СВЕТОДИОДНОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 1999 года по МПК H01L33/00 

Изобретение относится к области электронной техники, в частности к полупроводниковым приборам, содержащим несколько элементов, сформированных на общей подложке, а именно к светодиодным устройствам, и может найти применение в полупроводниковой промышленности при разработке и производстве светодиодных устройств, используемых в энергетике, железнодорожном транспорте, черной металлургии, химической, тяжелой и в других отраслях промышленности.

Светодиодные устройства широко применяются для сигнализации о режиме работы различной аппаратуры, для подсветки экранов, изготовления источников информации типа информационных табло, бегущих строк, светофоров, дополнительных сигналов торможения в автомобилях и т.д. (1).

Использование светодиодных устройств вместо ламп накаливания значительно повышает надежность и снижает энергопотребление аппаратуры. При этом во многих случаях требуются светодиодные устройства с широкой гаммой цветов и оттенков светового потока различной величины и равномерностью светящегося пятна и различной мощностью (силой света) излучения.

Наиболее важным параметром светодиодных устройств является мощность излучения, зависящая прежде всего от силы протекаемого прямого электрического тока и от значения величины теплового сопротивления держателя, на котором установлен кристалл излучателя света.

Известен светоизлучающий диод красного цвета свечения типа HLMP - C100 (2), в котором кристалл излучателя света укреплен на держателе, соединенном с одним из электрических выводов, и размещен в пластмассовом монолитном корпусе, который состоит из полусферической линзы диаметром 5 мм, собирающей (концентрирующей) излучение, и цилиндрического основания. При прямом токе 20 мА минимальная величина силы света (аксиальная интенсивность свечения) составляет 0,29 кд при угле обзора ± 30^o на половине мощности излучения. Величина теплового сопротивления корпуса составляет 210^oC/Вт. Недостатком такого светодиодного устройства является невысокая сила света, что обусловлено невозможностью повышения величины силы прямого тока через устройство из-за значительного теплового сопротивления корпуса и перегрева кристалла излучателя света, так как выделяемое тепло отводится только через металлический вывод. В этом случае наблюдается нарушение линейности люмен-амперной характеристики, приводящее к прекращению роста силы свечения при увеличении силы прямого тока.

Известен также светоизлучающий диод инфракрасного излучения типа CQX 19 (3), в котором кристалл излучателя света установлен на держателе TO-39 и на этом держателе сформирована полусферическая пластмассовая линза диаметром 8 мм. При прямом электрическом токе силой 250 мА выделяемая мощность излучения составляет 20 мВт при угле обзора ± 20^o на половине мощности излучения. Величина теплового сопротивления корпуса равна 250...300^oC/Вт, что представляет собой значительную величину и не позволяет повысить мощность излучения силы прямого тока.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому светодиодному устройству является эффективный светодиод красного цвета I N 6092 (4). Указанный светодиод, принятый за прототип, содержит металлостеклянный держатель с электрическими выводами, кристалл излучателя света с омическими контактами, установленный на держателе посредством токопроводящего клея и соединенный проводником с соответствующим выводом, а также металлическую крышку с линзой, собирающей (концентрирующей) генерируемое кристаллом излучение.

Допустимый прямой электрический ток через такое устройство составляет 35 мА, тепловое сопротивление составляет 425^oC/Вт, угол обзора ±18^o на половине мощности излучения, а типовое значение величины мощности излучения 5 мкд при прямом токе 20 мА.

Недостатком указанного светодиода является то, что он обладает невысокой мощностью излучения и значительной величиной теплового сопротивления, что обусловлено слабым отводом (рассеиванием) тепла, выделяемого кристаллом излучателя света, только через вывод, на котором установлен кристалл. Ограничение величины рассеиваемой мощности не допускает протекания прямого тока достаточно высокой силы вследствие нарушения линейности люмен-амперной характеристики светодиода.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение мощности (силы света) излучения светодиодного устройства с возможностью варьирования угла обзора и пространственной диаграммы направленности излучения.

