Модуль светодиода с увеличенными размерами элементов

Модуль светодиода с увеличенными размерами элементов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

[0001] Настоящая заявка является частичным продолжением заявки на патент США №11/982275, зарегистрированной 31 октября 2007 г. Настоящая заявка также ссылается на приоритет предварительной заявки на патент США №61/173550, зарегистрированной 28 апреля 2009 г.

ПРЕДПОСЫЛКИ К СОЗДАНИЮ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Область техники

[0002] Настоящее изобретение относится к модулям излучателей света (излучателям света, заключенным в корпус) и, в частности, к модулям светоизлучающих диодов (светодиодов, LED) с формованными линзами.

Уровень техники

[0003] Светодиоды - это твердотельные устройства, преобразующие электрическую энергию в свет и, в общем, содержащие один или более активных слоев полупроводникового материала, которые помещены между слоями, легированными примесями с противоположным типом проводимости. Когда к легированным слоям прикладывается напряжение смещения, дырки и электроны инжектируют в активный слой, где они рекомбинируют с излучением света. Свет излучается активным слоем и всеми поверхностями светодиода.

[0004] Чтобы использовать кристалл светодиода в какой-либо схеме или в других подобных устройствах, он, как известно, заключается в корпус, что обеспечивает защиту от окружающей среды и/или механическую защиту, выбор цвета, световую фокусировку и т.п. Модуль светодиода (светодиод, заключенный в корпус) может также содержать электрические выводы, контакты или печатные дорожки для электрического подключения модуля светодиода к внешней схеме. На фиг.1А изображен известный модуль светодиода, который обычно содержит один кристалл светодиода 12, установленный на отражательной чашке 13 с помощью паяного соединения или с помощью проводящей эпоксидной смолы. Одно или более проволочных соединений 11 связывают омические контакты кристалла светодиода 12 с выводами 15А и/или 15В, которые прикреплены к отражательной чашке 13 или встроены в нее. Отражательная чашка 13 может быть заполнена герметическим материалом 16, который содержит преобразующий длину волны материал, такой как фосфор. Свет с исходной длиной волны от светодиода поглощается фосфором, который, в свою очередь, испускает свет с другой длиной волны. Весь скомпонованный узел затем заключается в оболочку из прозрачной защитной смолы 14, которая может быть сформована в виде линзы поверх кристалла светодиода 12.

[0005] На фиг.1В изображен другой известный модуль 20 светодиода. Этот модуль наиболее подходит для работы с высокой мощностью, для которой характерно выделение большого количества тепла. В модуле 20 светодиода один или более светодиодных кристаллов 22 монтируются на кристаллодержателе, в качестве которого выступает основание печатной платы (РСВ), несущий элемент или подложка 23. Устройство может содержать отражатель 24, установленный на подложке 23, который окружает светодиодный кристалл (кристаллы) 22 и отражает свет, испущенный этими кристаллами 22, в направлении от модуля 20. В качестве отражателей могут использоваться различные рефлекторы, такие как металлические отражатели, всенаправленные отражатели (ODR) и распределенные брэгговские отражатели (DBR). Отражатель 24 также обеспечивает механическую защиту светодиодных кристаллов 22. Одно или более проволочных соединений 11 устанавливаются между омическими контактами на светодиодных кристаллах 22 и электрическими дорожками 25А, 25В на подложке 23. Затем смонтированные кристаллы 22 светодиодов покрывают смолой, которая может служить для защиты от воздействия окружающей среды и в качестве механической защиты кристаллов, одновременно играя роль линзы. Металлический отражатель 24 обычно крепится к кристаллодержателю с помощью припоя или эпоксидной смолы.

[0006] Хотя модуль, подобный модулю 20, изображенному на фиг.1 В, имеет определенные преимущества для работы с высокой мощностью, возникает ряд проблем в связи с использованием отдельной металлической детали в качестве отражателя. В частности, трудно обеспечить повторяемость при изготовлении мелких металлических деталей с высокой степенью точности и приемлемыми издержками. Кроме того, поскольку отражатель, как правило, крепится к кристаллодержателю с помощью клеящего вещества, для его точного выравнивания и монтажа требуются дополнительные производственные шаги, что увеличивает затраты и усложняет технологический процесс производства таких модулей.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0007] Модуль излучателя света в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения содержит следующие элементы. Предоставляется подложка. На подложке монтируется кристалл излучателя света. Поверх кристалла излучателя света размещается линза. Отношение ширины кристалла излучателя света к ширине линзы в заданном направлении равно 0,5 или более.

