СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЙ ДИОД Российский патент 1998 года по МПК H01L33/00 

Изобретение относится к области электронной техники, а именно к светоизлучающим диодам (СИД), и может найти применение в полупроводниковой технике при разработке и производстве СИД.

В технике СИД широко применяются для сигнализации режима работы различной аппаратуры подсветки, источники информации типа информационных табло, бегущих строк, светофоров, дополнительных сигналов торможения в автомобилях и т. д. Использование СИД вместо ламп накаливания существенно повышает надежность и снижает энергопотребление аппаратуры.

При этом требуются СИД с различными цветами светового потока, величиной и равномерностью светящегося пятна и мощностями (силой света) излучения.

Наиболее важным параметром СИД является мощность излучения (сила света), зависящая в первую очередь от величины протекающего прямого тока и значения теплового сопротивления держателя, на котором установлен кристалл излучателя света.

Известен СИД красного цвета свечения типа HLMP-C100 с кристаллом излучателя света, укрепленным на держателе, соединенным с одним из выводов и размещенным в пластмассовом монолитном корпусе, который состоит из цилиндрического основания и полусферической собирающей излучение линзы диаметром 5 мм [1] . При прямом токе I_пр=20 мА минимальное значение силы света составляет 0,29 кд при угле обзора ±30^o на половине мощности излучения. Величина теплового сопротивления корпуса 210^o С/Вт.

Недостатком такого решения является невысокая сила света СИД, обусловленная невозможностью увеличения величины прямого тока через прибор из-за значительного теплового сопротивления корпуса и перегрева кристалла излучателя света, т.к. выделяемое тепло отводится только через вывод. В этом случае наблюдается нарушение линейности люмен-амперной характеристики, приводящее к отсутствию роста силы при увеличении прямого тока.

Другое техническое решение описывает СИД инфракрасного излучения типа CQX 19, у которого кристалл излучателя света установлен на держателе корпуса ТО-39, на котором сформирована полусферическая пластмассовая линза диаметром 8 мм [2]. При прямом токе I_пр=250 мА выделяемая мощность излучения составляет 20 мВт при угле обзора ±20^o на половине мощности излучения. Величина теплового сопротивления корпуса 250^oC300^o С/Вт, что составляет значительную величину и не позволяет повысить мощность излучения за счет увеличения прямого тока.

Наиболее близким по технической сущности решением к предлагаемому изобретению является эффективный СИД красного цвета свечения типа IN 6092, содержащий металлостеклянный держатель с выводами, кристалл излучателя света с омическими контактами, установленный на держателе посредством токопроводящего клея, соединенный проводником с соответствующим выводом, и металлическую крышку с собирающей излучение линзой [3]. Допустимый прямой ток через прибор составляет: I_пр=35 мА, тепловое сопротивление - 425^oC/Вт, угол обзора ±18^o на половине мощности излучения, а типовое значение мощности излучения - 5 мкд при прямом токе I_пр=20 мА.

Недостатком этого решения является невысокая мощность излучения СИД вследствие отсутствия внутри корпуса полимерного компаунда и высокого значения теплового сопротивления, обусловленного отводом выделяемого кристаллом тепла через вывод, на котором он установлен. Ограниченное значение рассеиваемой мощности не допускает протекания достаточно высоких значений прямого тока вследствие нарушения линейности люмен-амперной характеристики.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение мощности (силы света) излучения СИД с возможностью варьирования угла обзора.

Технический результат достигается тем, что крышка светоизлучающего диода выполнена в виде полусферической линзы с цилиндрическим основанием, толщина основания линзы не превышает величину радиуса линзы, а на нижней грани основания крышки имеются направляющие штыри, размещенные соответственно позиционным отверстиям в подложке, имеющей толщину, равную или большую четырех толщин кристалла излучателя света, при этом в подложке выполнено углубление в форме усеченного конуса, поверхность которого отражает излучение, на плоской части поверхности усеченного конуса расположено посадочное место для кристалла излучателя света на глубине не меньше двух толщин кристалла, а величина диаметра посадочного места кристалла превышает размер диагонали нижней грани кристалла, но не превосходит полутора значений этого размера, причем объем между нижней гранью основания крышки и верхней поверхностью подложки заполнен полимерным герметизирующим компаундом, а место присоединения проводника к изолированному присоединительному выводу покрыто слоем токопроводящего клея.

