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 и в других отраслях промышленности, а также в сигнальных осветительных устройствах на автомобильном, железнодорожном, морском и других видах транспорта.

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 разной мощностью излучения. Наиболее важным параметром светодиодных устройств является мощность излучения, зависящая прежде всего от силы протекания прямого электрического тока, что в свою очередь зависит от значения величины теплового сопротивления держателя, на котором установлен кристалл излучателя света.

Известен например светодиод красного цвета типа IN 6092 [2]. Указанный светодиод 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 генерируемое кристаллом излучение. Допустимый прямой электрический ток через такой прибор составляет 35 мА, тепловое сопротивление - 452^oC/Вт, угол обзора ±18^o на половине мощности излучения, а типовое значение мощности излучения 5 мкд при прямом токе 20 мА.

Недостатком указанного светодиода, очевидно, является невысокая мощность излучения и значительная величина теплового сопротивления, что обусловлено слабым отводом тепла, выделяемого кристаллом излучателя света через вывод, на котором установлен кристалл. Ограничение величины рассеиваемой мощности не допускает протекание прямого тока достаточно высокой силы вследствие нарушения линейности люмен-амперной характеристики светодиода.

Наиболее близким по технической сущности к прелагаемому устройству является светодиодное устройство [3], принятое за прототип. Указанное устройство содержит источник излучения с одним или несколькими кристаллами света одноцветного или разноцветного излучения, держатель источника, содержащий теплоотводящую металлическую или металлизированную подложку с присоединительными выводами, герметизированный корпус с крышкой, выполненный в виде собирающей излучение линзы.

Недостатком указанного устройства, принятого за прототип, является то, что устройство не обеспечивает повышение мощности излучения и возможности варьирования угла обзора, а также то, что устройство не обладает достаточно равномерным распределением энергии внутри излучаемого светового потока, и имеет неудовлетворительные массогабаритные характеристики получаемого изделия.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение мощности излучения и возможности варьирования угла обзора, повышение равномерности распределения энергии внутри излучаемого светового потока при увеличении пропускания светового излучения, а также уменьшение массогабаритных характеристик устройства.

Указанный технический результат достигается тем, что предлагаемое светодиодное устройство включает в себя источник излучения с одним или несколькими кристаллами излучателями света, одноцветного либо разноцветного излучения оптического диапазона, держатель источника, содержащий теплоотводящую металлическую или металлизированную подложку с присоединительными выводами, герметизирующий корпус с крышкой, выполненный в виде собирающей излучение линзы. На нижней грани основания крышки выполнены направляющие штыри, размещенные соответственно позиционным отверстиям в подложке. Подложка содержит аксиальное углубление с плоским дном для посадки кристаллов излучателей света, и с отражающей излучение боковой поверхностью. Объем между углублением в подложке с источником света и крышкой-линзой заполнен герметизирующим компаундом, а место соединения каждого изолированного присоединительного вывода с соответствующим проводником покрыто слоем токопроводящего клея. В качестве собирающей излучение линзы служит плоская кольцевая линза, выполненная из оптически прозрачного термопластического материала, с кольцевой растрово-конической ступенчатой поверхностью с углами наклона образующих к оптической оси в пределах от 1,5^o до 86^o. Соотношение толщины крышки устройства-плоской линзы и размеров проекций конических образующих на оптическую ось светодиодного устройства составляет от 1 : 2 до 1 : 20. Соотношение толщины линзы и толщины подложки находится в пределах от 1 : 1,5 до 1 : 4,0. Соотношение плоской линзы с шириной концентрических колец ее растровой поверхности составляет от 1 : 10 до 1 : 100. При этом диаметр центрального сферического сегмента линзы находится в соотношении с диаметром линзы от 1 : 4 до 1 : 5.

Предлагаемое светодиодное устройство поясняется фиг. 1 и 2, где фиг. 1 - вид сбоку в разрезе; фиг. 2 - вид сверху; 1 - крышка устройства, 2 - металлическая подложка с аксиальным углублением, имеющим плоское дно и боковую поверхность, выполненную в форму боковой поверхности тела вращения, 3 - один из кристаллов излучателей света, 4 - токопроводящий клей, 5 - электрические выводы, 6 - полимерный герметизирующий компаунд, 7 - кольцевая линза, 8 - проводник, 9 - изолятор, 10 - цилиндрическое основание линзы, 11 - направляющие штыри, 2R - диаметр линзы, Δr - ширина концентрических колец.

