KR20210070929A - 모놀리식 다중 초점 광원 디바이스 - Google Patents

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Abstract

광 디바이스 어셈블리와 모놀리식 렌즈를 포함하는 광원 디바이스다. 광 디바이스 어셈블리는 대향하는 상부 및 하부 표면을 갖는 제1 기판 및 상부 표면에 형성된 복수의 캐비티를 포함하고, 복수의 캐비티 중 하나에 적어도 부분적으로 각각 배치되고 각각 발광 디바이스 및 전기 접점을 포함하는 복수의 광원 칩, 및 각각이 상부 표면과 하부 표면 사이에서 연장되고 각각 전기 접점 중 하나에 전기적으로 연결된 복수의 전극을 포함한다. 모놀리식 렌즈는 제1 기판의 상부 표면 위에 배치되고, 광원 칩 중 하나 위에 각각 배치된 복수의 렌즈 세그먼트를 갖는 단일 기판을 포함한다.

Description

모놀리식 다중 초점 광원 디바이스{MONOLITHIC MULTI-FOCUS LIGHT SOURCE DEVICE}
본 발명은 모바일 디바이스에서 사용하기 위한 발광 디바이스에 관한 것이다.
본 발명은 초소형 광학 디바이스 및 초소형 광학 디바이스용 통합 광학 컴포넌트의 제조 방법에 관한 것이다. 특히 초소형 광원 디바이스는 휴대폰과 같은 다양한 응용 분야에서 사용된다. 그러나 초소형 광원 디바이스를 설계하고 제조하는 것은 이러한 디바이스에 사용되는 초소형 컴포넌트를 통합하는 것과 관련된 복잡성 때문에 어렵다. 선행 기술 솔루션은 비용이 많이 들고 원하는 수준의 크기 스케일링이 불가능하며 성능이 저하되는 복잡한 다중 렌즈 솔루션을 포함한다.
본 발명은 더 나은 성능을 나타내고, 더 나은 크기 스케일링을 제공하고, 생산 비용을 낮추고, 당 업계에서 현재 이용 가능한 것보다 더 간단한 솔루션을 제공하는 새로운 컴포넌트 및 구성과 종래의 구조를 함께 결합함으로써 이러한 문제를 해결한다.
전술한 문제점과 요구는 광 디바이스 어셈블리와 모놀리식 렌즈를 포함하는 광원 디바이스에 의해 해결된다. 광 디바이스 어셈블리는 대향하는 상부 및 하부 표면을 갖는 제1 기판 및 상부 표면에 형성된 복수의 캐비티, 각각이 복수의 캐비티 중 하나에 적어도 부분적으로 배치되고 각각 발광 디바이스 및 전기 접점을 포함하는 복수의 광원 칩, 및 상부 표면과 하부 표면 사이에서 각각 연장되고 각각이 전기 접점 중 하나에 전기적으로 연결되는 복수의 전극을 포함한다. 모놀리식 렌즈는 각각이 제1 기판의 상부 표면 위에 배치되고, 광원 칩 중 하나 위에 배치된 복수의 렌즈 세그먼트를 갖는 단일 기판을 포함한다.
본 발명의 다른 목적 및 특징은 명세서, 청구 범위 및 첨부된 도면을 검토함으로써 명백해질 것이다.
도 1a-1i는 광 디바이스 어셈블리를 형성하는 단계를 예시하는 측 단면도이다.
도 2는 광 디바이스 어셈블리의 평면도이다.
도 3은 광 디바이스 어셈블리의 저면도이다.
도 4a-4k는 렌즈 어셈블리를 형성하는 단계를 예시하는 측 단면도이다.
도 5a 및 5b는 렌즈 어셈블리의 측 단면도 및 평면도이다.
도 6은 다양한 렌즈 세그먼트 디자인을 갖는 렌즈 어셈블리의 측 단면도이다.
도 7a-7f는 회절 렌즈 어셈블리를 형성하는 단계를 예시하는 측 단면도이다.
도 8a-8b는 광원 디바이스를 형성하는 단계를 나타내는 측 단면도이다.
도 9는 두께가 다른 광원 칩 및/또는 그 접착층을 나타내는 측 단면도이다.
도 10은 광원 디바이스의 제1 대안적인 실시예의 측 단면도이다.
도 11은 광원 디바이스의 제2 대안적인 실시예의 측 단면도이다.
도 12a-12b는 광원 디바이스의 제3 대안적인 실시예의 측 단면도이다.
도 13a-13e는 제3 대안적인 실시예를 위한 렌즈를 형성하는 단계를 예시하는 측 단면도이다.
도 14는 광원 디바이스의 제4 대안적인 실시예의 측 단면도이다.
본 발명은 단일 패키지에 함께 통합된 다중 광원 칩을 위한 다중 렌즈 세그먼트를 갖는 모놀리식(monolithic) 렌즈를 갖는 광원 디바이스다. 도 1a-1i는 복수의 광원 디바이스가 장착된 기판을 형성하는 단계를 도시한다. 프로세스는 실리콘 기판(10)을 제공함으로써 시작된다. 실리콘 웨이퍼 박막화는 기계적 연마, 화학적 기계적 연마(CMP), 습식 에칭, 대기 다운스트림 플라즈마(ADP), 건식 화학적 에칭(DCE), 또는 전술한 프로세스의 조합 또는 다른 적절한 실리콘 박막화 방법(들)에 의해 기판(10)에서 수행될 수 있다. 이 단계는 바람직하게는 실리콘 기판(10)의 두께를 약 50 ㎛ 내지 500 ㎛의 범위로 감소시킨다. 절연층(12)은 실리콘 기판(10)의 하부 표면(10b) 상에 형성된다. 절연층(12)의 재료는 이산화규소(이하 "산화물") 또는 질화규소(이하 "질화물")일 수 있다. 바람직하게는 절연층(12)의 두께는 0.5㎛보다 크다. 절연층(12)은 화학 기상 증착(CVD), 플라즈마 강화 화학 기상 증착(PECVD), 스핀 및 스프레이 코팅 또는 이들의 조합에 의해 형성될 수 있다. 포토 레지스트(14)는 기판(10)의 상부 표면(10a) 상에 형성되고, 마스크를 사용하여 선택적으로 조명되고, 현상되어 포토 레지스트(14)의 일부가 선택적으로 제거된다. 포토 레지스트 형성, 조명 및 선택적 제거는 층 또는 구조의 일부 부분을 선택적으로 덮고 다른 부분은 노출된 채로 두는 잘 알려진 포토리소그래피 마스킹 기술이다. 결과 구조는 도 1a에 도시되어 있다.
