ЭФФЕКТИВНАЯ СВЕТОДИОДНАЯ МАТРИЦА
EFFICIENT LED ARRAY

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Изобретение относится, в основном, к светоизлучающим диодам, а более конкретно к эффективной светодиодной матрице.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Светоизлучающим диодом (LED) является полупроводниковый материал, насыщенный или легированный примесями. Эти примеси добавляют в полупроводник «электроны» или «дырки», которые могут передвигаться в веществе относительно свободно. В зависимости от типа примеси легированная область полупроводника может обладать, преимущественно, электронами или дырками и упоминается как полупроводниковая область n-типа или p-типа, соответственно. В светодиодных применениях полупроводник включает полупроводниковую область n-типа и полупроводниковую область p-типа. На границе перехода между двумя областями создается обратное электрическое поле, которое вынуждает электроны и дырки удаляться от перехода, для формирования активной области. Если к p-n-переходу подают прямое напряжение, достаточное для преодоления обратного электрического поля, то электроны и дырки вынуждают двигаться в активную область и объединяться. Когда электроны объединяются с дырками, они переходят на более низкие энергетические уровни и высвобождают энергию в виде света.
Во время работы к p-n-переходу подают прямое напряжение посредством двух электродов. Электроды формируют в полупроводниковом веществе посредством p-электрода, сформированного в полупроводниковой области p-типа, и n-электрода, сформированного в полупроводниковой области n-типа. Каждый электрод включает в себя проводящую контактную площадку, что позволяет подать внешнее напряжение к светодиоду.
Как правило, устройство, имеющее множество светодиодных кристаллов (LED), создают путем монтажа близко расположенных светодиодных кристаллов на керамическую подложку. К сожалению, близко расположенные светодиодные кристаллы могут оказывать взаимное влияние друг на друга и приводить к сниженной светоотдаче. Кроме того, керамическую подложку используют потому, что светодиодные кристаллы имеют тепловые цепи и электрические цепи, которые контактируют друг с другом. Например, светодиодные кристаллы могут иметь электрические контакты как на верхней, так и на нижней поверхности, поэтому, когда кристалл монтируют на подложку, подложка может пропускать как тепло, так и электричество. Таким образом, керамическая подложка предоставляет электроизолирующие свойства, при этом допуская прохождение тепла. К сожалению, керамическая подложка не обеспечивает достаточно эффективной тепловой цепи, поэтому тепло, выделяемое близко расположенными светодиодными кристаллами, может ухудшать светоотдачу. Для того чтобы облегчить рассеяние тепла, керамическую подложку можно монтировать на алюминиевый распределитель тепла, который, в свою очередь, монтируют на дополнительный теплоотвод. Устройство является дорогостоящим и, в результате, усложняется изготовление.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В данной области техники существует необходимость совершенствования светодиодных кристаллов для того, чтобы повысить светоотдачу, предоставить эффективное рассеяние тепла и упростить изготовление.
В одном аспекте предоставляют светодиодное устройство, которое содержит металлическую подложку, обладающую отражающей поверхностью, и множество светодиодных кристаллов, монтируемых непосредственно на отражающую поверхность металлической подложки, чтобы предусмотреть возможность рассеяния тепла, и характеризуется тем, что, по меньшей мере, часть светодиодных кристаллов размещают на определенном расстоянии друг от друга, чтобы предусмотреть возможность отражения света от части отражающей поверхности, которая расположена между частями светодиодных кристаллов.
В другом аспекте предоставляют способ формирования светодиодного устройства. Способ включает конфигурирование металлической подложки, чтобы иметь отражающую поверхность и монтировать множество светодиодных кристаллов непосредственно на отражающую поверхность металлической подложки, чтобы предусмотреть возможность рассеяния тепла, и характеризуется тем, что, по меньшей мере, часть светодиодных кристаллов размещают на определенном расстоянии друг от друга, чтобы предусмотреть возможность отражения света от части отражающей поверхности, которая расположена между частями светодиодных кристаллов.