На фиг. 1 представлен в разрезе СИД, содержащий крышку 1, металлическую подложку 2 с углублением в форме усеченного конуса, поверхность которого отражает излучение, кристалл излучателя света 3, токопроводящий клей 4, выводы 5, полимерный герметизирующий компаунд 6, полусферическую линзу 7, проводник 8, стеклоизолятор 9, цилиндрическое основание 10 линзы 7.

На фиг. 2 представлена крышки СИД, содержащая полусферическую линзу 7, цилиндрическое основание 10, направляющие штыри 11.

Предлагаемый СИД работает следующим образом.

При подаче на выводы 5 электрического напряжения, обеспечивающего протекание прямого тока через кристалл излучателя света 3, он начинает испускать свет. Излучение с верхней поверхности кристалла излучателя света 3 и с его боковых граней, отраженное усеченной конической поверхностью, попадает в слой герметизирующего компаунда 6, цилиндрическое основание 10 и фокусируется полусферической линзой 7.

Наличие полимерного герметизирующего компаунда 6, цилиндрического основания 10 толщиной, не превышающей величины радиуса полусферической линзы 7, обеспечивает снижение потерь мощности излучения и требуемую диаграмму направленности излучения. Кроме того, полимерный герметизирующий компаунд 6 обеспечивает влагозащищенность кристалла излучателя света 3 и мест присоединения к нему проводника 8, а также к выводу 5, изолированному от подложки 2 стеклоизолятором 9.

Место присоединения проводника 8 к изолированному выводу 5, защищенное слоем токопроводящего клея 4, повышает надежность основания, а также СИД в целом.

Конструкция СИД с полимерным герметизирующим компаундом 6 на основе металлостеклянного держателя, состоящего из металлической подложки 2 и присоединительных выводов 5, позволяет увеличить мощность излучения в два - три раза.

В подложке выполнено углубление в форме усеченного конуса, поверхность которого отражает излучение, на плоской части поверхности усеченного конуса расположено посадочное место для кристалла излучателя света 3 на глубине не меньше двух толщин кристалла.

Величина диаметра посадочного места для кристалла излучателя света 3 превышает размер диагонали его нижней грани, но не превосходит полутора значений этого размера, что позволяет практически полностью собирать излучение вдоль оптической оси СИД.

Углубление в форме усеченного конуса, на плоской поверхности которого расположено посадочное место для кристалла излучателя света 3, позволяет использовать боковое свечение кристалла излучателя света 3.

Направляющие штыри 11 крышки 1 облегчают центровку кристалла излучателя света 3 вдоль оптической оси СИД.

Изменение расстояния от подложки 2 до нижней грани цилиндрического основания 10 линзы 7, путем перемещения держателя вдоль направляющих штырей 11 крышки 1 позволяет регулировать величину мощности излучения за счет изменения угла обзора на половине мощности излучения от ±4 до ±50^o.

Толщина металлической подложки 2, равная или большая четырех толщин кристалла излучателя света 3, обеспечивает эффективное рассеяние потребляемой мощности с нижней грани подложки 2.

При монохроматическом исполнении предлагаемого СИД могут быть использованы кристаллы излучателя света 3 с инфракрасным или красным, оранжевым, желтым, зеленым, голубым или синим цветом свечения. Насыщенность цвета и восприятие информации может быть достигнута дополнительной окраской крышки 1 соответствующим цветом за счет введения красителя при ее исполнении, или введением диспергатора, которым, например, может быть измельченный оптический кварц.

Применение диспергатора позволяет улучшить восприятие свечения из-за увеличения размера светящегося пятна без ухудшения физико-химических свойств материала крышки..

Подложка 2 в общем случае может быть выполнена не только чисто металлической, а металлизированной, например диэлектрической, с покрытием с одной или двух сторон медно-никелевым слоем. При этом на верхней грани подложки на основе медно-никелевого слоя может быть сформирована схема разводки, соединяющаяся с соответствующими выводами 5, что обеспечивает установку кристалла излучателя света 3 на посадочное место с разводкой проводников на вывод 5.

Схема разводки может быть выполнена таким образом, что медно-никелевое покрытие занимает максимальную площадь подложки 2, за исключением промежутков, обеспечивающих схему разводки, что повышает отражение излучения кристалла излучателя света 3 и увеличивает мощность излучения.

Наличие медно-никелевого покрытия на тыльной стороне основания, кроме места выхода присоединительного вывода 5, обеспечивает снижение теплового сопротивления.

Ниже приведен пример конкретного исполнения предлагаемого светодиода.