그 후, 포토 레지스트(14)에 의해 노출된 기판(10)의 부분에 대해 하나 이상의 실리콘 에칭이 수행되어, 도 1b에 도시된 바와 같이, 기판(10)의 상부 표면(10a)에 캐비티(16)을 형성(상부 표면(10a)에서 기판으로 연장되지만 기판의 하부 표면(10b)에 도달하지 않음) 하고 홀(18)을 형성(기판(10)을 관통하여 연장됨)한다. 캐비티(16) 및 홀(18)은 대기 다운스트림 플라즈마(ADP), 건식 및 습식 화학 에칭, 또는 에칭 프로세스의 임의의 다른 조합을 사용하여 형성될 수 있다. 캐비티(16) 및 홀(18)을 형성하기 위한 단일 마스킹 단계가 도시되어 있지만, 캐비티(16) 및 홀(18)을 개별적으로 형성하기 위해 다중 마스킹 단계가 사용될 수 있다. 홀(18)의 벽은, 그럴 필요는 없지만, 바람직하게는 기판(10)의 상부 및 하부 표면에 수직이다. 포토 레지스트 제거 후, 절연층(20)은 기판의 상부 표면(10a)과 캐비티(16) 및 홀(18)의 표면을 포함하는 기판(10)의 노출된 표면에 형성된다. 절연층(20)이 산화물, 질화물, 폴리머(polymer), 폴리이미드(polyimide) 또는 이들 재료의 조합으로 만들어질 수 있다. 절연층(20)의 두께는 바람직하게는 0.5㎛보다 크고, 화학 기상 증착(CVD), 플라즈마 강화 화학 기상 증착(PECVD), 스핀 및 스프레이 코팅 또는 이들의 조합에 의해 형성될 수 있다. 그 다음, 홀(18)은 예를 들어 Cu, Al, Ti, Cr, Ni 또는 이들의 조합과 같은 전도성 재료(22)로 채워진다. 전도성 재료(22)는 금속 스퍼터링, 도금, 전도성 페이스트로 충전 또는 이들의 조합에 의해 형성될 수 있다. 각각의 홀(18) 내의 전도성 재료는 기판(10) 전체를 통해 연장되는 전도성 전극(22)을 형성한다. 결과적인 구조는 도 1c에 도시된다.
접착층(24)이 캐비티(16)의 하부 표면 상에 형성된다. 그 후 광원 칩(26)이 캐비티(16)에 배치되고 접착층(24)에 의해 제자리에 고정된다. 광원 칩(26)은 바람직하게는 발광 다이오드 LED와 같은 발광 디바이스(28) 및 발광 디바이스(28)에 전력을 공급하기 위해 광원 칩(26)의 상부 표면에 있는 전기 접점(30)을 포함하는 발광 반도체 디바이스다. 발광 디바이스(28)는 또한 광원 칩(26)의 활성 영역으로 지칭될 수 있다. 그러나, 발광 디바이스(28)는 수직 캐비티 표면 광방출 레이저(vertical cavity surface emitting laser)(VCSEL)와 같은 임의의 적절한 광 생성 요소일 수 있다. 절연층(32)(예를 들어, 산화물, 질화물, 폴리머, 폴리이미드 등, 바람직하게는 두께가 0.5μm 이상)이 상부 기판 표면(10a) 위에 형성되고, 포토리소그래피 마스킹 단계를 사용하여 패턴화되어 절연층(32)의 일부를 제거하여 (포토 레지스트 제거 후) 도 1d에 도시된 바와 같이 전기 접점(30) 및 발광 디바이스(28) 및 홀(18)의 전극(22)의 상부를 노출시킨다. 포토 레지스트는 상부 기판 표면(10a) 위에 형성되고, 포토리소그래피 마스킹 단계를 사용하여 패턴화되어 홀(18)에 있는 전극(22)의 상부를 노출시키기 위해 포토 레지스트의 일부를 제거한다. 전도성 물질(예를 들어, Cu, Al, Ti, Ni, Cr 등)은 (포토 레지스트 제거 후) 도 1e에 도시된 바와 같이 전도성 결합 패드(34)를 형성하기 위해 전극(22)의 노출된 상부에 형성된다. 절연층(36)(예를 들어, 산화물, 질화물, 폴리머, 폴리이미드 등, 바람직하게는 두께가 0.5㎛ 이상)이 하부 기판 표면(10b) 위에 형성되고, 포토리소그래피 마스킹 단계를 사용하여 패턴화되어 절연층(36)의 일부를 제거하여 홀(18) 내의 전극(22)의 하부를 노출시킨다. 전도성 물질(예를 들어, Cu, Al, Ti, Ni, Cr 등)은 (포토 레지스트 제거 후) 도 1f에 도시된 바와 같이 전도성 결합 패드(35)를 형성하기 위해 전극(22)의 노출된 하부 상에 형성된다. 결합 패드(34 및 35)의 형성은 재료 증착에 이어 포토리소그래피 마스킹 단계 및 에칭을 사용하여 증착된 재료의 선택적 제거에 의해 수행될 수 있다.
