KR20180086284A - 캡슐화제로 채워지는 형광체-변환형 led 용의 얕은 반사기 컵 - Google Patents

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Abstract

형광체(28)로 형상추종적으로 코팅된 LED 다이(26)가 얕은 정사각형 반사기 컵(16)의 베이스(24)에 장착된다. 컵은 그의 베이스로부터 그의 가장자리로 약 33도의 얕은 각도로 상방으로 경사진 평탄한 반사성 벽들(20)을 갖는다. 투명한 캡슐화제(30)가 평활하고 평탄한 상부 표면을 형성하도록 컵을 완전히 채운다. 작은 각도(48, 50)로 LED 다이 또는 형광체로부터의 임의의 방출들은 평탄한 공기-캡슐화제 계면에서 컵의 벽들을 향해 내부 전반사된다. 이 조합된 LED/형광체 광은 그 다음에 벽들(20)에 의해 상방으로 반사되어 패키지 밖으로 나온다. LED 및 형광체에 의해 방출되는 광의 대부분이 패키지로부터 나오기 전에 TIR 및 벽들에 의해 혼합되기 때문에, 반사되는 광의 컬러 및 휘도가 빔에 걸쳐 상당히 균일하다. 캡슐화제는 광의 혼합에 도움을 주도록 TIR의 강화를 위해 의도적으로 설계된다.

Description

캡슐화제로 채워지는 형광체-변환형 LED 용의 얕은 반사기 컵{SHALLOW REFLECTOR CUP FOR PHOSPHOR-CONVERTED LED FILLED WITH ENCAPSULANT}
본 발명은 패키지형 발광 다이오드(packaged light emitting diode: LED)들에 관한 것으로서, 특히, 투명한 캡슐화제(clear encapsulant)로 채워지는 얕은 반사성 컵 내의 형광체-변환형 LED 다이에 관한 것이다.
인쇄 회로 기판(PCB) 상의 전도성 트레이스들에 LED의 전극들을 전기적으로 접속하기 위해, PCB 또는 다른 기판 상에 LED 다이를 장착하는 것이 일반적이다. 그 다음, 중앙 홀을 갖는 둥근 반사기 컵이 PCB에 부착되어 LED 다이를 둘러싼다. 형광체 변환을 위해, 컵은 그 다음에 점성 형광체 혼합물로 완전히 채워지고, LED 다이의 캡슐화를 위해 경화된다. LED 다이 광과 형광체 광의 조합은, 백색 광과 같은, 원하는 전체 광 컬러를 생성한다. 컵은 LED 다이의 측면 광 방출을 어느 정도 제한하여 그 측면 광을 일반적으로 전면 방향으로 재배향(redirect)한다.
일부 경우들에서, 캡슐화제를 내포하는 반구형 렌즈는 광 추출을 개선시키기 위해 LED 다이 위에 고정된다. 이것은 렌즈를 수용하기 위해 컵 내에 큰 중앙 구멍을 필요한다.
전술한 패키지형 LED의 한 가지 단점은 형광체 광의 광 방출 프로파일이 매우 넓다는 것이다. 형광체가 원추형 컵의 가장자리에 있거나, 심지어는 약간 위에 있기 때문에, 컵 외부로 나가는 형광체 광은 거의 램버시안(Lambertian)이다. LED 다이 자체가 컵 내에서 상당히 낮기 때문에, LED 다이로부터의 직사 광은 컵에 의해서 급격히 제한되어, 컵으로부터 나오는 LED 다이로부터의 직사 광은 램버시안보다 훨씬 더 좁아 지고 형광체 광보다 훨씬 더 좁아 진다. 그러므로, LED 다이가 청색 광을 방출하고 형광체가 황색 광을 방출한다고 가정하면, 빔 내에서 중앙에 가까운 백색 광 주위에 황색 후광(halo)이 존재할 것이다. 이는 통상적으로 형광체 후광 효과로 지칭된다.
형광체로 채워지는 반사성 컵들의 일부 예들은 미국 공개 2013/0228810에 예시된다.
발광 다이오드 다이의 캡슐화는 광 추출 효율을 증가시키기 위해서 중요한데, 캡슐화제는 높은 굴절률의 LED 다이(예를 들어, GaN LED의 경우 n = 2.5 내지 3)와 공기(n = 1) 사이의 굴절률(n)을 갖도록 설계된다. 일부 LED에서, LED 다이 광은 약 1.8의 굴절률을 갖는 상부 사파이어 윈도우로부터 나온다. (렌즈를 포함하여) 종래의 실리콘 캡슐화제의 굴절률은 1.4 내지 1.7일 수 있다. 캡슐화제는, 따라서, LED 다이 내부의 내부 전반사(TIR)를 줄이기 위해 설계된다. 캡슐화 이득(encapsulation gain)은 10 내지 20%의 광 출력 증가를 고려할 수 있다. 캡슐화 형상은 캡슐화제-공기 계면에서 TIR의 최소화를 위해 설계된다.
