СВЕТОИЗЛУЧАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩЕГО УСТРОЙСТВА
LIGHT-EMITTING DEVICE AND METHOD OF MANUFACTURE OF LIGHT-EMITTING DEVICE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится в общем к светоизлучающему устройству, имеющему теплоотводящий элемент, смонтированный смежно со СИДной (светодиодной) сборкой, на поверхность слоя проводников подложки. Изобретение также относится к способу изготовления такого светоизлучающего устройства.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В отрасли светоизлучающих диодов (СИД) множество различных технологий используются при производстве готового функционального СИДного модуля, который включает в себя СИДную сборку или кристалл и необходимые электрические соединения или цепи. СИДные модули изготавливаются различными способами, начиная от обычных 5 мм сигнальных компонентов для выводного монтажа, до технологии «кристалл-на-плате». В настоящее время для общего освещения технология монтажа на поверхность (SMT) является основной. SMT автоматизирована и размещает компоненты электронного изделия на печатной плате (ПП).
Продолжающейся и естественной тенденцией в СИДной отрасли является попытка сделать СИДную сборку более мощной, имеющей более высокий выход светового излучения на единицу площади поверхности. Проблема, возникающая при повышении мощности СИДа, заключается в том, что СИД несмотря на его высокую энергоэффективность вырабатывает тепло в количествах, влияющих на эффективность и срок службы СИДа. Таким образом, возникает проблема отвода тепла при увеличении входной/выходной мощности СИДной сборки.
Для решения проблемы с теплом используются теплоотводы различных типов. Известный способ заключается в использовании покрытого и заполненного переходного отверстия в ПП для отвода тепла через ПП к теплопроводнику на задней стороне ПП. Теплопроводник часто является частью металлического теплоотвода, который подвержен воздействию окружающего воздуха. Однако использование переходного отверстия для переноса тепла как затратно, так и накладывает потребность в электроизоляции, ограничивая и усложняя конструкцию компонента и самой ПП.
Другой возможностью, раскрытой, например, в US 7282740, является проектирование и изготовление более сложных СИДных сборок со встроенными оптическим и теплоотводящим средствами. Несмотря на то что это частично решает проблему, оно требует специально адаптированных СИДных сборок. Для того чтобы обеспечить экономически эффективное производство СИДных модулей, обычно предпочтительно использовать стандартные СИДные сборки, которые изготавливаются в больших объемах.
Следовательно, существует потребность в улучшенном способе обеспечения достаточного рассеяния тепла, который может быть внедрен в экономически эффективные производственные процессы.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задача настоящего изобретения состоит в обеспечении светоизлучающего устройства с достаточным рассеянием тепла и управлением излучением света, которое может быть изготовлено экономически эффективно. Эта и другие задачи достигаются светоизлучающим устройством, содержащим подложку, имеющую электропроводящий слой проводников, СИДную сборку, смонтированную на поверхность подложки и электрически соединенную со слоем проводников, и теплоотводящий элемент, смонтированный на поверхность подложки отдельно от СИДной сборки. Теплоотводящий элемент имеет корпус из теплопроводного материала, окружающий СИДную сборку, причем корпус находится в тепловом контакте со слоем проводников и выполнен с возможностью обеспечения рассеяния тепла от слоя проводников в окружающую среду. Поверхность теплоотводящего элемента, обращенная к СИДной сборке, дополнительно выполнена с возможностью выполнения функции формирования пучка для формирования света, излученного СИДной сборкой.
Поскольку теплоотводящий корпус находится в тепловом контакте со слоем проводников, тепловое сопротивление от СИДной сборки к теплоотводящему корпусу через слой проводников уменьшается. Поскольку теплоотводящий элемент смонтирован на поверхность подложки (так же как СИДная сборка), он может быть дополнительно расположен очень близко к и предпочтительно в непосредственном контакте со слоем проводников. Это дополнительно уменьшает тепловое сопротивление от СИДной сборки к теплоотводящему корпусу.
СИДная сборка в этом смысле относится к компоненту, который может быть смонтирован на поверхность подложки и который включает в себя по меньшей мере один СИДный кристалл.