Технический результат достигается тем, что в качестве источника излучения устройство содержит несколько, по меньшей мере два, отдельных полупроводниковых кристалла одноцветного либо разноцветного излучения оптического диапазона, размещенных на общей для них подложке, причем подложка содержит углубление с плоским дном и отражающей излучение боковой поверхностью, а число посадочных мест для кристаллов в этом углублении и число изолированных выводов соответствует числу кристаллов излучателей света; крышка устройства содержит концентрирующую излучению линзу, выполненную в форме сфероцилиндра (полусферической линзы с цилиндрическим основанием), либо эллипсоидоцилиндра, при этом соотношение полуосей эллипсоидоцилиндрической линзы составляет от 1:1,1 до 1:1,5, а толщина цилиндрического основания линзы не превышает величины радиуса сфероцилиндра соответственно меньшей из двух полуосей эллипсоидоцилиндра; углубление для посадки кристаллов на подложке имеет отражающую излучение боковую поверхность в форме тела вращения, либо иного концентратора излучения, причем углубление для посадки кристаллов на подложке имеет преимущественно усеченную коническую поверхность; подложка имеет толщину, равную четырем или более величинам толщины кристаллов излучателей света; глубина плоского посадочного места каждого из кристаллов излучателей света не менее чем в два раза превышает их толщину, но не превосходит четырех толщин кристаллов, при этом величина диаметра посадочного места для каждого отдельного кристалла излучателя света превышает размер диагонали нижней грани соответствующего кристалла, но не более, чем в полтора раза величины указанной диагонали; на нижней грани основания крышки выполнены направляющие штыри, размещенные соответственно позиционным отверстиям в подложке; объем между цилиндрическим основанием линзы и верхней поверхностью подложки заполнен полимерным герметизирующим компаундом; место соединения каждого проводника с соответствующим изолированным присоединительным выводом покрыто слоем токопроводящего клея.

Конструкция предлагаемого светодиодного устройства поясняется фиг. 1-3.

На фиг. 1 представлено предлагаемое светодиодное устройство в разрезе в увеличенном масштабе, где: 1 - крышка устройства, 2 - металлическая подложка с углублением, выполненным в форме перевернутого усеченного конуса с отражающей излучение боковой поверхностью, 3 - один из кристаллов излучателей света, 4 - токопроводящий клей, 5 - электрические присоединительные выводы, 6 - полимерный герметизирующий компаунд, 7 - полусферическая линза, 8 - проводник, 9 - изолятор, 10 - цилиндрическое основание линзы.

На фиг. 2 схематично изображен корпус устройства с крышкой в разрезе, где: 2 - полусферическая линза, 10 - цилиндрическое основание линзы, 11 - направляющие штыри.

На фиг. 3 представлено схематично предлагаемое светодиодное устройство в аксонометрической проекции. Полусфера, опираясь на цилиндр, образует сфероцилиндрическую линзу. На фиг. 3 также показано квадратное основание крышки устройства, которое вместе со сфероцилиндрической линзой образует герметизирующий корпус устройства.

Работа предлагаемого светодиодного устройства в соответствии с фиг. 1 может быть описана следующим образом. При подаче на выводы 5 электрического напряжения, обеспечивающего протекание прямого электрического тока через кристалл излучателя света 3, кристалл начинает испускать свет. Излучение с верхней поверхности кристалла излучателя света 3 и с его боковых граней после отражения усеченной конической поверхностью попадает в слой полимерного герметизирующего компаунда 6, цилиндрическое основание 10 и фокусируется полусферической линзой 7.

Для получения различных цветов свечения через кристаллы излучателей света 3 светодиодного устройства пропускают постоянный прямой ток заданной величины или импульсный прямой ток требуемой амплитуды и скважности импульсов.

В зависимости от требуемой диаграммы направленности излучения в случае полуэллипсоидной линзы интервал соотношения полуосей эллиптического сечения линзы 7 целесообразно выбирать в пределах от 1:1,1 до 1:1,5. Такая форма линзы целесообразна в случае создания сплюснутого светового потока, поперечное сечение которого имеет форму эллипса, а не окружности.

