СВЕТОДИОДНЫЙ ЧИП

Полезная модель относится к полупроводниковым приборам, а именно к светодиодным чипам, используемым в светодиодных осветительных системах.
Светодиодный чип представляет собой конструкцию, предназначенную для установки методами поверхностного монтажа при использовании в составе светодиодов, а также светодиодных линеек и матриц.
Светодиодный чип включает расположенный на пластинчатом основании (подкристальной плате, подложке) и снабженный электрическими выводами полупроводниковый светоизлучающий элемент, выполненный на основе полупроводниковой светоизлучающей гетероструктуры (полупроводникового кристалла). Чип также может иметь расположенное поверх кристалла полимерное покрытие.
На световые характеристики и долговечность чипа в значительной степени влияют степень и качество отвода тепла из активной области кристалла, выделяющегося в процессе его работы. В этой связи важным является, чтобы конструкция чипа обладала высокой теплопроводностью, что достигается конструктивными особенностями и выбором материала входящих в чип элементов. Это является особенно важным, поскольку чип в отличие от светодиода не содержит корпуса, обеспечивающего отвод тепла.
Известен светодиодный чип [JP 2000216439], который содержит в качестве основания подложку, включающую нижнюю пластину из алюминия и верхнюю пластину из алюминия, имеющие разные размеры. На верхней поверхности верхней пластины из алюминия сформирована пара верхних электрических выводов. С указанными выводами соединен светодиодный светоизлучающий элемент посредством электрических столбиковых выводов, выполненных из золота и серебряной пасты. На нижней поверхности нижней пластины из алюминия сформированы нижние электрические выводы, соединенные с верхними выводами через сквозные металлизированные отверстия, выполненные в обеих пластинах из алюминия.
Рассматриваемый чип за счет использования в качестве основания двух пластин из алюминия обладает относительно высокой теплопроводностью.
Однако выполнение основания в виде двухслойной подложки, содержащей пластины разного размера, усложняет конструкцию и технологию изготовления чипа.
Известен светодиодный чип [JP2009182072], содержащий в качестве основания, по меньшей мере, две керамические пластины. Светоизлучающий элемент установлен в центральной зоне верхней керамической пластины. По обе стороны относительно светоизлучающего элемента в обеих керамических пластинах выполнены соосные сквозные отверстия, имеющие разный диаметр. Сверху светоизлучающий элемент залит полимерным компаундом, который при заливке проникает в указанные сквозные отверстия, чем достигается прочность его соединения с основанием.
Рассматриваемый чип за счет наличия составной подложки, изготовленной из керамики, обладающей хорошей теплопроводностью, обеспечивает достаточно хороший отвод тепла.
Однако выполнение основания в виде, по меньшей мере, двух слоев, а также необходимость выполнения в слоях, изготовленных из керамики, соосных отверстий разного диаметра приводит к усложнению конструкции и технологии изготовления чипа.
Известен светодиодный чип [JP 2012079778], который выбран в качестве ближайшего аналога.
Данный чип включает полупроводниковый светоизлучающий элемент, установленный на основании, содержащем верхнюю пластину, изготовленную из диэлектрика, в частности из текстолита, и нижнюю пластину, изготовленную из металла. При этом в центральной области верхней пластины их текстолита выполнено сквозное отверстие, образующее посадочное отверстие для светоизлучающего элемента. Поверх светоизлучающего элемента и пластины из текстолита нанесено покрытие из полимерного компаунда. На краевых участках верхней поверхности пластины из текстолита вблизи ее боковых сторон сформированы первая и вторая зоны металлизации, образующие р- и n-контактные площадки, а светоизлучающий элемент имеет р- и n-металлические выводы, соединенные соответственно с р- и n-контактными площадками.
Наличие в основании рассматриваемого чипа нижней металлической пластины, обладающей высокой теплопроводностью, обеспечивает отвод выделяющегося при работе светоизлучающего элемента тепла. При этом использование в качестве материала верхней пластины текстолита, который хорошо подвергается механической обработке, обеспечивает простоту формирования посадочного отверстия для светоизлучающего элемента.
Однако выполнение основания в виде двух разнородных по материалу пластин приводит к усложнению конструкции и технологии изготовления рассматриваемого чипа.
