СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ И ПРОВЕРКИ СВЕТОДИОДНЫХ МАТРИЦ
METHOD OF CHAINING AND CHECKING LED MATRICES

Изобретение относится к изготовлению светоизлучающих приборов, в частности к производству интегральных светоизлучателей.
Источники света на основе электролюминесцентных диодов (светодиодов) широко используются в технике, там, где требуются малогабаритные высокоэффективные источники света с большой мощностью излучения. Источники излучения с такими параметрами могут быть выполнены в виде многоэлементного излучательного прибора, в котором отдельные светоизлучающие элементы соединены между собой последовательно (в гирлянды) или параллельно. Последовательное соединение излучающих элементов позволяет эффективно использовать мощность источника питания. Параллельное соединение излучающих элементов или звеньев из последовательно соединенных элементов (гирлянд) обеспечивает возможность создания источников света с заданной выходной световой мощностью.
Положительным эффектом интеграции групп кристаллов в одну структуру с параллельным их включением внутри самой структуры (одного кристалла) является увеличение крутизны вольтамперной характеристики таких структур, уменьшение прямого напряжения и общего потребления электрической мощности, за счет чего и растет отношение «люмен/ватт», т.е. улучшается энергетика светового потока. (Компоненты и технологии. 2005. №7. «Почему светодиоды не всегда работают так, как хотят их производители»).
Так в известных мощных светодиодах Acriche уже в интегральном исполнении применено параллельное соединение нескольких «гирлянд» мини-светодиодов (Компоненты и технологии. 2007. №7. «Новый светодиодный источник света»), которые также имеют прямоугольное или квадратное размещение.
В настоящее время известно последовательно-параллельное матричное соединение светодиодов (Электронные компоненты. 2009. №8. С.42-43. «Светодиодные источники питания Mean Well»), предназначенное для дискретного или гибридного соединения светодиодов.
В приведенной схеме параллельного соединения гирлянд, цепочек с одинаковым определенным числом количества последовательно соединенных светодиодов, указываются недостатки этого способа соединения из-за разности суммарных величин падения напряжения светодиодов при заданном через них токе. В результате чего одни гирлянды светятся ярко, другие - тускло. Избавиться от этого недостатка или уменьшить его можно только, если все гирлянды светодиодов будут изготавливаться в едином технологическом цикле, т.е. в интегральном исполнении. Однако даже если в этом случае яркости светодиодов будут уравнены, то при квадратном размещении матрицы светодиодов готовое изделие будет излучать квадратную форму луча и на освещаемом экране вместо ровного круга, как у обычных фонарей, четко выразится размытый по краям квадрат, т.е. в круге, описывающем его, будут к прилегающим к нему сторонам заметны темные пятна и, поэтому, в дальнейшем, даже при применении в светильниках различных средств рассеивания, все равно будут существовать неравномерные участки освещенности.
Размещение светодиодных ячеек в интегральном исполнении формируют еще на этапе проектирования при изготовлении различных трафаретов, необходимых в технологическом цикле. В этом процессе выращивают кристаллические слои на изолирующей подложке, затем производят различные напыления и избирательные травления для получения заданных свойств мини-светодиодов и их соединений между собой во всех многочисленных матрицах мини-светодиодов на исходной подложке с последующим разрезанием ее на готовые матрицы. Однако, хотя единый технологический цикл изготовления и уменьшает количество отказов элементов и соединений в готовой светоизлучающей матрице, но из-за различных дефектов в применяемых материалах и технологических погрешностей при совмещении масок при напылениях и травлениях они все же возникают. В результате это приводит к отказам функционирования отдельных «гирлянд».
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является светоизлучающее устройство, содержащее светоизлучающие элементы, приведенное в заявке RU 2005103616 А (10.10.2005) (прототип).
В данном устройстве применено последовательно-параллельное соединение светоизлучающих элементов, состоящее из двух «гирлянд», содержащих одинаковое количество светоизлучающих элементов, размещенных в виде зигзагообразных структур, а общая форма множества светоизлучающих элементов выполнена в виде квадрата.
Данное устройство не решает проблем надежности излучателя при отказе одной из «гирлянд», ввиду разрыва электрической цепи, и, даже зигзагообразная структура мини-светодиодов, помещенная в квадратную форму, не способствует равномерности излучения в пучке света в излучающем устройстве.
