Модуль светодиода с увеличенными размерами элементов
Модуль излучателя света содержит подложку, кристалл излучателя света, установленный на подложке, при этом отношение ширины кристалла к ширине подложки составляет 0,35 или более, и линзу над кристаллом излучателя света, причем отношение ширины кристалла к ширине линзы составляет 0,5 или более. Согласно изобретению предложены еще три варианта модулей излучателей света и конструкция модуля светодиода (LED). Изобретение обеспечивает повышение светового потока и светоотдачи. 5 н. и 7 з.п. ф-лы, 13 ил.
[0001] Настоящая заявка является частичным продолжением заявки на патент США №11/982275, зарегистрированной 31 октября 2007 г. Настоящая заявка также ссылается на приоритет предварительной заявки на патент США №61/173550, зарегистрированной 28 апреля 2009 г.
ПРЕДПОСЫЛКИ К СОЗДАНИЮ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Область техники
[0002] Настоящее изобретение относится к модулям излучателей света (излучателям света, заключенным в корпус) и, в частности, к модулям светоизлучающих диодов (светодиодов, LED) с формованными линзами.
Уровень техники
[0003] Светодиоды - это твердотельные устройства, преобразующие электрическую энергию в свет и, в общем, содержащие один или более активных слоев полупроводникового материала, которые помещены между слоями, легированными примесями с противоположным типом проводимости. Когда к легированным слоям прикладывается напряжение смещения, дырки и электроны инжектируют в активный слой, где они рекомбинируют с излучением света. Свет излучается активным слоем и всеми поверхностями светодиода.
[0004] Чтобы использовать кристалл светодиода в какой-либо схеме или в других подобных устройствах, он, как известно, заключается в корпус, что обеспечивает защиту от окружающей среды и/или механическую защиту, выбор цвета, световую фокусировку и т.п. Модуль светодиода (светодиод, заключенный в корпус) может также содержать электрические выводы, контакты или печатные дорожки для электрического подключения модуля светодиода к внешней схеме. На фиг.1А изображен известный модуль светодиода, который обычно содержит один кристалл светодиода 12, установленный на отражательной чашке 13 с помощью паяного соединения или с помощью проводящей эпоксидной смолы. Одно или более проволочных соединений 11 связывают омические контакты кристалла светодиода 12 с выводами 15А и/или 15В, которые прикреплены к отражательной чашке 13 или встроены в нее. Отражательная чашка 13 может быть заполнена герметическим материалом 16, который содержит преобразующий длину волны материал, такой как фосфор. Свет с исходной длиной волны от светодиода поглощается фосфором, который, в свою очередь, испускает свет с другой длиной волны. Весь скомпонованный узел затем заключается в оболочку из прозрачной защитной смолы 14, которая может быть сформована в виде линзы поверх кристалла светодиода 12.
[0005] На фиг.1В изображен другой известный модуль 20 светодиода. Этот модуль наиболее подходит для работы с высокой мощностью, для которой характерно выделение большого количества тепла. В модуле 20 светодиода один или более светодиодных кристаллов 22 монтируются на кристаллодержателе, в качестве которого выступает основание печатной платы (РСВ), несущий элемент или подложка 23. Устройство может содержать отражатель 24, установленный на подложке 23, который окружает светодиодный кристалл (кристаллы) 22 и отражает свет, испущенный этими кристаллами 22, в направлении от модуля 20. В качестве отражателей могут использоваться различные рефлекторы, такие как металлические отражатели, всенаправленные отражатели (ODR) и распределенные брэгговские отражатели (DBR). Отражатель 24 также обеспечивает механическую защиту светодиодных кристаллов 22. Одно или более проволочных соединений 11 устанавливаются между омическими контактами на светодиодных кристаллах 22 и электрическими дорожками 25А, 25В на подложке 23. Затем смонтированные кристаллы 22 светодиодов покрывают смолой, которая может служить для защиты от воздействия окружающей среды и в качестве механической защиты кристаллов, одновременно играя роль линзы. Металлический отражатель 24 обычно крепится к кристаллодержателю с помощью припоя или эпоксидной смолы.
[0006] Хотя модуль, подобный модулю 20, изображенному на фиг.1 В, имеет определенные преимущества для работы с высокой мощностью, возникает ряд проблем в связи с использованием отдельной металлической детали в качестве отражателя. В частности, трудно обеспечить повторяемость при изготовлении мелких металлических деталей с высокой степенью точности и приемлемыми издержками. Кроме того, поскольку отражатель, как правило, крепится к кристаллодержателю с помощью клеящего вещества, для его точного выравнивания и монтажа требуются дополнительные производственные шаги, что увеличивает затраты и усложняет технологический процесс производства таких модулей.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0007] Модуль излучателя света в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения содержит следующие элементы. Предоставляется подложка. На подложке монтируется кристалл излучателя света. Поверх кристалла излучателя света размещается линза. Отношение ширины кристалла излучателя света к ширине линзы в заданном направлении равно 0,5 или более.
[0008] Модуль светодиода (LED) в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения содержит следующие элементы. Предоставляется подложка, содержащая верхнюю и нижнюю поверхности. На верхней поверхности подложки размещается множество верхних электропроводных и теплопроводных элементов. На одном из верхних элементов размещается кристалл светодиода. Выполнение электропроводных элементов обеспечивает рассеяние тепла от кристалла светодиода через большую часть верхней поверхности подложки. Нижний теплопроводный элемент расположен на нижней поверхности и не имеет электрического контакта с верхними элементами. Нижний теплопроводный элемент выполнен с возможностью переноса тепла от подложки. Поверх кристалла светодиода расположена линза. Отношение ширины кристалла светодиода к ширине линзы в установленном направлении равно 0,5 или более.
[0009] Модуль излучателя света в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения содержит следующие элементы. Предоставляется подложка, содержащая нитрид алюминия (AlN). На подложке размещается кристалл излучателя света. Испускаемый данным излучателем свет имеет примерную среднюю длину волны в диапазоне 430-460 нм. На кристалле излучателя света размещается линза. Отношение ширины кристалла излучателя света к ширине линзы в установленном направлении составляет 0,5 или более.
[0010] Модуль излучателя света в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения содержит следующие элементы. Единичный кристалл светодиода (LED) размещен на подложке, имеющей размеры 3,5×3,5 мм или больше. Над кристаллом на подложке располагается формованная линза.
[0011] Модуль излучателя света в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения содержит следующие элементы. Кристалл излучателя света размещается на подложке, содержащей материал с теплопроводностью 30 Вт/м·К или выше. Над излучателем на подложке располагается формованная линза.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0012] На фиг.1А показан разрез известного модуля светодиода;
[0013] на фиг.1В показан разрез другого известного модуля светодиода;
[0014] на фиг.2 показан перспективный вид варианта модуля светодиода в соответствии с настоящим изобретением без линзы;
[0015] на фиг.3 показан перспективный вид модуля светодиода, изображенного на фиг.2, с противоположной стороны;
[0016] на фиг.4 показан вид сбоку модуля светодиода, изображенного на фиг.2, с линзой, установленной над кристаллом светодиода;
[0017] на фиг.5 показан перспективный вид снизу модуля светодиода, изображенного на фиг.4;
[0018] на фиг.6 изображены проводящие дорожки на верхней поверхности подложки для модуля светодиода, изображенного на фиг.2;
[0019] на фиг.7 изображены проводящие дорожки на нижней поверхности подложки для модуля светодиода, изображенного на фиг.2;
[0020] на фиг.8 изображена верхняя поверхность модуля светодиода, как показано на фиг.6, с припойной маской;
[0021] на фиг.9 изображена нижняя поверхность модуля светодиода, как показано на фиг.7, с припойной маской;
[0022] фиг.10 представляет собой график, демонстрирующий параметры различных источников света в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения;
[0023] фиг.11 представляет собой график зависимости интенсивности светового потока от значения координаты x выходного света CIE (Международная комиссия по освещению) для нескольких источников света в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения;
[0024] на фиг.12 показан график зависимости теплового сопротивления от размера кристалла; и
[0025] на фиг.13 показан график зависимости относительного светового потока, выраженного в процентах, от длины волны в нанометрах для нескольких светодиодов в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0026] Целью настоящего изобретения является разработка компактных, простых и эффективных модулей мощных светодиодов и способов их производства. Различные варианты осуществления изобретения могут включать один или более мощных светодиодов, которые обычно работают при повышенных уровнях мощности и температуры. Предлагаемые варианты модуля могут содержать элементы, которые позволяют добиться повышенной выходной мощности и при этом обеспечивают отвод тепла путем такой конфигурации указанных элементов, которая помогает распределять и отводить тепло от светодиода. Затем тепло может рассеиваться во внешнюю среду. Предлагаемые варианты модуля могут также содержать формованную линзу непосредственно над одним или более светодиодами с целью их защиты с сохранением параметров эффективного излучения света.
