Светодиодное полупроводниковое устройство, предназначенное для сборки методом поверхностного монтажа

Изобретение относится к области электронной техники, в частности к светодиодным устройствам, и может найти применение в производстве светодиодных устройств, используемых в коммунальном хозяйстве, рекламе, автомобильной промышленности, энергетике, железнодорожном транспорте и в других отраслях промышленности. Техническим результатом предлагаемого изобретения является дальнейшее повышение мощности (силы света) излучения светодиодного устройства за счет применения металлического основания со сформированными лунками отражателями и полиамидного носителя как основы при изготовлении корпуса прибора для поверхностного монтажа, уменьшение за счет этого теплового сопротивления корпуса, и улучшения отражательной способности лунки полученной в медном основании, методом штамповки. Сущность: светодиодное устройство содержит в качестве излучателей один или более полупроводниковых кристаллов. Держатель выполнен из сочетания полиамидной пленки с металлическим покрытием, с присоединительными выводами и медного основания с лунками определенной формы. В основании штампованием выполнено углубление с плоским дном для посадки кристаллов и отражающей боковое излучение кристаллов поверхностью. Отражающая излучение поверхность углубления выполнена в форме поверхности тела вращения, или в форме иного концентратора излучения так, чтобы боковое излучение кристаллов направлялось в сторону оптического элемента, формирующего излучения нужной индикатрисы. Также устройство содержит первый электрод медное основание, на котором установлен полупроводниковый кристалл, второй электрод из полиамидного материала на верхней плоскости медного основания, на который разваривается контакт полупроводникового кристалла, и продолжение

полиамидного контакта для поверхностного монтажа на нижнюю поверхность медного основания.

Полезная модель относится к области электронной техники, в частности к полупроводниковым приборам, а именно к светодиодным устройствам, и может найти применение в полупроводниковой промышленности при разработке и производстве светодиодных устройств, используемых в коммунальном хозяйстве, рекламе, автомобильной промышленности, энергетике, железнодорожном транспорте и в других отраслях промышленности.

Светодиодные устройства широко применяются для сигнализации о режиме работы различной аппаратуры, в системах освещения и подсветки, моноцветных, многоцветных и полноцветных экранах индивидуального и коллективного пользования любого формата, для подсветки в неактивных приборах типа ЖКИ, в мобильных телефонах и др.

Использование светодиодных устройств 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, различной величиной и равномерностью светящегося пятна и разной мощностью (силой света) излучения.

Наиболее важным параметром светодиодных устройств является мощность излучения, зависящая прежде всего от силы прямого электрического тока через р-n переход кристалла от теплового сопротивления кристалла и теплового сопротивления устройства в целом. Наименьшим тепловым сопротивлением обладают кристаллы серии XB900-S и EZ1000-S фирмы Стее. Тепловое сопротивление подобных кристаллов находится на уровне единиц градусов на ватт. В то же время тепловое сопротивление лампы XL7090 с применением данных кристаллов составляет порядка 17°С/Вт. Таким образом, с применением радиаторов, наибольшую

мощность, которую можно рассеять на такой лампе, при температуре окружающей среды +20°С равна 3 Вт. В случае применения медного основания и посадки на него кристалла, тепловое сопротивление уменьшается до 3°С/Вт. С применением соответствующего радиатора рассеиваемая мощность увеличивается до 10 Вт. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому светодиодному устройству является прибор NECG050AT фирмы "Nichia" и патент РФ 2267188, МПК 7 H01L 33/00, дата приоритета 2003.06.23. Недостатком ближайших аналогов является сложность технологического процесса сборки, а также недостаточная светоотдача.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение мощности (силы света) излучения светодиодного устройства. Одной из особенностей изготовления данного светодиодного устройства, является полная автоматизация сборочных процессов, где, в частности, разделение ленты основания на отдельные готовые приборы происходит после тестирования всех светодиодных устройств на ленте.

Заявленный технический результат достигается следующим образом.

