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KR101372084B1 - 항복형 기판을 갖는 전자 장치 - Google Patents

항복형 기판을 갖는 전자 장치 Download PDF

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KR101372084B1
KR101372084B1 KR1020137002293A KR20137002293A KR101372084B1 KR 101372084 B1 KR101372084 B1 KR 101372084B1 KR 1020137002293 A KR1020137002293 A KR 1020137002293A KR 20137002293 A KR20137002293 A KR 20137002293A KR 101372084 B1 KR101372084 B1 KR 101372084B1
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KR
South Korea
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substrate
electronic device
trace
contacts
unpackaged
Prior art date
Application number
KR1020137002293A
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English (en)
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KR20130087518A (ko
Inventor
마이클 티슐러
필립페 쉬크
이안 애쉬다운
켈빈 웨이드 쉰
폴 정워스
Original Assignee
쿨레지 라이팅 인크.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B47/00—Circuit arrangements for operating light sources in general, i.e. where the type of light source is not relevant
    • H05B47/10—Controlling the light source
    • H05B47/105—Controlling the light source in response to determined parameters
    • H05B47/11—Controlling the light source in response to determined parameters by determining the brightness or colour temperature of ambient light
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B47/00—Circuit arrangements for operating light sources in general, i.e. where the type of light source is not relevant
    • H05B47/10—Controlling the light source
    • H05B47/105—Controlling the light source in response to determined parameters
    • H05B47/115—Controlling the light source in response to determined parameters by determining the presence or movement of objects or living beings
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B47/00—Circuit arrangements for operating light sources in general, i.e. where the type of light source is not relevant
    • H05B47/10—Controlling the light source
    • H05B47/175—Controlling the light source by remote control
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K1/00—Printed circuits
    • H05K1/18—Printed circuits structurally associated with non-printed electric components
    • H05K1/189—Printed circuits structurally associated with non-printed electric components characterised by the use of a flexible or folded printed circuit
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K3/00—Apparatus or processes for manufacturing printed circuits
    • H05K3/30—Assembling printed circuits with electric components, e.g. with resistor
    • H05K3/32—Assembling printed circuits with electric components, e.g. with resistor electrically connecting electric components or wires to printed circuits
    • H05K3/321—Assembling printed circuits with electric components, e.g. with resistor electrically connecting electric components or wires to printed circuits by conductive adhesives
    • H05K3/323—Assembling printed circuits with electric components, e.g. with resistor electrically connecting electric components or wires to printed circuits by conductive adhesives by applying an anisotropic conductive adhesive layer over an array of pads
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K77/00—Constructional details of devices covered by this subclass and not covered by groups H10K10/80, H10K30/80, H10K50/80 or H10K59/80
    • H10K77/10—Substrates, e.g. flexible substrates
    • H10K77/111—Flexible substrates
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21Y—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES F21K, F21L, F21S and F21V, RELATING TO THE FORM OR THE KIND OF THE LIGHT SOURCES OR OF THE COLOUR OF THE LIGHT EMITTED
    • F21Y2115/00—Light-generating elements of semiconductor light sources
    • F21Y2115/10—Light-emitting diodes [LED]
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/13—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
    • G02F1/133—Constructional arrangements; Operation of liquid crystal cells; Circuit arrangements
    • G02F1/1333—Constructional arrangements; Manufacturing methods
    • G02F1/1335—Structural association of cells with optical devices, e.g. polarisers or reflectors
    • G02F1/1336—Illuminating devices
    • G02F1/133602—Direct backlight
    • G02F1/133603—Direct backlight with LEDs
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    • H01L2224/02—Bonding areas; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/04—Structure, shape, material or disposition of the bonding areas prior to the connecting process
    • H01L2224/06—Structure, shape, material or disposition of the bonding areas prior to the connecting process of a plurality of bonding areas
    • H01L2224/061—Disposition
    • H01L2224/06102—Disposition the bonding areas being at different heights
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    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
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    • H01L2224/15—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors after the connecting process
    • H01L2224/16—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors after the connecting process of an individual bump connector
    • H01L2224/161—Disposition
    • H01L2224/16151—Disposition the bump connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
    • H01L2224/16221—Disposition the bump connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
    • H01L2224/16225—Disposition the bump connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation
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    • H01L2224/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/28—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process
    • H01L2224/29—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process of an individual layer connector
    • H01L2224/29001—Core members of the layer connector
    • H01L2224/29099—Material
    • H01L2224/29198—Material with a principal constituent of the material being a combination of two or more materials in the form of a matrix with a filler, i.e. being a hybrid material, e.g. segmented structures, foams
    • H01L2224/29199—Material of the matrix
    • H01L2224/2929—Material of the matrix with a principal constituent of the material being a polymer, e.g. polyester, phenolic based polymer, epoxy
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    • H01L2224/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/31—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process
    • H01L2224/32—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process of an individual layer connector
    • H01L2224/321—Disposition
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    • H01L2224/32221—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
    • H01L2224/32225—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation
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    • H01L2224/732—Location after the connecting process
    • H01L2224/73201—Location after the connecting process on the same surface
    • H01L2224/73203—Bump and layer connectors
    • H01L2224/73204—Bump and layer connectors the bump connector being embedded into the layer connector
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    • H01L2224/83—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a layer connector
    • H01L2224/8338—Bonding interfaces outside the semiconductor or solid-state body
    • H01L2224/83385—Shape, e.g. interlocking features
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    • H01L2224/83—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a layer connector
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    • H01L2224/8385—Bonding techniques using a polymer adhesive, e.g. an adhesive based on silicone, epoxy, polyimide, polyester
    • H01L2224/83851—Bonding techniques using a polymer adhesive, e.g. an adhesive based on silicone, epoxy, polyimide, polyester being an anisotropic conductive adhesive
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    • H01L2224/83—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a layer connector
    • H01L2224/838—Bonding techniques
    • H01L2224/8385—Bonding techniques using a polymer adhesive, e.g. an adhesive based on silicone, epoxy, polyimide, polyester
    • H01L2224/83855—Hardening the adhesive by curing, i.e. thermosetting
    • H01L2224/83862—Heat curing
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    • H01L2225/10—All the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/648 and H10K99/00 the devices having separate containers
    • H01L2225/1005—All the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/648 and H10K99/00 the devices having separate containers the devices being of a type provided for in group H01L27/00
    • H01L2225/1011—All the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/648 and H10K99/00 the devices having separate containers the devices being of a type provided for in group H01L27/00 the containers being in a stacked arrangement
    • H01L2225/1047—Details of electrical connections between containers
    • H01L2225/107—Indirect electrical connections, e.g. via an interposer, a flexible substrate, using TAB
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    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/36—Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
    • H01L23/367—Cooling facilitated by shape of device
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Abstract

소정 실시형태들에 따르면, 반도체 다이는 반도체 다이의 표면의 비평면성 또는 반도체 다이 컨택트들의 비-동일평면성에도 불구하고 압력-활성화 접착제에 의해 항복형 기판에 직접 접착된다.

Description

항복형 기판을 갖는 전자 장치{ELECTRONIC DEVICES WITH YIELDING SUBSTRATES}
관련 출원
본 출원은, 2010년 6월 29일 출원된 미국 가출원 번호 제61/359,467호, 2010년 7월 9일 출원된 미국 가출원 번호 제61/363,17호, 2010년 8월 25일 출원된 미국 가출원 번호 제61/376,707호, 2010년 10월 5일 출원된 미국 가출원 번호 제61/390,128호, 2010년 10월 14일 출원된 미국 가출원 번호 제61/393,027호, 2011년 1월 16일 출원된 미국 가출원 번호 제61/433,249호, 2011년 2월 22일 출원된 미국 가출원 번호 제61/445,416호, 및 2011년 2월 28일 출원된 미국 가출원 번호 제61/447,680호의 혜택 및 우선권을 주장한다. 이들 출원들 각각의 전체 개시는 참조에 의해 본 명세서에 포함된다.
발명의 분야
본 발명은 대체로 전자 장치에 관한 것으로, 더 구체적으로는 어레이-기반의 전자 장치에 관한 것이다.
발광 다이오드(LED)와 같은 개별 광원들은, 더 높은 효율, 더 작은 폼 팩터, 더 긴 수명, 및 향상된 기계적 견고성으로 인해 조명 장치의 백열 전구에 대한 매력적인 대안이다. 그러나, LED 및 연관된 방열(heat-sinking) 및 열 관리 시스템의 높은 비용은 특히 일반 조명 응용에서 LED의 광범위한 사용을 제한하고 있다.
LED-기반의 조명 시스템의 높은 비용에는 몇 가지 원인이 있다. LED는 통상 패키지로 감싸고, 요구되는 광 강도를 달성하기 위해 각 조명 시스템에 복수의 패키징된 LED가 사용된다. 비용을 절감하기 위해, LED 제조업체는 비교적 높은 전류에서 작동함으로써 비교적 높은 광 강도를 방출할 수 있는 고출력 LED를 개발했다. 패키지 수를 줄이기는 하지만, 이들 LED는 더 높은 전류 레벨을 수용하고 발생되는 상당히 더 높은 열 수준을 관리하기 위해 비교적 높은 비용의 패키지를 요구한다. 높은 열 부하 및 전류는, 차례로, 더 비싼 열 관리 및 방열 시스템―예를 들어, 패키지의 열 슬러그, 세라믹 또는 금속 서브마운트(submount), 큰 금속이나 세라믹 방열판, 금속 코어 인쇄 회로 보드 등―을 요구하고, 이것은 또한 비용뿐만 아니라 시스템의 크기를 추가시킨다. 더 높은 작동 온도는 또한, 더 짧은 수명뿐만 아니라 감소된 신뢰성으로 이어진다. 마지막으로, LED 효율(efficacy)은 통상 구동 전류 증가에 따라 감소하여, 비교적 더 높은 전류에서의 LED의 동작은 더 낮은 전류 동작과 비교할 때 효율의 상대적 감소를 초래한다. 고전류 동작을 지원하기 위해, LED 칩(패키지 내부)은 비교적 더 큰 컨택트 영역을 요구한다. 또한, 고출력 LED는 종종 이들 영역에서 발광을 방지하기 위해 컨택트 아래에 전류 차단층을 가진다. 더 큰 컨택트 영역과 전류 차단층은 칩의 발광 영역을 줄이고, 그 결과, 효율이 감소되고, 웨이퍼당 칩 수가 적어지며, 비용이 증가한다.
컨택트 크기는, 패키지, 또 다른 기판이나 기타의 지지 부재에 LED 칩을 접속하는데 이용되는 방법에 의해 더욱 제한된다. 가장 일반적으로, LED 칩은 와이어 본딩을 이용하여 상호접속된다. 와이어 본딩 프로세스는, 전류 레벨과는 관계없이 소정의 최소 컨택트 면적을 요구한다. 그 결과, 저전류 LED에서도, 컨택트 크기는 와이어 본딩에 요구되는 최소 아래로 감소될 수 없다. 패키지에 LED 칩을 접속하기 위한 또 다른 일반적인 접근법은, 패키지, 서브마운트 또는 기판에 LED를 접합하는 전도성 접착제 또는 땜납과 같은 에이전트를 사용하는 것이다. 이들 에이전트는 또한 상대적으로 비싸고, LED의 컨택트가 서로 단락되어 장치를 동작불능으로 하는 것을 방지하도록 그 분산을 제어하기 위해 복잡한 프로세스를 요구할 수 있다; 이것은, 장치 지오메트리(예를 들어, 컨택트들 사이의 간격) 및 크기 등이 계속 축소될 때는 특히 그러하다.
다양한 기판에 대한 LED의 접속을 용이하게 하는 최근의 한 진보는 이방성 전도성 접착제(ACA)로서, 이것은 한 방향에서는(예를 들어, 장치 컨택트와 기판 컨택트 사이에서 수직으로) 전기적 상호접속을 가능케 하지만, 다른 방향들에서는(예를 들어, 장치 상의 컨택트들 사이 또는 기판 상의 컨택트들 사이에서 수평으로) 상호접속을 방지한다. 최신의 ACA는 압력-활성화되므로, 이방성 전기 전도성을 생성하고 접착을 촉진하기 위하여 LED가 접합되는 표면상에 또는 LED 접합 패드 상에 "스터드 범프(stud bumps)" 또는 기타의 금속 돌출부의 제공을 요구한다. 다른 비-압력-활성화 유형의 ACA(예를 들어, 자성의 전도성 "컬럼"을 원하는 전도 방향으로 정렬하기 위하여 경화 중에 압력이 아니라 자기장이 인가되는, New Jersey, Mt. Laurel의 SunRay Scientific사의 ZTACH)가 존재하지만, 이러한 ACA는 덜 일반적이고 추가의 잠재적으로 비싼 장비(예를 들어, 자석)을 요구한다.
본 분야에 공지된 바와 같이, 압력-활성화 ACA는 일반적으로 접착제 베이스, 예를 들어, (금속이나 절연 재료로 코팅된 전도성 재료와 같은) 전도성 재료 또는 전도성 재료로 코팅된 절연 재료의 "입자"(예를 들어, 구체)를 포함하는, 접착제 또는 에폭시 재료를 포함한다. 도 1은 전자 장치를 기판에 접속하는 압력-활성화 ACA의 종래 사용을 도시한다. 도시된 바와 같이, 복수의 컨택트(110)를 갖는 전자 장치(100)는 ACA(130)의 사용을 통해 기판(120)에 접착되어 전기적으로 접속되어 있다. ACA(130)는 적어도 부분적으로 전도성인 입자(150)의 분산을 포함하는 접착제 베이스(140)를 포함한다. 앞서 언급되고 도 1에 도시된 바와 같이, 종래에는, 장치와 기판 상의 전기적 상호접속부 사이의 충분한 접합과 전기 접속을 달성하기 위하여, ACA의 사용은, 타겟 기판이 접합될 장치 컨택트와 대향하는, (통상 적어도 30 ㎛ 내지 50 ㎛의 두께를 갖는) 스터드 범프 또는 기판으로부터 돌출된 기타의 전도성 구조물을 포함할 것을 요구한다. 즉, 도 1의 정황에서, 기판(120) 상의 (명료성을 위해 두께가 과장되어 있는) 전기 트레이스(160)로의 컨택트(110)의 접착 및 전기 접속은 스터드 범프(170)의 존재를 요구한다. 도시된 바와 같이, 전도성 입자(150)는 각 컨택트(110)와 그 각각의 트레이스(160) 사이의 전기 접속을 제공하지만, 컨택트들(110) 사이 및/또는 트레이스들(160) 사이에 전기 접속이 형성되지 않도록 충분히 낮은 밀도로 베이스(140) 내에 분산되어 있다. 스터드 범프(170)는 전기 접속의 일부를 제공할 뿐만 아니라, 입자(150)가 맞대어 압축되는 딱딱한 플랫폼을 제공하여, ACA(130)의 전도도를 급격히 증가시키고 이를 통한 전기 접속을 가능하게 한다(컨택트/스터드 범프쌍 사이의 압축되지 않은 ACA를 가로질러서는 아님). 대안적인 지오메트리에서, 스터드 범프는 컨택트(110)에 부착될 수도 있다. ACA를 수반하는 다른 기술들이 가능하며, 본 발명은 ACA의 특정한 동작 모드에 의해 한정되는 것은 아님에 유의해야 한다.
그러나, 스터드 범프 또는 등가의 전도성 구조물의 사용은 많은 응용에서 문제가 많고 값이 비쌀 수 있다. 특히 장치와 장치 컨택트 크기가 계속 감소하면, 스터드 범프는 종종 개개의 컨택트로 접속하기에는 너무 크다. 스터드 범프의 형성은, 특히 장치 컨택트가 (다양한 높이의 스터드 범프가 요구되므로) 비-동일평면(non-coplanar)일 때, 기판 상에 높낮이(topography)의 형성, 복잡하고 값비싼 프로세스를 반드시 필요로 한다. 또한, 언패키징된 반도체 다이(예를 들어, 베어-다이 LED)를 이용하는 응용에서, 스터드 범프로의 장치의 접합은 (예를 들어, 인가된 접합 압력으로 인해 스터드 범프들 사이에서 다이가 굽는다면) 해로운 국지화된 응력(stress)을 초래할 수 있다. 결국, 스터드 범프 또는 유사한 구조물의 사용은, 범프와 기판 또는 접합된 다이 사이에서 열팽창 부정합(및 수반하는 응력)을 초래할 수 있다.
그러나, 스터드 범프 또는 기타의 돌출 구조물이 없이는, 종래의 기판에의 반도체 다이의 접합은, 특히 반도체 다이 상의 컨택트들이 비-동일평면인 경우, 이들 간에 신뢰성 있는 전기 접속으로 이어지지 않을 것이다. 도 2는 문제를 예시하는 일반적인 장치 환경을 도시한다. 도시된 바와 같이, LED 다이(200)는, n-도핑된 층(220)에 대한 컨택트(210)와 p-도핑된 층(240)에 대한 컨택트(230)을 특징으로 한다. p-도핑된 층(240)의 일부는 n-도핑된 층(220) 위의 컨택트(210)의 형성을 가능케 하기 위해 제거됨으로써, 컨택트들(210 및 230)이 비-동일평면으로 되었다. 도 2에서, LED 다이(200)를, 실질적으로 경성이고 변형불가능한 종래 기판(120)(예를 들어, 인쇄 회로 보드)에 접합하는 시도가 이루어졌다. 적어도 부분적으로 컨택트(210)와 컨택트(230) 사이의 비-동일평면성으로 인해, 압력-활성화 ACA(130)의 입자(150)는 컨택트(230)와 그 대응하는 트레이스(160-1) 사이의 압축 지역에서 전기적 접촉을 확립하지만, 스터드 범프가 없어서, 충분한 압력의 부재로 인해 컨택트(210)와 그 대응하는 트레이스(160-2) 사이에는 유사한 전기 접속이 형성될 수 없다. 컨택트(210)와 트레이스(160-2) 사이에 초기에 일시적인 전기 접속이 형성되더라도, ACA(130)의 경화시에 및/또는 동작 동안에, ACA(130)는 팽창 또는 수축할 수 있어서, 결과적으로, LED 다이(200)의 전기 접촉의 소실과 작동불능을 초래한다. 이러한 팽창 및/또는 수축은 또한, 예를 들어, 주변 가열이나 동작으로부터의 자체 가열로부터, 동작 동안에도 발생할 수가 있어서, 신뢰할 수 없는 동작을 야기할 수 있다.
전술된 내용에 비추어, 스터드 범프나 유사한 구조물의 사용 없이 압력-활성화 접착제를 통해 다양한 반도체 다이(예를 들어, LED 다이 및 태양 전지 다이)를 기판의 전기 트레이스에 직접 저비용으로 신뢰성 있게 접합할 수 있게 하는 시스템 및 절차와, 이러한 시스템 및 프로세스에 기초한 저비용의 신뢰성 있는 LED-기반의 조명 시스템에 대한 필요성이 존재한다.
소정 실시형태에 따라, 하나 이상의 반도체 다이가, 개재된 스터드 범프나 유사한 구조물을 사용하지 않고 압력-감응 접착제(예를 들어, ACA)에 의해 가요성의 및/또는 변형가능한 기판에 부착된다. 기판은, 컨택트의 어떠한 비-동일평면성에도 불구하고, 압축력에 국부적으로 항복하여 반도체 다이 컨택트로의 기계적으로 강하고 전기적으로 전도성의 접속을 형성할 수 있다. 일부 실시형태에서, 기판은 물리력에 응하여 휘기 쉽고 탄력 있다는 의미에서 "가요성(flexible)"이다(즉, 물리력의 제거시 탄력적으로 원래의 구성을 되찾는 경향이 있다). 기판은 물리력에 순응적으로 항복한다는 의미에서 "변형가능"할 수 있지만, 그 변형은 영구적이거나 그렇지 않을 수 있다; 즉, 기판은 탄력 있는 것이 아닐 수 있다. 여기서 사용되는 가요성 재료는 변형가능하거나 변형가능하지 않을 수 있고(즉, 이들은, 예를 들어, 구조적 찌그러짐을 겪지 않고 구부러짐으로써 탄력적으로 반응할 수 있다), 변형가능한 기판은 가요성이거나 가요성이 아닐 수 있다(즉, 이들은 물리력에 응하여 영구적인 구조적 찌그러짐을 겪을 수 있다). 여기서 사용되는 용어 "항복형(yielding)"은 가요성의 또는 변형가능한 또는 양쪽 모두인 재료를 함축하기 위해 사용된다.