[0027] В существующих вариантах модуля светодиода свет наиболее эффективно проходит через формованную линзу светодиода тогда, когда отношение ширины кристалла светодиода к диаметру линзы относительно небольшое. Кристаллы светодиодов с размером посадочного места (или шириной), меньшим по сравнению с диаметром линзы, лучше всего моделируются как точечный источник света под линзой. Такое сравнение предполагает, что большая часть света светодиода может достичь поверхности линзы в пределах критического угла, при котором свет еще может пройти через линзу, что и способствует эффективному излучению такого модуля светодиода. Для модулей, у которых отношение ширины кристалла светодиода к диаметру линзы составляет 0,4 или меньше, большая часть света проходит через линзу.
[0028] Целью изобретения является разработка таких модулей мощных светодиодов, которые обеспечивают повышение уровня светового потока при сохранении величины посадочных мест для таких модулей. Предлагается вариант модуля светодиода с повышенным уровнем светового потока, в котором используются светодиодные кристаллы большего размера при сохранении размера модуля светодиода. Модули светодиодов, получающиеся таким образом, характеризуются ростом отношения ширины кристалла светодиода к диаметру линзы. С увеличением данного отношения, т.е. по мере того, как ширина кристалла светодиода приближается к диаметру линзы, может быть достигнута такая величина, начиная с которой выходная мощность начнет уменьшаться. Указанное уменьшение вызывается, прежде всего, увеличением светового потока от кристалла светодиода, который достигает поверхности линзы под углом, находящимся вне критического угла выхода света, в результате чего происходит его полное внутреннее отражение. Компоненты модуля светодиода могут поглощать этот отраженный свет, что делает невозможным вывод света из модуля светодиода и снижает эффективность его излучения. В большинстве существующих светодиодных модулей отношение ширины кристалла светодиода к диаметру линзы не превышает 0,4.
[0029] Предлагаются некоторые варианты осуществления настоящего изобретения с целью создания мощного модуля светодиода, характеризующегося увеличенным отношением ширины кристалла светодиода к диаметру линзы. Это позволяет повысить эффективность работы светодиодных модулей, причем размер посадочного места модуля остается тем же самым, как и у менее мощных светодиодов. Несмотря на увеличение полного внутреннего отражения у поверхности линзы, вызванного увеличением отношения ширины кристалла светодиода к диаметру линзы, выполнение модулей светодиодов в соответствии с настоящим изобретением с применением различных элементов или характеристик способствует общему увеличению испущенного света. К таким элементам относятся использование светодиодных модулей на кристаллах с меньшей плотностью тока и/или использование преобразующего покрытия с более крупными размерами частиц фосфора.
[0030] Целью настоящего изобретения является создание дешевых, относительно малых по размеру модулей светодиодов, которые являются эффективными и при этом компактными источниками света. Предлагаемые светодиодные модули адаптированы, прежде всего, к технологиям поверхностного монтажа и содержат элементы, обеспечивающие хорошее тепловое рассеивание, что позволяет модулям работать, не перегреваясь, при повышенных уровнях мощности. Кристаллы светодиодов могут также содержать рассеивающие элементы, которые рассеивают излучаемый ими свет и обеспечивают равномерность этого излучения. Кроме того, кристаллы светодиодов могут содержать цепи защиты от разрушительного воздействия электростатического разряда (ESD).
[0031] В настоящей заявке предлагаются некоторые варианты осуществления изобретения, однако следует понимать, что изобретение может быть выполнено в самых разных вариантах и его не следует сводить только к изложенным здесь вариантам. В частности, ниже описываются некоторые модули светодиодов в определенных конфигурациях в соответствии с настоящим изобретением, однако следует понимать, что предлагаемое изобретение может быть отнесено и ко многим другим светодиодным модулям, имеющим множество самых разных конфигураций. Помимо описанных компонентов модуля светодиода, могут применяться компоненты самых разных форм и размеров, и, кроме того, модули светодиодов могут содержать различные элементы для обеспечения повышенной выходной мощности. Модули светодиодов могут содержать более одного кристалла светодиода, при этом один или все кристаллы могут иметь преобразующее покрытие для понижения длины волны, причем это покрытие может включать содержащее фосфор связующее вещество. Очевидно, однако, что используемые модули светодиодов могут и не содержать преобразующий материал.
[0032] Когда при указании на какой-либо элемент, такой как слой, участок или подложка, говорится, что он находится «на» другом элементе, то следует понимать, что он может непосредственно находиться на другом элементе либо могут присутствовать промежуточные элементы. Кроме того, такие относительные понятия, как «внутренний», «внешний», «верхний», «над», «более низкий», «ниже» и «под», а также подобные им понятия могут употребляться в настоящей заявке для описания взаимного положения какого-либо слоя или какого-либо участка. Очевидно, что указанные понятия распространяются на самые разные ориентации описываемого устройства, наряду с ориентацией, отображенной на чертежах.
[0033] Хотя понятия первый, второй и т.д. могут употребляться в настоящей заявке для описания различных элементов, компонентов, областей, слоев и/или участков, эти элементы, компоненты, области, слои и/или участки не должны быть ограничены этими понятиями. Данные термины используются только для того, чтобы отличить один элемент, компонент, слой, участок или одну область от другого элемента, компонента или другой области. Таким образом, обсуждаемые ниже первый элемент, компонент, слой, участок или одна область могут быть названы вторым элементом, компонентом, слоем, участком или второй областью без ущерба для описания настоящего изобретения.
[0034] Описываемые ниже варианты осуществления данного изобретения иллюстрируются видами в поперечном разрезе, являющимися схематическими иллюстрациями идеализированных вариантов устройства, выполненного согласно данному изобретению. В таком случае, в результате, например, примененного способа производства и/или в зависимости от применимых допусков, следует ожидать появления отклонений размеров от тех, которые показаны на иллюстрациях. Варианты осуществления настоящего изобретения не следует толковать как ограниченные конкретными формами участков, изображенных в настоящей заявке, но должны включать и отклонения в формах, возникших в результате, например, производства. Участок, изображенный или описанный как квадратный или прямоугольный, будет иметь круглые или закругленные формы в связи с обычными производственными допусками. Таким образом, участки, изображенные на чертежах, являются по своей природе схематическими, и их форма не предполагает передачи точной формы какого-либо участка какого-либо устройства и не предполагает ограничений рамок изобретения.