Задачей данного изобретения является нахождение приемов размещения мини-светодиодов в их интегральной матрице для равномерного излучения, повышение надежности светодиодной матрицы в процессах изготовления, проверки, классификации, эксплуатации и, соответственно, повышение процента выхода годных изделий.
Технический результат - равномерное излучение, повышение надежности светодиодной матрицы в процессах изготовления, проверки, классификации, эксплуатации и, соответственно, повышение процента выхода годных изделий достигается тем, что «гирлянды» светодиодных элементов размещают в интегральном поле в последовательных от центра неповторяющихся по форме концентрических полях, содержащих определенное или кратное ему количество светодиодных элементов, найденное в первоначальной гирлянде, причем концентрические гирлянды с определенным числом светодиодных элементов соединяют параллельно, а концентрические поля светодиодных элементов с большей кратностью определенного числа равномерно расчленяют на куски, которые при соответствующем чередовании последовательно соединяют в «гирлянды» с определенным ранее числом светодиодных элементов для последующего их параллельного соединения с предыдущими «гирляндами», и, далее, готовую сформированную концентрическую светодиодную матрицу в интегральном исполнении после проведения всех технологических процессов подключают к слабому току, достаточному для визуального или с помощью промежуточных приборов определения количества и конфигураций отказавших концентрических «гирлянд» светодиодных элементов, а также яркости годных «гирлянд» для коррекции допустимой величины общего тока излучателя, определения класса будущего светодиодного излучателя и, соответственно, увеличения процента выхода годных концентрических светодиодных матриц.
На фиг.1 упрощенно показан фрагмент 1 светодиодной матрицы 2, вид сверху.
На фиг.2 показан разрез по А-А фрагмента 1 светодиодной матрицы 2.
На фиг.3 показано схематическое изображение фрагмента 1 светодиодной матрицы 2.
На фиг.4 показано построение окружностей на клетчатом поле для начального момента построения одного из вариантов концентрической светодиодной матрицы 2.
На фиг.5 показан начальный момент построения двух концентрических полей 16-1 и 16-2 концентрической светодиодной матрицы 2.
На фиг.6 показан первый построенный вариант светодиодной концентрической матрицы 2.
На фиг.7 показан вариант изображения этой матрицы с затененными нечетными полями 16.
На фиг.8 показан первый построенный вариант светодиодной концентрической матрицы 2, в изображении которой показано возможное расчленение нечетных концентрических полей 16 для формирования гирлянд с постоянным числом светодиодов 6.
На фиг.9 показан первый построенный вариант светодиодной концентрической матрицы 2, в изображении которой показано возможное расчленение четных концентрических полей 16 для формирования гирлянд с постоянным числом светодиодов 6.
На фиг.10 показан второй построенный вариант светодиодной концентрической матрицы 2 с изображением для наглядности номеров нечетных полей 16 и затемнением четных полей 16.
На фиг.11 показан снова второй построенный вариант светодиодной концентрической матрицы 2 с изображением для наглядности номеров четных полей 16 и затемнением нечетных полей 16.
На фиг.12 показан третий построенный вариант светодиодной концентрической матрицы 2 с изображением для наглядности номеров нечетных полей 16 и затемнением четных полей 16.
На фиг.13 показан снова третий построенный вариант светодиодной концентрической матрицы 2 с изображением для наглядности номеров четных полей 16 и затемнением нечетных полей 16.
На фиг.14 показан четвертый построенный вариант светодиодной концентрической матрицы 2 с изображением для наглядности номеров нечетных полей 16 и затемнением четных полей 16.
На фиг.15 показан снова четвертый построенный вариант светодиодной концентрической матрицы 2 с изображением для наглядности номеров четных полей 16 и затемнением нечетных полей 16.
Как видно из чертежа одного из возможных вариантов реализации (фиг.1, 2), фрагмента 1 светодиодной матрицы 2 (фиг.6-15), границы 3 ячейки 4 условны, а трафареты и маски необходимы на этапах формирования методами напыления и избирательного травления металлических перемычек 5 и светодиодов 6 в выращенных кристаллах со светоизлучающими переходами 7 и излучающими поверхностями 8 светодиодов 6 на изолирующей подложке 9. Изолирующая подложка 9 снабжена изолирующим слоем 10, отделяющим от перемычек 5 шину 11 параллельного соединения начал концентрических гирлянд светодиодов 6 с перемычками 12 и изолирующим слоем 13 от шины 11 шины 14 параллельного соединения концов концентрических гирлянд светодиодов 6 с перемычками 15.
