Светодиодное устройство

Светодиодное устройство

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к электронной технике, в частности к конструкциям источников света, содержащих полупроводниковые излучающие кристаллы-светодиоды. Такие светодиодные устройства (СДУ) широко используются в полупроводниковой промышленности, энергетике, черной металлургии, железнодорожном транспорте, химической и других отраслях промышленности. СДУ нашли применение для сигнализации о режиме работы различной аппаратуры, для подсветки экранов, для источников информации типа информационного табло, бегущих строк, светофоров, устройств бытового освещения и т.д. Высокие параметры СДУ - оптическая мощность излучения, коэффициент преобразования электрической энергии в световую, высокая надежность и низкая себестоимость делают эти источники света весьма перспективными. Во многих случаях требуются СДУ с широкой гаммой цветов и оттенков светового потока, включая белый и полноцветный.

Главной проблемой при создании СДУ является эффективный сбор всего излучения (включая боковое), снижение трудоемкости изготовления и повышение надежности изделий.

Известно СДУ, содержащее светоизлучающий кристалл, укрепленный на держателе, соединенном с одним из электрических выводов, и размещенный в пластмассовом корпусе, представляющем собой полусферическую линзу, собирающую излучение [1]. Недостатком этого СДУ является невысокая технологичность изготовления, необходимость коренной переделки всего инструментария при выпуске вариантов изделий того же класса, но отличающихся номенклатурой.

Известно СДУ, содержащее светодиодные кристаллы на обшей подложке, окруженные рефлекторами и залитые массой с диспергированными в ней частицами люминофора [2]. Недостатками этого технического решения являются невысокие параметры СДУ по светоотдаче и большой разброс их от образца к образцу.

Известно СДУ, содержащее подложку, выполненную из пластине с изолирующим материалом, металлизированным, по крайней мере, с одной стороны, на котором укреплены с обеспечением максимальной теплопроводности один или более светоизлучающих кристаллов, каждый из которых имеет два или более омических контакта; по крайней мере, один из металлизированных слоев выполнен в виде заданной топологии разводки связей между светоизлучающими кристаллами, крышку из прозрачного материала, соединенную с подложкой юстировочными штырями, внешняя поверхность которой предназначена быть линзой для сбора излучения в заданный угол и выполнена в виде формы вращения, а внутренняя имеет полости, в каждой из которых размещен светоизлучающий кристалл со своими элементами подсоединения к топологии разводки и иммерсионную дисперсионную среду из рассеивающих свет частиц [3, прототип]. Конструкция [3] позволяет автоматизировать сборку СДУ и обеспечить необходимые параметры светового потока. Особо существенным, с точки зрения предложенного технического решения, является наличие в [3] иммерсионной дисперсионной среды, которая введена в материал крышки. Недостатком конструкции [3] являются, во-первых, узкий диапазон управления углом обзора, когда, как и в [1], при переходе от одного варианта устройств той же номенклатуры приходится перестраивать весь инструментарий в производстве, а, во-вторых, сравнительно невысокая эффективность использования светоотдачи, особенно от боковых поверхностей светоизлучающих кристаллов.

Техническим результатом предложенного технического решения является повышение технологичности сборки СДУ и эффективности светоотдачи.

Технический результат достигается за счет принципиально нового подхода к конструированию СДУ, заключающегося в новом решении задач преобразований светового потока - путем качественного иного использования иммерсионной дисперсионной среды, которая в СДУ, конструктивно имеющим полости в крышке-линзе, дозированно и с равномерным распределением в ней рассеивающих свет частиц введена именно в эту полость, а для обеспечения такого введения в подложке предусмотрены отверстия - одно входное, другое - выходное, размещенные на периферии полости. Конкретно, технический результат достигается за счет того, что в СДУ, содержащем подложку, выполненную из пластины с изолирующим материалом, металлизированным, по крайней мере, с одной стороны, на котором укреплены с обеспечением максимальной теплопроводности один или более светоизлучающих кристаллов, каждый из которых имеет два или более омических контакта, по крайней мере, один из металлизированных слоев выполнен в виде заданной топологии разводки связей между светоизлучающими кристаллами, крышку из прозрачного материала, соединенную с подложкой юстировочными штырями, внешняя поверхность которой предназначена быть линзой для сбора излучения в заданный угол и выполнена в виде формы вращения, а внутренняя имеет полости, в каждой из которых размещен светоизлучающий кристалл со своими элементами подсоединения к топологии разводки и иммерсионную дисперсионную среду из рассеивающих свет частиц, иммерсионная дисперсионная среда размещена, по крайней мере, в одной из полостей крышки, а в подложке предусмотрены два отверстия, размещенные на периферии полости и предназначенные для полного и равномерного заполнения полости иммерсионной дисперсионной средой.