[0035] На фиг.2-9 показаны различные элементы одного варианта модуля 30 светодиода в соответствии с настоящим изобретением, содержащего, в общем, основание/подложку (далее «подложка») 32, на которой могут размещаться один или более светодиодов, излучающих свет одного или разных цветов. В изображенном варианте одиночный светодиод 34 монтируется на подложке 32. Светодиод 34 может иметь много различных полупроводниковых слоев, выполненных разным образом. Известны структуры светодиодов. их производство и работа, которые обсуждаются в настоящей заявке только поверхностно. Слои светодиода 34 могут быть изготовлены на основе химического осаждения из газовой фазы с использованием металлорганических соединений (MOCVD). Слои светодиодов 34 содержат, в общем, активный слой/участок, размещенный между первым и вторым эпитаксиальными слоями, легированными противоположными примесями, при этом все слои формируются последовательно на ростовой подложке. Светодиоды могут быть сформированы на подложке и затем поштучно отделены для монтажа в модуле. Следует понимать, что ростовая подложка может оставаться частью окончательно выполненного светодиода либо эта подложка может быть частично или полностью удалена. В вариантах, где ростовая подложка остается, ей может быть придана определенная форма или строение для улучшения извлечения света.
[0036] Также следует понимать, что светодиод 34 может содержать дополнительные слои и элементы, включая, но не ограничиваясь этим, буферный слой, слой образования центров кристаллизации, контактный слой и слой для растекания тока, а также слои и элементы для извлечения света. Также очевидно, что слои, легированные примесями с противоположным типом проводимости, могут также содержать множество слоев и подслоев, а также свехрешетчатые структуры и промежуточные слои сверхрешеток. Активная область может также включать единичную квантовую яму (SQW), множественную квантовую яму (MQW), двойную гетероструктуру или структуры сверхрешеток. Активная область и легированные слои могут быть изготовлены из различных систем материалов, причем предпочтительными системами являются системы материалов на основе нитридов III группы. К нитридам III группы относятся те полупроводниковые соединения, которые образуются между азотом и элементами III группы Периодической таблицы, обычно алюминием (Al), галлием (Ga) и индием (In). Термин также относится к соединениям из трех и четырех элементов, таких как нитрид алюминия-галлия (AlGaN) и нитрид алюминия-индия-галлия (AlInGaN). В предпочтительном варианте осуществления изобретения в качестве легированных слоев выступает нитрид галлия (GaN), а в качестве активной области - AlGaN. В других вариантах легированными слоями могут быть AlGaN, арсенид алюминия-галлия (AlGaAs) или фосфид арсенида алюминия-галлия-индия (AlGaInAsP).
[0037] Ростовая подложка может быть изготовлена из многих материалов, таких как сапфир, карбид кремния, нитрид алюминия (AlN), GaN, причем подходящая подложка состоит из карбида кремния с политипом 4Н, хотя могут использоваться и другие политипы карбида кремния, включая политипы 3С, 6Н и 15R. Карбид кремния обладает определенными преимуществами, например более близким, чем у сапфира, сходством кристаллической решетки с нитридами III группы, что обусловливает получение пленок из нитридов III группы более высокого качества. Кроме того, карбид кремния обладает очень высокой теплопроводностью, так что общая выходная мощность приборов на нитридах III группы на карбиде кремния обычно не сводится к рассеиванию тепла подложки (что может иметь место в случае некоторых приборов, изготовленных на сапфире). Подложки из SiC предлагает компания «Cree Research, Inc.», из Дурхэма, Северная Каролина, а способы их производства изложены в научной литературе, а также в патентах США №№34861, 4946547 и 5200022.
[0038] Светодиод 34 может также содержать проводящую структуру для растекания тока 36 по верхней поверхности, а также один или более контактов 38, которые доступны для проволочного соединения на этой поверхности. Структура 36 для растекания тока и контакт могут быть изготовлены из проводящего материала, такого как Au, Cu, Ni, In, Al, Ag или их комбинации, проводящих оксидов и прозрачных проводящих оксидов. Структура 36 для растекания тока обычно содержит проводящие контакты 37, которые выполнены в виде решетки на светодиоде 34, причем контакты выполнены разнесенными, что способствует увеличению тока, распространяющегося от контактов 38 в верхнюю часть светодиода. При работе электрический сигнал поступает к контактам 38 через проволочное соединение, как описано ниже, и далее этот сигнал поступает через контакты 37 структуры 36 для растекания тока в верхнюю часть светодиода 34. Структуры для растекания тока часто применяются в светодиодах, у которых верхняя часть является материалом с проводимостью р-типа, хотя могут применяться материалы с проводимостью n-типа.
[0039] Светодиод может быть покрыт фосфором одного или разных типов, причем этот фосфор поглощает по меньшей мере некоторую часть света светодиода и излучает свет другой длины волны, таким образом, излучается комбинация света от самого светодиода и от фосфора. В предпочтительном варианте излучается комбинация света светодиода и фосфора в виде белого света. Для покрытия светодиода могут использоваться самые разные способы и преобразующие материалы, приемлемые способы и материалы описываются в заявках на патенты США №№11/656759 и 11/899790, обе заявки озаглавлены «Способ фосфорного покрытия подложки и порядок использования изготовленных приборов» и обе включены в настоящую заявку путем ссылки. В других вариантах светодиоды могут быть покрыты с использованием других способов, таких как осаждение электрофорезом (EPD), причем подходящий метод EPD описан в заявке на патент США №11/473089, озаглавленной «Электрофоретическое осаждение с замкнутым контуром для получения полупроводниковых приборов», которая также включается в настоящую заявку путем ссылки. Предлагаемые варианты светодиодных модулей, очевидно, могут также содержать множество светодиодов разного цвета, причем один или более светодиодов могут являться устройствами белого свечения.
[0040] Подложка 32 может быть изготовлена из самых разных материалов, причем предпочтительным является электроизолирующий материал. Подходящие материалы включают, но не ограничиваются этим, керамические материалы, такие как оксид алюминия, нитрид алюминия или органические изоляторы, такие как полиамид (PI) или полифталамид (РРА). В других вариантах подложка 32 может содержать печатную плату (РСВ), сапфир или кремний или любой другой подходящий материал, такой как материал T-Clad теплопроводной изолирующей подложки, поставляемой фирмой «Bergguist Company», Чэнхассен, Миннесота. В вариантах с печатными платами могут использоваться различные типы печатных плат, например, такие как стандартная печатная плата FR-4, печатная плата с металлическим ядром или любой другой тип печатной платы. Предлагаемые модули светодиодов могут быть изготовлены на основе метода формирования панели подложек, размеры которой позволяют разместить целый ряд подложек. На такой панели может быть сформировано множество светодиодных модулей, при этом отдельные модули поштучно отделяются от панели.
[0041] Как указывалось, для изготовления элемента подложки могут использоваться многие материалы. В разных вариантах желательно иметь подложку, которая является хорошим электрическим изолятором с низким тепловым сопротивлением или высокой теплопроводностью (например, нитрид алюминия). Некоторые материалы, которые могут быть использованы, имеют теплопроводность примерно 30 Вт/м·К или выше, например оксид цинка (ZnO). Другие приемлемые материалы имеют теплопроводность примерно 120 Вт/м·К или выше, например нитрид алюминия (AlN), теплопроводность которого находится в диапазоне 140-180 Вт/м·К. Если говорить о тепловом сопротивлении, некоторые приемлемые материалы имеют этот показатель равный 2°С/Вт. Могут использоваться и другие материалы, тепловые характеристики которых выходят за рамки диапазонов, указанных в настоящей заявке.
[0042] Фиг.12 показывает зависимость теплового сопротивления в °С/Вт от размера кристалла в модуле. Данные относятся к четырем реальным устройствам с керамическими подложками (данные показаны в виде ромбов) и двум реальным устройствам, имеющим подложки из нитрида алюминия. Данные по керамическим подложкам были экстраполированы для оценки теплового сопротивления двух более крупных кристаллов. Эти данные показывают, что тепловое сопротивление падает по мере роста размера кристалла. Кроме того, тепловое сопротивление ниже у кристаллов с подложками из нитрида алюминия по сравнению с кристаллами такого же размера с керамическими подложками. Данные, показанные на фиг.12, включены в качестве доказательства общих утверждений, высказанных выше. Следует понимать, что эти данные не ограничивают объем любого варианта осуществления настоящего изобретения.