절연층(38)(예를 들어, 산화물, 질화물, 폴리머, 폴리이미드 등, 바람직하게는 두께가 0.5㎛ 이상)이 절연층(36) 상에 형성되고 이어서 포토리소그래피 마스킹 단계를 사용하여 패턴화되어 결합 패드(35) 및 결합 패드(35)에 인접한 절연층(36)의 일부가 노출된다. 이어서 (예를 들어, 재료 증착 및 선택적 포토리소그래피 마스킹 단계 제거에 의해) 노출된 결합 패드(35) 및 절연층(36)의 노출된 부분 상에 전도성 재료(예를 들어, Cu, Al, Ti, Ni, Cr 등)가 형성되어 (포토 레지스트 제거 후) 도 1g에 도시된 바와 같이 재배선 리드(40)를 형성한다. 절연층(42)(예를 들어, 산화물, 질화물, 폴리머, 폴리이미드 등, 바람직하게는 두께가 0.5㎛ 이상)이 절연층(38) 및 리드(40) 상에 형성되고, 리드(40)의 일부를 노출시키기 위해 포토리소그래피 마스킹 단계를 사용하여 패턴화 된다. 솔더 볼 커넥터(44)는 (포토 레지스트 제거 후) 도 1h에 도시된 바와 같이 리드(40)의 노출된 부분 위에 형성된다. 솔더 볼 커넥터(44)(일반적으로 볼 그리드 어레이(BGA)라고도 함)는 인쇄 프로세스 또는 볼 부착 프로세스를 사용하여 형성될 수 있으며, Pb, Sn, SnCu 또는 임의의 다른 솔더 재료 조합으로 형성될 수 있다. 솔더 볼 커넥터(44)는 (결합 패드(35) 및 리드(40)를 통해) 기판(10)을 통해 연장되는 전극(22)을 위한 재라우팅 된 접점으로서 작용한다.
와이어(46)는 도 1i에 도시된 바와 같이 광원 전기 접점(30)과 결합 패드(34) 사이에 연결된다. 와이어(46) 용 재료는 Cu, Ag, Au 또는 임의의 다른 적절한 재료(들)일 수 있다. 와이어(46)는 와이어(46), 결합 패드(34), 전극(22), 결합 패드(35), 리드(40) 및 BGA(44)를 통한, 각 광원 전기 접점(30)으로부터의 전기 경로의 일부이다. 이 지점에서, 구조는 싱귤레이션(다이싱) 될 수 있으며, 여기서 구조는 다이싱 라인 DL을 따라 다이싱되어 도 1i에 도시된 바와 같이 광 디바이스 어셈블리(48)를 형성한다. 컴포넌트의 기판 싱귤레이션/다이싱은 기계식 블레이드 다이싱 장비, 레이저 절단 또는 기계 및 레이저 프로세스의 다른 조합으로 수행될 수 있다. 결과적인 광 디바이스 어셈블리(48)가 단지 하나의 광원 칩(26) 또는 복수의 광원 칩(26)을 포함하도록 다이싱이 수행될 수 있다. 또한, 광 디바이스 어셈블리(48)상의 광원 칩(26)의 방향은 원하는 광 출력에 따라 변할 수 있다. 예를 들어, 도 2는 삼각형으로 이격된 관계로 배치된 3 개의 광원 칩(26)을 포함하는 광 디바이스 어셈블리(48)의 평면도이다. 광원 칩(26)의 수 및 위치는 특정 설계 사양에 따라 달라질 수 있다. 도 3은 솔더 볼 커넥터(44)가 전기적으로 연결된 전기 접점(30)보다 더 균일하게 이격된 분포로 배열되는 도 2의 광 디바이스 어셈블리(48)의 저면도이다.
도 4a-4k는 전술한 광 디바이스 어셈블리(48)를 위한 모놀리식 다중 초점 렌즈를 형성하는 단계를 도시한다. 프로세스는 도 4a에 도시된 바와 같이 완성된 렌즈의 원하는 형상과 매치하는 패턴으로 형상화 된 상부 표면(52a)을 갖는 제1 마스터 몰드(52)로 시작한다. 마스터 몰드(52)는 당 업계에 알려진 포토리소그래피 및 에칭 기술, 또는 기계적 다이아몬드 공구 패턴화를 사용하여 형성될 수 있다. 금속층(54)은 바람직하게는 (이후에 형성된 폴리머가 마스터 몰드 상부 표면(52a)에 달라 붙는 것을 방지하기 위해) 마스터 몰드(52)의 형상화 된 상부 표면(52a) 상에 형성된다. 폴리머 층(56)이 금속층(54) 상에 형성되고, 접착층(58)이 폴리머 층(56) 상에 형성된다. 캐리어 몰드(60)는 접착제(58)에 의해 폴리머 층(56)에 장착된다. 폴리머 층(56)은 바람직하게는 수지, 폴리 디메틸실록산(polydimethylsiloxane)(PMDS), 사이클로-올레핀(cyclo-olefin) 폴리머(COP), 폴리메틸 메타크릴레이트(polymethyl methacrylate)(PMMA) 또는 임의의 다른 적절한 재료로 제조된다. 접착층(58)은 바람직하게는 광학적으로 투명한 또는 UV 경화성 재료로 제조된다. 캐리어 몰드(60)는 연질 몰드 또는 금속 몰드일 수 있다. 폴리머 층(56)은 도 4b에 도시된 바와 같이 열 경화 또는 광 경화에 의해 설계된 패턴으로 고정될 수 있다.
