KR102688750B1

KR102688750B1 - Led 디바이스 제조 방법

Info

Publication number: KR102688750B1
Application number: KR1020187009272A
Authority: KR
Inventors: 로버트 디어릭스
Original assignee: 루미리즈 홀딩 비.브이.
Priority date: 2015-09-03
Filing date: 2016-08-26
Publication date: 2024-07-29
Also published as: US10985303B2; CN107926114A; CN107926114B; JP7033060B2; JP2018529231A; EP3345464B1; KR20180048968A; EP3345464A1; US20180254399A1; WO2017036946A1

Abstract

LED 디바이스를 제조하는 방법으로서, 회로 보드 기판을 제공하는 단계 - 회로 보드 기판은 코어 층들(26, 27)의 스택, 프리-프레그 층(28) 및 구리 층들(25, 29)을 포함하고, 회로 보드 기판은 LED 모듈(14)을 수용하기 위한 수용부를 더 포함함 - ; 수용부에 LED 모듈을 제공하는 단계 - LED 모듈은 LED 기판 상에 탑재된 LED 칩을 포함함 - ; 및 수용부 내에 LED 모듈을 제공한 후, 회로 보드 기판의 코어 층들을 함께 본딩하고 LED 기판을 회로 보드 기판과 집적하기 위하여 열 및 압력을 가하는 단계를 포함하는, LED 디바이스를 제조하는 방법.

Description

LED 디바이스 제조 방법

본 발명은 LED 디바이스, 예를 들어 LED 조명 유닛(LED lighting unit)에 관한 것이다.

LED 디바이스의 성능을 뒷받침하는 중요 요소는 LED 디바이스의 열 관리이다. LED 기술이 발전함에 따라 LED들의 밝기 레벨이 증가했다. 결과적으로, LED에 의해 발생된 열을 소산시키는 LED 디바이스의 능력은 점점 더 중요해졌다.

표면 탑재 기술을 사용해 제조되는 디바이스들은 표면 탑재 디바이스(SMD, surface mount device)로서 알려져 있고, 여기에 전자 컴포넌트들은 직접적으로 인쇄회로보드(PCB, printed circuit board)들 상에 탑재된다. 전자 디바이스들을 이러한 방식으로 제작하는 것은 낮은 생산 비용, 높은 컴포넌트 밀도 및 콤팩트한 설계 등 수많은 장점들을 제공한다. 그러나, 이러한 방식으로 회로 보드 표면에 탑재된 LED에서 발생하는 열 부하는 전형적으로 회로 보드의 보디(body)를 통해 전도된다. 이로 인해, LED가 탑재된 PCB는 PCB를 통해서 효과적으로 열을 전도하는 그들의 능력으로 인해 특별히 선택된 고성능 재료들로 구성될 필요가 있다. 예를 들어, 표면 탑재 디바이스에 사용하기에 적합한 PCB는 금속 코어 및 열전도성이지만 전기절연성인 유전체 층들로 만들어진, 절연된 금속 기판(IMS, insulated metal substrate)이라고도 잘 알려진 금속 코어 PCB(MCPCB, metal core PCB), 또는 열 비아들과 같은 추가적인 수단들을 가진 “고전적인(classical)” PCB 재료들(FR4, BT)일 수 있다. 회로 보드 재료의 선택은 회로 보드가 LED에 의해 발생한 열을 소산시킨다는 조건에 의해 제약되고, 적합한 재료들은 고가이다. 그 결과로, 고 성능 LED 디바이스들을 제작하는 것은 비용이 많이 든다.

표면 탑재 LED들과 관련한 높은 비용을 피하기 위해서, 히트 싱크(heat sink)(또는 전형적으로, 패키지(package) 또는 인터포저(interposer))가 LED와 PCB의 탑재 표면 사이에 제공되는 대안적인 배열이 사용될 수 있다. 이 배열에서, LED는 LED칩에서부터 회로 보드의 표면까지 연장된 본딩 와이어들에 의해 PCB의 전자 회로에 접속된다. 또 다른 배열에서, 비아들은 LED 칩을 PCB에 접속하기 위해 패키지 또는 인터포저를 통해 제공된다. 이러한 방식으로, 표면 탑재 디바이스가 제공된다.

US 2012/0329183 A1은, 구리 및 프리-프레그들의 층들을 제공하는 단계; 구리 및 프리-프레그 층들 내에 하나 이상의 탑재 구멍들을 제조하는 단계; 구리와 프리-프레그 층들을 라미네이트하고 압축하는 단계; 하나 이상의 원통형의 미세-복사체들을 형성하는 단계; 원통형 미세-복사체들상에 LED 칩을 탑재하는 단계; 및 구리 및 프리-프레그 층들을 라미네이트한 후, 탑재 구멍들 내에 원통형의 미세-복사체들을 내장(embedding)하는 단계를 포함하는 인쇄회로보드의 제작 방법을 개시한다.

따라서, LED에의 간단한 접속을 허용하며, 또한 저비용의 PCB로도 양호한 열 관리가 가능하게 하며, 제조하기도 간단한 설계에 대한 요구가 있다.

본 발명은 청구항들에 의해 한정된다.

LED 디바이스로서,

LED 기판, 및 LED 기판의 탑재 표면 상에 탑재된 LED 칩을 포함하는 LED 모듈; 및

회로 보드 기판, 및 회로 보드 기판의 제1 표면 상의 복수의 전도성 트랙(track)들을 포함하는 회로 보드 - 회로 보드 기판은 LED 기판을 수용하도록 적응된 수용부를 포함하고, LED 기판은 회로 보드 기판에 내장됨 -

를 포함하는 LED 디바이스가 제공된다.