항복형 기판의 사용은 접합 및 기판-준비 절차를 간소화하며, 또한 경성 기판에 적합하지 않은 환경 및/또는 응용에서 반도체 다이의 배치를 용이하게 한다. 이 기판은 실질적으로 투명할 수도 있으며, 본 발명의 실시형태가 이용될 수 있는 잠재적인 응용의 범위를 더욱 넓혀준다. 항복형 기판은 반도체 다이의 어레이를 특징으로 하는 어셈블리의 비싸지 않고 간단한 제조를 가능케 하기 때문에, 본 발명의 실시형태는 기판의 경성이 바람직할 수 있는 응용에서도 유익하게 이용될 수 있다. 예를 들어, 가요성 기판(들) 및 반도체 다이는 구조적 지지를 제공하는 실질적으로 경성의 프레임이나 기타의 장치에 부착 및/또는 그 안에 탑재될 수 있다. 이러한 한 실시형태에서, 하나 이상의 항복형 기판 상의 발광 반도체 다이의 하나 이상의 어레이가 경성 프레임 내에 탑재되어 백라이팅 또는 일반적인 조명과 같은 응용을 위한 조명 어셈블리를 형성할 수 있다.
본 발명의 이점은, 광 손실을 최소화하는 설계에 의해, 광 손실로 인해 비효율적일 수 있는 오늘날의 형광등 기구(예를 들어, 표준 선형 형광등 갓)를 대체할 수 있는 능력이다. 게다가, 형광등은, 적절하게(및 값비싸게) 처리되지 않으면 환경적으로 유해할 수 있는 수은을 포함한다. 본 발명의 실시형태는 종래의 형광등 기구와 연관된 발광 효율보다 높은 발광 효율을 가진다. 더 일반적으로는, LED 조명은, 백열등, 할로겐등, 및 컴팩트 형광등에 비해 훨씬 높은 효율로 인해 에너지 소비를 극적으로 줄일 수 있는 잠재력을 가지고 있다.
한 양태에서, 본 발명의 실시형태는, 제1 및 제2의 별개의 비-동일평면 컨택트를 그 제1 면 상에 갖는 반도체 다이와, 제1 및 제2 전도성 트레이스를 그 제1 면 상에 갖는 항복형 기판을 포함하는 전자 장치를 특징으로 한다. 제1 및 제2 전도성 트레이스는 그들 사이의 갭에 의해 기판 상에서 분리되어 있다. 제1 및 제2 컨택트는, 제1 및 제2 컨택트의 비-동일평면성에도 불구하고, 트레이스나 컨택트를 전기적으로 교락(bridging)하지 않고, 압력-활성화 접착성 재료에 의해, 각각 제1 및 제2 전도성 트레이스에 접착되어 이들과 전기적으로 접촉한다. 일부 실시형태에서, 기판은 가요성이지만 변형가능하지 않다; 다른 실시형태에서, 기판은 변형가능하지만 가요성이 아니다; 또 다른 실시형태에서, 기판은 가요성이고 변형가능하다.
반도체 다이는, LED 다이, 예를 들어, 무기 LED 다이를 포함할 수 있다. 대안으로서, 반도체 다이는 레이저를 포함할 수 있고, GaN, AlN, InN, 또는 이들의 합금 또는 혼합물 중 적어도 하나를 포함하거나 본질적으로 이들로 구성된 반도체 재료; 또는 실리콘, GaAs, InAs, AlAs, InP, GaP, AlP, InSb, GaSb, AlSb, ZnO, 또는 이들의 합금 또는 혼합물 중 적어도 하나를 포함하거나 본질적으로 이들로 구성된 반도체 재료를 포함할 수 있다.
다양한 실시형태에서, 접착성 재료는, 제1 컨택트를 제1 트레이스에만 전기적으로 접속하고 제2 컨택트를 제2 트레이스에만 전기적으로 접속하는 ACA를 포함하거나 본질적으로 ACA로 구성된다. ACA의 일부는 갭 내에 배치되어 제1 컨택트를 제2 컨택트로부터 실질적으로 분리시킬 수 있다. 일부 실시형태에서, 접착성 재료는, 제1 컨택트를 제1 트레이스에만 전기적으로 접속하고 제2 컨택트를 제2 트레이스에만 전기적으로 접속하는 실질적으로 등방성 접착제를 포함하며, 장치는 갭 내에 배치된 비전도성 접착성 재료를 더 포함한다. 제1 및 제2 트레이스는 실질적으로 균일하고 실질적으로 동일한 두께를 가질 수 있다.
일부 실시형태에서, 장치는 반도체 다이의 제1 면의 적어도 일부 위에 반사성 재료를 더 포함한다. 반도체 다이의 제1 면에 실질적으로 수직인 차원(dimension)을 따른 제1 컨택트와 제2 컨택트 사이의 오프셋은 적어도 0.25 ㎛일 수 있다. 다양한 실시형태에서, 반도체 다이는 언패키징된다. 항복형 기판은 제1 트레이스와 제2 트레이스 사이에 국지적 변형을 포함할 수 있고, 이로써 제1 컨택트와 기판 사이의 거리는 제2 컨택트와 기판 사이의 거리와 실질적으로 동일하다.
일반적으로, 반도체 다이는 제1 트레이스와 제2 트레이스 사이의 갭을 가로질러 연장되며, 일부 실시형태에서는, 상기 반도체 다이 부근의 제2 반도체 다이도 역시 제1 트레이스와 제2 트레이스 사이의 갭을 가로질러 연장된다. 일부 실시형태에서, 제1 및 제2 전도성 트레이스는 전도성 잉크를 포함하고; 전도성 잉크는, 예를 들어, 은, 금, 알루미늄, 크롬, 구리, 및/또는 탄소를 포함할 수 있다. 다양한 실시형태에서, 반도체 다이에 의해 방출되는 파장에 대한 기판의 반사율은 80%보다 큰 반면, 다른 실시형태에서는, 반도체 다이에 의해 방출되는 파장에 대한 기판의 투과율이 80%보다 크다. 기판은, 폴리에틸렌 나프탈레이트(polyethylene naphthalate), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate), 폴리카보네이트(polycarbonat), 폴리에테르술폰(polyethersulfone), 폴리에스테르(polyester), 폴리이미드(polyimid), 폴리에틸렌(polyethylene), 및/또는 종이를 포함하거나 본질적으로 이들로 구성될 수 있다. 제1 트레이스와 제2 트레이스 사이의 갭은 약 25 ㎛와 약 1000 ㎛ 사이의 범위에 있을 수 있다. 본 발명의 이점은, 반도체 다이와 열이 통하는 방열판(heat sink)이 필요 없다는 것이다.
다양한 실시형태에서, 반도체 다이에 의해 방출된 광의 적어도 일부를 상이한 파장의 광으로 변환하기 위한 형광체 재료가 반도체 다이 위에 배치되거나 적어도 부분적으로 반도체 다이를 둘러싼다. 항복형 기판과 제1 및 제2 전도성 트레이스 위에 제2 기판이 배치될 수 있고, 여기서 제2 기판은 그것에 의하여 정의된 개구를 포함한다; 이러한 경우, 반도체 다이와 형광체 재료는 개구에 배치될 수 있다. 게다가, 항복형일 수 있는 제2 기판의 개구 위에 투명막이 배치될 수 있다.
일부 실시형태에서, 반도체 다이와 형광체 재료 사이에는 광학적으로 투명한 재료가 배치된다. 항복형 기판을 향해 변환된 광을 반사하기 위한 반사면이 형광체 재료 위에 배치될 수 있다.
또 다른 양태에서, 본 발명의 실시형태는, 제1 및 제2의 분리된 컨택트를 그 제1 면 상에 갖는 반도체 다이와; 제1 및 제2 전도성 트레이스를 그 제1 면 상의 접합 영역에서 갖는 항복형 기판을 포함하는 전자 장치에 관한 것으로, 제1 및 제2 전도성 트레이스는 그들 사이에 갭을 정의한다. 또한, 제1 및 제2 컨택트는, 트레이스나 컨택트를 전기적으로 교락하지 않고 압력-활성화 접착성 재료에 의해 각각 제1 및 제2 전도성 트레이스에 접착되어 전기적으로 접촉한다; 그리고, 적어도 접합 영역에서, 기판의 제1 면 위의 제1 및 제2 트레이스의 높이는 10 ㎛를 초과하지 않는다(또는 일부 실시형태에서는, 5 ㎛를 초과하지 않거나, 다른 실시형태에서는, 1 ㎛를 초과하지 않는다).
역시 또 다른 양태에서, 본 발명은 전자 장치를 형성하는 방법에 관한 것이다. 다양한 실시형태에서, 이 방법은 제1 및 제2 전도성 트레이스를 그 제1 면 상의 접합 영역에서 갖는 항복형 기판을 제공하는 단계를 포함하고, 여기서, 제1 및 제2 전도성 트레이스는 그들 사이의 갭에 의해 기판 상에서 분리되어 있다. 압력-활성화 접착성 재료에 의해, 반도체 다이의 제1 및 제2 컨택트는, 항복형 기판이나 반도체 다이 중 적어도 하나에 압력을 가함으로써 각각 제1 및 제2 전도성 트레이스에 접착되고, 이로써 트레이스나 컨택트를 전기적으로 교락하지 않고 (i) 제1 컨택트와 제1 트레이스 및/또는 (ii) 제2 컨택트와 제2 트레이스 사이에서 전기적 접속을 확립한다.
일부 실시형태에서, 기판은 가요성이지만 변형가능하지 않다; 다른 실시형태에서, 기판은 변형가능하지만 가요성이 아니다; 역시 다른 실시형태에서, 기판은 가요성이고 변형가능하다. 기판을 제공하는 단계는, 예를 들어, 제1 및 제2 트레이스를 기판 상에 인쇄하는 단계를 포함할 수 있다. 접착제는, 일부 실시형태에서, 경화될 수 있다. 제1 및 제2 컨택트는 동일평면 또는 비-동일평면일 수 있다. 항복형 기판 및/또는 반도체 다이에 압력을 가하는 단계는, 제1 컨택트와 제2 컨택트 사이의 비-동일평면성에도 불구하고 제1 및 제2 컨택트를 제1 및 제2 트레이스에 접착하기 위해 실질적으로 경성의 표면과 실질적으로 유연한 표면 사이에서 기판과 반도체 다이를 압축하는 단계를 포함할 수 있다. 접착하기 이전에, 접착성 재료는 제1 및 제2 컨택트 및/또는 제1 및 제2 트레이스 상에 제공될 수 있다. 접착성 재료를 제공하는 단계는 실질적으로 액체 형태로 접착성 재료를 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 다양한 실시형태에서, 접착성 재료는 ACA를 포함하거나 실질적으로 ACA로 구성된다. 비전도성의 접착성 재료가 갭 내의 항복형 기판 위에 형성될 수 있다.
일부 실시형태에서, 이 방법은 반도체 다이의 적어도 일부 위에 형광체 재료를 형성하는 단계를 더 포함한다; 형광체 재료는 반도체 다이에 의해 방출된 광의 적어도 일부를 상이한 파장의 광으로 변환한다. 원한다면, 제2 기판이 항복형 기판의 제1 면 상에 배치될 수 있다; 제2 기판은 반도체 다이가 배치되는 개구를 정의한다. 이 개구는 형광체 재료가 적어도 부분적으로 반도체 다이를 둘러싸도록 적어도 부분적으로 형광체 재료로 채워질 수 있다.
반도체 다이가 배치되는 오목부(depression)를 포함하는 제2 기판이, 항복형 기판의 제1 면 상에 형성될 수 있다. 형광체 재료가 오목부의 표면 위에 배치되거나, 및/또는 항복형 기판을 향하여 변환된 광을 반사하기 위한 반사면과 반도체 다이 사이에 배치될 수 있다. 반도체 다이는 언패키징될 수 있으며, 예를 들어, LED, 예를 들어, 무기 LED 다이일 수 있다. 대안으로서, 반도체 다이는 레이저를 포함하거나 레이저일 수 있다.
항복형 기판을 제공하고 컨택트를 트레이스에 접착하는 단계는, 예를 들어, 롤투롤(roll-to-roll) 프로세스에서 수행될 수 있다. 다양한 실시형태에서, 접착성 재료를 이용하여, 제2 반도체 다이의 제1 및 제2 컨택트는 제1 면과 대향하는 항복형 기판의 제2 면 상에 배치된 제3 및 제4 전도성 트레이스에 접착된다. 일부 실시형태에서, 제1 및 제2 컨택트는 실질적으로 동일평면이고, 적어도 접합 영역에서, 기판의 제1 면 위의 제1 및 제2 트레이스의 높이는 10 ㎛를 초과하지 않는다.
역시 또 다른 양태에서, 본 발명은, 다양한 실시형태에서, 복수의 활성 반도체층 및 복수의 컨택트를 포함하는 반도체 다이를 포함하는 전자 장치에 관한 것이다. 제1 및 제2의 활성 반도체층은 집합적으로, 제1 및 제2 컨택트가 연결(join)되는 비평면형의 제1 면을 정의한다. 이 장치는, 제1 및 제2 전도성 트레이스를 그 제1 면 상에 갖는 항복형 기판을 더 포함하고, 제1 및 제2 전도성 트레이스는 그들 사이의 갭에 의해 기판 상에서 분리되어 있다. 제1 및 제2 컨택트는, 반도체 다이의 제1 면의 비-동일평면성에도 불구하고, 트레이스나 컨택트를 전기적으로 교락하지 않고, 압력-활성화 접착성 재료에 의해, 각각 제1 및 제2 전도성 트레이스에 접착되어 전기적으로 접촉한다. 반도체 다이는, 복수의 활성 반도체층이 배치되는 반도체 기판을 포함하거나 이러한 반도체 기판으로 구성될 수 있다. 복수의 활성 반도체층은, 제1 활성 반도체층과 제2 활성 반도체층 사이에 배치된 발광 양자 우물(light-emitting quantum well)을 포함하거나 이러한 발광 양자 우물로 구성된다.
본 발명의 이점 및 특징들과 함께 이들 및 다른 목적들은, 이하의 상세한 설명, 첨부된 도면 및 청구항들을 참조하여 더 명백해질 것이다. 나아가, 본 명세서에서 기술되는 다양한 실시형태들의 특징들은 서로 배타적인 것이 아니며 다양한 조합과 치환으로 존재할 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 본 명세서에서 사용될 때, 용어 "실질적으로"는 ±10%, 어떤 실시형태들에서는, ±5%를 의미한다.
도면에서, 유사한 참조 문자는 일반적으로, 상이한 도면들에 걸쳐 동일한 부분을 가리킨다. 또한, 도면들은 반드시 축척비율대로 그려진 것은 아니고, 대신에 본 발명의 원리를 예시하는 데에 대체로 역점을 두었다. 이하의 설명에서, 본 발명의 다양한 실시형태들이 첨부된 도면을 참조하여 기술된다.
도 1은 종래 기술에 따른 압력-활성화 접착제를 이용하여 기판 상의 스터드 범프에 접합된 반도체 다이의 개략도이다;
도 2는 스터드 범프가 없이 압력-활성화 접착제를 이용하여 기판에 접합된 반도체 다이의 개략도로서, 그 결과의 신뢰성이 없는 전기 접속 또는 전기 접속 부재를 도시하고 있다;
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 다양한 실시형태에 따른, 처리의 상이한 단계들에서의 반도체 다이의 개략도이다;
도 3c는 본 발명의 실시형태에 따른 반도체 다이의 개략도이다;
도 4는 본 발명의 다양한 실시형태에 따라 이용되는 항복형 기판의 개략도이다;
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 항복형 기판에 접착된 반도체 다이의 개략도이다;
도 6a는 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 도 5에 도시된 것과 같은 항복형 기판에 접착된 복수의 반도체 다이를 특징으로 하는 전자 장치의 개략적 상부면도이다;
도 6b는 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 도 6a에 도시된 것과 유사한 전자 장치 내의 전도성 트레이스들 사이에 접착된 복수의 반도체 다이의 확대된 상부면도이다;
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 전자 장치에서 이용되는 전기 트레이스들의 레이아웃의 개략적 상부면도이다;
도 8a 내지 도 8d는 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 기판에 접착된 반도체 다이와 형광체의 통합의 개략적 단면도이다;
도 9a 내지 도 9d는 본 발명의 다양한 다른 실시형태에 따른 기판에 접착된 반도체 다이와 형광체의 통합의 개략적 단면도이다;
도 10은 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 원격 형광체와 반도체 다이를 특징으로 하는 전자 장치의 개략적 단면도이다;
도 11은 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 원격 형광체를 병합한 제2 기판과 반도체 다이를 특징으로 하는 전자 장치의 개략적 단면도이다;
도 12a는 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 발광 반도체 다이를 병합한 전자 모듈의 등각도(isometric view)이다;
도 12b는 도 12a에 도시된 모듈의 일부의 확대된 도면이다;
도 13은 도 12a의 전자 모듈의 일부의 분해도이다;
도 14는 본 발명의 다양한 실시형태에 따라 반도체 다이가 각각 접착된 복수의 기판을 병합한 전자 모듈의 등각도이다;
도 15는 도 14의 전자 모듈의 일부의 분해도이다;
도 16a는 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 발광 반도체 다이와 센서를 병합한 전자 모듈의 등각도이다;
도 16b는 도 16a에 도시된 것과 같은 전자 모듈들의 네트워크의 개략도이다;
도 17, 도 18a 및 도 18b는 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 백라이팅 응용을 위한 전자 모듈의 부분 분해 단면도이다;
도 19 및 도 20은 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 일반적 조명을 위한 전자 모듈의 부분 분해 단면도이다;
도 21은 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 반도체 다이가 접착된 복수의 기판을 병합한 전자 모듈의 하부면도이다;
도 22a 및 도 22b는 각각 도 21의 모듈의 일부의 하부면도 및 개략적 단면도이다.
도 23은 기계적 지지 프레임 내에 삽입된 도 21의 모듈의 개략적 단면도이다;
도 24a 및 도 24b는, 각각, 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 조명기구를 위한 개장(retrofit)으로서 이용되는 전자 모듈의 상부 등각도 및 하부 등각도이다;
도 25는 도 24a 및 도 24b에 도시된 모듈의 일부의 확대된 단면도이다;
도 26 및 도 27은, 각각, 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 조명기구를 위한 개장으로서 이용되는 전자 모듈의 부분 분해 등각 상부면도와 분해되지 않은 등각 상부면도이다;
도 28a는 선택사항적 확산기 시트(diffuser sheet)를 병합한 도 26 및 도 27에 도시된 모듈의 하부면 등각도이다;
도 28b는 선택사항적 확산기 시트가 없는 도 26 및 도 27에 도시된 모듈의 하부면 등각도이다;
먼저, 본 발명의 다양한 실시형태에서 이용하기 위한 예시적 반도체 다이(300)를 도시하는 도 3a 및 도 3b를 참조한다. 반도체 다이(300)는 통상 하나 이상의 반도체층(320)이 그 표면상에 배치된 기판(310)을 포함한다. 이 예시적 실시형태에서, 반도체 다이(300)는, LED 또는 레이저와 같은 발광 장치를 나타내지만, 본 발명의 다른 실시형태들은, 상이하거나 추가적인 기능, 예를 들어, 프로세서, 센서, 검출기 등을 갖춘 하나 이상의 반도체 다이를 특징으로 한다. 비-LED 다이가 여기서 설명되는 바와 같이 접합되거나 접합되지 않을 수 있고, LED들의 컨택트 지오메트리와는 상이한 컨택트 지오메트리를 가질 수 있다; 게다가, 이들은 후술되는 항복형 기판 위에 배치된 반도체층을 가지거나 가지지 않을 수 있다.