돔-형상 캡슐화제는 LED 다이에 의해 방출되는 광선들이 돔의 표면 상에 일반적으로는 직각으로 충돌하기 때문에 인기가 있다. 이것은 TIR을 최소화한다. 캡슐화 형상이 직사각형 프리즘과 유사한 경우, LED 다이 광선들이 평탄한 캡슐화제-공기 계면 상에 작은 각도들로 충돌함으로 인해, TIR이 비교적 클 것이고 형상의 대칭성은 광의 탈출을 허용하지 않는다. 그러므로, (공기에 노출되는) 평탄한 상부 표면을 가진 캡슐화제들은, 그들이 패키지형 LED들의 간단한 개략적인 예들로서 예시될 수 있지만, 실제 제품들에서는 이용되지 않는다.
캡슐화제의 일부 다른 알려진 형상들은 대칭성을 없애고 광의 탈출을 허용하는 각도들을 갖는 피라미드들이다. 그러나, 피라미드로부터의 TIR은 광의 일부가 LED 다이 및 그의 장착 기판에 의해서 흡수되게 한다. 일부 피라미드 유형의 구조체들은 TIR을 줄이기 위해 그들의 외측 표면에 커팅된 각이 진 홈들을 갖는다.
다양한 이유로, 사용자는 형광체 후광 효과로 인해 불량한 컬러 균일성을 갖는 원추형 컵으로부터의 일반적인 원형 빔에 만족하지 못할 수 있다. 또한, 렌즈들이 패키지의 높이를 증가시키기 때문에, 사용자는 LED 다이를 캡슐화하기 위해 렌즈를 필요로 하지 않는 얕은 패키지를 원할 수 있다.
필요한 것은 전술한 종래 기술의 단점이 없는 패키지형 LED를 위한 새로운 설계이다.
약 33도의 얕은 각도로 상방으로 경사진 4개의 평탄한 벽들을 갖는 얕은, 직사각형의 반사성 컵을 사용하는 패키징형 LED 다이가 설명된다. LED 다이는 반사기의 베이스에 장착되며, 베이스는 LED 다이 전극들에 대한 결합 패드들을 포함한다. 아래의 설명은 청색 LED 및 YAG 황색 방출 형광체를 가정하지만, LED 컬러 및 형광체 방출들의 다른 조합(예를 들어, 청색 LED, YAG 형광체, 및 적색 방출 형광체)이 고려되고 본 발명의 범위 내에 포함된다.
LED 다이는, 전기이동(electrophoresis), 분무, 또는 임의의 다른 알려진 기법과 같은 임의의 방법에 의해 도포될 수 있는, 형상추종적 형광체 코팅을 갖는다. 형상추종적 형광체 코팅은 컵 내에 LED 다이를 장착하기 전에 LED 다이에 도포된다. 형광체 코팅은 치밀할 수 있으므로, 패키지의 필요한 높이를 최소화하기 위해 매우 얇게 할 수 있다. 컵의 가장자리는 형상추종적 형광체보다 높다.
컵의 광 출사 구멍은 실질적으로 정사각형이어서, 그 결과 빔은 일반적으로 정사각형으로 될 것이다. 다른 직사각형 형상들이 상정되는데 본 발명의 범위 내에 포함된다.
실리콘과 같은 투명한 캡슐화제는 형광체의 위까지 컵을 실질적으로 채우며, 스넬의 법칙에 따라 캡슐화제-공기 계면에서의 내부 전반사(TIR)를 촉진하기 위해 평활하고 평탄한 상부 표면을 갖는다.
컵의 벽들의 얕은 각도는 형광체 및 LED 활성 층으로부터의 측면 광의 일부분이 컵의 벽들로부터 직접적으로 반사되고 어떠한 TIR도 없이 캡슐화제의 평탄한 상부를 통해 밖으로 나오도록 설계된다. 임계각 미만으로 캡슐화제의 평탄한 상부 표면 상에 충돌하는 LED 다이 및 그 위에 놓인 형광체의 상부로부터의 광은 반사성 벽들을 향해 하방으로 TIR에 의해 반사될 것이고 어떠한 추가적인 TIR 없이 패키지 밖으로 반사될 것이다. 그러므로, 거의 모든 광은 최대 2회 반사되면서 패키지로부터 나온다. 광은 LED 다이 내로 거의 반사되지 않고 그래서 흡수되지 않는다.