Еще в одном аспекте предоставляют светодиодную лампу, которая содержит корпус и светодиодное устройство, присоединенное к корпусу. Светодиодное устройство содержит металлическую подложку, обладающую отражающей поверхностью, и множество светодиодных кристаллов, монтируемых непосредственно на отражающую поверхность металлической подложки, чтобы предусмотреть возможность рассеяния тепла, и при этом, по меньшей мере, часть светодиодных кристаллов размещают на определенном расстоянии друг от друга, чтобы предусмотреть возможность отражения света от части отражающей поверхности, которая расположена между частями светодиодных кристаллов.
В еще другом аспекте предоставляют осветительный прибор, который содержит источник питания и электрически связанную с источником питания светодиодную лампу. Светодиодная лампа включает корпус и светодиодное устройство, присоединенное к корпусу. Светодиодное устройство содержит металлическую подложку, обладающую отражающей поверхностью, и множество светодиодных кристаллов, монтируемых непосредственно на отражающую поверхность металлической подложки, чтобы предусмотреть возможность рассеяния тепла, и при этом, по меньшей мере, часть светодиодных кристаллов размещают на определенном расстоянии друг от друга, чтобы предусмотреть возможность отражения света от части отражающей поверхности, которая расположена между частями светодиодных кристаллов.
Другие аспекты настоящего изобретения станут очевидными квалифицированному специалисту в данной области техники из следующего подробного описания. Как будет понятно, настоящее изобретение включает еще и другие аспекты и некоторые другие его особенности, которые допускают модификации в различных других смыслах, но все, не выходя за пределы существа и объема настоящего изобретения. Соответственно, чертежи и подробное описание по характеру должны расцениваться как иллюстративные, а не как ограничивающие.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Изложенные выше аспекты, описанные в данном документе, станут более очевидными со ссылкой на следующее описание со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 изображает вид сверху и вид сбоку светодиодного кристалла для использования в аспектах эффективной светодиодной матрицы;
фиг.2 изображает светодиодную матрицу, сконструированную в соответствии с аспектами настоящего изобретения;
фиг.3 изображает эффективное устройство светодиодной матрицы, сконструированное в соответствии с аспектами настоящего изобретения;
фиг.4 изображает блок-схему этапов способа создания устройства эффективной светодиодной матрицы в соответствии с аспектами настоящего изобретения; и
фиг.5 изображает примерные устройства, включающие эффективные светодиодные матрицы, сконструированные в соответствии с аспектами настоящего изобретения.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В дальнейшем настоящее изобретение описывается более полно со ссылкой на прилагаемые чертежи, в которых показывают различные аспекты настоящего изобретения. Данное изобретение может, однако, быть воплощено во многих различных видах и не может быть интерпретировано, как ограничивающее различные аспекты настоящего изобретения, представленные на протяжении всего раскрытия. Скорее эти аспекты предоставляют с тем, чтобы сделать это раскрытие более детальным и завершенным, и полностью передавать объем изобретения специалисту в данной области техники. Различные аспекты настоящего изобретения, иллюстрированные чертежами, могут быть выполнены не в масштабе. Соответственно, размеры различных деталей могут быть увеличены или уменьшены для ясности. Кроме этого, некоторые чертежи могут быть упрощены для ясности. Таким образом, на чертежах могут быть не указаны все компоненты данного устройства или способа.
Различные аспекты настоящего изобретения будут описаны далее в данном документе со ссылкой на чертежи, которые являются схематическими иллюстрациями теоретической конфигурации настоящего изобретения. В связи с этим можно предполагать изменение определенных шаблонов иллюстраций, например, в результате технологии изготовления и/или из-за допусков. Таким образом, различные аспекты настоящего изобретения, представленные на протяжении всего раскрытия, не могут быть интерпретированы как ограничивающие определенные требуемые формы элементов (например, областей, слоев, сегментов, подложек и т.д.), проиллюстрированных и описанных далее в данном документе, а представлены для того, чтобы включить отклонения от определенных требуемых форм, получаемых, например, в результате изготовления. В качестве примера элемент, иллюстрированный или описанный как прямоугольный, может иметь круглые или искривленные детали и/или градиент концентрации на краях выше, чем дискретное изменение от одного элемента к другому. Таким образом, элементы, иллюстрированные на чертежах, являются схематичными по своему характеру, и такие образцы не предназначены для иллюстрации точной определенной требуемой формы элемента и не предназначены для ограничения объема настоящего изобретения.