[0008] Модуль светодиода (LED) в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения содержит следующие элементы. Предоставляется подложка, содержащая верхнюю и нижнюю поверхности. На верхней поверхности подложки размещается множество верхних электропроводных и теплопроводных элементов. На одном из верхних элементов размещается кристалл светодиода. Выполнение электропроводных элементов обеспечивает рассеяние тепла от кристалла светодиода через большую часть верхней поверхности подложки. Нижний теплопроводный элемент расположен на нижней поверхности и не имеет электрического контакта с верхними элементами. Нижний теплопроводный элемент выполнен с возможностью переноса тепла от подложки. Поверх кристалла светодиода расположена линза. Отношение ширины кристалла светодиода к ширине линзы в установленном направлении равно 0,5 или более.

[0009] Модуль излучателя света в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения содержит следующие элементы. Предоставляется подложка, содержащая нитрид алюминия (AlN). На подложке размещается кристалл излучателя света. Испускаемый данным излучателем свет имеет примерную среднюю длину волны в диапазоне 430-460 нм. На кристалле излучателя света размещается линза. Отношение ширины кристалла излучателя света к ширине линзы в установленном направлении составляет 0,5 или более.

[0010] Модуль излучателя света в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения содержит следующие элементы. Единичный кристалл светодиода (LED) размещен на подложке, имеющей размеры 3,5×3,5 мм или больше. Над кристаллом на подложке располагается формованная линза.

[0011] Модуль излучателя света в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения содержит следующие элементы. Кристалл излучателя света размещается на подложке, содержащей материал с теплопроводностью 30 Вт/м·К или выше. Над излучателем на подложке располагается формованная линза.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0012] На фиг.1А показан разрез известного модуля светодиода;

[0013] на фиг.1В показан разрез другого известного модуля светодиода;

[0014] на фиг.2 показан перспективный вид варианта модуля светодиода в соответствии с настоящим изобретением без линзы;

[0015] на фиг.3 показан перспективный вид модуля светодиода, изображенного на фиг.2, с противоположной стороны;

[0016] на фиг.4 показан вид сбоку модуля светодиода, изображенного на фиг.2, с линзой, установленной над кристаллом светодиода;

[0017] на фиг.5 показан перспективный вид снизу модуля светодиода, изображенного на фиг.4;

[0018] на фиг.6 изображены проводящие дорожки на верхней поверхности подложки для модуля светодиода, изображенного на фиг.2;

[0019] на фиг.7 изображены проводящие дорожки на нижней поверхности подложки для модуля светодиода, изображенного на фиг.2;

[0020] на фиг.8 изображена верхняя поверхность модуля светодиода, как показано на фиг.6, с припойной маской;

[0021] на фиг.9 изображена нижняя поверхность модуля светодиода, как показано на фиг.7, с припойной маской;

[0022] фиг.10 представляет собой график, демонстрирующий параметры различных источников света в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения;

[0023] фиг.11 представляет собой график зависимости интенсивности светового потока от значения координаты x выходного света CIE (Международная комиссия по освещению) для нескольких источников света в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения;

[0024] на фиг.12 показан график зависимости теплового сопротивления от размера кристалла; и

[0025] на фиг.13 показан график зависимости относительного светового потока, выраженного в процентах, от длины волны в нанометрах для нескольких светодиодов в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0026] Целью настоящего изобретения является разработка компактных, простых и эффективных модулей мощных светодиодов и способов их производства. Различные варианты осуществления изобретения могут включать один или более мощных светодиодов, которые обычно работают при повышенных уровнях мощности и температуры. Предлагаемые варианты модуля могут содержать элементы, которые позволяют добиться повышенной выходной мощности и при этом обеспечивают отвод тепла путем такой конфигурации указанных элементов, которая помогает распределять и отводить тепло от светодиода. Затем тепло может рассеиваться во внешнюю среду. Предлагаемые варианты модуля могут также содержать формованную линзу непосредственно над одним или более светодиодами с целью их защиты с сохранением параметров эффективного излучения света.

