Lead frame and recess structures in light-emitting diode packages and related methods

Abstract

Light-emitting diode (LED) devices and more particularly lead frame and recess structures in LED packages and related methods are disclosed. Lead frame structures include leads embedded withing package housings and extending from housing top faces to housing bottom faces. One or more recesses are formed in housing top faces with shapes for providing targeted far field emission patterns. Exemplary shapes include elongated recesses, such as ovals, for tailored viewing angles. Related methods involve forming a single recess by successively drilling multiple overlapping holes along the housing top face. Lead frame structures and recess arrangements provide overall LED packages with reduced dimensions for arrangement in LED displays with reduced pixel pitch.

Description

LEAD FRAME AND RECESS STRUCTURES IN LIGHT-EMITTING DIODE PACKAGES AND RELATED METHODSField of the Disclosure

[0001] The present disclosure relates to light-emitting diode (LED) devices, and more particularly to lead frame and recess structures in LED packages and related methods.Background

[0002] Solid-state lighting devices such as light-emitting diodes (LEDs) are increasingly used in both consumer and commercial applications. Advancements in LED technology have resulted in highly efficient and mechanically robust light sources with a long service life. Accordingly, modern LEDs have enabled a variety of new display applications and are being increasingly utilized for general illumination applications.

[0003] LEDs are solid-state devices that convert electrical energy to light and generally include one or more active layers of semiconductor material (or an active region) arranged between oppositely doped n-type and p-type layers. When a bias is applied across the doped layers, holes and electrons are injected into the one or more active layers where they recombine to generate emissions such as visible light or ultraviolet emissions. LED packages are solid-state devices that incorporate one or more LED chips into a packaged device. An LED chip may be enclosed in a component package to provide environmental and / or mechanical protection, light focusing and the like.

[0004] LEDs are now being used in displays, both big and small. Large or giant screen LED displays are common in many indoor and outdoor locations, such as at sporting events, concerts and in large public areas. Depending on the size, many of these displays include thousands of “pixels” mounted on a flat surface to generate an image, with each pixel containing a plurality of LEDs. The pixels may use high efficiency and high brightness LEDs that allow the displays to be visible from relatively far away, even in the daytime when subject to sunlight.

[0005] The art continues to seek improved LEDs and solid-state lighting devices having increased light output and increased light emission efficiencies without impairing manufacturability and reliability of such devices, while providing desirable illumination characteristics capable of overcoming challenges associated with conventional lighting devices.Summary

[0006] The present disclosure relates to light-emitting diode (LED) devices, and more particularly to lead frame and recess structures in LED packages and related methods. Lead frame structures include leads embedded within package housings and extending from housing top faces to housing bottom faces. One or more recesses are formed in housing top faces with shapes for providing targeted far field emission patterns. Exemplary shapes include elongated recesses, such as ovals, for tailored viewing angles. Related methods involve forming a single recess by successively drilling multiple overlapping holes along the housing top face. Lead frame structures and recess arrangements provide overall LED packages with reduced dimensions for arrangement in LED displays with reduced pixel pitch.

[0007] In one aspect, an LED package comprises: a housing forming a plurality of recesses in a top face of the housing; a lead frame structure comprising a separate pair of leads for each recess of the plurality of recesses, each lead comprising: a bonding pad accessible within a corresponding recess of the plurality of recesses; a via extending within the housing from the top face to a bottom face of the housing; and a mounting pad accessible at the bottom face; and an LED chip in each recess and electrically coupled to the corresponding pair of leads. In certain embodiments, the mounting pad is recessed relative to the bottom face of the housing. In certain embodiments, a lateral extension of the mounting pad laterally extends into the housing. In certain embodiments, the via contacts the lateral extension of the mounting pad within the housing. In certain embodiments, each via is offset within the LED package from the plurality of recesses. In certain embodiments, the mounting pad of a first lead of a first pair of leads forms a different shape than a second lead of the first pair of leads. In certain embodiments, side faces of the housing form continuously planar surfaces from the top face of the housing to the bottom face of the housing. In certain embodiments, the housing comprises a length in a range from 1 millimeter (mm) to 20 mm, a width in a range from 1 mm to 20 mm, and a height in a range from 1 mm to 10 mm. In certain embodiments, the length is in a range from 1 mm to 5 mm, the width is in a range from 1 mm to 5 mm, and the height is in a range from 1 mm to less than 5 mm. In certain embodiments, each recess of the plurality of recesses forms an elongated shape at the top surface, and a longest dimension of each recess of the plurality of recesses extends in a parallel manner to the width of the housing. In certain embodiments, each recess of the plurality of recesses has an elongated shape comprising three overlapping circular shapes. The LED package may further comprise an elongated lens over each recess of the plurality of recesses. In certain embodiments, each elongated lens forms an oval shape along the top surface of the housing. In certain embodiments, each recess of the plurality of recesses is formed by overlapping circular shapes. In certain embodiments, adjacent recesses of the plurality of recesses overlap one another to form a larger recess along the top face.

[0008] In another aspect, a method of making an LED package comprises: providing a housing with a lead frame structure embedded in the housing; forming a first recess in a top face of the housing by successively drilling adjacent and overlapping holes in the top face; and mounting and electrically coupling a first LED chip to the lead frame structure in the first recess. The method may further comprise: forming a second recess in the top face of the housing by successively drilling adjacent and overlapping holes in the top face; and forming a third recess in the top face of the housing by successively drilling adjacent and overlapping holes in the top face. In certain embodiments, the first recess, the second recess, and the third recess are formed in a linear arrangement along the top face. In certain embodiments, the adjacent and overlapping holes are formed in a linear manner along the top face. The method may further comprise: mounting the first LED chip in a first portion of the first recess that is centered with respect to a first hole of the adjacent and overlapping holes; mounting and electrically coupling a second LED chip to the lead frame structure in a second portion of the first recess that is centered with respect to a second hole of the adjacent and overlapping holes; and mounting and electrically coupling a third LED chip to the lead frame structure in a third portion of the first recess that is centered with respect to a third hole of the adjacent and overlapping holes. The method may further comprise forming an elongated lens on the first recess. In certain embodiments, the elongated lens forms an oval shape.