LED 다이 및 형광체의 상부로부터 나오는 광의 상당한 부분이 TIR에 의해 컵 벽들 쪽으로 의도적으로 반사되므로(따라서 확산되므로), LED 다이(GaN LED 가정)로부터의 청색 광은 형광체 광과 더 잘 혼합되어, 결과적인 빔은 그의 주변에 개선된 컬러 균일성을 가질 것이다. 빔은 일반적으로 직사각형일 것이며, 임의의 형광체 후광 효과가 감소되거나 제거된다. 작은 각도의 LED 다이 광 및 형광체 광이 컵 벽들에 의해 마찬가지로 내부 반사되고 재배향되므로, 빔은 잘 규정될 것이다. 어떠한 렌즈도 필요하지 않고 형광체 코팅이 치밀할 수 있으므로, 패키지는 매우 얕게 만들어 질 수 있다.
컵이 정사각형이기 때문에, 컵들의 어레이는 패키지들 사이에 작은 갭만이 있는 임의의 형상을 형성하도록 서로 근접하게 장착될 수 있다. 또한, 결과적인 복합 표면은 평탄할 것이다. 추가적으로, 이 평탄한 표면은 세정이 용이하고 미적으로 보기에 좋다. 형광체(YAG 황색 형광체를 가정)가 컵을 채우지 않기 때문에, 각각의 패키지의 중앙에 작은 황색 스폿만이 존재하는데, 이는 YAG 형광체로 채워지는 종래 기술의 컵들보다 더 미적으로 보기에 좋다. 추가적으로, 패키지의 어레이가 사용되는 경우 직사각형 빔들은 함께 잘 혼합된다. 반사성 컵들의 종래 기술의 원형 빔 방출들은 이러한 어레이에서 균일하게 혼합되지 않을 것이다.
컵은 플라스틱일 수 있고 리드 프레임 위에 몰딩되는데, 여기서 리드 프레임은 LED 다이 전극에 대한 결합 패드들을 컵의 중앙에 형성한다. 컵의 벽들은 금속 막이나 경면 또는 확산 층으로 코팅될 수 있다. 그러므로, 어떠한 하부 PCB도 필요하지 않아, 패키지는 최소 크기이다.
일 실시예에서, LED 다이는 약 0.5 내지 1㎜의 가로 폭 및 세로 폭을 갖고 이들 폭보다 작은 높이를 갖는다. 정사각형 컵의 높이는 형광체 코팅의 상부보다 약간 더 높을 수 있고 1㎜ 미만일 수 있다. LED 다이의 에지로부터 컵의 외측 에지까지의 거리는 약 1㎜ 이하일 수 있다. 컵의 평탄한 벽들은 근접한 LED 다이로부터 컵의 가장자리로 바람직하게는 33도의 각도로 상승한다.
추가적인 특징들 및 실시예들은 본 명세서에서 설명된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, LED 다이 전극들에 대한 결합 패드들이 도시된, 리드 프레임 위에 몰딩된 얕은 반사성 컵의 투시도이다.
도 2는 LED 다이가 컵 내에 장착된 후의 도 1의 컵을 예시한다.
도 3은 LED 다이 위의 형상추종적 형광체 층 및 패키지의 완성을 위해 투명한 캡슐화제로 채워진 컵을 예시하는, 도 2의 이등분 단면도이다.
도 4는 인쇄 회로 기판 또는 다른 기판에 결합을 위한 결합 패드를 도시하는 패키지의 보텀 업 도면(bottom up view)이다.
도 5는 LED 다이 및 형광체에 의해 방출되는 다양한 광선들을 예시하고, 1회는 TIR이고 나머지 1회는 컵의 벽으로부터의 반사인 최대 2회의 반사로 광이 패키지로부터 어떻게 나오는 지를 예시하는 도 3의 단면도이다.
도 6은 광 방출이 형광체로 채워지는 컵의 것보다 더 좁고 더 잘 규정되며 혼합되는 광이 더 양호한 컬러 균일성을 갖는, 근사 광 방출 프로파일을 도시하는 도 3의 단면도를 예시한다.
도 7은 복수의 정사각형 패키지(10)가 빔 전체에 걸쳐 균일한 컬러 및 휘도를 갖는 직사각형 빔을 생성하거나 효율적인 컬러 디스플레이를 생성하도록 공통 기판 상에 어레이 형태로 어떻게 장착되는 지를 예시한다.
도 8은 반사기가 원형 빔을 생성하기 위해 둥근 출사 개구를 갖는 패키지의 톱 다운 도면(top down view)이다.