기판(310)은, 하나 이상의 반도체 재료, 예를 들어, 실리콘, GaAs, InP, GaN을 포함하거나 본질적으로 이들로 구성될 수 있으며, 도핑되거나 실질적으로 언도핑될(undoped)(예를 들어, 의도적으로 도핑되지 않을) 수 있다. 일부 실시형태에서, 기판(310)은 사파이어 또는 실리콘 카바이드를 포함하거나 본질적으로 이들로 구성된다. 기판(310)은 반도체 다이(300)에 의해 방출된 광의 파장에 대해 실질적으로 투명할 수 있다. 발광 장치에 대해 도시된 바와 같이, 반도체층(320)은, 바람직하게는 반대 극성으로 도핑된 제1 및 제2 도핑된(즉, 하나는 n-타입 도핑되고 다른 하나는 p-타입 도핑된) 층들(330, 340)을 포함할 수 있다. 하나 이상의 발광층(350), 예를 들어, 하나 이상의 양자 우물이 층들(330, 340) 사이에 배치될 수 있다. 층들(330, 340, 350) 각각은, 하나 이상의 반도체 재료, 예를 들어, 실리콘, InAs, AlAs, GaAs, InP, AlP, GaP, InSb, GaSb, AlSb, GaN, AlN, InN, 및/또는 그 혼합물이나 합금(예를 들어, 3원소 또는 4원소 등의 합금)을 포함하거나, 본질적으로 이들로 구성될 수 있다. 바람직한 실시형태에서, 반도체 다이(300)는 중합체 또는 유기 소자가 아니라 무기 소자이다. 여기서 언급될 때, 반도체 다이는 특별히 표시하지 않는 한 패키징되거나 언패키징될 수 있다(예를 들어, 베어-다이 LED는 언패키징된 반도체 다이이다). 일부 실시형태에서, 후술되는 반도체 다이(300)의 접합 이전에 또는 이후에 기판(310)의 실질적 전부 또는 일부가 제거된다. 이러한 제거는, 예를 들어, 화학적 에칭, 레이저 리프트-오프, 기계적 연삭 및/또는 화학적-기계적 연마 등에 의해 수행될 수 있다. 일부 실시형태에서 기판(310)의 전부 또는 일부가 제거되고, 후술되는 반도체 다이(300)의 접합 이전에 또는 이후에 제2 기판 ―예를 들어, 반도체 다이(300)에 의해 방출된 광의 파장에 대해 투명하거나 반사성의 기판― 이 기판(310) 또는 반도체층(320)에 부착된다. 일부 실시형태에서, 기판(310)은 실리콘을 포함하고, 실리콘 기판(310)의 전부 또는 일부가, 후술되는 반도체 다이(300)의 접합 이전에 또는 이후에 제거될 수 있다. 이러한 제거는, 예를 들어, 화학적 에칭, 레이저 리프트-오프, 기계적 연삭 및/또는 화학적-기계적 연마 등에 의해 수행될 수 있다.
도 3b에 도시된 바와 같이, 바람직한 실시형태에서, 반도체 다이(300)의 동일한 측 상의 층(330) 및 층(340)으로의 전기적 접촉을 용이하게 하기 위하여 (그리고, 예를 들어, 기판(310)을 통해 층(330)에 접촉할 필요없이, 또는 층(340) 위의 컨택트 패드를 층(330)에 전기적으로 접속시키는 분로에 의해 층(330)에 접촉할 필요없이) 층(330)의 일부가 노출되도록 반도체 다이(300)가 (예를 들어, 종래의 포토리소그래피 및 에칭 프로세스를 통해) 패터닝되고 에칭된다. 층(330)의 일부를 노출시키기 위하여 층들(340, 350)의 하나 이상의 부분이 제거되며(또는 결코 형성되지 않으며), 따라서 도 3b는 비-평면형인, 즉, 서로 동일평면이 아닌 노출된 부분들을 포함하는 반도체 다이(300)의 표면(360)을 도시한다. 표면(360)은, 나타나 있지 않은 층들의 부분들로부터 생긴 어떤 윤곽이나 토포그래피를 포함하는 반도체 다이(300)의 외측 표면에 대응한다. 반도체 다이(300)로의 전기 접촉을 용이하게 하기 위하여, 개별 전기 컨택트(370, 380)가 각각 층(330, 340) 상에 형성된다. 전기 컨택트(370, 380) 각각은, 적절한 전도성 재료, 예를 들어, 하나 이상의 금속이나 금속 합금 전도성 산화물, 또는 기타의 적절한 전도성 재료를 포함하거나 이들로 구성될 수 있으며, 도 3b에 도시된 바와 같이 일반적으로 (특히, 거의 동일한 두께를 갖는 실시형태에서) 비-동일평면이다. 일부 실시형태에서, 층(330) 및 층(340)의 노출된 표면들 사이(및/또는 컨택트(370, 380) 사이)의 수직 오프셋은 적어도 0.25 마이크로미터(㎛), 적어도 1 ㎛, 적어도 3 ㎛이거나, 심지어 더 클 수 있다.
일부 실시형태에서, 반도체 다이(300)는 정사각형 형상을 갖는 반면, 다른 실시형태에서는 반도체 다이(300)는 직사각형 형상을 가진다. 일부 바람직한 실시형태들에서, (후술되는) 접합을 용이하게 하기 위해, 반도체 다이(300)는 한 방향의 치수가 직교 방향의 치수를 초과하는 형상(예를 들어, 직사각형 형상)을 가질 수 있으며, 약 1.2:1보다 큰 반도체 다이(300)의 직교 방향의 종횡비(직사각형 형상의 경우, 길이 대 폭)를 가질 수 있다. 일부 실시형태에서, 반도체 다이(300)는 약 2:1보다 큰 또는 3:1보다 큰 종횡비를 가진다. 그러나, 형상 및 종횡비는 본 발명에 중요한 것은 아니며, 반도체 다이(300)는 임의의 형상을 가질 수 있다.
일부 실시형태에서, 반도체 다이(300)는 500 ㎛보다 작은 한 측방향 치수를 가진다. 반도체 다이(300)의 예시적 크기는 ~250 ㎛ × ~600 ㎛, ~250 ㎛ × ~400 ㎛, ~250 ㎛ × ~300 ㎛, 또는 ~225 ㎛ × ~175 ㎛를 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 반도체 다이(300)는, "마이크로 LED"라고도 불리는, 작은 LED 다이를 포함한다. 마이크로 LED는 일반적으로, 약 300 ㎛보다 작은 한 측방향 치수를 가진다. 일부 실시형태에서, 반도체 다이(300)는 약 200 ㎛보다 작거나 심지어 약 100 ㎛보다 작은 한 측방향 치수를 가진다. 예를 들어, 마이크로 LED는, ~225 ㎛ × ~175 ㎛, 또는 ~150 ㎛ × ~100 ㎛, 또는 ~150 ㎛ × ~50 ㎛의 크기를 가질 수 있다. 일부 실시형태에서, 마이크로 LED의 상부 표면의 표면적은 50,000 ㎛2 미만 또는 10,000 ㎛2 미만이다.
바람직한 실시형태들은, 예를 들어, 와이어 본드가 아닌 전도성 접착제를 이용하여 컨택트(370, 380)로의 전기 접촉을 용이하게 하기 때문에, (통상 한 측에서 적어도 80 ㎛의 접합 면적을 요구하는) 와이어나 볼 접합으로 접속하기에 불가능한 매우 작은 면적들도 접촉하는 데 접착제가 이용될 수 있어서 컨택트(370, 380)는 비교적 작은 지오메트릭 범위를 가질 수 있다. 다양한 실시형태에서, 한 치수(예를 들어, 직경이나 측면 길이)에서 컨택트(370, 380)의 한 쪽 또는 양쪽 모두의 범위는 약 100 ㎛보다 작거나, 약 70 ㎛보다 작거나, 약 35 ㎛보다 작거나, 또는 심지어 약 20 ㎛보다 작다.
특히 반도체 다이(300)가 LED나 레이저와 같은 발광 소자를 포함하거나 본질적으로 이로 구성된다면, 컨택트(370, 380)는 (적어도 반도체 다이(300)에 의해 방출된 파장의 일부 또는 전부에 대해) 반사성일 수 있고 따라서 방출된 광을 기판(310) 쪽으로 다시 반사할 수 있다. 일부 실시형태에서, 반사성 컨택트(380)는 층(340)의 일부 또는 실질적으로 전부를 덮는 반면, 반사성 컨택트(370)는 층(330)의 일부 또는 실질적으로 전부를 덮는다. 반사성 컨택트 외에도, 반사기(390)(명료성을 위해 후속 도면에서는 도시되지 않음)가 컨택트들(370, 380)의 일부 사이에 또는 위에, 및 층들(340 및 33)의 일부 또는 실질적으로 전부 위에 배치될 수 있다. 반사기(390)는 반도체 다이(300)에 의해 방출된 광의 적어도 일부 또는 모든 파장에 대해 반사성이며, 다양한 재료를 포함할 수 있다. 한 실시형태에서, 반사기(390)는 컨택트들(370, 380)을 전기적으로 접속하지 않도록 비전도성이다. 반사기(390)는 브랙 반사기(Bragg reflector)일 수 있다. 반사기(390)는, 하나 이상의 전도성 재료, 예를 들어, 은, 금, 백금 등과 같은 금속을 포함할 수 있다. 반사기(390) 대신에 또는 이에 추가하여, 컨택트들(370, 380)을 제외한 반도체 다이의 노출된 표면들은, 절연 재료, 예를 들어, 실리콘 질화물과 같은 질화물 또는 실리콘 산화물과 같은 산화물로 된 하나 이상의 층으로 덮일 수 있다. 일부 실시형태에서, 컨택트들(370, 380)은 트레이스(410)로의 접속을 위한 접합부와, 반도체 다이(300)를 통해 더 균일한 전류를 제공하기 위한 전류-확산부를 포함하며, 일부 실시형태에서는, 컨택트들(370, 380)의 접합 부분을 제외하고 반도체 다이(300)의 모든 부분 또는 일부분 위에 절연 재료로 된 하나 이상의 층들이 형성된다. 도 3c는, 절연 재료(395)가 컨택트들(370, 380)을 제외하고 반도체 다이(300)의 표면을 덮고 있는 다이(300)의 개략도를 도시한다. 절연 재료(395)는 예를 들어, 실리콘 질화물, 실리콘 산화물, 및/또는 실리콘 이산화물을 포함하거나, 본질적으로 이들로 구성될 수 있다. 이러한 절연 재료(395)는, 층들(330, 340, 및 350)의 상부 및 측면의 일부분뿐만 아니라 반도체 다이(300)의 상부 및 측면의 모든 부분 또는 일부분을 덮을 수 있다. 절연 재료(395)는, 컨택트들(370, 380) 사이 또는 트레이스들(410)(도 4 참조) 사이에, 또는 접착제를 이용한 접합 동작 동안과 그 이후에 단락을 방지하는 역할을 할 수 있다.
도 3a, 3b, 3c, 및 4를 참조하면, 반도체 다이(300)는 접착제(510)나 기판(400)에 대한 용융이나 기타의 손상을 방지하기에 충분히 낮은 전류와 온도에서 동작한다. 예를 들어, 반도체 다이(300)의 동작 전류는 약 50 mA, 10 mA보다 작거나, 또는 일부 실시형태에서는 5 mA보다 작을 수 있다. 일부 실시형태에서, 동작 전류는 약 1 mA와 약 5 mA 사이에 있다. 동작 동안에 반도체 다이(300)의 접합부(junction) 온도는 약 100℃, 90℃를 초과하지 않거나, 80℃를 초과하지 않을 것이다. 그러나, 이것은 본 발명에서 중요한 것은 아니며, 다른 실시형태들에서, 접합 온도는 기판(400), 접착제(510), 또는 시스템의 기타 컴포넌트에 손상이나 기타의 악영향을 주지 않는 임의의 값일 수 있다는 점을 이해하여야 한다. 예를 들어, PEN과 같은 기판은, PET보다 높은 온도를 견딜 수 있으며, 당업자라면 특정 응용에 적절한 기판 재료를 수월하게 선택할 수 있다.
바람직한 실시형태에서, 반도체 다이(300), 특히 언패키징된 반도체 다이(300)의 작은 크기와, 그의 전술된 비교적 낮은 동작 전류 및 온도는, 종래에 이용되는 비교적 높은 열 전도도의 기판, 예를 들어, 세라믹 기판(Al2O3, AlN 등)이나 금속-코어 인쇄 회로 보드(MCPCB), 또는 반도체 다이(300)와 열적으로 통신하는 개별 또는 통합 방열판(즉, 열을 다른 데로 그리고 주변 환경 내로 전도시키는 핀(fin)과 같은 돌출부를 가질 수 있는, 플레이트나 블록과 같은 (예를 들어, 금속이나 세라믹을 포함하는) 열적으로 높은 전도성의 고정물)에 대한 필요성을 제거한다. 오히려, 기판(400) 그 자체(뿐만 아니라, 예를 들어, 접착제, 트레이스, 및 심지어 주변 환경 그 자체)는 동작 동안에 열을 반도체 다이(300)로부터 다른 데로 충분히 전도시킨다.
다양한 바람직한 실시형태에서, 기판(400) 상의 하나 이상의 반도체 다이(300)는 LED 및/또는 레이저와 같은 발광 소자이다. 종래의 발광 어셈블리는 면적당 방출되는 광량을 최대화하도록 설계된다. 각각의 개개 소자에 의해 방출되는 광량을 증가시키는 것을 수반하는 이러한 설계는, 반드시 각 소자에 의해 생성되는 열의 양의 증가를 초래하므로, 통상적으로 소자(예를 들어, LED 접합)로부터 주변으로의 낮은-열-저항 경로를 요구한다. 이들 발광 어셈블리는, 값비싼 재료 및/또는 복잡한 열-관리 수단, 예를 들어, 높은-열-전도도의 세라믹, 열 접촉 패드, 금속-코어 회로 보드, 대형 방열판, 및 심지어 팬과 같은 능동 냉각 장치를 이용하여, 반도체 다이(예를 들어 LED와 LED의 접합부)와 주변 환경 사이의 열 경로를 따른 열 저항을 최소화할 수 있다. 이러한 소자는 종종 2.5 ℃/Watt(℃/W)보다 작은, 또는 심지어 1 ℃/W보다 작은 열 저항을 가진다.
예를 들어, 고휘도 패키징된 LED를 대표하는 Cree XM-L 패키징된 LED는, 접합부로부터 땜납 지점까지의 2.5 ℃/W의 열 저항을 가진다. Cree 열 관리 가이드 CLD-AP05 REV 2에는, 양호한 설계에 의해, 땜납 지점으로부터 방열판까지의 열 저항이 1°C/W 미만으로 최소화될 수 있다고 기술되어 있다. 소정의 허용된 접합부 온도에 대하여 방열판으로부터 주변으로의 열 저항은 다음과 같이 계산될 수 있다:
Figure 112013008046994-pct00001
여기서, Rth . hs -a는 방열판으로부터 주변으로의 열 저항이고, Tjmax는 최대 접합부 온도이며, Ta는 주변 온도이고, Rth .j-s는 접합부로부터 땜납 지점까지의 열 저항이고, I는 LED 전류이며, V는 LED 전압이고, Rth .s- hs는 땜납 지점으로부터 방열판까지의 열 저항이다. Ta가 55°C이도록 허용하고 (Xm-L 사양 시트로부터) Tjmax= 150℃라고 하고, LED를 1A 및 6V에서 동작시키면, LED 전력은 6 watt이다. 요구되는 방열판은 12℃/W의 Rth . hs -a를 가져야 한다. 따라서, 접합부로부터 주변으로의 총 열 저항은 2.5+1+12 = 15.5℃/W이다. 비교적 더 작은 양의 광을 방출하는 LED는 비교적 더 높은 열 저항을 갖는 패키지를 이용한다. 예를 들어, 약 20 mA에서 동작하도록 설계된 부품은 통상 약 300℃/W 범위의 열 저항을 가진다.
대조적으로, 본 발명의 실시형태들은 반도체 다이(300)로부터 주변 환경으로의 경로를 따른 높은 열 저항을 특징으로 한다. 이 높은 열 저항은, 경로를 따른 각각의 개개 컴포넌트, 예를 들어, 기판(400), 접착제(510), 트레이스(410) 등에 적용될 수 있고, 및/또는 집합적으로 전체 경로에 적용될 수 있다. 구체적으로는, 경로를 따른 열 저항 및/또는 경로를 따른 하나 이상의 컴포넌트의 열 저항은 약 500℃/W보다 크거나, 약 1000 ℃/W보다 크거나, 심지어 약 2000℃/W보다 클 수 있다.
예를 들어, 한 실시형태에서, LED(300)의 p-n 접합부로부터 기판(400)(이 예에서는 5 mil 두께의 PET) 위의 인접한 트레이스(400)(이 예에서는, 은)로의 열 저항은 약 1800-2000℃/W인 것으로 측정되었다. 열의 일부는 트레이스(400)에 의해 소산(dissipate)되고, 또 일부는 기판(400)을 통해 흘러 그의 뒷면으로부터 방출된다. PET 필름은 8-18 ℃-cm2/W 범위의 열 저항을 가진다. 이 예에서 사용되는 다이 크기는 250 ㎛ × 600 ㎛이다. 열이 흐르는 면적이 한 측에서 1 mm이라고 가정하면, 그 면적은 1 mm2이고, 따라서 PET의 열 저항은 13 ℃-cm2/W(평균 열 저항)을 면적(.01 cm2)으로 나눈 것, 즉 1300 ℃/W이다. 다이의 작은 크기와 PET 시트가 단 5 mil 두께라는 사실을 감안하면 1 mm2의 면적을 이용하는 것은 과도하게 보수적이다. 사다리꼴 근사화를 이용하여, 열이 50° 각도로 방출되는 경우, PET의 뒷면 상의 돌출부와 다이 크기의 평균으로서 면적을 취하면 0.005 cm2의 면적이 나온다. 이 면적을 이용하면 약 2600 ℃/W의 열 저항이 나온다. 따라서, 이 예에서, 열 저항은 적어도 2000 ℃/W이고, PET를 통해 제거된 열의 일부에 대해, 적어도 4500 ℃/W이다.
이들 계산에 기초하여, 본 발명의 실시형태들은 종래의 고휘도 LED보다 적어도 100배 큰 주변에 대한 열 저항을 가진다. 또한, 이것은 비교적 낮은 접합부 온도, 예를 들어, 100℃ 미만을 갖는 소정 실시형태에서 달성될 수 있다. 일부 실시형태에서, 반도체 다이(300)가 p-n 접합부를 포함하면, p-n 접합부와 트레이스(410)가 형성되어 있는 기판(400)의 표면 사이의 거리는 100 ㎛ 미만이거나, 50 ㎛ 미만이거나, 30 ㎛ 미만일 수 있다. 일부 실시형태에서, 반도체 다이(300)가 LED를 포함하면, 층(350)(도 3b 참조)과 트레이스(410)가 형성되어 있는 기판(400)의 표면 사이의 거리는 100 ㎛ 미만이거나, 50 ㎛ 미만이거나, 30 ㎛ 미만일 수 있다. 일부 실시형태에서, 반도체 다이(300)가 LED 이외의 소자를 포함하면, 반도체 다이(300)의 열 생성 영역과 트레이스(410)가 형성되어 있는 기판(400)의 표면 사이의 거리는 100 ㎛ 미만이거나, 50 ㎛ 미만이거나, 30 ㎛ 미만일 수 있다. 일부 실시형태에서, p-n 접합부(또는 반도체 다이(300)의 열 생성 영역)와 주변 사이의 열 저항을 줄이기 위하여 반도체 다이(300)의 p-n 접합부나 열 생성 영역과 트레이스(410)가 형성된 기판(400)의 표면 사이의 더 짧은 거리가 채택될 수 있다.