[0027] В существующих вариантах модуля светодиода свет наиболее эффективно проходит через формованную линзу светодиода тогда, когда отношение ширины кристалла светодиода к диаметру линзы относительно небольшое. Кристаллы светодиодов с размером посадочного места (или шириной), меньшим по сравнению с диаметром линзы, лучше всего моделируются как точечный источник света под линзой. Такое сравнение предполагает, что большая часть света светодиода может достичь поверхности линзы в пределах критического угла, при котором свет еще может пройти через линзу, что и способствует эффективному излучению такого модуля светодиода. Для модулей, у которых отношение ширины кристалла светодиода к диаметру линзы составляет 0,4 или меньше, большая часть света проходит через линзу.

[0028] Целью изобретения является разработка таких модулей мощных светодиодов, которые обеспечивают повышение уровня светового потока при сохранении величины посадочных мест для таких модулей. Предлагается вариант модуля светодиода с повышенным уровнем светового потока, в котором используются светодиодные кристаллы большего размера при сохранении размера модуля светодиода. Модули светодиодов, получающиеся таким образом, характеризуются ростом отношения ширины кристалла светодиода к диаметру линзы. С увеличением данного отношения, т.е. по мере того, как ширина кристалла светодиода приближается к диаметру линзы, может быть достигнута такая величина, начиная с которой выходная мощность начнет уменьшаться. Указанное уменьшение вызывается, прежде всего, увеличением светового потока от кристалла светодиода, который достигает поверхности линзы под углом, находящимся вне критического угла выхода света, в результате чего происходит его полное внутреннее отражение. Компоненты модуля светодиода могут поглощать этот отраженный свет, что делает невозможным вывод света из модуля светодиода и снижает эффективность его излучения. В большинстве существующих светодиодных модулей отношение ширины кристалла светодиода к диаметру линзы не превышает 0,4.

[0029] Предлагаются некоторые варианты осуществления настоящего изобретения с целью создания мощного модуля светодиода, характеризующегося увеличенным отношением ширины кристалла светодиода к диаметру линзы. Это позволяет повысить эффективность работы светодиодных модулей, причем размер посадочного места модуля остается тем же самым, как и у менее мощных светодиодов. Несмотря на увеличение полного внутреннего отражения у поверхности линзы, вызванного увеличением отношения ширины кристалла светодиода к диаметру линзы, выполнение модулей светодиодов в соответствии с настоящим изобретением с применением различных элементов или характеристик способствует общему увеличению испущенного света. К таким элементам относятся использование светодиодных модулей на кристаллах с меньшей плотностью тока и/или использование преобразующего покрытия с более крупными размерами частиц фосфора.

[0030] Целью настоящего изобретения является создание дешевых, относительно малых по размеру модулей светодиодов, которые являются эффективными и при этом компактными источниками света. Предлагаемые светодиодные модули адаптированы, прежде всего, к технологиям поверхностного монтажа и содержат элементы, обеспечивающие хорошее тепловое рассеивание, что позволяет модулям работать, не перегреваясь, при повышенных уровнях мощности. Кристаллы светодиодов могут также содержать рассеивающие элементы, которые рассеивают излучаемый ими свет и обеспечивают равномерность этого излучения. Кроме того, кристаллы светодиодов могут содержать цепи защиты от разрушительного воздействия электростатического разряда (ESD).

[0031] В настоящей заявке предлагаются некоторые варианты осуществления изобретения, однако следует понимать, что изобретение может быть выполнено в самых разных вариантах и его не следует сводить только к изложенным здесь вариантам. В частности, ниже описываются некоторые модули светодиодов в определенных конфигурациях в соответствии с настоящим изобретением, однако следует понимать, что предлагаемое изобретение может быть отнесено и ко многим другим светодиодным модулям, имеющим множество самых разных конфигураций. Помимо описанных компонентов модуля светодиода, могут применяться компоненты самых разных форм и размеров, и, кроме того, модули светодиодов могут содержать различные элементы для обеспечения повышенной выходной мощности. Модули светодиодов могут содержать более одного кристалла светодиода, при этом один или все кристаллы могут иметь преобразующее покрытие для понижения длины волны, причем это покрытие может включать содержащее фосфор связующее вещество. Очевидно, однако, что используемые модули светодиодов могут и не содержать преобразующий материал.