Работа 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 кристаллы излучатели света 3, кристаллы начинают испускать свет. Излучение с верхней поверхности кристаллов излучателей света 3 и с их боковых граней после отражения боковой поверхностью фокусируется плоской кольцевой линзой. Для получения различных цветов свечения через кристаллы излучатели света 3 светодиодного устройства пропускают постоянный ток требуемой амплитуды и скважности импульсов.

Наличие полимерного герметизирующего компаунда 6, основания линзы 10, обеспечивает снижение потерь мощности излучения и требуемую диаграмму направленности излучения. Кроме того, полимерный герметизирующий компаунд 6 обеспечивает влагозащищенность кристалла излучателя света и мест присоединения к нему проводника 8, а также к выводу 5, изолированному от держателя изолятором 9.

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

Конструкция устройства с полимерным герметизирующим компаундом 6 на держателе, содержащем металлическую подложку с аксиальным углублением, имеющим плоское дно и боковую поверхность, выполненную в форме отражающей излучение боковой поверхности тела вращения, позволяет использовать боковое свечение кристалла излучателя света и в два - три раза увеличить мощность излучения.

Углубленное посадочное место кристалла излучателя света 3 позволяет практически полностью собирать излучение вдоль оптической оси светодиодного устройства.

Расстояние от подложки до нижней грани основания линзы 10 можно изменять путем перемещения держателя вдоль направляющих штырей 11. Это позволяет регулировать величину силы света излучения за счет изменения угла обзора от 3 - 5^o до 85 - 90^o.

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

При монохроматическом одноцветном исполнении светодиодного устройства могут быть использованы кристаллы излучателя света 3 с инфракрасным или 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 светящего пятна.

Повышение мощности излучения, а также гаммы требуемых цветов излучения, достигается исполнением на подложке аксиального углубления с плоским дном для посадки одного или нескольких кристаллов излучателей света, одного или различных цветов свечения, и с отражающей излучение боковой поверхностью, а также формированием соответствующего количества присоединительных выводов.

Подложка может быть выполнена также диэлектрической и 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, 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), что увеличивает рассеиваемую мощность.

Наличие медноникелевого покрытия на тыльной стороне основания линзы 10, кроме мест вывода присоединительных проводов, обеспечивает снижение теплового сопротивления и, тем самым уменьшает вероятность перегрева кристаллов.

Конструктивное воплощение конкретного светодиодного устройства, изготовленного согласно изобретению, содержит металлический держатель толщиной ~1 мм с нанесенным на него слоем никеля и присоединительными выводами диаметром 0,55 мм, диаметр плоского дна с посадочными местами для кристаллов составляет 1,2 мм. Крышка отлита из пластической массы - поликарбоната типа "Лексан".

Крышка представляет собой светодиодную линзу, выполненную в виде кольцевой линзы Френеля, в которой проекции конических образующих растрово-конической поверхности на оптическую ось светодиодного устройства составляет от 1 : 2 до 1 : 20, соотношение толщины линзы и толщины подложки - от 1,0 : 1,5 до 1,0 : 4,0, предпочтительно от 1 : 2,5, а соотношение диаметра плоской линзы с шириной концентрических колец ее растровой поверхности выбрано в интервале от 1 : 10 до 1 : 100, при этом диаметр центрального сферического сегмента линзы находится в соотношении с диаметром линзы от 1 : 4 до 1 : 5.

Описанная конструкция светодиодного устройства позволяет значительно повысить силу света излучения при варьировании углов расходимости за счет малой толщины кольцевой линзы, следовательно малого поглощения, примерно в два раза, и значительно уменьшить массогабаритные размеры в три раза.

Расстояние между подложкой и основанием варьировалось в пределах 1 - 3 мм. Использовался полимерный компаунд марки 159 - 322.

Излучателями служили кристаллы, излучающие красный свет с длиной волны 625-660 нм, желто-зеленый свет с длиной волны 510-570 нм и синий свет с длиной волны 430-480 нм.