본 발명의 실시형태는, 접착제를 이용하여 항복형 기판에 부착된 발광 반도체 다이를 포함하는 발광 어셈블리를 포함한다. 이러한 어셈블리는 기판(400) 위에 배치된 발광 소자의 어레이를 포함한다. 일부 실시형태에서, 발광 소자는 약 3 mm 내지 약 30 mm의 범위의 피치를 갖는 2차원 어레이로 기판(400) 위에 배치된다. 발광 반도체 다이(300)를 채택하는 실시형태에서, 전체 조명 어셈블리 또는 모듈은 적어도 100 루멘, 적어도 1000 루멘, 또는 심지어 적어도 3000 루멘을 생성할 수 있으며, 및/또는 반도체 다이(300)가 배치된 면적의 약 0.25 다이/cm2 보다 큰 반도체 다이(300)의 밀도를 가질 수 있다. 이러한 발광 시스템은 100℃ 미만, 또는 심지어 80℃ 미만의 접합부 온도를 갖는 반도체 다이(300)를 특징으로 할 수 있다. 그리고, 이러한 시스템의 열 밀도는 반도체 다이(300)가 배치된 면적의 0.01 W/cm2 보다 작을 수 있다. 또한, 본 발명의 실시형태에 따른 시스템에 의해 생성된 열 밀도는 약 0.01 W/cm2 미만, 또는 심지어 약 0.005 W/cm2 미만일 수 있는 반면, 종래의 발광 소자들은 통상 약 0.3 W/cm2보다 크거나, 심지어 약 0.5 W/cm2 보다 큰 열 밀도를 가진다.
한 종래의 접근법에서, 예를 들어, 조명 어셈블리는 한 개의 LED를 가지며, 면적은 그 LED의 인쇄 회로 보드(PCB)의 면적이다. 복수의 LED를 갖는 조명 어셈블리에 대해 유사한 정의가 이용될 수 있다, 즉, 면적은 LED들이 배치된 PCB 면적이다. 이에 기초하여, 통상 형광등에 의해 조명되는 2'×2' 형광등 갓을 이용하여 본 발명과 종래 기술 간의 비교가 이루어질 수 있다. 형광등을 LED로 대체하는 종래의 접근법은, 전체 발광 면적보다 상당히 작은 PCB를, 광을 넓게 펼치는 광학 컴포넌트와 조합하여 이용하는 것이다. 이것은, 광학 요소를 가장자리 조명하는 것(edge lighting)에 의해 달성될 수 있으며, 이 경우 LED에 대한 PCB는, 6 in2 즉 38.7 cm2의 면적에 대해, 0.25"×24" 길이 정도의 크기를 가질 수 있다. LED-기반의 형광 대체 램프(형광등과 유사한 폼 팩터를 갖지만, LED를 이용하여 광을 생성하는 조명 구조물)의 경우, PCB는 약 24 in2 즉 약 155 cm2의 면적에 대해 24"×1" 정도일 수 있다. 이들 크기는 2'×2' 형광등 갓에 요구되는 것으로 가정된다. 2개 보드를 가정하면, 보드 면적은 겨우 약 500 cm2이다. 이 값은 튜브 대체물에 대해 높은 측에 있으며 가장자리 조명 접근법의 경우보다 훨씬 크다. 본 발명의 실시형태의 경우, 면적은 전체 2'×2' 형광등 갓의 면적으로서, 576 in2 즉 3716 cm2이며, 적어도 7배만큼 더 크다. 전원공급장치 효율을 고려하기 이전에, 이들 조명기구의 LED가 100 lm/W의 효율을 갖는다고 가정하면, 2'×2' 형광등 갓에 대한 표준 광속(luminous flux)인 3500 루멘(lumen)의 생성은 35 watt를 요구할 것이다. 만일 LED들이 50% 효율이라면, 약 17 watt의 열이 생성된다. 종래의 경우, 열 밀도는 튜브 대체물에 대해서는 0.034 W/cm2보다 크고 가장자리 조명 접근법에 대해서는 약 5배 큰 반면, 본 발명의 실시형태는 0.0045 W/cm2 정도의 ―종래 접근법의 경우보다 거의 10배 작다― 열 밀도를 달성할 수 있다. 종래 기술의 열 밀도에 비해 본 발명을 이용하여 달성가능한 훨씬 더 작은 열 밀도는, 추가적인 방열 없이 조명 어셈블리 또는 모듈의 동작을 허용한다.
도 4는 본 발명의 다양한 실시형태에서 이용하기 위한 예시적 기판(400)을 도시한다. 기판(400)은 바람직하게는 항복형, 즉, 가요성 및/또는 변형가능하고, 반도체 다이를 손상시키지 않고 압력-활성화 접착제를 이용하여 반도체 다이 상의 컨택트와 기판 상의 트레이스 사이의 전기적 결합을 ―반도체 다이 상의 컨택트들이 비평면형인 실시형태에서도― 허용하도록 가요성이거나 경성일 수 있다. 이것은, 예를 들어, 도 5a에 도시된 바와 같은 기판 구부리기(flexing) 또는 도 5b에 도시된 바와 같은 변형하기(deforming)에 의해 달성될 수 있다. 이러한 변형은, (부하가 제거된 후에 원래 형상의 되돌아가는) 탄성 또는 (부하가 제거된 후에 영구적인 변형을 유지하는) 가소성 변형 또는 탄성과 가소성 변형의 조합일 수 있다. 다양한 실시형태에서, 기판은 굽히거나 변형될 수 있다. 일부 실시형태에서, 기판(400)은 가요성이고 약 1 m 이하, 또는 약 0.5 m 이하, 또는 심지어 약 0.1 m 이하의 곡률 반경을 가진다. 일부 실시형태에서, 기판(400)은 약 100 N/m2 미만, 약 50 N/m2 미만의, 또는 심지어 약 10 N/m2 미만의 영률(Young's Modulus)을 가진다. 일부 실시형태에서, 기판(400)은, 약 100 미만의 쇼어 A 경도(Shore A hardness) 값; 약 100 미만의 쇼어 D 경도; 및/또는 약 150 미만의 록웰 경도(Rockwell hardness)를 가진다.
기판(400)은, 반결정(semicrystalline) 또는 비정질 재료, 예를 들어, 폴리에틸렌 나프탈레이드(PEN), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴라카보네이트, 폴리에테르술폰, 폴리에스테르, 폴리이미드, 폴리에틸렌, 및/또는 종이를 포함하거나 본질적으로 이들로 구성될 수 있다. 기판(400)은 복수의 층, 예를 들어, 경성층 위에 형성된 변형가능한 층, 예를 들어, 아크릴, 알루미늄, 강철 등을 포함하는 경성 기판 위에 형성된, 예를 들어, PEN, PET, 폴리카보네이트, 폴리에테르술폰, 폴리에스테르, 폴리이미드, 폴리에틸렌, 및/또는 종이와 같은 반결정이나 비정질 재료를 포함할 수 있다. 본 발명의 실시형태가 이용되는 원하는 응용에 따라, 기판(400)은 실질적으로 광학적으로 투명하거나, 반투명하거나, 불투명할 수 있다. 예를 들어, 기판(400)은 약 400 nm 내지 약 600 nm 범위의 광학적 파장에 대해 80% 보다 큰 투과율 또는 반사율을 보일 수 있다. 일부 실시형태에서, 기판(400)은 반도체 다이(300)에 의해 방출된 하나 이상의 파장에 대해 80% 보다 큰 투과율 또는 반사율을 보일 수 있다. 기판(400)은 또한 실질적으로 절연성일 수 있으며, 약 100 ohm-cm 보다 크거나, 약 1×106 ohm-cm 보다 크거나, 심지어 약 1×1010 ohm-cm 보다 큰 전기 저항을 가질 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 적어도 2개의 전도성 트레이스(410)가 기판(400) 상에 배치되어 트레이스에 접속된 장치 또는 다이에 전기 접속을 제공한다. 트레이스들(410)은 이격되어 있어, 그들 사이에 갭(420)을 정의하고, 이 갭은 장치나 다이의 크기 및 트레이스에 접속될 장치나 다이 상의 컨택트 간격에 기초하여 크기조정될 수 있다. 예를 들어, 갭(420)은 약 25 ㎛와 약 1000 ㎛ 사이의 범위에 이른다. 트레이스(410)는 바람직하게는 하나 이상의 전도성 재료, 예를 들어, 금속이나 금속 합금, 탄소 등을 포함하거나, 본질적으로 이들로 구성된다. 트레이스(410)는 종래의 피착(deposition), 포토리소그래피, 및 에칭 공정, 도금 공정을 통해 형성되거나, 다양한 인쇄 공정을 이용하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 트레이스(410)는, 스크린 인쇄, 플렉소그래픽 인쇄(flexographic printing), 잉크젯 인쇄, 및/또는 그라비어(gravure) 인쇄를 이용하여 형성될 수 있다. 트레이스(410)는, 은, 금, 알루미늄, 크롬, 구리, 및/또는 탄소와 같은 하나 이상의 원소들을 포함할 수 있는 전도성 잉크를 포함하거나 본질적으로 이것으로 구성된다. 앞서 언급된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시형태는 트레이스(410) 위의 스터드 범프 또는 유사한 전도성 돌출부를 이용하지 않는다; 따라서, 기판(400)과 기판(400)에 접합되는 장치 사이의 거리는 적어도 부분적으로 (통상적으로 서로 동일한) 트레이스(410)의 두께에 의해 정의된다. 이 트레이스(410)의 두께는 바람직하게는 약 10 ㎛보다 작으며, 더욱 더 바람직하게는 약 5 ㎛보다 작다. 하나 이상의 트레이스(410)의 두께는 변할 수 있지만, 두께는 일반적으로, 처리를 단순화하기 위해 트레이스의 길이를 따라 실질적으로 균일하다. 그러나, 이것은 본 발명의 제한이 아니고, 다른 실시형태에서는, 트레이스 두께 또는 재료는 기판(400) 상에서 변할 수 있다.
도 5a를 참조하면, 다양한 실시형태에서 반도체 다이(300)는 기판(400)에 접합(즉, 부착)된다. 반도체 다이(300)로의 전기 접속을 가능케 하기 위하여, 컨택트(370, 380)는 통상적으로 트레이스(410)에 (예를 들어, 직접) 접착되어 전기적으로 접촉한다. 항복형 기판(400)을 갖춘 도 5a에 도시된 바와 같이, 트레이스와 컨택트 사이의 강하고 신뢰성 있는 접합은 적어도 트레이스들(410) 사이의 영역(500)에서 구부림(즉, 휘어짐 또는 변형)에 의해 달성된다. 기판(400)은, 컨택트들(370, 380) 각각과 (각 컨택트가 접합되는) 그 대응하는 트레이스(410) 사이의 거리가 거의 동일하도록 구부러질 수 있다. 바람직한 실시형태에서, 컨택트들(370, 380)은 압력-활성화 접착제(510)를 통해 트레이스(410)에 접착된다. 예를 들어, 접착제(510)는 압력-활성화 ACA를 포함하거나 본질적으로 압력-활성화 ACA로 구성될 수 있으며, 따라서 컨택트들(370, 380)은 ACA 내의 입자들과 같은 전도성 구조물을 통해 트레이스(410)에 전기적으로 접속될 수 있는 반면, 컨택트들(370, 380)은 (트레이스들(410)처럼) 서로로부터 전기적으로 절연된다.
또 다른 실시형태에서, 도 5b에 도시된 바와 같이, 전기 전도성은 기판(401)의 변형에 의해 가능케 된다. 이 실시형태에서, 반도체 다이(300) 또는 컨택트들(370, 380)의 일부가 영역(501)에서 기판(401)의 일부를 변형시키고, 이러한 변형에 의해 트레이스(410)와 컨택트들(370, 380) 사이의 전기 전도성이 가능케 된다. 도 5b에서, 기판(401)은, 도전성 트레이스(410)가 형성되어 있는 면과 대향하는 기판(401)의 면은 변형되지 않고, 표면 영역에서만 변형되는 것으로 도시되어 있다. 그러나, 이것은 본 발명에 반드시 필요한 것은 아니고, 다른 실시형태에서는, 변형이 기판(401)의 양쪽 면 상에서 발생할 수 있다. 사실상, 기판은 도 5a 및 도 5b에 예시된 행태를 결합하여 구부러지고 또한 변형될 수 있다.
기판(400)이 너무 부드러우면, 반도체 다이(300)와 기판(400)을 가로질러 인가되는 압력은, 트레이스(410)와 컨택트(370, 380) 사이에 전기 접속을 확립하기 위해 ACA에 충분한 힘을 가하지 못한 채 기판(400)의 변형을 야기할 수 있다. 반면, 기판(400)이 너무 단단하면, 반도체 다이(300)와 기판(400)을 가로질러 인가되는 압력은, ACA가 트레이스(410)와 컨택트(370, 380) 사이에 전기 접속을 확립할 수 있기 이전에 반도체 다이(300)의 균열이나 파괴를 야기할 수 있다. 따라서, 기판(400)에 대해 요구되는 변형의 레벨은 반도체 다이(300)의 기계적 속성에도 의존할 수 있다; 강한 반도체 다이(300)는 비교적 덜 변형가능한 기판(400)의 사용을 허용할 수 있다. 역으로, 더 약한 반도체 다이(300)는 비교적 더 변형가능한 기판(400)의 사용을 요구할 수 있다. 당업자라면, 과도한 실험없이, 특정한 반도체 다이에 대한 기판 경도의 적절한 정도를 수월하게 결정할 수 있을 것이다. 일부 응용에서, 반도체 다이의 강인성은 제조시의 재료나 두께를 변경함으로써 변할 수 있다.
기판(400)으로의 반도체 다이(300)의 접합 동안에, 접착제(510)는, 테이프와 같은 고체와는 반대로, 실질적으로 액체 형태로, 예를 들어 페이스트나 젤로서 제공될 수 있다. 접착제(510)는 반도체 다이(300)의 일부(예를 들어, 컨택트(370, 380)의 적어도 일부) 위에, 또는 기판(400)의 일부(예를 들어, 트레이스(410)의 적어도 일부) 위에, 또는 양쪽 모두에 제공될 수 있다. 컨택트(370, 380)는, 반도체 다이(300), 기판(400) 또는 양쪽 모두로의 압력의 인가를 통해 트레이스(410)와 물리적으로 근접(또는 접촉)하게 되고 접착된다. 일부 실시형태에서 접착제(510)는 ACA이기 때문에, 컨택트들(370, 380)과 트레이스(410) 사이의 완벽한 정렬은 필요하지 않으므로, 처리를 간소화한다. ACA를 이용하면, 컨택트(370, 380)와 트레이스(410) 사이의 수직 방향에서만 전도가 발생하고, 컨택트들(370, 380) 사이 또는 트레이스(410) 사이의 횡방향으로는 전도가 발생하지 않으므로 완벽한 정렬이 필요하지 않다. 한 실시형태에서, 반도체 다이(300) 및 기판(400)은 실질적으로 경성 표면과 실질적으로 유연한 표면 사이에서 압축됨으로써, 도 5a 및 도 5b에 도시된 기판(400)의 구부리기 또는 변형 또는 양쪽 모두를 가능케 하고, 결과적으로 표면(360)의 비평면성 및/또는 컨택트들(370, 380) 사이의 비-동일평면성에도 불구하고 반도체 다이(300)로의 전기적으로 전도성이고 신뢰성 있는 접합을 가능케 한다.
반도체 다이(300)와 기판(400)의 압축(및 바람직한 실시형태에서는, 접착제(510)의 압력-유도된 활성화) 후에 또는 압축 동안에, 접착제(510)는, 예를 들어, 에너지의 인가, 예를 들어, 열 및/또는 자외선의 인가에 의해 경화된다. 예를 들어, 접착제(510)는, 접착제의 속성에 따라, 약 80 ℃ 내지 약 150 ℃ 범위의 온도로, 예를 들어, 약 125℃로 약 수 초에서 1분 내지 약 30분의 범위에 이르는 시간 동안, 예를 들어, 약 10분간 가열함으로써 경화될 수 있다.
또 다른 실시형태에서, 접착제(510)는, 컨택트들(370, 380)과 그들 각각의 트레이스(410) 사이의 영역(520)에서 등방적으로 전도성의 접착제를 포함한다. 이러한 실시형태에서, 트레이스(410) 사이 및 컨택트(370, 380) 사이의 영역(530)에서는, 접착제(510)의 부재 또는 제2의 비전도성 접착제의 존재를 통해 절연이 유지될 수 있다. 접착제(510)는 바람직하게는, 컨택트들(370, 380) 사이 및/또는 트레이스(410) 사이의 바람직하지 않은 전기적 단락을 초래할 수도 있는 완전 금속체가 아닌 중합체 매트릭스(polymeric matrix)를 특징으로 한다. 일부 실시형태에서, 접착제(510)는 반도체 다이(300)에 의해 방출된 광의 적어도 일부 파장 또는 모든 파장에 대해 반사성일 수 있다.
도 6a는 전술된 바와 같은 전도성 트레이스(410) 사이에 접착된 반도체 다이(300)의 어레이를 특징으로 하는 전자 장치(600)를 도시한다. 도시된 바와 같이, 전자 장치(600)는 반도체 다이(300)의 3개의 직렬-접속된 스트링(610)을 포함한다. 전자 장치(600)는 또한, 하나 이상의 스트링(610)에 전기적으로 접속된 회로(620)를 포함한다. 회로(620)는, (예를 들어, 분산형 전원/구동기의 경우) 구동 회로, 센서, 제어 회로, 디밍 회로, 및/또는 전원 회로 등의 일부 또는 실질적으로 전부를 포함하거나 본질적으로 이들로 구성될 수 있으며, 기판(400)에 (예를 들어, 접착제를 통해) 접착되거나 기타의 방식으로 부착될 수 있다. 회로(620)는, 자체가 기판(400)에 기계적 및/또는 전기적으로 부착될 수 있는 회로 보드(예를 들어, 인쇄 회로 보드) 상에 배치될 수도 있다. 다른 실시형태에서, 회로(620)는 기판(400)으로부터 분리되어 있다. 도 6a는 스트링(610)에 직렬 접속된 반도체 다이(300), 및 병렬 접속되거나 병렬 접속가능한 스트링(610)(도 7a 및 도 7b 참조)을 도시하고 있지만, 다른 다이-상호접속 방법이 가능하며, 본 발명의 범위 내에 있다.
또한, 하나 이상의 반도체 다이(300)는 도 6a에 도시된 방식과 유사하거나 상이한 방식으로 기판(100)의 뒷면 상의 트레이스(410)에 접합될 수 있고, 및/또는 반도체 다이(300)와 트레이스(410)가 그 표면상에 있는 복수의 기판(400)이 적층되어 다층 소자를 형성할 수 있다. 이들 실시형태에서, 기판(400) 또는 복수의 기판(400)의 전면 또는 후면 상에 다이가 있어, 각 층 상에 뿐만 아니라 각 층 내의 다이는 모두 동일하거나 상이할 수 있다; 예를 들어, 상이한 층들 상의 반도체 다이(300)는 상이한 파장에서 방출할 수 있다. 복수의 층에 배치되거나 기판의 뒷면 상에 반도체 다이(300)를 갖는 장치들에서, 각 층은 그 자신의 전용 회로(620)를 가질 수 있거나, 회로(620)의 전부 또는 일부가 반도체 다이(300)의 그룹들 및/또는 층들 사이에서 공유될 수 있다. 회로(620)는, 그 전체를 본 명세서에서 참조에 의해 포함하는 2010년 12월 30일 출원된 미국 특허출원 제12/982,758호에서 설명된 임의의 실시형태의 전부 또는 일부를 포함하거나 본질적으로 이들로 구성된다. 일부 실시형태에서, 기판(400)의 전면이나 후면, 또는 복수의 층들 상의 반도체 다이 및/또는 회소 요소들은 서로 전기적으로 결합될 수 있다.