이러한 배열에서, 회로 보드의 수용부는 LED 기판을 수용하도록 성형되어, LED 디바이스가 회로 보드에 LED모듈을 삽입하는 것에 의해 쉽게 조립되는 것을 허용한다. 조립된 LED 디바이스에서, LED 모듈의 LED 기판은 LED 칩이 제공된 LED 기판의 탑재 표면이 노출된 상태로 회로 보드 기판에 집적된다. 전도성 트랙들은 회로를 형성하도록 회로 보드 기판의 제1 표면 상에 배치되고, LED 칩은 그러한 회로에 접속된다. LED 기판은 LED 기판의 탑재 표면과 회로 보드 기판의 제1 표면이 서로 매우 근접한 방식으로 회로 보드 기판 내에 배열되어 있다. 이러한 방식으로 LED 칩은 회로 보드 기판 상에 배치된 전도성 트랙에 쉽게 접속될 수 있고, 이는 LED 칩이 회로에 접속되게 한다. LED 기판은 양호한 열 소산을 제공하는 재료로 이루어지고, 이는 LED 칩에 의해 발생된 열이 LED 기판에 의해 소산되게 한다. 이러한 방식으로, LED 디바이스는 더 비용 효율적이고, 콤팩트한 설계로 높은 열 성능을 성취할 수 있다.

LED 기판의 탑재 표면은 회로 보드 기판의 제1 표면과 동일 평면 상에 있을 수 있다. 이러한 방식으로, LED 칩은 회로 보드의 전도성 트랙들에 매우 근접하여 제공된다. 따라서, LED 칩과 회로 보드 사이에 전기 접속을 제공하는 것은 간단하다. 추가적으로, 배열은 콤팩트하다.

LED 모듈은 회로 보드 기판을 통해 연장될 수 있다. 따라서, LED 수용부는 회로 보드 기판의 제1 표면과 동일 평면 상에 있는 제1 캐비티 개구, 및 회로 보드 기판의 제2 표면과 동일 평면 상에 있는 제2 캐비티 개구 갖는 캐비티일 수 있다. LED 칩에 의해 발생된 열이 LED 기판에 의해 LED 모듈 및 회로 보드로부터 멀리 효율적으로 라우팅(route)되도록, LED 기판은 열 전도성일 수 있다. LED 기판이 LED 칩의 열 관리를 제공할 수 있으므로, 회로 보드 기판은 열 소산에 적합한 재료로 제작될 필요가 없다. 따라서, 회로 보드는 LED 디바이스의 성능에 손상 없이 저가의 재료들로 만들어질 수 있다.

회로 보드 기판은 제1 표면에 반대되는 제2 표면을 포함할 수 있고, LED 모듈은 탑재 표면에 반대되는 저부 표면을 포함할 수 있으며, 저부 표면과 제2 표면은 LED 디바이스의 열 소산 표면을 포함하고, LED 디바이스는 열 소산 표면과 인터페이스(interface)하도록 배열된 히트 싱크 부분을 더 포함할 수 있다. 이러한 방식에서, LED 칩에 의해 발생된 열은 LED 기판을 통해 히트 싱크 부분으로 전도되고, 히트 싱크 부분은 LED 칩에 의해 발생된 열을 분산시켜, LED 디바이스를 냉각시킨다. 이러한 방식으로, LED에서 발생된 열은 LED 기판을 통해, 회로 보드 기판에 부착된 히트 싱크 부분으로 라우팅된다. 이러한 배열을 제공함으로, 히트 싱크 부분은 회로 보드 기판에 고정될 수 있다. 회로 보드 기판이 저렴하고 기계적으로 강인한 PCB 재료로 이루어질 수 있기 때문에, 히트 싱크 부분은 쉽게 부착될 수 있다. 예를 들어, 히트 싱크 부분은 회로 보드 기판에 나사고정(screw)될 수 있다. 대안적으로, 히트 싱크 부분은 회로 보드 기판에 클램핑(clamped)될 수 있다. 이것은 LED 디바이스가 쉽게 제작되는 것을 허용할 수 있다.

LED 모듈은 LED 기판의 탑재 표면 상에 배치되는 제1 접촉 부분 및 제2 접촉 부분을 더 포함할 수 있고, 제1 접촉 부분은 LED 칩을 회로 보드의 제1 전도성 트랙에 전기적으로 연결시키도록 배열되고 제2 컨택 부분은 LED 칩을 회로 보드의 제2 전도성 트랙에 전기적으로 연결시키도록 배열된다. 제1 및 제2 접촉 부분들은, LED 모듈이 회로 보드 기판 내에 위치될 때, 제1 및 제2 접촉 부분들이 각각 회로 보드 기판 상의 회로의 제1 및 제2 전도성 트랙들과 정렬되도록 LED 기판 상에 위치될 수 있다. 이러한 방식으로, LED 칩들은 회로와 전기적으로 연결될 수 있다.

제1 접촉 부분은 LED 기판의 탑재 표면을 가로질러 연장될 수 있으며 회로 보드의 제1 전도성 트랙과 정렬되도록 위치될 수 있고, 제2 접촉 부분은 LED 기판의 탑재 표면을 가로질러 연장될 수 있으며 회로 보드의 제2 전도성 트랙과 정렬되도록 위치될 수 있다. 제1 및 제2 접촉 부분은 LED 칩에서부터, 회로 보드에 접촉하는 LED 기판의 에지(edge)까지 연장될 수 있다.

제1 접촉 부분 및 제2 접촉 부분은 회로 보드의 전도성 트랙들과 동일 평면 상에 있을 수 있다. 이러한 방식으로, 양호한 전기 접속이 제1 접촉 부분과 회로 사이에, 그리고 제2 접촉 부분과 회로 사이에 제공될 수 있다. 이에 더해, 전도성 트랙들 및 접촉 부분들이 동일 평면 상에 있으므로, 연결은 부피가 크지 않다.