[0043] Подложка, обладающая указанными свойствами, предусматривает такой модуль устройства, в котором управление светодиодом может осуществляться более сильными управляющими токами. Так как подложка имеет относительно низкое тепловое сопротивление, дополнительное тепло, создаваемое более высоким управляющим током, легче отводится в окружающую среду. Более сильный управляющий ток может создать более яркий световой поток светодиода. Подобным образом, устройство, содержащее подложку с низким тепловым сопротивлением, может работать при установленном уровне управляющего тока в течение более длительного периода времени по сравнению с устройством, содержащим подложку с более высоким тепловым сопротивлением. Это значит, что срок службы и надежность устройства могут быть увеличены. Кроме того, устройства, имеющие подложку с низким тепловым сопротивлением, могут работать при более высоких температурах окружающей среды (или фона), что делает их полезными в вариантах исполнения, предназначенных для эксплуатации в тяжелых условиях.
[0044] В предлагаемом варианте достигнута светоотдача устройств выше 150 люмен/Ватт белого света в области, ограниченной 7-единичным эллипсом МакАдама вдоль кривой излучения абсолютно черного тела, причем использовалась подложка из нитрида алюминия размером 3,5×3,5 мм в комбинации с кристаллом светодиода размером 1,4×1,4 мм. Это устройство может быть выполнено в масштабе для получения сопоставимых результатов при более крупных величинах отношений в комбинациях подложки/светодиода.
[0045] В некоторых вариантах осуществления изобретения может оказаться полезным использовать кристаллы светодиодов, излучающие свет со средней длиной волны в диапазоне 430-460 нм. В некоторых случаях диапазоны могут быть уже, например 430-450 нм или 440-445 нм. Светодиоды, излучающие свет с более короткими длинами волн в диапазонах, подобных вышеуказанным, могут демонстрировать более высокую яркость и/или надежность при работе в условиях повышенной температуры окружающей среды по сравнению со светодиодами, излучающими свет с большей величиной средней длины волны и работающими при той же температуре.
[0046] На фиг.13 изображен график зависимости относительного светового потока, выраженного в процентах, от длины волны в нанометрах для нескольких светодиодов, которые могут использоваться в некоторых модулях светодиодов в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения. Относительный световой поток был рассчитан путем деления светового потока при температуре 80°С (измеренного в точке припаивания) на световой поток при комнатной температуре, и полученное частное было выражено в процентах. Таким образом, с целью повышения яркости и надежности в некоторых вариантах могут оказаться предпочтительными кристаллы светодиодов, излучающие свет с более короткой длиной волны.
[0047] Как показано на фиг.4, оптический элемент или линза 70 формируется на верхней поверхности 40 подложки 32, над светодиодом 34, для обеспечения защиты от окружающей среды и механической защиты. Линза 70 может находиться в разных местах на верхней поверхности 40, причем она расположена, как показано, примерно по центру подложки 32, а светодиод 34 расположен примерно по центру основания линзы. В некоторых вариантах линза может быть сформирована в прямом контакте со светодиодом 34 и верхней поверхностью 40 подложки. В других вариантах между светодиодом 34 и верхней поверхностью 40 может находиться промежуточный материал или слой. Прямой контакт со светодиодом 34 дает определенные преимущества, такие как эффективное извлечение света и легкость изготовления.
[0048] Линза 30 может быть выполнена с использованием различных способов формовки, таких как описанные в заявке на патент США №11/982275, озаглавленной «Модуль светодиода и способ его изготовления», который включается в настоящую заявку путем ссылки. Линза может иметь самые разные формы в зависимости от желаемой формы светового потока. Подходящей формой, как показано, является полусферическая, при этом имеются варианты других форм, таких как эллипсоидная, плоская, шестиугольная или квадратная. Для получения линз могут использоваться самые разные материалы, например силиконы, пластики, эпоксидные смолы или стекло, при этом выбранный материал должен быть совместим с процессами формовки. Силикон является подходящим материалом для формовки и обеспечивает нужные параметры оптической передачи. Он может также выдерживать последующие процессы оплавления и существенно не деградирует со временем. Следует понимать, что линза 70 может быть также текстурирована с целью повышения извлечения света или может содержать такие материалы, как фосфор или частицы, рассеивающие свет. В некоторых вариантах осуществления изобретения линза 70 может состоять из двух частей: плоской части 70а и куполообразной части 70b. Плоская часть 70а размещается над светодиодом 34, а куполообразная часть 70b размещается на плоской части 70а. Эти участки 70а, 70b могут быть выполнены из одного и того же материала или из двух разных материалов.
[0049] Модуль 30 светодиода может также содержать защитный слой 74, покрывающий верхнюю поверхность 40 подложки между линзой 70 и краем подложки 32. Слой 74 обеспечивает дополнительную защиту элементов на верхней поверхности для уменьшения их повреждения и загрязнения в процессе выполнения дальнейших технологических шагов и эксплуатации. Защитный слой 74 может быть создан в процессе формирования линзы 70 и может быть выполнен из того же материала, что и линза 70. Следует, однако, понимать, что модуль 30 светодиода может и не снабжаться защитным слоем 74.
[0050] Линза 70 должна также выдерживать определенные усилия сдвига при попытке ее отрыва от подложки 32. В одном варианте осуществления изобретения линза может выдержать усилие сдвига 1 кг или больше. Светодиодные модули в вариантах исполнения из силиконов, которые затвердевают после обработки и дают более высокие показания дюрометра (например, твердость по Шору 70А и выше), обеспечивают более высокую стойкость к усилиям сдвига. Такие свойства, как высокая адгезия и высокая прочность на разрыв, также могут повысить способность линзы выдерживать усилия сдвига.
[0051] Линза модуля 30 светодиода также легко адаптируется для применения вместе со вторичной линзой или оптикой, которая может быть установлена поверх линзы конечным пользователем, чтобы облегчить формирование светового луча. Такие вторичные линзы, в общем, известны в данной области техники, и многие из них доступны для приобретения.
[0052] Настоящее изобретение может быть реализовано в светодиодных модулях, имеющих различные формы или посадочные места на печатной плате, причем важным фактором является отношение между шириной кристалла светодиода (W) и диаметром или шириной линзы (D) в установленном направлении. В одном варианте осуществления модуля 30 посадочное место элемента может иметь по существу те же размеры, что и эффективная область распространения тепла в площадку для прикрепления кристалла и первую и вторую контактные площадки 42, 44 и 46. Как описано выше, различные варианты осуществления настоящего изобретения имеют целью создание таких светодиодных модулей, которые имеют повышенную выходную мощность при сохранении того же размера модуля светодиода или посадочного места на печатной плате. Сохраняя тот же размер посадочного места для модуля светодиода, необходимо создавать линзу, в общем, того же размера. Как упомянуто выше, способом увеличения выходной мощности является увеличение размера (например, ширины W) кристалла светодиода в модуле светодиода. То есть для различных вариантов исполнения устройства в соответствии с настоящим изобретением площадь поверхности светодиода покрывает возросшую долю площади поверхности подложки для светодиодных модулей. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения площадь поверхности кристалла светодиода составляет более 10% площади поверхности подложки, в то время как в других вариантах кристалл светодиода занимает более 15% площади поверхности подложки.