Предложенное техническое решение может быть улучшено в ряде вариантов использования этой среды. В частности, для обеспечения лучшей равномерности заполнения следует использовать рассеивающие частицы малых размеров - от 1 до 10 мкм (размеры менее 1 мкм получать достаточно сложно, требуется специальная дорогая технология, а размеры более 10 мкм неудобны в технологии заполнения полостей с заданной однородностью заполняющей среды). Во многих случаях в качестве материала рассеивающих частиц целесообразно применять кварц - SiO₂. Возможен вариант СДУ, отличающийся введением в иммерсионную среду дополнительно частиц люминофора того же порядка размеров, что и рассеивающие свет частицы. Этим вариантом можно сдвинуть спектр излучения в нужную сторону, например, для сдвига спектра в белый цвет целесообразно ввести в иммерсионную среду люминофор на основе граната. Содержание люминофора в смеси его с кварцевыми частицами можно подобрать в соответствии с требованиями по светоотдаче, но при этом содержание кварцевых частиц должно быть все-таки заметным; менее 60 об.%, нежелательно ибо в противном случае свет от кристаллов поглотится средой. С целью повышения угла сбора излучения от отдельного светоизлучающего кристалла полость в крышке над ним можно выполнить с конической поверхностью, направленной раструбом в сторону внешней поверхности крышки, и даже придать этой поверхности полости дополнительные отражающие качества, например отполировать или покрыть блестящим слоем, например, металлом.

На Фиг.1 и Фиг.2 схематически представлены конструкции известного [3] (Фиг.1) и предложенного (Фиг.2) технических решений. На этих чертежах обозначены: установочная часть линзы - 1, подложка (в данном примере металлическая) - 2, светоизлучающий кристалл - 3, токопроводящий клей - 4, электрические присоединительные выводы - 5, компаунд - 6, крышка - 7, проволочки от кристалла - 8, изолированный слой - 9, на котором по заданной топологии разводки сформован металлический слой 5. Над кристаллом 3 в крышке 7 выполнена полость 11, в которой на металлической подложке 2 размещены кристалл 3 и проволочки 8 от него.

На фиг.2 полость 11 заполнена компаундом в виде иммерсионной дисперсионной среды, а для заполнения этой полости в подложке 2 сквозь изолированный слой 9 выполнены 2 отверстия 12 и 13, одно - для впрыскивания компаунда, другое - для выхода его после заполнения полости 11. На фиг.2 показана конструкция СДУ, в которой полость 11 выполнена конической, раструб конуса направлен в сторону наружной поверхности крышки 7, внутренняя поверхность этой полости металлизирована.

Сборка предложенной конструкции осуществляется следующим образом:

На подложку 2 через токопроводящий клей 4 закрепляются кристаллы 3 и наносится изолирующий слой 9, на котором формуют заданную топологию разводки металлического слоя 10 и к этой топологии в нужных местах проволочками 8 подсоединяют выводы кристалла 3. В подложке 2 около каждого кристалла выполнены по два отверстия 12 и 13 сквозь набор всех металлических и диэлектрических слоев. Затем изготовленную матрицу с кристаллами и разводкой накрывают заранее сформованной крышкой из прозрачного материала, совмещая кристаллы с нишами под каждый кристалл и образовывая этим структуру полостей 11, каждая из которых, повторяем, имеет по два отверстия. Совмещение крышки и матрицы фиксируют тремя котировочными штырями (на фиг. не показаны) и сквозь одно отверстие в каждой полости (скажем, 12) вводят в нее иммерсионную дисперсионную среду в виде тщательно перемешанной смеси излучающих частиц (если надо, то с частицами люминофора) в органическом связующем; введение заканчивается, когда из второго отверстия в полости (отверстие 13) начинает появляться иммерсионная дисперсионная среда, т.е. каждая полость полностью и надежно заполнена, при всех технологических разбросах размеров полостей по всему устройству в целом. А это автоматически приводит к повышению технологичности изготовления изделий.

