СВЕТОДИОДНЫЙ МОДУЛЬ
THE LIGHT-EMITTING DIODE MODULE

Изобретение относится к области электронной техники и техники освещения на основе полупроводниковых светоизлучающих диодов (СИД).
Полупроводниковые приборы на основе СИД, например, гетероструктуры из нитридов индия-галлия, получили очень большое распространение в технике освещения и информатике. На их основе уже построены многоэлементные многоцветные экраны и очень мощные устройства освещения на транспорте, в жилых помещениях, в аэропортах. По своим светотехническим параметрам светодиодные лампы уже во многом превышают традиционные накальные источники света и безусловно будут развиваться в дальнейшем.
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, разными мощностями излучения и угловым распределением силы света. Мощность излучения, являющаяся наиболее важным параметром светодиодных устройств, зависит, прежде всего, от силы прямого электрического тока и от значения величины теплового сопротивления светодиодного устройства.
Известны светодиодные устройства, например, устройство 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 по патенту 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. Данное устройство применимо только для маломощных светодиодных кристаллов, поскольку не обеспечивает необходимый отвод тепла.
Технология посадки светодиодного кристалла непосредственно на печатную плату, называемая Chip-on-Board (COB), позволяет обеспечить улучшенный отвод тепла и создавать световые системы повышенной яркости. Данная технология наиболее перспективна с точки зрения создания эффективных светодиодных модулей, кластеров.
Новый подход к технологии корпусирования светодиодов и создания светодиодных модулей был предложен в устройстве по публикации W0 2004070839, проиллюстрированном на Фиг.1 и 2. В устройстве светодиодные кристаллы размещены непосредственно на плате (СОВ-технология) с металлической основой. Также на плате закреплена линза с поднутрением, где и располагается светодиодный кристалл. Поднутрение линзы заполнено полимерным материалом. Данный подход позволяет формировать протяженные светодиодные модули с хорошей первичной оптикой, однако использование предложенных светодиодных систем для наружного освещения имеет ограничение, поскольку требует обеспечения защиты светодиодов и платы от влияния внешней среды: воды, влажности, пыли, хим. реагентов и др. При создании осветительных систем на основе подобных модулей, необходимо помещать светодиодные модули внутри какого-либо корпуса, который будет обеспечивать защиту модуля от влияния негативных факторов внешней среды.
Таким образом, имеющиеся светодиодные системы обычно требуют решения следующих технических вопросов:
- обеспечение защиты печатной платы и светодиодов от воздействия внешней среды: воды, повышенной влажности, пыли и др.;
- формирование сложных электрических соединений в светодиодной системе;
- достижение требуемого углового распределения света и высокой эффективности светодиодной системы;
- решение вопроса отвода выделяющегося тепла.
Задачей настоящего изобретения является устранение недостатков известных светодиодных систем путем решения вышеуказанных проблем, благодаря созданию конструкции светодиодного модуля с улучшенными оптическими характеристиками в широком спектральном диапазоне и высокой эффективностью, обусловленными оптимальной системой теплоотвода и конструктивными особенностями печатной платы, а также повышенным уровенем защиты конструкции от влияния негативных факторов окружающей среды. Такой светодиодный модуль можно рассматривать как завершенный осветительный элемент, не требующий установки в дополнительный защитный корпус.
Поставленная задача решена за счет того, что в светодиодном модуле, содержащем печатную плату, на которой размещены полупроводниковые элементы поверхностного монтажа и по крайней мере один защищенный светопрозрачным герметизирующим первым полимерным материалом светоизлучающий кристалл, имеющий электрические контакты и провода для соединения с упомянутыми полупроводниковыми элементами и источником питания, в соответствии с изобретением печатная плата по меньшей мере частично покрыта по крайней мере одним защитным слоем второго полимерного материала.