[0053] На фиг.4 показаны ширина кристалла W и диаметр линзы D. Предлагаемые варианты модуля светодиода могут иметь различные величины отношения W к D, причем в некоторых вариантах это отношение выше 0,5. В одном из предлагаемых вариантов модуль светодиода может содержать подложку 32, имеющую размер примерно (3,45 мм)2 (т.е. 3,45 мм × 3,45 мм), и линзу с диаметром примерно 2,55 мм. В известных светодиодных модулях на подложке с указанными размерами размещается кристалл светодиода размером в диапазоне от 0,7×0,7 мм до 1,0×1,0 мм.
Модуль 30 выполнен так, чтобы вмещать более крупный кристалл светодиода с размером примерно 1,4×1,4 мм, при этом отношение W к D составляет 0,55. В данном варианте площадь поверхности кристалла светодиода составляет более 16% площади поверхности подложки.
[0054] В других вариантах желательно иметь подложку размером 5×5 мм. На такой подложке может быть размещен кристалл светодиода более крупных размеров, включая 1,75×1,75 мм, 2×2 мм и 3×3 мм. Примером комбинации подложка/кристалл светодиода является подложка размером 5×5 мм и кристалл размером 1,75×1,75 мм. В одном варианте кристалл светодиода размером 2×2 мм используется вместе с подложкой из нитрида алюминия размером 5×5 мм. В другом варианте кристалл 3 мм используется вместе с подложкой 5 мм. Для модулей с подложкой 5 мм формованная линза с диаметром примерно 4,52 мм размещается над кристаллом. Указанные размеры являются иллюстративными. Следует понимать, что возможно использование более крупных или менее крупных по размерам линз, подложек и кристаллов светодиодов, равно как возможно использование и множества различных комбинаций линз, подложек и кристаллов светодиодов, имеющих различные размеры. Более того, хотя обсуждаемые подложки представлены размерами, указывающими на их квадратную форму, очевидно, что подложки могут иметь, например, круглую или прямоугольную форму.
[0055] В соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения были изготовлены и испытаны несколько светодиодов с кристаллами размером 2×2 мм. Эти устройства обеспечивали световой поток 160 лм и выше и светоотдачу 160 лм/Вт и выше при управляющем токе 350 мА. При управляющем токе 2 А устройства показали световой поток 750 лм и выше и светоотдачу 110 лм/Вт и выше. Например, один изготовленный кристалл размером 2×2 мм показал выходной световой поток 168,5 лм при управляющем токе 350 мА и напряжении 2,86 В при светоотдаче 168 лм/Вт. Другой изготовленный кристалл размером 2×2 мм показал при измерении на выходе 791,6 лм при управляющем токе 2001 мА и напряжении 3,4 В при светоотдаче 116 лм/Вт. Кристаллы с подобными характеристиками могут использоваться в модулях светодиодов в соответствии с вариантами осуществления данного изобретения.
[0056] Как описано выше, увеличение отношения W к D может привести к общему снижению выходной мощности в результате полного внутреннего отражения (TIR) света кристалла светодиода от поверхности линзы. Предлагаемые модули светодиодов могут иметь дополнительные элементы, призванные преодолеть связанное с TIR снижение мощности и обеспечить общее увеличение выходной мощности по сравнению со светодиодными модулями с меньшим отношением W к D. В одном варианте общее увеличение мощности может быть частично обусловлено снижением общей плотности тока, возникшим вследствие увеличения площади кристалла светодиода. Уменьшенная плотность тока может привести к увеличению светоотдачи кристалла светодиода. В описанных выше вариантах увеличение размера кристалла светодиода с известных 0,7 мм или 1,0 мм до размера 1,4 мм может привести к уменьшению плотности тока, что обеспечивает общий примерный рост выходной мощности на 6%.
[0057] На фиг.10 показана диаграмма, на которой представлены данные по некоторым изготовленным и испытанным источникам света, реализующим аспекты предлагаемого изобретения. Точки цвета выходного света от нескольких источников света нанесены на участок кривой излучения черного тела на графике цветовой системы МКО 1931 (МКО, Международная комиссия по освещению), на которую наложены области цветности (бины) стандартного белого света для светодиодов Cree. Для данного набора источников света точки цвета распределены по нескольким стандартным бинам Cree (т.е., WK, WB, WE, WC, WF и WG) в области белого света кривой излучения черного тела системы МКО 1931. Самая высокая точка, найденная в пределах бина WG, соответствует источнику света, обеспечивающему световой поток приблизительно 148 лм, как показано на фиг.11.
[0058] На фиг.11 показан график зависимости силы света от значения цветовой координаты x системы МКО 1931 выходного света для нескольких изготовленных и испытанных источников света, реализующих аспекты предлагаемого изобретения. На указанном графике представлены источники со световым потоком в диапазоне приблизительно 127-149 лм. Эти источники управлялись током 350 мА. Очевидно, что более высокий управляющий ток даст больший световой поток. Как было указано выше, самая высокая точка данных представляет источник света, соответствующий значению цветовой координаты х системы МКО 1931 приблизительно 0,32 и величине светового потока приблизительно 148 лм. Как показано на фиг.10, этот конкретный источник света характеризуется точкой цвета, которая попадает внутрь бина Cree WG белого света. Все источники света, параметры которых показаны на фиг.10 и 11, были изготовлены с заданным размером подложки (посадочного места элемента), приблизительно равным 3,45 мм × 3,45 мм. Из представленных данных можно установить минимальное отношение светового потока к размеру посадочного места для данного значения координаты x на кривой излучения черного тела в системе МКО 1931. Например, источник света, имеющий выходной свет со значением координаты x, равной приблизительно 0,286, имеет отношение светового потока к размеру посадочного места приблизительно
127 лм/(3,45 мм)2 ≈ 10,67 лм/мм2.
В другом примере другой источник света, имеющий значение координаты x системы МКО 1931 приблизительно 0,32, имеет отношение светового потока к размеру посадочного места приблизительно
148 лм/(3,45 мм)2 ≈ 12,43 лм/мм2.
[0059] Световой поток источников света может быть увеличен путем увеличения размера посадочного места в соответствии с минимальными отношениями, указанными в примерах выше. Понятно, что эти примеры всего лишь устанавливают минимальные отношения светового потока к размеру посадочного места для заданного значения x системы МКО 1931. Возможны более высокие значения величины светового потока и, следовательно, более высокие значения указанных отношений. Кроме того, хотя это и не показано на фиг.10 и 11, имеется возможность установки отношений светового потока к размеру посадочного места для различных значений координаты у системы МКО 1931 и различных значений пары координат x-y (точек цвета) на кривой излучения черного тела системы МКО 1931.
[0060] В других вариантах можно добиться общего увеличения светоотдачи путем использования в преобразующем материале более крупных частиц фосфора. Во многих известных кристаллах светодиодов используется преобразующий материал с размерами частиц порядка 5 микрон. В некоторых предлагаемых вариантах используется преобразующий материал с размером частиц фосфора D50 более 5 микрон; причем подходящий преобразующий материал может содержать частицы фосфора с размером D50 более 10 микрон, в других вариантах эти частицы могут быть размером примерно 20 микрон и более. В предлагаемом варианте преобразующий материал содержит YAG (алюминиево-иттриевый гранат), имеющий размер частиц D50 примерно 16 микрон. В некоторых вариантах использование увеличенных частиц фосфора может привести к повышению выходной мощности на 8% и более. Эти варианты предусматривают применение относительно малых общих линз совместно с фосфором, имеющим относительно большой размер частиц D50, независимо от размера кристалла. В некоторых вариантах отношение размера частиц D50, составляющего по меньшей мере 10 микрон, к диаметру линзы или ее ширине, составляющим 2,55 мм (или 2550 микрон), может быть выше, чем примерно 0,4%. В других вариантах отношение размера частиц D50 по меньшей мере 16 микрон к диаметру линзы или ее ширине 2,55 мм может быть выше, чем 0,6%.
