할 수 있다. 다른 실시예에서, 패시트 링들은 원형일 필요는 없고, 원하는 발광 패턴에 따라서 정사각형, 직사각형, 타원형, 또는 다른 형태일 수 있다. 이와 유사하게, 렌즈는 임의의 형태를 가질 수 있다.
패시트 링들은 LED 모듈로 하여금 좁은 빔(narrow beam) 또는 기타 발광 패턴들을 방출하게 하도록 형성될 수 있다. 렌즈의 상부 표면은 임의의 광 방출 패턴을 달성하도록 성형될 수 있다.
다른 실시예들에서, 렌즈의 하부 표면은 LED 광을 위로 반사하기 위해 둥글게 형성될 수 있다.
서브마운트 웨이퍼의 상부 표면은 반사 필름으로 코팅될 수 있다.
캡슐화 프로세스는 처리를 단순화하고 비용을 줄이기 위해 웨이퍼 규모로 수행될 수 있다. 캡슐화 프로세스 이후에, 서브마운트 웨이퍼는 개별 LED 모듈들을 형성하기 위해 개별화(singulated)된다.
다른 실시예들이 설명된다.
도 1은 LED 다이들의 어레이로 점유되는 서브마운트 웨이퍼의 상면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, LED 다이 캐비티 및 렌즈의 하부에 형성된 반사 패시트들을 도시하는, 렌즈를 2등분하는 단면도이다.
도 3은 LED 다이 캐비티 및 원형 패시트들의 정점들(apexes)을 도시하는 도 2의 렌즈의 하면도이다.
도 4는 도 2의 렌즈들이 LED 다이들 위로 위치되어 그들을 캡슐화하는, LED 다이들로 점유되는 서브마운트 웨이퍼의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따라 렌즈를 2등분하는 단면도이다.
동일하거나 유사한 요소들은 동일한 번호로 표시되어 있다.
도 1은 LED 다이들(12)의 어레이로 점유되는 서브마운트 웨이퍼(10)를 도시한다. 다른 실시예에서, 오직 하나의 LED 다이(12)만 한번에 프로세스된다. LED 다이들(12)은 플립 칩들, 버티컬(vertical), 와이어 결합 등을 포함하는 임의의 유형일 수 있다. 단순화된 예시에서, 오직 12개의 LED 다이들(12)만 표시되어있지만, 실제 실시예에서, 수백 개의 LED 다이들(12)이 일반적으로 하나의 서브마운트 웨이퍼(10)에 마운트될 것이다. LED 다이들(12)의 각 변은 일반적으로 약 1㎜이다. 서브마운트 웨이퍼(10)는 예를 들어 전도성 트레이스들(conductive traces)을 가지는 세라믹 웨이퍼(ceramic wafer)와 같이 보편적일 수 있거나 다른 물질로 형성될 수 있다. 웨이퍼(10)는 직사각형, 6각형, 또는 임의의 기타 적합한 형태일 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 미리 형성된 렌즈(14)의 단면도이다. 도 3은 LED 다이 캐비티(16)의 윤곽과 패시트들(18 및 22)의 정점들을 도시하는 렌즈(14)의 하면도이다. 도 4는 LED 다이들(12) 상에 마운트된 렌즈(14)를 도시한다. 렌즈(14)는 몰딩된 실리콘일 수 있다. 일반적 LED 다이에서, 렌즈(14)는 약 3-5㎜의 지름을 가질 수 있다.
렌즈(14)는 LED 다이(12)보다 약간 더 큰 중심 캐비티(16)를 가진다. 캐비티(16)를 둘러싸고 있는 것은 LED 다이의 측면의 빛을 위로 재지향(redirect)하는 반사성 특징형상들이다. 도 2의 예시에서, 원형 제1 패시트(18)는 도 4에서 광선(light ray)(20)에 의해 도시되었듯이, 어떠한 측면 광도 상향으로 반사시키는 각진 면(angled face)을 가진다. 원형 제2 패시트(22)는 렌즈(14) 내로 더 깊이 연장되고 도 4에서의 광선(24)과 같은 충돌하는(impinging) 광을 위로 반사시키는 각진 면을 가진다. 임의의 기타 유형의 반사성 특징형상은 광을 위로 반사시키기 위해 렌즈(14)의 하부 표면에 형성될 수 있다.
