СПОСОБ РАЗМЕЩЕНИЯ И СОЕДИНЕНИЯ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ В ГИРЛЯНДАХ, РАЗМЕЩАЕМЫХ В МОНОЛИТНЫХ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИХ МАТРИЦАХ
METHOD OF ARRANGING AND CONNECTING LIGHT-EMITTING ELEMENTS IN BUNCHES, ARRANGED IN MONOLITHIC LIGHT-EMITTING ARRAYS

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 (светодиоды) 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, №7, 2005, «Почему светодиоды не всегда работают так, как хотят их производители»).
В настоящее время известно последовательно-параллельное матричное соединение светодиодов (Электронные компоненты, №8, 2009, стр.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.
Размещение светоизлучающих ячеек и их соединения в интегральном исполнении формируют еще на этапе проектирования при изготовлении различных трафаретов, необходимых в технологическом цикле. В этом процессе выращивают кристаллические слои на подложке, затем производят различные напыления и избирательные травления для получения заданных свойств светоизлучающих элементов и их соединений между собой во всех многочисленных матрицах светоизлучающих элементов 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.
Известен патент RU 2426200 С1, H01L 33/00, от 15.03.2010 «Способ формирования и проверки светодиодных матриц», в котором гирлянды светодиодных ячеек размещают на подложке в концентрических полях. Данный способ размещения гирлянд при отказе одной или нескольких сохраняет излучение светоизлучающего устройства, однако существует проблема параллельного соединения гирлянд излучающих элементов в больших замкнутых концентрических полях светоизлучающей матрицы, что не позволяет эффективно использовать площадь подложки.
Известен патент RU 2465683 С1, H01L 25/13, от 9.8.2011 «Способ формирования светоизлучающих матриц», в котором гирлянды с определенным числом последовательно соединенных светоизлучающих элементов в интегральном поле в последовательных от центра замкнутых прямоугольных или квадратных полях светоизлучающих элементов. Если это количество не соответствует кратности, то его остаток или недоимок переносят или проносят из соседних избыточных по количеству светоизлучающих элементов прямоугольных полей, несколько видоизменяя границы прилегающих полей. Образованные гирлянды светоизлучающих элементов размещают в полях группами или в чередующейся последовательности между собой и соединяют все гирлянды параллельно.
Данный способ размещения гирлянд при отказе одной или нескольких сохраняет излучение светоизлучающего устройства, однако существует проблема параллельного соединения гирлянд излучающих элементов в больших замкнутых прямоугольных или квадратных полях светоизлучающих элементов светоизлучающей матрицы, что не позволяет эффективно использовать площадь подложки.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является RU 2295174 С2, 10.10.2005, «Светоизлучающее устройство, содержащее светоизлучающие элементы» (прототип). В этом устройстве множество светоизлучающих элементов сформировано монолитно на одной квадратной подложке. Светоизлучающие элементы соединены последовательно в гирлянды к контактным площадкам их питания и размещены на подложке зигзагообразно. Данный способ позволяет разместить только не более двух гирлянд и при отказе хотя бы одной гирлянды в процессе изготовления не позволяет далее правильно функционировать светоизлучающему устройству. Кроме того, перекрестное соединение гирлянд также снижает надежность изделия и не позволяет формировать множество параллельно соединенных гирлянд.
Задачей данного изобретения является нахождение приемов размещения и соединения гирлянд светоизлучающих элементов в их интегральной матрице для повышения плотности размещения, сохранение излучения светоизлучающего устройства при отказе одной или нескольких гирлянд светоизлучающей матрицы в процессах изготовления, проверки, классификации, эксплуатации и, соответственно, повышение процента выхода годных изделий.
Технический результат - обеспечение размещением и соединением светоизлучающих элементов светоизлучающей матрицы максимально возможную плотность размещения параллельно соединенных чередующихся гирлянд светоизлучающих элементов в больших концентрических или квадратных полях подложки при заданных величинах падения напряжения на гирляндах, исключение пересечения последовательных соединений светоизлучающих элементов в гирляндах, сохранение функционирования светоизлучающей матрицы в процессах изготовления, проверки, классификации, эксплуатации.
