СВЕТОДИОДНЫЙ МОДУЛЬ

Полезная модель относится к области электронной техники, в частности к светодиодным устройствам, и может найти применение в полупроводниковой промышленности при разработке и производстве светодиодных устройств, используемых в 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. 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. Данный источник света является точечным и не обеспечивает формирование больших световых потоков, что затрудняет его использование в системах общего освещения.
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 светоизлучающих кристаллов, поскольку не обеспечивает необходимый отвод тепла. Одновременно данное устройство также является локализованным «точечным» источником света.
Техническим результатом предлагаемого технического решения является создание конструкции светодиодного модуля с улучшенными оптическими характеристиками в широком спектральном диапазоне и высокой эффективностью, обусловленными оптимальной системой теплоотвода и конструктивными особенностями подложки модуля.
Технический результат достигается за счет того, что в светодиодном модуле, содержащем, по крайней мере, один светоизлучающий кристалл с электрическими контактами, утановленный на печатной плате и защищенный светопрозрачным герметизирующим материалом, согласно предложенному, светодиодный модуль содержит покровную пластину с прорезью, заполненную светопрозрачным герметизирующим материалом и установленную на печатной плате, при этом прорезь размещена над светоизлучающим кристаллом. Кроме того, в светодиодном модуле печатная плата на которой установлен светоизлучающий кристалл, может быть выполнена в виде многослойной структуры, содержащей теплоотводящее основание с размещенными на ней последовательно слоями диэлектрического материала и металлических слоев, на которых выполнена топология печатной платы, при этом теплопроводящее основание многослойной печатной платы и покровная пластина модуля могут быть соединены по крайней мере одной теплопроводящей перемычкой и имеют развитую поверхность. Теплоотводящее основание многослойной печатной платы может иметь сквозные отверстия, а светопрозрачный герметизирующий материал в прорези покровной пластины сформирован в виде оптическая линзовая система. Светопрозрачный герметизирующий материал содержит светорассеивающий материал и/или люминофор при этом оптическая линзовая сисема может быть выполнена из светорассеивающего материала и/или люминофора
В предлагаемой конструкции используются сверх-яркие светоизлучающие кристаллы, установленные непосредственно на металлической (керамической) основе многослойной печатной платы или на металлизированном слое трассировки многослойной печатной платы на металлической основе, что обеспечивает оптимальный отвод тепла от полупроводниковых излучающих кристаллов, выделяющегося во время работы светоизлучающих полупроводниковых структур, за счет высокой теплопроводности металлической (керамической) основы, выполненной из металла (керамики) с высокой теплопроводностью, например А1. Дополнительная система теплоотвода сформирована за счет теплоотводяшей покровной пластины и теплопроводящих пермычек между теплоотводяшей основой платы и покровной пластиной. Улучшенный теплоотвод позволяет существенно увеличить максимально допустимые токи, протекающие через светоизлучающий кристалл. В случае конструкции со светоизлучающими кристаллами, установленными непосредственно на нижнем металлизированном слое многослойной платы на металлической основе или непосредственно на металлической (керамической) основе печатной платы, ток, проходящий через кристалл, можно увеличить в два раза. При увеличении рабочих токов увеличивается и яркость светоизлучающих кристаллов. При этом тепловая стабилизация светоизлучающих кристаллов способствует высокой стабильности оптических характеристик светодиода, в том числе и координат цветности световых устройств. Использование дополнительного теплового радиатора, на который может быть установлена печатня плата, будет способствовать еще большему повышению тепловой стабилизации светоизлучающих кристаллов и, следовательно, дополнительной стабилизации оптических характеристик светодиодного устройства.
Посадка светоизлучающих кристаллов на нижний металлизированный слой многослойной платы позволяет использовать кристаллы разных типов: одноконтактные и двухконтактные. АВ предлагаемых светодиодных модулях возможно использование и flip-chip (перевернутый кристалл) технологии для посадки кристаллов.