[0061] Хотя заявитель не ограничивается какой-нибудь одной теорией, вероятно, указанное увеличение возникает благодаря тому факту, что более крупные частицы обычно рассеивают меньше света по сравнению с частицами фосфора меньшего размера. В результате кристалл светодиода или другие компоненты светодиодного модуля поглощают меньше света после его рассеивания в обратном направлении. Однако в некоторых вариантах это может уменьшить равномерность излучения от модуля светодиода по причине, вероятно, меньшего рассеивания света в обратном направлении. В результате, менее вероятным становится смешивание света светодиода и преобразованного света, у которого произошло уменьшение длины волны, от преобразующего материала. Зависимость между эффективностью излучения и размером частиц фосфора может быть связана с плотностью дефектов на частице фосфора или внутри нее. Дефекты фосфора имеют тенденцию концентрироваться на поверхностях фосфорной частицы, и, следовательно, по мере роста размеров частиц плотность дефектов падает. Иначе говоря, преобразующий материал, содержащий более крупные в среднем частицы фосфора, может иметь меньшее общее количество дефектов. Некоторые поверхностные места сосредоточения частиц могут содержать шершавости, нарушения кристаллической структуры, трещины и загрязнения. Некоторые из частиц фосфора, находящихся внутри, могут содержать пузырьковые включения, расслоения или примеси. В некоторых вариантах увеличение эффективности излучения может быть достигнуто путем использования преобразующего материала, содержащего фосфор с уменьшенным количеством поверхностных дефектов для любого среднего размера частиц, например размера частиц Dao в диапазоне от 3 до 25 микрон. Применение крупных частиц фосфора размером более 10 микрон описывается в заявке на патент США №12/024400, озаглавленной «Полупроводниковые светодиоды с высокой цветопередачей», которая включается в настоящую заявку путем ссылки.
[0062] Выше представлены только два признака или две особенности светодиодных модулей в соответствии с настоящим изобретением, которые могут привести к общему увеличению светового излучения.
[0063] В некоторых областях применения, таких, например, как уличное освещение, может быть приемлема пониженная равномерность излучения, о которой говорилось выше. В других случаях пониженная равномерность излучения может быть компенсирована на уровне системы путем использования различных устройств, таких как светорассеиватели или рассеивающие элементы. Для улучшения равномерности излучения на уровне модуля светодиода рассеивающие элементы могут устанавливаться в различных местах модуля. В некоторых вариантах рассеивающий материал может быть включен в состав преобразующего материала, в то время как в других вариантах его размещают на линзе или внутри нее. Имеются и такие варианты, в которых слой рассеивающего материала формируется на верхней поверхности кристалла светодиода. Рассеивающие частицы могут содержать самые разные материалы, включая:
силикагель;
оксид цинка (ZnO);
оксид иттрия (Y2O3);
диоксид титана (TiO2);
сульфат бария (BaSO4);
окись алюминия (Al2O3);
плавленый кварц (SiO2);
коллоидная двуокись кремния (SiO2);
нитрид алюминия;
стеклянные шарики (дробь);
диоксид циркония (ZrO2);
карбид кремния (SiC);
оксид тантала (TaO5);
нитрид кремния (Si3N4);
оксид ниобия (Nb2O5);
нитрид бора (BN) или
фосфорные частицы (например, YAG:Ce, BOSE).
Для достижения особого рассеивающего эффекта могут также использоваться и другие, не перечисленные выше, материалы и их комбинации. В одном варианте рассеивающие частицы могут иметь размер D50 больше, чем примерно 4 микрона. Приемлемым является вариант с размером частиц D50 в диапазоне 15-20 микрон, а также вариант с размером частиц D50 больше, чем примерно 4 микрона, имеющих при этом примерно тот же размер, что и размер D50 частиц преобразующих материалов.
[0064] Как и в случае с более крупными частицами фосфора, по всей вероятности, наличие рассеивающих частиц более крупного размера ведет к снижению обратного рассеивания из-за уменьшения дефектов частиц. При меньшем обратном рассеивании уменьшается и вероятность поглощения света компонентами светодиодного кристалла. Такое пониженное обратное рассеивание может также уменьшить вероятность смешения света, тем самым сокращается общая эффективность смешения рассеивающих частиц. Однако свет от кристалла светодиода взаимодействует с частицами фосфора и изменяет направление излучения благодаря рассеивающим частицам, причем большая часть света в обратном направлении не рассеивается. Рассеивающие частицы могут быть выполнены и таким образом, что свет из кристалла светодиода взаимодействует с рассеивающими частицами ограниченное число раз, что, в свою очередь, уменьшает вероятность обратного рассеивания. Это осуществляется путем выбора толщины слоя рассеивающих частиц или их концентрации. Указанное перенаправление света с одновременным управлением количеством световых взаимодействий может в результате привести к тому, что свет будет по существу рассеиваться в прямом направлении.
[0065] Предлагаемые различные варианты могут содержать преобразующий материал с более крупными частицами фосфора, как описано выше, так что большая часть света, преобразованного частицами фосфора, не рассеивается в обратном направлении. Таким образом, свет преобразуется в прямом направлении, что увеличивает эффективность излучения. Для получения требуемой равномерности излучения может быть использован рассеивающий материал, характеризующийся тем, что он не рассеивает большую часть света в обратном направлении. В указанных вариантах повышение эффективности излучения при сохранении требуемой равномерности может быть результатом преобразования света в прямом направлении, за которым следует рассеивание в прямом направлении.
[0066] Светодиодные модули в соответствии с настоящим изобретением также содержат элементы управления теплом для обеспечения работы при повышенных температурах. Как показано на фиг.6 (и частично на других чертежах), верхняя поверхность 40 подложки 32 содержит элементы проводящего рисунка, которые могут включать площадку для присоединения кристалла 42 с интегральной первой контактной площадкой 44. Вторая контактная площадка 46 также находится на верхней поверхности 40 подложки со светодиодом 34, установленным примерно по центру площадки для присоединения кристалла 42. Указанные элементы проводящего рисунка содержат проводящие дорожки для электрического соединения со светодиодом 34 с использованием известных способов контактирования. Светодиод может быть установлен на площадке для присоединения кристалла 42 с использованием известных способов монтажа и монтажных материалов, например традиционных припоев, содержащих или не содержащих флюсы, или распределяемых полимерных материалов, которые могут быть тепло- и электропроводными.
[0067] Площадка для присоединения кристалла 42, а также первая и вторая контактные площадки 44, 46 могут содержать совершенно разные материалы, например металлы и другие проводящие материалы. В одном варианте площадки 42, 44, 46 содержат медь, которая осаждается с использованием известных методов, таких как металлизация. В типичном процессе металлизации адгезионный слой титана и медный слой для затравки последовательно напыляются на подложку. Затем на медный слой для затравки наносятся примерно 75 микрон меди. После осаждения полученного слоя меди можно производить нанесение проводящего рисунка, используя стандартные литографические методы. В других вариантах напыление слоя может производиться с использованием маски для формирования требуемого рисунка.
[0068] В некоторых предлагаемых вариантах одни проводящие элементы могут содержать только медь, в то время как другие проводящие элементы могут включать дополнительные материалы. Например, площадка для присоединения кристалла 42 может быть металлизирована или покрыта другими металлами или материалами, облегчающими монтаж на ней светодиода 34. В других случаях площадка 42 может быть покрыта адгезионными или связывающими материалами, а также отражательными и защитными слоями.
[0069] Между второй контактной площадкой 46 и площадкой для установки кристалла 42 создается зазор 48 (показан на фиг.6 и 8) до самой поверхности подложки 32, который обеспечивает электрическую изоляцию между площадкой для установки кристалла 42 и второй контактной площадкой 46. Как описано далее, электрический сигнал подается на светодиод 34 через вторую контактную площадку 46 и первую контактную площадку 44, причем электрический сигнал, поступивший на первую контактную площадку 44, проходит непосредственно к светодиоду 34 через площадку для установки кристалла 42, а сигнал со второй площадки поступает в светодиод 34 через проволочное соединение. Зазор 48 создает электрическую изоляцию между второй площадкой 42 и площадкой для установки кристалла, что предотвращает закорачивание поступающего к светодиоду сигнала.