Светодиодное полупроводниковое устройство, предназначенное для сборки методом поверхностного монтажа, содержит источник излучения и держатель источника излучения с присоединительными выводами. Источник излучения выполнен в виде, по меньшей мере, одного кристалла, взаимодействующего с электродами, покрытыми с внешней и внутренней сторон держателя изолирующим полиамидным слоем, обеспечивающим возможность проведения поверхностного монтажа. Основание держателя источника излучения выполнено из металла, имеет, по меньшей мере, одно углубление с плоским дном для размещения, по меньшей мере, одного кристалла и отражающую боковую поверхность в форме тела вращения, либо в форме иного концентратора излучения, выполненного с возможностью формирования бокового излучения каждого кристалла в сторону оптического элемента, формирующего излучение нужной индикатрисы.

Основание держателя источника излучения может быть выполнено из металлов группы Медь, Алюминий, Серебро, Латунь, Железо, или сплавов на их основе.

Функцию одного из электродов может выполнять основание.

Один или оба электрода могут изолированы от основания изолирующим слоем, выполненным из термопластичного термостойкого полимера, стеклообразного или керамического диэлектрика или диэлектрической пасты.

Объем углубления заполнен герметизирующем компаундом. В компаунд может добавляться диспергатор и/или люминофор.

Оптический элемент, формирующий необходимую индикатрису излучения, выполнен из того же герметика, которым заполнен объем углубления основания.

Основание держателя источника излучения может быть выполнено в виде пластины или ленты с перфорацией или без перфорации для автоматической сборки устройства.

Изолирующее покрытие может быть выполнено в виде пластины или ленты с перфорацией или без перфорации для автоматической сборки устройства.

Электроды могут быть выполнены в виде пластины или ленты с перфорацией или без перфорации для автоматической сборки устройства.

Электрод со сформированным на нем изолирующем слоем может быть выполнен в виде ленты, завальцованной вокруг края основания, выполненного в виде ленты.

Материал кристалла излучателя выбирают из группы состоящей из GaN, InGaALN, GaAs, InP, SiC, ZnO.

Для посадки кристаллов методом флип-чип технологии (обратный монтаж) углубление в основании может отсутствовать.

Оптический элемент, формирующий необходимую индикатрису излучения, выполняется при герметизации устройства.

Электроды могут быть выполнены из одного или нескольких слоев материалов, выбранных из группы, состоящей из Ti, Pt, Ni, Au, Sn, Сu, паст или сплавов на их основе.

Основание держателя источника излучения может, изолирующее покрытие и электроды могут быть выполнены из паст по толстопленочной технологии, методами напыления или гальванического осаждения.

В качестве источника излучения устройство содержит один и более отдельных полупроводниковых кристаллов одноцветного либо разноцветного излучения оптического диапазона, размещенных на общем основании, причем основание содержит углубление с плоским дном и отражающей боковое излучение кристаллов боковой поверхностью. Боковая поверхность углубления представляет собой поверхность тела вращения, преимущественно усеченную коническую поверхность, либо форму иного концентратора излучения так, чтобы боковое излучение каждого кристалла направлялось в сторону оптического элемента формирующего индикатрису излучения.

Модель иллюстрируется фиг. фиг.1 и 2 где представлены варианты общего вида заявленного светодиодного устройства, где 1 - медное основание с углублением, выполненное в форме перевернутого усеченного конуса, 2 - один из кристаллов излучателя света, 3 - электрические выводы, 4 - формирующее излучение линза, 5 - проводник к контакту кристалла.

Работа светодиодного устройства может быть описана следующим образом.

При подаче на выводы 3 электрического напряжения обеспечивающего протекание прямого электрического тока через кристалл излучателя света 2, кристалл начинает испускать свет. Излучение с верхней поверхности кристалла излучателя света 2 и его боковых поверхностей после отражения усеченной конической поверхностью попадает на слой полимерного герметизирующего компаунда, а затем на оптическую систему, формирующую излучение нужной индикатрисы. В зависимости от требуемой

диаграммы направленности излучения применяется соответствующая конфигурация линзы. Наличие полимерного герметизирующего компаунда обеспечивает влагозащищенность кристаллов излучателей 2. На фигурах 2, 3 показаны варианты изготовления излучателей с применением металлического основания и полиамидных носителей. Технологический маршрут изготовления светодиодного устройства представлен на фигуре 4, где показаны варианты технологии изготовления одиночного СД и перфорированной ленты основания. Описанная конструкция светодиодного устройства обеспечивает величину теплового сопротивления 5°С/Вт. и увеличение прямого тока через светодиод до 80 мА и более без потери линейности люкс-амперной характеристики.