도 9는 도 8의 패키지의 이등분 단면도이다.
동일 또는 유사 요소들에는 동일한 부호가 병기된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 반사성 컵 패키지(10)를 예시한다. 전형적으로, 구리 리드 프레임은 패키지(10)의 금속 패드들(12 및 14)을 형성하기 위해 시트로부터 스탬핑된다. 패키지들의 처리를 단순화하기 위해 함께 접속되는 리드 프레임들의 어레이가 존재할 수 있는데, 이들 리드 프레임은 개별 패키지(10)로의 처리 후에 분리된다.
구리 리드 프레임이 하부 LED 다이 전극들에 결합되는 영역은, 패드들(12 및 14)의 형성을 위해, 금, 니켈, 또는 합금들과 같은 적합한 금속으로 도금될 수 있다. 필요하다면, 금 볼, 땜납 습윤(solder wetting), 또는 다른 기법들이 다이 전극들에 대한 결합을 허용하는데 또한 이용될 수 있다. 전기적 접속에 이용되는 리드 프레임의 일부는, 접속이 납땜에 의한 것이든, 초음파 용접에 의한 것이든, 와이어 결합에 의한 것이든, 전도성 에폭시 등에 의한 것이든, 본 명세서에서는 결합 패드로서 지칭된다.
플라스틱 컵(16)은 리드 프레임 위에 몰딩된다. 동일한 플라스틱 컵이 어레이 내의 각각의 리드 프레임 위에 동시에 몰딩된다. 압축 몰딩 또는 사출 몰딩이 이용될 수 있다. 플라스틱은 열적 전도성인 것이 바람직하다. 플라스틱이 (그의 열 전도율 증가를 위한) 금속 입자들을 함유함으로 인해서 또한 전기적 전도성인 경우, 그 플라스틱과 접촉하는 리드 프레임의 부분은 패드들(12 및 14)이 서로 단락되는 것을 방지하기 위해 몰딩 단계들 전에 그 위에 형성되는 유전체 코팅을 갖는다.
컵(16)은 일반적으로 정사각형의 중앙 베이스(18), 정사각형의 외측 둘레, 정사각형의 구멍을 형성한다. 컵(16)의 내벽들(20)은 평탄하며, 약 33도의 각도로 베이스(18)로부터 가장자리로 연장된다. 33도가 바람직하지만, 빔의 원하는 형상에 따라 28도 내지 38도 또한 적합하다.
도 1은 위에 컵(16)이 장착되어 있으며, 그 컵(16)과 인쇄 회로 기판 사이의 인터포저(interposer)로서 작용하여 열을 분산시키는데 도움을 주는 기판(24)을 또한 예시한다. 기판(24)은 몰딩된 세라믹, 플라스틱, 또는 다른 열적 전도성 재료일 수 있다. 일 실시예에서, 기판(24)은 리드 프레임 위에 몰딩된 플라스틱 컵(16)의 일체 부분이어서 컵(16)의 일부로 간주된다. 대안적인 실시예에서는, 기판(24)이 제거될 수 있고, 리드 프레임이 회로 기판에 패키지(10)를 부착시키는데 이용될 수 있다.
컵(16)의 내벽들(20)은 알루미늄 또는 은과 같은, 예를 들어, 경면 반사성 금속의 반사성 막으로 코팅된다. 증발, 스퍼터링, 분무, 또는 다른 기술이 이용될 수 있다. 내벽들(20)은 LED 다이 광 및 형광체 광을 반사하거나 LED 광만을 반사하거나 형광체 광만을 반사하는 이색성 코팅(dichroic coating)과 같은 다른 유형의 막으로 대신 코팅될 수도 있다. 반사성 재료는 가장 좁은 빔에 대한 경면성일 수도 있고, 더 넓은 빔에 대한 (예를 들어, 백색 페인트를 사용하는 것에 의한) 확산성일 수 있다.
도 2는 컵(16)의 베이스에 장착된 LED 다이(26)를 예시한다. 예에서, LED 다이(26)는 GaN-계 플립 칩이며 청색 광을 방출한다. 다른 실시예에서, LED 다이(26)는 UV를 방출할 수 있고/있거나 플립 칩이 아니다. 상부에 1개 또는 2개의 전극들을 갖는 LED 다이들의 경우, 와이어는 그 전극(들)을 패드들(12/14)에 접속할 수 있으며, 패드들(12/14)은 LED 다이 풋프린트(footprint)를 넘어 연장할 것이다. LED 다이의 임의의 금속 열적 패드는 컵(16)의 베이스에 열적으로 결합된다.