[0032] Когда при указании на какой-либо элемент, такой как слой, участок или подложка, говорится, что он находится «на» другом элементе, то следует понимать, что он может непосредственно находиться на другом элементе либо могут присутствовать промежуточные элементы. Кроме того, такие относительные понятия, как «внутренний», «внешний», «верхний», «над», «более низкий», «ниже» и «под», а также подобные им понятия могут употребляться в настоящей заявке для описания взаимного положения какого-либо слоя или какого-либо участка. Очевидно, что указанные понятия распространяются на самые разные ориентации описываемого устройства, наряду с ориентацией, отображенной на чертежах.

[0033] Хотя понятия первый, второй и т.д. могут употребляться в настоящей заявке для описания различных элементов, компонентов, областей, слоев и/или участков, эти элементы, компоненты, области, слои и/или участки не должны быть ограничены этими понятиями. Данные термины используются только для того, чтобы отличить один элемент, компонент, слой, участок или одну область от другого элемента, компонента или другой области. Таким образом, обсуждаемые ниже первый элемент, компонент, слой, участок или одна область могут быть названы вторым элементом, компонентом, слоем, участком или второй областью без ущерба для описания настоящего изобретения.

[0034] Описываемые ниже варианты осуществления данного изобретения иллюстрируются видами в поперечном разрезе, являющимися схематическими иллюстрациями идеализированных вариантов устройства, выполненного согласно данному изобретению. В таком случае, в результате, например, примененного способа производства и/или в зависимости от применимых допусков, следует ожидать появления отклонений размеров от тех, которые показаны на иллюстрациях. Варианты осуществления настоящего изобретения не следует толковать как ограниченные конкретными формами участков, изображенных в настоящей заявке, но должны включать и отклонения в формах, возникших в результате, например, производства. Участок, изображенный или описанный как квадратный или прямоугольный, будет иметь круглые или закругленные формы в связи с обычными производственными допусками. Таким образом, участки, изображенные на чертежах, являются по своей природе схематическими, и их форма не предполагает передачи точной формы какого-либо участка какого-либо устройства и не предполагает ограничений рамок изобретения.

[0035] На фиг.2-9 показаны различные элементы одного варианта модуля 30 светодиода в соответствии с настоящим изобретением, содержащего, в общем, основание/подложку (далее «подложка») 32, на которой могут размещаться один или более светодиодов, излучающих свет одного или разных цветов. В изображенном варианте одиночный светодиод 34 монтируется на подложке 32. Светодиод 34 может иметь много различных полупроводниковых слоев, выполненных разным образом. Известны структуры светодиодов. их производство и работа, которые обсуждаются в настоящей заявке только поверхностно. Слои светодиода 34 могут быть изготовлены на основе химического осаждения из газовой фазы с использованием металлорганических соединений (MOCVD). Слои светодиодов 34 содержат, в общем, активный слой/участок, размещенный между первым и вторым эпитаксиальными слоями, легированными противоположными примесями, при этом все слои формируются последовательно на ростовой подложке. Светодиоды могут быть сформированы на подложке и затем поштучно отделены для монтажа в модуле. Следует понимать, что ростовая подложка может оставаться частью окончательно выполненного светодиода либо эта подложка может быть частично или полностью удалена. В вариантах, где ростовая подложка остается, ей может быть придана определенная форма или строение для улучшения извлечения света.