제1 접촉 부분은 회로 보드의 제1 전도성 트랙과 접촉할 수 있고, 제2 접촉 부분은 회로 보드의 제2 전도성 트랙과 접촉할 수 있다. LED 기판은 예를 들어 LED 매트릭스를 위한 복수의 LED 칩들 또는 LED 칩과 회로 보드의 회로 사이에 전기적 접촉을 제공하기 위한 복수의 접촉 부분을 포함할 수 있다.

LED 디바이스는 회로 보드의 제1 전도성 트랙에 제1 접촉 부분을 전기적으로 연결하기 위한 제1 표면 탑재 컴포넌트, 및 회로 보드의 제2 전도성 트랙에 제2 접촉 부분을 전기적으로 연결하기 위한 제2 표면 탑재 컴포넌트를 더 포함할 수 있다.

LED 디바이스는 LED를 회로 보드의 전도성 트랙에 연결하기 위해 LED 기판의 측벽 상에 제공되는 측벽 접촉 부분을 더 포함할 수 있다. 측벽 접촉 부분은 사용 시 회로 보드 기판과 인터페이스하도록 배열된 LED 기판의 에지를 따라 제공될 수 있다. 측벽은 LED 칩을 회로 보드의 회로에 전기적으로 연결할 수 있다.

회로 보드 기판은 제1 코어 층; 본딩(bonding) 층; 및 제2 코어 층을 포함할 수 있고, 본딩 층은 제1 코어 층과 제2 코어 층 사이에 제공된다. 복수의 전도성 트랙은 제1 코어 층 상에 제공될 수 있다. LED 기판은 탑재 기판에 반대되는 LED 기판의 저부 표면 상에 배치된 제3 부분을 더 포함할 수 있다. 제3 부분은 LED 기판과 다른 열 팽창 계수를 가질 수 있다. 예를 들어, 제3 접촉 부분은 대칭 구조를 생성하기 위해 전도성 트랙들과 동일한 재료, 즉 구리로 이루어질 수 있다. LED 기판의 열 팽창 계수와 구리의 열 팽창 계수 사이에 불일치(mismatch)가 있기 때문에, 대칭적 설계는 LED 기판의 응력(및 그에 따른 휘어짐)을 감소시킨다.

본 발명에 따르면, LED 디바이스를 제조하는 방법으로서,

회로 보드 기판을 제공하는 단계 - 회로 보드 기판은 코어 층들의 스택, 프리-프레그 층 및 구리 층들을 포함하고, 회로 보드 기판은 LED 모듈을 수용하기 위한 수용부를 더 포함함 - ;

수용부 내에 LED 모듈을 제공하는 단계 - LED 모듈은 LED 기판 상에 탑재된 LED 칩을 포함함 - ; 및

수용부 내에 LED 모듈을 제공한 후, 회로 보드 기판의 코어 층들을 함께 본딩하고 LED 기판을 회로 보드 기판과 집적하기 위하여 열 및 압력을 가하는 단계

를 포함하는, LED 디바이스를 제조하는 방법이 제공된다.

LED 모듈 및 회로 보드를 이러한 방식으로 제공함으로써, LED 디바이스는 제조하기 간단하다. LED 기판은 회로 보드 기판의 층들이 노출된 LED 기판의 탑재 표면(및 저부 표면)을 제외하고서 LED 기판을 둘러싸도록 초기 회로 보드 기판 내에 위치될 수 있다.

이 방법은 회로 보드 기판의 외부 표면 상에 구리 층을 제공하는 단계; 구리 층 상에 보호(에치 스톱(etch stop)) 층을 제공하는 단계 - 보호 층은 회로를 정의함 - ; 및 보호 층에 의해 보호되지 않는 구리 층의 부분들을 제거하기 위해 에칭 단계를 수행하는 단계 - 구리 층의 남은 부분들은 복수의 전도성의 트랙들을 포함하는 회로를 형성함 - 를 더 포함할 수 있다.

제1 및 제2 코어 층들은 각각의 제1 표면 및 제2 표면 상의 구리 층으로 클래드(clad)될 수 있다. 구리 층들은 금속화 단계에서 제1 및 제2 코어 층들 상에 코팅될 수 있다. 대안적으로, 구리 층들은 회로 보드 기판에 라미네이트될 수 있다.

이 방법은 LED 모듈의 탑재 표면 상에 제1 접촉 부분 및 제2 접촉 부분을 제공하는 단계; 및 회로 보드의 제1 전도성 트랙을 LED 모듈의 제1 접촉 부분에 연결하고 LED 모듈의 제2 접촉 부분을 회로 보드의 제2 전도성 트랙에 연결하기 위한 전기 도금 단계를 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다.

제1 접촉 부분 및 제2 접촉 부분은, 라미네이트된 구조체 내에서 제1 접촉 부분은 회로 보드의 제1 전도성 트랙과 정렬되고 제2 접촉 부분은 회로 보드의 제2 전도성 부분과 정렬되도록, LED 기판의 탑재 표면 상에 배열될 수 있다.

이 방법은 LED 모듈의 측벽 상에 측벽 접촉 부분을 제공하는 단계, 및 측벽 접촉 부분을 회로 보드의 전도성 트랙에 연결하기 위해 전기 도금 단계를 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다. 측벽 접촉 부분은 LED 기판의 측벽을 전기 도금함으로써 형성될 수 있다.

대안적으로, 이 방법은:

LED 모듈의 탑재 표면 상에 제1 접촉 부분 및 제2 접촉 부분을 제공하는 단계; 및

회로 보드의 제1 전도성 트랙을 LED 모듈의 제1 접촉 부분에 연결하기 위해 제1 표면 탑재 컴포넌트를 탑재하고, LED 모듈의 제2 접촉 부분을 회로 보드의 제2 전도성 트랙에 연결하기 위해 제2 표면 탑재 컴포넌트를 탑재하는 단계

를 더 포함할 수 있다.