[0009] In another aspect, a lighting device comprises: a board; and a plurality of light-emitting diode (LED) packages mounted on the board, at least one LED package of the plurality of LED packages comprising: a housing forming a plurality of recesses in a top face of the housing; a lead frame structure comprising a separate pair of leads for each recess of the plurality of recesses, each lead comprising: a bonding pad accessible within a corresponding recess of the plurality of recesses; a via extending within the housing from the top face to a bottom face of the housing; and a mounting pad accessible at the bottom face; and an LED chip in each recess and electrically coupled to the corresponding pair of leads. In certain embodiments, each recess of the plurality of recesses forms an elongated shape at the top surface. In certain embodiments, the elongated shape comprises three overlapping circular shapes. The lighting device may further comprise an elongated lens over each recess of the plurality of recesses. In certain embodiments, each elongated lens forms an oval shape along the top surface of the housing. In certain embodiments, the lighting device comprises an LED display.

[0010] In another aspect, any of the foregoing aspects individually or together, and / or various separate aspects and features as described herein, may be combined for additional advantage. Any of the various features and elements as disclosed herein may be combined with one or more other disclosed features and elements unless indicated to the contrary herein.

[0011] Those skilled in the art will appreciate the scope of the present disclosure and realize additional aspects thereof after reading the following detailed description of the preferred embodiments in association with the accompanying drawing figures.Brief Description of the Drawing Figures

[0012] The accompanying drawing figures incorporated in and forming a part of this specification illustrate several aspects of the disclosure, and together with the description serve to explain the principles of the disclosure.

[0013] FIG. 1A is a top perspective view of a light-emitting diode (LED) package with a housing and LED chips according to embodiments disclosed herein.

[0014] FIG. 1 B is a top perspective view of the LED package with the housing of FIG. 1A shown as transparent for illustrative purposes in viewing the lead frame structure of the LED package.

[0015] FIG. 1C is a top perspective view of the LED package of FIG. 1 B, with the housing and LED chips removed for illustrative purposes.

[0016] FIG. 1 D is a top view of the LED package of FIG. 1A.

[0017] FIG. 1 E is a bottom view of the LED package of FIG. 1A.

[0018] FIG. 1 F is a side view of the LED package with the housing of FIG. 1A shown as transparent for illustrative purposes in viewing the lead frame structure of the LED package.

[0019] FIG. 1G is a cross-sectional view of a portion of the LED package of FIG. 1 F illustrating details of the mounting pad relative to the housing.

[0020] FIG. 2 is a top perspective view of an LED package similar to the LED package of FIGS. 1A to 1G with the addition of an encapsulant in each recess.

[0021] FIG. 3 is a top perspective view of an LED package similar to the LED package of FIG. 2 for embodiments where the encapsulant material forms a lens over each recess.

[0022] FIG. 4 is a top perspective view of an LED package similar to the LED package of FIG. 3 for embodiments where each lens is connected by a common flash material.

[0023] FIG. 5A is a top view of an LED package similar to the LED package of FIGS. 1A to 1G for embodiments where the recesses have different shapes.

[0024] FIG. 5B is a top perspective view of the LED package of FIG. 5A with the LED chips removed for illustrative purposes.

[0025] FIG. 6A is a top view of an LED package similar to the LED package of FIGS. 1A to 1G for embodiments where the recesses are interconnected along the top face.

[0026] FIG. 6B is a top perspective view of the LED package of FIG. 6A with the LED chips removed for illustrative purposes.

[0027] FIG. 7 is a top view of an LED package similar to the LED package of FIGS. 1A to 1G for embodiments with a square shape for the housing and multiple elongated recesses.

[0028] FIG. 8 is a top view of an LED package similar to the LED package of FIG. 7 but where overlapping drilling holes are perceptible along each elongated recess.

[0029] FIG. 9 is a top view of an LED package similar to the LED package of FIG. 7 for embodiments with a single recess in the top face of the housing.

[0030] FIG. 10 is a top view of an LED package similar to the LED package of FIG. 9 but where two overlapping drilling holes are perceptible along the elongated recess.

[0031] FIG. 11 is a top view of an LED package similar to the LED package of FIG. 10 where three overlapping drilling holes are perceptible along the elongated recess.

[0032] FIG. 12 is a top view of an LED package similar to the LED package of FIG. 11 where four overlapping drilling holes are perceptible along the elongated recess.

[0033] FIG. 13 is a top view of an LED package similar to the LED package of FIG. 7 for embodiments with multiple recesses formed in a nonlinear manner along the top face of the housing.

[0034] FIG. 14 is a top view of an LED package similar to the LED package of FIG. 13 where the multiple recesses are closer together and overlap to form a larger recess.

[0035] FIG. 15 is a top view of an LED package similar to the LED package of FIG. 14 where the multiple recesses are even closer together and overlap to form a larger recess.

[0036] FIG. 16 is a top view of an LED package similar to the LED package of FIG. 13 for embodiments with four recesses formed in a nonlinear manner along the top face of the housing.

[0037] FIG. 17 is a top view of an LED package similar to the LED package of FIG. 16 where the multiple recesses are closer together and overlap to form a larger recess.

[0038] FIG. 18 is a top view of an LED package similar to the LED package of FIG. 17 where the multiple recesses are even closer together and overlap to form a larger recess.