[0036] Также следует понимать, что светодиод 34 может содержать дополнительные слои и элементы, включая, но не ограничиваясь этим, буферный слой, слой образования центров кристаллизации, контактный слой и слой для растекания тока, а также слои и элементы для извлечения света. Также очевидно, что слои, легированные примесями с противоположным типом проводимости, могут также содержать множество слоев и подслоев, а также свехрешетчатые структуры и промежуточные слои сверхрешеток. Активная область может также включать единичную квантовую яму (SQW), множественную квантовую яму (MQW), двойную гетероструктуру или структуры сверхрешеток. Активная область и легированные слои могут быть изготовлены из различных систем материалов, причем предпочтительными системами являются системы материалов на основе нитридов III группы. К нитридам III группы относятся те полупроводниковые соединения, которые образуются между азотом и элементами III группы Периодической таблицы, обычно алюминием (Al), галлием (Ga) и индием (In). Термин также относится к соединениям из трех и четырех элементов, таких как нитрид алюминия-галлия (AlGaN) и нитрид алюминия-индия-галлия (AlInGaN). В предпочтительном варианте осуществления изобретения в качестве легированных слоев выступает нитрид галлия (GaN), а в качестве активной области - AlGaN. В других вариантах легированными слоями могут быть AlGaN, арсенид алюминия-галлия (AlGaAs) или фосфид арсенида алюминия-галлия-индия (AlGaInAsP).

[0037] Ростовая подложка может быть изготовлена из многих материалов, таких как сапфир, карбид кремния, нитрид алюминия (AlN), GaN, причем подходящая подложка состоит из карбида кремния с политипом 4Н, хотя могут использоваться и другие политипы карбида кремния, включая политипы 3С, 6Н и 15R. Карбид кремния обладает определенными преимуществами, например более близким, чем у сапфира, сходством кристаллической решетки с нитридами III группы, что обусловливает получение пленок из нитридов III группы более высокого качества. Кроме того, карбид кремния обладает очень высокой теплопроводностью, так что общая выходная мощность приборов на нитридах III группы на карбиде кремния обычно не сводится к рассеиванию тепла подложки (что может иметь место в случае некоторых приборов, изготовленных на сапфире). Подложки из SiC предлагает компания «Cree Research, Inc.», из Дурхэма, Северная Каролина, а способы их производства изложены в научной литературе, а также в патентах США №№34861, 4946547 и 5200022.

[0038] Светодиод 34 может также содержать проводящую структуру для растекания тока 36 по верхней поверхности, а также один или более контактов 38, которые доступны для проволочного соединения на этой поверхности. Структура 36 для растекания тока и контакт могут быть изготовлены из проводящего материала, такого как Au, Cu, Ni, In, Al, Ag или их комбинации, проводящих оксидов и прозрачных проводящих оксидов. Структура 36 для растекания тока обычно содержит проводящие контакты 37, которые выполнены в виде решетки на светодиоде 34, причем контакты выполнены разнесенными, что способствует увеличению тока, распространяющегося от контактов 38 в верхнюю часть светодиода. При работе электрический сигнал поступает к контактам 38 через проволочное соединение, как описано ниже, и далее этот сигнал поступает через контакты 37 структуры 36 для растекания тока в верхнюю часть светодиода 34. Структуры для растекания тока часто применяются в светодиодах, у которых верхняя часть является материалом с проводимостью р-типа, хотя могут применяться материалы с проводимостью n-типа.

[0039] Светодиод может быть покрыт фосфором одного или разных типов, причем этот фосфор поглощает по меньшей мере некоторую часть света светодиода и излучает свет другой длины волны, таким образом, излучается комбинация света от самого светодиода и от фосфора. В предпочтительном варианте излучается комбинация света светодиода и фосфора в виде белого света. Для покрытия светодиода могут использоваться самые разные способы и преобразующие материалы, приемлемые способы и материалы описываются в заявках на патенты США №№11/656759 и 11/899790, обе заявки озаглавлены «Способ фосфорного покрытия подложки и порядок использования изготовленных приборов» и обе включены в настоящую заявку путем ссылки. В других вариантах светодиоды могут быть покрыты с использованием других способов, таких как осаждение электрофорезом (EPD), причем подходящий метод EPD описан в заявке на патент США №11/473089, озаглавленной «Электрофоретическое осаждение с замкнутым контуром для получения полупроводниковых приборов», которая также включается в настоящую заявку путем ссылки. Предлагаемые варианты светодиодных модулей, очевидно, могут также содержать множество светодиодов разного цвета, причем один или более светодиодов могут являться устройствами белого свечения.

