СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЙ ДИОД Российский патент 1996 года по МПК H01L23/06 

Изобретение относится к оптоэлектронике, в частности касается источников ИК-излучения.

Известны полупроводниковые светоизлучающие диоды инфракрасного диапазона длин волн в пластмассовом исполнении. Конструктивно они выполнены следующим образом. Кристалл смонтирован на держатель. Контактные площадки кристалла соединены с выводами с помощью проволочного проводника. Причем кристаллы с двухсторонним расположением контактных площадок (противоположном относительно друг-друг) монтируют с помощью припоя или токопроводящего клея одной из контактных площадок на держатель, являющийся одновременно выводом светодиода. Корпус светодиодов выполнен из оптически прозрачного полимерного материала, как правило на эпоксидной основе. 1. Коган Л.М. Полупроводниковые светоизлучающие диоды, М. Энергоатомиздат. 1983. -208 с. Полупроводниковые оптоэлектронные приборы: Справочник (В.И.Иванов, А.И.Аксенов, А.М.Юшин 2-е изд. перераб. и доп. М. Энергоатомиздат, 1989. -448 с.).

Недостатком этих светодиодов, изготовленных в пластмассовых корпусах, является невысокая устойчивость к климатическому воздействию, а именно, к быстрому изменению температуры среды.

Известен светоизлучающий диод АЛ 145 А (Технические условия аАО.336.853 ТУ) в пластмассовом корпусе, предназначенный для работы в качестве источника ИК-излучения, в котором полупроводниковый кристалл на основе арсенида галлия с нижней и верхней площадкой с помощью припоя на медный держатель, являющийся одновременно одним из выводов светодиода. Верхняя контактная площадка соединена со вторым выводом светодиода с помощью проволочного проводника. Корпус светодиода выполнен из оптически прозрачного компаунда состава, вес. частях:
Эпоксидиановая смола ФОУ-9 100,0
Изометилтетрагидро- фталевый ангидрид 86,0 Смола Оксилин 5-1-0 42,0 N, N-диметилбензиламин 0,8
Габаритные размеры корпуса, мм: длина 7,0; диаметр 5,6; радиус кривизны световыводящей поверхности 2,3. Мощность излучения при 100 мА, мВт не менее 8. Максимум спектрального распределения излучения на длине волны 0,94-0,96 мкм.

Недостаток этого светодиода невысокая стойкость к климатическому воздействию, а именно к быстрому изменению температуры среды. Сохраняет работоспособность при изменении температуры среды от минус 60 до плюс 85^оС, испытания по ГОСТ 2057.406-81, метод 205-1.

Известен светоизлучающий диод АЛ 107-06 (Технические условия ФЫО.336.015 ТУ) в пластмассовом корпусе, предназначенный для работы в качестве источников ИК-излучения
Полупроводниковый кристалл на основе арсенида галлия с нижней и верхней контактными площадками смонтирован нижней контактной площадкой с помощью припоя на медный держатель, являющийся одновременно одним из выводов светодиода. Верхняя контактная площадка соединена со вторым выводом светодиода с помощью проволочного проводника. Корпус светодиода выполнен из оптически прозрачного компаунда состав, вес.частях:
Эпоксидиановая смола ФОУ-9 100,0
Изометилтетрагидро- фталевый ангидрид 86,0 Смола Оксилин 5-1-0 42,0 N, N-диметилбензиламин 0,8
Габаритные размеры корпуса, мм: длина 6,3; диаметр 2,4; радиус кривизны световыводящей поверхности 1,2. Мощность излучения при 100 мА, мВт не менее 5,5. Максимум спектрального распределения излучения на длине волны 0,94-0,96 мкм.

Недостаток этого светодиода невысокая стойкость к климатическому воздействию, а именно, к быстрому изменению температуры среды. Сохраняет работоспособность при изменении температуры среды от минус 60 до плюс 100^оС, испытания по ГОСТ 2057.406-81, метод 205-1.

Известен светоизлучающий диод АЛ 107-05 (Технические условия ФЫО,336.015 ТУ) в пластмассовом корпусе, предназначенный для работы в качестве источника ИК-излучения.