Наличие полимерного герметизирующего компаунда 6, а также цилиндрического основания линзы 10, имеющего толщину, не превышающую величины радиуса полусферической линзы 7, обеспечивает снижение потерь мощности излучения и требуемую диаграмму направленности излучения. Кроме того, полимерный герметизирующий компаунд 6 обеспечивает влагозащищенность кристаллов излучателей света 3, места присоединения к кристаллу проводника 8, а также места присоединения этого проводника к выводу 5, который изолирован от основания держателя изолятором 9. Слой токопроводящего клея 4, нанесенный на место присоединения проводника 8 к изолированному выводу 5, повышает надежность этого соединения, а также светодиодного устройства в целом.

Конструкция светодиодного устройства с полимерным герметизирующим компаундом 6, выполненная на основе держателя с отражающей усеченной конической поверхностью на подложке 2, позволяет использовать боковое свечение излучателей света 3 и (в два - три раза) увеличить мощность излучения.

Глубина плоского посадочного места кристаллов излучателей света 3, превосходящая две толщины, но не превосходящая четырех толщин кристаллов, а также величина диаметра каждого посадочного места кристалла излучателя света 3, превышающая размер диагонали его нижней грани, но составляющая менее полутора значений величины указанного размера, позволяет в результате практически полностью собирать (концентрировать) излучение вдоль оптической оси светодиодного устройства.

Заглубленное плоское дно с посадочными местами для кристаллов излучателей света 3, в сочетании с направляющими штырями 11 (фиг.2), облегчает центровку источника света 3 вдоль оптической оси устройства.

Расстояние от подложки 2 до нижней грани цилиндрического основания 10 можно изменять путем перемещения держателя вдоль направляющих штырей 11 (фиг. 2). Это позволяет регулировать величину мощности излучения за счет изменения угла обзора на половине мощности излучения в пределах от ±4^o до ±50^o.

Металлическая подложка 2 толщиной, равной или превышающей четыре толщины кристалла излучателя света 3, обеспечивает эффективное рассеяние потребляемой мощности с нижней грани подложки.

При монохромном одноцветном исполнении светодиодного устройства могут быть использованы кристаллы излучателей света 3 с красным, оранжевым, желтым, зеленым, голубым или синим цветом свечения.

Насыщенность цвета и адекватное восприятие информации могут быть достигнуты дополнительной окраской крышки соответствующим цветом посредством введения красителя при ее изготовлении или путем введения диспергатора, в качестве которого может быть использован, например, измельченный оптический кварц. Применение диспергатора позволяет улучшить восприятие свечения из-за увеличения размера светящегося пятна без ухудшения физико-химических свойств материала крышки.

Повышение мощности излучения или интенсивности свечения устройства, а также гаммы требуемых цветов излучения достигается исполнением на подложке 2 отражающей усеченной конической либо иной формы концентрирующей поверхности с установкой на посадочные места углубленного плоского дна нескольких кристаллов излучателей света одного или различных цветов свечения и формированием соответствующего количества присоединительных выводов.

Подложка 2 может быть выполнена также диэлектрической с покрытием одной или двух сторон металлическим, например медноникелевым, слоем. При этом на верхней грани подложки на основе медноникелевого слоя может быть сформирована схема разводки, соединяющаяся с соответствующими выводами 5, которая обеспечивает установку кристаллов излучателей света 3 на свои посадочные места и разводку проводников на выводы 5. Схема разводки выполняется таким образом, что медноникелевое покрытие занимает максимальную площадь подложки за исключением промежутков, обеспечивающих схему разводки; это повышает отражение излучения кристаллов излучателей света 3 и увеличивает мощность излучения.

Наличие медноникелевого покрытия на тыльной стороне основания подложки 2, кроме мест вывода присоединительных проводов, обеспечивает снижение теплового сопротивления и тем самым уменьшает вероятность перегрева кристаллов излучателей света 3.