Примеры конкретного выполнения предлагаемого светодиодного устройства иллюстрируются показателями, приведенными в таблицах 1-2.

В таблице 1 представлены характеристики ярких полупроводниковых светодиодных устройств.

Таблица 1
Длина волны, нм.	Мин сила света кд, при Iпр=100 мА.	Потребляемая мощность Вт.	Угол излучения 21/2Iv град.
630	2,0	0,25	120
525	1,5	0,32	120
470	0,5	0,32	120

В таблице 2 представлены максимальные рабочие характеристики полупроводниковых светодиодных устройств для поверхностного монтажа.

Варианты технологий изготовления заявленного сведодиодного устройства могут быть следующими:

1. Технология «Матрица», включает:

формирование прессованием и вырубкой пластин основания, электродов и изолирующего слоя;

совмещение и прессование пластин при температуре;

резка пластин лазером на отдельные элементы.

2. Технология «Лента»:

формирование ленты основания прессованием и вырубкой;

вырезка ленты электродов с изоляционным слоем;

завальцовывание ленты электродов с изоляционным слоем вокруг одного края ленты основания;

прессование лент при температуре;

разрезка лент лазером на отдельные элементы.

Как видно из описания изобретения и примеров его конкретного осуществления, разработанное светодиодное устройство может найти широкое промышленное применение.

1. Светодиодное полупроводниковое устройство, предназначенное для сборки методом поверхностного монтажа содержащее источник излучения и держатель источника излучения с присоединительными выводами, источник излучения выполнен в виде, по меньшей мере, одного кристалла, взаимодействующего с электродами, покрытыми с внешней и внутренней сторон держателя изолирующим полиамидным слоем, обеспечивающим возможность проведения поверхностного монтажа, а основание держателя источника излучения выполнено из металла, имеет, по меньшей мере, одно углубление с плоским дном для размещения, по меньшей мере, одного кристалла и отражающую боковую поверхность в форме тела вращения, либо в форме иного концентратора излучения, выполненного с возможностью формирования бокового излучения каждого кристалла в сторону оптического элемента, формирующего излучение нужной индикатрисы.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что основание выполнено из металлов группы Cu, Al, Ag, Fe или сплавов на их основе.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что одним из электродов является само основание.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что один или оба электрода изолированы от основания изолирующим слоем, выполненным из термопластичного термостойкого полимера, стеклообразного или керамического диэлектрика или диэлектрической пасты.

5. Светодиодное полупроводниковое устройство по п.1, отличающееся тем, что объем углубления заполнен герметизирующем компаундом;

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что объем углубления заполнен герметизирующим компаундом с добавлением диспергатора и/или люминофора.

7. Устройство по п.5, отличающееся тем, что оптический элемент, формирующий необходимую индикатрису излучения, выполнен из того же герметика.

8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что основание выполнено в виде пластины или ленты с перфорацией или без перфорации для автоматической сборки устройства.

9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что изолирующий слой выполнен в виде пластины или ленты с перфорацией или без перфорации для автоматической сборки устройства.

10. Устройство по п.1, отличающееся тем, что электроды выполнены в виде пластины или ленты с перфорацией или без перфорации для автоматической сборки устройства.

11. Устройство по п.1, отличающееся тем, что электрод со сформированным на нем изолирующем слоем выполнен в виде ленты, завальцованной вокруг края основания.

12. Устройство в соответствии с п.1, отличающееся тем, что материал кристалла излучателя выбран из группы, состоящей из GaN, InGaAlN, GaAs, InP, SiC, ZnO.

13. Устройство по п.1, отличающееся тем, что для посадки кристаллов методом флип-чип технологии (обратный монтаж) в основании отсутствует углубление.

14. Устройство по п.9, отличающееся тем, что оптический элемент, формирующий необходимую индикатрису излучения, выполняется при герметизации устройства.

15. Устройство по п.1, где электроды выполнены из одного или нескольких слоев материала, выбранного из группы, состоящей из Ti, Pt, Ni, Au, Sn, Cu, паст или сплавов на их основе.

16. Устройство по п.1, где основание, изолирующий слой и электроды выполнены из паст по толстопленочной технологии, методами напыления или гальванического осаждения.