Следует понимать, что когда элемент, например область, слой, сегмент, подложка или подобные имЮ упоминается как на находящийся «на» еще одном элементе, то он может быть расположен непосредственно на другом элементе или могут присутствовать также и промежуточные элементы. Напротив, когда элемент упоминается как находящийся «непосредственно на» еще одном элементе, то никакого промежуточного элемента не присутствует. Дополнительно следует понимать, что когда элемент упоминается как элемент, «сформированный» на еще одном элементе, то его можно вырастить, нанести, вытравить, прикрепить, соединить, присоединить или иначе приготовить или изготовить на другом элементе или промежуточном элементе.
Дополнительно, относительные понятия, такие как «более низкий» или «низ» и «более верхний» или «верх», могут быть использованы в данном документе, чтобы описать взаимное расположение одного элемента относительно другого, иллюстрированное чертежами. Следует понимать, что относительные понятия предназначены, чтобы включить различные ориентации устройств, в дополнение к ориентации, указанной на чертежах. В качестве примера, если устройство на чертежах переворачивают, то элементы, описанные как находящиеся на «более низкой» стороне других элементов, будут затем ориентированы на «более верхние» стороны других элементов. Понятие «более низкий» может, следовательно, включать как «нижнюю», так и «верхнюю» ориентацию, в зависимости от конкретной ориентации устройств. Аналогично, если устройство на чертеже переворачивают, то элементы, описанные как «ниже» или «под» другими элементами, окажутся ориентированными «над» другими элементами. Понятия «ниже» или «под» могут, следовательно, заключать как ориентацию выше, так и ориентацию ниже.
Если не определено по-другому, то все понятия (включая технические и научные понятия), используемые в данном документе, имеют одинаковое значение, которое обычно понимает квалифицированный специалист в той области техники, к которой принадлежит данное изобретение. Дополнительно следует понимать, что такие понятия, которые указаны в обычно используемых словарях, следует интерпретировать как имеющие значение, которое согласуется с этим значением в контексте, относящемся к существующему уровню техники и к данному раскрытию изобретения.
Используемые в данном документе формы единственного числа предназначены также и для включения форм множественного числа до тех пор, пока в контексте ясно не указано иначе. Дополнительно следует понимать, что выражения «содержит» и/или «содержащий», используемые в данном описании изобретения, указывают на присутствие заявленных признаков, целых чисел, этапов, операций, элементов и/или компонентов, но препятствуют наличию или дополнению одним или более из признаков, целых чисел, этапов, операций, элементов и/или групп этого. Выражение «и/или» включает в себя любое и все сочетания одного или более из перечисленных связанных выражений.
Необходимо понимать, что, несмотря на то, что выражения «первый» и «второй» могут быть использованы в данном документе для описания всевозможных областей, слоев и/или сегментов, такие области, слои и/или сегменты не следует ограничивать только этими выражениями. Эти выражения используют только для того, чтобы отличить одну область, слой, сегмент от другой области, слоя, сегмента. Таким образом, обсуждаемые ниже первую область, слой, сегмент можно обозначить как вторую область, слой, сегмент, и аналогично вторую область, слой, сегмент можно обозначить как первую область, слой, сегмент, не отступая от замысла настоящего изобретения.
На фиг.1 показан вид сверху 102 и вид сбоку 110 примера светодиодного кристалла 100 для использования в аспектах эффективной светодиодной матрицы. Ссылаясь на вид сверху 102, светодиодный кристалл включает часть 104 корпуса и активную область, которая расположена внутри области 106. Например, область 106 включает область полупроводника n-типа, которая имеет, преимущественно, электроны, и область полупроводника p-типа, которая имеет, преимущественно, дырки. Во время работы у перехода между областью n-типа и областью p-типа создается обратное электрическое поле, которое вынуждает электроны и дырки перемещаться от перехода для формирования активной области. Когда прямое напряжение, достаточное для преодоления обратного электрического поля, подают к p-n-переходу, электроны и дырки вынуждают передвигаться в активную область и объединяться. Когда электроны соединяются с дырками, они переходят на более низкие энергетические уровни и высвобождают энергию в виде света.
