Светодиодное полупроводниковое устройство в корпусе для 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 повышение мощности (силы света) излучения светодиодного устройства за счет применения кремния как основы при изготовлении корпуса прибора для поверхностного монтажа, уменьшение за счет этого теплового сопротивления корпуса, и улучшения отражательной способности лунки при травлении ее в кремниевом основании. Сущность: светодиодное устройство содержит в качестве излучателей один или более полупроводниковых кристаллов. Держатель выполнен из кремния с присоединительными выводами. В держателе травлением выполнено углубление с плоским дном для посадки кристаллов и отражающей излучение боковой поверхностью. Отражающая излучение боковая поверхность углубления выполнена в форме тетраэдра или 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, на котором установлен полупроводниковый кристалл, второй электрод на верхней плоскости кремниевого держателя, на который разваривается второй электрод полупроводникового кристалла, и два контакта для поверхностного монтажа на нижней поверхности держателя. 11 з.п. ф-лы, 3 ил., 2 табл.
Изобретение относится к области электронной техники, в частности к полупроводниковым приборам, содержащим несколько элементов, сформированных на общей подложке, 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 протекаемого прямого электрического тока и от значения величины теплового сопротивления держателя, на котором установлен кристалл излучателя света. Известны светоизлучающие диоды [1-10], в которых кристалл излучателя света укреплен на держателе, соединенном с одним из электрических выводов, и размещен в пластмассовом корпусе, который состоит из кубического основания с отражателем в виде перевернутого конуса с углом 90θ при вершине. При прямом токе 20 мА минимальная величина силы света (аксиальная интенсивность свечения) составляет 0,2 кд. Угол излучения, измеряемый на половине мощности излучения, составляет 125θ. Недостатком такого светодиодного устройства является невысокая сила света, что обусловлено широкой диаграммой направленности и неполным сбором излучения направленного на отражатель излучения бокового света кристаллов, обусловленного некачественной поверхностью отражательной лунки, а также невозможностью повышения величины силы прямого тока через устройство из-за значительного теплового сопротивления корпуса и перегрева кристалла излучателя света, так как выделяемое тепло отводится только через металлический вывод. В этом случае наблюдается нарушение линейности люмен-амперной характеристики, приводящее к насыщению роста силы свечения при увеличении силы прямого тока. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому светодиодному устройству является прибор NECG050AT фирмы «Nichia».
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение мощности (силы света) излучения светодиодного устройства за счет применения кремния как основы при изготовлении корпуса прибора для поверхностного монтажа, уменьшение за счет этого теплового сопротивления корпуса, и улучшения отражательной способности лунки при травлении ее в кремниевом основании. Одной из особенностей изготовления данного светодиодного устройства является планарная групповая технология и то, что разделение пластины на отдельные готовые приборы происходит после сборки и тестирования всех светодиодных устройств на пластине. Среди многих преимуществ изготовления кремниевых корпусов следует выделить возможность интеграции в кремниевый корпус различных электронных приборов защиты излучателя от внешних воздействий, интегральных схем управления излучением, а также применением групповой планарной технологии изготовления приборов, повышение эффективности технологических процессов сборки, контроля качества и упаковки приборов, что значительно снижает затраты на изготовление как самого светодиодного устройства, так и систем на его основе.
Технический результат достигается тем, что в качестве источника излучения устройство содержит один и более отдельных полупроводниковых кристаллов одноцветного либо разноцветного излучения оптического диапазона, размещенных на общей для них подложке, причем подложка содержит углубление с плоским дном и отражающей излучение боковой поверхностью, углубление для посадки кристаллов на подложке имеет отражающую излучение боковую поверхность в форме тетраэдра или поверхности тела вращения, преимущественно усеченную коническую поверхность, либо в форме иного концентратора излучения так, чтобы боковое излучение каждого кристалла направлялось в сторону оптического элемента формирующего индикатрису излучения, глубина плоского посадочного места кристаллов излучателей света не менее чем в 1,2 раза превышает их толщину, но не превосходит двух толщин кристаллов, а величина диаметра посадочного места для каждого отдельного кристалла излучателя света превышает размер диагонали нижней грани соответствующего кристалла, но не менее чем в полтора раза величины указанной диагонали, причем объем концентратора излучения заполняется герметизирующим компаундом.
На фигуре 1 представлено предлагаемое светодиодное устройство в разрезе в увеличенном масштабе, где: 1 - кремниевое основание с углублением, выполненным в форме перевернутого усеченного конуса с отражающей излучение боковой поверхностью; 2 - один из кристаллов излучателя света; 3 - токопроводящий клей; 4 - электрические выводы; 5 - полимерный герметизирующий компаунд; 6 - проводник к контакту.
Работа светодиодного устройства в соответствии с фигурой 1 может быть описана следующим образом. При подаче на выводы 4 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 с его боковых граней после отражения усеченной конической поверхностью попадает в 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 5 обеспечивает влагозащищенность кристаллов излучателей света 2, проводника к выводу 6. Конструкция светодиодного устройства с полимерным герметизирующим компаундом 5, выполненная на основе кремниевого держателя с отражающей усеченной конической поверхностью на подложке, позволяет использовать боковое свечение излучателя света 2 и в два раза увеличить мощность излучения.
При монохромном одноцветном исполнении светодиодного устройства могут быть использованы кристаллы излучателей света 2 с красным, оранжевым, желтым, зеленым, голубым, синим цветами свечения или УФ-диапазона, а также кристаллы с люминофором для получения белого цвета.
