Светоизлучающий модуль и способ тепловой защиты

Изобретение относится к светоизлучающему модулю. Сущность изобретения: светоизлучающий модуль содержит полупроводниковое светоизлучающее устройство и термореле, которое оборудовано для защиты светоизлучающего устройства от перегрева. При повышенной температуре соединение устройства может достигать критического уровня, что приводит к катастрофической поломке устройства. Согласно изобретению термореле оборудовано, чтобы шунтировать полупроводниковое светоизлучающее устройство. Это является особым преимуществом, так как тепловая защита, выполняемая термореле, приведена в соответствие непосредственно с температурой устройства в условиях эксплуатации. Светоизлучающий модуль обеспечивает тепловую защиту, регулируемую и настроенную на температуру соединения полупроводникового светоизлучающего устройства. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к светоизлучающему модулю. Более точно, данное изобретение относится к светоизлучающему модулю, содержащему полупроводниковое светоизлучающее устройство и термореле. Кроме того, данное изобретение относится к способу тепловой защиты таких светоизлучающих модулей.

Предпосылки создания изобретения

Вариант осуществления светоизлучающего модуля изложенного вида известен по патенту JP2006060165. Этот документ раскрывает светоизлучающее устройство, содержащее LED, электрически подключенного последовательно с биметаллическим элементом. При подключении этого устройства к внешнему источнику тока, возникает эффект, заставляющий LED мигать. Данный эффект происходит из-за повторяющегося цикла нагревания и охлаждения биметаллического элемента, т.к. энергия рассеивается внутрь него, когда ток течет через устройство, и рассеивается от него, когда цепь разомкнута.

Повторяющееся размыкание и замыкание цепи посредством действия биметаллического элемента может обеспечить защиту LED от перегрева, и таким образом от серьезной поломки в случае, если температура соединения достигла бы критического значения.

Прекращение подачи тока через LED по патенту JP2006060165, как очевидно, не в первую очередь зависит от температуры (соединения) LED. Фактически, основным возбудителем функции биметаллического элемента является резистивное рассеивание электроэнергии в самом элементе. И, следовательно, это не обеспечивает тепловую защиту, хорошо отрегулированную и настроенную на температуру соединения самого LED.

Сущность изобретения

Целью данного изобретения является обеспечение светоизлучающего модуля изложенного вида, который обеспечивает тепловую защиту, регулируемую и настроенную на температуру соединения полупроводникового светоизлучающего устройства. Данная цель достигается посредством модуля, согласно первому аспекту изобретения, описанному в пункте 1 формулы изобретения. Светоизлучающий модуль, содержащий полупроводниковое светоизлучающее устройство, имеющее соединение, и термореле, отличается тем, что термореле предусмотрено для того, чтобы шунтировать полупроводниковое светоизлучающее устройство.

В электронике, шунт позволяет электрическому току обходить контакт в цепи. Это достигается при подключении шунта к цепи параллельно контакту. Также термореле в данном изобретении предусматривается в электрической параллели к светоизлучающему диоду или лазерному диоду. Предпочтительно то, что не электроэнергия рассеивается в термореле непосредственно в условиях эксплуатации. Вместо того в этих условиях (соединение) полупроводникового светоизлучающего устройства нагревается из-за не идеального перехода электроэнергии в световую. Монтаж термореле смежным (или, по крайней мере, в очень тесном соседстве) с устройством успешно приводит к более позднему нагреванию последнего как посредством передачи энергии излучения, так и посредством передачи электрической энергии через составляющие элементы модуля. Соответственно и предпочтительно, что тепловая защита, обеспечиваемая термореле, настраивается напрямую на температуру (соединения) полупроводникового устройства. В дополнение, когда множество модулей последовательно подключено в цепи, данное изобретение позволяет защитить отдельный модуль от перегрева без прекращения подачи тока в остальные модули данной цепи.

В варианте осуществления термореле предусмотрено для действия при заданной температуре шунта, предохраняя соединение от достижения критической температуры в условиях эксплуатации. Предпочтительно то, что это позволяет шунтировать ток, подаваемый к модулю, до того, как возникнет катастрофическое повреждение.