[0070] В некоторых вариантах электрический сигнал может поступить на модуль 30 через внешний электрический контакт с первой и второй контактными площадками 44, 46, созданный, например, с помощью паяных соединений или других проводящих дорожек к печатной плате. В показанном варианте модуль 30 предназначен для установки с использованием технологии поверхностного монтажа и внутренних проводящих дорожек.
Светодиод 30 содержит первую и вторую площадки для поверхностного монтажа 50, 52 (показано на фиг.5, 7 и 9), которые могут быть сформированы на нижней поверхности подложки 54 и отцентрированы, по меньшей мере частично, с первой и второй контактными площадками 44, 46 соответственно. В подложке 32 формируются электропроводящие переходные отверстия 56 между первой монтажной площадкой 50 и первой контактной площадкой 44. Таким образом, сигнал, поступающий на первую монтажную площадку 50, передается на первую контактную площадку 44. Подобным образом, электропроводящие переходные отверстия 56 формируются между второй монтажной площадкой 52 и второй контактной площадкой для прохождения электрического сигнала между ними. Первая и вторая монтажные площадки 50, 52 обеспечивают поверхностный монтаж модуля 30 светодиода, при котором электрический сигнал поступает к светодиоду 34 через первую и вторую монтажные площадки 50, 52. Переходные отверстия 56 и контактные площадки 44, 46 могут быть изготовлены из самых разных материалов, напыленных различными методами, такими, какие использовались при формировании площадки для прикрепления кристалла и контактных площадок 42, 44, 46.
[0071] Следует понимать, что монтажные площадки 50, 52 и переходные отверстия 56 могут быть выполнены самыми разными способами и могут иметь самые разные формы и размеры. Также следует понимать, что вместо переходных отверстий одна или более электропроводящих дорожек могут быть сформированы на поверхности подложки между монтажными площадками и контактными площадками, например, вдоль боковой поверхности подложки.
[0072] Как видно из фиг.2, 3, 8 и 9, припойная маска 58, изготовленная из известных материалов, может быть размещена на верхней поверхности 40 подложки, по меньшей мере частично покрывая площадку для прикрепления кристалла 42 и первую и вторую контактные площадки 44, 46 и по меньшей мере частично покрывая зазор 48. Припойная маска 58 защищает данные элементы в процессе выполнения последующих технологических операций, в особенности, при монтаже светодиода 34 на площадке 42 и при устройстве проволочных соединений. На этих этапах существует опасность того, что припой или другие материалы могут попасть в нежелательные области и нанести им повреждение или вызвать короткое замыкание. Припойная маска служит в качестве изолирующего и защитного материала, способного защитить от указанных опасностей или предотвратить их. Припойная маска содержит отверстие для монтажа светодиода 34 на второй контактной площадке 42 и для подведения проволочного соединения ко второй контактной площадке 46. Кроме того, припойная маска содержит боковые отверстия 60, обеспечивающие удобный электрический доступ к контактным площадкам 44, 46 для тестирования модуля 30 во время изготовления. Далее маска 58 имеет центрирующие отверстия, которые обеспечивают центрирование модуля 30 во время его изготовления, а также во время монтажа по месту конечным пользователем.
[0073] Как видно из фиг.6, в некоторых вариантах электропроводящие дорожки могут снабжаться символом или индикатором для обозначения того, какая сторона модуля 30 светодиода должна быть подсоединена к плюсу или минусу поступающего к модулю сигнала. Тем самым обеспечивается правильность монтажа светодиодного модуля 30 на печатной плате или ином зажимном приспособлении, независимо от того, осуществляется этот монтаж машинным или ручным образом. В показанном варианте символ 69 содержит знак плюс (+) над первой контактной площадкой 44, указывающий на то, что модуль 30 должен монтироваться таким образом, чтобы плюс сигнала соединялся с первой площадкой для поверхностного монтажа 52. Минус сигнала при этом должен быть соединен со второй площадкой для поверхностного монтажа 54. Следует понимать, что могут использоваться самые разные виды символов и что какой-либо символ может располагаться над второй контактной площадкой 46. Также следует понимать, что символы могут быть размещены в других местах, отличных от тех, которые задаются припойной маской.
[0074] Модуль 30 может также содержать элементы для защиты от электростатического разряда (ESD). В предлагаемом варианте ESD-элемент является встроенным в кристалл, и в таком качестве могут выступать разные элементы, например различные вертикальные кремниевые стабилитроны, различные светодиоды, включенные параллельно со светодиодом 34 в обратном направлении, варисторы для поверхностного монтажа и горизонтальные кремниевые диоды. В показанном варианте используется стабилитрон 62, который монтируется на площадке для прикрепления кристалла 42 с использованием известных способов монтажа. Стабилитрон относительно мал и не занимает много места на поверхности подложки 32. В показанном примере стабилитрон 62 устанавливается рядом со светодиодным кристаллом 34, в других вариантах он может находиться на отдельной монтажной площадке. Стабилитрон 62 следует устанавливать на подложку 32 как можно ближе к ее центру, не мешая при этом расположению других компонентов светодиодного модуля 30.
[0075] Следует заметить, что припойная маска 58 содержит отверстие для стабилитрона 62 для удобства его монтажа на площадке для прикрепления кристалла 42. Для монтажа могут быть использованы различные материалы и способы, подобные тем, которые использованы при монтаже светодиода 34 на площадку 42. Между второй контактной площадкой 46 в отверстии припойной маски и стабилитроном устанавливается проволочное соединение 64 ESD. Кроме того, между отверстием припойной маски на второй контактной площадке 46 и площадками для проволочных соединений 38 на светодиоде 34 установлены два светодиодных проволочных соединения 65. В других вариантах между светодиодом 34 и второй контактной площадкой может устанавливаться только одно проволочное соединение. При таком подключении светодиода 34 и стабилитрона 62 возникающие в результате электростатического разряда избыточное напряжение и/или ток принимает стабилитрон 62, а не светодиод 34, тем самым обеспечивается защита светодиода 34 от повреждения. Проволочные соединения 64 и 65 могут устанавливаться известными способами и могут содержать такой подходящий материал, как золото (Au). Следует понимать, что в других предлагаемых вариантах светодиод может монтироваться без ESD-элемента/стабилитрона либо с ESD-элементом/стабилитроном, внешним по отношению к светодиодному модулю 30.
[0076] Как указано выше, тепло обычно плохо распространяется в подложку 32, особенно если она выполнена из материалов, подобных керамике. Когда светодиод устанавливается на площадке для прикрепления кристалла, размер которой, в общем, равен размеру светодиода, то тепло не распространяется в большую часть подложки, а обычно концентрируется в области прямо под светодиодом. В результате может произойти перегрев светодиода, что, в свою очередь, может ограничить уровень рабочей мощности светодиодного модуля.