마스터 몰드(52) 및 금속층(54)이 제거되어 도 4c에 도시된 바와 같이 상부 렌즈 복제 어셈블리(62)가 남는다. 하부 렌즈 복제 어셈블리(64)(렌즈의 원하는 하부 표면과 매치하는 표면 곡률을 갖는 폴리머 층(56)을 가짐)는 상부 렌즈 복제 어셈블리(62)와 동일한 방식으로 형성되고, 이는 도 4d에 도시된다. 도 4e에 도시된 바와 같이, 폴리머 층(66)은 상부 및 하부 렌즈 복제 어셈블리(62/64) 중 하나 상에 도포되고, 그 다음 스탬퍼 어셈블리(68)에 장착되고, 이에 의해 이들은 서로 마주 보게 배치되고 정렬된다. 폴리머 층(66)은 노즐로부터 도포되고 설계된 두께로 늘려질 수 있다. 폴리머 층(66)은 바람직하게는 수지, 폴리디메틸실록산(PMDS), 사이클로-올레핀 폴리머(COP), 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA) 또는 렌즈 재료로서 적절한 임의의 다른 투명 재료(들)이다. 접촉 정렬기, 근접 정렬기, 스캐닝 투영 정렬기 또는 다른 적절한 정렬 방법(들)을 사용하여 복제 어셈블리(62/64)를 서로 정렬할 수 있다. 도 4f와 같이, 스탬퍼 어셈블리(68)는 폴리머 층(66)이 어셈블리(62/64)의 폴리머 층(56)의 형상을 따르도록 (그리고 경화되도록) 원하는 압력과 원하는 온도에서 복제 어셈블리(62/64)를 가압한다. 이 가압 프로세스는 단일 단계로 수행될 수 있으며, 또는 한 번에 복제 어셈블리(62/62) 중 하나에만 압력을 가하는 별도의 여러 단계로 수행될 수 있을 것이다. 도 4g에 도시된 바와 같이, 그 다음 폴리머 층(66)이 (원하는 상부 및 하부 형상 표면(66a/66b)을 갖는 단일 기판으로서) 추출된다. 도 4h의 평면도에 도시된 바와 같이, 단일 렌즈 기판(66)에 다수의 렌즈 형상이 형성될 수 있으며, 이는 아래에 더 상세히 설명되는 개별 렌즈 각각이 복수의 렌즈 세그먼트(84)를 포함하는, 복수의 개별 렌즈를 형성하기 위해 추후 다이싱/싱귤레이팅 된다.
금속층(70)은 렌즈 기판(66)의 상부 및 하부 표면(66a/66b) 모두에 형성되고, Cu, Ti 및 Al 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 그 후 상부 표면(66a)상의 금속 층(70)은 패턴화(예를 들어, 포토리소그래피 마스킹 단계 및 금속 에칭)되어 하부 렌즈 기판(66)의 일부를 노출시키는 금속 층(70)의 개구(70a)를 생성한다. 필터 재료 층(72)은 렌즈 기판(66)의 노출된 부분 상에 형성된다. 필터 재료는 바람직하게, 화학 기상 증착(CVP), 이온 빔 보조 증착 또는 임의의 다른 적절한 증착 방법(들)에 의해 형성될 수 있는 플루오르화 마그네슘(MgF1), N-BK7 또는 카드뮴 텔루라이드(CdTe)와 같은 적외선을 필터링하는 재료이다. 결과 구조는(포토리소그래피 마스킹 단계에 사용된 포토 레지스트 제거 후) 도 4i에 도시된다. 하부 표면(66b)상의 금속 층(70)은 그 후 패턴화(예를 들어, 포토리소그래피 마스킹 단계 및 금속 에칭)되어 하부 렌즈 기판(66)을 노출시키는 개구(70a)를 생성한다. 포토 레지스트 제거 후, 도 4j에 도시된 바와 같이, 반사 방지 재료층(AR 코팅(74))이 금속층(70)의 개구 부분(70a)에서 렌즈 기판(66)의 노출된 부분을 직접 포함하여 하부 표면(66a) 위에 형성된다. 하나 이상의 렌즈가 동시에 형성되는 경우, 렌즈 기판(66)은 예를 들어 도 4j의 다이싱 라인(76)에서 원하는 크기 및 형상으로 다이싱/싱귤레이팅 될 수 있다. 다이싱/싱귤레이팅 된 렌즈 기판(66)은 접착제(80)를 사용하여 렌즈 홀더(78)에 장착될 수 있다. 바람직하게는, 렌즈 홀더(78)는 불투명 실리콘과 같은 불투명 재료로 만들어진다. 최종적으로 완성된 렌즈 어셈블리(82)가 도 4k에 도시되어 있다.
도 5a 및 5b는 완성된 렌즈 어셈블리(82)의 측면도 및 평면도이다. 이 비 제한적인 예에서, 렌즈 기판(66)은 단일(연속적)이고 3 개의 렌즈 세그먼트(84)를 갖는다. 그러나, 렌즈 어셈블리(82) 내의 렌즈 세그먼트(84)의 수는 변할 수 있다. 렌즈 어셈블리(82)의 모든 렌즈 세그먼트(84)는 동일한 초점 특성(즉, 초점 거리, 광학 초점/분산 특성 등)을 갖는 것으로 도시되어 있다. 그러나, 동일한 렌즈 어셈블리(82)에서 렌즈 세그먼트 사이의 초점 특성은 다를 수 있다. 예를 들어, 도 6은 렌즈 세그먼트(84)의 형상 및 이로 인한 초점 특성이 서로 다른 렌즈 기판(66)을 도시한다. 각 렌즈 세그먼트(84)의 개구(70a)는 광이 렌즈 세그먼트를 통과하게 한다.