Полупроводниковый кристалл на основе арсенида галлия имеет одностороннее расположение контактных площадок. Кристалл наружной кольцевой контактной площадкой с помощью припоя смонтирован на медный держатель, являющийся одновременно одним из выводов светодиода. Центральная контактная площадка с помощью проволочного проводника соединена со вторым выводом светодиода. Кристалл со стороны контактных площадок и место присоединения проволочного проводника к контактной площадке защищены органосиликатной композицией ОС-92-07. Корпус светодиода выполнен из оптически прозрачного компаунда, вес.частях:
Эпоксидиановая смола ФОУ-9 100,0
Изометилтетрагидро- фталевый ангидрид 86,0 Смола Оксилин 5-1-0 42,0 N, N-диметилбензиламин 0,8
Габаритные размеры корпуса, мм: длина 6,3; диаметр 2,4; радиус кривизны световыводящей поверхности 1,2. Мощность излучения при 100 мА, мВт не менее 5,5. Максимум спектрального распределения излучения на длине волны 0,94 0,96 мкм.

Недостаток этого светодиода невысокая стойкость к климатическому воздействию, а именно, к быстрому изменению температуры среды. Сохраняет работоспособность при изменении температуры среды от минус 60 до плюс 100^оС, испытания по ГОСТ 2057.406-81, метод 205-1.

Задача изобретения создание светодиода достаточно высокой стойкости к климатическому воздействию, а именно, к быстрому изменению температуры среды.

Эта задача решается тем, что кристалл с контактными площадками, места присоединения проводника к выводам и контактным площадкам покрыты защитным слоем А, с А ≥ 0 из оптически прозрачного эластичного кремнийорганического компаунда таким образом, что площадь защитного слоя (S_з.с.) и его толщина (d) описываются соотношениями (0,7а)² ≅ S_з.с. ≅ 1,1 S_к.п
2D ≅ d ≅ 2 (h+D), где a размер большей стороны кристалла;
h толщина кристалла;
S_к.п. площадь держателя и вывода со стороны монтажа кристалла и проводника;
D толщина проводника, а корпус светоизлучающего диода выполнен из оптически прозрачного эпоксидного компаунда следующего состава, вес.частях:
Эпоксидиановая смола
с массовой долей эпок- сидных групп 20-24% 100,0 Карбоксилатный каучук 0,5-3,5 Ангидридный отвердитель 60,0-90,0 Аминный катализатор 0,05-1,2
Соединение общей формулы R-NHCH₃ 0,006-1,5 где R имеет вид

Содержание каждого из компонентов в компаунде подобрано с таким расчетом, что изменение содержания компонентов в приведенных пределах обеспечивает достижение поставленной цели, а именно, повышение стойкости светодиода к быстрому изменению температуры среды.

При содержании компонентов в компаунде меньшего нижнего уровня исключается достижение цели изобретения вследствие того, что:
при содержании в компаунде ангидридного отвердителя менее 60 вес.частей на 100 вес. частей смолы компаунд не доотвержден, а это не обеспечивает стабильности его физико-механических свойств;
при содержании карбоксилатного каучука менее 0,5 вес. частей на 100 вес. частей смолы компаунд не пластичен, что вызывает нарушение электрической целостности светодиода;
при содержании аминного катализатора менее 0,05 вес.частей на 100 вес.частей смолы не достигается степень отверждения компаунда, при которой он проявляет стабильные физико-механические свойства.

При содержании в компаунде компонентов выше верхнего уровня исключается достижение цели изобретения из-за того, что:
при содержании ангидридного отвердителя более 90 вес.частей на 100 вес.частей смолы нарушается стехиометрическое соотношение между эпоксидными и ангидридными группами, приводящее к нестабильности физико-механических свойств компаунда;
при содержании карбоксилатного каучука более 3,5 вес. частей на 100 вес. частей смолы возрастает коэффициент температур линейного расширения, что ведет к нарушению электрической целостности светодиода;
при содержании аминного катализатора более 1,2 вес.частей на 100 вес.частей смолы резко возрастает скорость отверждения компаунда, следствием чего является отсутствие стабильности физико-механических свойств компаунда.

Содержание в компаунде соединения общей формулы R-NHCH₃ в предлагаемых количествах обуславливает достижение цели изобретения.

Наличие в конструкции светодиода слоя из эластичного оптически прозрачного кремнийорганического материала на кристалле и местах присоединения проводника к выводам и контактным площадкам, выполненного так, что его площадь (S_з.с.) и толщина (d) описываются соотношениями:
(0,7a)² ≅ S_з.с. ≅ 1,1 S_к.п.;
2D ≅ d ≅ 2(h+D), где a размер большей стороны кристалла;
h толщина кристалла;
S_к.п. площадь держателя и вывода со стороны монтажа кристалла и проводника;
D толщина проводника, проявляется в защите: кристалла, мест присоединения проводника к контактным площадкам, мест соединения кристалла с держателем от воздействия механических напряжений, возникающих на границах раздела кристалл эпоксидный оптический компаунд; контактная площадка эпоксидный оптический компаунд; контактная площадка проводник эпоксидный оптический компаунд при быстром изменении температуры среды.