[0039] FIG. 19 is a schematic diagram of a portion of an LED device, such as a display screen, that may include multiple LED packages according to principles of the present disclosure.Detailed Description

[0040] The embodiments set forth below represent the necessary information to enable those skilled in the art to practice the embodiments and illustrate the best mode of practicing the embodiments. Upon reading the following description in light of the accompanying drawing figures, those skilled in the art will understand the concepts of the disclosure and will recognize applications of these concepts not particularly addressed herein. It should be understood that these concepts and applications fall within the scope of the disclosure and the accompanying claims.

[0041] It will be understood that, although the terms first, second, etc. may be used herein to describe various elements, these elements should not be limited by these terms. These terms are only used to distinguish one element from another. For example, a first element could be termed a second element, and, similarly, a second element could be termed a first element, without departing from the scope of the present disclosure. As used herein, the term "and / or" includes any and all combinations of one or more of the associated listed items.

[0042] It will be understood that when an element such as a layer, region, or substrate is referred to as being "on" or extending "onto" another element, it can be directly on or extend directly onto the other element or intervening elements may also be present. In contrast, when an element is referred to as being "directly on" or extending "directly onto" another element, there are no intervening elements present. Likewise, it will be understood that when an element such as a layer, region, or substrate is referred to as being "over" or extending "over" another element, it can be directly over or extend directly over the other element or intervening elements may also be present. In contrast, when an element is referred to as being "directly over" or extending "directly over" another element, there are no intervening elements present. It will also be understood that when an element is referred to as being "connected" or "coupled" to another element, it can be directly connected or coupled to the other element or intervening elements may be present. In contrast, when an element is referred to as being "directly connected" or "directly coupled" to another element, there are no intervening elements present.

[0043] Relative terms such as "below" or "above" or "upper" or "lower" or "horizontal" or "vertical" may be used herein to describe a relationship of one element, layer, or region to another element, layer, or region as illustrated in the Figures. It will be understood that these terms and those discussed above are intended to encompass different orientations of the device in addition to the orientation depicted in the Figures.

[0044] The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the disclosure. As used herein, the singular forms "a, " "an, " and "the" are intended to include the plural forms as well, unless the context clearly indicates otherwise. It will be further understood that the terms "comprises, " "comprising, " "includes, " and / or "including" when used herein specify the presence of stated features, integers, steps, operations, elements, and / or components, but do not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, elements, components, and / or groups thereof.

[0045] Unless otherwise defined, all terms (including technical and scientific terms) used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this disclosure belongs. It will be further understood that terms used herein should be interpreted as having a meaning that is consistent with their meaning in the context of this specification and the relevant art and will not be interpreted in an idealized or overly formal sense unless expressly so defined herein.

[0046] Embodiments are described herein with reference to schematic illustrations of embodiments of the disclosure. As such, the actual dimensions of the layers and elements can be different, and variations from the shapes of the illustrations as a result, for example, of manufacturing techniques and / or tolerances, are expected. For example, a region illustrated or described as square or rectangular can have rounded or curved features, and regions shown as straight lines may have some irregularity. Thus, the regions illustrated in the figures are schematic and their shapes are not intended to illustrate the precise shape of a region of a device and are not intended to limit the scope of the disclosure. Additionally, sizes of structures or regions may be exaggerated relative to other structures or regions for illustrative purposes and, thus, are provided to illustrate the general structures of the present subject matter and may or may not be drawn to scale. Common elements between figures may be shown herein with common element numbers and may not be subsequently re-described.

[0047] The present disclosure relates to light-emitting diode (LED) devices, and more particularly to lead frame and recess structures in LED packages and related methods. Lead frame structures include leads embedded withing package housings and extending from housing top faces to housing bottom faces. One or more recesses are formed in housing top faces with shapes for providing targeted far field emission patterns. Exemplary shapes include elongated recesses, such as ovals, for tailored viewing angles. Related methods involve forming a single recess by successively drilling multiple overlapping holes along the housing top face. Lead frame structures and recess arrangements provide overall LED packages with reduced dimensions for arrangement in LED displays with reduced pixel pitch.

[0048] An LED chip typically comprises an active LED structure or region that can have many different semiconductor layers arranged in different ways. The fabrication and operation of LEDs and their active structures are generally known in the art and are only briefly discussed herein. The layers of the active LED structure can be fabricated using known processes with a suitable process being fabrication using metal organic chemical vapor deposition. The layers of the active LED structure can comprise many different layers and generally comprise an active layer sandwiched between n-type and p-type oppositely doped epitaxial layers, all of which are formed successively on a growth substrate. It is understood that additional layers and elements can also be included in the active LED structure, including, but not limited to, buffer layers, nucleation layers, super lattice structures, un-doped layers, cladding layers, contact layers, and current-spreading layers and light extraction layers and elements. The active layer can comprise a single quantum well, a multiple quantum well, a double heterostructure, or super lattice structures.

[0049] Different embodiments of the active LED structure may emit different wavelengths of light depending on the composition of the active layer and n-type and p-type layers. In certain embodiments, the active LED structure emits blue light with a peak wavelength range of approximately 430 nanometers (nm) to 480 nm. In other embodiments, the active LED structure emits green light with a peak wavelength range of 500 nm to 570 nm. In other embodiments, the active LED structure emits red light with a peak wavelength range of 600 nm to 650 nm. In certain embodiments, a multiple-chip LED package for use as a pixel in a display may include at least one blue-emitting LED chip, at least one green-emitting LED chip, and at least one red-emitting LED chip. In certain embodiments, the active LED structure may be configured to emit light that is outside the visible spectrum, including one or more portions of the ultraviolet (UV) spectrum (e.g., 100 nm to 400 nm) , or one or more portions of the near infrared spectrum, and / or the infrared spectrum (e.g., 700 nm to 1000 nm) .