Светодиодный кристалл 100 также содержит электрические контакты 108, которые используют для подачи напряжения. Например, для подачи электрического напряжения проводники, по которым подводится электрический сигнал, соединяют с контактами 108. Когда подают напряжение к контактам 108 посредством соединенных проводов, активная область функционирует для излучения света выбранного цвета.
Ссылаясь теперь на вид 110 сбоку, можно видеть, что светодиодный кристалл 100 включает нижнюю монтажную поверхность 112, которую можно использовать для монтажа светодиодного кристалла 100 на подложку. Например, для монтажа светодиодного кристалла 100 на подложку можно использовать любой подходящий адгезив. Как можно дополнительно увидеть на виде 110 сбоку, электрические контакты 108 на верхней поверхности светодиодного кристалла 100 формируют по горизонтали электрическую цепь, обозначенную стрелкой 114. Поскольку электрические соединения не контактируют с монтажной поверхностью 112 светодиодного кристалла 100, его можно монтировать непосредственно на металлическую подложку без изолирующего диэлектрика. Посредством монтажа светодиодного кристалла 100 непосредственно на металлическую подложку создают тепловую цепь (обозначенную стрелкой 116), чтобы предусмотреть возможность прохождения тепла от светодиодного кристалла 100 к металлической подложке. Обеспечивая эффективную тепловую цепь 116, можно уменьшить или минимизировать любые потери оптической энергии светодиодного кристалла 100 из-за тепловых эффектов.
Следовательно, для светодиодного кристалла 100 предусматриваются отдельные электрическая цепь и тепловая цепь, чтобы иметь возможность монтировать светодиодный кристалл 100 непосредственно на металлическую подложку без изолирующего диэлектрика, тем самым предоставляя эффективную тепловую цепь, чтобы уменьшить или минимизировать разрушающее влияние теплового эффекта на светоотдачу.
Фиг.2 изображает примерную светодиодную матрицу 200, сконструированную в соответствии с аспектами настоящего изобретения. Светодиодная матрица 200 содержит металлическую подложку 204, которая имеет отражающую поверхность 206. Например, металлическую подложку можно создать из алюминия, а отражающей поверхностью 206 может быть незащищенный или полированный алюминий. Альтернативно отражающая поверхность 206 может быть сформирована путем нанесения на подложку 204 серебряного покрытия. Таким образом, отражающая поверхность 206 может быть сформирована из любого отвечающего требованиям материала и может быть сформирована на подложке 204 любым соответствующим способом. В разных аспектах отражающая поверхность имеет показатель отражения 70% или больше.
Матрицу светодиодных кристаллов монтируют непосредственно на отражающую поверхность 206 металлической подложки 204. Например, матрица светодиодных кристаллов может включать в себя светодиодный кристалл 100, показанный на фиг.1. Поскольку светодиодный кристалл 100 имеет монтажную поверхность 112, которая отделена от электрической цепи 114, светодиодный кристалл 100 может быть смонтирован непосредственно на отражающую поверхность 206. Поступая таким образом, формируют эффективную тепловую цепь, позволяющую отводить тепло от матрицы светодиодных кристаллов к металлической подложке 204. Следует также отметить, что хотя на фиг.2 показано девять светодиодных кристаллов, не существует ограничений по количеству светодиодных кристаллов, которые могут быть использованы, и в действительности, как только увеличивается количество светодиодных кристаллов, так и увеличивается оптическое усиление.
В разнообразных аспектах светодиодную матрицу 200 монтируют на подложку 204 с предварительно установленным шагом. Например, монтируют светодиодные кристаллы, имеющие вертикальный шаг, обозначенный как 208, и горизонтальный шаг, обозначенный как 210. В разнообразных аспектах горизонтальный шаг и вертикальный шаг составляют 0,5 миллиметра или более. Этот шаг открывает области 212 отражающей поверхности 206 между светодиодными кристаллами. Посредством открывания этих областей 212 свет, излучаемый светодиодными кристаллами, может отражаться открытыми частями отражающей поверхности 206, увеличивая величину светоотдачи светодиодной матрицы. Следует отметить, что светодиодная матрица может иметь одинаковый шаг, неодинаковый шаг или комбинацию этого и не ограничивается единственным фиксированным шагом.
