RU2170995C1 - Светодиодное устройство - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к электронной технике, в частности к полупроводниковым приборам, содержащим несколько элементов, сформированных на общей подложке, в частности к светодиодным устройствам. Техническим результатом изобретения является повышение рассеиваемой мощности электронного устройства при сохранении пропорциональности параметров входа-выхода, в частности силы света излучения светодиодного устройства от прямого тока через светодиод, с возможностью варьирования угла обзора и пространственной диаграммы направленности излучения. Сущность: светодиодное устройство, содержащее один или несколько полупроводниковых излучателей света с присоединительными выводами, подложку и линзу, снабжено одним или несколькими соединенными последовательно термоэлементами Пельтье и одним или несколькими радиаторами, при этом излучатели света включены последовательно в цепь термоэлементов и размещены в области поглощения термоэлементами, а радиаторы размещены в области выделения тепла термоэлементами. 5 з.п.ф-лы, 1 табл., 7 ил.

Description

Изобретение относится к области электронной техники, в частности к полупроводниковым приборам, содержащим несколько элементов, сформированных на общей подложке, в частности к светодиодным устройствам, и может найти применение в полупроводниковой промышленности при разработке и производстве светодиодных устройств, используемых в вычислительной технике, энергетике, железнодорожном и автомобильном транспорте, черной металлургии, химической и в других отраслях промышленности. Светодиодные устройства широко применяются для сигнализации о режиме работы различной аппаратуры, в экранах коллективного пользования любого формата, изготовления источников информации типа информационных табло, бегущих строк, светофоров, дополнительных сигналов торможения в автомобилях и т.д.

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 величины и равномерностью светящегося пятна и разной мощностью (силой света) излучения. Наиболее важным параметром светодиодных устройств является мощность излучения, зависящая, прежде всего, от силы прямого электрического тока и от значения величины теплового сопротивления держателя, на котором установлен полупроводниковый излучатель света.

Известно светодиодное устройство, включающее полупроводниковый излучатель света с присоединительными выводами, подложку и корпус. Устройство красного цвета свечения типа HLMP - EG30-NROOO [1], в котором полупроводниковый излучатель света укреплен на подложке и соединен с одним из электрических выводов. Устройство снабжено пластмассовым корпусом, который состоит из концентрирующей излучение полусферической линзы диаметром 5 мм и цилиндрического основания. При прямом токе 20 мА минимальная величина силы света (аксиальная интенсивность свечения) составляет 0,59 кД при угле обзора 30^o на половине мощности излучения. Величина теплового сопротивления полупроводниковый излучатель света - корпус составляет 240^oC/Вт.

Недостатком такого светодиодного устройства является невысокая сила света, что обусловлено невозможностью повышения величины силы прямого тока через устройство из-за значительного теплового сопротивления корпуса и перегрева кристалла излучателя света. В этом случае наблюдается нарушение линейности люмен-амперной характеристики, приводящее к насыщению роста силы свечения при увеличении силы прямого тока.

Известны светодиодные устройства, включающие полупроводниковый излучатель света излучателя с присоединительными выводами, подложку и корпус, производимые фирмой Hewlett Packard серии HLMP-QLOO, РНОО и др., полный поток излучения которых при прямом токе через диод, равном 70 мА, и углах излучения 120^o составляет величину 3 лм, что обеспечивает эффективность 20 лм/Вт. Следующая модификация излучающих диодов той же фирмы при прямом токе через диод 250 мА дает полный поток излучения равный 12 лм.

Однако известные устройства не позволяют увеличивать прямые токи через светодиод в связи с перегревом p-n перехода и его деградацией [2, 3].

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение рассеиваемой мощности электронного устройства при сохранении пропорциональности параметров входа-выхода, в частности силы света излучения светодиодного устройства от прямого тока через светодиод, с возможностью варьирования угла обзора и пространственной диаграммы направленности излучения.

Технический результат достигается тем, светодиодное устройство содержит один или несколько полупроводниковых излучателей света с присоединительными выводами, подложку и линзу. Устройство снабжено одним или несколькими соединенными последовательно термоэлементами Пельтье и одним или несколькими радиаторами, при этом излучатели света включены последовательно в цепь термоэлементов и размещены в области поглощения тепла термоэлементами, а радиаторы размещены в области выделения тепла термоэлементами.

Кроме того, термоэлементы Пельтье смонтированы в одной плоскости и установлены на подложке таким образом, что их области поглощения тепла сконцентрированы в области расположения полупроводниковых излучателей света, а их области выделения тепла размещены на максимально возможном расстоянии от излучателей света на периферии подложки, обеспечивающем отсутствие обратного переноса тепла от зоны выделения тепла к зоне поглощения, при этом расстояние определяется теплопроводностью и электропроводностью материала термоэлементов Пельтье.