LED 다이(26)는, 장착되기 전에, 도 3에 도시된, 형광체의 층(28)으로 코팅된다. 형광체(28)는 YAG와 같은 유형일 수 있으며, 여기서 형광체(28)를 통해 누설되는 청색 LED 다이 광과 황색-녹색 형광체 광은 조합되어 백색 광을 생성한다. 다른 또는 추가적인 형광체들이 더 따뜻한 백색을 포함한 상이한 컬러들을 생성하도록 이용될 수 있다. 형광체(28)는 전기이동(electrophoresis), 분무, 또는 임의의 다른 알려진 프로세스의 사용에 의해 LED 다이(26)를 형상추종적으로 코팅할 수 있다.
일 실시예에서, LED 다이(26)는 약 0.5 내지 1㎜의 가로 폭 및 세로 폭을 가지며, 이들 가로 폭 및 세로 폭보다 작은 높이를 갖는다. 정사각형 컵(16)의 베이스(18)로부터 상부 가장자리까지의 높이는 형광체(28)의 상부 표면의 높이보다 크고 1㎜ 미만일 수 있다. LED 다이(26)의 에지로부터 컵(16)의 외측 에지까지의 거리는 약 1㎜ 이하일 수 있다. 따라서, 전체 패키지(10)의 풋프린트는 폭당 3㎜ 미만일 수 있거나 풋프린트는 더 클 수 있다. 컵(16)의 높이 및 내벽(20)의 각도는 후술하는 바와 같이 최대 2회 반사되면서 사실상 모든 광이 패키지(10)로부터 나오게 하는데 필요한 정도로 결정된다.
기판(24)의 크기는 본 발명의 동작과 관련이 없으며, 전형적으로 컵(16)보다 약간 더 큰 풋프린트를 갖는다.
다른 실시예에서, 컵(16)은 별도로 형성되는 기판(24) 상의 패드들(12/14)을 노출하는 정사각형 개구부를 갖는다. 컵(16)은 기판(24)에 접착제로 부착된다.
도 3에 도시되는 바와 같이, 컵(16)은 그 다음 그의 상부 가장자리까지 (사선으로 도시한) 실리콘과 같은 투명한 캡슐화제(30)에 의해 실질적으로 채워지고, 여기서 캡슐화제(30)의 상부 표면은 평탄하고 평활하여 TIR을 촉진시킨다. 도 3은 캡슐화제(30)로 채운 후의 도 2의 이등분 도면이다. 캡슐화제(30)는 대략적으로 형광체(28)의 굴절률과 동일한 또는 형광체(28)와 공기 사이의 굴절률을 갖는다. 후술하는 바와 같이, 상대 굴절률은 중요한데, 그 이유는 평탄한 캡슐화제 표면에서의 TIR이 광을 혼합하고 내벽들(20)로부터 반사되는 광의 양을 증가시키는데 도움을 주도록 이용되기 때문이다.
도 3은 패드들(12/14)(도 1)로부터 기판(24)의 (도 4에 도시된) 하부 패드들(36/38)로 연장되는, 리드 프레임 위에 몰딩된 것의 일부일 수 있는, 전도성 비아(32 및 24)를 또한 도시한다. 도 3은 도 1의 패드들(12/14)에 전기적으로 접속되는 LED 다이(26)의 전극들(40/42)을 또한 도시한다.
LED 다이(26), 형광체(28), 및 캡슐화제(30)의 상대 굴절률은 LED 다이(26) 및 형광체(28)로부터 캡슐화제(30)로의 높은 광 추출 효율을 제공한다. 도 5는 LED 다이(26) 및 형광체(28)로부터 캡슐화제(30)로 방출되는 다양한 광을 예시한다.
LED 다이들의 활성 층으로부터의 청색 광선(44)은 캡슐화제(30)의 평탄한 광 출사 표면(46)에 대해 실질적으로 수직하게 LED 다이(26)의 상부 표면으로부터 방출되는 것으로 도시된다. 따라서, TIR이 없다. 형광체(28)(YAG라고 가정)로부터의 황색 광선(47)은 표면(46)에 대해 수직으로 방출되는 것으로 도시되며 백색 광을 생성하도록 청색 광선(44)과 혼합된다.
또 다른 청색 광선(48)은 표면(46)에 (임계각 아래의) 작은 각도로 충돌하며 스넬의 법칙(Snell's law)에 따라 내부 반사된다. 이 청색 광선(48)은 그 다음 경면 반사성 내벽(20)에 의해서 상방으로 반사된다. 반사되는 광선(48)의 각도는, 내벽(20)의 각도에 의해 결정되는 바와 같이, 크며, 임의의 더 이상의 TIR 없이 캡슐화제(30)를 탈출한다. 형광체(28)(YAG라고 가정)의 측면으로부터 나오는 황색 광선(49)은 내벽(20)으로부터 직진 반사되며 백색 광을 생성하도록 청색 광선(48)과 혼합된다.