이 방법은 회로 보드 기판의 외부 표면의 아래에 LED 칩을 탑재하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이 방법은 회로 보드 기판의 외부 표면 상에 광학 소자를 제공하는 단계를 더 포함할 수 있고, 여기서 LED 칩은 회로 보드 기판의 외부 표면의 아래에 있다. 그러한 광학 소자는 도광체(light guide)일 수 있다.

이러한 표면 탑재 컴포넌트들은 제로 옴 저항기들(zero ohm resistors)로서 기능할 수 있다.

이하에서는, 본 발명의 예들이 첨부 도면들을 참조하여 상세히 설명될 것이다:
도 1은 알려진 LED 디바이스를 도시한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 LED 디바이스를 단순화된 형태로 도시한다.
도 3은 도 2의 디바이스 내에서 사용된 회로 보드 기판을 도시한다.
도 4는 도 2의 LED 디바이스 내에서 사용된 LED 모듈을 도시한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 LED 디바이스를 단면도로 더 상세하게 도시한다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 LED 디바이스를 단면도로 도시한다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 LED 디바이스를 단면도로 도시한다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 LED 디바이스를 단면도로 도시한다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른, LED 디바이스를 제조하는 방법을 도시한다.

도 1을 참조하면, 히트 싱크 부분(5)(또는 일반적으로, 패키지 또는 인터포저) 상에 LED 칩(3)이 탑재된 알려진 LED 디바이스(1)가 도시되어 있고, 여기서 히트 싱크 부분(5)은 회로 보드 기판(8)의 최상부 표면(7)에 탑재되어 있고, 그 위에 회로를 정의하는 전도성 트랙들이 제공된다. LED(3)와 PCB(8) 사이에 히트 싱크 부분(5)을 제공함으로, LED에 의해 발생된 열은 회로 보드를 통해 전도되기 전에 히트 싱크 부분을 통해 퍼진다. LED(3)가 히트 싱크 부분(5)의 최상부에 탑재되므로, LED 디바이스(1)는 표면 탑재 디바이스가 아니다. 대신에, LED(3)를 전자 회로에 연결시키기 위하여, 본딩 와이어들(9)이 LED(3)의 접촉부들과 회로 보드의 전도성 트랙들 사이에 제공된다. 다른 알려진 배열에서, LED 칩을 PCB에 연결하기 위해, 와이어 본드들을 대신하여 비아들이 패키지 또는 인터포저를 통해 제공된다. 이러한 방식으로, 표면 탑재 디바이스가 제공된다.

본 발명은 LED 모듈의 기판이 회로 보드 내에 내장되는 LED 디바이스를 제공한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 LED 디바이스를 단순화된 형태로 도시한다. LED 디바이스(10)는 회로 보드(12) 및 LED 모듈(14)을 포함하고, 여기서 회로 보드(12)와 LED 모듈(14)은 콤팩트하고 비용 효율적이며 높은 열 성능을 갖는 LED 디바이스(10)를 제공하기 위하여 서로 협력한다. 회로 보드(12)는 회로 보드 기판(16)을 포함하고, 여기서 복수의 전도성 트랙들(17)이 회로 보드 기판(16)의 제1 표면(18) 상에 제공된다. 전도성 트랙들은 전자 디바이스들이 연결될 수 있는 전기 회로를 정의한다. LED 모듈(14)은 LED 칩(22)을 지지하기 위한 LED 기판(20), 및 LED 기판(20)의 탑재 표면(24) 상에 탑재된 LED 칩(22)을 포함한다. LED 디바이스(10)가 조립될 때, LED 기판(20)은 회로 보드 기판(16) 내에 위치되고, 이는 LED 기판(20)의 탑재 표면(24)이 회로 보드 기판(16)의 제1 표면(18)과 동일 평면 상에 있게 한다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 회로 보드(12)가 더 상세하게 도시되어 있다. 회로 보드 기판(16)은 제1 코어 층(26), 제2 코어 층(27), 및 제1 코어 층(26)과 제2 코어 층(27) 사이에 제공되는 본딩 층(28)을 포함한다. 본딩 층(28)은 소위 프리-프레그 층(pre-preg layer)으로 형성된다. 제1 및 제2 코어 층은 PCB를 구성하기 위한 임의의 알려진 재료, 예를 들어 FR4로 이루어질 수 있다. 회로 보드 기판(16)은 비교적 비싸지 않은 회로 보드 재료로 이루어질 수 있는데, 이는 LED 기판(14)이 열 소산을 제공하므로, 회로 보드 기판(16)이 열 소산에 특별히 효과적일 필요가 없기 때문이다. 복수의 전도성 트랙들(17)은 회로 보드 기판의 제1 표면(18) 상에 제공되는데, 그러한 제1 표면은 스택 방향에 실질적으로 수직하고 본딩 층(28)과 인터페이스하는 제1 코어 층(26)의 표면에 반대되는 제1 코어 층(26)의 표면이다. 전도성 트랙들은 제1 회로를 정의한다.

