СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЙ ДИОД

Изобретение относится к области электронной техники, в частности к полупроводниковым приборам, в частности к светодиодным устройствам, и может найти применение в полупроводниковой промышленности при разработке и производстве светодиодных устройств, используемых в вычислительной технике, энергетике, железнодорожном и автомобильном транспорте и в других отраслях промышленности. Светоизлучающие диоды широко применяются для сигнализации о режиме работы различной аппаратуры, в информационных экранах коллективного пользования и информационных табло, в светофорах, дополнительных сигналов торможения в автомобилях, в системах общего освещения и т.д.
Использование светоизлучающих диодов 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, разной мощностью излучения и угловым распределением силы света. Наиболее важным параметром светодиодных устройств является мощность излучения, зависящая, прежде всего, от силы прямого электрического тока и от значения величины теплового сопротивления светодиодного устройства.
Известны светодиодные устройства, например, по патенту RU 2134000 которое содержит источник излучения света оптического диапазона с одним или несколькими кристаллами, размещенными в углублении подложки с отражающей излучение боковой поверхностью, и собирающую линзу, выполненную из оптически прозрачного термопластичного материала с кольцевой растрово-конической ступенчатой поверхностью.
Известно светодиодное устройство (патент США US 6069440), включающее InGaN светоизлучающую структуру, которая размещена в лунке одного из электрических контактов, люминофор, преобразующий коротковолновое излучение в более длинноволновое, а также оптическую систему. Данные устройства применимы только для маломощных светодиодных кристаллов, поскольку не обеспечивает необходимый отвод тепла.
Техническим результатом предлагаемого технического решения является создание конструкции светодиодного устройства с улучшенными оптическими характеристиками в широком спектральном диапазоне и высокой эффективностью, обусловленными оптимальной системой теплоотвода и конструктивными особенностями подложки светодиода.
Технический результат достигается за счет того, что в светодиодном устройстве, содержащем по крайней мере, один светоизлучающий кристалл с электрическими контактами, защищенный светопрозрачной герметизирующей средой, светоизлучающий кристалл установлен на плате, выполненной в виде многослойной структуры, которая содержит теплоотводящую основу с размещенными на ней последовательно слоями диэлектрического материала и металлических слоев, на которых выполнена заданная топология печатной платы, которая может быть снабжена по крайней мере одной токопроводящей коммутирующей перемычкой между отдельными топологиями. При этом теплоотводящая основа, выполнена из металла или теплопроводящей керамики или композитного материала. Кроме того, светопрозрачная герметизирующая среда может дополнительно содержать по крайней мере один тип люминофора, а светоизлучающий кристалл установлен в лунке на теплоотводящей основе платы. Устройство может дополнительно содержать оптическую линзу с заданными характеристикам, формирующую единую оптическую систему со светоизлучающим кристаллом, установленным на плате.
В предлагаемой конструкции используются сверх-яркие светодиодные кристаллы, установленные непосредственно на металлической (керамической) основе многослойной платы или на нижнем металлизированном слое многослойной платы на металлической основе для обеспечения электрической развязки в случае одноконтактных светодиодных кристаллов, что обеспечивает оптимальный отвод тепла от полупроводниковых кристаллов, выделяющегося во время работы светоизлучающих полупроводниковых структур, за счет высокой теплопроводности металлической (керамической) основы, выполненной из металла (керамики) с высокой теплопроводностью, например А1. Улучшенный теплоотвод позволяет существенно увеличить максимально допустимые токи, протекающие через светодиодный кристалл. В случае конструкции со светодиодными кристаллами, установленными непосредственно на нижнем металлизированном слое многослойной платы на металлической основе или непосредственно на металлической (керамической) основе, ток, проходящий через кристалл, можно увеличить на величину до 50%. При увеличении рабочих токов увеличивается и яркость светодиодных кристаллов. При этом тепловая стабилизация светоизлучающих кристаллов способствует высокой стабильности оптических характеристик светодиода, в том числе и координат цветности световых устройств. Использование тепловых радиаторов будет способствовать дополнительному повышению тепловой стабилизации светоизлучающих кристаллов и, следовательно, дополнительной стабилизации оптических характеристик светодиодного устройства.
