СВЕТОДИОДНОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2002 года по МПК H01L33/00 

Изобретение относится к области электронной техники, в частности к светодиодным устройствам, и предназначено для использования в полупроводниковой промышленности.

Светодиодные устройства широко применяются в полноцветных экранах коллективного пользования любого формата, в информационных табло, в светофорах, осветительных приборах и т.д.

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 (силой света) излучения.

Наиболее важным параметром светодиодных устройств является мощность излучения, зависящая прежде всего от силы прямого электрического тока и от значения величины теплового сопротивления держателя, на котором установлен кристалл излучателя света, а для полноцветных светодиодов, состоящих, как правило, из набора кристаллов красного, зеленого и синего цветов свечения, является смешивание цветов в пределах индикатрисы излучения.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому светодиодному устройству является устройство, содержащее кристаллы излучателя света, размещенные в углублении подложки, имеющей светоотражающую боковую поверхность, а также концентрирующую линзу (международная заявка PCT/RU97/00070, международная публикация W098/42031, дата публикации 24.09.98). Недостатками данных устройств являются: недостаточная концентрация направленности излучения, большая расходимость лучей с разной длиной волны.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является возможность варьирования угла обзора и пространственной диаграммы направленности излучения, увеличение разрешающей способности, а также минимизация расходимости лучей с разной длиной волны.

Технический результат достигается тем, что в светодиодном устройстве, содержащем концентрирующую линзу и полупроводниковые излучатели, формирующие излучение красного, синего и зеленого цветов, размещенные на одной подложке, дополнительно подложка выполнена с группой из трех разнесенных углублений со светоотражающей боковой поверхностью, причем в каждом из углублений группы размещен один полупроводниковый излучатель, формирующий излучение, цвет которого отличается от цвета излучения, формируемого излучателями, находящимися в других углублениях группы, а концентрирующая линза выполнена в виде линейчатого конического растра, при этом все углубления группы находятся на одной прямой, параллельной направлению растров линейчатой конической растровой структуры. При этом для использования в больших индикаторных панелях подложка может быть выполнена более чем с одной группой углублений.

Боковая поверхность углублений подложки может быть выполнена в виде поверхности вращения, например в виде конусной поверхности.

Излучение каждого из полупроводниковых излучателей может быть сходно или тождественно по спектральному составу с излучением других полупроводниковых излучателей, а цветовые эффекты могут быть достигнуты установкой светофильтров или окрашиванием линзы. При этом формирование излучения красного, синего или зеленого цветов обеспечивается за счет светофильтров, исключающих ненужные спектральные линии в формируемом излучателями излучении.

Также спектральный состав излучения каждого из излучателей, установленных в углублениях одной группы углублений может отличаться от спектрального состава излучения других излучателей, установленных в углублениях одной группы углублений.

Дополнительно, все полупроводниковые излучатели установлены в углублениях, глубина которых прямо пропорциональна толщине кристаллов соответствующих полупроводниковых излучателей.

Таким образом, светодиодное устройство содержит кристаллы излучателя света, размещенные в трех разнесенных друг от друга углублениях подложки, имеющих светоотражающую боковую поверхность, а также концентрирующую поверхность в виде линейчатого конического растра, при этом все углубления находятся на одной прямой, проходящей через центр подложки и совпадающей с направлениями линейчатой конической растровой структуры, а в качестве кристаллов (полупроводниковых излучателей) могут устанавливаться кристаллы одноцветного или разноцветного излучения.

Глубина углубления подложки выбирается таким образом, что ее отношение к толщине кристаллов есть величина постоянная при различных высотах кристаллов.

На фиг.1 представлено устройство в разрезе.

На фиг.2 представлен вид сверху устройство - вид сверху с линзой в виде растра.

Предлагаемое светодиодное устройство содержит подложку 1 с углублением 2, в котором размещены кристаллы 3 излучателя света. Углубление подложки имеет плоское дно 4. Число посадочных мест равно числу кристаллов излучателей света.

Благодаря светоотражающей боковой поверхности углубления подложки все боковое излучение каждого кристалла направляется в сторону оптического элемента-линзы 5, формирующего индикатрису излучения.

Линза установлена на прозрачной крышке 6 устройства или может быть выполнена как единое целое с ней, в виде плоского растра 7. На нижней грани основания крышки выполнены направляющие штыри 8, размещенные соответственно позиционным отверстиям в подложке.

Объем между основанием концентрирующей линзой и верхней поверхностью подложки заполнен полимерным герметизирующим компаундом 6.

Размер посадочного места кристалла 10 излучателя света превышает размер диагонали его нижней грани в 1,5-2 раза. Это позволяет максимально концентрировать излучение вдоль оптической оси светодиодного устройства.

Работа светодиодного устройства может быть описана следующим образом.

При подаче на присоединительные выводы 11 светодиодного устройства электрического напряжения, обеспечивающего протекание прямого электрического тока через кристаллы 3 излучателя света, кристаллы 3 начинают испускать свет. Излучение с верхней поверхности кристалла 3 излучателя света и с его боковых граней после отражения боковой поверхностью углубления попадает в слой полимерного герметизирующего компаунда, а затем на оптический элемент - линзу, формирующий излучение нужной индикатрисы.