Конструктивное воплощение конкретного светодиодного устройства, изготовленного согласно изобретению, содержит металлостеклянный держатель из стали толщиной 1 мм с нанесенным на него слоем никеля и присоединенными никелевыми выводами диаметром 0,55 мм. Отражательная усеченная коническая поверхность имеет глубину 0,5 мм, диаметр на поверхности подложки равен 2,0 мм, диаметр плоского дна с посадочными местами для кристаллов составляет 1,2 мм. Крышка отлита из пластической массы - поликарбоната типа "Лексан". Радиус полусферической линзы равен 5 мм, высота цилиндрического основания 3 мм, расстояние между подложкой и основанием варьировалось в пределах 1-3 мм. Использовался полимерный компаунд марки 159-322.

Кристаллами - излучателями света служили кристаллы, излучающие красный свет с длиной волны 660 нм, желто-зеленый свет с длиной волны 570 нм и синий свет с длиной волны 480 нм. Для установки кристаллов излучателей света и покрытия мест присоединения проводников к изолированным присоединительным выводам на основе серебра использовался токопроводящий клей марки ТОК-2.

Описанная конструкция светодиодного устройства обеспечивает величину теплового сопротивления 170^oC/Вт и увеличение прямого тока через светодиод до 80 мА без потери линейности люкс-амперной характеристики. Это позволяет получать силу света более 1,5 кд.

Ниже приведены характеристики разработанных на основании предлагаемого изобретения сверхярких полноцветных светодиодных устройств.

Устройства содержат по три кристалла излучателя света (красного, желто-зеленого, синего), смонтированных под общим оптическим куполом в герметизированном пластмассовом корпусе с квадратным основанием и пластмассовой крышкой - 10 мм полусферической линзой.

Примеры конкретного выполнения предлагаемого светодиодного устройства иллюстрируются показателями, приведенными в табл. 1 - 3.

В табл. 1 представлены характеристики полноцветных сверхярких полупроводниковых светодиодных устройств.

В табл. 2 представлены электрооптические характеристики полупроводниковых кристаллов излучателей света при 25^oC, используемых в приборах СИД-3 и СИД-3Д.

В табл. 3 представлены максимальные рабочие характеристики и другие показатели трехкристальных полупроводниковых светодиодных приборов СИД-3 и СИД-3Д.

Как видно из подробного описания изобретения и примеров его конкретного осуществления, разработанное светодиодное устройство может найти широкое применение в промышленности.

Светодиодные устройства предлагаемой конструкции предназначены для сигнализации о режимах работы различной аппаратуры и благодаря повышенной яркости могут быть использованы для подсветки вместо ламп накаливания.

Источники информации
1. А.Берг, П.Дин Светодиоды. - М.: Мир, 1979 г.

2. Optoelectronics Designer^, s Catalog, Hewlett Pacxkard, 1993, p. 3-44.

3. Selection Guide Optoelectronic Devices, Catalog AEG-Telefunken, 1982, p. 11.

4. С.М.Зи. Физика полупроводниковых приборов. Книга 2. Пер. с англ. 2-е перераб. и доп. изд. -М.: Мир, 1984, с 289, рис.16а.