Для формирования требуемого спектра излучения светодиодов допускается, чтобы светопрозрачный герметизирующий первый полимерный материал светодиодного модуля содержал по крайней мере один люминофор.
Предпочтительно, чтобы любой из двух вышеописанных светодиодных модулей содержал линзы, снабженные средствами крепления к плате. Линзы выполнены с поднутрением и установлены так, что накрывают защищенный светопрозрачным герметизирующим первым полимерным материалом светоизлучающий кристалл. Желательно чтобы средства крепления были выполнены в виде пинов, которые одновременно служат юстировочными элементами.
Желательно, чтобы в любом из вышеописанных светодиодных модулей упомянутая печатная плата содержала теплоотводящую основу с размещенными на ней последовательно слоями из диэлектрического и металлического материала. На одном или нескольких слоях из металлического материала выполняется топология/трассировка печатной платы.
Упомянутый защитный слой второго полимерного материала может быть светопрозрачным. Возможно добавление в упомянутый светопрозрачный защитный слой второго полимерного материала светорассеивающего материала. При этом концентрация распределения светорассеивающего материала в светопрозрачном защитном слое второго полимерного материала может варьироваться по поверхности печатной платы. Защитный слой второго полимерного материала может иметь цветовую окраску. В защитный слой второго полимерного материала может быть интегрирована визуальная информация в виде рисунков, изображений, текстов и др.
Желательно, чтобы светодиодный модуль содержал нескольких защитных слоев второго полимерного материала с различной степенью твердости.
Предпочтительно, чтобы любой из вышеописанных вариантов выполнения светодиодного модуля дополнительно имел слой светоотражающего материала на поверхности печатной платы под защитным слоем второго полимерного материала.
Еще более предпочтительно, чтобы любой из описанных вариантов выполнения светодиодного модуля дополнительно имел слой светоотражающего материала на поверхности печатной платы под светодиодным кристаллом.
Далее предложенное изобретение поясняется с помощью чертежей, на которых:
Фиг.1 и Фиг.2 - ранее известное светоизлучающее устройство, описанное в публикации WO 2004070839;
Фиг.3 - вертикальное сечение варианта осуществления светодиодного модуля, в котором печатная плата частично покрыта защитным слоем второго полимерного материала;
Фиг.4 - вертикальное сечение варианта осуществления светодиодного модуля, в котором печатная плата полностью покрыта защитным слоем второго полимерного материала;
Фиг.5 - вертикальное сечение варианта осуществления светодиодного модуля, содержащего множество светоизлучающих кристаллов, в котором печатная плата полностью покрыта защитным слоем второго полимерного материала;
Фиг.6 - вертикальное сечение варианта выполнения светодиодного модуля с основой печатной платы из металла;
Фиг.7 - вертикальное сечение варианта выполнения светодиодного модуля с основой печатной платы из теплоотводящей керамики;
Фиг.8 - вертикальное сечение варианта выполнения светодиодного модуля с двумя защитными слоями второго полимерного материала;
Фиг.9 - вертикальное сечение варианта выполнения светодиодного модуля, в котором второй полимерный материал защитного слоя содержит светорассеивающий материал, диспергатор;
Фиг.10 - вертикальное сечение варианта выполнения светодиодного модуля, имеющего светоотражающие слои из светоотражающего материала.