Подложка 2 может быть сразу выполнена диэлектрической, но тогда ее пластину надо будет металлизировать с обеих сторон, выполняя, по крайней мере, в одном слое металлизации топологию разводки.

Предложенная конструкция работает следующим образом:

При пропускании прямого тока через светоизлучающий кристалл в нем инжектируются неравновновесные носители, которые рекомбинируют с выделением фотонов видимого спектра излучения по нормали к поверхности кристалла и с его торцов. Свет, попадая в иммерсионную дисперсионную среду, диффузно рассеивается и собирается за счет полного внутреннего отражения от боковых поверхностей и собирается в заданный угол. Наличие диспергированных частиц в иммерсионной среде (SiO₂ или SiO₂ + люминофор) позволяет равномерно засвечивать диаграмму излучения. Добавление люминофора в иммерсионную среду позволяет не только рассеять, но и сдвинуть спектр в нужный диапазон, дополнительно управляя спектром излучения СДУ.

Пример реализации одного из вариантов предложенного СДУ представлен в таблице

СДУ	Цвет излучения	Длина волны (макс), нм	Сила света при I прямой = 80 мА, кД	Угол зрения на 1/2 мощности излучения, град
Прототип [3]	красный	626	20	20
зеленый	520	40	20
синий	480	4	20
Предложенная конструкция	красный	626	10	30
зеленый	520	20	30
синий	480	2	30

В предложенном техническом решении, т.е. с прочно соединенными матрицами и крышкой, полости полностью заполнены компаундом из смеси частиц SiO₂ размером 4-6 мкм. Для сравнения приведена точно такая же конструкция, но без заполнения полостей. Из таблицы видно, что наличие дисперсионной среды в полостях увеличивает угол излучения в 1,5 раза и снижает силу света при том же токе питания - в 2 раза.

Таким образом, в предложенной конструкции достигается:

- самодозирование иммерсионной дисперсионной среды,

- введение иммерсионной дисперсионной среды непосредственно в пространство, окружающее светоизлучающий кристалл,

- равномерное заполнение пространства около каждого кристалла в сборке.

И все это обеспечивает равномерность свечения и координацию цветности по всему изделию в целом, т.е. повышение эффективности светоотдачи

Источники информации

1. B.C.Абрамов и др. Светоизлучающий диод // Патент РФ №2114492 от 27.06.1998, кл. H01L 33/00.

2. С.Таш и др. Источник света со светоизлучающим элементом // Патент РФ №2251761 от 19.11.2001, кл. H01L 33/00.

3. B.C.Абрамов и др. Светоизлучающее устройство // Патент РФ №2133068 от 30.07.1997, кл. Н01L 33/00 (Прототип).

1. Светодиодное устройство, содержащее подложку, выполненную из пластины с изолирующим материалом, металлизированным, по крайней мере, с одной стороны, на котором укреплены с обеспечением максимальной теплопроводности один или более светоизлучающих кристаллов, каждый из которых имеет два или более омических контакта, по крайней мере, один из металлизированных слоев выполнен в виде заданной топологии разводки связей между светоизлучающими кристаллами, крышку из прозрачного материала, соединенную с подложкой юстировочными штырями, внешняя поверхность которой предназначена быть линзой для сбора излучения в заданный угол и выполнена в виде формы вращения, а внутренняя имеет полости, в каждой из которых размещен светоизлучающий кристалл со своими элементами подсоединения к топологии разводки, и иммерсионную дисперсионную среду из рассеивающих свет частиц, отличающееся тем, что иммерсионная дисперсионная среда размещена, по крайней мере, в одной из полостей крышки, а в подложке предусмотрены два отверстия, размещенные на периферии полости и предназначенные для заполнения полости иммерсионной дисперсионной средой.

2. Светодиодное устройство по п.1, отличающееся тем, что иммерсионная дисперсионная среда состоит из рассеивающих свет частиц размером от 1 до 10 мкм.

3. Светодиодное устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что в иммерсионную дисперсионную среду дополнительно введены частицы люминофора.