[0050] LED chips within packages may also be covered with one or more lumiphoric or other conversion materials, such as phosphors, such that at least some of the light from the LED chip is absorbed by the one or more phosphors and is converted to one or more different wavelength spectra according to the characteristic emission from the one or more phosphors. For example, the combination of a blue-emitting LED chip and one or more phosphors may be configured to provide a generally white combination of light. The one or more phosphors may include yellow (e.g., YAG: Ce) , green (e.g., LuAg: Ce) , and red (e.g., Cai-x-ySrxEuyAlSiN3) emitting phosphors, and combinations thereof. Lumiphoric materials as described herein may be or include one or more of a phosphor, a scintillator, a lumiphoric ink, a quantum dot material, a day glow tape, and the like.

[0051] As used herein, a layer or region of a light-emitting device may be considered to be "transparent" when at least 80%of emitted radiation that impinges on the layer or region emerges through the layer or region. Moreover, as used herein, a layer or region of an LED is considered to be "reflective" or embody a “mirror” or a "reflector" when at least 80%of the emitted radiation that impinges on the layer or region is reflected. In some embodiments, the emitted radiation comprises visible light such as blue and / or green LEDs with or without lumiphoric materials. In other embodiments, the emitted radiation may comprise nonvisible light. For example, in the context of GaN-based blue and / or green LEDs, silver (Ag) may be considered a reflective material (e.g., at least 80%reflective) .

[0052] The present disclosure can be useful for LED chips having a variety of geometries, such as vertical geometry or lateral geometry. A vertical geometry LED chip typically includes anode and cathode connections on opposing sides or faces of the LED chip. A lateral geometry LED chip typically includes both anode and cathode connections on the same side of the LED chip that is opposite a substrate, such as a growth substrate. In certain embodiments, one or more wire bonds may be used to provide electrical connections between anode and cathode connections and lead frame structures of LED package. In other arrangements, some LED chips may be flip-chip mounted and electrically coupled to the lead frame structure without the use of wire bonds.

[0053] The present disclosure is directed to various embodiments of surface mount device (SMD) LED packages and LED displays using such packages. Each of the LED packages may be arranged for use as a single pixel, instead of conventional LED displays where multiple LED packages are used to form each pixel. This may provide easier and less expensive manufacturing of LED displays, and improved reliability for LED displays. SMD LED packages of the present disclosure may embody lead frame structures with lead frame vias that vertically extend within package housings to provide bottom side mounting pads. By moving the lead frame vias to only exit from a bottom surface of the LED package, overall dimensions of the LED package may be significantly reduced, thereby allowing higher density or resolution displays with an increased pixel count for a given display area. Additionally, moisture resistance may be improved and corresponding potting materials may be reduced, thereby reducing overall weight of LED display screens.

[0054] In addition to the above advantages, LED packages according to the present disclosure can be easier to handle compared to conventional LED lamps used to form pixels for LED displays and can be easier to assemble into LED displays. The LED packages and resulting LED displays can provide improved emission characteristics while at the same time being more reliable and providing longer life spans.

[0055] The different embodiments according to the present disclosure may have different shapes and sizes of cavities, with some cavities having a curved surface while others can have angled sidewalls and planar base. Depending on the desired emission direction, LED chips may be mounted proximate center positions at cavity floors or in positions offset from center. Lenses may be provided over each of the cavities. In certain aspects, lens shapes are disclosed that are configured to angle light in desired directions in combination with various cavity shapes. For example, aspects as disclosed herein may be well suited to increase downward emissions for LED packages in high-view LED displays, such displays in stadiums, arenas, roadways, billboards, or on sides of buildings. In certain embodiments, the LED chips within a package may emit multiple colors, such as red, green and blue, and the LED chips may be individually controllable to emit different color combinations and intensities of light. The LED chips may be arranged in close proximity to one another within a corresponding LED package to approximate a point light source for enhanced color mixing and uniformity within the far field emission pattern.

[0056] The present disclosure is described herein with reference to certain embodiments, but it is understood that the disclosure can be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. In particular, many different LED reflective cup and lead frame arrangements can be provided beyond those described herein, and the encapsulant can provide further features to alter the direction of emissions from the LED packages and LED displays utilizing the LED packages. Although the different embodiments of LED packages discussed below are directed to use in LED displays, they can be used in many other applications either individually or with other LED packages.

[0057] FIG. 1A is a top perspective view of an LED package 10 with a housing 12 and LED chips 14 according to embodiments disclosed herein. FIG. 1 B is a top perspective view of the LED package 10 with the housing 12 of FIG. 1A shown as transparent for illustrative purposes in viewing the lead frame structure of the LED package 10. FIG. 1C is a top perspective view of the LED package 10 of FIG. 1 B, with the housing 12 and LED chips 14 removed for illustrative purposes.

[0058] As illustrated in FIG. 1A, the LED package 10 includes the housing 12, or body structure, that is typically an insulating material that is formed to provide mechanical stability as well as electrical insulation. The housing 12 may comprise a molded plastic material or a ceramic material, among others. As illustrated, a top face 12T of the housing 12 forms a primary emission face of the LED package 10, and a bottom face 12B of the housing 12 forms a mounting face for the LED package 10. The top face 12T and the bottom face 12B are peripherally bounded by side faces 12S of the housing 12. Along the top face 12T, the housing 12 forms a number of recesses 12R, or cavities, that extend into the housing 12 from the top face 12T. A separate LED chip 14 may be arranged within each recess 12R. In certain embodiments, the LED chip 14 in each recess 12R is structured to emit a different wavelength, such as red, green, and blue, for LED pixel applications in LED displays. The recesses 12R may further be arranged in a linear manner along the top face 12T for LED pixel applications.