Каждый металлизированный слой платы имеет свою топологию (трассировку), что позволяет формировать сложные электрические коммутационные цепи.
Многослойная топология металлизированных слоев платы с наличием проводящих перемычек между ними позволяет оптимизировать электрические коммутационные цепи.
Покровная пластина, сформированная в виде рамки, имеет заданную геометрию внутренней кромки прорези, что способствует повышению эффективности светодиоодного модуля и формированию требуемого углового распределения излучения.
Для получения светодиодного устройства белого цвета, люминофор наносится на светоизлучающие кристаллы каким-либо из известных способов, например, объемное заполнение силикон-люминофорной смесью, электрофоретическое осаждение люминофора, осаждение люминофора из силикон-люминофорного компаунда, удаленное расположение люминофора и др.
Совокупность светоизлучающих кристаллов с интегрированной коллективной протяженной оптикой, обеспечивает получение заданных значений осевой силы света светодиодного модуля в определенном пространственном угле. Линзовая оптическая система формируется из силикона с заданными механическими и оптическими свойствами. Линзовая оптическая система может быть также выполнена из поликарбоната, акрила или сополимерных материалов и пристыкована к светодиодному модулю Светоизлучающие кристаллы, устанавливаются на многослойной печатной плате, которая может иметь различные формы, в количестве, требуемом для формирования заданных световых характеристик. При такой конструкции светового модулы легко решается вопрос по устранению эффекта ослепления, который характерен для дискретных светодиодов. Можно использовать маленькие и маломощные светоизлучающие кристаллы, но при этом увеличить их количество и заполнять ими протяженные области в светодиодном модуле.
Далее предложенная полезная модель поясняется с помощью чертежей, на которых:
Фиг.1 - вертикальное сечение варианта изготовления светодиодного модуля, в котором светоизлучающий кристалл установлен на проводящий слой печатной платы;
Фиг.2 - вертикальное сечение варианта осуществления светодиодного модуля, в котором светоизлучающий кристалл установлен непосредственно на теплоотводяшей основе печатной платы;
Фиг.3 - вертикальное сечение варианта осуществления светодиодного модуля, содержащего несколько трассировочных слоев, где светоизлучающий кристалл установлен непосредственно на теплоотводящей основе многослойной печатной платы, а электрическое соединение кристалла осуществленно с разными проводящими слоями печатной платы;
Фиг.4 - вертикальное сечение варианта выполнения светодиодного модуля, где светоизлучающий кристалл с вертикальной структорой установлен непосредственно на теплоотводящую основу многослойной печатной платы;
Фиг.5 - вертикальное сечение варианта выполнения светодиодного модуля, где светоизлучающий кристалл установлен на одном из проводящих слоев многослойной печатной платы;
Фиг.6 - вертикальное сечение, вариант выполнения светодиодного модуля, где имеются теплопроводящие перемычки между теплоотводящей основой печатной платы и теплопроводящей покровной пластиной модуля;
Фиг.7 - вертикальное продольное сечение варианта выполнения светодиодного модуля, в котором светоизлучающие кристаллы установлены на теплоотводящую основу многослойной печатной платы и соединены с разными проводящими слоями печатной платы. В светодиодном модуле имеется несколько тепловодящих перемычек междку теплоотводящей основой печатной платы и покровной теплопроводящей пластиной модуля;
Фиг.8 - светодиодные модули с различным количеством светоизлучающих кристаллов. Один модуль содержит теплопроводящие перемычки между теплоотводящей основой платы и поуровной палстиной модуля;
Фиг.9 - вертикальное сечение варианта выполнения светодиодного модуля, где имеются развитые поверхности теплоотводящей основы платы и теплопроводящей покровной пластины с целью увеличесния теплоотдачи;
Фиг.10 - вертикальное сечение варианта выполнения светодиодного модуля, где теплоотводящая основа печатной платы имеет теплоотводящие каналы;
Фиг.11 - вертикальное сечение варианта выполнения светодиодного модуля, где на светодиодном модуле сформирована прозрачная линзовая оптическая система;
Фиг.12 - вертикальное сечение варианта выполнения светодиодного модуля, где на светодиодном модуле сформирована линзовая оптическая система с диффузионным рассеванием света;
Фиг.13 - светодиодный модуль с интегрированной линзовой оптической системой.