Поставленная задача достигается тем, что в поле светоизлучающих элементов в квадратной или прямоугольной матрице светоизлучающих элементов, предпочтительно квадратной, обеспечивают исключение пересечения последовательных соединений светоизлучающих элементов в последовательно чередующихся гирляндах в замкнутых полях путем последовательного размещения чередующихся групп светоизлучающих элементов, равных количеству гирлянд в замкнутом концентрическом или прямоугольном поле с виртуальными номерами каждой гирлянды светоизлучающих элементов, в каждой группе светоизлучающие элементы размещают в прямом, затем в обратном порядке, причем последовательные соединения осуществляют с одноименными номерами элементов групп поочередно с левой и правой сторон подключения светоизлучающих элементов в случае соединения светоизлучающих элементов в одной плоскости, в случае многоуровневого соединения их металлизированными проводниками на подложке в изолирующих слоях под светоизлучающими элементами соединяющие проводники в каждой плоскости под каждым светоизлучающим элементом пути их соединения осуществляют по двум непересекающимся линиям, а вертикальные соединения проводников со светоизлучающими элементами через изолирующие слои осуществляют в зонах отсутствия проводников в предыдущих слоях.
На фиг.1 показан пример формирования концентрических полей по патенту RU 2426200, в котором светоизлучающие элементы размещают в концентрических полях чередующимися группами светоизлучающих элементов, располагаемых в прямом порядке. Для читаемости изображения нечетные поля выделены разным затемнением.
На фиг.2 показан пример соединения светоизлучающих элементов в одной плоскости в одном из концентрических по патенту RU 2426200 или прямоугольных по патенту RU 2465683 полей в прямом порядке. Пересечения последовательно соединяющих светоизлучающие элементы проводников ликвидируются воздушными перемычками.
На фиг.3 показан увеличенный фрагмент фиг.2, показывающий ширину поля размещения гирлянд светоизлучающих элементов и представление о сечении соединяющих проводников.
На фиг.4 показан пример соединения в прямом порядке светоизлучающих элементов на изолирующем слое под светоизлучающими элементами.
На фиг.5 показан увеличенный фрагмент фиг.4, показывающий представление о сечении соединяющих проводников.
На фиг.6 показан пример соединения в прямом порядке светоизлучающих элементов на четырех изолирующих слоях под светоизлучающими элементами.
На фиг.7 показан увеличенный фрагмент фиг.6, показывающий представление о сечении соединяющих проводников при наличии в них технологических отверстий.
На фиг.8 по предлагаемому способу показан пример соединения светоизлучающих элементов в одной плоскости, вначале в прямом, затем в обратном порядке.
На фиг.9 показан увеличенный фрагмент фиг.8, показывающий ширину поля размещения гирлянд светоизлучающих элементов и представление о сечении соединяющих проводников.
На фиг.10 по предлагаемому способу показан пример формирования соединений светоизлучающих элементов в четырех изолирующих слоях под светоизлучающими элементами при помощи виртуальных левых и правых плоскостей, пропускаемых через левые и правые соединяющие светоизлучающие элементы проводники.
На фиг.11 по предлагаемому способу показан пример соединений светоизлучающих элементов в четырех изолирующих слоях под светоизлучающими элементами.
На фиг.12 показан увеличенный фрагмент фиг.11, показывающий представление о сечении соединяющих проводников.
На фиг.13 показан пример соединяющей разводки светоизлучающих элементов в одной плоскости для концентрической светоизлучающей матрицы из семи концентрических полей. В ней светоизлучающие элементы размещают в концентрических полях чередующимися группами светоизлучающих элементов. Соответствующие количеству гирлянд в концентрическом поле светоизлучающие элементы внутри групп размещают вначале в прямом, затем в обратном порядке.
На фиг.14 показан аналогичный пример соединяющей разводки светоизлучающих элементов в одной плоскости для прямоугольной светоизлучающей матрицы из семи прямоугольных полей. В ней светоизлучающие элементы размещают в прямоугольных полях чередующимися группами светоизлучающих элементов. Соответствующие количеству гирлянд в прямоугольном поле светоизлучающие элементы внутри групп размещают вначале в прямом, затем в обратном порядке.
На фиг.15 показана та же концентрическая светоизлучающая матрица из семи концентрических полей, изображенная на фиг.13, в которой разводку соединений по предлагаемому способу осуществляют в изолирующих слоях под светоизлучающими элементами. Она позволяет сравнить эффективность использования отведенных площадей под светоизлучающие элементы на подложке светоизлучающей матрицы.