회로 보드(12)는 제1 캐비티 개구는 회로 보드 기판의 제1 표면(18)과 동일 평면 상에 있고 제2 캐비티 개구는 회로 보드 기판(16)의 제2 표면(19)과 동일 평면 상에 있도록 회로 보드 기판(16)을 통해 연장되는, LED 기판(20)을 수용하기 위한 캐비티(30)를 포함한다. 캐비티(30)는 LED 기판을 수용하기 위한 형상을 갖는다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 LED 모듈(14)을 도시한다. LED 모듈(14)은 LED 기판(20)을 포함한다. LED 기판(20)은 효과적인 열 소산을 제공하도록 적응된다. 예를 들어, LED 기판(20)은 알루미늄 질화물(AlN) 또는 임의의 다른 세라믹 재료로 이루어지거나 금속으로 만들어진다. LED 칩(22)은 LED 기판(20)의 탑재 표면(24) 상에 탑재된다. 컨버터(converter) 층은 LED 칩의 최상부에 제공된다. LED 칩은 예를 들어 청색 LED 칩(22)을 포함하고, 컨버터 층(23)은 청색 LED 칩(22) 상에 제공되는 인광체 층이고, 이는 백색 광 출력이 요구될 때 LED 디바이스(10)가 백색광을 방출하게 한다. 차량 방향 표시등을 위한 황색과 같이, 다른 색상의 출력들이 요구될 수 있다. 측면-코팅(21)(도 5에서 도시됨)은 LED 칩과 컨버터 층의 측면들을 따라 제공될 수 있다. 일례에서, 측면 코팅은 오버몰드된 측면 코팅(over-molded side coating)이다. 제1 접촉 부분(32)과 제2 접촉 부분(34)은 LED 기판(20)의 탑재 표면(24) 상에 탑재된다. 제1 접촉 부분(32)은 애노드일 수 있고, 제2 접촉 부분(34)은 캐소드일 수 있다. 제1 및 제2 접촉 부분들은 금속으로 이루어지고, 예를 들어 제1 및 제2 부분들은 구리로 이루어진다. LED 칩(22)은 제1 및 제2 접촉 부분들 상에 탑재된다. 제3 접촉 부분(36)은 탑재 표면(24)에 반대되는, LED 기판의 저부 표면(35) 상에 제공된다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 LED 디바이스(10)를 도 2보다 더 상세하게 도시한다. LED 모듈(14)은 회로 보드 기판(16)의 캐비티(30) 내에 수용되어, LED 기판(20)의 탑재 표면(24)이 회로 보드 기판(16)의 제1 표면(18)과 동일 평면 상에 있도록 한다. LED 칩(22)이 전기 회로에 전기적으로 연결되도록, 회로 보드 기판(16) 상의 전도성 트랙들과 LED 모듈의 제1 및 제2 접촉 부분(32, 24)이 정렬된다. LED 기판(20)이 캐비티(30) 내에 위치될 때, LED 기판의 저부 표면(35)이 회로 보드 기판의 제2 표면(19)과 동일 평면 상에 있도록, 캐비티(30)는 회로 보드 기판(16)을 통해 연장된다. LED 기판(20)은 본딩 층(28)에 의해 회로 보드 기판(16) 내의 위치에 유지된다.

디바이스를 제조하기 위해, 제1 코어 층(26), 제2 코어 층(27), 및 프리-프레그 재료의 시트(sheet)(28)가 제공된다. 제1 단계에서, 예를 들어 각각의 층 내에 구멍을 밀링(milling)함으로써, 각각의 코어 층들과 프리-프레그 재료의 시트 내에 애퍼처가 형성된다.

제1 구리 층(25)은 제1 코어 층의 제1 표면(18) 상에 제공되고, 제2 구리 층(29)은 제2 코어 층의 제2 표면(19) 상에 제공된다. 구리 층들은 포일(foil) 층들을 포함할 수 있다.

그 뒤에, 제1 및 제2 코어 층들 및 프리-프레그 재료의 시트가 적층되며, 프리-프레그 층이 제1 코어 층과 제2 코어 층 사이에 배치된다. 구리 층들(25, 29)은 스택의 외부 표면들을 제공하고, 구리 클래드 표면들에 반대되는 제1 및 제2 코어 층들(26, 27)의 표면들은 프리-프레그 층(28)과 인터페이스한다. 층들을 적층할 때, 각각의 층은 층들 각각의 개구들이 스택 구조체 내에 캐비티(30)를 형성하기 위해 다른 개구들과 협동하도록 층의 애퍼처가 스택의 다른 애퍼처들과 정렬되도록 위치된다. 애퍼처들은 정렬된 애퍼처들에 의해 형성된 캐비티(30)가 LED 기판(20)을 수용하기 위한 형상을 갖게 하는 형상을 갖는다.

다음으로, LED 모듈(14)이 제공되고, LED 모듈은 LED 기판(20), LED 기판에 본딩된 제1 접촉 부분(32) 및 제2 접촉 부분(34), 및 LED 기판(20)에 탑재되고 제1 및 제2 접촉 부분들(32, 34)에 접촉하는 LED 칩(22)을 포함한다.

LED 모듈(14)은 적층된 코어 층들, 프리-프레그 층, 및 구리 층들의 캐비티(30) 내에 배치된다. LED 모듈은 LED 기판의 측벽들이 회로 보드 기판의 적층된 층들(코어 층들 및 프리-프레그 층)로 둘러싸이도록 캐비티(30) 내에 LED 기판(20)과 함께 위치된다. 다음으로, 라미네이션 프로세스가 수행된다.

라미네이션 단계에서, 기판의 제1 및 제2 코어 층들(26, 27)을 함께 본딩하고 LED 기판(20)을 회로 보드 기판과 집적하기 위해 열 및 압력이 LED 디바이스에 가해진다. 회로 보드 기판의 제1 및 제2 코어 층들(26, 27)은 프리-프레그 재료(28)에 의해 본딩된다. 처음으로, 프리-프레그 재료가 층들 사이의 보이드들 내로 흘러 들어가서 적층된 층들을 함께 “글루잉(gluing)” 하기 위해, 프리-프레그 재료의 점도가 낮춰진다. 프리-프레그 재료는 LED 기판과 회로 보드 기판 사이의 캐비티 내의 갭들로 또한 흘러 들어간다. 그러고는 프리-프레그 재료는 층들을 함께 고정하고 회로 보드 기판(16)에 LED 기판(20)을 본딩하도록 경화된다. 라미네이션 프로세스 및 경화 이후, LED 모듈은 라미네이트된 보드 구조체의 부분이다.