Защитный слой А выполняют из следующих оптически прозрачных эластичных кремнийорганических компаундов: "Эластосил 137-180", "Эластосил 1102", "139-40", "159-167", "ГК", "ККП+2" взятых как индивидуально А=1, так и в сочетании друг с другом А > 1.

В качестве эпоксидиановой смолы с массовой долей эпоксидных групп 20 24% используют смолы марок: ЭД-20 или ЭД-22, или ФОУ-9.

В качестве карбоксилатного каучука используют каучуки марок: СКН-30 КТРА или СКН-10-1А, или СКН-18-1А, или СКН-26-1А, или СКН-КТРА или СКН-10-1А, или СКН-18-1А, или СКН-26-1А, или СКН-КТРА, или СКД-КТРВ, или СКД-1А.

В качестве ангидридного отвердителя используют: изометилтетрагидрофталевый ангидрид или тетрагидрофталевый ангидрид, или гексагидрофталевый ангидрид, или 4-метилгексагидрофталевый ангидрид, или фталевый ангидрид.

В качестве аминного катализатора используют: N,N-диметилбензиламин или 2,4,6-трис(диметиламинометил)-резорцин или 3,3', 5,5'-тетракис(диметиламинометил)дифинилолпропан, или 2,4,6-трис-(диметиламинометил)фенол, или α-метил- бензилдиметиламин,
В дальнейшем изобретение поясняется описанием примеров его выполнения и прилагаемыми чертежами, на которых: на фиг.1 изображен светоизлучающий диод с двухсторонним расположением контактных площадок на кристалле и монтажом кристалла в углубление-отражатель держателя, без наличия защитного слоя А=0; на фиг. 2 светоизлучающий диод с двухсторонним расположением контактных площадок на кристалле и монтажом кристалла в углубление-отражатель держателя с наличием защитного слоя; на фиг.3 светоизлучающий диод с двухсторонним расположением контактных площадок на кристалле и монтажом кристалла на плоский держатель, с наличием защитного слоя; на фиг.4 светоизлучающий диод с двухсторонним расположением контактных площадок на кристалле и монтажом кристалла на плоский держатель, с наличием защитного слоя; на фиг.5 светоизлучающий диод, согласно изобретению, с односторонним расположением контактных площадок на кристалле с наличием защитного слоя.

П р и м е р 1. Светоизлучающий диод (фиг.1), содержащий кристалл 1 на основе арсенида галлия с двухсторонним расположением контактных площадок 2 и 3. Размер кристалла, мм 0,55 х 0,55, толщина кристалла, мм не более 0,33. Кристалл нижней контактной площадкой 2 с помощью припоя 4 смонтирован в углубление-отражатель медного держателя 5, являющегося выводом светодиода. Площадь держателя со стороны монтажа кристалла 2,5 мм². Верхняя контактная площадка 3 соединена проволочным проводником 6 со вторым выводом 7 светодиода. Толщина проводника 0,04 мм, площадь вывода со стороны монтажа проводника 0,2 мм².

Корпус 8 светодиода, методом заливки в форму, выполнен из оптически прозрачного эпоксидного компаунда следующего состава, вес.частях:
Смола эпоксидиа- новая ЭД-22 100,0 Каучук СКН-30 КТРА 2,0
Изометилтетрагидро- фталевый ангидрид 86.0 N,N-диметилбензиламин 0,6
Соединение фор- мулы 0,01
Габаритные размеры корпуса, мм: длина 7,0; диаметр 5,6; радиус кривизны световыводящей поверхности 2,3. Мощность излучения при 100 мА, мВт не менее 8. Максимум спектрального распределения излучения на длине волны 0,94-0,96 мкм.

Светодиод сохраняет работоспособность после воздействия быстрого изменения температуры среды от минус 60 до плюс 150^оС, испытания по ГОСТ 2057.406-81, метод 205-1.

П р и м е р 2. Светоизлучающий диод (фиг.2), содержащий кристалл 1 на основе арсенида галлия с двухсторонним расположением контактных площадок 2 и 3. Размер кристалла, мм 0,55х0,55, толщина кристалла, мм не более 0,33. Кристалл нижней контактной площадкой 2 с помощью электропроводящего клея 4 смонтирован в углубление-отражатель медного держателя 5, являющегося выводом светодиода. Площадь держателя со стороны монтажа кристалла 2,5 мм². Верхняя контактная площадка 3 соединена проволочным проводником 6 со вторым выводом 7 светодиода. Толщина проводника 0,04 мм, площадь вывода со стороны монтажа проводника 0,2 мм². Кристалл с контактными площадками, места присоединения проводника к контактной площадке и выводу покрыты защитным слоев А 8, выполненном из эластичного оптически прозрачного кремнийорганического компаунда "Эластосил 137-180". Площадь защитного слоя 1,5 мм², толщина защитного слоя 0,55 мм.