[0040] Подложка 32 может быть изготовлена из самых разных материалов, причем предпочтительным является электроизолирующий материал. Подходящие материалы включают, но не ограничиваются этим, керамические материалы, такие как оксид алюминия, нитрид алюминия или органические изоляторы, такие как полиамид (PI) или полифталамид (РРА). В других вариантах подложка 32 может содержать печатную плату (РСВ), сапфир или кремний или любой другой подходящий материал, такой как материал T-Clad теплопроводной изолирующей подложки, поставляемой фирмой «Bergguist Company», Чэнхассен, Миннесота. В вариантах с печатными платами могут использоваться различные типы печатных плат, например, такие как стандартная печатная плата FR-4, печатная плата с металлическим ядром или любой другой тип печатной платы. Предлагаемые модули светодиодов могут быть изготовлены на основе метода формирования панели подложек, размеры которой позволяют разместить целый ряд подложек. На такой панели может быть сформировано множество светодиодных модулей, при этом отдельные модули поштучно отделяются от панели.

[0041] Как указывалось, для изготовления элемента подложки могут использоваться многие материалы. В разных вариантах желательно иметь подложку, которая является хорошим электрическим изолятором с низким тепловым сопротивлением или высокой теплопроводностью (например, нитрид алюминия). Некоторые материалы, которые могут быть использованы, имеют теплопроводность примерно 30 Вт/м·К или выше, например оксид цинка (ZnO). Другие приемлемые материалы имеют теплопроводность примерно 120 Вт/м·К или выше, например нитрид алюминия (AlN), теплопроводность которого находится в диапазоне 140-180 Вт/м·К. Если говорить о тепловом сопротивлении, некоторые приемлемые материалы имеют этот показатель равный 2°С/Вт. Могут использоваться и другие материалы, тепловые характеристики которых выходят за рамки диапазонов, указанных в настоящей заявке.

[0042] Фиг.12 показывает зависимость теплового сопротивления в °С/Вт от размера кристалла в модуле. Данные относятся к четырем реальным устройствам с керамическими подложками (данные показаны в виде ромбов) и двум реальным устройствам, имеющим подложки из нитрида алюминия. Данные по керамическим подложкам были экстраполированы для оценки теплового сопротивления двух более крупных кристаллов. Эти данные показывают, что тепловое сопротивление падает по мере роста размера кристалла. Кроме того, тепловое сопротивление ниже у кристаллов с подложками из нитрида алюминия по сравнению с кристаллами такого же размера с керамическими подложками. Данные, показанные на фиг.12, включены в качестве доказательства общих утверждений, высказанных выше. Следует понимать, что эти данные не ограничивают объем любого варианта осуществления настоящего изобретения.

[0043] Подложка, обладающая указанными свойствами, предусматривает такой модуль устройства, в котором управление светодиодом может осуществляться более сильными управляющими токами. Так как подложка имеет относительно низкое тепловое сопротивление, дополнительное тепло, создаваемое более высоким управляющим током, легче отводится в окружающую среду. Более сильный управляющий ток может создать более яркий световой поток светодиода. Подобным образом, устройство, содержащее подложку с низким тепловым сопротивлением, может работать при установленном уровне управляющего тока в течение более длительного периода времени по сравнению с устройством, содержащим подложку с более высоким тепловым сопротивлением. Это значит, что срок службы и надежность устройства могут быть увеличены. Кроме того, устройства, имеющие подложку с низким тепловым сопротивлением, могут работать при более высоких температурах окружающей среды (или фона), что делает их полезными в вариантах исполнения, предназначенных для эксплуатации в тяжелых условиях.

[0044] В предлагаемом варианте достигнута светоотдача устройств выше 150 люмен/Ватт белого света в области, ограниченной 7-единичным эллипсом МакАдама вдоль кривой излучения абсолютно черного тела, причем использовалась подложка из нитрида алюминия размером 3,5×3,5 мм в комбинации с кристаллом светодиода размером 1,4×1,4 мм. Это устройство может быть выполнено в масштабе для получения сопоставимых результатов при более крупных величинах отношений в комбинациях подложки/светодиода.