다음으로, 패터닝(patterning) 단계가 수행된다. 패터닝 단계에서, 보호(에치 스톱) 층이 제1 구리 층(25) 상에 형성된다. 보호 층은 PCB 상에 제공될 전기 회로의 라우팅(routing)을 정의한다. 적어도 제1 전도성 트랙 및 제2 전도성 트랙이 형성되고, 여기서 제1 전도성 트랙은 LED 모듈의 제1 접촉 부분(32)과 정렬되도록 위치되고, 제2 전도성 트랙은 LED 모듈의 제2 접촉 부분과 정렬되도록 위치한다.

이에 후속하여, 그것은 보호 층에 의해 덮이지 않은 구리 층 부분들인 구리 층의 원하지 않는 부분들을 제거하기 위해 에칭 단계가 수행된다. 에칭 단계가 수행된 다음, 보호 층은 제거되고, 남은 구리 층은 회로를 형성하는 전도성 트랙들(17)을 제공한다.

마지막으로, 추가적인 도금 단계가 LED 모듈의 트랙들(32, 34)과 PCB의 트랙들 사이의 연결을 브리지(bridge)하도록 수행된다.

LED 칩(22)은 라미네이션 단계, 패터닝 단계, 및 에칭 단계를 포함하는 제조 프로세스 동안 LED 칩을 보호하기 위해, 임시 필름으로 덮일 수 있다.

실시예에서, LED 기판(20)의 탑재 표면(24)은 구리 층으로 클래드된다. LED 모듈이 회로 보드 기판(16)의 캐비티(30) 내에 배치되고 라미네이션 단계가 수행된 후, 패터닝 및 에칭 단계에서 LED 모듈의 제1 접촉 부분(32) 및 제2 접촉 부분(34)이 다음으로 형성된다.

대안적인 실시예에서, 제1 코어 층(26), 본딩 층(28), 및 제2 코어 층(27)을 포함하는 라미네이트된 회로 보드 기판이 제공된다. 제1 구리 층(25)은 제1 코어 층(26)의 제1 표면(18)에 본딩되고, 제2 구리 층(29)은 제2 코어 층(27)의 제2 표면(19)에 본딩된다. 구멍은 회로 보드 기판(16) 및 구리 층들 내에서 밀링된다. LED 모듈은 구멍 내에 배치되고, LED 모듈과 회로 보드 기판 사이의 '프레스 핏(press fit)' 연결에 의해 구멍 내에 보유된다. 다음으로, 회로 보드 기판 상의 회로를 정의하기 위해 패터닝 및 에칭 단계들이 수행된다. 마지막으로, PCB 상에 정의된 회로에 LED 기판의 접촉부들을 연결하기 위해 전기 도금 단계가 수행된다. 이 버전은 이미 라미네이트된 PCB 구조체 내에 LED 모듈을 내장한다.

도 6은 LED 디바이스(10)가 측벽 접촉 부분(40)을 더 포함하는 본 발명의 실시예를 도시한다. 측벽 접촉 부분(40)은 제1 및 제2 접촉 부분들(32, 34)로부터 LED 기판(20)과 회로 보드 기판(16) 사이의 LED 기판의 측면들로 내려가서 연장된다. 측벽 접촉 부분(40)들은 구리로 이루어지고 회로와 LED 칩(22) 사이 전기적 연결을 제공하도록 배열된다. 측벽 접촉 부분들(40)은 전기 도금에 의해 형성될 수 있다.

다시, LED 모듈의 접촉들(그 때 최상부에, 그리고 측면들로 내려가 있음)에 PCB 트랙들을 연결하기 위하여, 추가적인 전기 도금 단계가 사용될 수 있다.

도 7은 제1 및 제2 접촉 부분들(32, 34)이 표면 탑재 컴포넌트들(42)에 의해 회로 보드(12)의 회로에 연결된 실시예를 도시한다. 표면 탑재 컴포넌트들(42)은 예를 들어 제로 옴 브리징(bridging) 저항기들로서 기능한다.

이 경우 라미네이션 이후, LED 모듈은 기계적으로만 연결되고, LED 접촉부들과 PCB 트랙들의 단부들 사이에 공간이 있다. 이 공간은 표면 탑재 컴포넌트들(42)에 의해 브리지된다. 이 접근은 예를 들어 최종 PCB가 표면 탑재 컴포넌트들이 제공되는 것을 요구하는 어떤 경우에서든 적합하다.

도 8은 LED 디바이스(10)가 히트 싱크 부분(44)을 더 포함하는 실시예를 도시한다. 탑재 표면(18)에 반대되는 LED 기판(20)의 저부(46)(즉, 아래의 전도성 패드를 생략한 표면(35)) 및 회로 보드(12)의 저부 (즉, 구리 층을 생략한 제2 표면(19))은 동일 평면 상에 있고, 그들은 함께 열 소산 표면을 형성한다. 열 인터페이스 재료(TIM) 층(48)은 열 소산 표면과 히트 싱크 부분(44) 사이에 제공된다. TIM 층(48)은 열 소산 표면 상에 제공되어, 회로 보드 기판(16)의 제2 표면과 LED 기판(20)의 저부 표면 둘 다를 덮는다. TIM 층(48)은 히트 싱크 부분(44)과 열 소산 표면 사이 공간을 채우고, LED 기판(20)으로부터 히트 싱크 부분(44)으로 열을 전도해 보내도록 배열된다. 이러한 방식으로, LED 칩(22)에 의해 발생된 열은 LED 기판(20)을 통해 효율적으로 전도되고 히트 싱크 부분(44)에 의해 소산된다. 히트 싱크 부분(44)은 효과적인 열 소산을 제공하기 위해서, 히트 싱크 부분의 표면을 최대화하기 위하여 복수의 핀들(fins)을 포함한다. 히트 싱크 부분(44)은 TIM 층에 의해 열 소산 표면에 부착된다.