도 7a-7f는 전술한 모놀리식 다중 초점 렌즈(82) 및 다중 광원 디바이스 기판(10)을 위한 마이크로 렌즈 어레이를 형성하는 단계를 도시한다. 프로세스는 유리와 같은 투명한 재료로 만들어진 기판(90)으로 시작한다. 기판은 기계적 연마, 화학적 기계적 연마(CMP), 습식 에칭, 대기 다운스트림 플라즈마(ADP), 건식 화학적 에칭(DCE) 또는 이들의 조합에 의해 얇아질 수 있다. 패턴화 된 폴리머 층(92)이 기판(90)의 상부 표면 상에 형성된다. 예를 들어, 폴리머 층(92)은 포토리소그래피 마스킹 프로세스를 사용하여 포토 레지스트를 형성 및 패턴화하고, 포토 레지스트에 의해 노출된 기판(90)의 부분 상에 폴리머를 형성/경화함으로써 형성될 수 있다. 결과 구조는 (포토 레지스트 제거 후) 도 7a에 표시된다. 리소그래피/폴리머 프로세스는 (포토 레지스트 제거 후) 도 7b에 도시된 바와 같이 폴리머 층(92) 상에 폴리머의 제2 패턴화 된 층(94)을 형성하기 위해 반복된다. 도 7c에 도시된 바와 같이, 원하는 형상(예를 들어, 회절 패턴)의 폴리머의 원하는 마이크로 렌즈(96)가 기판(90) 상에 형성될 때까지 프로세스가 다시 여러 번 반복된다.
마이크로 렌즈(96)를 포토 레지스트로 덮으나, 기판(90)의 인접 영역은 노출된 채로 두기 위해 포토리소그래피 마스킹 프로세스가 수행된다. 금속층(98)이 기판(90)의 노출된 부분 상에 형성된다. 포토 레지스트 제거 후, 광학 코팅(100)은 도 7d에 도시된 바와 같이 마이크로 렌즈(96) 상에 증착될 수 있다. 광학 코팅(100)은 바람직하게는 플루오르화 마그네슘(MgF1), N-BK7, 카드뮴 텔루 라이드(CdTe) 또는 기타 적절한 IR 필터링 재료와 같은 적외선을 필터링하는 재료이다. 금속층(102)은 기판(90)의 하부 표면에 형성되고, 포토리소그래피 마스킹 프로세스 및 금속 에칭을 사용하여 패턴화되고, 이를 통해 금속층(102)은 마이크로 렌즈(96) 아래에 개구(102a)를 포함한다. 선택적인 반사 방지 코팅(104)은 도 7e에 도시된 바와 같이 개구(102a)에서 기판(90)의 하부 표면 상에 형성될 수 있다. 코팅(104)을 위한 재료는 플루오르화 마그네슘(MgF1), 또는 임의의 다른 적절한 반사 방지 코팅 재료일 수 있다. 이 지점에서, 도 7e의 복수의 구조가 공통 기판(90) 상에 형성된다. 바람직하게는, 기판(90)은 다이싱 라인 DL을 따라 이 지점에서 싱귤레이션(다이싱)된다. 투명 기판(106)은 도 7f에 도시된 바와 같이 접착제(108)에 의해 금속층(98) 및 마이크로 렌즈(96) 위에 장착된다. 기판(106)은 플라스틱, 유리 또는 임의의 다른 적절한 투명 재료일 수 있다. 마이크로 렌즈(96)를 향하는 기판(106)의 표면은 선택적 반사 방지 코팅(110)을 포함할 수 있고, 기판(106)의 반대쪽 표면은 선택적 적외선 필터 코팅(112)을 포함할 수 있다. 기판(106)은 바람직하게는 캐비티(114)을 포함하여 이를 통해 기판(106)이 마이크로 렌즈(96)에 간섭하지 않는다. 최종 회절 렌즈 어셈블리(116)가 도 7f에 도시되어 있다.
스페이서(120)는 도 8a에 도시된 바와 같이 접착 재료(124)를 사용하여 기판(10)에 장착된다. 스페이서(120)는 바람직하게는 광을 투과하지 않고 낮은 열팽창 계수(CTE) 또는 기판(10)과 일치하는 CTE를 갖는 강성 재료로 제조된다. 바람직하게는, 스페이서(120)는 불투명 한 실리콘 또는 유리이다. 그러나, 스페이서(120)는 또한 금속으로 형성될 수 있다. 스페이서(120)는 포토리소그래피 마스킹 및 에칭 프로세스를 사용하여 실리콘 기판을 통해 정사각형 또는 다른 형상의 개구를 에칭함으로써 형성될 수 있다. 선택적인 광 반사 코팅(122)이 스페이서(120)의 내부 측벽 상에 형성될 수 있다. 전술한 렌즈 어셈블리(82)는 스페이서(120) 상에 장착되어 각각의 렌즈 세그먼트(84)가 그로부터의 광을 포커싱하기 위해 광원 칩(26) 중 하나 위에 배치된다. 제2 스페이서(120)가 렌즈 어셈블리(82) 상에 장착된다. 회절 렌즈 어셈블리(116)가 제2 스페이서(120)에 장착된다. 최종 광원 디바이스(126)가 도 8b에 도시된다.