2
2
3
2
На Фиг.1 показана конструкция светодиодного модуля, где светоизлучающие кристаллы 1 установлены на многослойной плате 2 с металлическим (керамическим) основанием. Плата выполнена с однослойной топологией металлизированного слоя 3 с трассировкой. Металлизированный слой отделен от проводящей основы платы изолирующим слоем (препрег) 4. В случае использования электроизолирующей керамической основы, отпадает необходимоссть использования препрега. Электрическое соединение светоизлучающего кристалла 1 с элементами металлизированного слоя 3 осуществляется за счет проводника 5 и проводящего клея 6. Покровная пластина 7 прикреплена на плате 2 с помощью изолирующего клея 8. Покровная пластина способствует формированию излучения с заданным пространственным распределением. Одновременно, покровная пластина способствует дозированию нужного количества силикон-люминофорной смеси или иного компаунда.. Наличие в компаунде частиц, способствующих рассеянию света (диспергатора), в качестве которого можно использовать SiO, АlО ТiO и т.д., будет способствовать устранению эффекта ослепления и формированию равномерного свечения всей области компаунда.
На Фиг.2 показана конструкция, где светоизлучающие кристаллы 1 установлены непосредственно на теплоотводящую основу печатной платы 2, что способствует лучшему отводу тепла от активной области светоизлучающего кристалла. Подобная конструкция позволяет существенно увеличить максимальны ток, проходящий через светоизлучающий кристалл (в два раза), что в свою очередь будет способствовать значительному увеличению светового потока, производимого светодиодным модулем. Одновремнно, лучший отвод тепла способствует более стабильной работы светоизлучающего кристалла, что в свою очередь стабилизирует оптические параметры светодиодного модуля.
На Фиг.3 показана конструкция, где светоизлучающие кристаллы 1 с планарной структурой установлены на проводящий клей 6 (например, эпоксидную смолу) непосредственно на металлической (керамической) основе многослойной печатной платы 2, выполненной с двуслойной топологией металлизированных слоев 3. Металлизированные слои отделены от проводящей основы печатной платы друг от друга изолирующим слоем (препрег) 4. Электрическое соединение светоизлучающего кристалла 1 с элементами металлизированного слоя 3 осуществляется за счет проводов 5. При этом проводники 5 могут иметь соединение с разными металлизированными слоя печатной платы. Данная конструкция модуля одновремнно способствует как хорошему отводу тепла от светоизлучающего кристалла, так и позволяет создавать более разнообразную систему электрической коммутации.
На Фиг.4 показана конструкция, где светоизлучающие кристаллы с вертикальной структурой установлены непосредственно теплоотводящей основе печатной платы с двуслойной топологией металлизированных слоев.
На Фиг.5 показана конструкция, где светоизлучающие кристаллы установлены на одном из металлизированных слоев многослойной печатной платы, что позволяет обеспечить электрическую развязку между различными светоизлучающими кристаллами светодиодного модуля.
На Фиг.6 показана конструкция, где между теплоотводящей основой печатной платы 1 и покровной пластиной 7 имеются теплопроводящие перемычки 9, которые могут быть выполнены как из металлла, так и из теплопроводящей керамики. При этом покровная пластина модуля может быть использована как дополнительная теплоотводящая система, что будет способствовать температурной стабилизации режима работы светоизлучающих кристаллов, а также повышению и стабилизации световых параметров модуля.