На фиг.3 показан один из предпочтительных вариантов выполнения светодиодного модуля, содержащего печатную плату, имеющую изолирующую основу 1 и металлический слой 2 с выполненной на нем топологией/трассировкой печатной платы, а также светоизлучающим кристаллом 3 с электрическими контактами и проводами 4, защищенным светопрозрачным герметизирующим первым полимерным материалом 5, в качестве которого может быть использован инкапсулирующий материал, например, силикон. Область светоизлучающего кристалла 3 покрыта оптической линзой 6 с заданными характеристиками, выполненной с поднутрением, в котором заключен упомянутый светопрозрачный герметизирующий первый полимерный материал 5, формируя тем самым единую оптическую систему со светоизлучающим кристаллом 3. Линза 6 имеет крепежные пины 7, с помощью которых линза закреплена и выровнена на печатной плате. Введение различных люминофоров в первое полимерное покрытие 5 позволяет получать различные спектры эмиссии светодиода. Для использования модуля как самостоятельного элемента освещения, т.е. без размещения его в дополнительный защитный корпус, обеспечивая при этом высокий уровень защиты от влияния негативных факторов окружающей среды, предусмотрено покрытие платы защитным слоем 8 второго полимерного материала. В настоящем варианте осуществления изобретения защитный слой 8 второго полимерного материала покрывает печатную плату не полностью, а только ее верхнюю часть.
В светодиодных модулях на печатной плате могут быть установлены различные полупроводниковые элементы поверхностного монтажа: микросхемы, диоды, транзисторы, резисторы, конденсаторы и т.д., формирующие схему электрического питания. Для обеспечения более надежной защиты модуля, особенно при наличии развитой поверхностной структуры и/или в случаях применения в условиях вредной окружающей среды, печатная плата вместе со всеми установленными на ней полупроводниковыми элементами полностью покрыта защитным слоем второго полимерного материала, как это показано на фиг.4, иллюстрирующей защитный слой 8, покрывающий плату со всех сторон: сверху, снизу и с боков.
Таким образом, получают завершенный светильник с интегрированной схемой электрического питания и с необходимым уровнем защиты от воздействий внешней среды.
При приложении напряжения к светодиодному кристаллу 3 через проводник 4 и трассировку слоя 2 печатной платы, кристалл 3 начинает излучать свет с определенной длиной волны. Оптическая согласованная система, состоящая из линзы 6 и первого полимерного материала 5 обеспечивает вывод излучения от светодиодного кристалла и формирование определенного углового распределения света. Тепло, выделяемое в светодиодном кристалле 3, отводится на основание 1 платы и рассеивается. Защитный слой 8 предохраняет плату и все элементы поверхностного монтажа от воздействия внешних факторов.
Используемый защитный слой 8 второго полимерного материала может быть как прозрачным, так и пигментированным, цветным, в том числе и многоцветным. Такие светодиодные модули помимо освещения, также могут выполнять декоративные или рекламные функции: известно, что бренды многих компаний ассоциируются с каким-либо цветом или сочетанием цветов, так, например, цвет компании Coca Cola - красный, а у Банка Райффайзен - черный и желтый, ВР - зеленый и т.д. Цветные или многоцветные модули могут быть использованы для формирования информационных панелей, а также служить в качестве декоративного освещения. Также можно в защитном слое 8 размещать на светодиодных модулях различную визуальную информацию в виде рисунков, изображений, текста и т.д., размещая ее под полимерным покрытием или же формируя визуальную информацию за счет применения разноцветных полимерных материалов и/или разноцветных пигментных включений в полимерный материал.
На основе вышеуказанного подхода можно формировать светодиодные модули любого размера, которые будут содержать любое количество светодиодных кристаллов, как показано на фиг.5.
Для обеспечения лучшего теплоотвода от светодиодных модулей возможно использование печатных плат с металлической или керамической основой. На фиг.6 показан вариант выполнения светодиодного модуля с массивной основой 1 из металла, например, Al. В этом случае между металлической основой 1 и металлическим слоем 2, содержащим топологию, трассировку, печатной платы, находится слой изолирующего материала, препрег 9, обеспечивающий электрическую развязку между металлической основой 1 и металлическим слоем 2.
В настоящее время разработано большое количество композиционных, керамических материалов, которые имеют высокую теплопроводность, при этом сохраняя электроизоляционные свойства. Использование этих материалов в качестве теплоотводящей основы платы позволяет существенно упростить конструкцию платы. На фиг.7 показан вариант выполнения светодиодного модуля с массивной основой 1 из теплопроводящей керамики, обеспечивающей лучший отвод тепла от светодиодного модуля. В этом случае слой 2, содержащий топологию печатной платы, например, медная трассировка, располагается непосредственно на основании платы, что обусловлено тем, что керамика является электрическим изолятором.