전자 장치(600)는 항복형 기판(400)에 기초할 수 있으므로, 그것은 롤투롤 프로세스에서 형성될 수 있으며, 이 프로세스에서는 한 시트의 항복형 기판 재료가 상이한 처리 스테이션들을 거친다. 이러한 롤투롤 처리는, 임의의 추가적 기판의 접합 및/또는 (후술되는) 하나 이상의 형광체 재료의 형성을 위한 것뿐만 아니라, 예를 들어, 트레이스(410)의 형성, 접착제(510)의 제공, 및 반도체 다이(300)의 배치를 포함할 수 있다. 또한, 전자 장치(600)는, 예를 들어, 센서, 안테나, 저항, 인덕터, 커패시터, 박막 배리어, 트랜지스터 및/또는 집적 회로를 포함하여, 기판(400)에 부착되는 다른 수동 및/또는 능동 전자 장치를 포함할 수도 있다. 이러한 다른 수동 및/또는 능동 전자 장치는 접착제(510) 또는 다른 수단에 의해 트레이스 또는 반도체 다이(300)에 전기적으로 결합될 수 있다.
또한, 도 6b에 도시된 바와 같이, 2개 이상의 반도체 다이(300)가 동일한 트레이스(410)(즉, 트레이스들 사이의 동일한 갭(420) 내)에 병렬로 접속될 수 있으므로, 향상된 기능성 및/또는 하나의 반도체 다이(300)의 고장시에 여분을 제공할 수 있다. 바람직한 실시형태에서, 동일한 갭(420)을 가로질러 접착되는 반도체 다이(300)의 각각은, (예를 들어, 실질적으로 동일한 구동 전류에서) 다른 것들과 병렬로 동작할 뿐만 아니라, 단일 갭 내에 배치된 반도체 다이(300) 모두를 동작시키는 누적 구동 구동에 대응하는 구동 전류에서 과열이나 손상 없이 동작하도록 구성된다. 따라서, 갭(420)을 가로질러 접착된 반도체 다이(300)의 하나 이상의 고장시에, 나머지 하나 이상의 반도체 다이(300)는 더 높은 구동 전류에서 동작을 계속할 것이다. 예를 들어, LED 또는 레이저와 같은 발광 소자를 포함하거나 본질적으로 이들로 구성된 반도체 다이(300)의 경우, 동일한 갭을 가로질러 하나 이상의 장치에 병렬 접속된 장치의 고장의 결과, 다른 장치(들)가 더 높은 전류에서 동작하게 되므로, 증가된 강도의 광을 생성함으로써, 고장난 장치의 고장을 보상하게 된다.
도 6b는 또한 전술된 상이한 접착 방식들 중 2개를 나타내고 있다. 반도체 다이(300) 중 하나는 다이의 끝에서만 접착제(510)를 통해 트레이스(410)에 접착되는 반면, 트레이스들 사이의 갭 내의 단부들 사이에서는, (바람직하게는 비전도성인) 제2 접착제(630)가 반도체 다이(300)의 중간 부분을 기판(400)에 접착한다. 일부 실시형태에서, 제2 접착제(630)는 비전도성이고, 도전성 접착제(510)의 2개 부분 사이 및/또는 트레이스(410) 사이 및/또는 다이(300)의 2개 컨택트 사이에서의 단락을 방지한다. 도시된 바와 같이, 다른 반도체 다이(300)는, 반도체 다이(300)의 전체 하부면과 접촉하는 접착제(510)에 의해 트레이스(410) 사이에 접착된다. 전술된 바와 같이, 접착제(510)는 바람직하게는, 수직 방향(도 6b에서 지면 바깥)으로만 전기 전도를 허용하지만 트레이스들(410)을 서로로부터 절연시키는 압력-활성화 ACA이다. 다른 실시형태에서, 하나 이상의 반도체 다이(300)가 동일한 갭(420) 내에 트레이스(410) 사이에 접착되지만, 갭(420) 내에 적어도 하나의 추가적 반도체 다이(300)를 접착하기 위한 (트레이스(410)의 부분들을 포함한) 충분한 "가용 면적(real state)"이 갭(420) 내에 존재한다. 이러한 실시형태에서, 갭(420) 내에 처음에 접착된 하나 이상의 반도체 다이(300)가 고장나면, (처음 임의의 반도체 다이(300)와 실질적으로 동일하거나 상이한) 하나 이상의 반도체 다이(300)가 "리워크(rework)" 공정에서 갭(420) 내에 접착될 수 있다. 예를 들어, 도 6b를 참조하면, 도시된 반도체 다이(300) 중 하나만이 처음에 트레이스(410)에 접착되고, 다른 반도체 다이(300)는 나중에, 예를 들어, 처음 다이의 고장 이후에 접착될 수 있다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 전자 장치에서 이용될 수 있는 전기 트레이스(410)의 2가지 상이한 레이아웃을 개략적으로 도시하고 있다. 도 6a에서와 같이, 도 7a 및 도 7b는 복수의 반도체 다이(300)를 직렬로 상호접속시키도록 구성된 트레이스(410)의 병렬 스트링(610)을 도시한다(반도체 다이(300)에 대한 접합 위치를 나타내는 갭(702)은 도 7a에서는 도시되어 있지만 명료성을 위해 도 7b에서는 생략되어 있음). 도 7a에서, 각 스트링(610)은 한 끝에서 컨택트(700)를 갖고 다른 쪽 끝에서 컨택트(710)를 가진다. 다양한 실시형태에서, 컨택트(700)는 반도체 다이(300)에 동작 전류나 전압을 인가하기 위한 "구동" 컨택트인 반면, 컨택트(710)는 "공통" 또는 접지 컨택트이다. 도 7b에서, 각 스트링(610)은 기판(400)을 가로질러 연장되고 그 시작점 근처의 지점으로 되돌아 연장되어, 컨택트(700, 710) 양쪽 모두가 기판(400)의 한 측 상에 놓이는 것을 가능케 한다. 역시 도 7b에 도시된 바와 같이, 복수의 스트링(610)에 대한 컨택트(700, 710) 중 어느 하나 또는 양쪽 모두가 공유된 컨택트(도 7b에서는 컨택트(710)가 도시)로 함께 접속될 수 있다; 이러한 방법은 반도체 다이(300) 및/또는 스트링(610)의 레이아웃과 상호접속을 단순화한다. 도 7a 및 도 7b에 도시된 레이아웃은 반도체 다이(300)를 정사각형 또는 직사각형 격자로 배치하지만, 반도체 다이(300)는 다른 방식으로 배치될 수도 있다. 마찬가지로, 트레이스(410)는 도시된 바와 같이 실질적으로 직선일 수 있거나, 또는 만곡형이거나, 들쭉날쭉하거나, 비평행이거나, 기타의 방식으로 배치될 수도 있다.
하나 이상의 반도체 다이(300)가 LED나 레이저와 같은 발광 소자인 실시형태에서, 형광체 재료가 병합되어 다이에 의해 방출되는 광의 적어도 일부의 파장을 또 다른 원하는 파장(이것은, 그 다음, 더 큰 소자 단독으로부터 방출되거나 다이에 의해 방출된 원래의 광의 다른 부분과 색-혼합됨)으로 이동시킬 수 있다. 여기서 사용될 때, "형광체"란 그것을 비추는 광의 파장을 이동시키고 및/또는 발광성의, 형광성의, 및/또는 인광성의 임의의 재료를 말한다. 형광체는 분말이나 입자를 포함하고, 이러한 경우, 바인더(binder), 예를 들어, 실리콘에 혼합될 수 있다. 여기서 사용될 때, 형광체는 분말이나 입자, 또는 분말이나 입자에 바인더를 더한 것을 포함할 수 있다. 도 8a 내지 도 8d는, 항복형 기판(400)에 접착된 반도체 다이(300)에 형광체를 통합하기 위한 예시적 절차를 도시한다. 도 8a는, 각각이 2개의 전도성 트레이스(410) 사이의 갭(420)을 가로지르고 있는, 기판(400)에 부착된 2개의 반도체 다이(300)의 단면도를 도시한다(기판(400)의 구부림 및/또는 변형, 반도체 다이(300)의 임의의 비평면성, 및 접착제(510)는 명료성을 위해 도면들로부터 생략되었다). 기판(400) 상의 하나 이상의 반도체 다이(300)에 대응하는 (바람직하게는 기판(800)의 전체 두께를 통해 연장되는) 개구(810)를 갖는 기판(800)이 제공되고(도 8a), 하나 이상의 반도체 다이(300)가 개구(810) 내에 위치하도록 기판(400)에 접합된다(도 8b). 기판(800)은 항복형 또는 실질적으로 경성일 수 있고, 폴리에틸렌 나프탈레이트, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리카보네이트, 폴리에테르술폰, 폴리에스테르, 폴리이미드, 폴리에틸렌, 및/또는 종이와 같은 재료를 포함하거나 실질적으로 이들로 구성될 수 있다.
도 8c에 도시된 바와 같이, 기판(800) 내의 개구(810)는 반도체 다이(300) 주위에 "웰(well)"을 형성한다. 기판(800)이 기판(400)에 접합된 후에, 하나 이상의 개구(810) 내에 형광체(820)가 제공되어, 형광체(820)가 개구(810) 내의 반도체 다이(300) 위에 배치되어 적어도 부분적으로 둘러싼다(예를 들어, 반도체 다이(300)의 하나 이상의 측면에 놓이되 반드시 접촉하는 것은 아님). 도시된 바와 같이, 형광체(820)는 개구(810)를 실질적으로 채우며, 반도체 다이(300)와 접촉할 수 있다. 다른 실시형태에서, 형광체(820)가 개구(810) 내에 배치되기(및 개구(810)의 나머지 부분을 실질적으로 채우기) 이전에 광학적으로 투명한 재료(830)(예를 들어, 실리콘 또는 에폭시)가 하나 이상의 개구(810)에 제공되어 개구를 부분적으로 채운다(도 8c의 우측 개구(810) 참조). 이러한 "원격 형광체" 배치는 반도체 다이(300)으로부터 소정 거리에 형광체(820)를 배치하고, 이것은 반도체 다이(300)의 동작이 형광체(820)를 유해하게 가열하는 것을 방지함으로써, 그 수명을 연장시키고 및/또는 효율을 개선한다. 일부 실시형태에서는, 개구(810)는 형광체(820)나 투명 재료(830)로 완전히 채워지지 않는 반면, 다른 실시형태에서는, 개구(810)는 형광체(820)나 투명 재료(830)로 과도하게 채워진다. 개구(810)는 어떠한 형광체(820)도 갖지 않을 수 있고, 및/또는 어떠한 투명 재료(830)도 갖지 않을 수 있다. 일부 실시형태에서, 복수의 광학적으로 투명한 형광체 재료가 층들 또는 기타의 구성으로 형성된다.
도 8d에 도시된 바와 같이, 기판(800) 및 개구(810)의 실질적으로 전부 위에, 또는 형광체(820) 및/또는 적어도 투명 재료(830)를 갖는 개구(810) 위에 선택사항적으로 보호막(840)이 배치되어, 주변 환경, 습기 등으로부터 형광체(820) 및/또는 반도체 다이(300)를 보호한다. 막(840)은 투명할 수 있거나, 반도체 다이(300)에 의해 방출되고 형광체(820)에 의해 천이된 광이 기판(400) 쪽을 향하여 반사되어 기판(400)으로부터 방출되도록, 반사성일 수 있다. 일부 실시형태에서, 반도체 다이(300) 위의 하나 이상의 개구에 복수의 상이한 형광체(820)가 배치된다. 즉, 하나의 웰(810)은 하나보다 많은 타입의 형광체(820) 및/또는 투명 재료(830)를 가질 수 있다. 상이한 웰(810)은, 예를 들어, 상이한 형광체(820) 및/또는 상이한 투명 재료(830)를 가질 수 있다. 한 실시형태에서, (예를 들어, 상이한 파장에서 방출하는) 상이한 반도체 다이(300)는 동일하거나 상이한 형광체(820) 및/또는 투명 재료(830)와 연관될 수 있다.
일부 실시형태에서, 개구(810)의 측벽은 (도 8c에 도시된 바와 같이) 기판(400)의 표면과 실질적으로 수직하지 않고, 반도체 다이(300)로부터의 광의 아웃 커플링(out-coupling) 및/또는 형광체(820)로부터의 광의 아웃 커플링을 용이하게 하기 위해 경사형이거나 기타의 방식으로 성형되고 및/또는 패터닝된다. 개구(810)의 측벽은, 반도체 다이(300)에 의해 방출된 광 또는 (예를 들어, 반사 재료로 코팅된) 형광체(820)로부터의 광에 대해 반사성일 수도 있다. 반도체 다이(300) 및/또는 형광체(820) 위에 렌즈나 확산기와 같은 광학 소자가 배치될 수 있다. 웰(810)은, 응용에 적합한 임의의 형상, 예를 들어, 둥글거나, 직사각형, 육각형 또는 어떤 임의의 형상을 가질 수 있다. 상이한 웰(810)은 사실상 상이한 형상을 가질 수 있다.
형광체(820)는, 예를 들어, 하나 이상의 규산염(silicate), 질화물, 양자점(quantum dot), 또는 기타의 광변환 재료를 포함하거나 실질적으로 이들로 구성되며, 광학적으로 투명한 바인더(예를 들어, 실리콘이나 에폭시)에 현탁(suspend)될 수 있다. 하나 이상의 형광체(820)와 함께 사용하기 위한 반도체 다이(300)는 실질적으로 청색 또는 자외선 광을 방출할 수 있으며, 형광체(들)(820)의 사용 결과, 실질적으로 백색이며 약 2000 K 내지 약 7000 K 범위의 상관 색온도(CCT; correlated color temperature)를 가질 수 있는 종합 광(aggregate light)이 생성될 수 있다. 이러한 다이의 예로는, GaN, InN, AlN, 및 이들 2원소 화합물의 다양한 합금을 포함하는 다이가 포함된다.
도 9a 내지 도 9d는, 반도체 다이(300)로부터 방출된 광의 적어도 일부의 파장 변환을 위한 원격 형광체를 특징으로 하는 본 발명의 또 다른 실시형태를 나타낸다. 도 9a는, 2개의 전도성 트레이스(410) 사이의 갭(420)을 가로질러 기판(400)에 접착된 반도체 다이(300)를 포함하는 전자 장치(600)와 유사한 전자 장치(900)의 일부를 도시한다(기판(400)의 구부림 및/또는 변형, 반도체 다이(300)의 비평면성, 및 접착제(510)는 명료성을 위해 도면에서 생략되었다). 도 9b에 도시된 바와 같이, 반도체 다이(300)의 굴절 계수와의 양호한 결합을 제공하도록 설계될 수 있는 광학적으로 투명한 재료(910)가 반도체 다이(300) 상에 형성된다. 일부 실시형태에서, 투명 재료(910)의 굴절 계수는 약 1.0 내지 약 1.65 사이(예를 들어, 1.4 내지 1.57의 범위)에 있다. 투명 재료(910)가 반구형 형상을 갖는 것으로 도시되어 있지만, 이것은 본 발명에 반드시 필요한 것은 아니고 투명 재료(910)는 사실상 임의의 형상을 가질 수 있다. 일부 실시형태에서, 투명 재료(910)는, 형광체(920) 및/또는 반사층(930)의 표면적을 증가시키기 위하여 표면 프로파일 또는 텍스처로 패터닝된다.
형광체(920)(또는 상이한 형광체의 복수개의 층)가 도 9c에 도시된 바와 같이 재료(910) 위에 형성된다. 형광체(920)는 형광체(820)를 참조하여 앞서 설명된 재료들 중 임의의 하나 이상일 수 있으며, 재료(910)는 형광체(920)를 반도체 다이(300)로부터 물리적으로 분리시킨다. 색혼합되거나 변환된 광의 형광체(920)를 통한 주변 환경으로의 방출을 가능케 하기 위해 본 발명의 다양한 실시형태는 도 9c의 구조를 이용하는 한편, 도 9d는 형광체(920) 위에 반사층(930)이 형성되는 바람직한 실시형태를 도시한다. 도 9d의 실시형태에서, 변환되거나 색혼합된 광은 형광체(920)와 상호작용한 후에 반사층(930)으로부터 반사되어 기판(400)을 통해 장치(900)로부터 방출된다. 반사층은, 예를 들어, 높은 정반사성 반사기 또는 확산 반사기(diffuse reflector)일 수 있다. 한 실시형태에서, 반사층(930)은 금속, 예를 들어, 알루미늄, 은, 금 등이다. 반사층(930)은 백색 반사기(white reflector), 예를 들어, MCPET일 수 있다. 참조에 의해 본 명세서에 포함하는 Donofrio, R. L., "Phosphor Screening," SID Sixth International Conference on Advanced Displays (1997), pp. 89-95에 설명된 기술을 포함한, 다양한 형광체 피착 기술이 이용될 수 있다. 바람직한 실시형태에서, 고반사층(360)은, 균일 두께를 갖는 형광체(920)의 동형 코팅(conformal coating)을 적용하는 데에 전기영동 피착이 채용될 수 있도록 전기적으로 전도성 재료를 포함한다.
한 실시형태에서, 다이(300)는 청색 광(940)을 방출한다(도 9d). 동작시, LED(300)에 의해 방출된 청색 광(940)은 형광체 층(920)과 교차한다. 광의 일부는, 형광체층(920) 내의 형광체 입자에 의해 흡수되고, 그 결과 상이한 파장에서 재방출된다. 청색 광(940)의 나머지는 고반사성 표면(930)으로부터 정반사(specularly reflect)된다. 이 청색 광의 일부는 다시 한번 형광체층(920) 내의 형광체 입자에 의해 흡수되고 재방출된다. 형광체로부터 재방출된 광은 형광체 입자에 의해 등방성으로 방출된다. 광의 절반은 고반사성 표면(930)으로부터 정반사될 것이고, 따라서 광의 실질적으로 전부가 투명 재료(910) 내로 방출될 것이다. 방출된 광의 각도에 따라, 광은 (광선(950)으로 도시된 바와 같이) 형광체층(930)의 외부 표면과 교차하거나, (광선(960)으로 도시된 바와 같이) 투명 기판(400)을 통해 공동을 벗어난다.
도 10은, 형광체(920)가 재료(910) 위쪽 이외의 기판(400) 상에 직접 형성된 장치(900)의 또 다른 실시형태를 도시한다(형광체(920)의 파선 부분은 트레이스(410) 앞쪽 및/또는 뒤쪽에 배치된 부분을 나타낸다). 도 10의 실시형태에서, 반도체 다이(300)로부터 방출된 광은 반사층(930)에 의해 다시 기판(400) 쪽으로 반사되고, 그 광의 적어도 일부는, 기판(400)으로부터 방출된 종합광이 원하는 파장 또는 파장들의 혼합(예를 들어, 백색광)이 되도록 형광체(920)와 상호작용한다. 도 9d 및 도 10의 실시형태에서, 트레이스(410)는 광의 원치않는 차단이나 후방 반사(back-reflection)를 방지하기 위해 비교적 좁거나 실질적으로 투명할 수 있다. 예를 들어, 투명 트레이스(410)는, 인듐 주석 산화물, 인듐 아연 산화물, 알루미늄 아연 산화물, 탄소 나노튜브, 그래핀, 및/또는 폴리(스티렌 술폰산염)으로 도핑된 폴리(3, 4-에틸렌디옥시티오펜)과 같은 전도성 중합체를 포함하거나 본질적으로 이들로 구성될 수 있다.