В варианте осуществления изобретения термореле содержит материал с высоким коэффициентом теплового расширения (ВКТР), причем α_В - коэффициент теплового расширения, и материал с низким коэффициентом теплового расширения (НКТР), причем α_Н - коэффициент теплового расширения, и α_В>α_Н. Преимущественно то, что это позволяет термореле геометрически деформироваться, что является причиной замыкания термореле, и таким образом шунтирования тока, подаваемого к полупроводниковому устройству.

В варианте осуществления, материал с ВКТР содержит металл, а материал с НКТР содержит керамику. Предпочтительно, что эти виды материалов могут легко собираться посредством обычного способа производства, известного из предшествующего уровня техники. Обычно, у металлов коэффициент выше, чем у керамики. Например, коэффициент теплового расширения некоторых полезных металлов: Cu~18·10^-6/°C, Al~24·10^-6/°C и сплава MnPd (обычно 80%/20%, со следами (Ni) никеля, добавленного для электрической жесткости) ~30·10^-6/°C. Так же, коэффициент некоторых полезных керамических материалов: Si₃N₄ ~3·10^-6/°C, A1N ~4·10^-6/°C, и Al₂0₃ ~8·10^-6/°C.

Согласно варианту осуществления изобретения, термореле содержит биметаллический элемент. Предпочтительно то, что такие элементы доступны и очень экономичны.

В варианте осуществления светоизлучающего модуля, согласно изобретению, материал с ВКТР обеспечивается в двух частях, причем части располагаются на расстоянии друг от друга, образуя зазор. Предпочтительно, что это дает возможность электрического подключения первой части материала с ВКТР к n-стороне полупроводникового устройства и второй части к p-стороне.

В варианте осуществления изобретения тепловой зазор предусматривается с заданным размером для определения температуры шунта. Предпочтительно, коэффициент теплового расширения позволяет определить рост температуры, что необходимо для обеих частей, для того, чтобы замкнуть зазор. Дизайн модуля (материалы, факторы геометрической формы и т.д.) повлияет на фиксированное взаимодействие между ростом температуры соединения и термореле. Иначе говоря, размер зазора может быть заранее определен, чтобы замыкание происходило на уровне температуры защитного шунта, согласованной с тепловой устойчивостью соединения.

Согласно второму аспекту данное изобретение обеспечивает способ защиты полупроводникового светоизлучающего устройства от перегрева, причем этот способ содержит этапы, обеспечивающие полупроводниковое светоизлучающее устройство, имеющее соединение; обеспечивающие термореле; причем отличающееся тем, что полупроводниковое светоизлучающее устройство шунтируется посредством термореле. Предпочтительно, такой способ может использоваться в управлении и испытании тепловой конструкции светоизлучающего модуля, содержащего полупроводниковое светоизлучающее устройство.

Эти и другие аспекты настоящего изобретения будут очевидны из вариантов осуществления и освещены со ссылками на варианты осуществления, описанные далее.

Краткое описание чертежей

Кроме того, особенности, признаки и преимущества настоящего изобретения будут раскрыты в последующем подробном описании предпочтительного варианта осуществления с пояснениями и ссылками на приложенные чертежи настоящего изобретения.

Фиг.1 изображает вид светоизлучающего модуля согласно предшествующему уровню техники.

Фиг.2 изображает вид, схематически представляющий вариант осуществления согласно изобретению.

Фиг.3-фиг.5 изображают виды, иллюстрирующие этапы производства варианта осуществления согласно изобретению.

Подробное описание предпочтительного варианта осуществления

Фиг.1 изображает вид светоизлучающего модуля 500 согласно предшествующему уровню техники. Модуль содержит LED 510, размещенный в углублении первой части 520 выводной рамки. Кроме того, модуль содержит вторую часть 530a,b выводной рамки, отделенную от первой части при помощи изоляции 540. LED 510 имеет эпитаксиальный пакет 511, содержащий полупроводниковый слой n-типа и p-типа для прослаивания (типа «сандвич») диодного соединения. n-контактный слой 512, подключает LED 510 к первой части 520 выводной рамки, в то время как p-контактный слой 513 и рельсовый соединитель 550 подключает LED ко второй части 530а выводной рамки. Первая 520 и вторая 530b части выводной рамки обеспечивают подключение к источнику электроэнергии. И, наконец, модуль содержит биметаллический элемент 560, собранный последовательно в цепь с LED 510. Подача электрического тока через модуль приводит к светоизлучению от LED, также как и к рассеиванию энергии в электрически резистивном биметаллическом элементе 560, установленном, чтобы размыкать электрическую цепь, как только достигается температура, заданная конструкцией элемента. Когда цепь разомкнута, LED прекращает излучать свет, и биметаллический элемент остывает. В результате, цепь замыкается, что позволяет току протекать через модуль и цикл перезапускается. Поэтому, LED отобразит эффект автоматического мигания. Поскольку основным возбудителем функции биметаллического элемента 560 является резистивное рассеивание (гашение) электроэнергии в самом элементе, очевидно разрыв электрической цепи, не в первую очередь, зависит от температуры (соединения) самого LED.