[0059] As best illustrated in FIG. 1 B, the housing 12 is formed at least partially around a lead frame structure that includes leads 16-1 to 16-6. The leads 16-1 to 16-6 are typically structures formed of an electrically conductive metal, such as copper, copper alloys, or other conductive metals. The leads 16-1 to 16-6 may initially be part of a larger lead frame structure that is separated during manufacturing to form individual LED packages. During fabrication, a separate housing 12 may be formed in each area of a lead frame structure where an individual LED package will be formed after singulation. Top portions of each lead 16-1 to 16-6 form bonding pads 18 or pins that are accessible within a floor of each recess 12R for providing a mounting surface for the LED chips 14 and corresponding anode and cathode electrical connections. Bottom portions of each lead 16-1 to 16-6 form mounting pads 20 or pins that are accessible from the bottom face 12B of the housing 12 for receiving external electrical connections when surface mounting the LED package 10. With reference to FIG. 1 B and 1C, each lead 16-1 to 16-6 accordingly forms a continuous electrical path from the recess 12R that includes a generally vertical via 22 that extends from the bonding pad 18 to the mounting pad 20 portions of each lead 16-1 to 16-6. In certain embodiments, the via 22 embodies a hollow cylinder formed by metal plating, such as copper, along the interior of a bored hole in the housing 12. In other embodiments, the via 22 could form a solid cylinder through the housing 12. The bonding pads 18 extend laterally from the recess 12R to form a lateral extension 18’ into the housing 12 to reach the vertical vias 22. The lateral extensions 18’ may form curved shapes with narrow neck portions within the housing 12. In a similar manner, the mounting pads 20 form lateral extensions 20’into the housing 12 to reach the vertical vias 22. The lateral extensions 20’ may also form curved shapes within the housing 12 with narrow neck portions. Such curved shapes provide several advantages, including ease of manufacturing for drilling through PCB materials, avoiding stress points and related packages defects associated with sharp corners, and achieving the desired result with less material for cost savings. As illustrated, the vertical vias 22 are positioned offset relative to accessible portions of the bonding pads 18 along the top face 12T and offset relative to accessible portions of the mounting pads 20 at the bottom face 12B.

[0060] FIG. 1 D is a top view of the LED package 10 of FIG. 1A. As illustrated, each recess 12R is formed with an elongated shape with curved opposing edges. In certain embodiments, two opposing sides of each recess 12R may extend laterally across the housing 12 in a generally parallel manner before being bounded by curved end sections at each end section of each recess 12R. In certain embodiments, each recess 12R is formed with a generally oval shape. Such elongated and / or oval shapes for each recess 12R may provide targeted emission patterns for the LED package 10, such as improving viewing angles in LED displays.

[0061] FIG. 1 E is a bottom view of the LED package 10 of FIG. 1A. From the bottom view, portions of the leads (e.g., 16-1 to 16-6 of FIG. 1 C) that form the mounting pads 20 are visible. In certain embodiments, portions of the mounting pads 20 may laterally extend into the housing 12 to form a recessed structure described below in greater detail with respect to FIG. 1G. In certain embodiments, at least one of the mounting pads 20 may form a different shape than other mounting pads 20 for the purposes of polarity indication. In the example of FIG. 1 E, one of the mounting pads 20 forms a circular shape while the remaining mounting pads have rectangular or square shapes.

[0062] FIG. 1 F is a side view of the LED package 10 with the housing 12 of FIG. 1A shown as transparent for illustrative purposes in viewing the lead frame structure of the LED package 10. FIG. 1G is a cross-sectional view of a portion of the LED package 10 of FIG. 1 F illustrating details of the mounting pad 20 relative to the housing 12. As illustrated, the mounting pad 20 may be recessed slightly into the bottom surface 12B of the housing 12. Accordingly, portions of the mounting pad 20 may laterally extend into the housing 12 for improved mechanical stability. In such an arrangement, a slight recess is formed at the bottom surface 12B to provide a pocket for receiving solder material during bonding of the LED package 10.

[0063] The LED package 10 of FIGS. 1A to 1 G provides a structure that may be scaled significantly down to provide smaller overall dimensions, thereby providing reduced pixel spacing when arranged together in an LED display. By having no leads 16-1 to 16-6 exit side faces 12S of the housing 12, and only having the leads 16-1 to 16-6 form the mounting pads 20 as illustrated, multiple ones of the LED package 10 may be positioned closer to one another in LED displays. By way of example, the overall dimensions of the LED package 10 may have a length in a range from 1 mm to 20 mm, a width in a range from 1 mm to 20 mm, and a height in a range from 1 mm to 10 mm. In certain applications, the overall dimensions of the LED package 10 may have a length in a range from 1 mm to less than 5 mm, a width in a range from 1 mm to 5 mm, and a height in a range from 1 mm to 5 mm. In certain embodiments, the height smaller than the length and the width dimensions. Notably, a longest dimension of each elongated recess 12R extends in a parallel manner to the shortest dimension of the top face 12T (i.e., the width) . In such embodiments, the width may be colinear with longest edges of portions of one or more of the leads 16-1 to 16-6, such as longest edges of one or more of the bonding pads 18. Accordingly, the principles of the present disclosure provide the ability to reduce overall dimensions by at least 50%as compared to conventional LED packages with multiple recesses. Notably, the shape of each recess 12R is structured so that a longest dimension of the recess 12R extends in a direction parallel to the width. In certain embodiments, the side faces 12S may continuously extend in a vertical manner between the top face 12T and the bottom face 12B. For example, each side face 12S may form an entirely planar surface from the top face 12T to the bottom face 12B for all four sides of the LED package 10.