형광체(28)로부터의 또 다른 황색 광선(50)은 작은 각도로 또한 방출되고 표면(46)에서 내부 반사된다. 이 광선(50)은 청색 광선(48)과 유사하게 작용하며 최대 2회 반사 후에 방출된다.
작은 각도의 다른 청색 및 황색 광선들은 표면(46)에서 내부 반사되며 캡슐화제(30) 내에서 그리고 내벽들(20)에서 혼합된다. 따라서, 캡슐화제(30)는 혼합기로서 작용하며, 내벽들(20)로부터 반사되는 혼합되는 광은 상당히 균일한 백색이다. 표면(46)이 돔형이거나 홈형인 경우, LED 다이(26)의 상부 표면으로부터 직진 출사되는 광이 더 많을 것이고, 패키지로부터 방출되는 광이 황색 후광을 갖는 형광체 후광 효과가 더 클 것이다.
광이 LED 다이(26)를 에워싸게 잘 혼합되지만, 표면(46)으로부터 직진 출사되는 청색 광선(44)은 패키지의 중앙에 더 푸른 스폿(bluer spot)이 있게 한다. 그러나, 이 청색 광은 멀리 떨어진 곳에서 다른 광과 혼합되어 상당히 균일한 정사각형 형상의 빔을 생성한다.
형광체(28)의 상부 위에 있는 캡슐화제(30)의 높이는 내부 반사되는 광선들(예들 들어, 광선(50 및 48))이 형광체(28) 또는 LED 다이(26)에 의해 흡수되지는 않고 내벽들(20) 상에는 충돌할 수 있을 정도로 충분해야 할 것이다.
이상적인 패키지(10)는 최대 2회 반사 후에 광이 출사되게 하는 것이지만, LED 광 및/또는 형광체 광의 작은 부분이 입사 각으로 완벽하게 반사되지 못하게 할 수 있는 실제 제품의 재료 또는 표면에 결함이 있을 수 있다. 그러므로, LED 광 및/또는 형광체 광의 작은 부분은 3회 이상 반사 후에 출사될 수 있다.
바람직한 실시예에서는 어떠한 렌즈들도 이용되지 않는데, 그 이유는 컵(16)이 원하는 발광 프로파일을 갖도록 빔을 형상화하고 광 추출 효율을 증가시키기 위해 렌즈가 필요하지 않기 때문이다. 임의의 렌즈는 패키지의 높이에 크게 추가될 것이다.
컵(16)은, TIR이 캡슐화제(30)의 두께에 관계없이 표면(46)에서 여전히 수행될 것이기 때문에, (형광체(28) 상부 표면보다 약간 더 높은 정도로) 매우 얕을 수 있다.
종래 기술의 반사성 컵에서, 액체 형광체 캡슐화제는 컵을 완전히 채우고 나서 경화된다. 형광체 분말에 대한 투명 결합제는 형광체 혼합물의 상당한 양을 이룬다. 형광체 혼합물은 원하는 전체적인 컬러를 달성하기 위해 요구되는 형광체 분말의 두께를 달성하기 위해 LED 다이에 비해 상당히 두꺼워야 한다. 그러므로, 종래 기술의 컵은 상당히 깊어야 했다. 도 5의 실시예에서, 형광체(28)는 결합제와 혼합될 필요가 없으며 상대적으로 치밀하고 얇기 때문에, 형광체(28)의 층은 종래 기술의 컵 내의 형광체 "그푸(goop)"보다 훨씬 얇다. 형광체(28) 위의 캡슐화제(30)의 높이는 원하는 TIR을 달성하면서 최소로 될 수 있기 될 수 때문에, 컵(16)은 매우 얕을 수 있다. 따라서, 패키지(10)는 컵 내의 형광체 "구프"를 이용하는 종래 기술의 패키지보다 더 얇다.
도 6은 패키지의 광 방출 프로파일(50)의 단면을 예시한다. 프로파일(50)은 반사성 컵이 형광체로 완전히 채워지는 패키지의 것보다 훨씬 더 좁은데, 그 이유는, 도 6의 실시예에서, 작은 각도의 임의의 형광체 및 LED 다이 방출이 TIR에 의해 내부 반사되고 나서 내벽(20)에 의해서 상방으로 반사되기 때문이다. 프로파일(50)은 일반적으로 정사각형 형상의 수평 단면을 갖는다.