실시예에서, 히트 싱크 부분(44)은 회로 보드 기판에 나사고정(screw) 된다. 대안적으로, 히트 싱크 부분은 회로 보드 기판에 클램핑된다. 이러한 방식으로 히트 싱크 부분은 LED 디바이스의 나머지 부분에 쉽게 부착될 수 있고, 세라믹에서 가능한 것보다 더 쉽다.

도 8 에서 도시된 것과 같은 히트 싱크는 전술된 설계들 중 어느 것에도 적용될 수 있다.

도 9는 본 발명의 실시예에 따른 LED 디바이스를 제조하는 방법을 도시한다.

도 9의A는 제1 코어 층(26), 제2 코어 층(27), 및 프리-프레그 재료(28)의 층 내에 LED 모듈을 수용하기 위한 애퍼처를 형성하는 제1 단계를 도시하고, 구리 층들(25, 29)은 스택의 외부 표면들 상에 제공된다. 층들은 애퍼처들이 정렬되면서 적층된다.

도 9의B는 LED 모듈(14)이 그것을 위해 설계된 개구 내에 도입되는 것을 도시한다. LED 모듈(14)은 세라믹 기판, 예를 들어 AlN을 가진다. 표면 상에 하나의 LED 또는 복수의 LED들, 예를 들어 1개 내지 100개의 LED들이 있을 수 있다. 모듈(14)은 후속의 라미네이션 프로세스 동안 LED들을 보호하기 위한 보호 커버링(covering)을 구비한다. LED 칩은 예를 들어 유텍틱(eutectic) 금(AuSn 80/20)을 사용하여 아래의 기판에 납땜된다. 이것은 모듈이 끼워지기 전에 수행되고, 이는 비싸지 않은 회로 보드 재료들은 높은 납땜 온도를 견디지 못하기 때문이다.

LED 모듈은 오버 몰드된 측면 코팅(over-molded side coating) 및/또는 과도 전압 억제(TVS, transient voltage suppression) 다이오드들을 더 포함할 수 있다.

도 9의C는 최상부 및 저부 코어 층들(26, 27)의 라미네이션을 도시한다. 라미네이션 프로세스에서, 프리-프레그 재료의 점도는 그것이 받는 열 및 압력으로 인해 감소한다. 프리-프레그 재료는 회로 보드 기판의 층들과 LED 모듈(14) 주변으로 흐르고, 그에 의해 제1 및 제2 코어 층들(26, 27) 사이의 갭들과, 회로 보드 기판(16)과 LED 모듈(14) 사이의 캐비티(30) 내의 갭들을 채운다. 다음으로, 프리-프레그 재료는 경화되어, 제1 및 제2 코어 층들(26,27)을 함께 본딩하고 LED 모듈(14)을 PCB 구조체 내에 고정시킨다.

코어 층들은 예를 들어 FR4이다.

도 9의D는 PCB 트랙들이 종래의 방식으로 도금되고 에칭된 후의 구조체를 도시한다. PCB 트랙들은 제1 LED 접촉 부분(32)과 정렬된 제1 전도성 트랙 및 제2 LED 접촉 부분(34)과 정렬된 제2 전도성 트랙을 포함한다. 라미네이션, 프린팅 또는 도금, 및 에칭 동안, LED들은 보호 커버링에 의해 보호된다. 전기 도금 단계는 LED 접촉 부분들 및 PCB 트랙들(도시되지 않음)을 연결하기 위해 실행된다. 사용된 임의의 보호 커버링은 프로세스의 끝에서 제거된다.

위에서 설명된 바와 같이, 몇몇의 예들에서, 표면 탑재 컴포넌트들 형태의 전기적 연결들이 또한 적용될 수 있다.

LED 디바이스가 멀티-칩(multi-chip) 디바이스가 되도록, LED 디바이스는 복수의 LED 칩들을 포함할 수 있다. 이러한 복수의 칩은 단일 모듈의 부분으로 형성될 수 있지만, 동일하게 LED 디바이스는 회로 보드 기판으로 집적되는 복수의 분리된 LED 모듈들을 포함할 수 있다. LED 기판은 LED 기판 상에 탑재된 각각의 LED 칩이 개별적으로 어드레스가능(addressable)하도록 복수의 (쌍들의) 접촉 부분들을 포함할 수 있다. 이는 메트릭스 빔 응용들에서 특별히 흥미가 있다.

LED 기판 및 회로 보드 기판의 수용 캐비티는 위에서 보여진 예들에서와 같이 원통형이 아닐 수 있다. 대신에, LED 기판 및 수용 캐비티는 직사각형 단면, 또는 임의의 다른 형상의 단면을 가질 수 있다. LED 모듈 기판은 PCB를 완전히 관통하여 연장될 수 있으나, 이를 대신하여, 기판을 부분적으로만 관통하여 연장된 리세스(recess) 내에 형성될 수 있다.

LED 기판은 위에 주어진 예들과는 다른 세라믹 재료를 포함할 수 있다. 대안적으로, LED 기판은 금속으로 이루어질 수 있다. LED 기판은 Al₂O₃를 포함할 수 있다. LED 기판은 Al로 이루어질 수 있고, 얇은 격리 필름을 더 포함할 수 있다.

LED 모듈은 웨이퍼 레벨 칩 패키지를 포함할 수 있으며, 여기서 LED 칩은 웨이퍼 레벨 칩 패키지의 일부이다.