Подложка обычно является ПП, но может являться любой другой подложкой, имеющей электропроводящий слой проводников, на который СИДная сборка и другие электрические компоненты могут быть смонтированы. Теплоотводящий корпус, выполненный из теплопроводного материала, направляет тепло к тепловой границе, когда окружающая среда холоднее теплоотводящего корпуса. Оптическая граница расположена обращенной к СИДной сборке, чтобы направлять свет, излученный СИДной сборкой. Оптическая граница обычно окружает СИДную сборку на подложке.
Монтаж теплоотводящего элемента на поверхность слоя проводников может быть выполнен до или после припайки СИДной сборки к слою проводников, осуществляя монтаж оптического средства для формирования пучка в виде единого элемента в процессе производства СИДной платы.
Используя стандартную технологии монтажа на поверхность, оптическая и тепловая конструкции могут быть добавлены одновременно, в том же процессе, который используется для монтажа СИДных сборок. Теплоотводящие элементы захватываются, размещаются и припаиваются одновременно, используя тот же процесс, что и для СИДных сборок. Это снизит расходы, давая возможность для производства дешевой СИДной продукции с требуемым качеством излучения. Выбирая простой теплоотводящий элемент, затраты могут удерживаться на низком уровне с приемлемым качеством. Выбирая более сложный теплоотводящий элемент, качество будет очень хорошим вследствие хорошего рассеяния тепла, которое обусловлено непосредственным переносом тепла.
Если теплоотводящий элемент и СИДная сборка припаяны на место, оптическое средство для формирования пучка будет дополнительно самостоятельно совмещено со СИДной сборкой, поскольку припой стремится достигнуть своего низшего энергетического состояния.
Теплоотводящий элемент предпочтительно электрически соединен со слоем проводников. Это означает, что теплоотводящий элемент образует часть электрической цепи и может включать в себя компоненты, которые могут получать энергию и управляться посредством цепи. Теплоотводящий элемент может, например, включать в себя светочувствительные датчики (Lm, CTT и другие) и приводы (затворы), соединенные с оптическим средством для формирования пучка. Измеряя свет непосредственно в пучке, может быть обеспечена очень предпочтительная функциональность.
Теплоотводящий корпус может быть выполнен из металла, например алюминия, меди, предпочтительно металла, имеющего высокую теплопроводность. Теплоотводящий корпус может быть, например, выполнен из металлического листа или фольги, имеющей отражающую поверхность со стороны, обращенной к СИДной сборке. Это решение является простым, но достаточно эффективно, обеспечивая экономически эффективное решение.
Теплоотводящий корпус также может быть выполнен из прозрачного, по меньшей мере частично, материала. Не всегда требуется формировать излучение от СИДной сборки. Если СИД должен давать только диффузный свет, оптический теплоотводящий корпус может быть выполнен из прозрачного материала, имеющего встроенные сильно отражающие частицы для увеличения коэффициента рассеяния материала, тем не менее сохраняя поглощение на низком уровне.
Поверхность, обращенная к СИДной сборке, может быть прозрачной, сильно отражающей, отражающей по закону Ламберта или зеркальной. Выбор зависит от требуемых свойств оптического пучка, стоимости продукта и так далее.
Поверхность, обращенная к СИДной сборке, может быть дополнительно снабжена фосфоресцирующим веществом, выполненным с возможностью преобразования цвета излучения СИДа. Как известно, наиболее мощные белые СИДы испускают свет в узком синем диапазоне длин волн и требуют преобразования цвета, чтобы он воспринимался человеческим глазом как белый. Обычно это выполняется, используя люминофорное преобразование, где порошок люминофора, например YAG:Ce (ИАГ:Церий), облучается синим излучением СИДа, преобразуя бóльшую часть синего излучения в излучение широкого диапазона в красной области спектра. Нанесение люминофора на оптическую границу оптического теплоотводящего корпуса может быть выполнено дешевле и с меньшей точностью, поскольку он может быть нанесен до монтажа оптического теплоотвода. Нанесение люминофора непосредственно на СИДный кристалл является точной и, таким образом, дорогой операцией.