도 11에 도시된 바와 같이, 재료(910), 형광체(920), 및 반사층(930)은, 기판(1110) 내의 오목부, 공동, 또는 기타의 개구(1100) 내에 형성될 수 있고, 그 다음, 기판(1110)은, 이들 층들이 도 9d의 실시형태와 유사하게 반도체 다이(300) 위에 배치되도록 기판(400)에 접합된다. 이러한 실시형태에서, 재료(910)는 생략될 수도 있다(즉, 공기 또는 진공일 수도 있다). 명시적으로 도시되지는 않았지만, 도 10과 유사한 구조를 형성하기 위하여 반사층(930)이 기판(1110)의 오목부에 형성될 수 있고 형광체(920)가 기판(400) 상의 반도체 다이(300) 부근에 형성될 수 있다. 기판(1110)은 항복형이거나 실질적으로 경성일 수 있고, 반도체 다이(300)으로부터의 광이 기판(400)을 통해 방출되기 때문에, 심지어 광학적으로 반투명 또는 불투명할 수도 있다. 공동(1100)은 바람직하게는 형상에 있어서 실질적으로 반구형이지만, 기타의 형상, 예를 들어, 타원체형, 포물면형, 쌍곡면, 또는 (3면 이상이 실질적으로 평면인) 피라미드형을 취할 수도 있다. 일부 실시형태에서, 공동(1100)은, 형광체(920) 및/또는 반사층(930)의 표면적을 증가시키기 위하여 표면 프로파일 또는 텍스처로 패터닝된다. 한 실시형태에서, 투명 재료(910) 쪽으로 향한 기판(400)의 표면은 그 표면으로부터의 반사를 최소화하기 위해 반사방지 코팅으로 처리된다.
본 발명의 실시형태는 제한 없이 하기사항을 포함한 수많은 이점을 제공한다. 먼저, 투명 재료(910), 예를 들어, 공기, 에폭시나 실리콘은 형광체 층(370 및 380)을 LED 다이로부터 열적으로 절연시키고, 열적 소염(thermal quenching)의 위험을 경감시킨다. 두 번째, 색선별 미러(dichroic mirrors)가 요구되지 않아, 생산능력을 대단히 향상시키고 비용을 절감한다. 대신에, 미러링된 표면(360)이 형광체 입자에 의해 방출되어 자신에게 입사하는 광을 형광체 층(920)을 통해 투명 기판(400) 쪽으로 후방 반사한다. 세 번째, 원격 형광체 쉘의 반구형 형상은 LED 다이(300)에 의해 방출된 청색 광에 노출되는 형광체 층(920)의 표면적을 배가시킨다. 이것은 투명 재료(910)에 의해 정의된 기판(400) 내의 원형 개구의 광속 발산도(luminous exitance)를 사실상 배가시킨다. (즉, 증가된 형광체 층 표면적으로 인해, 투명 기판(400)을 통해 모든 각도로부터 볼 때 개구의 측광 휘도(photometric brightness)를 사실상 배가시킨다.)
네 번째, YAG:Ce 형광체는 투과 모드에서 중량비 약 20%의 농도에서 포화되지만, 반사 모드에서는 중량비 50% 내지 60%의 농도에서 포화된다는 것이 드러났다(예를 들어, Yamada, K., Y. Imai, and K. Ishi, "Optical Simulation of Light Source Devices Composed of Blue LEDs and YAG Phosphor," Journal of Light & Visual Environment 27(2):70-74 (2003) (이하 "Yamada 등") 참조). 따라서, 형광체 층(920)은 더 높은 농도를 가질 수 있어서, 증가된 변환 효율을 제공한다. Yamada 등에 의해 설명되는 바와 같이, 50%의 증가된 변환 효율은 YAG:Ce 형광체 재료에 의해 가능하다. 다섯 번째, 청색 InGaN LED 및 YAG:Ce 형광체에 의해 생성된 광의 색도(chromaticity)는 투과 모드에 비해 반사 모드에서 형광체 농도에서의 상당히 적은 변동을 보인다는 것도 드러났다(Yamada 등 참조). 따라서, 본 발명은 형광체 층(920)의 두께 및 균일성에 대한 완화된 제조 공차를 제공할 수 있다.
여섯 번째, 미러링된 표면(930)은, 입사각에 관계없이, 그리고, LED 다이(300)로부터의 산란된 청색광인지 또는 형광체 층(920)으로부터의 방출된 광인지에 관계없이 입사광을 반사한다. 일곱 번째, 형광체 층 표면으로부터 방출된 복사는 램버시안 분포(Lambertian distribution)를 가진다. 이것은 반사된 청색광 및 형광체-방출된 광 양쪽 모두를 포함한다. 복사속 전달(radiative flux transfer) 이론 및 형상 계수 지오메트리(view factor geometry)에 따르면, 이 광의 정확히 절반이 기판(400)에 입사될 수 있고, 나머지 절반은 형광체 층에 입사할 것이다. 파장에 따라, 이 광은 형광체 입자를 더욱 여기(excite)시킬 수 있고, 그럼으로써, 형광체의 하향변환 효율을 더욱 개선시키는 포지티브 광학 피드백의 형태를 제공한다. (예를 들어, YAG:Ce의 여기 및 방출 스펙트럼은 약 475 nm 내지 525 nm의 영역에서 중첩되어, 그 영역 내의 방출된 광은 흡수되는 것이 아니라 형광체를 자기 여기시킨다.)
투명 재료(910)의 형상은 명목상 반구이다. 투명 재료가 더욱 얕다면, 형광체 층의 표면적이 줄어들어, 투명 재료(910)에 의해 정의된 기판(400) 내의 원형 개구의 광속 발산도를 줄이는 경향이 있다. 그러나, LED 다이(300)로부터의 광은 공동의 주변부에서 형광체 표면에 대해 법선 입사가 아닐 것이다. 이것은 프레넬 방정식(Fresnel equations)에 따라 형광체 층으로부터의 정반사를 증가시키는 경향이 있을 것이고, 원형 개구의 광속 발산도를 향상시킬 수 있다. 투명 재료(910)가 더욱 깊다면, 광의 절반 초과가 공동 내에서의 다중 반사(multiple reflection)를 겪을 것이고, 이것은 광속 발산도를 줄이는 경향이 있을 것이다. 그러나, 이것은 형광체 층의 자기 여기에 의해 오프셋될 수 있다. 사실상, 노출된 형광체 층 표면의 양방향 반사도 분포 함수(BRDF; bidirectional reflectance distribution function) 및 그 자신의 방출로부터 형광체의 자기 여기에 의해 제공되는 광학 이득에 따라, 투명 재료(910)에 대한 반구형 형상보다 더 깊거나 더 얕은 형상이 최적일 수 있다. 따라서, 최적의 공동 형상은 타원체형, 포물면, 또는 쌍곡면일 수 있다. 이것은 또한, 3면 이상이 평면인 피라미드형일 수도 있다.
미러링된 표면(930)에 의해 형광체 입자에 의해 방출되고 형광체 층(920)에 의해 산란된 광의 절반의 반사는(평균하여), 투명 재료(910)에 의해 정의된 기판(400) 내의 원형 개수로부터 방출된 광을 균질화하는 경향이 있을 것이다. 이것은, 결과적으로, 강도와 색상 균일성 모두를 향상시키고, 나아가, 형광체 층 두께와 형광체 입자 밀도에 대한 제조 공차를 완화시킬 것이다.
도 12a는 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 전자 모듈(1200)(예를 들어, 조명 모듈)의 예를 도시한다. 모듈(1200)은 비교적 얇은 프로파일을 갖는 대체로 평면 형상을 가질 수 있다. 초기 또는 정지 상태에서, 모듈(1200)은, 평탄하거나, 한 방향으로 만곡형이거나, 2방향으로 만곡형이거나, 더 복잡한 만곡을 가질 수도 있다. 모듈(1200)은, 반도체 다이(300)의 어레이를 그 표면상에 갖는(이 도면에는 미도시) 실질적으로 항복형의 기판(400)을 특징으로 할 수 있다. 반도체 다이(300)는 기판(400) 상에서 규칙적 또는 무작위 어레이로 조직될 수 있다. 반도체 다이(300)가 LED를 포함하는 실시형태에서, 어레이 내의 LED 피치(즉, 어레이 내의 LED들의 간격)는 약 2mm 내지 약 25 mm 범위로 변할 수 있다. 한 실시형태에서, LED 피치는, 모듈(1200)의 LED들로부터의 요구되는 총 광량을 하나의 LED에 의해 방출되는 광으로 나눔으로써 결정된다. LED 피치가 하나의 LED에 의해 방출되는 광량의 함수라는 것이 당업자에게는 명백할 것이다. 예를 들어, 비교적 더 적은 광을 방출하지만 비교적 더 작은 LED 피치를 갖는 비교적 더 많은 LED를 이용하여, 비교적 더 많은 광량을 방출하지만 비교적 더 큰 LED 피치를 갖는 비교적 더 적은 수의 LED를 이용하는 경우와 동일한 총 광량이 생성될 수 있다. 한 실시형태에서, LED 피치는 적어도 부분적으로 LED와 (예를 들어, 플레이트(1240)에 또는 다르게 병합된) 임의의 연관된 광학소자 또는 확산기 사이의 거리에 의해 결정된다. 한 실시형태에서, LED 피치는 LED와 연관된 확산기 사이의 거리와 유사하거나 실질적으로 동일하다.
하나 이상의 회로 보드가 기판(400)에 결합될 수 있다. 도시된 바와 같이, 3개의 회로 보드(1210, 1220, 1230)가 기판(400)에 부착된다. 회로 보드(1210, 1220, 1230)는 기판(400)의 가장자리에 위치하기 위해 길고 가는 직사각형 형상을 가질 수 있다. 구동 회로의 일부 또는 전부, 예를 들어, 전류-소스 컴포넌트가, 항복형 또는 실질적으로 경성일 수 있는 하나 이상의 회로 보드(1210, 1220, 1230)에 배치될 수 있다. 실시형태에서, 하나 이상의 회로 보드(1210, 1220, 1230)는, 다양한 컴포넌트들을 개개의 반도체 다이(300)에 접속하기 위해 예를 들어 커넥터, 전도성 접착제, 이방성 전도성 접착제 또는 필름 또는 전도성 에폭시 또는 가요성 커넥터를 이용하여 기판(400)에 부착된 인쇄 회로 보드(PCB)를 포함하거나 본질적으로 이것으로 구성된다. 한 실시형태에서, 회로 보드(1210, 1220, 1230)는 가요성 커넥터에 의해 기판(400)에 전기적으로 결합되어, 기판(400)에 관한 회로 보드(1210, 1220, 1230)의 배치 유연성을 허용한다.
선택사항으로서, 투명 플레이트(1240)가 기판(400)의 상부에 위치할 수 있다. 실시형태에서, 플레이트(1240)는 도 12b에 도시된 바와 같이 형광체(920)의 국지화된 피착물들에 의해 패터닝되고, 이 피착물들은 발광 반도체 다이(300)와 정렬되어 다이(300)에 의해 방출된 광이 다양한 형광체 피착물을 조명하게 된다. 바람직한 실시형태에서, 반도체 다이(300)로부터의 광과 형광체(920)로부터의 광의 조합은 다양한 상관 색온도(CCT) 중 임의의 것을 갖는 백색광을 생성한다. 다른 실시형태에서, 형광체(920)는 도 9a 내지 도 9d, 도 10, 또는 도 11에 도시된 바와 같이 반도체 다이(300) 위에 형성되거나, 플레이트(1240)의 표면상에 실질적으로 연속된 층으로서 형성될 수도 있다. 도 12b는 도 12a에 도시된 모듈(1200)의 모서리의 확대된 도면이다. 도시된 바와 같이, 회로 보드(1210)는 투명 플레이트(1240)에 대한 위치 스톱(location stop)으로서 작용할 수 있다. 마찬가지로, 다른 회로 보드(1220, 1230)는 플레이트(1240)에 대한 기계적 위치 기준을 제공할 수 있다. 도 13은 모듈(1200)의 분해도로서, 기판(400), 회로 보드(1210, 1220, 1230), 및 형광체(920)의 피착물들을 가진 플레이트(1240)를 도시한다.
본 발명의 다양한 실시형태는 상이한 물리적 구성을 특징으로 한다. 예를 들어, 모듈(1200)은, 하나, 둘, 넷, 또는 더 많은 회로 보드를 가질 수 있다. 하나 이상의 회로 보드는 반드시 기판(400)의 가장자리의 전체 길이를 연장하는 것이 아닐 수 있으며, 및/또는 2개 이상의 회로 보드가 기판(400)의 동일한 가장자리에 부착될 수도 있다. 회로 보드(들)는 기판(400)의 가장자리와 같은 높이로 놓이지 않을 수 있으며, 오히려 하나 이상의 가장자리 위로 돌출하거나, 가장자리로부터 소정 거리만큼 떨어져 위치할 수도 있다. 빈(즉, 형광체(920)의 피착물이 없이, 광학적으로 투명한) 재료 조각이 플레이트(1240)에 대한 추가의 위치설정자(locator)로서 추가될 수 있다. 플레이트(1240)는, 렌즈, 도파관, 반사기, 회절기 및/또는 확산기와 같은 광학소자를 포함할 수 있다.
전자 모듈(1200)은, 하나 이상의 타일 어레이를 생성하도록 와이어 본드, 납땜된 점프 와이어, 가요성 커넥터, 이방성 전도성 필름 또는 기타의 전기 접속 수단에 의해 상이한 기판들(400)을 조립함으로써 제조될 수 있다. 이러한 모듈(1400)의 실시형태가 도 14에 도시되어 있으며, 그것은 도시된 바와 같이 복수의 기판(400)으로부터 제조되어 있다. 기판(400)은 평면 캐리어(1410) 상에 탑재될 수 있으며, 하나 이상의 측면에서 회로 보드, 예를 들어, 회로 보드(1210, 1220, 1230)에 의해 한정(bound)될 수 있다. 모듈(1200)에 대해 설명된 바와 같이, 모듈(1400)은 또한, 다양한 기판(400) 상의 반도체 다이(300)와 정렬된 형광체(920) 또는 광학 소자의 영역을 갖춘 플레이트(1240)를 특징으로 한다.
회로 기판(1210, 1220, 1230)과 복수의 기판(400) 중 임의의 것 또는 모두가 형광체 및 또는 광학 소자가 있는 또는 없는 단일의 대면적 투명 캐리어(1410) 상에 탑재되어, 광범위한 응용, 예를 들어, 범용 또는 건축용 조명 응용이나 LCD 디스플레이 패널용 백라이트 유닛으로서 적합한, 실질적으로 일정한 휘도 분포를 갖는 얇은 패널을 형성할 수 있다. 도 15는 이러한 전자 모듈(1400)의 분해도로서, 복수의 기판(400), 회로 보드(1210, 1220, 1230), 및 형광체(920) 또는 광학 소자의 영역을 갖춘 플레이트(1240)를 도시한다. 일부 실시형태에서, 모듈(1400) 내의 다양한 기판(400) 중 임의의 것 또는 모두는 서로 상이할 수 있으며, 예를 들어, 상이한 개수 및/또는 타입의 반도체 다이(300), 및 형광체 및/또는 광학 소자를 지원할 수 있다. 예를 들어, 내부 위치들에 대해 상이한 기판(400')가 사용될 수 있고, 코너 위치에 대해 역시 또 다른 상이한 기판(400")이 사용될 수 있다. 개개의 기판(400)은 정사각형, 직사각형, 육각형, 삼각형, L형, 또는 기타 임의의 바둑판형 또는 비-바둑판형 형상일 수 있다. 일부 실시형태에서, 형광체(920)는 모든 위치에서 동일한 타입의 형광체인 반면, 다른 실시형태에서는 상이한 위치에서 상이한 형광체가 사용될 수 있다. 형광체(920)는, 예를 들어, 도 8 내지 도 11에 도시된 바와 같이, 플레이트(1240) 상이 아닌 다른 방식으로 통합될 수 있다. 모듈(1200)의 형상은 중요하지 않으며, 이들 모듈들은, 예를 들어, 직사각형, 정사각형, 6각형, 또는 설계, 건축 또는 조명 요건을 만족하는 기타 임의의 형상일 수 있다.
도 16a는 객실 점유(room occupancy), 주변광, 또는 당업자에게 공지된 기타의 환경적 요인과 같은 특징을 검출하기 위한 센서(1610)를 포함하는 전자 모듈(1600)을 도시한다. 하나 이상의 이러한 센서(1610)가 모듈(1600)에 포함될 수 있고, 따라서 모듈(1600)은 하나보다 많은 환경 요인을 검출할 수 있다. 모듈(1600)을 작동하기 위해, 예를 들어, 하나 이상의 반도체 다이(300)를 작동하기 위해 센서(1610)로부터의 피드백(즉, 신호)이 이용될 수 있다. 예를 들어, 발광 반도체 다이(300)는, 온되거나 오프되거나 그로부터의 방출광을 (즉시 또는 소정 시간 지연 후에) 디밍(dim)하도록 작동될 수 있다. 구동 회로(1620)가 모듈(1600)에 탑재될 수 있고, 센서(1610)로부터의 데이터가 모듈(1600)을 작동시키는 것을 가능케 하는 피드백 시스템을 포함할 수 있다. 구동 회로(1620)는 디밍 회로(dimming circuit)를 포함하거나 본질적으로 디밍 회로로 구성될 수 있다. 모듈(1600)은 또한 (예를 들어, 플렉시 유리(plexiglass)나 또 다른 실질적으로 경성의 재료를 포함하거나 본질적으로 이로 구성된) 지지물(1630), 지지 프레임(1640), 및 하나 이상의 반도체 다이(300)가 부착되어 있는 기판(400)을 포함할 수 있다. (예를 들어, 플렉시 유리나 또 다른 실질적으로 투명하거나 반투명한 재료를 포함하거나 본질적으로 이로 구성된) 커버 플레이트(1650)는 또한, 추가의 광학소자를 포함할 수 있다.
다양한 실시형태에서, 광 센서(1610)가 조명 기구로서 기능하는 복수의 모듈(1600) 각각 내에 병합될 수 있고, 따라서 광 센서(1610)는 조명기구에 의해 실질적으로 조명되는 주변을 샘플링한다. 광 강도가 소정 임계 레벨보다 크다면, 조명기구 내의 모듈(들)(1600)은 감지된 광 강도(즉, 주변의 다른 소스, 예를 들어, 태양광, 및 모듈(1600) 그 자체로부터의 총 광 강도)가 임계치가 되는 포인트로 디밍된다. 이런 방식으로, 하나 이상의 모듈(1600)을 병합한 새로운 또는 개장 유닛은 값비싼 중앙 조명 제어 시스템을 설치할 필요없이 일광 수확(daylight harvesting)을 통해 상당한 에너지 절감을 제공할 수 있다. 이것은 개장 유닛을 설치할 때 기존 건물이나 기타의 설비에서 중앙 제어 시스템에 요구되는 배선 설치의 필요성을 피할 수 있기 때문에 특히 유익하다.
또 다른 실시형태에서, 조명기구로서 기능하는 하나 이상의 모듈(1600) 내에 점유 센서(occupancy sensor)(1610)가 병합된다. 전술된 바와 유사한 방식으로, 점유 센서(1610)는 조명기구에 의해 조명되는 영역을 샘플링하고, 점유자가 없다면 조명기구를 디밍하거나 오프한다. 이것은, 점유 영역 위에 하나의 등만 켜져 있는 "빛의 기둥(pillar of light)" 상황 없이 에너지 절감으로 이어질 수 있다. 이러한 모듈(1600)은 또한, 모듈들 사이의 통신을 위한 저레벨 통신 시스템을 포함할 수도 있다. 그 통신 시스템은 근처의 조명기구의 동기화를 가능케 하여 에너지를 절약하면서 개선된 광 강도를 제공할 수 있다. 이러한 동작은 일광 수확과 동기화될 수도 있다. 이를 위해 상이한 통신 기술이 사용될 수 있지만, 다양한 실시형태들은 유선, 무선 또는 광 통신을 이용할 수 있으며, 여기서, 하나 이상의 발광 반도체 다이(300)가 높은 주파수로 변조되어 통신 신호를 제공한다.