Для установки кристаллов, а также для покрытия мест присоединения проводников к изолированным присоединительным выводам использовался токопроводящий клей на основе серебра марки ТОК-2.

Собранное изделие с использованием предлагаемого светодиодного устройства, например, светофор, может накрываться дополнительной защитной крышкой для предотвращения от механических повреждений, загрязнений и т.д.

Описанная конструкция светодиодного устройства позволяет получить силу света более 3 кд при полном угле излучения порядка 25^o.

Промышленная применимость предлагаемого технического решения не вызывает сомнения. Как видно из подробного описания изобретения и примеров его конкретного осуществления, разработанное светодиодное устройство может найти широкое применение не только в энергетике и других областях промышленности, но и в сигнальных осветительных устройствах на автомобильном, железнодорожном, морском и других видах транспорта.

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

2. С. М. ЗИ - Физика полупроводниковых приборов, книга 2-ая, перевод с англ., 2-е переработ. и доп. издание. - Мир, 1984, с. 289, рис. 16а.

3. Описание к европейскому патенту N EP N 0468341, кл. H 01 L 33/00. (прототип).

Использование: в энергетике, а также в сигнальных осветительных устройствах на автомобильном, железнодорожном, морском и других видах транспорта. Технический результат изобретения - повышение мощности излучения, варьирование угла обзора, повышение равномерности распределения энергии внутри светового потока, уменьшение массогабаритных характеристик. Сущность: светодиодное устройство включает в себя источник излучения с одним или несколькими кристаллами излучателями света, одноцветного либо разноцветного излучения оптического диапазона, держатель источника, содержащий теплоотводящую металлическую или металлизированную подложку с присоединительными выводами, герметизирующий корпус с крышкой, выполненный в виде собирающей излучение линзы, причем на нижней грани основания крышки выполнены направляющие штыри, размещенные соответственно позиционным отверстиям в подложке, а подложка содержит аксиальное углубление с плоским дном для посадки кристаллов излучателей света и с отражающей излучение боковой поверхностью, при этом объем между углублением в подложке с источником света и крышкой-линзой заполнен герметизирующим компаундом, а место соединения каждого изолированного присоединительного вывода с соответствующим проводником покрыто слоем токопроводящего клея, причем в качестве собирающей излучение линзы служит плоская кольцевая линза, выполненная из оптически прозрачного термопластического материала, с кольцевой растрово-конической ступенчатой поверхностью с углами наклона образующих к оптической оси в пределах от 1,5 до 86^o. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Светодиодное устройство включает в себя источник излучения с одним или несколькими кристаллами излучателями света, одноцветного либо разноцветного излучения оптического диапазона, держатель источника, содержащий теплоотводящую металлическую или металлизированную подложку с присоединительными выводами, герметизирующий корпус с крышкой, выполненной в виде собирающей излучение линзы, отличающееся тем, что на нижней грани основания крышки выполнены направляющие штыри, размещенные соответственно позиционным отверстиям в подложке, подложка содержит аксиальное углубление с плоским дном для посадки кристаллов излучателей света и с отражающей излучение боковой поверхностью, при этом объем между углублением в подложке с источником света и крышкой-линзой заполнен герметизирующим компаундом, а место присоединения каждого изолированного присоединительного вывода с соответствующим проводником покрыто слоем токопроводящего клея, причем в качестве собирающей излучение линзы служит плоская кольцевая линза, выполненная из оптически прозрачного термопластического материала с кольцевой растрово-конической ступенчатой поверхностью с углами наклона образующих к оптической оси в пределах 1,5-86^o. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что соотношение толщины светодиодной линзы и размеров проекции конических образующих растрово-конической поверхности на оптическую ось светодиодного устройства составляет от 1:2 до 1: 20, соотношение толщины линзы и толщины подложки находится в пределах от 1: 1,5 до 1:4,0, а соотношение диаметра плоской линзы с шириной концентрических колец ее растровой поверхности выбрано в интервале от 1:10 до 1:100, а диаметр центрального сферического сегмента линзы находится в соотношении с диаметром линзы от 1:4 до 1:5.