[0077] Для улучшения теплоотвода в светодиодном модуле 30 площадки 42, 44, 46 снабжаются более протяженными теплопроводными дорожками для отвода тепла от светодиода 34 в такие области подложки, которые находятся за пределами зоны непосредственно под светодиодом 34. Площадка для прикрепления кристалла 42 занимает большую часть поверхности подложки 32 по сравнению со светодиодом 34, причем края этой площадки выходят за края светодиода 34 по направлению к краям подложки 32. В показанном варианте площадка для прикрепления кристалла 42 имеет, в общем, круглую форму и идет радиально за пределы светодиода 34 к краям подложки 32. Часть этой площадки 42 пересекается с первой и второй контактными площадками 44, 46, при этом зазор 48 отделяет часть площадки для прикрепления кристалла, которая примыкает ко второй контактной площадке 46. Следует понимать, что контактная площадка 42 может иметь самые разные формы и в некоторых вариантах она может доходить до края подложки 32. Контактные площадки 44, 46 также покрывают поверхность подложки 32 между переходными отверстиями 56 и краями подложки 32. Увеличивая размеры площадок 42, 44 и 46 указанным образом, удается добиться улучшения теплового рассеивания от светодиода 34. Тем самым улучшается теплоотвод от светодиода 34, что увеличивает срок его службы и гарантирует более высокую эксплуатационную мощность. Площадки 42, 44 и 46 могут занимать различные доли верхней поверхности 40 подложки 32, при этом обычно область покрытия составляет более 50%. В других вариантах область покрытия может быть больше 75%.
[0078] Модуль 30 светодиода также содержит металлизированную площадку 66 (показано на фиг.5 и 9) на нижней поверхности 54 подложки 32 между первой и второй монтажными площадками 50, 52. Металлизированная площадка предпочтительно изготавливается из теплопроводного материала и предпочтительно отцентрирована, по меньшей мере частично, по вертикали со светодиодом 34. В одном варианте металлизированная площадка не имеет электрического контакта с элементами на верхней поверхности подложки 32 и с первой и второй монтажными площадками на нижней поверхности подложки 32. Хотя тепло от светодиода рассеивается с верхней поверхности подложки через площадку для прикрепления кристалла 42 и площадки 44, 46, большая часть тепла уходит в подложку 32 прямо под светодиодом 34 или в область вокруг него. Металлизированная площадка может способствовать указанному тепловому рассеиванию, поскольку тепло хорошо распространяется в данную область и эффективно рассеивается в ней. Следует также заметить, что тепло может распространяться с верхней поверхности подложки 32 через переходные отверстия 56 в первую и вторую монтажные площадки 50, 52 и тоже рассеиваться. Для модуля 30, используемого при поверхностном монтаже, толщина металлизированной площадки 66, а также первой и второй площадок 50, 52 должна быть примерно одинаковой, чтобы все три поверхности контактировали с поверхностью, например, печатной платы. Также следует понимать, что между площадкой 42 и различными элементами светодиодного модуля 30 могут быть выполнены теплопроводные переходные отверстия для отвода тепла от кристалла 34 светодиода. В одном варианте для отвода тепла могут использоваться переходные отверстия (не показаны), которые проходят сквозь подложку между площадкой 42 и металлизированной площадкой 66 для более эффективного отвода тепла от кристалла 34 светодиода через подложку 32 к металлизированной площадке 66.
[0079] Предлагаемый модуль светодиода может также содержать дополнительные элементы, которые помогают обеспечить точность и надежность изготовления. Так как отношение W к D растет, ширина кристалла 34 светодиода приближается к диаметру линзы 70. В результате может оказаться более важным должным образом отцентрировать светодиодный кристалл 34 в центре подложки 32, чтобы он оказался под линзой 70. Для облегчения такого центрирования площадка для прикрепления кристалла 42 содержит средства для центрирования светодиода, которые могут иметь разные формы, вид и размеры. На показанном варианте площадка 42 содержит квадратные вырезы 74. При монтаже светодиодного кристалла на указанной площадке 42 углы кристалла подгоняются к внутренней кромке вырезов для обеспечения требуемого центрирования.
[0080] Модуль светодиода может также содержать такие элементы, как преграды для припоя в области вокруг площадки для прикрепления кристалла 42, которые также помогают центрировать светодиод и предотвращают его перемещения из монтажной зоны во время монтажа, когда припой находится в жидкой форме. Когда жидкий припой встречает на своем пути любую из таких преград, движение за ее пределы замедляется или останавливается. Тем самым ограничивается возможность сдвига светодиода, пока припой не затвердеет.
[0081] В других вариантах форма линзы над светодиодным кристаллом может меняться для увеличения светоотдачи. Например, может изменяться радиус кривизны линзы, в одном варианте он увеличен.
[0082] Хотя настоящее изобретение подробно описано с указанием на некоторые предпочтительные конфигурации устройства, возможны и другие варианты. Следовательно, сущность и объем изобретения не следует ограничивать описанными выше вариантами.
1. Модуль излучателя света, содержащий:
подложку;
кристалл излучателя света, установленный на указанной подложке, при этом отношение ширины этого кристалла к ширине указанной подложки составляет 0,35 или более, и
линзу над указанным кристаллом излучателя света, причем отношение ширины этого кристалла к ширине указанной линзы составляет 0,5 или более.
2. Модуль излучателя света по п.1, также содержащий преобразующий материал, расположенный вблизи указанного кристалла излучателя света, причем упомянутый преобразующий материал содержит частицы фосфора, имеющие размер частиц D50 больше 10 мкм.
3. Модуль излучателя света по п.1, в котором указанная подложка содержит нитрид алюминия (AlN).
4. Модуль излучателя света по п.1, в котором упомянутая подложка имеет размеры примерно от 3,5×3,5 мм до 5×5 мм.
5. Модуль излучателя света по п.1, в котором упомянутый кристалл излучателя света имеет размеры примерно от 0,7×0,7 мм до 3×3 мм.
6. Модуль светодиода (LED), содержащий:
подложку, имеющую верхнюю и нижнюю поверхности;
множество верхних электропроводящих и теплопроводящих элементов на указанной верхней поверхности упомянутой подложки;
кристалл светодиода на одном из упомянутых верхних элементов, причем электропроводящие элементы выполнены таким образом, чтобы рассеивать тепло от данного кристалла светодиода через большую часть верхней поверхности указанной подложки;
нижний теплопроводящий элемент на указанной нижней поверхности, не имеющий электрического контакта с упомянутыми верхними элементами и выполненный с возможностью отвода тепла от упомянутой подложки; и
линзу над указанным кристаллом светодиода;
при этом отношение ширины указанного кристалла светодиода к ширине указанной линзы составляет 0,5 или более.
7. Модуль излучателя света, содержащий:
подложку, содержащую нитрид алюминия (AlN);
кристалл излучателя света на указанной подложке, причем данный излучатель излучает свет с примерной средней длиной волны в диапазоне 430-460 нм, а отношение ширины упомянутого кристалла излучателя света к ширине указанной подложки составляет 0,35 или более, и
линзу на упомянутом кристалле излучателя света;
при этом отношение ширины упомянутого кристалла излучателя света к ширине упомянутой линзы составляет 0,5 или более.
8. Модуль излучателя света, содержащий:
единичный кристалл светодиода (LED), размеры которого больше 1×1 мм;
подложку, имеющую размеры 3,5×3,5 мм или больше; и
формованную линзу над упомянутым кристаллом светодиода на упомянутой подложке, при этом отношение ширины упомянутого кристалла излучателя света к ширине упомянутой линзы составляет 0,5 или более, а отношение ширины этого кристалла к ширине указанной подложки составляет 0,35 или более.
9. Модуль излучателя света по п.8, в котором упомянутая подложка содержит нитрид алюминия.
10. Модуль излучателя света, содержащий:
кристалл излучателя света;
подложку, содержащую материал с тепловодностью 30 Вт/м·К или выше; и
формованную линзу над упомянутым излучателем на упомянутой подложке, при этом отношение ширины упомянутого кристалла излучателя света к ширине упомянутой линзы составляет 0,5 или более, а отношение ширины этого кристалла к ширине указанной подложки составляет 0,35 или более.
11. Модуль излучателя по п.10, в котором упомянутая подложка имеет размеры примерно от 3,5×3,5 мм до 5×5 мм.
12. Модуль излучателя света по п.10, в котором упомянутый кристалл излучателя света имеет размер примерно от 0,7×0,7 мм до 3×3 мм.