[0064] FIG. 2 is a top perspective view of an LED package 24 similar to the LED package 10 of FIGS. 1A to 1 G with the addition of an encapsulant 26 in each recess 12R. The material of the encapsulant 26 may include silicone, epoxy, and / or lumiphoric materials, depending on the embodiment. In certain applications, a different colored pigment may be present within the encapsulant 26 for each recess 12R to provide visual indication of the wavelength emitted by the underlying LED chip when the LED package is not electrically activated.

[0065] FIG. 3 is a top perspective view of an LED package 28 similar to the LED package 24 of FIG. 2 for embodiments where the encapsulant material forms a lens 26’ over each recess. In certain embodiments, each lens 26’ may form a shape that is elongated in a similar manner as each recess 12R as illustrated in FIG. 1A. Each lens 26’ may have a generally curved shape such as an oval or ellipsoid, although other shapes are contemplated depending on the desired emission pattern. In certain embodiments, the generally elongated shapes for the lenses 26’ may provide tailored directional viewing angles in far field emissions, such as viewing angles of about 30 degrees in a first direction with viewing angles increased to a range from 45 degrees to 90 degrees in a second direction, perpendicular to the first direction. In other embodiments, the lenses 26’ may be formed with a shape where a focal point of the lenses 26’ is offset from center of each recess 12R to direct light in desired emission directions. In FIG. 3, each lens 26’ is discontinuous with other lenses 26’a long the top face 12T of the housing 12 for improved contrast.

[0066] FIG. 4 is a top perspective view of an LED package 30 similar to the LED package 28 of FIG. 3 for embodiments where each lens 26’ is connected by a common flash material 32. In certain embodiments, the flash material 32 comprises a same material as each lens 26’ . In this regard, the lens 26’a nd the flash material 32 may be formed as continuous portions of the encapsulant 26 as described with respect to FIG. 2. By extending the flash material 32 to cover the top face 12T, improved protection may be provided for the LED package 30. For example, the flash material 32 may cover the top face 12T to offer total protection of the underlying housing 12, including the entire top face 12T. In certain embodiments, the flash material 32 provides enhanced water or moisture ingress protection by moving potential ingress points between the flash material 32 and the housing 12 farther away from each lens 26’ . Moreover, the extended flash material 32 may provide increased adhesion between the material housing 12 and each lens 26’ .

[0067] As described above, embodiments of the present disclosure are well suited for providing significantly reduced package dimensions. Exemplary LED packages may include multiple recesses, each of which has an LED chip, for use in LED displays with reduced pixel pitch. At these smaller dimensions, elongated shapes of recesses that extend along widths of housings may be difficult to fabricate. According to aspects of the present disclosure, elongated recesses are provided by a technique of drilling the top surface of a housing multiple times for each recess. For example, a single elongated recess may be formed by sequentially drilling multiple and overlapping holes in the elongated direction. According to the sequential drilling technique, elongated shapes of recesses may be achieved with reduced mechanical failures of housings. In certain embodiments, the recesses 12R of the LED packages described above with respect to FIGS. 1A to 4 may be formed by sequentially drilling many holes in the elongated direction such that individual holes are not perceptible within each recess. In other embodiments, the spacing between sequentially drilled holes for each recess may be controlled such that individual holes are perceptible along each recess, for example in providing different optical emission patterns.

[0068] FIG. 5A is a top view of an LED package 34 similar to the LED package 10 of FIGS. 1A to 1G for embodiments where the recesses 12R have different shapes. FIG. 5B is a top perspective view of the LED package 34 of FIG. 5A with the LED chips 14 removed for illustrative purposes. As mentioned above, each recess 12R may be formed by successively drilling multiple and overlapping holes in the top face 12T. In the example of the LED package 34, each recess 12R has recess sidewalls formed by three overlapping drill steps. Accordingly, each recess 12R may have an overall shape that is elongated and formed by three overlapping circular shapes.

[0069] FIG. 6A is a top view of an LED package 36 similar to the LED package 10 of FIGS. 1A to 1G for embodiments where the recesses 12R are interconnected along the top face 12T. FIG. 6B is a top perspective view of the LED package 36 of FIG. 6A with the LED chips 14 removed for illustrative purposes. As mentioned above, recess 12R shapes may be formed by successively drilling multiple and overlapping holes in the top face 12T. In the example of the LED package 36, each recess 12R is drilled by a larger circular opening such that each recess 12R for each LED chip 14 overlaps an adjacent recess 12R to collectively form a single larger recess 12R that is elongated along a longest dimension of the top face 12T, or a length thereof. Accordingly, the overall recess 12R may have an elongated shape formed by three overlapping circular shapes that are centered about each LED chip 14.

[0070] While previous embodiments are described in the context of rectangular shaped housings, such as for linear red-green-blue LED packages, the principles described are applicable to other shapes. For example, any of the previous embodiments may have the form of square shaped housings and overall LED packages. In such examples, positions of recesses may still be linear or the positions of recesses may be provided with nonlinear shapes, depending on desired emission patterns. Moreover, the principles described above for forming recess shapes with successive drilling techniques may also be applicable to recesses in square-shaped housings. FIGS. 7 to 18 are described for various embodiments of LED packages similar to the LED package 10 of FIGS. 1A to 1G but with square-shaped housings that may also be implemented as LED pixels in LED displays, among other applications. For illustrative purposes, the LED chips 14 are generally included and the leads 16-1 to 16-6 of FIGS. 1A to 1G are omitted for illustrative purposes.