Фиг.3 изображает примерное устройство 300 эффективной светодиодной матрицы, сконструированной в соответствии с аспектами настоящего изобретения. Устройство 300 содержит светодиодную матрицу 200 светодиодных кристаллов (например, светодиод 100), монтируемую непосредственно на отражающую поверхность 206 с предварительно определенным шагом, чтобы открыть области отражающей поверхности, чтобы предусмотреть возможность отражения света отражающей поверхностью, обозначенной 308, которая расположена между светодиодными кристаллами.
Для обеспечения электрических соединений на алюминиевую металлическую подложку светодиодной матрицы 200 монтируют слой диэлектрического изолятора 302, которым может быть окись алюминия. Поверх диэлектрика 302 к контактной площадке 306 прокладывают медные дорожки 304. Затем соединительными проводниками выполняют разводку от контактной площадки 306 непосредственно от кристалла к кристаллу, так что электрическое напряжение можно будет подавать ко всем чипам в светодиодной матрице 200. В результате формируют электрическую цепь, обозначенную как 312.
Светодиодную матрицу 200 монтируют непосредственно на теплоотвод 310. Теплоотвод 310 содержит любой отвечающий требованиям материал, и светодиодную матрицу монтируют непосредственно на теплоотвод 310 без какой-либо диэлектрической изоляции. Это предусматривает эффективную передачу тепла от металлической подложки светодиодной матрицы 200 теплоотводу 310. Таким образом, металлическая подложка работает не только, чтобы охлаждать светодиодные кристаллы, но и позволяет сделать теплоотвод меньше, поскольку подложку монтируют непосредственно на теплоотвод. Например, для керамических подложек необходим алюминиевый рассеиватель тепла, который является большим и увеличивает расходы. Поскольку светодиодные кристаллы монтируют непосредственно на алюминиевую подложку, а алюминиевую подложку монтируют непосредственно на теплоотвод, то формируют эффективную тепловую цепь, обозначенную как 314. Тепловая цепь позволяет рассеивать выделяемое светодиодными кристаллами тепло посредством алюминиевой подложки и теплоотвода 310, снижая тем самым ухудшающее влияние тепла на светоотдачу.
Фиг.4 изображает примерный способ 400 создания эффективной светодиодной матрицы в соответствии с аспектами настоящего изобретения. Для ясности, далее описывают способ 400 со ссылкой на устройство 300 эффективной светодиодной матрицы, показанное на фиг.3.
В блоке 402 формируют металлическую подложку с отражающей поверхностью. Например, подложкой может быть алюминий, а отражающей поверхностью является полированный алюминий или серебряное покрытие.
В блоке 404 задают шаг светодиодных кристаллов в светодиодной матрице. Например, определяют, что горизонтальный и вертикальный шаг должен быть одинаковым, неодинаковым или комбинацией этого. В некотором аспекте выбранный горизонтальный и вертикальный шаг примерно равен или больше 0,5 миллиметра.
В блоке 406 светодиодную матрицу монтируют на отражающую поверхность металлической подложки с предварительно установленным шагом. Поскольку светодиодная матрица имеет отдельные электрическую цепь и тепловую цепь, светодиодные кристаллы монтируют непосредственно на металлическую подложку, не используя диэлектрический изолятор. Шаг светодиодных кристаллов открывает области отражающей поверхности между кристаллами, и эти области работают для отражения света, тем самым повышая светоотдачу светодиодной матрицы.
В блоке 408 устанавливают электрические соединения, чтобы сформировать электрическую цепь, отдельную от тепловой цепи. Например, чтобы предусмотреть возможность подачи электрического напряжения к кристаллам, соединяют проводниками все чипы светодиодной матрицы, как описано выше. Сформированную электрическую цепь разъединяют с тепловой цепью.