На фиг.16 показана та же прямоугольная светоизлучающая матрица из семи концентрических полей, изображенная на фиг.14, в которой разводку соединений по предлагаемому способу осуществляют в изолирующих слоях под светоизлучающими элементами. Она также позволяет сравнить эффективность использования отведенных площадей под светоизлучающие элементы на подложке светоизлучающей матрицы.
Способ осуществляют следующим образом. В способах патентов RU 2426200, например, фиг.1 и RU 2465683 в возрастающем от центра 1 матрицы 2 номере замкнутого поля 3-i светоизлучающих элементов 4 возрастает количество параллельно соединяемых гирлянд 3-i-j последовательно соединенных одноименных светоизлучающих элементов 4, где i - номер замкнутого поля от центра матрицы 2, a j - номер гирлянды в замкнутом поле 3-i. Для сохранения равномерного распределения излучения всей светоизлучающей матрицы 2 в случае отказа некоторых гирлянд 3-i-j светоизлучающие элементы 4 требуется размещать чередующимися группами 5 с количеством светоизлучающих элементов 4, равным количеству размещаемых гирлянд 3-i-j в замкнутом поле 3-i. В данном случае, если светоизлучающие элементы 4 в группах 5 размещены в прямом порядке, фиг.2, то возникает проблема соединения одноименных светоизлучающих элементов 4 без пересечений проводников 6, например, «воздушными» перемычками 7, фиг.2, и количеством проводников 6 при размещении на подложке 8 в одной плоскости 9. На фиг.3 в разрезе показан увеличенный фрагмент 10, из которого видно, что ширина 11 площади, занимаемой гирляндами 3-i, определяется количеством проводников 6, размером светоизлучающего элемента 4 и проводника 12, соединяющего светоизлучающий элемент 4 с максимально удаленным проводником 6, размещенным параллельно размещению светоизлучающих элементов 4 в гирляндах 3-i. Другая проблема возникает при многоуровневом размещении проводников 6 в изолирующих слоях 13 поя светоизлучающими элементами 4, фиг.4, фиг.7, в ограниченных их размерами объемах. В частности, уменьшение размеров сечения проводников 6 при увеличении их количества, фиг.4, приводит к недопустимому увеличению омического сопротивления проводников 6. Для примера на фиг.5 показан вырезанный из фиг.4 увеличенный фрагмент 14, в котором проводники 6-j-1 и 6-j-2 соединены через изолирующий слой 13-0 соединительной металлизацией 15-1 и 15-2, например, с анодом и катодом светоизлучающего элемента 4-2-k, где k - номер светоизлучающего элемента 4 в гирлянде 3-i-j на момент его соединения.
Аналогичный недостаток возникает при прокладке проводников 6-j в многослойных изолирующих слоях 13-j, (фиг.6), последовательно соединенных через отверстия 16-1-l, 16-2-m, 16-3-n в проводниках 6 на предыдущих изолирующих слоях 13 с соответствующими светоизлучающими элементами 4 гирлянд 3-i, где l - количество отверстий в проводнике 6-1-j, m - в проводнике 6-2-j, n - в проводнике 6-3-j. Из-за неравномерности количества отверстий 16 в проводниках 6 в прилегающих к светоизлучающим элементам 4 изолирующих слоях 13 возникает разность омических сопротивлений в проводниках 6, что, в конечном счете, приводит к разности токов в гирляндах 3-i-j и, соответственно, к неравномерному свечению гирлянд 3-i-j. Для примера на фиг.7 показан вырезанный из фиг.6 увеличенный фрагмент 17, в котором проводники 6 соединены через изолирующие слои 13-j соединительной металлизацией 15-1 и 15-2 с светоизлучающим элементом 4-4-k.
Как видим из фиг.2-7, такие приведенные приемы размещения светоизлучающих элементов 4 на подложке 8 приводят к усложнению и увеличению количества технологических операций, к неоправданному увеличению пассивной площади для прокладки проводников 6 и 12, в случае размещения их в одной плоскости 9 подложки 8, и также к увеличению омического сопротивления при прокладке проводников 6 и 12 в изолирующих слоях 13 под площадью светоизлучающих элементов 4 из-за уменьшения сечения проводников 6.