Для защиты элементов поверхностного монтажа, расположенных на печатной плате, от возможного влияния механических напряжений, возникающих в результате как различия коэффициентов теплового расширения защитного полимерного слоя и корпусов компонентов, так и в результате прямых механических воздействий, например, ударов, предлагается использовать многослойные защитные покрытия, где чередуются защитные слои эластичных вторых полимерных материалов со слоями вторых полимерных материалов с высокой твердостью. Толщина и количество защитных слоев определяются как конструктивными особенностями платы, так и необходимым уровнем защиты платы от механических воздействий. Такой вариант выполнения показан на Фиг.8, где печатная плата светодиодного модуля покрыта двумя защитными слоями второго полимерного материала: первый эластичный слой 10 и второй твердый слой 11. Для создания защитных полимерных слоев с разной твердостью могут быть использованы различные материалы, например, силиконы, эпоксидные смолы, сополимерные материалы и т.д.
Защитный слой полимерного материала может быть прозрачным. Однако известно, что одной из проблем, характерных для систем светодиодного освещения, является наличие эффекта ослепления. Светодиодный источник света можно рассматривать как высокоинтенсивный точечный источник света. Предложенный защитный слой полимерного материала может использоваться также для уменьшения эффекта ослепления от ярких, точечных источников света. Прозрачный защитный слой можно рассматривать как оптический волновод, который будет способствовать выводу части оптического излучения из отдельных точечных источников света, и обеспечивать распространение света вдоль защитного слоя полимерного материала. Диффузионное рассеивание света в защитном слое может быть достигнуто за счет введения во второй полимерный материал светорассеивающих материалов, диспергаторов, например, микронного размера частиц двуокиси кремния, окиси аллюминия, двуокиси титана и др. Пузырьки воздуха микронного размера также могут эффективно исполнять роль рассеивающих свет центров. На фиг.9 показан вариант осуществления светодиодного модуля с введенным в защитный слой 8 диспергатором 12.
Меняя тощину защитного слоя 8 с добавкой диспергатора 12, можно менять количество света, выводимого из отдельного светодиода, и, таким образом, менять уровень фоновой засветки всей поверхности модуля.
При изменении концентрации диспергатора в отдельных областях защитного слоя, соответственно меняется и интенсивность рассеивания света в этих областях. Таким образом, обеспечивая различную концентрацию диспергатора 12 в отдельных областях защитного слоя 8, можно формировать меняющуюся световую засветку различных участков модуля.
Защитный слой 8 можно использовать для размещения в нем различной визуальной информации, например изображений, символов, надписей и т.п.
Рассеивание света в защитном слое 8 с диспергатором 12 в вариантах исполнения светодиодного модуля с многослойным защитным покрытием может использоваться для подсветки вышележащих защитных слоев, например, слоев, содержащих различную визуальную информацию.
Для уменьшения потерь света, распространяющегося вдоль защитного полимерного слоя, поверхность печатный платы непосредственно перед нанесением защитного слоя можно покрыть светоотражающим материалом, например серебром, белым лаком, сульфатом бария, окисью алюминия и т.д.
С целью повышения эффективности светодиодного модуля и улучшения вывода излучения из светодиодного кристалла область посадки светодиодного кристалла также может быть хотя бы частично покрыта слоем светоотражающего материала, таким как серебро, окись алюминия, сульфатом бария, окисью титана и т.д. На фиг.10 показан вариант выполнения светодиодного модуля, в котором светоотражающий слой 13 нанесен под светодиодным кристаллом 3, а также второй светоотражающий слой 14 нанесен на поверхность платы под защитным слоем 8.