다른 실시예에서, 패시트들(18 및 22)의 광 충돌 면들(light-impinging facets)은 평평하지 않고 (포물선과 같이) 굽어져 있어서, 더 좁은 빔을 생성한다. 상이한 높이들을 가지는 동심 추가 패시트들을 더하는 것은 렌즈(14)의 상부 표면에 걸쳐 발광을 확산시키는 역할을 할 수 있다.
다른 실시예에서, 패시트들(18 및 22)은 원하는 방출 패턴에 따라 정사각형, 직사각형, 타원형, 또는 다른 형태인 링들을 형성한다. 렌즈(14) 또한 원하는 방출 패턴에 따라 정사각형, 직사각형, 타원형 또는 기타 형태일 수 있다.
일 실시예에서, 패시트들(18 및 22)뿐만 아니라 렌즈(14)의 하부 표면의 나머지는 반사 금속 필름과 같은 반사 필름으로 코팅되어 있다. 다른 실시예에서는, 패시트들(18 및 22)을 코팅하는 반사 필름이 없고, 패시트들(18 및 22)은 에어 갭(air gap)을 정의한다. 렌즈/공기 계면에서의 상이한 굴절률은 광이 일정 범위내의 각도로 충돌할 때 전반사(TIR)를 야기한다. 패시트들(18 및 22)을 통과하는 광들도 여전히 패시트들(18 및 22)에 의해 굴절된 광 및, 몇몇의 경우엔 서브마운트 웨이퍼(10)의 표면에서 반사된 광에 의해 방출될 수 있다.
서브마운트 웨이퍼(10)는 흰색 페인트 또는 반사 금속 링과 같은, 반사 층을 가질 수 있다. 도 4는 서브마운트 웨이퍼(10) 표면에서 반사되는 광선(26)을 도시한다.
패시트들의 링들을 형성하는 것보다, 광을 더 균일하게 분포시키기 위해, 패시트들은 개별 패시트들의 어레이일 수 있다. 그러한 경우에는, 도 2는 4개의 분리된 패시트들을 도시하고, 이들 각각은 직각의 반사 광-충돌 표면을 가진다.
일반적으로 LED 다이(12)의 굴절률과 렌즈(14)의 굴절률 사이의 굴절률을 가지는 접착성 실리콘(28)(도 4)은 캐비티(16) 내에 그리고 렌즈(14)의 하부 표면에 공급된다. 캐비티(16) 내의 실리콘(28)은 변형가능하다. 그 후에, 캐비티(16) 내의 실리콘(28)이 LED 다이(12)를 캡슐화하기 위해 LED 다이(12) 주위에서 변형하도록 하기 위해, 렌즈(14)는 도 4에 도시된 바와 같이 LED 다이(12) 위에서 가압된다. 캡슐화는 공기를 제거하기 위해 진공에서 수행될 수 있다. 그 후에, 접착 실리콘은 단단해지기 위해 경화된다. 다른 실시예에서, LED 다이(12)를 캡슐화하기 위해 캐비티(16) 내에서 사용된 실리콘(28)은 두 물질 모두의 최적화를 가능하게 하기 위해 렌즈(14)의 하부상의 접착제와는 상이하다. 캐비티(16) 내의 실리콘(28)은 접착제일 필요가 없고 렌즈(14)와 LED 다이(12)의 열팽창의 계수의 차이에 적응하기 위해 탄성으로 유지될 수 있다.
도 4는 서브마운트 웨이퍼(10)의 대응되는 금속 패드들에 결합된 LED 다이 전극들(30)을 도시한다. 서브마운트 웨이퍼(10)의 금속 패드들은 서브마운트 웨이퍼(10)를 통과해 연장되고 하부 패드들(34)에서 끝나는 비아들(vias)(32)에 연결되어 있다. 패드들(34)은 개별화 후에 인쇄 회로 기판에 솔더링(soldered)될 수 있다. 개별화 선(36)이 도시된다. 개별화는 톱질(sawing) 또는 기타 기술일 수 있다. 개별화는 웨이퍼(10)를 개별적 장치들 또는 장치들의 어레이들로 나눌 수 있다.