Фиг.2 изображает вид, схематически представляющий вариант осуществления согласно изобретению. Изображен вид светоизлучающего модуля 1, подключенного к внешнему источнику 100 энергии. Модуль содержит полупроводниковое светоизлучающее устройство 10 - обозначенное как LED, в последующем описании, однако, будет подразумеваться, что лазерный диод функционирует также - и термореле 20. LED содержит эпитаксиальный пакет (выполненный как известно из предшествующего уровня техники), включающий соединение, установленное, чтобы излучать свет заданной длины волны. Термореле включается параллельно (шунтирует) LED. Предпочтительно то, что не электроэнергия рассеивается в термореле 20 непосредственно в условиях эксплуатации. Фактически, LED 10 функционирует как источник тепла для действия термореле 20. Таким образом, монтаж термореле 20 смежным с LED 10 позволяет последнему разогреваться позднее, как посредством передачи энергии излучения, так и посредством передачи электропроводной энергии через конструктивные элементы (не показано) модуля 1. Следовательно, тепловая защита, предлагаемая термореле 20, настраивается на температуру (соединения) LED 10. Очевидно, реле не действует при той же самой температуре, что и соединение LED 10, которому требуется тепловая защита. Геометрические коэффициенты конструкции светоизлучающего модуля 1 устанавливают разницу температур между соединением и термореле 20. Следовательно, реле может быть оборудовано или отрегулировано так, чтобы действовать при заданной температуре шунта значительно ниже критической температуры соединения. Предпочтительно то, что это позволяет защищать LED 10 от достижения критической температуры соединения, и следовательно от катастрофического повреждения в условиях эксплуатации. Как только термореле 20 замыкается, электрический ток обходит стороной LED 10, что приводит в результате к его охлаждению. Уменьшенное тепловое рассеивание в LED 10, в свою очередь, приводит термореле 20 к остыванию и к повторному размыканию. Это позволяет стабилизировать температуру LED 10 в модуле 1.

Фиг.3-фиг.5 изображают виды, иллюстрирующие этапы производства варианта осуществления в соответствии с настоящим изобретением. Начнем с фиг.3, где изображен вид, иллюстрирующий светоизлучающий модуль 1, содержащий подложку 5. На верху подложки 5 размещаются шаблоны 12, 13 для электрического подключения к n- и p-сторонам LED 10. В месте соединения с LED 10 модуль 1 содержит термореле 20. В варианте осуществления термореле 20 содержит материал 30 с ВКТР (фиг.5) и материал 40 с НКТР (фиг.4). Материал 30 с ВКТР имеет коэффициент теплового расширения - α_В. Точно так же, материал 40 с НКТР имеет коэффициент теплового расширения - α_Н. Отношение α_В>α_Н сохраняется. Материал 40 с НКТР предпочтительно содержит керамику, такую как Si₃ N₄, Al₂ O₃ или AlN, в то время как материал 30 с ВКТР содержит металл, такой как медь, алюминий или сплав MnPd. Предпочтительно то, что данные виды материалов могут быть легко получены обычными способами изготовления, применяемыми в производстве полупроводниковых светоизлучающих устройств. В варианте осуществления, сквозные (меж)соединения 35 (фиг.3) через материал 40 с НКТР, соединяют материал 30 с ВКТР с шаблонами 12, 13. Материал 40 с НКТР также действует, как электрический изолятор.