Использование: изобретение относится к области электронной техники. Сущность: устройство включает в себя источник излучения, держатель источника, содержащий металлическую или металлизированную подложку с присоединительными выводами, по меньшей мере один из которых изолирован от подложки, а также герметизированный корпус с крышкой, содержащей концентрирующую излучение линзу в форме сфероидо- или эллипсоидоцилиндра со своим основанием, при этом на нижней грани основания крышки выполнены направляющие штыри, размещенные соответственно позиционным отверстиям в подложке. В качестве источника излучения служат несколько, по меньшей мере два, отдельных полупроводниковых кристалла одноцветного или разноцветного излучения оптического диапазона, размещенных на общей для них подложке, при этом подложка содержит углубление с плоским дном для посадки кристаллов и отражающей излучение боковой поверхностью в форме поверхности тела вращения, преимущественно усеченную коническую поверхность, а число посадочных мест для кристаллов излучателей света в этом углублении и число электроизолированных выводов в подложке соответствует числу кристаллов. Кроме того, толщина цилиндрического основания линзы не превышает величины радиуса ее полусферы соответственно меньшей из двух полуосей ее эллиптического поперечного сечения. Подложка имеет толщину, равную четырем или более величинам толщины кристаллов излучателей света. Глубина плоского посадочного места не менее чем в два раза превышает толщину кристаллов излучателей света, но не превосходит четырех толщин кристаллов, а величина диаметра посадочного места для каждого отдельного кристалла превышает размер диагонали нижней грани соответствующего кристалла, но не более чем в полтора раза величины указанной диагонали. Объем между цилиндрическим основанием линзы и верхней поверхностью подложки в предлагаемом устройстве заполнен герметизирующим компаундом, а место соединения каждого проводника с соответствующим изолированным присоединительным выводом покрыто слоем токопроводящего клея. Технический результат изобретения - повышение мощности излучения с возможностью варьирования угла обзора и пространственной диаграммы направленности излучения. 11 з.п.ф-лы, 3 ил., 3 табл.

1. Светодиодное устройство, включающее источник излучения, держатель источника, содержащий металлическую или металлизированную подложку с присоединительными выводами, по меньшей мере один из которых изолирован от подложки, и герметизированный корпус с крышкой, содержащей концентрирующую излучения линзу со своим основанием, отличающееся тем, что в качестве источника излучения устройство содержит несколько, по меньшей мере два отдельных полупроводниковых кристалла одноцветного либо разноцветного излучения оптического диапазона, размещенных на общей для них подложке, причем подложка содержит углубление с плоским дном и отражающей излучение боковой поверхностью, а число посадочных мест для кристаллов в этом углублении и число изолированных выводов соответствует числу кристаллов излучателей света. 2. Светодиодное устройство по п.1, отличающееся тем, что крышка устройства содержит концентрирующую излучение линзу, выполненную в форме сфероцилиндра либо эллипсоидоцилиндра. 3. Светодиодное устройство по п.2, отличающееся тем, что соотношение полуосей эллипсоидоцилиндрической линзы составляет 1:1,1 - 1:1,5. 4. Светодиодное устройство по п.2, отличающееся тем, что толщина цилиндрического основания линзы не превышает величины радиуса сфероцилиндра соответственно по меньшей мере из двух полуосей эллипсоидоцилиндра. 5. Светодиодное устройство по п.1, отличающееся тем, что углубление для посадки кристаллов на подложке имеет отражающую излучение боковую поверхность в форме поверхности тела вращения либо иного концентратора излучения. 6. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что углубление для посадки кристаллов на подложке имеет преимущественно усеченную коническую поверхность. 7. Светодиодное устройство по п.1, отличающееся тем, что подложка имеет толщину, равную четырем или более величинам толщины кристаллов излучателей света. 8. Светодиодное устройство по п.1, отличающееся тем, что глубина плоского посадочного места каждого из кристаллов излучателей света не менее чем в два раза превышает их толщину, но не превосходит четырех толщин кристаллов. 9. Светодиодное устройство по п.8, отличающееся тем, что величина диаметра посадочного места для каждого отдельного кристалла излучателя света превышает размер диагонали нижней грани соответствующего кристалла, но не более чем в полтора раза величину указанной диагонали. 10. Светодиодное устройство по п.1, отличающееся тем, что на нижней грани основания крышки выполнены направляющие штыри, размещенные соответственно позиционным отверстиям в подложке. 11. Светодиодное устройство по п.1, отличающееся тем, что объем между цилиндрическим основанием линзы и верхней поверхностью подложки заполнен полимерным герметизирующим компаундом. 12. Светодиодное устройство по п.1, отличающееся тем, что место соединения каждого проводника с соответствующим изолированным присоединительным выводом покрыто слоем токопроводящего клея.