서브마운트 웨이퍼(10) 및 개별화된 서브마운트 부분은 기판으로 지칭될 수 있다. 기판은 패드들(34) 대신에 전력원에 대한 임의의 유형의 전기적 커넥터를 사용할 수 있다.
도 5는 LED 다이(12)의 광선(44)을 위로 반사하도록 동작하는 렌즈(42)의 하부의 다른 형태를 도시한다. 형태는 일반적으로 상부 구형 형태(upper spherical shape)에 연결된 포물선형 보울 형태(parabolic bowl shape)이다. 방출된 빔이 상대적으로 좁아지도록 낮은 각도의 LED 광을 반사하기 위해, 많은 다른 형태들의 반사 표면들이 사용될 수 있다. 사실상 어떠한 빔 형태도 달성가능하다. 반사는 전반사에 의한 것일 수 있고, 아니면 렌즈(42)의 하부 표면이 반사 물질로 코팅될 수 있다.
렌즈(14)의 상부 표면은 발광 패턴을 더 성형하기 위한 임의의 형태일 수 있다. 몇몇 형태들은 거칠어진 표면들, 잔물결이 있는 표면들(dimpled surface), 프레넬 렌즈 표면(Fresnel lens surface), 시준 렌즈 표면(collimating lens surface) 등을 포함한다. LED 다이 방출의 대부분은 상부 표면에서 오는 것이고, 따라서 렌즈 상부 표면 형태는 광의 방향을 정하는데 주된 수단이 될 것이다. 렌즈 형태 및 반사기 형태의 조합은 밝은 광의 매우 좁은 빔을 생성하기 위해 사용될 수 있다.
렌즈(14)가 미리 형성되는 것 대신에, 렌즈(14)는 압축 몰딩 프로세스로 LED 다이들(12) 상에 직접적으로 몰딩될 수 있고 경화될 수 있다. 이러한 경우에 접착제 또는 캐비티 채움재료(cavity filling material)는 사용되지 않는다.
LED 다이(12)는 백색광을 포함하는 임의의 발광 색상을 생성하기 위해 인광물질을 포함할 수 있다. 다수의 LED 다이는 상호 연결될 수 있고 하나의 LED 모듈을 위한 어레이로 배열될 수 있고, 모든 LED 다이들은 적합하게 큰 캐비티를 가지는 하나의 렌즈로 캡슐화될 수 있다.
렌즈(14)는 LED(14)에 의해 방출된 광을 백색광 또는 임의의 다른 적합한 광으로 변환하기 위해 인광 물질을 포함할 수 있다. 일반적으로 LED(12)는 청색광을 방출할 것이고 렌즈(14)는 YAG 인광체를 포함할 것이다.
본 발명을 사용함으로써, LED 다이를 반사 컵에 마운트할 필요가 없다.
본 발명의 구체적 실시예들이 도시되고 설명되었으나, 기술분야에 숙련된 자들은 본 발명의 더 넓은 태양에서 벗어나지 않으면서 수정들과 변경들이 만들어질 수 있다는 것이 명백할 것이고, 그러므로 첨부된 청구항들은 본 발명의 진정한 사상과 범위 내에 속하는 그러한 변경들 및 수정들을 그들의 범위 내에서 포함할 것이다.