Проблемой, решение которой достигается при осуществлении полезной модели, является упрощение конструкции и технологии изготовления светодиодного чипа при обеспечении высоких теплоотводящих свойств.
Сущность полезной модели заключается в том, что в светодиодном чипе, включающем полупроводниковый светоизлучающий элемент, установленный на основании, содержащем пластину, изготовленную из диэлектрика, а также расположенное поверх указанных светоизлучающего элемента и пластины покрытие из полимерного компаунда, при этом на краевых участках верхней поверхности пластины из диэлектрика вблизи ее боковых сторон сформированы первая и вторая зоны металлизации, а светоизлучающий элемент имеет положительный и отрицательный металлические электрические выводы, один из которых соединен с первой зоной металлизации, а другой соединен со второй зоной металлизации, согласно полезной модели основание выполнено в виде монопластины, изготовленной из диэлектрика, указанная пластина содержит сформированную в центральной части ее верхней поверхности третью зону металлизации, площадь которой превышает площадь нижней поверхности светоизлучающего элемента, а также содержит сформированные на ее нижней поверхности четвертую, пятую и шестую зоны металлизации, аналогичные по конфигурации и местоположению соответственно первой, второй и третьей зонам металлизации, светоизлучающий элемент расположен на поверхности третьей зоны металлизации, при этом в пластине из диэлектрика выполнены боковые металлизированные отверстия, посредством которых первая и четвертая зоны металлизации и вторая и пятая зоны металлизации сообщены друг с другом, а также центральные сквозные металлизированные отверстия, расположенные со стороны верхней поверхности указанной пластины на участках, не занятых светоизлучающим элементом, посредством которых третья и шестая зоны металлизации сообщены друг с другом.
В частном случае полезной модели отношение площади третьей зоны металлизации к суммарной площади поперечного сечения металлизированной части центральных сквозных отверстий составляет величину не более 33.
В частном случае полезной модели пластина изготовлена из текстолита.
Наличие в заявляемом устройстве установленного на основании полупроводникового светоизлучающего элемента, снабженного электрическими выводами, соединенными со сформированными на верхней поверхности основания боковыми металлическими зонами (контактными площадками), обеспечивает возможность устройства излучать свет и использовать его в составе светодиода или светодиодной системы (сборки).
Полупроводниковый светоизлучающий элемент заявляемого устройства выполнен на основе полупроводниковой светоизлучающей гетероструктуры (полупроводникового кристалла).
Используемое в чипе покрытие из полимерного компаунда выполняет защитную функцию, а также может обеспечивать достижение требуемых световых и цветовых характеристик. В частности, в качестве указанного покрытия используют смесь силикона с люминофором.
Принципиально важным в заявляемой конструкции является выполнение основания в виде всего одной пластины (монопластины), изготовленной из диэлектрика, с нанесенными на нее описанными выше верхними и нижними зонами металлизации, связанными друг с другом посредством металлизированных сквозных отверстий, а также выбор в качестве посадочного места для светоизлучающего элемента верхней центральной зоны металлизации пластины.
Благодаря указанным конструктивным особенностям данная пластина служит в качестве основания светоизлучающего элемента, обеспечивает возможность его электрической связи с внешней электрической цепью и обладает высокой теплоотводящей способностью.
За счет наличия на пластине верхних боковых первой и второй и нижних боковых третьей и четвертой зон металлизации, выполняющих роль соответственно верхних и нижних положительных и отрицательных контактных площадок, которые электрически соединены посредством боковых сквозных металлизированных отверстий, обеспечивается возможность электрической связи светоизлучающего элемента с внешней электрической цепью. При этом нижние положительная и отрицательная контактные площадки предназначены для подключения чипа к электрическим контактам внешней электрической цепи, в частности внешней цепи, сформированной на печатной монтажной плате, на которой располагается чип, входящий в состав светодиода или электронного осветительного устройства.
Для обеспечения указанной электрической связи достаточным является наличие одного бокового сквозного отверстия, соединяющего верхнюю и нижнюю положительные площадки, и одного бокового сквозного отверстия, соединяющего верхнюю и нижнюю отрицательные контактные площадки. Однако указанных отверстий может быть два и более, при этом дополнительные отверстия могут служить в качестве резервных для повышения надежности работы чипа, и их наличие способствует лучшему отводу тепла от пластины.