Теплоотводящий элемент может содержать две электрически и термически разделенные части, каждая термически соединенная со слоем проводников. Две части могут быть соединены с различными клеммами СИДной сборки, смонтированными на слое проводников, в этом случае две части должны быть электрически изолированы, для того чтобы исключить короткое замыкание. Части могут быть разделены либо воздухом, либо неэлектропроводным материалом, например керамическим или резиновым материалом. Разделяющий материал предпочтительно монтируется заранее, чтобы исключить необходимость размещения двух компонентов на подложке. Преимущество соединения теплоотводящего элемента с двумя электрическими клеммами СИДной сборки заключается в том, что тепло может рассеиваться с двух сторон СИДного кристалла.
В дополнительном варианте выполнения настоящего изобретения теплоотводящий элемент дополнительно содержит линзу, поддерживаемую и находящуюся в тепловом контакте с корпусом, причем линза расположена перед излучающей поверхностью СИДной сборки. Таким образом, точное формирование пучка может быть выполнено посредством технологии монтажа на поверхность, в то же время сохраняя охлаждение оптической линзы теплоотводом. Линза может являться прессованной линзой или по существу любой линзой смонтированной заранее в теплоотводящий элемент. Таким образом, точный монтаж линзы выполняется автоматически посредством стандартной SMT. Другим преимуществом является то, что линза может быть размещена очень близко от СИДного кристалла.
Изобретение дополнительно относится к способу сборки светоизлучающего устройства, содержащему обеспечение поверхности подложки электропроводящим слоем проводников, монтаж СИДной сборки на поверхность подложки, электрическое соединение со слоем проводников и монтаж отдельного теплоотводящего элемента на поверхность подложки смежно со СИДной сборкой, так что теплоотводящий элемент вводится в тепловой контакт со слоем проводников, для того чтобы обеспечить рассеяние тепла от слоя проводников в окружающую среду.
Этапы монтажа могут быть выполнены, используя стандартные SMT процессы, со всеми вытекающими из этого преимуществами, как описано выше.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Вышеприведенные задачи, а также дополнительные задачи, признаки и преимущества настоящего изобретения, станут понятны более полно со ссылкой на следующее пояснительное и неограничивающее подробное описание предпочтительных вариантов выполнения настоящего изобретения при рассмотрении совместно с сопровождающими чертежами, на которых:
Фиг. 1 вид в сечении варианта выполнения светоизлучающего устройства согласно первому варианту выполнения настоящего изобретения.
Фиг. 2a вид в сечении варианта выполнения, где теплоотводящий элемент является металлическим листом, имеющим параболическую форму.
Фиг. 2b вид в сечении варианта выполнения, где теплоотводящий элемент содержит линзу, которая расположена непосредственно над СИДом.
Фиг. 2c вид в сечении варианта выполнения, где теплоотводящий элемент является белой чашей.
Фиг. 3a вид в сечении варианта выполнения, где теплоотводящий элемент с линзами размещен вокруг множества СИДов.
Фиг. 3b вид в сечении варианта выполнения, где теплоотводящий элемент является белой чашей, размещенной вокруг множества СИДов.
Фиг. 4a топографический вид топологии ПП двух вариантов выполнения настоящего изобретения.
Фиг. 4b топографический вид топологии медного слоя двух вариантов выполнения с фигуры 4a.
Фиг. 4c топографический вид контура СИДа двух вариантов выполнения с фигуры 4a.
Фиг. 4d топографический вид контуров оптического теплоотвода двух вариантов выполнения с фигуры 4a.
Фиг. 4e вид в перспективе двух вариантов выполнения топологии ПП со СИДами, по существу комбинация Фиг. 4a и Фиг. 4c.
Фиг. 4f вид в перспективе двух вариантов выполнения с Фиг. 4e с добавленными металлическими частями теплоотводящего элемента.
Фиг. 4g вид в перспективе двух вариантов выполнения с Фиг. 4f с добавленным материалом, покрывающим металлические части, для обеспечения вариантов выполнения с оптическими границами в виде белой чаши.