광원 디바이스(126)는 광원과 각각의 광학 요소를 고유한 방식으로 통합하고 많은 이점을 제공한다. 디바이스(126)는 무엇보다도 광원 칩(26), 렌즈 세그먼트(84) 및 마이크로 렌즈(96)를 보호하는 간결하고 밀봉된 인클로저 어셈블리를 제공한다. 광원 디바이스(126)는 모놀리식 렌즈를 사용하고, 매우 정확한 방식으로 얇은 패키지에 컴포넌트를 통합하면서도 비용을 절감한다. 광원 칩(26)에 대한 전기적 연결은 기판(10)을 통해 그 하부 표면으로 라우팅되고, 여기서 솔더 볼 커넥터(44)로 다시 라우팅된다. 각 렌즈 세그먼트(84)는 광원 칩(26) 중 하나 위에 배치되고 정확하게 정렬된다. 캐비티(16)는 x 및 y(측면) 방향과 z(깊이) 방향 모두에서 광원 칩(26)의 고정밀 위치를 제공한다. 각각의 광원 칩(26)과 그 렌즈 세그먼트(84) 사이의 광 초점 거리는 원하는 광 출력을 생성하기 위해 (예를 들어 스페이서(120)에 의해) 정밀하게 제어될 수 있고 변경될 수 있다. 예를 들어, 광원 칩(26)의 두께는 변할 수 있고/있거나 접착제(24)의 두께는 변할 수 있고, 이를 통해 광원 칩(26)과 그에 대응하는 렌즈 세그먼트(84) 사이의 거리는 전체로서 광원 디바이스(126)로부터 원하는 총 광 출력 특성을 생성하기 위해, 동일한 광원 디바이스(126) 내에서 변할 수 있다. 예를 들어 도 9와 같이, 아래의 접착제(24)처럼 두 개의 광원 칩의 두께가 서로 다른 경우를 참조한다. 대안적으로 또는 추가적으로, 동일한 디바이스(126)에서 렌즈 세그먼트(84)의 초점 특성은 원하는 광 출력을 제공하도록 변할 수 있다. 이것은 각각의 광원 칩(26) 및 그 렌즈 세그먼트(84)가 다른 광원 칩 및 렌즈 세그먼트와는 다른 광 출력을 생성할 수 있음을 의미하며, 이에 의해 결합된 광 출력은 단일 광원으로는 달성할 수 없는 고유하게 설계된 전체 광 출력을 생성할 수 있다. 예를 들어, 하나의 광원 칩(26) 및 그 렌즈 세그먼트(84)는 디바이스(126)에 더 가까운 영역의 균일한 조명을 최대화하도록 구성될 수 있는 반면, 광원 칩(26) 및 그 렌즈 세그먼트(84) 중 하나 이상은 디바이스(126)로부터 멀리 떨어진 영역의 균일한 조명을 최대화하도록 구성될 수 있다. 다른 예로서, 상이한 광원 칩(26) 및 렌즈 세그먼트(84)는 디바이스(126)에 대해 상이한 공간 영역을 조명하도록 구성될 수 있다.
불투명 재료 및/또는 반사 코팅(122)을 포함하는 스페이서(120)를 형성하는 것은 외부로부터의 광을 차단하고 디바이스(126)로부터의 광 누출을 방지하여 광 효율을 개선한다. 반사 방지 코팅은 광학 손실을 줄이고 효율성을 높인다. 광학 코팅(72 및 100)은 적외선과 같은 디바이스(126)의 광학 출력으로부터 원하지 않는 파장을 차단하는데 사용될 수 있다. 마이크로 렌즈(96)의 회절 광학 패턴은 필요에 따라 균일하거나 균일하지 않은 광 분포에 대한 출력의 원하는 회절을 제공한다. 마이크로 렌즈(96)를 조명하기 위해 균일하거나 다양한 초점 특성을 갖는 렌즈 세그먼트(84)를 사용하는 상이한 광원 칩(26)으로부터의 광은 원하는 광 출력 패턴을 제공하는 다용성(versatility)을 제공한다. 기판(90)의 표면에 리소그래피 프로세스를 통해 광학적으로 투명한 폴리머 재료를 사용하여 마이크로 렌즈(96)를 형성하면 (기판 표면내로 회절 패턴을 에칭하는 기존 기술과는 반대로) 비용을 줄이고 일관성, 신뢰성 및 원하는 수행을 달성하는 능력을 증가시킨다. 또한 회절 패턴 마이크로 렌즈 어레이의 초점 거리 및 렌즈 직경과 같은 파라미터는 변동 가능하고 소프트웨어에 의해 직접 조정 가능하다.
광원 디바이스(126)는 많은 응용에 이상적이다. 예를 들어, 휴대폰 잠금 해제에 사용되는 안면 인식은 본 발명의 이점을 크게 누릴 수 있다. 사용자마다 휴대 전화를 다르게 사용한다는 점을 감안할 때, 한 가지 문제는 사용자 얼굴의 세부 사항을 캡처하기 위해 휴대폰 카메라 앞의 3 차원 공간에서의 사용자의 얼굴을 어떻게 가장 잘 비출지에 대한 것이다. 본 발명은 3 차원 공간의 상이한 영역을 조명하기 위해 상이한 광원 칩 및 렌즈 세그먼트 조합을 사용할 것이다. 특히, 하나의 광원 칩과 그 렌즈 세그먼트는 카메라에 더 가까운 영역을 가장 잘 비추도록 구성할 수 있고, 다른 광원 칩과 렌즈 세그먼트는 카메라에서 더 먼 영역을 가장 잘 비추도록 구성할 수 있다. 임의의 수의 광원 칩과 렌즈 세그먼트 조합을 사용하여 3 차원 공간의 다른 영역을 타겟팅 할 수 있다. 또 다른 이상적인 응용은 3 차원 공간의 서로 다른 영역이 서로 다른 광원 칩과 렌즈 세그먼트 조합으로 조명되어 3 차원 공간의 입자를 광학적으로 검출할 수 있는 입자 검출이다. 다른 응용에는 자동차, 가정, TV 또는 2 차원 또는 3 차원 공간의 정확하고 정확한 조명이 필요한 기타 응용이 포함될 수 있다.
다수의 개별 광원 디바이스(126)가 동일한 응용 디바이스(즉, 휴대폰, 카메라, 자동차, 가전 제품, TV 등)에 포함될 수 있고, 여기서 임의의 주어진 단일 응용 디바이스의 다양한 광원 디바이스(126)는 동일할 수 있거나 크기, 디자인 및/또는 기능면에서 서로 다를 수 있다. 예를 들어, 가시 영역에서 동작하는 광원 디바이스(126)와 비가시 스펙트럼에서 동작하는 광원 디바이스(126)가 동일한 응용 디바이스에 포함될 수 있다. 추가로 또는 대안적으로, 단일 광원 디바이스(126)는 크기, 디자인 및 기능이 다양한 광원 칩(26)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 단일 광원 디바이스(126)는 가시광을 생성하는 제1 광원 칩(26) 및 비 가시광(예를 들어, UV 또는 IR)을 생성하는 제2 광원 칩(26)을 포함할 수 있다.