본 발명의 일부 실시형태에서, 전술된 제어 회로는 바람직하게는 변조/복조 회로를 포함하며, 송신된 및/또는 수신된 통신신호를 처리하기 위해 심지어 마이크로프로세서, 마이크로컨트롤러 등과 같은 회로를 포함할 수도 있다. 이 신호는, 예를 들어, 모듈(1600)을 병합한 마스타 조명 시스템의 동작을 조정하는 명령을 나타낼 수 있다. 이 분야에서 적절한 네트워크 및 통신 회로가 상당히 특화되어 있으며, 과도한 실험 없이 이러한 조명 시스템들을 상호 통신하게 하는 네트워킹된 시스템이 수월하게 구성될 수 있다.
다양한 실시형태에서, 각 모듈(1600)은 가장 가까운 이웃 모듈(1600)(또는 다른 발광 고정기구)의 상태를 감지하고 감지된 것에 기초하여 소정의 행동을 취할 수 있다. 예를 들어, 도 16b에 도시된 바와 같이, 모듈 A는 그 국지적 영역에서 사람을 감지할 수 있다. 주변의 모듈들 B, C, D, 및 E는 그들의 국지적 영역에서 사람을 감지하지 않을 수 있으나, A가 광을 방출하는 중이라는 것을 감지할 수 있다. 제어 시스템은, 이러한 상황의 경우, 모듈들 B, C, D, 및 E에 의해 조명된 영역에서의 원하는 광 레벨이 (모듈 A에 의해 방출되는 광 레벨에 비해) 75%가 되도록 프로그램될 수 있다. 다음으로 가장 가까운 이웃들(미도시)도 역시 그들의 국지적 영역에서 점유를 감지할 수는 없으나, 그들의 이웃이 75%에서 방출하고 있다는 것을 감지할 수 있으므로, 예를 들어, 공칭 레벨의 50%의 값에서 방출할 수 있다. 복수 레벨의 이웃 모듈들로의 이러한 방법의 확장은 점유를 검출하고 점유자 주변에는 광을 제공하지만 불필요한 등은 끄도록 모듈들에 걸쳐 자체-조정하여 사용자에게 안락한 방식으로 에너지를 절감하는 자율적인 시스템으로 이어진다. 다시 한번, 프로그램 가능한 제어 회로 및 적합한 센서들은 본 분야의 종래 방식이며, 과도한 실험 없이 원하는 센서-응답성 조명 상태(예를 들어, 감지된 점유에 기초한 광 감소(light drop-off) 패턴)를 달성하도록 프로그램될 수 있다.
도 17에 도시된 실시형태에서, (모듈(1500 및/또는 1600)과 유사한) 전자 모듈(1700)은, 예를 들어, 액정 디스플레이(LCD) 어셈블리용 백라이트 유닛(BLU) 어셈블리로서 동작한다. 조명 모듈(1700)은, (바람직하게는 광학적으로 투명한) 기판(1240) 상의 형광체(920)의 영역을 조명하는 기판(400)에 접착된 발광 반도체 다이(300)(예를 들어, LED 및/또는 레이저) 어레이를 포함한다. (기판(400)의 구부리기 및/또는 변형), 반도체 다이(300)의 임의의 비평면성, 트레이스(410) 및 접착제(510)는 명료성을 위해 다양한 도면들로부터 생략되었음). (반도체 다이(300)에 의해 방출된 변환되지 않은 광 및/또는 형광체(920)에 의해 상이한 파장으로 변환된 광을 포함하거나 본질적으로 이들로 구성된) 결합된 광(1710)은, 기판(1730) 상에서 엠보싱되거나 몰딩될 수 있는 하나 이상의 광학 소자(1720)(예를 들어, 프레넬 렌즈)를 통해 나아간다. 그 다음 광(1710)은 바람직하게는 광학 확산기(1740)를 조명한다. 그 다음, 확산된 광은 바람직하게는, LCD 어셈블리(1770)를 조명하는 광을 부분적으로 시준하고(collimate) 더욱 확산시키는, 교차 휘도 강화 필름(1750, 1760)(예를 들어, 3M사에 의해 제조된 Vikuiti BEF)을 통해 나아간다. 또 다른 실시형태에서, 반도체 다이 및 형광체(920)는 도 8 내지 도 11에 도시된 바와 같이 통합된다.
도 18a는 예를 들어, LCD 어셈블리용 BLU 어셈블리로서 동작하는 전자 모듈(1800)을 도시한다. 조명 모듈(1800)은 기판(400)에 접착된 발광 반도체 다이(300)(예를 들어, LED 및/또는 레이저) 어레이를 포함하고, 그로부터의 광(1810)은 (형광체(920)와 같은) 형광체 재료를 균일하게 포함하거나 본질적으로 이것으로 구성되는 기판(1820)을 조명한다. 모듈(1700)과 유사하게, 결합된 및/또는 변환된 광은, LCD 어셈블리(1770)를 조명하는 광을 부분적으로 시준하고 더욱 확산시키는 교차 휘도 강화 필름(1750, 1760)을 통해 나아간다.
도 18b는 예를 들어, LCD 어셈블리용 BLU 어셈블리로서 동작하는 전자 모듈(1801)을 도시한다. 조명 모듈(1801)은, 기판(400)에 접착된 발광 반도체 다이(300)(예를 들어, LED 및/또는 레이저) 어레이와, 반도체 다이(300)가 완전히 또는 부분적으로 형광체(920)로 채워진 웰(810) 내에 있도록 기판(400) 위에 배치된 웰(810)을 갖는 제2 기판(800)(도 8a 참조)을 포함한다. 반도체 다이(300) 및 형광체(920)로부터의 광을 포함하는 광(1811)은, LCD 어셈블리(1770)를 조명하는 광을 부분적으로 시준하고 더욱 확산시키는 교차 휘도 강화 필름(1750, 1760)을 통해 나아간다.
도 19 및 도 20은 일반 조명용의 평면 광원으로서 기능하는 모듈(1700, 1800 및 1801)과 유사한 전자 모듈을 도시한다. 도 19에 도시된 바와 같이, 전자 모듈(1900)은, (바람직하게는 광학적으로 투명한) 기판(1240) 상의 형광체(920)의 영역을 조명하는 기판(400)에 접착된 발광 반도체 다이(300)(예를 들어, LED 및/또는 레이저) 어레이를 포함한다. (반도체 다이(300)에 의해 방출된 변환되지 않은 광 및/또는 형광체(920)에 의해 상이한 파장으로 변환된 광을 포함하거나 본질적으로 이들로 구성된) 결합된 광은, (바람직하게는 광학적으로 투명한) 기판(1730) 상에서 엠보싱되거나 몰딩될 수 있는 하나 이상의 광학 소자(1720)(예를 들어, 프레넬 렌즈)를 통해 나아간다. 또 다른 실시형태에서, 반도체 다이 및 형광체(920)는 도 8 내지 도 11에 도시된 바와 같이 통합된다.
유사하게, 도 20은 기판(400)에 접착된 발광 반도체 다이(300)(예를 들어, LED 및/또는 레이저) 어레이를 역시 포함하는 전자 모듈(2000)을 도시한다. 모듈(2000)에서, 하나 이상의 반도체 다이(300)는 도 8a 내지 도 8d를 참조하여 전술된 바와 같은 방식으로 형광체(820)로 "캡슐화(encapsulate)"된다. (반도체 다이(300)에 의해 방출된 변환되지 않은 광 및/또는 형광체(820)에 의해 상이한 파장으로 변환된 광을 포함하거나 본질적으로 이들로 구성된) 결합된 광은 다양한 광학소자들 중 임의의 광학 소자, 예를 들어, 도 20에 도시된 비대칭 프레넬 렌즈(2010) 및/또는 홀로그래픽 확산기(2020)를 통해 나아갈 수 있다. 광학소자는, 투명 기판(2030)의 일부, 그 표면상에 형성 및/또는 그것에 접합된 것일 수 있다. 렌즈(2010)는, 축상에서 보았을 때 각 반도체 다이(300)의 영상이 그와 연관된 렌즈(2010)의 출구 동공을 실질적으로 균일하게 채우도록 하는 식으로 반도체 다이(300)로부터 원하는 거리만큼 떨어져 위치할 수 있다. 발광 다이(300)의 전부 또는 일부가, 광학 소자, 예를 들어 렌즈와 연관될 수 있다. 한 실시형태에서 발광 다이(300) 어레이는 광학 소자 어레이와 1 대 1 기초로 연관된다.
도 21, 22a, 및 22b를 참조하면, 다양한 실시형태에서, 각각이 그에 접착된 하나 이상의 발광 반도체 다이(300)를 갖는 복수의 기판(400)이 함께 조립되어 상용 조명 제품에 대한 드롭-인 대체물(drop-in replacement)이 되는 모듈(2100)을 형성한다. 각 기판(400) 및 그와 연관된 반도체 다이(300)는 다른 모듈과 관계없이 조립될 수 있다. 기판(400)들은, 상관 색온도, 광 출력, 및 순방향 전압 등의 전기 속성과 같은 유사하거나 상보적 특성을 지니도록 분류("비닝")될 수 있다.
도 22a 및 22b에 도시된 바와 같이, 각 기판(400)은 하나 이상의 발광 반도체 다이(300)(예를 들어, LED 및/또는 레이저)를 특징으로 하며, 또한 도 8a 내지 도 8d, 9a 내지 도 9d, 도 10 또는 도 11에 도시된 방식으로 형광체(820)의 영역을 포함하는 기판(800)에 접합될 수도 있다. 전기 트레이스(410)는, 구동 회로(2210)로의 반도체 다이(300)의 전기 접속을 용이하게 하기 위해 접속 패드(2200)에서 종단할 수 있다. 각 반도체 다이(300) 스트링에 대한 전기 접속은, 구동 회로(2210) 및/또는 다른 전자 컴포넌트로부터 모듈(2100)의 발광 영역을 분리하기 위하여 바람직하게는 (예를 들어, 도 7b에 도시된 방식으로) 기판(400)의 한 측 상에 있다.
도 21 내지 도 23에 도시된 바와 같이, 수 개의 기판(400)이 함께 조립되어 더 큰 발광 모듈(2100)을 형성할 수 있다. 기판들(400)은, 광학 소자들(예를 들어, 개별 광학 소자, 확산기, 마이크로 광학 소자, 및/또는 기타의 광학 소자)이 내부에 포함되어 있거나 및/또는 그것에 접합되거나 형성되어 있을 수 있는 더 큰 기판(2220) 상에서 함께 조립될 수 있다. 기판(2220)은 또한 바람직하게는 투명하고 항복형이거나 실질적으로 경성일 수 있다. 바람직하게는 광학 소자들은 경성 기판(2240)(및/또는 기판(2220)) 내에 몰딩되는 (프레넬 렌즈와 같은) 렌즈들(2230)을 포함하거나 본질적으로 이들로 구성된다. 선택사항으로서, 예를 들어 기판(2220)으로부터 반사된 임의의 광을 반사하기 위해 모듈(2100)의 적어도 일부의 상부에 반사기(2250)가 배치될 수 있다.
모듈(2100)은 도 23에 도시된 바와 같은 하우징 내에 탑재될 수 있다. 모듈(2100)은 기계적 지지를 제공하기 위해 (하나 이상의 실질적으로 경성의 재료, 예를 들어, 금속, 플라스틱을 포함하거나 본질적으로 이들로 구성된) 경성 프레임(2300)에 부착되거나 그 내부에 배치될 수 있다. 반도체 다이(300)에 전력을 공급하기 위한 전원(2310) 및 기타 임의의 회로(예를 들어, 구동 회로(2210), 제어 회로, 인터페이스 등)가 프레임(2300)의 상부 표면(2320)에 배치될 수 있다. 이렇게 탑재되면, 모듈(2100)은 건물 내의 기존 조명기구에 대한 개장 키트, 기존 조명기구에 대한 대체 조명기구, 또는 새로운 구성을 위한 새로운 조명기구 제품으로서 역할할 수 있다. 선택사항으로서 두께에서 약 1 인치보다 작은 얇은 폼 팩터는 모듈(2100)이 많은 상이한 상황에서 이용될 수 있게 한다. 패키징된 모듈(2100)은 기존의 상용 설비와 부합하는 폼 팩터, 예를 들어, 1 피트 × 4 피트, 2 평방 피트(즉, 2 피트 × 2 피트), 및/또는 2 피트 × 4 피트를 가지거나, 다양한 설계 또는 조명 요건을 충족하는 기타의 형상 및 폼 팩터를 가질 수 있다.
도 24a 및 도 24b는, 예를 들어 2 평방 비트 조명기구를 위한 개장으로서 이용될 수 있는 모듈(2400)의 뒷면 및 정면을 각각 도시한다. 도 25는 명료성을 위해 많은 컴포넌트들(예를 들어, 형광체, 광학소자, 및 구동 회로)이 생략된 모듈(2400)의 확대된 단면도를 도시한다. 개개의 기판(400)은, 예를 들어, 유리 및/또는 플라스틱을 포함하거나 본질적으로 이들로 구성될 수 있는 하나의 더 큰 기판(2410)에 (접착제나 클램프와 같은 기구를 이용하여) 탑재될 수 있다. 그 후 기판(2410)은 (금속과 같은 경성 재료를 포함하거나 본질적으로 이것으로 구성될 수 있는) 큰 기계적 지지 시트(2420)에 부착될 수 있다. 선택사항적 확산 반사기(2430)가 기판(2410)과 기계적 지지 시트(2420) 사이에 배치될 수 있다. 도시된 바와 같이, 전술된 컴포넌트들은, 예를 들어, 스크류(2450)에 의해 c 채널 타입 압출성형물(2440)에 유지된다. 스크류(2450)는 또한, 작은 c 채널(2440)을 기계적 지지 시트(2420)의 뒷면을 가로질러 대략 수직으로 이어지는 더 큰 c 채널 압출성형물(2460)에 부착한다. 이런 방식으로, 전체 어셈블리는 주목할 만한 기판(2410)의 처짐(sag)을 방지하기 위해 기계적으로 단단하게 만들어질 수 있다. 큰 c 채널 압출성형물(2460)은 또한 유익하게도, 반도체 다이(300) 및 어레이 둘레의 구동 회로 보드(2480)에 요구되는 전압을 전달하는 데 이용되는 전원 및/또는 구동기(2470)에 대한 기계적 탑재 지점을 제공한다.
도 26은 전형적인 2 평방 피트 형광등 갓 조명기구용 렌즈를 유지하고 있는 강철 프레임(2610)과 확산기 시트(2600)를 병합하고 있는 완성된 모듈(2400)의 부분 분해도를 도시하고 있다. 스탠드오프(Standoff)(2620)는 확산기 시트(2600)와 기판(2410) 사이의 거리를 설정하는 데 이용될 수 있다. 도시된 바와 같이, 완성된 모듈과 확산기 시트는 프레임(2610) 내에 용이하게 삽입될 수 있으며, 일단 도 27에 도시된 바와 같이 조립되고 나면, 형광등 조명기구용 개장 키트로서 간단하고 얇은 드롭-인 솔루션을 제공할 수 있다. 도 28a 및 도 28b는 각각 확산기 시트(2600)을 갖춘 및 갖추지 않은 완성된 모듈(2400)의 하부면도를 도시한다.
예들
예 1
1 mm 폭의 전도성 트레이스가 유리 및 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 기판에 형성되었고, PET 기판은 약 5 mil의 두께를 가졌다. 전도성 트레이스는, 순차적으로 기판 상에 증착된 Cr로 된 하부층 및 Au로 된 상부층을 포함하였다. Cr 두께는 약 30 nm였고 Au 두께는 약 300 nm였다. 전도성 트레이스는 LED가 부착될 위치에서 약 90 ㎛의 폭을 갖는 갭을 가졌다. LED는 폭이 약 13 mil이었고 길이가 약 24 mil이었으며, 다이의 동일한 측 상에 2개의 컨택트를 가졌다. 갭 위에 Kyocera 0604C ACA가 제공되었는데, 갭 영역뿐만 아니라 갭에 인접한 각 전도성 트레이스의 단부의 일부가 ACA로 덮이도록 제공되었다. 그 다음, n 컨택트의 적어도 일부가 갭의 한 측 상의 트레이스의 적어도 일부 위에 있고 p 컨택트의 적어도 일부가 갭의 다른 측 상의 트레이스의 적어도 일부 위에 있도록 ACA 상에 컨택트 측이 아래로 향하게 하여 LED 다이가 배치되었다. 그 다음, LED를 갖는 PET 시트가, LED가 위로 향한 채 유연한 패드 상에서 열 압착되었다. 유리 조각이 LED 위에 놓였고, 프레스의 가열 플레이트 부분이 인가되었다. 플레이트는 125℃로 설정되었다. 압력이 인가되었고 PET 시트가 10분간 프레스에 놓인 다음, 프레스로부터 제거되어 표면 상의 유리를 제거하기 전에 냉각되었다. 열 압착 작업 이후에, LED가 있는 곳에서 시트가 옴폭해져, 공정 동안에 PET 시트의 변형을 나타내었다. PET 기판에 부착된 LED 다이는, 어떠한 단락이나 개방도 없이 전도(conduction)에 관해 100% 수율을 가졌다. 동등한 공정을 통해 유리 슬라이드에 부착된 LED 다이는 높은 퍼센트(~50% 또는 그 이상)의 간헐적 컨택트 실패를 보였다.
예 2
1 mm 폭의 전도성 트레이스가 약 5 mil의 두께를 갖는 PET 기판 상에 형성되었다. 전도성 트레이스가, 은 잉크(silver ink)의 스크린 인쇄에 의해 기판 상에 형성되었다. 은 스크린-인쇄된 트레이스의 높이는 약 4 ㎛였다. 전도성 트레이스는 LED가 부착될 위치에서 약 90 ㎛ 내지 150 ㎛의 폭을 갖는 갭을 가졌다. LED는 폭이 약 13 mil이었고 길이가 약 24 mil이었으며, 다이의 동일한 측 상에 양쪽 컨택트를 가졌다. 갭 위에 Kyocera 0604C ACA가 제공되었는데, 갭 영역뿐만 아니라 갭에 인접한 각 전도성 트레이스의 단부의 일부가 ACA로 덮이도록 제공되었다. 그 다음, n 컨택트의 적어도 일부가 갭의 한 측 상의 트레이스의 적어도 일부 위에 있고 p 컨택트의 적어도 일부가 갭의 다른 측 상의 트레이스의 적어도 일부 위에 있도록 ACA 상에 컨택트 측이 아래로 향하게 하여 LED 다이가 배치되었다. 그 다음, LED를 갖는 PET 시트가, LED가 위로 향한 채 유연한 패드 상에서 열 압착되었다. 유리 조각이 LED 위에 놓였고, 프레스의 가열 플레이트 부분이 인가되었다. 플레이트는 125℃로 설정되었다. 압력이 인가되었고 PET 시트가 10분간 프레스에 놓인 다음, 프레스로부터 제거되어, 표면으로부터 유리를 제거하기 전에 냉각되었다. 예 1에서 언급한 바와 같이, 열 압착 작업 이후에, LED가 부착된 곳에서 시트가 옴폭해져, 공정 동안에 PET 시트의 변형을 나타내었다. PET 기판에 부착된 LED 다이는 전도에 관하여 99.8%가 넘는 수율을 가졌고, 7000개가 넘은 다이의 배치에 대해 0.2% 고장난 LED에 대한 단락만이 있었다.
예 3
장치는 전술된 바와 같은 항복형 기판에 부착된 청색광 발광 LED를 특징으로 하였고, 장치로부터 방출된 광이 특정의 공칭 상관 색온도(CCT) 및 적어도 75의 연색 평가 지수(CRI; Color Rendering Index)를 갖는 실질적으로 백색이도록 LED를 둘러싼 웰에 형광체 혼합물이 배치되었다. 형광체 혼합물은 중량비 6% 내지 12%의 노란색-방출 Al5O12Y3 : Ce2 + 형광체(NYAG4563-S)와, (제1 형광체에 관한) 중량비 10% 내지 50%의 호박색-방출 (SrBaMg)2SiO4 : Eu2 + 형광체(O6040), (제1 형광체에 관한) 중량비 3% 내지 30%의 적색-방출 CaAlSiN3 : Eu2 + 형광체(R6535), 및 (제1 형광체에 관한) 중량비 1% 내지 5%의 녹색-방출 (SrBaMg)2SiO4 : Eu2 + 형광체(Y3957)를 포함하였고, 이들 모두 캘리포니아주 Fremont의 Intematix사로부터 입수할 수 있다.