애플리케이션에 따라, 하부 패드들(36/38)(도 4)은 LED 다이(26)에 전력을 공급하기 위해 인쇄 회로 기판(PCB) 또는 다른 기판 상의 금속 패드들에 납땜될 수 있다.
도 7에 도시되는 바와 같이, 각각의 패키지(10)의 평탄한 정사각형 형상은 공통 기판(54) 및 LED 다이들 상에 장착될 패키지(10)들의 어레이가 선택적으로 구동되거나 함께 구동될 수 있게 한다. 각각의 패키지(10)는 정사각형 빔을 방출하기 때문에, 빔들은 종래 기술의 원형 빔들과는 대조적으로 균일하게 중첩된다. 패키지(10)들의 각각의 사이에는 단지 작은 갭만이 존재한다. 따라서, 매우 밝은 정사각형의 균일한 빔이 생성될 수 있다. 또한, 패키지(10)의 상부 표면은 평탄하기 때문에, 그것은 스마트폰과 같은 제품의 평탄한 외측 표면의 일부를 형성할 수 있고, 미적으로 보기 좋을 수 있다. 직사각형 컵 가장자리는, 빔의 원하는 특성에 따라, 정사각형이 아닐 수 있다.
패키지(10)가 카메라용 플래시로서 이용되는 경우, 컵(16)의 폭들의 길이는 대상물에 투영되는 유용한 광을 최대화하기 위해 화상 종횡비와 동일한 종횡비를 생성하도록 조정될 수 있다. 이러한 경우, 컵은 정사각형이 아닐 것이다.
어레이의 모든 패키지들이 동일한 컬러 광(예를 들어, 백색 광)을 방출하는 대신에, 패키지들은 RBG 픽셀들을 형성하기 위해 청색 광, 녹색 광, 및 적색 광을 방출할 수 있으며, 여기서 상이한 패키지들 내의 LED 다이들은 픽셀들 사이의 최소 거리를 갖는 컬러 디스플레이를 생성하도록 선택적으로 구동될 수 있다. 일 실시예에서, 모든 LED 다이들은 UV 또는 청색 광을 방출하며, 상이한 컬러들은 상이한 형광체들에 의해서 얻어진다. 다른 실시예에서, 상이한 컬러들은 LED 다이들 내의 상이한 활성 층들에 의해서 얻어진다. 다른 실시예에서는, 형광체-변환형 LED 및 비-형광체-변환형 LED들의 혼합물이 존재한다.
LED 다이(26)로부터의 열은 LED 다이(26) 위의 공기, 리드 프레임, 플라스틱 컵(16), 기판(24), 및 PCB의 조합에 의해서 제거된다.
다른 실시예에서, 컵(16)은, 시트로부터 스탬핑되는, 알루미늄과 같은, 반사성 금속의 고체 조각이다. 이런 식으로, 컵(16)의 내측 가장자리들은 LED 다이로부터의 어떤 광도 반사하지 않도록 하는 나이프 에지(knife edge)들일 수 있다. 컵(16)은 에폭시 또는 실리콘을 이용하는 것에 의해 기판(24)에 부착될 수 있다.
도 1 내지 도 7은 일반적으로 직사각형의 빔을 방출하는 패키지를 설명한다. 일부 경우들에서는, 원형 빔을 방출하는 것이 바람직하다. 도 8은 반사성 컵(60)이 원형 빔을 생성하기 위해 둥근 출사 개구를 갖는 패키지(58)의 톱 다운 도면(top down view)이다.
도 9는 도 8의 패키지(58)의 이등분 단면도이다.
기판(24) 및 LED 다이(26)는 도 1 내지 도 3의 것들과 동일할 수 있다. 반사성 컵(60)은 플라스틱으로부터 몰딩될 수 있고, 반사성 표면(62)은 전술한 바와 동일한 반사성 층일 수 있다. 대안적으로, 컵(60)은 반사성 금속 시트로부터 스탬핑된다. 도 1 내지 도 7의 패키지에서와 같이, 기판(24) 및 컵(60)은 리드 프레임 위에 몰딩되는 단일의 일체형 플라스틱 부재일 수 있거나, 분리된 부재들일 수 있다. 얕은 컵(60)은, 원하는 TIR을 제공하도록 선택되는 굴절률을 갖는, 실리콘과 같은 투명한 캡슐화제(64)로 채워진다. 임계각 아래의 LED 다이(26) 및 형광체(28)로부터의 광선들(66)은 캡슐화제의 상부 표면으로부터 컵(60)의 벽들을 향해 반사되며 상방으로 재배향되어 추가의 TIR 없이 캡슐화제(64)를 나오게 된다. 따라서, 도 1 내지 도 7의 실시예들에서와 같이, 광이 패키지로부터 나오기 전에 패키지 내에서 최대 1회의 TIR 및 패키지 내에서 최대 1회의 컵 반사가 존재한다.