[0045] В некоторых вариантах осуществления изобретения может оказаться полезным использовать кристаллы светодиодов, излучающие свет со средней длиной волны в диапазоне 430-460 нм. В некоторых случаях диапазоны могут быть уже, например 430-450 нм или 440-445 нм. Светодиоды, излучающие свет с более короткими длинами волн в диапазонах, подобных вышеуказанным, могут демонстрировать более высокую яркость и/или надежность при работе в условиях повышенной температуры окружающей среды по сравнению со светодиодами, излучающими свет с большей величиной средней длины волны и работающими при той же температуре.

[0046] На фиг.13 изображен график зависимости относительного светового потока, выраженного в процентах, от длины волны в нанометрах для нескольких светодиодов, которые могут использоваться в некоторых модулях светодиодов в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения. Относительный световой поток был рассчитан путем деления светового потока при температуре 80°С (измеренного в точке припаивания) на световой поток при комнатной температуре, и полученное частное было выражено в процентах. Таким образом, с целью повышения яркости и надежности в некоторых вариантах могут оказаться предпочтительными кристаллы светодиодов, излучающие свет с более короткой длиной волны.

[0047] Как показано на фиг.4, оптический элемент или линза 70 формируется на верхней поверхности 40 подложки 32, над светодиодом 34, для обеспечения защиты от окружающей среды и механической защиты. Линза 70 может находиться в разных местах на верхней поверхности 40, причем она расположена, как показано, примерно по центру подложки 32, а светодиод 34 расположен примерно по центру основания линзы. В некоторых вариантах линза может быть сформирована в прямом контакте со светодиодом 34 и верхней поверхностью 40 подложки. В других вариантах между светодиодом 34 и верхней поверхностью 40 может находиться промежуточный материал или слой. Прямой контакт со светодиодом 34 дает определенные преимущества, такие как эффективное извлечение света и легкость изготовления.

[0048] Линза 30 может быть выполнена с использованием различных способов формовки, таких как описанные в заявке на патент США №11/982275, озаглавленной «Модуль светодиода и способ его изготовления», который включается в настоящую заявку путем ссылки. Линза может иметь самые разные формы в зависимости от желаемой формы светового потока. Подходящей формой, как показано, является полусферическая, при этом имеются варианты других форм, таких как эллипсоидная, плоская, шестиугольная или квадратная. Для получения линз могут использоваться самые разные материалы, например силиконы, пластики, эпоксидные смолы или стекло, при этом выбранный материал должен быть совместим с процессами формовки. Силикон является подходящим материалом для формовки и обеспечивает нужные параметры оптической передачи. Он может также выдерживать последующие процессы оплавления и существенно не деградирует со временем. Следует понимать, что линза 70 может быть также текстурирована с целью повышения извлечения света или может содержать такие материалы, как фосфор или частицы, рассеивающие свет. В некоторых вариантах осуществления изобретения линза 70 может состоять из двух частей: плоской части 70а и куполообразной части 70b. Плоская часть 70а размещается над светодиодом 34, а куполообразная часть 70b размещается на плоской части 70а. Эти участки 70а, 70b могут быть выполнены из одного и того же материала или из двух разных материалов.

[0049] Модуль 30 светодиода может также содержать защитный слой 74, покрывающий верхнюю поверхность 40 подложки между линзой 70 и краем подложки 32. Слой 74 обеспечивает дополнительную защиту элементов на верхней поверхности для уменьшения их повреждения и загрязнения в процессе выполнения дальнейших технологических шагов и эксплуатации. Защитный слой 74 может быть создан в процессе формирования линзы 70 и может быть выполнен из того же материала, что и линза 70. Следует, однако, понимать, что модуль 30 светодиода может и не снабжаться защитным слоем 74.

[0050] Линза 70 должна также выдерживать определенные усилия сдвига при попытке ее отрыва от подложки 32. В одном варианте осуществления изобретения линза может выдержать усилие сдвига 1 кг или больше. Светодиодные модули в вариантах исполнения из силиконов, которые затвердевают после обработки и дают более высокие показания дюрометра (например, твердость по Шору 70А и выше), обеспечивают более высокую стойкость к усилиям сдвига. Такие свойства, как высокая адгезия и высокая прочность на разрыв, также могут повысить способность линзы выдерживать усилия сдвига.