За счет наличия на пластине обладающих высокой теплопроводностью центральных верхней и нижней (третьей и шестой) зон металлизации, которые сообщаются посредством центральных сквозных металлизированных отверстий, достигается высокая теплоотводящая способность пластины. Указанные металлизированные конструктивные элементы обладают высокой теплопроводностью, образуют единую тепловую цепь и являются эффективным теплоотводом, обеспечивающим рассеяние выделяющегося при работе светоизлучающего элемента тепла с металлизированных поверхностей во внешнюю среду.
При этом многофункциональное основание чипа представляет собой простую по конструкции и технологии изготовления монопластину из диэлектрика, чем достигается простота конструкции и технологии изготовления чипа.
В качестве диэлектрического материала для изготовления монопластины могут быть использованы, в частности, керамика, полиамид, текстолит (стеклотекстолит).
Таким образом, техническим результатом, достигаемым при использовании заявляемой полезной модели, является упрощение конструкции и технологии изготовления светодиодного чипа при обеспечении высоких теплоотводящих свойств.
Для улучшения отвода тепла целесообразным является, чтобы отношение площади третьей зоны металлизации к суммарной площади поперечного сечения металлизированной части центральных сквозных металлизированных отверстий составляло величину не более 33. Как показали исследования авторов, при указанном соотношении площадей создаются условия, при которых температура р-n-перехода светоизлучающего элемента в рабочем режиме не превышает 115°С, что свидетельствует об очень эффективном отводе тепла.
Целесообразным является выполнение основания из текстолита, который является материалом, хорошо поддающимся механической обработке и пригодным для нанесения металлического покрытия, что обеспечивает простоту выполнения технологических операций формирования в пластине сквозных отверстий и металлизированных зон.
На фиг. 1 представлен общий вид заявляемого устройства (вид спереди); на фиг. 2 - то же (вид сверху).
Устройство содержит основание 1, выполненное в виде тонкой монопластины, изготовленной, в частности, из текстолита. Толщина пластины, в частности, выбрана из диапазона 110-130 мкм.
На краевых участках верхней поверхности пластины 1 вблизи ее боковых сторон сформированы первая и вторая зоны 2 и 3 металлизации. В центральной части верхней поверхности пластины 1 сформирована третья зона 4 металлизации, в центре которой установлен, в частности приклеен с помощью теплопроводного клея, полупроводниковый светоизлучающий элемент (полупроводниковый кристалл) 5. Площадь зоны 4 превышает площадь поперечного сечения кристалла 5.
На нижней поверхности пластины 1 сформированы четвертая зона 6, пятая зона 7 и шестая зона 8 металлизации, аналогичные по конфигурации и местоположению (по дизайну) соответственно первой зоне 2, второй зоне 3 и третьей зоне 4 металлизации.
В пластине 1 выполнены боковые металлизированные отверстия 9, посредством которых первая зона 2 и четвертая зона 6 металлизации и вторая зона 3 и пятая зона 7 металлизации сообщены друг с другом, а также центральные сквозные металлизированные отверстия 10, расположенные со стороны верхней поверхности пластины 1 на участках, не занятых кристаллом 5, посредством которых третья зона 5 и шестая зона 8 металлизации сообщены друг с другом.
Кристалл имеет металлические электрические положительный и отрицательный выводы 11, один из которых соединен с первой зоной 2 металлизации, а другой соединен со второй зоной 3 металлизации.
Сверху пластина 1 и кристалл 5 залиты светопрозрачным компаундом 12, в частности силиконом с распределенными в нем частицами люминофора.
Устройство работает следующим образом.
Чип устанавливают в корпус светодиода или на монтажную печатную плату. Обеспечивают подачу тока в кристалл 5 от внешней электрической цепи (на чертеже не показана) через зоны 6 и 7 металлизации, образующие нижние положительную и отрицательную контактные площадки, отверстия 9 и зоны 2 и 3 металлизации, образующие верхнюю положительную и отрицательную контактные площадки, и выводы 11 кристалла. Кристалл 5 излучает свет. При работе кристалла 5 выделяется тепло, которое рассеивается во внешнюю среду с поверхности верхней центральной зоны 5 металлизации, отводится через металлизированные сквозные отверстия 10 и рассеивается с поверхности нижней центральной зоны 8 металлизации.