В блоке 410 светодиодную матрицу монтируют непосредственно на теплоотвод. Поскольку подложка светодиодной матрицы является металлической, ее можно монтировать непосредственно на теплоотвод, не используя диэлектрический изолятор.
Следовательно, способ 400 работает для создания эффективной светодиодной матрицы в соответствии с аспектами настоящего изобретения. Следует отметить, что этапы способа 400 могут быть перегруппированы или модифицированы иначе в пределах объема различных аспектов. Таким образом, возможны другие осуществления в соответствии с объемом различных аспектов, описанных в данном документе.
Фиг.5 изображает примерные устройства 500, содержащие эффективные светодиодные матрицы, сконструированные в соответствии с аспектами настоящего изобретения. Приборы 500 включают лампу 502, осветительное устройство 504 и уличный светильник 506. Каждое из устройств, изображенных на фиг.5, содержит эффективную светодиодную матрицу, описанную в настоящем документе. Например, лампа 502 содержит корпус 516 и эффективную светодиодную матрицу 508, которая содержит матрицу светодиодов с заранее установленным шагом, монтируемую непосредственно на металлическую подложку с отражающей поверхностью. Предварительно установленный шаг работает для увеличения светоотдачи. Лампу 502 можно использовать для любых типов общего освещения. Например, лампу 502 можно использовать в автомобильной фаре, уличном светильнике, потолочном светильнике или в любом другом практическом применении для общего освещения. Осветительное устройство 504 содержит источник питания 510, который электрически присоединен к лампе 512, которая может быть сконфигурирована как лампа 502. В некотором аспекте источником питания могут быть батареи или любой другой подходящий источник питания, например солнечный элемент. Уличный светильник 506 включает источник питания, соединенный с лампой 514, которая может иметь такую же конфигурацию, что и лампа 502. В некотором аспекте лампа 514 включает корпус и эффективную светодиодную матрицу, которая включает матрицу светодиодов с предварительно установленным шагом, монтируемую непосредственно на металлическую подложку с отражающей поверхностью. Предварительно установленный шаг служит для увеличения светоотдачи.
Следует отметить, что аспекты эффективной светодиодной матрицы, описанные в данном документе, пригодны для использования практически для любого типа светодиодных сборок, которые, в свою очередь, можно использовать для различных видов осветительных устройств, и не ограничиваются устройствами, изображенными на фиг.5. Таким образом, эффективная светодиодная матрица, описанная в данном документе, предоставляет эффективную светоотдачу и эффективное рассеяние тепла и может быть использована в устройстве для целого ряда применений устройства.
Различные аспекты настоящего раскрытия предоставляют возможность квалифицированному специалисту в данной области техники на практике осуществить настоящее изобретение. Различные модификации аспектов, имеющиеся по всему раскрытию, будут понятны специалисту в данной области техники, а концепции, раскрытые в данном документе, могут быть распространены на другие практические применения. Таким образом, формула изобретения не предназначена для ограничения различных аспектов этого раскрытия, но должна быть согласована с полным объемом, составляющим текст формулы изобретения. Все структурные и функциональные эквиваленты различных аспектов элементов, описанные по всему настоящему раскрытию, которые известны или которые станут известны специалисту в данной области техники, включают в данный документ посредством ссылок и подразумевают, что они будут охвачены формулой изобретения.
Помимо этого, ничто из раскрытого в данном документе не предназначено для того, чтобы делать изобретение всеобщим достоянием, не обращая внимания на то, будет ли такое раскрытие однозначно изложено в формуле изобретения. Ни один из элементов пункта формулы изобретения не может быть истолкован как не отвечающий положениям шестого пункта 35 U.S.C. §112 до тех пор, пока этот элемент ясно не изложен с использованием формулировки «средство для», или в отношении пункта формулы изобретения на способ, пока этот элемент не изложен с использованием формулировки «этап для».
Следовательно, несмотря на то, что в данном документе проиллюстрированы и описаны аспекты эффективной светодиодной матрицы, следует понимать, что могут быть выполнены различные изменения аспектов без отступления от сущности или основных характеристик. Следовательно, раскрытия и описания в данном документе предназначены для иллюстрации, а не для ограничения объема изобретения, который изложен в нижеследующей формуле изобретения.