[0071] FIG. 7 is a top view of an LED package 38 similar to the LED package 10 of FIGS. 1A to 1 G for embodiments with a square shape for the housing 12 and multiple elongated recesses 12R. As illustrated, the elongated recesses 12R are formed in a linear arrangement along the top face 12T. Each recess 12R may be formed according to successive drilling steps as described above. In FIG. 7, the successive drilling steps are performed such that individual drilling holes are not perceptible in a manner similar to the LED package 10 of FIGS. 1A to 1G.

[0072] FIG. 8 is a top view of an LED package 40 similar to the LED package 38 of FIG. 7 but where overlapping drilling holes are perceptible along each elongated recess 12R. Accordingly, the LED package 38 of FIG. 8 may be formed in a manner similar to the LED package 34 of FIGS. 5A and 5B.

[0073] FIG. 9 is a top view of an LED package 42 similar to the LED package 38 of FIG. 7 for embodiments with a single recess 12R in the top face 12T of the housing 12. The recess 12R may be formed according to successive drilling steps as described above with respect to FIG. 7. In certain embodiments, the recess 12R may include a single LED chip 14 therein. In other embodiments, multiple LED chips 14 may reside within the single elongated recess 12R.

[0074] FIG. 10 is a top view of an LED package 44 similar to the LED package 42 of FIG. 9 but where two overlapping drilling holes are perceptible along the elongated recess 12R. In certain embodiments, the recess 12R as illustrated in FIG. 10 may include a single LED chip 14 centered with respect to the recess 12R or two LED chips 14 as illustrated, one each in a position centered along each drilling hole.

[0075] FIG. 11 is a top view of an LED package 46 similar to the LED package 44 of FIG. 10 where three overlapping drilling holes are perceptible along the elongated recess 12R. In certain embodiments, the recess 12R as illustrated in FIG. 11 may include a single LED chip 14 centered with respect to the recess 12R or three LED chips 14, one each in a position centered along each drilling hole.

[0076] FIG. 12 is a top view of an LED package 48 similar to the LED package 46 of FIG. 11 where four overlapping drilling holes are perceptible along the elongated recess 12R. In certain embodiments, the recess 12R as illustrated in FIG. 12 may include a single LED chip 14 centered with respect to the recess 12R or four LED chips 14, one each in a position centered along each drilling hole.

[0077] FIG. 13 is a top view of an LED package 50 similar to the LED package 38 of FIG. 7 for embodiments with multiple recesses 12R formed in a nonlinear manner along the top face 12T of the housing 12. As illustrated, the recesses 12R may be formed in a spaced manner relative to one another. For FIG. 13, the three recesses 12R may be arranged in a triangular layout so that spacings between each recess 12R and each corresponding LED chip 14 (e.g., red, green, and blue chips) may be approximately the same.

[0078] FIG. 14 is a top view of an LED package 52 similar to the LED package 50 of FIG. 13 where the multiple recesses 12R are closer together and overlap to form a larger recess. As with FIG. 13, the arrangement of FIG. 14 may be well suited for providing approximately equal spacings between each recess 12R and each corresponding LED chip 14 (e.g., red, green, and blue chips) . Alternatively, the overlapping recess 12R layout of FIG. 14 may be well suited for embodiments where all LED chips 14 generate a same emission wavelength and / or a common lumiphoric material is positioned within the recess 12R.

[0079] FIG. 15 is a top view of an LED package 54 similar to the LED package 52 of FIG. 14 where the multiple recesses 12R are even closer together and overlap to form a larger recess. In this regard, more light mixing may occur within the larger recess 12R as compared with the arrangement of FIG. 14.

[0080] FIG. 16 is a top view of an LED package 56 similar to the LED package 50 of FIG. 13 for embodiments with four recesses 12R formed in a nonlinear manner along the top face 12T of the housing 12. As illustrated, the recesses 12R may be formed in a spaced manner relative to one another. For FIG. 16, the four recesses 12R may be arranged in a square layout so that spacings between adjacent recesses 12R and each corresponding LED chip 14 may be approximately the same.

[0081] FIG. 17 is a top view of an LED package 58 similar to the LED package 56 of FIG. 16 where the multiple recesses 12R are closer together and overlap to form a larger recess. As with FIG. 16, the arrangement of FIG. 17 may be well suited for providing approximately equal spacings between each adjacent recess 12R and corresponding LED chips 14.

[0082] FIG. 18 is a top view of an LED package 60 similar to the LED package 58 of FIG. 17 where the multiple recesses 12R are even closer together and overlap to form a larger recess. In this regard, more light mixing may occur within the larger recess 12R as compared with the arrangement of FIG. 17. The overlapping recess 12R layout of FIG. 18 may be well suited for embodiments where all LED chips 14 generate a same emission wavelength and / or a common lumiphoric material is positioned within the recess 12R. Alternatively, multiple LED chips 14 of different emission colors may also be arranged within the recess 12R.

[0083] FIG. 19 is a schematic diagram of a portion of an LED device 62, such as a display screen or LED display, for example, an indoor and / or outdoor screen comprising, in general terms, a display panel including a driver printed circuit board (PCB) 64 carrying a large number of surface-mount devices (SMDs) 66 arranged in rows and columns, each SMD 66 defining a pixel. The SMDs 66 may embody LED packages as described above with respect to any of FIGS. 1A to 18. The SMDs 66 are electrically connected to traces or pads on the PCB 64 to respond to appropriate electrical signal processing and driver circuitry (not shown) . As disclosed above, it is to be appreciated that while FIG. 19 depicts the LED chips 14 in a linear arrangement within each LED package for the SMD 66, in other embodiments, the LED chips 14 may be arranged in different configurations. The LED chips 14 of each SMD 66 are adapted to be energized to produce in combination a substantially full range of colors and to define one pixel of the display. Each SMD 66 is configured to be electrically coupled with the signal processing and LED drive circuitry in a manner to selectively energize the array of SMDs 66 and corresponding LED chips 14 for producing visual images on said display.