Совсем иная картина возникает, если в поле 3-i размещение светоизлучающих элементов 4 и их групп 5 гирлянд 3-i-j осуществлять на плоскости 9 подложки 8 чередованием в прямом, затем в обратном порядке светоизлучающих элементов 4 соответствующих гирлянд 3-i-j в группах 5, фиг.8. В этом случае последовательные соединения проводниками 6 и 12 чередованием сначала, например, слева, затем справа одноименных светоизлучающих элементов 4 в группах 5 гирлянд 3-i-j в концентрическом или прямоугольном поле 3-i никогда не пересекаются с другими соединениями в группах 5. Однако в случае размещения их в одной плоскости 9 подложки 8 хотя пересечения проводников 6 и 12 и отсутствуют, такой прием размещения светоизлучающих элементов 4 на подложке 8 также приводит к увеличению пассивной площади для прокладки проводников 6 и 12 и оправдан при небольшом количестве гирлянд j в поле 3-i. На фиг.9 показан вырезанный из фиг.8 увеличенный фрагмент 18, из которого также видно, что ширина 11 площади плоскости 9, занимаемой гирляндами 3-i, определяется количеством проводников 6, размерами светоизлучающего элемента 4 и проводника 12, соединяющего светоизлучающий элемент 4-j-k с максимально удаленным проводником 6, размещенным параллельно размещению светоизлучающих элементов 4 в гирляндах 3-i. Избежать и этого недостатка можно, если этот прием применить под светоизлучающими элементами 4 в ограниченных их размерами объемах в многоуровневом размещении проводников 6 и 12 в изолирующих слоях 13, фиг.11.
Для этого на фиг.8 через проводники 6-j, расположенные на одинаковом удалении от линии расположения светоизлучающих элементов 4 замкнутого поля 3-i виртуально слева, 6-4-пл, 6-3-пл, 6-2-пл, 6-1-пл, и справа, 6-4-пп, 6-3-пп, 6-2-пп, 6-1-пп, проводят соответствующие плоскости, фиг.10, которые затем каждые, левую и правую, объединяют в одну и помещают под плоскость 9 со светоизлучающими элементами 4. В результате под плоскостью размещения светоизлучающих элементов 4 формируют j плоскостей, в данном случае изолирующих слоев 13-j, на которых размещают проводники 6-j на непересекающихся левых и правых виртуальных линиях прокладки проводников 6-j в изолирующих слоях 13-j, фиг.11. Или по другому приему для безошибочного соединения светоизлучающих элементов 4 с проводниками 6-j в изолирующих слоях 13-j по левой и правой виртуальным линиям плоскость 9, фиг.8, с размещенными на ней проводниками 6-j и 12-j соединения светоизлучающих элементов 4 в одной плоскости 9 сгибают по оси расположения светоизлучающих элементов 4 в замкнутом поле 3-i до совмещения с шириной изоляции, фиг.11, между левыми и правыми проводниками 6-j и проводят параллельные плоскости 13-j, равные количеству гирлянд j светоизлучающих элементов 4 в замкнутом поле 3-i, в которых размещают изолирующие слои 13-j с левыми и правыми проводниками 6-j-л и 6-j-п.
Далее проводят следующие операции. Для первой гирлянды 3-1-1 проводник 6-1-1 на изолирующем слое 13-1 с правой стороны его плоскости соединительной металлизацией 15-1-1 (далее на фиг.11 из-за потери читаемости их нумерация опускается) через изолирующий спой 13-0 соединяют, например, с анодом первого светоизлучающего элемента 4-1-1, его катод соединительной металлизацией 15-1-2 через изолирующие слои 13-0, 13-1, 13-2, 13-3 соединяют с проводником 6-1-2 на изолирующем слое 13-4 в левой стороне его плоскости. Проводник 6-1-2 соединяют соединительной металлизацией 15-1-3 через изолирующие слои 13-3, 13-2, 13-1, 13-0 с анодом следующего второго светоизлучающего элемента 4-1-2. Катод этого светоизлучающего элемента 4-1-2 через изолирующий слой 13-0 соединительной металлизацией 15-4 соединяют с проводником 6-1-3 на изолирующем слое 13-1 снова с правой стороны его плоскости. Далее повторяют процесс последовательного соединения одноименных светоизлучающих элементов 4-1-k для этой гирлянды 3-i-1. Для второй гирлянды 3-i-2 проводник 6-2-1 с правой стороны через соединительную металлизацию сквозь изолирующие слои 13-1 и 13-0 