Корпус 9 светодиода, методом заливки в форму, выполнен из оптически прозрачного эпоксидного компаунда следующего состава, вес.частях:
Смола эпоксиди- ановая ФОУ-9 100,0 Каучук СКН-30 КТРА 2,0
Изометилтетрагидро- фталевый ангидрид 86,0 N,N-диметилбензиламин 0,6
Соединение фор- мулы 0,025
Габаритные размеры корпуса, мм: длина 7,0; диаметр 5,6; радиус кривизны световыводящей поверхности 2,3. Мощность излучения при 100 мА, мВт не менее 8. Максимум спектрального распределения излучения на длине волны 0,94-0,96 мкм.

Светодиод сохраняет работоспособность после воздействия быстрого изменения температуры среды от минус 60 до плюс 200^оС, испытания по ГОСТ 2057.406-81, метод 205-1.

П р и м е р 3. Светоизлучающий диод (фиг.3), содержащий кристалл 1 на основе арсенида галлия с двухсторонним расположением контактных площадок 2 и 3. Размер кристалла, мм 0,55х0,55, толщина кристалла, мм не более 0,33. Кристалл нижней контактной площадкой 2 с помощью электропроводящего клея 4 смонтирован на плоский медный держатель 5, являющийся выводом светодиода. Площадь держателя со стороны монтажа кристалла 1,3 мм². Верхняя контактная площадка 3 соединена проволочным проводником 6 со вторым выводом 7 светодиода. Толщина проводника 0,04 мм, площадь вывода со стороны монтажа проводника 0,2 мм². Кристалл с контактными площадками, места присоединения проводника к контактной площадке и выводу покрыты защитным слоем А 8, выполненном из эластичного оптически прозрачного кремнийорганического компаунда "ККП-2-. Площадь защитного слоя 1,25 мм², толщина защитного слоя 0,5 мм.

Корпус 9 светодиода, методом заливки в форму, выполнен из оптически прозрачного эпоксидного компаунда следующего состава, вес.ч.

Смола эпоксидиановая ЭД-20 100,0 Каучук СКН-30 КТРА 2,0
Изометилтетрагидро- фталевый ангидрид 86,0 N,N-диметилбензиламин 0,6
Соединение фор- мулы 0,02
Габаритные размеры корпуса, мм: длина 7,0; диаметр 5,6; радиус кривизны световыводящей поверхности 2,3. Мощность излучения при 100 мА, мВт не менее 8. Максимум спектрального распределения излучения на длине волны 0,94-0,96 мкм.

Светодиод сохраняет работоспособность после воздействия быстрого изменения температуры среды от минус 60 до плюс 150^оС, испытания по ГОСТ 2057.406-81, метод 205-1.

П р и м е р 4. Светоизлучающий диод (фиг.4), содержащий кристалл 1 на основе арсенида галлия с двухсторонним расположением контактных площадок 2 и 3. Размер кристалла, мм 0,55х0,55, толщина кристалла, мм не более 0,33. Кристалл нижней контактной площадкой 2 с помощью припоя 4 смонтирован на плоский медный держатель 5, являющийся выводом светодиода. Площадь держателя со стороны монтажа кристалла 0,84 мм². Верхняя контактная площадка 3 соединена проволочным проводником 6 со вторым выводом 7 светодиода. Толщина проводника 0,04 мм, площадь вывода со стороны монтажа проводника 0,16 мм². Кристалл с контактными площадками, места присоединения проводника к контактной площадке и выводу покрыты защитным слоем А 8, выполненном из эластичного оптически прозрачного кремнийорганического компаунда "Эластосил 137-180". Площадь защитного слоя 0,90 мм², толщина защитного слоя 0,35 мм.

Корпус 9 светодиода, методом заливки в форму, выполнен из оптически прозрачного эпоксидного компаунда следующего состава, вес. в частях:
Смола эпоксидиановая ЭД-22 100,0 Каучук СКН-30 КТРА 2,0
Изометилтетрагидро- фталевый ангидрид 86,0 N,N-диметилбензиламтин 0,6
Соединение фор- мулы 0,02
Габаритные размеры корпуса, мм: длина 6,3; диаметр 2,4; радиус кривизны световыводящей поверхности 1,2. Мощность излучения при 100 мА, мВт не менее 5,5. Максимум спектрального распределения излучения на длине волны 0,94-0,96 мкм.