В варианте осуществления, материал 30 с ВКТР содержит две части 31, 32 (фиг.5). Существенно то, что оборудование этих частей на маленьком расстоянии друг от друга сверху материала 40 с НКТР создает зазор 36 между ними. В варианте воплощения зазор 36 имеет заданный размер. Предпочтительно то, что это позволяет определять температуру шунта. Повышение температуры ΔТ, равное температуре шунта, побуждает термореле 20 замыкаться, если размер зазора d равен d=α_В·ΔТ.

Способ защиты полупроводникового светоизлучающего устройства 10, согласно данному изобретению, может эффективно применяться в испытании тепловых конструкций осветительных установок, содержащих модули 1. В то время как применяются современные дорогостоящие и склонные к ошибкам способы, такие как испытания температурных скачков и тепловидение, применение заявленного способа устраняет многие проблемы в данной области. Во-первых, известные способы становятся устаревшими с того момента, как заявленный способ непосредственно раскрывает очевидное (видимое невооруженным глазом), достигнута ли критическая температура конструкции в осветительной установке, а соответственно, в светоизлучающем модуле 1. Наконец, при достижении предела критической температуры LED 10 погаснет. Во-вторых, светоизлучающий модуль 1 по настоящему изобретению может массово производиться с низкими затратами. В-третьих, модули 1 могут быть сконструированы, чтобы функционировать при температуре заданного уровня. Эти преимущества делают модули универсальным инструментом для широкого диапазона практических применений и температур.

Несмотря на то, что настоящее изобретение освещает проблему со ссылками на варианты осуществления, описанные выше, будет очевидным, что альтернативные варианты осуществления могут быть использованы для достижения подобной цели. Возможности настоящего изобретения, исходя из вышесказанного, не ограничиваются раскрытыми выше вариантами осуществления. Например, как альтернатива к вышеописанному термореле 20, вариант осуществления может охватывать биметаллический элемент.

Соответственно, идея и сфера настоящего изобретения ограничиваются только формулой изобретения и ее эквивалентами.

1. Светоизлучающий модуль (1), содержащий
полупроводниковое светоизлучающее устройство (10), имеющее соединение, и термореле (20), размещенное электрически параллельно к полупроводниковому светоизлучающему устройству (10) и расположенное смежно с полупроводниковым светоизлучающим устройством (10), что позволяет термореле быть нагреваемым посредством полупроводникового светоизлучающего устройства (10), отличающийся тем, что термореле приспособлено для шунтирования полупроводникового светоизлучающего устройства при заданной температуре шунта, предохраняя соединение от достижения критической температуры в условиях эксплуатации.

2. Светоизлучающий модуль (1) по п.1, в котором термореле (20) содержит материал с ВКТР (30) с коэффициентом теплового расширения α_h и материал с НКТР (40) с коэффициентом теплового расширения α₁ и α_h>α₁.

3. Светоизлучающий модуль (1) по п.2, в котором материал с ВКТР (30) содержит металл, и материал с НКТР (40) содержит керамику.

4. Светоизлучающий модуль (1) по п.2, в котором термореле (20) содержит биметаллический элемент.

5. Светоизлучающий модуль (1) по п.2, в котором материал с ВКТР (30) обеспечивается в двух частях (31, 32), части располагаются на расстоянии друг от друга, формируя зазор (36).

6. Светоизлучающий модуль (1) по п.5, в котором зазор (36) предусмотрен с заданным размером, определяющим температуру шунта.

7. Светоизлучающий модуль (1) по любому из предшествующих пунктов, в котором полупроводниковое светоизлучающее устройство (10) содержит светоизлучающий диод или лазерный диод.

8. Способ защиты полупроводникового светоизлучающего устройства (10) от перегрева, содержащий этапы, на которых обеспечивают полупроводниковое светоизлучающее устройство (10), имеющее соединение, обеспечивают термореле (20), размещенное электрически параллельно к полупроводниковому светоизлучающему устройству (10) и расположенное смежно с полупроводниковым светоизлучающим устройством (10), что позволяет термореле быть нагреваемым посредством полупроводникового светоизлучающего устройства (10), отличающийся наличием этапа, на котором шунтируют полупроводниковое светоизлучающее устройство (10) посредством термореле (20) при заданной температуре шунта, предохраняя соединение от достижения критической температуры в условиях эксплуатации.