На Фиг.7 показана конструкция светодиодного модуля, где светоизлучающие кристаллы 1 установлены на теплоотводящую основу многослойной печатной платы 2. Светоизлучающие кристаллы 1 имеют соединение с помощью проводов 5 с различными проводящими металлизированными слоями 3 печатной платы, что способствует формированию более гибкой электрической коммутационной системы. Между теплоотводящей основой 2 многослойной печатной платы и покровной пластиной 7 светодиодного модуля установлены теплопроводящие перемычки 9, улучшающие отвод тепла от светоизлучающих кристаллов 1.
На Фиг.8 показана пространственная конструкция светодиодных модулей. При этом в светодиодном модуле могут быть использованы светоизлучающие кристаллы 1 различного размера и они могут быть установлены в светодиодном модуле различным образом. Использование светоизлучающих кристаллов 1 меньшего размера позволяет расположить большее количество кристаллов и обеспечит более равномерное свечение светодиодного модуля. При этом улучшается отвод тепла от светоизлучающих кристаллов и повышается стабильность параметров светодиодного модуля.
На Фиг.9 показан светодиодный модуль, имеющий развитую поверхность теплоотводящего основания 1 и покровной пластины модуля 7, что позволяет улучшить отвод и рассеяние тепла. Увеличивая поверхность теплоотводящего основания 1 и покровной пластины 7 за счет, например, ребер 10, позволяет значительно увеличить общую площадь поверхности теплоотводящих элементов и улучшит конвекционный снос тепла с поверхности этих элементом. Наличие теплопроводящих перемычек 9 между теплоотводящим основанием 2 многослойной платы и покровной пластиной 7 также способствует совершенствованию системы теплоотвода.
Дальнешее улучшение теплоотоводящих свойств светодиодного модуля возможно за счет использования принудительного охлаждения элементов светодилодного модуля, см. Фиг.10. Например, в теплоотводящем основании 2 многослойной печатной платы могут быть сформированы каналы 12, в которых могут быть установлены тепловые трубки или обеспечено продувание воздуха, или прокачивание охлаждающей жидкости.
Для улучшение оптических свойств светодиодного модуля и для обесепечния формирования различного светового распределения, в светодиодном модуле возможно использование интегрированной оптической системы, см. Фиг.11. Оптическая система в виде линзы 12 формируется на поверхности модуля. При этом к модулю может быть прикреплена (приклеена) готовая линза, выполненая из какго-либо полимерного материала (поликарбонат, акрил, силикон и т.п). Линза может быть сформирована из силикона непосредственно при производстве светодиодного модуля, например из силикон. Можно сипользовать различные известные способы формирования линзы: использование литьевой формы, используя технологию “Dam and Fill” и т.д. При этом могут быть сформированы линзовые системы различной формы с различным световым распределением, например, цилиндрически линзы, асферические, линзы Френеля и т.п.
При желании получить светодиодный модуль белого свечения, силикон-люминофорная смесь 13 дозируется непосредственно в область посадки светоизлучающего кристалла 1, установленного на теплоотводящую основу 2 многослойной печатной платы. Выемка в печатной плате, где установлен светоизлучающий кристалл 1 может служить для задания определенного объемы силикон-люминофорной смеси.
2
2
3
2
Добавление светорассеивающего материала 14 в линзу (см. Фиг.12), позволяет получить более равномерное световое распределение. В качестве диффузионнго материала могут использоваться частицы SiO, АlО, TiO и т.д.
В результате вышеописанного подхода к формированию светодиодного модуля, будет вормироваться завершенная конструкция источника света, см. Фиг.13, которая будет обладать заданным количеством светоизлучающих кристаллов, которые будут определять общий световой поток излучения, требуемой линзовой оптической системой 15, и хорошими тепловыми свойствами, которые будут определяться наличием теплоотодящей основой 2 многослойной платы и покровной пластиной 7. При необходимости улучшения отвода тепла от светодиодного модуля, возможно крпление его к дополнительному тепловому радиатору, например посредством винтов через отвестия 16 в корпусе светодиодного модуля.
В светодиодных модулях используются различные светоизлучающие 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 светоизлучающего 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 светоизлучающего кристалла и значительно улучшает оптические характеристики светодиода.