Claims (16)

  1. 발광 장치로서,
    기판 상의 발광 다이오드(LED) 다이; 및
    상기 LED 다이를 둘러싸는 고형의(solid) 몰딩된 렌즈를 포함하고, 상기 렌즈는 접착 재료를 통해 상기 기판에 부착되어 있고, 상기 렌즈는
    (a) 상기 LED 다이를 둘러싸는 제1 연속적인 홈(groove) 및 상기 LED 다이와 상기 제1 연속적인 홈 양쪽 모두를 둘러싸는 제2 연속적인 홈을 규정하도록 배열된 복수의 각진(angled) 제1 표면 부분들 - 상기 복수의 각진 제1 표면 부분들은 상기 기판의 평평한 부분 위에 배열됨 -; 및
    (b) 상기 기판과 평행한 상기 LED 다이를 둘러싸는 제2 표면 부분 - 상기 제2 표면 부분은 상기 접착 재료를 통해 상기 기판에 부착되어 있음 -
    을 포함하는 평평하지 않은 하부 표면을 갖는, 발광 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 렌즈의 상부 표면은 돔(dome)인, 발광 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 렌즈의 상부 표면은 광을 재지향하도록 성형된, 발광 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 연속적인 홈은 링 형태이고, 서로를 향해 기울어진 두 개의 각진 제1 표면 부분들에 의해 규정되고,
    상기 제2 연속적인 홈은 링 형태이고, 서로를 향해 기울어진 두 개의 상이한 각진 제1 표면 부분들에 의해 규정되는, 발광 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 연속적인 홈은 제1 높이를 갖고, 상기 제2 연속적인 홈은 상기 제1 높이보다 더 큰 제2 높이를 갖는, 발광 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 렌즈의 하부 표면은 상기 LED 다이 위에 놓이는 제3 표면 부분을 더 포함하고, 상기 제3 표면 부분은 상기 LED 다이를 포함하는 캐비티(cavity)의 적어도 일부를 규정하고, 상기 발광 장치는 상기 LED 다이를 캡슐화하도록 상기 캐비티 내에 형성된 채움재(filling)를 더 포함하는, 발광 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 반사 표면을 갖는, 발광 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 채움재는 상기 렌즈의 제2 굴절률 및 상기 LED 다이의 제3 굴절률 중 하나보다 더 큰 제1 굴절률을 갖는, 발광 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 채움재도 상기 접착 재료로 형성된, 발광 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 각진 제1 표면 부분들과 상기 기판의 평평한 부분 사이의 갭을 더 포함하는, 발광 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 갭은 공기를 포함하는, 발광 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제2 표면 부분은 상기 제1 연속적인 홈과 상기 제2 연속적인 홈 사이에 위치하는, 발광 장치.
  13. 발광 장치를 작동시키는 방법으로서,
    기판 상에 마운트된 발광 다이오드(LED) 다이를 활성화하는 단계 - 상기 LED 다이는 상기 LED 다이의 상부 표면뿐만 아니라 상기 LED 다이의 측면 표면들로부터도 광을 방출함 -; 및
    상기 LED 다이를 둘러싸는 고형의(solid) 몰딩된 렌즈에 의해, 상기 LED 다이의 측면 표면들에 의해 방출된 광의 적어도 일부를 재지향하는 단계를 포함하고, 상기 렌즈는 접착 재료를 통해 상기 기판에 부착되어 있고, 상기 렌즈는
    (a) 상기 LED 다이를 둘러싸는 제1 연속적인 홈(groove) 및 상기 LED 다이와 상기 제1 연속적인 홈 양쪽 모두를 둘러싸는 제2 연속적인 홈을 규정하도록 배열된 복수의 각진(angled) 제1 표면 부분들; 및
    (b) 상기 기판과 평행한 상기 LED 다이를 둘러싸는 제2 표면 부분 - 상기 제2 표면 부분은 상기 접착 재료를 통해 상기 기판에 부착되어 있음 -
    을 포함하는 평평하지 않은 하부 표면을 갖는, 발광 장치를 작동시키는 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제1 연속적인 홈은 링 형태이고, 서로를 향해 기울어진 두 개의 각진 제1 표면 부분들에 의해 규정되고,
    상기 제2 연속적인 홈은 링 형태이고, 서로를 향해 기울어진 두 개의 상이한 각진 제1 표면 부분들에 의해 규정되는, 발광 장치를 작동시키는 방법.
  15. 삭제
  16. 삭제
KR1020157028457A 2013-03-13 2014-03-06 하부 반사기를 가지는 led 렌즈의 캡슐화 KR102176383B1 (ko)

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