Фиг. 4h и i показывают сложенный и несложенный металлический лист, используемый в качестве теплоотводящего элемента.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Фиг. 1 показывает вид в сечении варианта выполнения светоизлучающего устройства согласно изобретению, включающего в себя подложку 6, в данном случае ПП, на которую СИДная сборка 7 и теплоотводящий элемент 1 были установлены, используя технологию монтажа на поверхность (SMT). Теплоотводящий элемент 1, также называемый «оптический теплоотвод», содержит теплоотводящий корпус 2 из теплопроводного материала и оптическую границу 3, расположенную на поверхности корпуса 2. Оптическая граница составляет часть оптического средства для формирования пучка и может быть выполнена из материала, обеспечивающего требуемые оптические свойства, и может быть прозрачной, сильно отражающей, отражающей по закону Ламберта/белой или зеркальной. Теплоотводящий корпус 2 дополнительно имеет тепловую границу 4, открытую окружающей среде, обычно воздуху. Оптический теплоотвод 1 дополнительно имеет паяное соединение 5. Оптический теплоотвод 1 предназначен для соединения с медной проводкой 8 подложки ПП 6, используя паяное соединение 5. Оптический теплоотвод выполнен с возможностью окружения СИДной сборки 7, так, чтобы свет от СИДной сборки падал на оптическую границу 3, и так чтобы тепло от СИДной сборки 7 рассеивалось посредством медного слоя 8 и теплоотводящего корпуса 2 в окружающую среду.
Теплоотводящий элемент может быть не только термически, но также электрически соединен со слоем проводников. Например, он может быть электрически соединен с одной или обеими клеммами для СИДной сборки или быть соединен с так называемым «теплораспределителем» СИДной сборки. Электрический контакт, которым оптический теплоотвод присоединен, предпочтительно выполнен достаточно большим, чтобы подходить контуру соединительной части теплоотводящего корпуса (части, соприкасающейся с подложкой). Следовательно, такой контакт СИДной сборки может быть намного больше по площади поверхности, чем обычный контакт СИДной сборки.
Для создания достаточной формы пучка оптическая граница 2 теплоотводящего элемента может иметь параболическую форму аналогично отражателю в фаре автомобиля. Поскольку СИДная сборка 7 обычно является прямоугольной, более практичным, однако, может оказаться выполнение оптической границы и, таким образом, всего теплоотводящего элемента, также прямоугольным. Для упрощения и поскольку не всегда требуется коллимированная форма пучка, форма оптической границы 2 может быть выполнена в виде плоской поверхности, наклоненной от СИДа, имеющей форму чаши, которая является не параболической, но по-прежнему имеющей меньшую площадь у основания/ПП, чем наверху (вдали от ПП).
Фиг. 2a показывает вид в сечении варианта выполнения, где оптический теплоотвод 1 выполнен из металлического листа 21, имеющего параболическую форму. Металлический лист будет сам обеспечивать корпус 2, 21 оптического теплоотвода, оптическую границу 3, 21, тепловую границу 4, 21 и паяное соединение 5, 21. Вариант выполнения, использующий металлический лист 21, обеспечивает дешевое, но во многих случаях достаточное решение. Металлический лист может иметь различные формы. На Фиг. 2 лист имеет параболическую форму, создающую достаточно параллельную форму пучка от СИДа, но форма может также быть прямой в виде чаши или любой другой требуемой формой. Металлический лист может быть использован в качестве основы для любого покрытия, которое может потребоваться, например, в качестве основы в варианте выполнения с Фиг. 2c.
Если теплоотводящий элемент электрически присоединен между двумя точками соединения на слое проводников, он будет образовывать часть электрической цепи и, таким образом, может включать в себя электрические компоненты, которые могут получать энергию и управляться посредством слоя проводников. Электрические компоненты могут являться, например, светочувствительными датчиками, приводами и так далее. Это схематично показано на фигуре 2b посредством компонента 29. Светочувствительный датчик может являться, например, фотометром (Lm), CTT и так далее и может быть выполнен с возможностью измерения показателей, таких как интенсивность или цвет излучаемого света. Привод может являться, например, затвором, оказывающим воздействие на отражатель, коллиматор или линзу согласно вышеописанным вариантам выполнения. Используя датчики, которые прикреплены к теплоотводу, измерения посредством датчиков могут быть использованы для фактического управления пучком, например, посредством управления с жесткой обратной связью от светочувствительного датчика.