Светодиод сохраняет работоспособность после воздействия быстрого изменения температуры среды от минус 60 до плюс 200^оС, испытания по ГОСТ 2057.406-81, метод 205-1.

П р и м е р 5. Светоизлучающий диод (фиг.5), содержащий кристалл 1 на основе арсенида галлия с контактными площадками 2 и 3, расположенными на одной стороне кристалла. Размер кристалла, мм 1,37х1,37, толщина кристалла, мм не более 0,45. Кристалл наружной контактной площадкой 2 с помощью припоя 4 смонтирован на медный кольцевой держатель 5, к которому приварен вывод 6 светодиода. Площадь держателя со стороны монтажа кристалла 3,14 мм². Центральная контактная площадка 3 соединена проволочным проводником 7 со вторым выводом 8 светодиода. Толщина проводника 0,25 мм, площадь вывода со стороны монтажа проводника 2,5 мм². Кристалл с контактными площадками, места присоединения проводника к контактной площадке и выводу покрыты защитным слоем А 9, выполненным из эластичного оптически прозрачного кремнийорганического компаунда "Эластосил 137-180". Площадь защитного слоя 2 мм², толщина защитного слоя 0,6 мм.

Корпус 10 светодиода, методом заливки в форму, выполнен из оптически прозрачного эпоксидного компаунда следующего состава, вес.частях:
Смола эпоксидиановая ЭД-20 100,0 Каучук СКН-30 КТРА 2,0
Изометилтетрагидро- фталевый ангидрид 86,0 N,N-диметилбензиламин 0,6
Соединение фор- мулы 0,02
Габаритные размеры корпуса, мм: длина 6,3; диаметр 2,4; радиус кривизны световыводящей поверхности 1,2. Мощность излучения при 100 мА, мВт не менее 5,5. Максимум спектрального распределения излучения на длине волны 0,94-0,96 мкм.

Светодиод сохраняет работоспособность после воздействия быстрого изменения температуры среды от минус 60 до плюс 200^оС, испытания по ГОСТ 2057.406-81, метод 205-1.

Таким образом, технический результат изобретения заключается в создании светодиода повышенной стойкости к климатическому воздействию, а именно, к быстрому изменению температуры среды.

Сущность изобретения: кристалл, места присоединения проводника к выводам и контактным площадкам покрыты защитным слоем из оптически прозрачного кремнийорганического компаунда; площадь защитного слоя и его толщина выбираются из приведенных соотношений. Корпус выполнен из оптически прозрачного эпоксидного компаунда содержащего эпоксидную смолу, карбоксилатный каучук, ангидридный отвердитель, аминный катализатор и соединение общей формулы

3 з. п. ф-лы, 5 ил.

1. СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЙ ДИОД, содержащий установленный на держателе кристалл с контактными площадками, соединенными с выводами диода и расположенный в корпусе из оптически прозрачного компаунда на основе эпоксидиановой смолы, отличающийся тем, что корпус выполнен из оптически прозрачного компаунда следующего состава, мас.ч.:
Эпоксидиановая смола с массовой долей эпоксидных групп 20 - 24% - 100
Карбоксилатный каучук - 0,5 - 3,5
Ангидридный отвердитель - 60 - 90
Аминный катализатор - 0,05 - 1,2
Соединение общей формулы

где R имеет вид

или


- 0,006 - 1,5
2. Диод по п.1, отличающийся тем, что кристалл с контактными площадками, а также места присоединения соединительных проводников к выводам диода и контактным площадкам кристалла покрыты защитным слоем из оптически прозрачного эластичного кремнийорганического компаунда, причем площадь защитного слоя S_3 . с и его толщину d выбирают из соотношений (0,7а)² ≅ S_3 . с ≅ 1,1 S_к п • 2D ≅ d ≅ (h + D), где a - размер большей стороны кристалла, h - толщина кристалла, S_к п - площадь держателя или вывода со стороны монтажа кристалла или проводника, D - толщина проводника. 3. Диод по п. 1 или 2, отличающийся тем, что в качестве ангидридного отвердителя используют изометилтетрагидрофталевый ангидрид, или тетрагидрофталевый ангидрид, или гексагидрофталевый ангидрид, или 4-метилгексагидрофталевый ангидрид, или фталевый ангидрид. 4. Диод по п.1 или 2, отличающийся тем, что в качестве аминного катализатора используют N,N-диметилбензиламин, или 2,4,6-трис (диметиламинометил) резорцин, или α -метилбензилдиметиламин.