[0051] Линза модуля 30 светодиода также легко адаптируется для применения вместе со вторичной линзой или оптикой, которая может быть установлена поверх линзы конечным пользователем, чтобы облегчить формирование светового луча. Такие вторичные линзы, в общем, известны в данной области техники, и многие из них доступны для приобретения.

[0052] Настоящее изобретение может быть реализовано в светодиодных модулях, имеющих различные формы или посадочные места на печатной плате, причем важным фактором является отношение между шириной кристалла светодиода (W) и диаметром или шириной линзы (D) в установленном направлении. В одном варианте осуществления модуля 30 посадочное место элемента может иметь по существу те же размеры, что и эффективная область распространения тепла в площадку для прикрепления кристалла и первую и вторую контактные площадки 42, 44 и 46. Как описано выше, различные варианты осуществления настоящего изобретения имеют целью создание таких светодиодных модулей, которые имеют повышенную выходную мощность при сохранении того же размера модуля светодиода или посадочного места на печатной плате. Сохраняя тот же размер посадочного места для модуля светодиода, необходимо создавать линзу, в общем, того же размера. Как упомянуто выше, способом увеличения выходной мощности является увеличение размера (например, ширины W) кристалла светодиода в модуле светодиода. То есть для различных вариантов исполнения устройства в соответствии с настоящим изобретением площадь поверхности светодиода покрывает возросшую долю площади поверхности подложки для светодиодных модулей. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения площадь поверхности кристалла светодиода составляет более 10% площади поверхности подложки, в то время как в других вариантах кристалл светодиода занимает более 15% площади поверхности подложки.

[0053] На фиг.4 показаны ширина кристалла W и диаметр линзы D. Предлагаемые варианты модуля светодиода могут иметь различные величины отношения W к D, причем в некоторых вариантах это отношение выше 0,5. В одном из предлагаемых вариантов модуль светодиода может содержать подложку 32, имеющую размер примерно (3,45 мм)² (т.е. 3,45 мм × 3,45 мм), и линзу с диаметром примерно 2,55 мм. В известных светодиодных модулях на подложке с указанными размерами размещается кристалл светодиода размером в диапазоне от 0,7×0,7 мм до 1,0×1,0 мм.

Модуль 30 выполнен так, чтобы вмещать более крупный кристалл светодиода с размером примерно 1,4×1,4 мм, при этом отношение W к D составляет 0,55. В данном варианте площадь поверхности кристалла светодиода составляет более 16% площади поверхности подложки.

[0054] В других вариантах желательно иметь подложку размером 5×5 мм. На такой подложке может быть размещен кристалл светодиода более крупных размеров, включая 1,75×1,75 мм, 2×2 мм и 3×3 мм. Примером комбинации подложка/кристалл светодиода является подложка размером 5×5 мм и кристалл размером 1,75×1,75 мм. В одном варианте кристалл светодиода размером 2×2 мм используется вместе с подложкой из нитрида алюминия размером 5×5 мм. В другом варианте кристалл 3 мм используется вместе с подложкой 5 мм. Для модулей с подложкой 5 мм формованная линза с диаметром примерно 4,52 мм размещается над кристаллом. Указанные размеры являются иллюстративными. Следует понимать, что возможно использование более крупных или менее крупных по размерам линз, подложек и кристаллов светодиодов, равно как возможно использование и множества различных комбинаций линз, подложек и кристаллов светодиодов, имеющих различные размеры. Более того, хотя обсуждаемые подложки представлены размерами, указывающими на их квадратную форму, очевидно, что подложки могут иметь, например, круглую или прямоугольную форму.

[0055] В соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения были изготовлены и испытаны несколько светодиодов с кристаллами размером 2×2 мм. Эти устройства обеспечивали световой поток 160 лм и выше и светоотдачу 160 лм/Вт и выше при управляющем токе 350 мА. При управляющем токе 2 А устройства показали световой поток 750 лм и выше и светоотдачу 110 лм/Вт и выше. Например, один изготовленный кристалл размером 2×2 мм показал выходной световой поток 168,5 лм при управляющем токе 350 мА и напряжении 2,86 В при светоотдаче 168 лм/Вт. Другой изготовленный кристалл размером 2×2 мм показал при измерении на выходе 791,6 лм при управл