Поскольку условные поля ячеек 4 прямоугольные, то оптимальной по использованию площади кристалла является прямоугольная матрица. Однако ранее упоминалось о недостатках подобной формы излучателя излучающей матрицы светодиодов и оптимальной с точки зрения излучателя является концентрическая форма матрицы 2, но и этот недостаток можно устранить путем размещения на свободных полях разрезанного прямоугольника со светодиодной матрицей объединяющей разводки соединения параллельных гирлянд, возможно, даже с их выводами для различного употребления в готовых светильниках.
Для дальнейшего исследования размещения светодиодов 6 в концентрической матрице 2 и наглядности ее изображения натуральный вид фрагмента 1 матрицы 2, показанный на фиг.1, не годится. Поэтому последующие фигуры изображаются схематично, как показано на фрагменте фиг.3, с выделением из всех концентрических полей 16 исследуемых концентрических матриц 2 штриховкой или затемнением нечетных, фиг.7, 11, 13, 15 (или четных, фиг.8, 12, 14), концентрических полей 17.
Построение концентрической матрицы 2 осуществляют на клетчатом поле 18 (фиг.4), клетка которой принимается за поле ячейки 4 светодиода 6, путем формирования из центра 19 окружностей 20 с возрастающим радиусом на величину поля ячейки 4. Возможны два варианта построения этих окружностей: первый - из центра 19 квадрата 21, образованного четырьмя ячейками 4 (фиг.4, 5), и второй, когда центр 19 формирования окружностей 20 находится в центре поля 22 ячейки 4 (фиг.14, 15). Соответственно, формируются и разные «картинки» концентрических полей 16 концентрической матрицы 2. Напомним, задача - найти построения с максимальным количеством концентрических полей 16 с одинаковым числом вписываемых в них полей ячеек 4.
Покажем на примерах неудачные и удачные построения.
Из центра 19 четырех ячеек 4, фиг.4, в клетчатом поле 18 сформируем, например, 8 окружностей с прибавлением длины ячейки 4 к их радиусам. В окружность 20-2 с радиусом в две длины ячейки 4, образовывая концентрическое поле 16-1, впишем в клетках полей ячеек 4 крестообразный «зародыш» 16-1 (фиг.5), состоящий из 12 клеток. В четверти длины окружности 20-3, а это дает гарантию симметричности формируемого концентрического поля 16-2, удается вписать во втором концентрическом поле только 3 клетки, а это помножить на 4 равно 12. В третьем слое 16-3, фиг.6, 7, удается вписать 6×4=24 клетки, в четвертом 16-4 - 24, в пятом 16-5 - 36, в шестом 16-6 - 36, в седьмом 16-7 - 48. Получаем последовательность чисел с содержанием количества ячеек в соответствующих полях 16:
12; 12; 24; 24; 36; 36; 48.
В полученном схематическом изображении концентрической матрицы 2, фиг.6, отсутствует наглядность, поэтому (при изготовлении трафаретов этого не требуется) в данном описании для наглядности расположения концентрических слоев 16 на фиг.7 затемнены нечетные поля 17.
Итак, в первых двух концентрических слоях 16-1 (фиг.8), 16-2 (фиг.9), укладывается по 12 клеток, в третьем 16-3-1, 16-3-2 (фиг.8) и четвертом 16-4-1, 16-4-2 (фиг.9) по два начальных количества ячеек 2×12=24. Т.е. в будущем в концентрической матрице 2 в этих полях уложится по две гирлянды светодиодов 16-3-1, 16-3-2 (фиг.8) и 16-4-1, 16-4-2 (фиг.9) по 12 светодиодов 6. В пятом 16-5 и шестом 16-6 слое уложится по 3 гирлянды 16-5-1, 16-5-2, 16-5-3 (фиг.8), 16-6-1, 16-6-2, 16-6-3 (фиг.9), а в седьмом 16-7 - уже по 4-16-7-1, 16-7-2, 16-7-3, 16-7-4 (фиг.8).
Проблема только в том, что для равномерного излучения концентрическое поле 16 придется разбивать на большое количество чередующихся кусков 16-i-j, которые затем нужно будет объединить в параллельные гирлянды 16-i-j по 12 светодиодов 6, что при большом их количестве в концентрическом слое 16-i уже довольно сложно и понижает надежность будущего светодиодного излучателя. Поэтому построение концентрической матрицы 2 на фиг.4 будем считать неудачным.