Конструкция СИД, изготовленная согласно данному изобретению, содержит металлостеклянный держатель из стали толщины 1,0 мм с нанесенным слоем никеля и присоединенными никелевыми выводами диаметром 0,55 мм. Посадочное место кристалла излучателя света 3 имеет глубину 0,5 мм, диаметр плоской части поверхности усеченного конуса составляет 1,6 мм, а диаметр посадочного места кристалла излучателя света 3 равен 0,6 мм. Крышка была отлита из пластической массы - поликарбоната типа "Lexan". Радиус полусферической линзы равен 5 мм, высота основания - 3 мм, расстояние между подложкой и основанием варьировалось в пределах 1-3 мм. В качестве герметизирующего материала служит полимерный компаунд марки 159-322. В качестве кристалла излучателя света использован кристалл красного цвета излучения с длиной волны 662 нм. Токопроводящий клей, служащий для установки кристалла и покрытия места присоединения проводника к изолированному присоединительному выводу на основе серебра, имеет марку ТОК-2.

Такая конструкция СИД обеспечивает величину теплового сопротивления 170^oC/Вт и увеличение прямого тока через СИД до 80 мА без потери линейности люкс-амперной характеристики, что позволяет получать силу света более 1,5 кд или мощность излучения более 25 мВт при токах 20 и 100 мА соответственно.

Известных технических решений, направленных на повышение мощности излучения СИД указанными средствами при поиске в патентном фонде и других научно-технических источниках, не обнаружено. Следовательно, предлагаемый светоизлучающий диод соответствует критерию "новизна".

Сравнение предлагаемого изобретения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники, не выявило технических решений, сходных по отличительным в заявленном решении признакам, проявляющим аналогичные свойства. Поскольку оно явным образом не следует из уровня техники, то это позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого светоизлучающего диода критерию "изобретательский уровень".

Предлагаемое изобретение является промышленно применимым, так как оно может быть широко использовано в различных отраслях промышленности для производства светоизлучающих диодов с повышенной мощностью излучения.

Использование: электронная техника, а именно светоизлучающие диоды, полупроводниковая техника. Технический результат: повышение мощности излучения светоизлучающего диода с возможностью варьирования угла обзора. Сущность: светоизлучающий диод содержит металлостеклянный держатель, состоящий из металлической подложки и присоединительных выводов, один из которых изолирован от нее стеклоизолятором, кристалл излучателя света, установленный на держателе и соединенный проводником с изолированным присоединительным выводом, крышку с собирающей излучение линзой и основанием, при этом крышка выполнена в виде полусферической линзы с цилиндрическим основанием, толщина основания линзы не превышает величину радиуса линзы, а на нижней грани основания крышки имеются направляющие штыри, размещенные соответственно позиционным отверстиям в подложке, имеющей толщину, равную или большую четырех толщин кристалла, причем в подложке выполнено углубление в форме усеченного конуса, поверхность которого отражает излучение, на плоской части поверхности усеченного конуса расположено посадочное место для кристалла излучателя света на глубине не меньше двух толщин кристалла, а величина диаметра посадочного места кристалла превышает размер диагонали нижней грани кристалла, но не превосходит полутора значений этого размера, при этом объем между нижней гранью основания крышки и верхней поверхностью подложки заполнен герметизирующим компаундом, а место присоединения проводника к изолированному присоединительному выводу покрыто слоем токопроводящего клея. 2 ил.

Светоизлучающий диод, содержащий металлостеклянный держатель, состоящий из металлической подложки и присоединительных выводов, один из которых изолирован от нее стеклоизолятором, кристалл излучателя света, установленный на держателе и соединенный проводником с изолированным присоединительным выводом, крышку с собирающей излучение линзой и основанием, отличающийся тем, что крышка выполнена в виде полусферической линзы с цилиндрическим основанием, толщина основания линзы не превышает величину радиуса линзы, а на нижней грани основания крышки имеются направляющие штыри, размещенные соответственно позиционным отверстиям в подложке, имеющей толщину, равную или большую четырех толщин кристалла, при этом в подложке выполнено углубление в форме усеченного конуса, поверхность которого отражает излучение, на плоской части поверхности усеченного конуса расположено посадочное место для кристалла излучателя света на глубине не меньше двух толщин кристалла, а величина диаметра посадочного места кристалла превышает размер диагонали нижней грани кристалла, но не превосходит 1,5 значений этого размера, причем объем между нижней гранью основания крышки и верхней поверхностью подложки заполнен полимерным герметизирующим компаундом, а место присоединения проводника к изолированному присоединительному выводу покрыто слоем токопроводящего клея.