Посадка светодиодных кристаллов на нижний металлизированный слой многослойной платы позволяет использовать кристаллы разных типов: одноконтактные и двухконтактные. Для данных плат возможно использование и flip-chip (перевернутый кристалл) технологии для посадки кристаллов.
Каждый металлизированный слой платы имеет свою трассировку, что позволяет формировать сложные электрические коммутационные цепи.
Многослойная топология металлизированных слоев платы с наличием проводящих перемычек между ними позволяет оптимизировать электрические коммутационные цепи.
Посадка светодиодных кристаллов в лунки, сформированные в металлической (керамической) основе многослойной платы способствует повышению эффективности светодиода и формированию требуемого углового распределения излучения.
Для получения светодиодного устройства белого цвета, люминофор наносится на светодиодный кристалл каким-либо из известных способов, например, электрофоретическое осаждение люминофора, осаждение люминофора из силикон-люминофорного компаунда и др.
Совокупность светодиодных кристаллов с интегрированной индивидуальной оптикой, обеспечивает получение заданных значений осевой силы света светодиода в определенном пространственном угле. Линзы выполняются как в виде отдельных дискретных оптических элементов, так и в виде кластеров (линзовых матриц). Линзы и линзовые матрицы могут иметь штыри (пины) для обеспечения юстировки и фиксации линз (матриц) на многослойной плате. Светодиоды или светоизлучающие кристаллы, устанавливаются на многослойной печатной плате, которая может иметь различные формы, в количестве, требуемом для формирования заданных световых характеристик.
На Рис.1 показана конструкция, где светодиодные кристаллы 5 установлены непосредственно на металлической (керамической) основе многослойной платы 1, выполненной с однослойной топологией металлизированного слоя (3 и 7 - элементы металлизированного слоя платы) с трассировкой. Металлизированный слой отделен от проводящей основы платы изолирующим слоем (препрег) 2. Электрическое соединение светодиодного кристалла 5 с элементами металлизированного слоя 3 и 7 осуществляется за счет проводов 6.
На Рис.2 показана конструкция, где светодиодные кристаллы 5 установлены на адгезинный метериал 4 (например, эпоксидную смолу) в лунку 8 трапециевидного сечения в металлической (керамической) основе многослойной платы 1, выполненной с однослойной топологией металлизированного слоя с трассировкой. Металлизированный слой отделен от проводящей основы платы изолирующим слоем (препрег) 2. Электрическое соединение светодиодного кристалла 5 с элементами металлизированного слоя 3 и 7 осуществляется за счет проводов 6.
На Рис.3 показана конструкция, где светодиодные кристаллы 5 установлены на адгезинный материал 4 (например, эпоксидную смолу) непосредственно на металлической (керамической) основе многослойной платы 1, выполненной с двуслойной топологией металлизированных слоев с трассировкой. 9 и 10 - элементы второго металлизированного слоя платы. Металлизированные слои отделены от проводящей основы платы друг от друга изолирующим слоем (препрег) 2. Электрическое соединение светодиодного кристалла 5 с элементами металлизированного слоя 3 и 7 осуществляется за счет проводов 6.
На Рис.4 показана конструкция, где светодиодные кристаллы 5 установлены на адгезинный материал 4 (например, эпоксидную смолу) непосредственно в лунку на металлической (керамической) основе многослойной платы 1, выполненной с двуслойной топологией металлизированных слоев с трассировкой. 9 и 10 - элементы второго металлизированного слоя платы. Металлизированные слои отделены от проводящей основы платы друг от друга изолирующим слоем (препрег) 2. Электрическое соединение светодиодного кристалла 5 с элементами металлизированного слоя 3 и 7 осуществляется за счет проводов 6.
На Рис.5 показана конструкция, где светодиодные кристаллы установлены непосредственно на металлической (керамической) основе (Рис.5а) или в лунке на металлической (керамической) основе многослойной платы (Рис.5б), выполненной с двухслойной топологией раздельных металлизированных слоев с трассировкой и с проводящими коммутирующими элементами 1.
На Рис.6 показана конструкция, где светодиодные кристаллы установлены непосредственно на металлической (керамической) основе многослойной платы, выполненной с двухслойной топологией раздельных металлизированных слоев с трассировкой, с проводящими коммутирующими элементами и с отверстиями 1 для установки, юстировки и фиксации оптических элементов светодиодов (линз).