Вырезав из «зародыша» 16-1 в фиг.5 «окошко» 21 (фиг.4) из четырех центральных клеток, уменьшив тем самым постоянное число «зародыша» 16-1 до 8 клеток и ограничившись 11 концентрическими полями, совершив аналогичное построения (фиг.10, 11) концентрических полей 16-i (нечетные четные поля в данном описании для наглядности показаны отдельно соответственно на фиг.10, 11), получаем в них последовательность чисел с содержанием в них количества ячеек в каждом как:
8; 16; 24; 24; 32; 40; 48; 56; 56; 64; 64,
которая также неприемлема.
Однако в том же варианте с вырезанным «окошком» 21 (фиг.4) из четырех ячеек 4 и, вписав в окружность 20-4 с радиусом из четырех длин ячеек 4 (фиг.12, 13), получаем поле «зародыша» 16-1, равное 36 ячейкам 4. Ограничившись 11 концентрическими полями, дальнейшее построение дает ряд чисел, соответствующих количеству ячеек 4 в формируемых концентрических полях 16-i, как:
36; 36; 36; 36; 36; 72; 72; 72; 108; 108; 108.
По крайней мере, уже можно сразу организовать пять параллельных гирлянд (16-1, 16-2, 16-3, 16-4, 16-5) по 36 светодиодов 6. Можно также, убрав первое концентрическое поле 16-1 и объединив в пары последующие 4 концентрические поля 16-2, 16-3 и 16-4, 16-5, получить 4 гирлянды по 72 светодиода 6. Или если объединить первых три концентрических поля 16-1, 16-2, 16-3 и четвертое поле 16-4 приплюсовать к шестому 16-6, а пятое 16-5 - к седьмому 16-7, то можно получить 6 гирлянд по 108 светодиодов 6.
Если позволяют технологические условия параллельного соединения гирлянд, разделенных расчлененными чередующимися отрезками 16-i-j концентрического поля 16-i, то количество гирлянд в первых пяти концентрических полях 16, 16-(1-5) по 36 светодиодов 6 по 1 гирлянде. В двух последующих, 16-(6-7), по 72 светодиода 6 по 2 гирлянды и в последующих трех, 16-(8-10), из 108 по 3, то в сумме получится 18 гирлянд по 36 светодиодов 6.
Еще один вариант построения концентрической матрицы показан на фиг.14, 15. Построение матрицы осуществляется из центра 19 одной ячейки 4, с поля «зародыша» 16-1, вписанным в окружность 20-3 с радиусом трех длин ячейки 4 за вычетом центрального поля 22 в форме креста из 5 ячеек 4, содержащим в результате постоянное число, равное 16. Ограничившись 11 концентрическими полями, при дальнейшем построении концентрической матрицы получаем ряд чисел с количеством ячеек 4 в концентрических полях 16-i как:
16; 16; 32; 32; 64; 64; 64; 64; 64; 64; 64; 128.
Если убрать первые два слоя 16-1, 16-2 и объединить третий, 16-3, и четвертый, 16-4, то без всякого расщепления слоев 16 получим 8 гирлянд по 64 светодиода 6.
Напомним, что количество светодиодов 6 в гирлянде при заданном токе определяет рабочее напряжение на ней, а количество гирлянд - выделяемую мощность и яркость светодиодного излучателя.
Пусть ток светодиода 6 - 30 мА и падение напряжения на нем - 3,2 В. Тогда напряжение на одной гирлянде 16-i-j (фиг.14, 15) с 64 светодиодами 6 будет равно 204,8 В, а выделяемая мощность - 6,144 Вт, что уже достаточно много, но будет соответствовать по излучению примерно эквивалентно 60-ваттной лампочке накаливания. Восемь же гирлянд уже будут выделять порядка 50 Вт, что уже создает определенные проблемы с отводом тепла от светодиодного излучателя, решаемую известными методами, хотя выделяемую мощность можно уменьшить уменьшением размеров светодиодных элементов или увеличением яркости излучения и, соответственно, уменьшением протекающего через них тока.