PCB의 제1 및 제2 코어 층들은 전술한 예에서와 같은 FR4뿐만이 아니라 회로 보드 기판에 적합한 임의의 알려진 어떠한 원 재료, 예를 들어 FR1, 비스말레이미드/트리아진(BT, bismaleimide/triazine) 또는 에폭시 합성물 재료(CEM, composite epoxy material), 또는 임의의 다른 PCB 라미네이트 재료를 포함할 수 있다.

컨버터 층은 LED 칩에 의해 방출되는 광의 파장들의 특정 범위를 선택하기 위한 필터를 포함할 수 있다. 예를 들어, 필터는 LED 디바이스가 주황색 광을 방출하도록 주황색 필터일 수 있다.

LED 디바이스는 복층의 회로 보드를 포함할 수 있다.

이 제조 방법에서, 애퍼처가 제1 및 제2 코어 층들 내에 형성되기 전에, 제1 및 제2 코어 층은 코어 층의 표면에 본딩된 구리 층들을 구비할 수 있다. 그 대신에, 구리 층은 애퍼처가 형성된 후에, 예를 들어 구리 호일을 라미네이팅하는 것에 의해 제1 및 제2 코어 층들에 더해질 수 있다.

이를 대신하여, 구리 층들은 금속화 단계 내에서 제1 및 제2 코어 층들 상에 코팅될 수 있다.

본 기술분야의 통상의 기술자는 도면, 개시내용, 및 첨부된 청구범위를 숙지한다면, 청구된 발명을 실시하는 데 있어서 개시된 실시예들에 대한 다른 변경들을 이해하고 시행할 수 있다. 청구항들에서, 단어 "포함하는"은 다른 요소들 또는 단계들을 배제하지 않고, 단수 표현은 복수를 배제하지 않는다. 소정의 수단들이 상호 다른 종속 청구항들에 나열된다는 사실만으로 이들 수단들의 조합이 유리하게 사용될 수 없다는 것을 나타내지는 않는다. 청구항들에서의 임의의 참조 부호들이 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.

Claims

LED 디바이스를 제조하는 방법으로서,
회로 보드 기판을 제공하는 단계 - 상기 회로 보드 기판은 코어 층들의 스택, 프리-프레그 층(pre-preg layer), 제1 구리 층 및 제2 구리 층을 포함하고, 상기 제1 구리 층 및 상기 제2 구리 층은 상기 회로 보드 기판의 외부 표면들 상에 있고, 상기 회로 보드 기판은 LED 모듈을 수용하기 위한 수용부를 더 포함하고, 상기 LED 모듈은 LED 기판 상에 탑재된 LED 칩을 포함하고, 상기 LED 기판은 탑재 표면 및 상기 탑재 표면에 반대되는 저부 표면, 상기 LED 기판의 탑재 표면 상에서 상기 LED 칩 아래에 있는 제1 접촉 부분 및 제2 접촉 부분을 포함함 - ;
상기 제1 구리 층이 상기 LED 모듈의 제1 접촉 부분 및 제2 접촉 부분과 정렬되고 상기 제1 접촉 부분 및 제2 접촉 부분에 인접하도록 상기 수용부에 상기 LED 모듈을 제공하는 단계; 및
상기 수용부 내에 상기 LED 모듈을 제공한 후, 프리-프레그 재료가 상기 LED 기판과 상기 회로 보드 기판 사이의 갭들 내로 흐르는 것을 허용하고, 상기 프리 프레그 재료를 경화하여 상기 회로 보드 기판의 상기 코어 층들을 함께 본딩하고 상기 LED 기판을 상기 회로 보드 기판과 집적하기 위하여 열 및 압력을 가하는 단계
를 포함하는, LED 디바이스를 제조하는 방법.
제1항에 있어서,
라미네이팅 후에, 상기 제1 구리 층에 에칭 단계를 수행하는 단계 - 상기 제1 구리 층의 남은 부분들은 복수의 전도성 트랙들을 포함하는 회로를 형성함 -
를 더 포함하는, LED 디바이스를 제조하는 방법.
제2항에 있어서,
상기 에칭 단계 후에, 회로 보드의 제1 전도성 트랙을 상기 LED 모듈의 상기 제1 접촉 부분에 연결하고, 상기 LED 모듈의 상기 제2 접촉 부분을 상기 회로 보드의 제2 전도성 트랙에 연결하기 위한 전기 도금 단계를 수행하는 단계
를 더 포함하는, LED 디바이스를 제조하는 방법.
제2항에 있어서, 상기 LED 모듈의 측벽 상에 측벽 접촉 부분을 제공하고, 상기 측벽 접촉 부분을 회로 보드의 전도성 트랙에 연결하기 위한 전기 도금 단계를 수행하는 단계를 더 포함하는, LED 디바이스를 제조하는 방법.
제2항에 있어서,
상기 LED 기판의 탑재 표면 상에 상기 제1 접촉 부분 및 상기 제2 접촉 부분을 제공하는 단계; 및
회로 보드의 제1 전도성 트랙을 상기 LED 모듈의 상기 제1 접촉 부분에 연결하기 위해 제1 표면 탑재 컴포넌트를 탑재하고, 상기 LED 모듈의 상기 제2 접촉 부분을 상기 회로 보드의 제2 전도성 트랙에 연결하기 위해 제2 표면 탑재 컴포넌트를 탑재하는 단계
를 더 포함하는, LED 디바이스를 제조하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 수용부 내에 LED 모듈을 제공하는 단계는 상기 회로 보드 기판의 상기 외부 표면들 중 상부의 외부 표면 상에 상기 LED 칩을 탑재하는 단계를 포함하는, LED 디바이스를 제조하는 방법.
제6항에 있어서, 상기 회로 보드 기판의 상기 외부 표면들 중 상부의 외부 표면 상에 광학 소자를 제공하는 단계를 더 포함하는, LED 디바이스를 제조하는 방법.
제7항에 있어서, 상기 광학 소자는 도광체인, LED 디바이스를 제조하는 방법.