도 10은 광원 칩(26)의 전기 접점(30)이 와이어(46) 대신 전도성 트레이스(130)에 의해 기판(10)의 전도성 전극(22)에 전기적으로 연결되는 제1 대안적인 실시예를 도시한다. 전도성 트레이스(130)는 기판(10) 상에 전도성 물질의 층을 형성하고 패턴화함으로써 형성될 수 있다.
도 11은 필터층(72) 및 A/R 코팅층(74)이 먼저 렌즈 기판(66) 상에 형성되고 이어서 금속층(70)이 형성되는 제2 대안적인 실시예를 도시한다. 그 다음, 금속층(70)은 마스킹/에칭 프로세스를 거쳐 개구(70a)를 생성하여 하부 필터층(72) 및 A/R 코팅층(74)을 노출시킨다. 결과적인 구조는 층(72/74) 상에 배치된 금속 층(72)을 갖는다.
도 12a는 렌즈 어셈블리(82)가 폴리머 렌즈 기판(66)에 삽입된 유리 기판(132)을 포함하는 것을 제외하고는 도 10에 도시된 것과 동일한 제3 대안 실시예를 도시한다. 도 13a-13e는 유리-폴리머 하이브리드를 형성하는 단계를 도시하고, 도 4c-4d의 상부 및 하부 렌즈 복제 어셈블리(62 및 64)로 시작한다. 도 13a에 도시된 바와 같이, 유리 기판(132)은 캐리어(134) 상에 배치되고 폴리머(66)는 유리 기판(132) 상에 증착된다. 도 13b와 같이, 스탬퍼 어셈블리(136)는 폴리머(66)의 상부 표면이 어셈블리(62)의 폴리머 층(56)의 형상과 일치하도록 (그리고 이에 경화되도록) 원하는 압력 및 온도로 폴리머(66) 상에 복제 어셈블리(62)를 가압한다. 캐리어(134) 및 복제 어셈블리(62)가 제거되고, 폴리머(66) 및 유리 기판(132)의 에지를 지지하는 캐리어(138)로 대체된다. 폴리머(66)는 도 13c에 도시된 바와 같이 유리 기판(132)의 다른 면상에 증착된다. 도 13d에 도시된 바와 같이, 스탬퍼 어셈블리(136)는 폴리머(66)의 상부 표면이 어셈블리(64)의 폴리머 층(56)의 형상과 일치하도록 (및 이에 경화되도록) 원하는 압력 및 온도로 폴리머(66)상에 복제 어셈블리(64)를 가압한다. 도 13e에 도시된 바와 같이, 그 후 삽입된 유리 기판(132)이 있는 폴리머 기판(66)이 (원하는 상부 및 하부 형상 표면(66a/66b)을 갖는 렌즈 기판으로서) 추출된다. 유리 기판(132)은 렌즈 어셈블리(82)에 추가적인 강성을 제공하고, 폴리머 층이 형성되는 강성 기판을 제공함으로써 제조를 더 쉽게 만들 수 있다. 더욱이, 도 12b에 도시된 바와 같이 개구(70a)를 정의하는 금속 층(70)은 전술한 바와 같이 폴리머 층(66) 대신에 유리 기판(132) 상에 형성될 수 있다. 반사 방지 코팅은 유리 기판(132)에도 형성될 수 있다.
도 14는 전도성 랜드(140)가 솔더 볼 커넥터(44) 대신 재배선 리드(40) 상에 형성된다는 점을 제외하고는 도 8b에 도시된 것과 동일한 제4 대안적인 실시예를 도시한다. 전도성 랜드(140)는 재배선 리드(40) 상에 전도성 재료의 층으로서 형성된다. 솔더 볼 커넥터(44) 대신 전도성 랜드(140)를 사용하는 이점은 랜드(140)가 솔더 볼 커넥터보다 얇다는 것이다.
본 발명은 위에서 설명되고 여기에 예시된 실시예(들)로 제한되지 않고, 임의의 청구항의 범위 내에 있는 임의의 그리고 모든 변형을 포함한다는 것을 이해해야 한다. 예를 들어, 본 명세서에서 본 발명에 대한 언급은 임의의 청구항 또는 청구항 용어의 범위를 제한하려는 것이 아니라 단지 하나 이상의 청구항에 의해 커버될 수 있는 하나 이상의 특징을 참조하는 것이다. 위에 설명된 재료, 프로세스 및 수치적 예는 예시일 뿐이며 청구 범위를 제한하는 것으로 간주되어서는 안 된다. 또한, 청구 범위 및 명세서로부터 명백한 바와 같이, 모든 방법 단계는 예시되거나 청구된 정확한 순서로 수행될 필요가 없으며, 오히려 본 발명의 광원 디바이스의 적절한 형성을 허용하는 임의의 순서로 수행될 필요가 있다. 재료의 단일 층은 그러한 또는 유사한 재료의 다중 층으로 형성될 수 있으며 그 반대의 경우도 마찬가지이다. 마지막으로, 본 명세서에서 사용되는 용어 "형성(forming)" 및 "형성된(formed)"은 재료 증착, 재료 성장 또는 개시되거나 청구된 재료를 제공하는 다른 기술을 포함해야 한다.