На Рис.7 показана конструкция, где светодиодные кристаллы установлены на нижний металлизированный слой многослойной платы на металлической (керамической) основе, выполненной с двухслойной топологией раздельных металлизированных слоев с трассировкой, с проводящими коммутирующими элементами и с отверстиями для установки, юстировки и фиксации оптических элементов светодиодов (линз).
На Рис.8 показана конструкция, где светодиодные кристаллы 1 установлены методом флип-чип технологии на нижний металлизированный слой многослойной платы на металлической (керамической) основе, выполненной с двухслойной топологией раздельных металлизированных слоев с трассировкой, с проводящими коммутирующими элементами и с отверстиями для установки, юстировки и фиксации оптических элементов светодиодов (линз).
В случае использования керамической основы многослойной платы отпадает необходимость использования изолирующего слоя между металлизированным слоем нижней топологии платы и основанием платы.
Оптическая система светодиодного устройства (Рис.9) на основе многослойной платы с установленными на ней светодиодными кристаллами формируется с помощью дискретных линз 1 с напрявляющим и фиксирующими штырями (пинами) 3. Поднутрение линзы 2 позволяет предотвратить повреждение токоподводящих проводов светодиодного кристалла. Направляющие штыри (пины) 3 позволяют обеспечить посадку линзы с высокой точностью на плате. Фиксация линзы осуществляется за счет развальцовки 5 (например, термической) конца штыря (пина) 3 линзы 1.
Для обеспечения оптического согласования системы чип-линза и для обеспечния влагоизоляции используется заполнитель (например, силикон), который инжектируется через отверстия 4. Одно из отверстий 4 служит для инжекции заполнителя, а другое для выходы его излишков.
Возможно также изготовление светодиодов посредством заполнения пространства над светоизлучающим кристаллом заполнителем (чистым или с люминофором). Такая конструкция не предусматривает использование линз, см. Рис.10.
Также в подобном светодиодном устройстве возможно использование не отдельных линз, а линзовых матриц (кластеров), см. Рис.11. Линзовая матрица 1, состоящая из множества дискретных линз 2, устанавливается на многослойную плату с металлической (керамической) основой 3 и крепится за счет пинов 4.
Для создания источника излучения белого цвета используется известный подход, основаный на формировании белого цвета за счет смешивания излучения синего чипа и люминесценции желтого люминофора, возбуждаемого этим синим излучением чипа.
Для получения такого слоя люминофора используются известные способы нанесения люминофора, например, объемное заполнение люминофорным компаундом (например, силикон-люминофорная смесь) пространства над светодиодным кристаллом под линзой; нанесение люминофора непосредственно на светодиодный кристалл, методом гравитационного или центробежного осаждения люминофора из силикон-люминофорной смеси; дозированное нанесение люминофора непосредственно на светодиодный кристалл, методом электрофорезного осаждения люминофора и др.
В светодиодных системах используются различные светодиодные кристаллы, обеспечивающие получение источника излучения с необходимой длиной волны (например, кристаллы InGaN, AlInGaP, AlGaAs и др., позволяющие получать излучение с длинами волн в диапазоне от ультрафиолетового до инфракрасного спектра).
В качестве люминофоров в светодиодных устройствах могут использоваться различные люминофоры, такие как, например, YAG люминофоры, ортосиликатные, TAG люминофоры, теогаллаты, нитридные люминофоры и др., что определяется требованиями к оптическим параметрам светодиодного устройства. При этом дисперсность люминофора (процентное содержание зерен различного размера) может также подбираться в зависимости от требаний, предъявляемых к оптическим параметрам светодиодного устройства.
В качестве связующего вещества, помимо силикатного геля (например, Wacker или NuSil), могут использоваться и другие полимерные соединения, обеспечивающие оптимальное оптическое согласование внутри системы, а также герметизацию светодиодного кристалла и люминофора. Возможно также использование связующих материалов со специальными нано-присадками, позволяющими получить более высокий коэффициент преломления связующего материала (n~1,6÷1,8), что обеспечивает лучший выход излучения из светодиодного кристалла и значительно улучшает оптические характеристики светодиода.