본 발명의 특정 실시예들을 도시하고 설명하였지만, 본 발명의 넓은 관점에서 본 발명을 벗어나지 않는 변경들 및 수정들이 만들어질 수 있으므로, 본 발명의 진정한 사상 및 범위 내에 속하는 그러한 모든 변경들 및 수정들을 첨부 청구항들이 그들 청구항의 범위 내에 포괄하고자 함은 본 기술분야의 통상의 기술자들에게는 명백할 것이다.

Claims (14)

  1. 발광 디바이스로서,
    베이스 및 상기 베이스의 하나 이상의 외측 에지로부터 구멍까지 상방으로 연장되는 반사성 표면들을 갖는 반사성 컵 - 상기 반사성 표면들은 상기 베이스의 반대 방향으로 경사짐 -;
    상기 컵의 중앙 부분에 장착되고 제1 파장의 제1 광을 방출하는 발광 다이오드(LED) 다이;
    상기 LED 다이를 형상추종적으로(conformally) 덮는 형광체 코팅(phosphor coating) - 상기 형광체 코팅은 상기 반사성 표면들에 접촉하는 외측 표면을 가짐 -; 및
    적어도 상기 형광체 코팅의 제1 표면을 덮도록 상기 컵을 채우는 투명한 캡슐화제를 포함하고, 상기 캡슐화제는 상기 LED 다이의 제1 표면에 실질적으로 평행한 평탄한 표면을 갖고,
    상기 형광체 코팅은 상기 제1 광의 일부분을 흡수하고 제2 파장의 제2 광을 방출하고,
    상기 캡슐화제는, 상기 형광체 코팅에 의해 흡수되지 않은 상기 제1 광의 적어도 일부분 및 상기 제2 광의 적어도 일부분이 임계각보다 작은 각도로 상기 평탄한 표면에서의 공기-캡슐화제 계면(air-encapsulant interface)에 입사하고 상기 반사성 표면들 중 적어도 하나를 향하는 방향으로 제1 반사 광으로서 내부 전반사되도록 배열되고,
    상기 반사성 표면들 중 적어도 하나는 상기 제1 반사 광을 상기 공기-캡슐화제 계면을 통과하는 방향으로 제2 반사 광으로서 반사하는 발광 디바이스.
  2. 제1항에 있어서, 상기 반사성 컵은 정사각형 형상의 외측 둘레를 갖는 발광 디바이스.
  3. 제1항에 있어서, 상기 반사성 표면들은 상기 반사성 컵의 코팅을 포함하는 발광 디바이스.
  4. 제1항에 있어서, 상기 LED 다이는 청색 광을 방출하고, 상기 형광체 코팅은 상기 청색 광과 결합될 때에 백색 광을 생성하는 광을 방출하는 발광 디바이스.
  5. 제1항에 있어서, 상기 형광체 코팅에 의해 흡수되지 않은 상기 제1 광의 상기 적어도 일부분 및 상기 제2 광의 상기 적어도 일부분은 최대 상기 공기-캡슐화제 계면으로부터의 1회의 반사 및 상기 반사성 표면들 중 적어도 하나로부터의 1회의 반사 후에 상기 캡슐화제로부터 나오는 발광 디바이스.
  6. 제1항에 있어서, 상기 반사성 표면들은 금속 막을 포함하는 발광 디바이스.
  7. 제1항에 있어서, 상기 반사성 컵은 리드 프레임 주위에 몰딩된 플라스틱을 포함하는 발광 디바이스.
  8. 제1항에 있어서, 상기 반사성 표면들은 확산성 재료를 포함하는 발광 디바이스.
  9. 제1항에 있어서, 상기 반사성 표면들은 반사성 금속을 포함하는 발광 디바이스.
  10. 제1항에 있어서, 상기 반사성 표면들의 경사는 33도인 발광 디바이스.
  11. 제1항에 있어서, 상기 형광체 코팅은 투명 결합제 없이 형광체 분말을 포함하는 발광 디바이스.
  12. 제1항에 있어서, 상기 발광 디바이스는 LED 다이에 대한 완성된 패키지를 형성하는 발광 디바이스.
  13. 제1항에 있어서, 상기 반사성 컵의 높이는 1㎜ 미만인 발광 디바이스.
  14. 제1항에 있어서, 상기 LED 다이의 에지로부터 상기 컵의 외측 에지까지의 거리는 1㎜ 이하인 발광 디바이스.
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