[0084] It is contemplated that any of the foregoing aspects, and / or various separate aspects and features as described herein, may be combined for additional advantage. Any of the various embodiments as disclosed herein may be combined with one or more other disclosed embodiments unless indicated to the contrary herein. For example, any of the lead frame structures described above with respect to FIGS. 1A to 1 G may be implemented in any of the embodiments of FIGS. 2 to 19. Moreover, any of the encapsulant and lens structures described above for FIGS. 2-4 may be implemented in the embodiments of FIGS. 1A to 1G and 5-19.

[0085] Those skilled in the art will recognize improvements and modifications to the preferred embodiments of the present disclosure. All such improvements and modifications are considered within the scope of the concepts disclosed herein and the claims that follow.

Claims

1.A light-emitting diode (LED) package comprising:a housing forming a plurality of recesses in a top face of the housing;a lead frame structure comprising a separate pair of leads for each recess of the plurality of recesses, each lead comprising:a bonding pad accessible within a corresponding recess of the plurality of recesses;a via extending within the housing from the top face to a bottom face of the housing; anda mounting pad accessible at the bottom face; andan LED chip in each recess and electrically coupled to the corresponding pair of leads.2.The LED package of claim 1, wherein the mounting pad is recessed relative to the bottom face of the housing.3.The LED package of claim 2, wherein a lateral extension of the mounting pad laterally extends into the housing.4.The LED package of claim 3, wherein the via contacts the lateral extension of the mounting pad within the housing.5.The LED package of claim 4, wherein each via is offset within the LED package from the plurality of recesses.6.The LED package of claim 1, wherein the mounting pad of a first lead of a first pair of leads forms a different shape than a second lead of the first pair of leads.7.The LED package of claim 1, wherein side faces of the housing form continuously planar surfaces from the top face of the housing to the bottom face of the housing.8.The LED package of claim 1, wherein the housing comprises a length in a range from 1 millimeter (mm) to 20 mm, a width in a range from 1 mm to 20 mm, and a height in a range from 1 mm to 10 mm.9.The LED package of claim 8, wherein the length is in a range from 1 mm to 5 mm, the width is in a range from 1 mm to 5 mm, and the height is in a range from 1 mm to less than 5 mm.10.The LED package of claim 8, wherein each recess of the plurality of recesses forms an elongated shape at the top surface, and a longest dimension of each recess of the plurality of recesses extends in a parallel manner to the width of the housing.11.The LED package of claim 1, wherein each recess of the plurality of recesses has an elongated shape comprising three overlapping circular shapes.12.The LED package of claim 11, further comprising an elongated lens over each recess of the plurality of recesses.13.The LED package of claim 12, wherein each elongated lens forms an oval shape along the top surface of the housing.14.The LED package of claim 1, wherein each recess of the plurality of recesses is formed by overlapping circular shapes.15.The LED package of claim 1, wherein adjacent recesses of the plurality of recesses overlap one another to form a larger recess along the top face.16.A method of making a light-emitting diode (LED) package, the method comprising:providing a housing with a lead frame structure embedded in the housing;forming a first recess in a top face of the housing by successively drilling adjacent and overlapping holes in the top face; andmounting and electrically coupling a first LED chip to the lead frame structure in the first recess.17.The method of claim 16, further comprising:forming a second recess in the top face of the housing by successively drilling adjacent and overlapping holes in the top face; andforming a third recess in the top face of the housing by successively drilling adjacent and overlapping holes in the top face.18.The method of claim 17, wherein the first recess, the second recess, and the third recess are formed in a linear arrangement along the top face.19.The method of claim 16, wherein the adjacent and overlapping holes are formed in a linear manner along the top face.20.The method of claim 19, further comprising:mounting the first LED chip in a first portion of the first recess that is centered with respect to a first hole of the adjacent and overlapping holes;mounting and electrically coupling a second LED chip to the lead frame structure in a second portion of the first recess that is centered with respect to a second hole of the adjacent and overlapping holes; andmounting and electrically coupling a third LED chip to the lead frame structure in a third portion of the first recess that is centered with respect to a third hole of the adjacent and overlapping holes.21.The method of claim 16, further comprising forming an elongated lens on the first recess.22.[Rectified under Rule 91, 21.01.2025]The method of claim 21, wherein the elongated lens forms an oval shape.23.[Rectified under Rule 91, 21.01.2025]A lighting device comprising:a board; anda plurality of light-emitting diode (LED) packages mounted on the board, at least one LED package of the plurality of LED packages comprising:a housing forming a plurality of recesses in a top face of the housing;a lead frame structure comprising a separate pair of leads for each recess of the plurality of recesses, each lead comprising:a bonding pad accessible within a corresponding recess of the plurality of recesses;a via extending within the housing from the top face to a bottom face of the housing; anda mounting pad accessible at the bottom face; andan LED chip in each recess and electrically coupled to the corresponding pair of leads.24.[Rectified under Rule 91, 21.01.2025]The lighting device of claim 23, wherein each recess of the plurality of recesses forms an elongated shape at the top surface.25.[Rectified under Rule 91, 21.01.2025]The lighting device of claim 24, wherein the elongated shape comprises three overlapping circular shapes.26.[Rectified under Rule 91, 21.01.2025]The lighting device of claim 24, further comprising an elongated lens over each recess of the plurality of recesses.27.[Rectified under Rule 91, 21.01.2025]The lighting device of claim 26, wherein each elongated lens forms an oval shape along the top surface of the housing.28.[Rectified under Rule 91, 21.01.2025]The lighting device of claim 23, wherein the lighting device comprises an LED display.

Images