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

В зависимости от требуемой диаграммы направленности излучения применяется соответствующая конфигурация линзы. Наличие полимерного герметизирующего компаунда, а также цилиндрического основания полусферической линзы, имеющего толщину, не превышающую величину радиуса линзы, обеспечивает снижение потерь мощности излучения и требуемую диаграмму направленности излучения. Предлагаемая конструкция светодиодного устройства позволяет использовать боковое свечение кристаллов излучателей света и в два раза увеличить мощность излучения.

Металлическая подложка, толщина которой равна или превышает четыре толщины кристалла излучателя света, обеспечивает эффективное рассеяние потребляемой мощности с нижней грани подложки.

При монохромном одноцветном исполнении светодиодного устройства в устройстве 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 красителем с соответствующим цветом посредством введения красителя при изготовлении крышки 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 материалов крышки.

Конструктивно светодиодное устройство, изготовленное согласно изобретению, содержит металлостеклянный держатель из стали толщиной 1 мм с присоединенными выводами диаметром 0,55 мм. Отражательная коническая поверхность имеет глубину 0,6 мм, диаметр на поверхности подложки равен 2,4 мм, диаметр плоского дна с посадочными местами для кристаллов составляет 0,5 мм. Крышка отлита из пластической массы - поликарбоната типа "Лексан". Кристаллами излучателей света служат кристаллы, излучающие красный свет с длиной волны 633 нм, зеленый свет с длиной волны 525 нм и синий свет с длиной волны 470 нм. Для установки кристаллов излучателей света и покрытия мест соединения проводников с изолированными присоединительными выводами на основе серебра используется токопроводящий клей марки ТОК-2.

Описанная конструкция светодиодного устройства обеспечивает величину теплового сопротивления 170^oС/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 при угле 90^o.

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

Устройства содержат по три кристалла излучателя света (красного, зеленого, синего), смонтированных под общим оптическим куполом в герметизированном пластмассовом корпусе с квадратным основанием и пластмассовой крышкой, диаметром 10 мм, являющейся растровой линзой. Примеры конкретного выполнения предлагаемого светодиодного устройства иллюстрируются показателями, приведенными в таблице 1 и таблице 2.

В таблице 1 представлены характеристики полноцветных ярких полупроводниковых светодиодных устройств.

В таблице 2 представлены максимальные рабочие характеристики и другие показатели полупроводниковых светодиодных устройств.

Описанная конструкция светоизлучающего диодного устройства обеспечивает высокие технические характеристики, позволяющие обеспечить мощное узконаправленное излучение. Предлагаемое устройство может найти широкое промышленное применение в производстве полупроводниковых приборов различных отраслей промышленности.

Изобретение относится к области электронной техники, в частности к полупроводниковым приборам, и может найти применение в полупроводниковой промышленности при разработке и производстве светодиодных устройств. Техническим результатом предлагаемого изобретения является возможность варьирования угла обзора и пространственной диаграммы направленности излучения, увеличение разрешающей способности, а также минимизация расходимости лучей с разной длиной волны. Сущность изобретения: светодиодное устройство содержит полупроводниковые кристаллы излучателя света, размещенные в углублении подложки, имеющей светоотражающую боковую поверхность, а также концентрирующую линзу, которая выполнена в виде линейчатого конического растра, при этом все кристаллы расположены на одной прямой, параллельной направлению линейчатой конической растровой структуры, боковая поверхность углубления подложки выполнена в виде поверхности тела вращения, преимущественно в виде конусной поверхности. В качестве кристаллов используются кристаллы одноцветного или разноцветного излучения, а отношение толщины каждого кристалла к глубине его отражателя есть величина постоянная. 5 з.п. ф-лы, 2 табл., 2 ил.

1. Светодиодное устройство, содержащее концентрирующую линзу и полупроводниковые излучатели, формирующие излучение красного, синего и зеленого цветов, размещенные на одной подложке, отличающееся тем, что подложка выполнена с группой из трех разнесенных углублений со светоотражающей боковой поверхностью, причем в каждом из углублений группы размещен один полупроводниковый излучатель, формирующий излучение, цвет которого отличается от цвета излучения, формируемого излучателями, находящимися в других углублениях группы, а концентрирующая линза выполнена в виде линейчатого конического растра, при этом все углубления группы находятся на одной прямой, параллельной направлению растров линейчатой конической растровой структуры. 2. Светодиодное устройство по п.1, отличающееся тем, что подложка выполнена с более чем одной группой углублений. 3. Светодиодное устройство по любому из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что боковая поверхность, по крайней мере, одного из углублений подложки выполнена в виде поверхности вращения. 4. Светодиодное устройство по любому из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что боковая поверхность, по крайней мере, одного из углублений подложки выполнена в виде конусной поверхности. 5. Светодиодное устройство по любому из пп.2-4, отличающееся тем, что спектральный состав излучения каждого из излучателей, установленных в углублениях одной группы углублений, отличается от спектрального состава излучения других излучателей, установленных в углублениях другой группы углублений. 6. Светодиодное устройство по любому из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что все полупроводниковые излучатели установлены в углублениях, глубина которых прямо пропорциональна толщине кристаллов соответствующих полупроводниковых излучателей.