Технологический маршрут изготовления светодиодного устройства представлен на фигуре 2.
Конструкции светодиодных устройств для посадки кристаллов методом флип-чип, для интеграции излучающего элемента с интегральной схемой или другим компонентом электроники, защитным диодом, без сквозной лунки в кремнии и т.д. представлены на фигуре 3а-3г.
Конструктивное воплощение конкретного светодиодного устройства, изготовленного согласно изобретению, содержит кремниевый держатель толщиной 0,3 мм, изготовленный по вышеприведенной технологии. Отражательная усеченная коническая поверхность имеет глубину 0,3 мм, диаметр на поверхности держателя равен 1,4 мм, диаметр плоского дна с посадочными местами для кристаллов составляет 0,7 мм.
Кристаллами излучателей света служили кристаллы, излучающие красный свет с длиной волны 633 нм, зеленый свет с длиной волны 525 нм и синий свет с длиной волны 470 нм. Для установки кристаллов излучателей света использовался токопроводящий клей марки ТОК-2.
Описанная конструкция светодиодного устройства обеспечивает величину теплового сопротивления 15°С/Вт и увеличение прямого тока через светодиод до 40 мА и более без потери линейности люкс-амперной характеристики. Ниже приведены характеристики разработанных на основании предлагаемого изобретения сверхъярких светодиодных устройств.
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 Iпр=40 мА, мкд | Тип сила света Iпр=40 мА, мкд | Угол излуч. 2Т 1/2Iv, град |
| 630 | 600 | 900 | 120 |
| 525 | 600 | 800 | 120 |
| 470 | 500 | 800 | 120 |
В таблице 2 представлены максимальные рабочие характеристики и другие показатели полупроводниковых светодиодных устройств.
| Таблица 2 | ||
| № п/п | Максимальные параметры при 25°С | |
| 1. | Максимальный пиковый прямой ток | 100 мА |
| 2. | Средний прямой ток | 50 мА |
| 3. | Максимальный прямой ток | 70 мА |
| 4. | Рассеиваемая мощность | 300 мВт |
| 5. | Обратное напряжение (обратный ток=100 мкА) | 5V |
| 6. | Рабочая температура | -55 до + 100°С |
| 7. | Температура пайки свинцовистым припоем(1,6 мм от крышки) | 260°С за 5 сек. |
Как видно из подробного описания изобретения и примеров его конкретного осуществления, разработанное светодиодное устройство может найти широкое промышленное применение.
Литература:
1. European Patent Office. Publication number: 0434471 A1.
2. European Patent Office. Publication number: EP 1174930 A1.
3. European Patent Office. Publication number: 0646971 A2.
4. United States Patent No.: US 6407928 B1.
5. United States Patent No.: US 6252350 B1.
6. United States Patent No.: US 6480389 B1.
7. United States Patent No.: US 6534799 В1.
8. United States Patent No.: US 4935856.
9. United States Patent No.: US 2002/0195935 A1.
10. United States Patent No.: US 6069440.
1. Светодиодное полупроводниковое устройство в корпусе для поверхностного монтажа, содержащее в качестве излучателей один или более полупроводниковых кристаллов, держатель из кремния с присоединительными выводами, в держателе травлением выполнено углубление с плоским дном для посадки кристаллов и отражающей излучение боковой поверхностью, отражающая излучение боковая поверхность углубления выполнена в форме тетраэдра или поверхности тела вращения, или в форме иного концентратора излучения так, чтобы боковое излучение кристаллов направлялось в сторону оптического элемента, формирующего излучения нужной индикатрисы, первый электрод, на котором установлен полупроводниковый кристалл, второй электрод на верхней плоскости кремниевого держателя, на который разваривается второй электрод полупроводникового кристалла, а также два контакта для поверхностного монтажа на нижней поверхности держателя.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что отражающая излучение боковая поверхность углубления выполнена в форме усеченного конуса или тетраэдра, получена травлением на всю глубину или не всю глубину.
3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что диаметр посадочного места для каждого отдельного кристалла превышает размер диагонали нижней грани соответствующего кристалла, но не более чем в полтора раза указанную диагональ.
4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что объем углубления заполнен герметизирующим компаундом с добавлением диспергатора, люминофора или без них.
5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что держатель сформирован с нанесенными изолирующими слоями.
6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что держатель сформирован с нанесенными изолирующими слоями и металлическими слоями, где один металлический слой сформирован на изолирующем слое, а другой сформирован на кремниевом держателе.
7. Устройство по п.7, отличающееся тем, что металлические слои выполнены из материала, выбранного из группы Ti, Pt, Ni, Au, Sn, Cu.
8. Устройство по пп.6 и 7, отличающееся тем, что изолирующие слои выполнены из материала, выбранного из группы SiO2, Si3N4, Al2О3.
9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что материал полупроводникового кристалла излучателя выбран из группы GaN, GaAs, InP, SiC, ZnO.
10. Устройство по п.3, отличающееся тем, что оба электрода полупроводникового кристалла сформированы на нижней поверхности усеченного конуса для посадки кристаллов методом флип-чип технологии.
11. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в кремниевом держателе сформирован один из электронных компонентов: выпрямляющий диод, стабилитрон, электрически связанный с кристаллом излучателя.
12. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в кремниевом держателе сформирована функциональная интегральная схема, электрически связанная с кристаллом излучателя.