Поэтому все-таки предпочтительнее вариант фиг.12, 13, в котором гирлянды состоят из 36 светодиодов 6, тогда напряжение на гирлянде 16-i-j будет 115,2 В, а потребляемая мощность - 3,456 Вт, что эквивалентно примерно яркости 30-ваттной лампочки накаливания. Пять гирлянд будут потреблять 17,28 Вт и по излучению соответствовать 150-ваттной лампочке накаливания.
С совершенствованием светодиодной технологии, скорее всего, будут находиться способы повышения излучающей способности светодиодов 6, что приведет к уменьшению протекающего через них тока, и, соответственно, к уменьшению потребляемой мощности, и к возможности увеличения количества гирлянд и повышения надежности светоизлучающих приборов на основе концентрических светодиодных матриц 2.
Приведенные данные примеры построения концентрических светодиодных матриц построены опытным путем, хотя в будущем, возможно, найдутся какие-то математические закономерности и, вероятно, возможны и другие оптимальные варианты построения концентрических полей 16-i концентрической светодиодной матрицы 2, но в этом случае важен именно показанный принцип их построения.
Как известно, светодиоды - токовые приборы и если они собраны в параллельно соединенные гирлянды с уже заданным для всех током, то отличие их токовых характеристик и тем более отказ даже одной из них вызывает порой значительное перераспределение токов в оставшихся годных гирляндах, что может вызвать предельный ток в одной или нескольких гирляндах. Как отмечали ранее, при интегральной технологии ввиду малости размеров концентрической матрицы характеристики светодиодов 6 примерно одинаковы, поэтому недостаток по первому случаю из-за разности напряжений в гирляндах автоматически устраняется. Сложнее всего с отказами некоторых гирлянд. В случае, когда параллельно соединенных гирлянд много, отказ одной или нескольких гирлянд будет мало заметен. Однако если гирлянд не более десятка, отказ одной или нескольких гирлянд при неизменном питающем токе ток в годных гирляндах значительно повысится, но и увеличится их яркость свечения. Поэтому, чтобы не вызывать в гирляндах предельного тока при контрольной проверке матрицы, ее следует запитывать таким током, чтобы даже при одной годной гирлянде в ней не возникал предельный ток. Например, для варианта фиг.12, 13 для пяти гирлянд номинальный ток - 150 мА. Для одной еще годной гирлянды такой ток уже при первоначальном включении может привести к безнадежному отказу светодиодной матрицы. Последовательно увеличивая ток, в данном случае с 30 мА, визуально или с помощью промежуточных приборов легко определить количество годных гирлянд и допустимый ток для всей матрицы, а также, соответственно, определить класс будущего светодиодного излучателя. Например, если осталось годных 3 гирлянды, то теперь номинальный ток матрицы должен быть равен 90 мА. При такой технологии промышленный выход светодиодных матриц будет значителен. Ввиду того что все гирлянды имеют концентрическую форму, даже одна годная из них будет давать излучение круглой формы, для которой легче будет создавать в светильнике рассеивающую среду, сглаживающую отсутствие свечения отказавших гирлянд.
Список литературы
1. Компоненты и технологии, 2005, №7, «Почему светодиоды не всегда работают так, как хотят их производители».
2. Компоненты и технологии, 2007, №7, «Новый светодиодный источник света».
3. Электронные компоненты, 2009, №8, «Светодиодные источники питания Mean Well».
4. RU 2005103616 A, 10.10.2005, (прототип), «Светоизлучающее устройство, содержащее светоизлучающие элементы».
5. RU 2349988 C1, 20.03.2009, «Полупроводниковый источник света».
6. RU 2231171 C1, 20.06.2004, «Светоизлучающий диод».
7. RU 2212734 C1, 20.09.2003, «Полупроводниковый источник света».
8. RU 2200358 C1, 10.03.2003, «Полупроводниковый излучающий диод».
9. RU 2179353 C1, 10.02.2001, «Полупроводниковый излучающий диод».
10. RU 2156015 С2, 10.09.2000, «Способ изготовления кристалла с односторонними контактами для мощного светодиода».
11. RU 2142176 С1, 27.11.1999, «Источник света».
12. RU 2257603 С2, 27.05.2005, «Устройство для формирования рисунков».
13. RU 2232411 С2, 10.07.2004, «Усовершенствованный генератор рисунков».
14. RU 2123431 C1, 20.12.1998, «Материал на бумажной основе».
15. SU 864019, 15.09.81, «Способ измерения световых характеристик источников света».
16. SU 750289, 23.07.80, «Анализатор распределения яркости».