본 명세서에서 사용되는 용어 "위에(over)" 및 "상에(on)"는 모두 "직접 위(directly on)"(그 사이에 중간 재료, 요소 또는 공간이 배치되지 않음) 및 "간접 위(indirectly on)"(그 사이에 중간 재료, 요소 또는 공간이 배치됨)를 포함한다는 점에 유의해야 한다. 마찬가지로, 용어 "인접한(adjacent)"은 "직접 인접한(directly adjacent)"(그 사이에 중간 재료, 요소 또는 공간이 배치되지 않음) 및 "간접적으로 인접한"(그 사이에 중간 재료, 요소 또는 공간이 배치됨)을 포함하며, "장착된(mounted to)"은 "직접 장착된(directly mounted to)"(그 사이에 중간 재료, 요소 또는 공간이 배치되지 않음) 및 "간접적으로 장착된(indirectly mounted to)"(그 사이에 중간 재료, 요소 또는 공간이 배치됨)를 포함하고, "전기적으로 결합된(electrically coupled)"은 "직접 전기적으로 결합된(directly electrically coupled to)"(그 사이에 중간 재료, 요소 또는 공간이 배치되지 않음) 및 "간접적으로 전기적으로 결합된(indirectly electrically coupled to)"(그 사이에 중간 재료, 요소 또는 공간이 배치됨)을 포함한다. 예를 들어, "기판 위에(over a substrate)" 요소를 형성하는 것은 중간 재료/요소가 없는 기판 상에 직접 요소를 형성하는 것뿐만 아니라 그 사이에 하나 이상의 중간 재료/요소를 사용하여 기판 상에 간접적으로 요소를 형성하는 것을 포함할 수 있다.

Claims (20)

  1. 광원 디바이스로서,
    광 디바이스 어셈블리 -
    대향하는 상부 및 하부 표면을 갖는 제1 기판 및 상기 상부 표면에 형성된 복수의 캐비티,
    각각이 상기 복수의 캐비티 중 하나에 적어도 부분적으로 배치되고 각각 발광 디바이스 및 전기 접점을 포함하는 복수의 광원 칩, 및
    상기 상부 표면과 상기 하부 표면 사이에서 각각 연장되고, 각각이 상기 전기 접점 중 하나에 전기적으로 연결되는 복수의 전극을 포함함-; 및
    상기 제1 기판의 상부 표면 위에 배치된 모놀리식 렌즈-상기 모놀리식 렌즈는 각각이 상기 광원 칩 중 하나 위에 배치된 복수의 렌즈 세그먼트를 갖는 단일 기판을 포함함-를 포함하는 광원 디바이스.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 기판은 실리콘으로 형성되는 광원 디바이스.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 단일 기판은 폴리머로 형성되는 광원 디바이스.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 전극 각각은 와이어에 의해 상기 전기 접점들 중 하나에 전기적으로 연결되는 광원 디바이스.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 전극 각각은 상기 상부 표면에 형성된 전도성 트레이스에 의해 상기 전기 접점 중 하나에 전기적으로 연결되는 광원 디바이스.
  6. 청구항 1에 있어서,
    각각이 상기 하부 표면 위에 배치되고 상기 전극들 중 하나에 전기적으로 연결되는 복수의 솔더 볼 커넥터를 더 포함하는 광원 디바이스.
  7. 청구항 1에 있어서,
    각각이 상기 하부 표면 위에 배치되고 상기 전극들 중 하나에 전기적으로 연결되는 복수의 전도성 랜드를 더 포함하는 광원 디바이스.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 단일 기판은 대향하는 상부 및 하부 표면을 포함하고;
    상기 복수의 렌즈 세그먼트에서 상부 표면의 적어도 일부는 적외선 광을 선택적으로 필터링하는 재료층을 포함하고; 그리고
    상기 복수의 렌즈 세그먼트에서 하부 표면의 적어도 일부는 반사 방지 재료층을 포함하는 광원 디바이스.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 단일 기판은 대향하는 상부 및 하부 표면을 포함하고,
    상기 광원 디바이스는,
    상기 상부 표면에 배치되고 각각이 상기 렌즈 세그먼트들 중 하나에 배치된 개구를 포함하는 제1 금속층;
    상기 하부 표면 상에 배치되고 각각이 상기 렌즈 세그먼트 중 하나에 배치된 개구를 포함하는 제2 금속층을 더 포함하는 광원 디바이스.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 단일 기판은 대향하는 상부 및 하부 표면을 포함하고, 상기 광원 디바이스는 상기 상부 표면과 상기 하부 표면 사이의 상기 단일 기판에 배치된 유리 기판을 더 포함하는 광원 디바이스.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 렌즈 세그먼트들 중 하나는 상기 렌즈 세그먼트들 중 다른 것과 상이한 광 초점 특성을 제공하도록 형성된 광원 디바이스.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 모놀리식 렌즈 위에 배치된 광 회절 렌즈를 더 포함하는 광원 디바이스.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 광 회절 렌즈는 상기 모놀리식 렌즈를 통과하는 발광 디바이스로부터의 광을 회절 시키도록 배치된 복수의 마이크로 렌즈를 포함하는 광원 디바이스.
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 광원 칩 중 하나의 발광 칩의 발광 디바이스 중 하나의 발광 디바이스는 상기 광원 칩 중 다른 발광 칩의 발광 디바이스 중 다른 발광 디바이스보다 모놀리식 렌즈에 더 가깝게 배치되는 광원 디바이스.
  15. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수의 캐비티 각각은 상기 캐비티의 하부 표면과 상기 캐비티에 적어도 부분적으로 배치된 광원 칩 사이에 배치된 접착층을 포함하는 광원 디바이스.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 캐비티 중 하나의 캐비티의 접착층은 상기 캐비티 중 다른 캐비티의 접착층보다 두꺼운 광원 디바이스.
  17. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 기판과 상기 모놀리식 렌즈 사이에 배치된 강성(rigid) 재료의 스페이서를 더 포함하는 광원 디바이스.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 스페이서는 반사 코팅을 갖는 측벽을 포함하는 광원 디바이스.
  19. 청구항 12에 있어서,
    상기 광 회절 렌즈와 상기 모놀리식 렌즈 사이에 배치된 강성 재료의 스페이서를 더 포함하는 광원 디바이스.
  20. 청구항 19에 있어서,
    상기 스페이서는 반사 코팅을 갖는 측벽을 포함하는 광원 디바이스.
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