В качестве примера Фиг. 2b показывает вид в сечении варианта выполнения, где оптический теплоотвод имеет линзу 9, которая расположена непосредственно над СИДом. Линза 9 удерживается сложенным металлическим листом 21ʹ, который служит в качестве тепловой и, возможно, также в качестве отражающей оптической границы. Металлический лист 21ʹ удерживает линзу 9 в удерживающем устройстве 10, прикрепленном для удерживания линзы 9. Оптическая конструкция для продуктов со СИДным освещением обычно должна выполнять две функции, уменьшать яркость источника и формировать пучок. Описанный вариант выполнения настоящего изобретения включает в себя оптические средства вблизи кристалла, которые особенно полезны для последней функции. Решение проблемы формирования пучка на уровне платы ограничивает оптическую конструкцию на уровне источника света только до уменьшения яркости источника.
Отметим, что линза в соответствии с изобретением может иметь покрытую люминофорным покрытием нижнюю поверхность 23, чтобы обеспечить преобразование длины волны излучения СИДа. Тогда люминофорное покрытие полностью заменит функционал люминофорного покрытия непосредственно на СИДном кристалле. Оставшиеся поверхности линзы 9 также могут быть покрыты люминофорным покрытием, чтобы обеспечить более полное преобразование длины волны за счет действия линзы. Однако последнее может по-прежнему представлять интерес, если линза является дешевой прессованной линзой, чтобы уменьшить количество возможных компонентов на производственном объекте.
Линза 9 может являться прозрачной линзой. Однако, если требуется диффузный свет, линза может быть заменена любым другим оптическим компонентом аналогичного размера, удерживаемым теплоотводящим элементом. Например, линза может быть выполнена из прозрачного материала с люминофорными частицами, отлитыми за одно с ней. Тогда оптическое средство теплоотводящего элемента будет способствовать отражению также фосфоресцирующего свечения, которое излучается в неправильном направлении от люминофорных частиц.
Фиг. 2c показывает вид в сечении варианта выполнения, где оптический теплоотвод является белой чашей 22. Белая поверхность рассеивает свет от СИДа и придает ему меньшую направленность. Поверхность служит для уменьшения яркости, воспринимаемой человеком, смотрящим на СИДное устройство.
Фиг. 3a показывает вид в сечении варианта выполнения, где оптический теплоотвод с прикрепленными прозрачными линзами размещен вокруг множества СИДов. По одной прозрачной линзе 9 на СИД 7 удерживается сложенным металлическим листом 31 и линзоудерживающим устройством 10ʹ.
Фиг. 3b показывает вид в сечении варианта выполнения, где оптический теплоотвод является белой чашей 32, размещенной вокруг множества СИДов. Металлический лист 31ʹ вмонтирован в белую чашу, чтобы отводить тепло от СИДной сборки 7 посредством слоя проводников. Белый материал может являться пластиком с сильно рассеивающими свойствами, как на Фиг. 2c, но он также может являться люминофором, содержащим материал, имеющий включенные в состав люминофорные частицы для преобразования длины волны света.
Фиг. 4a-i показывают части и слои двух возможных вариантов выполнения настоящего изобретения. На Фиг. 4a показаны компоновки ПП двух вариантов выполнения 41, 42. Вариант выполнения 41 слева имеет одну СИДную сборку, в то время как вариант выполнения 42 справа имеет восемь СИДных сборок. Фиг. 4b показывает компоновку медного слоя, Фиг. 4c показывает контур СИДа, и Фиг. 4d показывает контуры оптических теплоотводов двух вариантов выполнения. Фиг. 4e показывает вид в перспективе двух вариантов выполнения компоновки ПП со СИДами, по существу комбинация Фиг. 4a и Фиг. 4c, в то время как Фиг. 4f показывает два варианта выполнения с Фиг. 4e с добавленными металлическими частями оптического теплоотвода. Металлические части в этом варианте выполнения являются сложенным металлическим листом, как показано на Фиг. 4h и Фиг. 4i. На Фиг. 4g два варианта выполнения с Фиг. 4f снабжены материалом, покрывающим металлические части, чтобы обеспечить варианты выполнения с оптическими границами в виде белой чаши.
Ясно, что другие варианты настоящего изобретения предполагаются и в некоторых случаях некоторые признаки изобретения могут быть использованы без соответствующего использования других признаков. Соответственно, прилагаемая формула изобретения толкуется широко в соответствии с объемом изобретения.