соединяют с анодом первого светоизлучающего элемента 4-2-1. Катод светоизлучающего элемента 4-2-1 соединительной металлизацией сквозь изолирующие слои 13-0, 13-1, 13-2 соединительной металлизацией, проводник 6-2-2 с левой стороны на изолирующем слое 13-3, соединительную металлизацию сквозь изолирующие слои 13-2, 13-1, 13-0 соединяют с анодом следующего второго светоизлучающего элемента 4-2-2. Катод светоизлучающего элемента 4-2-2 соединительной металлизацией сквозь изолирующие слои 13-0, 13-1 соединительной металлизацией, проводник 6-2-3 с правой стороны на изолирующем слое 13-2, соединительную металлизацию сквозь изолирующие слои 13-1, 13-0 соединяют с анодом следующего третьего светоизлучающего элемента 4-2-3. Далее повторяют процесс последовательного соединения одноименных светоизлучающих элементов 4-2-к для этой гирлянды 3-1-2. Аналогичную процедуру производят для следующих гирлянд 3-i-3 и 3-i-4, последовательно соединяя соответствующие светоизлучающие элементы 4-3-k и 4-4-k. Прокладку проводников 6-j-k для гирлянды 3-i-1 производят поочередно на изолирующих слоях 13-1 и 13-4, для гирлянды 3-i-2 на изолирующих слоях 13-2 и 13-3, для гирлянды 3-1-3 на изолирующих слоях 13-3 и 13-2, для гирлянды 3-i-4 на изолирующих слоях 13-4 и 13-1.
Из фиг.11 замечаем, что в поле 3-i благодаря переменному размещению проводников 6-j-k в левой и правой сторонах на изолирующих слоях 13-i и переменному размещению в самих изолирующих слоях 13-1, заданных исходным порядком размещения, размещению в прямом и обратном порядке светоизлучающих элементов 4 и их последовательного соединения в группах 5 в поле 3-i не позволяется при их прокладке им пересекаться. Кроме того, фиг.12, сечение размещаемых проводников 6-j-k не зависит от количества гирлянд в поле 3-i.
На фиг.13 и фиг.14 приведены примеры размещения и последовательного соединения светоизлучающих элементов 4 к питающим шинам 20 и 21 проводниками 6 в одной плоскости в матрицах 2 на подложках 8, соответственно, к семи концентрическим и прямоугольным полям при максимальном количестве гирлянд в последнем поле, равном четырем. Как видим, дальнейшее увеличение количества полей будет приводить к дальнейшему уменьшению размеров светоизлучающих элементов 4 из-за требований к допустимому сечению проводников 6 и расстоянию между этими проводниками.
На фиг.15 и фиг.16 показаны те же примеры размещения и последовательного соединения светоизлучающих элементов 4 к питающим шинам 20 и 21 проводниками 6, но при размещении их под светоизлучающими элементами 4 в изолирующих слоях 13. Такое размещение не ограничивает количество полей 3 и соответственно количество гирлянд j в последнем поле 3 размещения светоизлучающих элементов 4 в матрицах 2 на подложках 8 и позволяет при соответствующих способах размещения светоизлучающих элементов 4 максимально использовать площадь подложки 8.
Литература
1. RU 2426200 С1, H01L 33/00, от 15 03.2010 «Способ формирования и проверки светодиодных матриц».
2. RU 2465683 С1, H01L 25/13, от 9.8 2011 «Способ формирования светоизлучающих матриц».
3. RU 2295174 С2, 10.10.2005, «Светоизлучающее устройство содержащее светоизлучающие элементы» (прототип).
4. Компоненты и технологии, №7, 2005, «Почему светодиоды не всегда работают так, как хотят их производители».
5. Электронные компоненты, №8, 2009, стр.42-43, «Светодиодные источники питания Mean Weil».
6. RU 2012090, 22.05.1991, «Способ формирования межсоединений в матрице трехмерных полупроводниковых элементов».
7. RU 2034363, 17.11.1992, «Способ изготовления электропроводящих прозрачных пленок».
8. RU 2359356, 26.11.2007, «Способ создания проводящих нано-проволок на полупроводниковых подложках».
9. RU 2399986, 16.01.2009, «Способ изготовления прозрачной омической контактной структуры BeO/Au/Beo/h-GaN».
10. RU 2416135, 25.10.2007, «Полупроводниковый элемент, способ изготовления полупроводникового изделия и матрица светоизлучающих диодов, полученная с использованием этого способа изготовления».