형광체 혼합물은, 매사추세츠주 Billerica의 Cabot사로부터 입수할 수 있는 건식 실리카(fumed silica)(CAB-O-SIL CT-1221)와 (제1 형광체에 관한) 중량비 1% 내지 5%의 비율로, Dow Corning사로부터 입수할 수 있는 광학적으로 투명한 실리콘 합성 중합체(Sylgard 184)와 중량비 1% 내지 2%의 비율로 결합되었다. 건식 실리카(다른 실시형태에서는 건식 알루미나가 건식 실리카를 대신하여 또는 이에 추가하여 이용된다)는 형광체 입자 응집을 완화하고, 형광체로부터의 광 추출 효율을 향상시킨다. 형광체 혼합물이 가스제거된(degas) 다음, 웰 내에 주입되었다. 혼합물은 팁(tip) 크기가 27 내지 32 게이지인 3cc 주사기를 이용하여 주입되었고, 40 psi의 압축 공기 또는 기계적으로-작동된 플런저(plunger)에 의해 형광체 혼합물이 배출되었다. 플런저의 행정 길이(stroke length)나 압축 공기의 인가를 미리결정된 시간(예를 들어, 2 내지 7초)으로 제한함으로써 두께 250 내지 500 ㎛가 얻어졌다.
2개의 상이한 공식화의 형광체 혼합물은 상이한 CCT 값을 생성하였다. 제1 혼합물은 3500K의 CCT를 제공하였고, 10%의 NYAG4653-S, 25%의 R6535, 3% 건식 실리카, 및 굴절계수 1.43을 갖는 폴리디메틸실록산(PDMS) 재료를 포함하였고, 약 250 ㎛의 두께를 가졌다. 제2 혼합물은 5000K의 CCT를 제공하였고, 8.5%의 NYAG4653-S, 5%의 R6535, 3% 건식 실리카, 및 굴절계수 1.43을 갖는 PDMS 재료를 포함하였고, 약 250 ㎛의 두께를 가졌다. 또 다른 실시형태에서 형광체 바인더는 약 1.53의 굴절 계수를 갖는 Dow OE-6550이었다.
여기서 사용된 용어 및 표현은 설명을 위한 용어 및 표현이지 제한하고자 함은 아니며, 이러한 용어 및 표현의 사용시에, 도시되고 설명된 특징들 및 그 일부의 임의의 등가물을 배제하고자 하는 의도는 없다. 또한, 본 발명의 소정 실시형태들을 기술하였지만, 여기서 개시된 개념들을 포함하는 다른 실시형태들이 본 발명의 사상과 범위를 벗어나지 않고 사용될 수 있다는 것이 당업자에게는 명백할 것이다. 따라서, 설명된 실시형태들은 모든 면에서 단지 예시적인 것이며 제한적인 것이 아니다.

Claims (62)

  1. 전자 장치로서,
    언패키징된 무기 발광 다이오드(LED) 다이의 제1 면 상에 제1 및 제2 별개의 비-동일평면(non-coplanar) 컨택트를 갖는 상기 언패키징된 무기 발광 다이오드 다이; 및
    가요성 기판(flexible substrate) 의 제1 면 상에 제1 및 제2 전도성 트레이스(conductive trace)를 갖는 상기 가요성 기판 - 상기 제1 및 제2 전도성 트레이스는 그들 사이의 갭(gap)에 의해 상기 기판 상에서 분리되어 있음 -
    을 포함하고,
    상기 제1 및 제2 컨택트는, 상기 제1 및 제2 컨택트의 비-동일평면성에도 불구하고 상기 트레이스들이나 상기 컨택트들을 전기적으로 교락하지 않고 또한 상기 트레이스들과 상기 컨택트들 사이에 스터드 범프 없이 압력-활성화 접착성 재료에 의해 상기 제1 및 제2 전도성 트레이스에 각각 접착되어 전기적으로 접촉하는, 전자 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 기판은 가요성이고 변형가능한, 전자 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 무기 LED 다이는 GaN, AlN, InN, 또는 이들의 합금이나 혼합물 중 적어도 하나를 포함하는 반도체 재료를 포함하는, 전자 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 접착성 재료는, 상기 제1 컨택트를 상기 제1 트레이스에만 전기적으로 접속하고 상기 제2 컨택트를 상기 제2 트레이스에만 전기적으로 접속하는 이방성 전도성 접착제(ACA; anisotropic conductive adhesive)를 포함하는, 전자 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 ACA의 일부는 상기 갭 내에 배치되고 상기 제1 컨택트를 상기 제2 컨택트로부터 분리시키는, 전자 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1 트레이스의 두께 및 상기 제2 트레이스의 두께는 균일하고 서로 동일한, 전자 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 무기 LED 다이의 제1 면의 적어도 일부 위에 반사성 재료를 더 포함하는, 전자 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 무기 LED 다이의 제1 면에 수직인 차원(dimension)을 따른 상기 제1 컨택트와 상기 제2 컨택트 사이의 오프셋은 적어도 0.25 ㎛인, 전자 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 기판은 상기 언패키징된 무기 LED 다이의 동작 동안 상기 컨택트들 및 트레이스들 사이의 전기적 접촉을 유지하기 위한 국부적 구부림 또는 국부적 변형을 포함하는, 전자 장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 무기 LED 다이는 상기 제1 트레이스와 상기 제2 트레이스 사이의 상기 갭을 가로질러 연장되고, 상기 무기 LED 다이 부근에 있고 상기 제1 트레이스와 상기 제2 트레이스 사이의 상기 갭을 가로질러 연장되는 제2 반도체 다이를 더 포함하는, 전자 장치.
  11. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 전도성 트레이스는 전도성 잉크를 포함하는, 전자 장치.
  12. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 전도성 트레이스는 은, 금, 알루미늄, 크롬, 구리, 또는 탄소 중 적어도 하나를 포함하는, 전자 장치.
  13. 제1항에 있어서, 상기 기판은, 폴리에틸렌 나프탈레이트(polyethylene naphthalate), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리에테르술폰(polyethersulfone), 폴리에스테르(polyester), 폴리이미드(polyimid), 폴리에틸렌(polyethylene), 또는 종이 중 적어도 하나를 포함하는, 전자 장치.
  14. 제1항에 있어서, 상기 제1 트레이스와 상기 제2 트레이스 사이의 갭은 25 ㎛와 1000 ㎛ 사이의 범위에 이르는, 전자 장치.
  15. 제1항에 있어서, 상기 무기 LED 다이와 열이 통하는 방열판(heat sink)이 없는, 전자 장치.
  16. 제1항에 있어서, 상기 무기 LED 다이의 적어도 일부 위에 배치되며, 상기 무기 LED 다이에 의해 방출된 광의 적어도 일부를 상이한 파장의 광으로 변환하기 위한 형광체 재료를 더 포함하는, 전자 장치.
  17. 제16항에 있어서, 상기 무기 LED 다이와 상기 형광체 재료 사이에 배치된 광학적으로 투명한 재료를 더 포함하는, 전자 장치.
  18. 제16항에 있어서, 상기 형광체 재료 위에 배치되고, 변환된 광을 상기 가요성 기판을 향하여 반사하기 위한 반사면을 더 포함하는, 전자 장치.
  19. 제16항에 있어서, 상기 가요성 기판과 상기 제1 및 제2 전도성 트레이스 위에 배치된 제2 기판을 더 포함하고, 이로써 상기 제2 기판은 정의된 개구를 포함하며, 상기 무기 LED 다이와 상기 형광체 재료는 상기 개구에 배치되는, 전자 장치.
  20. 제19항에 있어서, 상기 제2 기판의 상기 개구 위에 배치된 투명막을 더 포함하는, 전자 장치.
  21. 제19항에 있어서, 상기 제2 기판은 가요성인, 전자 장치.
  22. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 컨택트 각각의 측면 길이 또는 지름은 70㎛보다 작은, 전자 장치.
  23. 제1항에 있어서, 상기 제1 면의 총 면적은 상기 제1 컨택트의 면적의 적어도 15배인, 전자 장치.
  24. 제1항에 있어서, 상기 접착성 재료는, 상기 제1 컨택트를 상기 제1 트레이스에만 전기적으로 접속하고 상기 제2 컨택트를 상기 제2 트레이스에만 전기적으로 접속하는 등방성 접착제를 포함하며, 상기 갭 내에 배치된 비전도성 접착성 재료를 더 포함하는, 전자 장치.
  25. 제1항에 있어서, 반도체 다이에 의해 방출되는 파장에 대한 상기 기판의 반사율은 80%보다 큰, 전자 장치.
  26. 제1항에 있어서, 반도체 다이에 의해 방출되는 파장에 대한 상기 기판의 투과율은 80%보다 큰, 전자 장치.
  27. 전자 장치로서,
    언패키징된 무기 발광 다이오드(LED) 다이의 제1 면 상에 제1 및 제2 별개의 비-동일평면 컨택트를 갖는 상기 언패키징된 무기 발광 다이오드 다이; 및
    (i) 물리력에 응하여 휘기 쉽고 탄력있거나, 또는 (ii) 물리력에 응하여 영구적으로 변형가능한 기판 - 상기 기판은 상기 기판의 제1 면 상에 제1 및 제2 전도성 트레이스를 가지며, 상기 제1 및 제2 전도성 트레이스는 그들 사이의 갭에 의해 상기 기판 상에서 분리되어 있음 -
    을 포함하고,
    상기 제1 및 제2 컨택트는, 상기 제1 및 제2 컨택트의 비-동일평면성에도 불구하고 상기 트레이스들을 전기적으로 교락하거나 상기 컨택트들을 전기적으로 교락하지 않고 압력-활성화 접착성 재료에 의해 상기 제1 및 제2 전도성 트레이스에 각각 접착되어 전기적으로 접촉하며, 상기 기판은 상기 언패키징된 무기 LED 다이의 동작 동안 상기 컨택트들 및 트레이스들 사이의 전기적 접촉을 유지하기 위한 국부적 구부림 또는 국부적 변형을 포함하는, 전자 장치.
  28. 제27항에 있어서, 상기 기판은 (i) 물리력에 응하여 휘기 쉽고 탄력이 있지만 (ii) 물리력에 응하여 영구적으로 변형가능하지 않은, 전자 장치.
  29. 제27항에 있어서, 상기 기판은 (i) 물리력에 응하여 영구적으로 변형가능하지만 (ii) 물리력에 응하여 휘기 쉽고 탄력이 있지 않은, 전자 장치.
  30. 제27항에 있어서, 상기 언패키징된 무기 LED 다이는 GaN, AlN, InN, 또는 이들의 합금이나 혼합물 중 적어도 하나를 포함하는 반도체 재료를 포함하는, 전자 장치.
  31. 제27항에 있어서, 상기 언패키징된 무기 LED 다이는 실리콘, GaAs, InAs, AlAs, InP, GaP, AlP, InSb, GaSb, AlSb, ZnO 또는 이들의 합금이나 혼합물 중 적어도 하나를 포함하는 반도체 재료를 포함하는, 전자 장치.
  32. 제27항에 있어서, 상기 접착성 재료는, 상기 제1 컨택트를 상기 제1 트레이스에만 전기적으로 접속하고 상기 제2 컨택트를 상기 제2 트레이스에만 전기적으로 접속하는 이방성 전도성 접착제(ACA; anisotropic conductive adhesive)를 포함하는, 전자 장치.
  33. 제32항에 있어서, 상기 ACA의 일부는 상기 갭 내에 배치되고 상기 제1 컨택트를 상기 제2 컨택트로부터 분리시키는, 전자 장치.
  34. 제27항에 있어서, 상기 접착성 재료는, 상기 제1 컨택트를 상기 제1 트레이스에만 전기적으로 접속하고 상기 제2 컨택트를 상기 제2 트레이스에만 전기적으로 접속하는 등방성 접착제를 포함하며, 상기 갭 내에 배치된 비전도성 접착성 재료를 더 포함하는, 전자 장치.
  35. 제27항에 있어서, 상기 제1 트레이스의 두께 및 상기 제2 트레이스의 두께는 균일하고 서로 동일한, 전자 장치.
  36. 제27항에 있어서, 상기 언패키징된 무기 LED 다이의 제1 면의 적어도 일부 위에 반사성 재료를 더 포함하는, 전자 장치.
  37. 제27항에 있어서, 상기 언패키징된 무기 LED 다이의 제1 면에 수직인 차원(dimension)을 따른 상기 제1 컨택트와 상기 제2 컨택트 사이의 오프셋은 적어도 0.25 ㎛인, 전자 장치.
  38. 제27항에 있어서, 상기 기판은 상기 제1 트레이스와 상기 제2 트레이스 사이에 국지적 변형을 포함하고, 이로써 상기 제1 컨택트와 상기 기판 사이의 거리는 상기 제2 컨택트와 상기 기판 사이의 거리와 동일한, 전자 장치.
  39. 제27항에 있어서, 상기 언패키징된 무기 LED 다이는 상기 제1 트레이스와 상기 제2 트레이스 사이의 상기 갭을 가로질러 연장되고, 상기 언패키징된 무기 LED 다이 부근에 있고 상기 제1 트레이스와 상기 제2 트레이스 사이의 상기 갭을 가로질러 연장되는 제2 언패키징된 무기 LED 다이를 더 포함하는, 전자 장치.
  40. 제27항에 있어서, 상기 제1 및 제2 전도성 트레이스는 전도성 잉크를 포함하는, 전자 장치.
  41. 제27항에 있어서, 제1 및 제2 전도성 트레이스는 은, 금, 알루미늄, 크롬, 구리, 또는 탄소 중 적어도 하나를 포함하는, 전자 장치.
  42. 제27항에 있어서, 상기 언패키징된 무기 LED 다이에 의해 방출되는 파장에 대한 상기 기판의 반사율은 80%보다 큰, 전자 장치.
  43. 제27항에 있어서, 상기 기판은, 폴리에틸렌 나프탈레이트(polyethylene naphthalate), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리에테르술폰(polyethersulfone), 폴리에스테르(polyester), 폴리이미드(polyimid), 폴리에틸렌(polyethylene), 또는 종이 중 적어도 하나를 포함하는, 전자 장치.
  44. 제27항에 있어서, 상기 제1 트레이스와 상기 제2 트레이스 사이의 갭은 25 ㎛와 1000 ㎛ 사이의 범위에 이르는, 전자 장치.
  45. 제27항에 있어서, 상기 언패키징된 무기 LED 다이와 열이 통하는 방열판(heat sink)이 없는, 전자 장치.
  46. 제27항에 있어서, 상기 언패키징된 무기 LED 다이 위에 배치되고 상기 언패키징된 무기 LED 다이를 적어도 부분적으로 둘러싸며, 상기 언패키징된 무기 LED 다이에 의해 방출된 광의 적어도 일부를 상이한 파장의 광으로 변환하기 위한 형광체 재료를 더 포함하는, 전자 장치.
  47. 제46항에 있어서, 상기 기판과 상기 제1 및 제2 전도성 트레이스 위에 배치된 제2 기판을 더 포함하고, 이로써 상기 제2 기판은 정의된 개구를 포함하며, 상기 언패키징된 무기 LED 다이와 상기 형광체 재료는 상기 개구에 배치되는, 전자 장치.
  48. 제46항에 있어서, 상기 언패키징된 무기 LED 다이와 상기 형광체 재료 사이에 배치된 광학적으로 투명한 재료를 더 포함하는, 전자 장치.
  49. 제27항에 있어서, 상기 제1 및 제2 컨택트 각각의 측면 길이 또는 지름은 70㎛보다 작은, 전자 장치.
  50. 제27항에 있어서, 상기 제1 면의 총 면적은 상기 제1 컨택트의 면적의 적어도 15배인, 전자 장치.
  51. 제27항에 있어서, 상기 언패키징된 무기 LED 다이의 길이는 300㎛보다 작고, 상기 언패키징된 무기 LED 다이의 폭에 대한 길이의 종횡비는 2:1보다 큰, 전자 장치.
  52. 제51항에 있어서, 상기 제1 및 제2 컨택트 각각의 측면 길이 또는 지름은 20㎛보다 작은, 전자 장치.
  53. 전자 장치로서,
    언패키징된 무기 LED 다이의 제1 면 상에 제1 및 제2의 이격된 컨택트를 갖는 상기 언패키징된 무기 LED 다이; 및
    (i) 물리력에 응하여 휘기 쉽고 탄력있거나, 또는 (ii) 물리력에 응하여 영구적으로 변형가능한 기판 - 상기 기판은 상기 기판의 제1 면 위의 접합 영역에 제1 및 제2 전도성 트레이스들을 가지며, 상기 제1 및 제2 전도성 트레이스는 그들 사이에 갭을 정의함 -
    을 포함하고,
    (i) 상기 제1 및 제2 컨택트는, 상기 트레이스들을 함께 전기적으로 교락하거나 상기 컨택트들을 함께 전기적으로 교락하지 않고 또한 상기 트레이스들과 상기 컨택트들 사이에 스터드 범프 없이 압력-활성화 접착성 재료에 의해 상기 제1 및 제2 전도성 트레이스에 각각 접착되어 전기적으로 접촉하며, (ii) 적어도 상기 접합 영역에서, 상기 제1 및 제2 트레이스의 상기 기판의 상기 제1 면 상의 높이는 10㎛를 초과하지 않으며, (iii) 상기 기판의 상기 제1 면 위의 상기 제1 및 제2 트레이스의 높이에도 불구하고, 상기 언패키징된 무기 LED 다이의 동작 동안 상기 컨택트들 및 트레이스들 사이의 전기적 접촉이 유지되는, 전자 장치.
  54. 제53항에 있어서, 적어도 상기 접합 영역에서, 상기 기판의 제1 면 위의 상기 제1 및 제2 트레이스의 높이는 5㎛를 초과하지 않는, 전자 장치.
  55. 전자 장치로서,
    복수의 활성 반도체 층 및 복수의 컨택트를 포함하는 언패키징된 무기 발광 다이오드(LED) 다이 - 상기 반도체 층들 중 제1 및 제2 활성 반도체 층은 집합적으로, 상기 컨택트들 중 제1 및 제2 컨택트가 연결(join)되는 비평면형의 제1 면을 정의함 -; 및
    (i) 물리력에 응하여 휘기 쉽고 탄력있거나, 또는 (ii) 물리력에 응하여 영구적으로 변형가능한 기판 - 상기 기판은 상기 기판의 제1 면 상에 제1 및 제2 전도성 트레이스들을 가지며, 상기 제1 및 제2 전도성 트레이스는 그들 사이의 갭에 의해 상기 기판 상에서 분리되어 있음 -
    을 포함하고,
    상기 제1 및 제2 컨택트는, 상기 언패키징된 무기 LED 다이의 제1 면의 비-동일평면성에도 불구하고 상기 트레이스들을 함께 전기적으로 교락하거나 상기 컨택트들을 함께 전기적으로 교락하지 않고 압력-활성화 접착성 재료에 의해 상기 제1 및 제2 전도성 트레이스에 각각 접착되어 전기적으로 접촉하며, 상기 기판은 상기 언패키징된 무기 LED 다이의 동작 동안 상기 컨택트들 및 트레이스들 사이의 전기적 접촉을 유지하기 위한 국부적 구부림 또는 국부적 변형을 포함하는, 전자 장치.
  56. 제27항에 있어서, 상기 기판이 위에 탑재되는 경성(rigid) 프레임을 더 포함하는, 전자 장치.
  57. 제53항에 있어서, 상기 기판은 상기 언패키징된 무기 LED 다이의 동작 동안 상기 컨택트들 및 트레이스들 사이의 전기적 접촉을 유지하기 위한 국부적 구부림 또는 국부적 변형을 포함하는, 전자 장치.
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