Каждый излучатель света снабжен светоотражателем или все излучатели света снабжены общим светоотражателем.

Боковая отражающая поверхность светоотражателей выполнена в виде поверхности тела вращения, преимущественно в виде усеченной конической поверхности.

Объем между основанием линзы и верхней поверхностью подложки заполнен герметизирующим компаундом.

Крышка устройства выполняется в форме полусферической линзы с цилиндрическим основанием или в виде плоского растра, причем на нижней грани основания крышки выполнены направляющие штыри, размещенные соответственно позиционным отверстиям в подложке.

Благодаря такому выполнению светодиодного устройства при пропускании тока от полупроводникового излучателя света отводится тепло, что предохраняет полупроводниковый излучатель света от перегрева и позволяет увеличивать величину тока без потери линейности люкс-амперной характеристики.

При выполнении боковой поверхности отражателя излучения в форме тела вращения (усеченной конической поверхности), излучение с боковых граней полупроводниковых излучателей света после отражения попадает на оптическую систему для формирования направленного излучения.

На фиг. 1 представлен общий вид устройства.

На фиг. 2 представлена подложка с полупроводниковым излучателем света.

На фиг. 3 представлена топология элемента Пельтье.

На фиг. 4 представлена конструкция радиатора (вид сверху).

На фиг. 5 представлена конструкция радиатора в разрезе.

На фиг. 6 представлена формирующая линза с отражателем.

На фиг. 7 представлен кристалл излучателя.

Светодиодное устройство содержит полупроводниковый излучатель света 1, установленный в центральной области подложки 2. На верхней плоскости подложки 2 смонтированы последовательно термоэлементы Пельтье 3, состоящие из элементов п-типа проводимости 4 и элементов р-типа проводимости 5, соединенных между собой перемычками 6. Термоэлементы Пельтье 3 установлены на подложке таким образом, что области выделения тепла 7 размещены на периферии подложки, а область поглощения тепла 8 - в ее центральной части. Устройство снабжено радиатором 9, для отвода и рассеивания тепла, выделяемого термоэлементами. На подложке установлена линза 10, которая формирует заданную индикатрису излучения. Объем между верхней поверхностью подложки и основанием линзы заполнен герметизирующим компаундом 11. Наличие герметизирующего компаунда обеспечивает снижение потерь мощности излучения и требуемую диаграмму направленности, а также обеспечивает влагозащищенность полупроводникового излучателя света. На внешней поверхности линзы установлен светоотражатель 12, боковая поверхность которого выполнена в виде перевернутого усеченного конуса. Устройство содержит присоединительные выводы 13, которые через проводники соединены с термоэлементами. Вся конструкция соединена с патроном 14.

Работа светодиодного устройства может быть описана следующим образом.

При подаче на присоединительные выводы 13 электрического напряжения, обеспечивающего протекание прямого электрического тока через полупроводниковый излучатель света 1 и, следовательно, через термоэлементы с различным типом проводимости (термоэлемент Пельтье) 3, полупроводниковый излучатель света начинает испускать свет. Излучение с верхней поверхности полупроводникового излучателя света и с его боковых граней после отражения усеченной конической поверхностью отражателя 12 попадает в слой полимерного герметизирующего компаунда 11, а затем на оптическую систему линзы 10, для формирования излучения нужной индикатрисы. При подборе и размещении термоэлементов описанным образом при пропускании тока в прямом направлении тепло отводится от центральной части подложки 8, где размещен полупроводниковый излучатель света 1 к ее периферии 7, где установлен радиатор 9, что дополнительно усиливает эффект охлаждения излучателя света, т.к. обеспечивает эффективное рассеивание тепла с периферии подложки.

В зависимости от требуемой диаграммы направленности излучения применяется соответствующая конфигурация линзы. Конструкция светодиодного устройства с полимерным герметизирующим компаундом и со светоотражателем, имеющим конусную боковую поверхность, позволяет использовать боковое свечение полупроводникового излучателя света и в два раза увеличить мощность излучения. Радиатор выполнен в виде концентрических колец, установленных на общем основании, и может быть выполнен как цельным, так и составным (из нескольких независимых секций).

Конструктивное воплощение конкретного светодиодного устройства, изготовленного согласно изобретению, содержит подложку из изолятора толщиной 1 мм с присоединенными выводами и термоэлементами и радиатор, присоединенный к подложке в местах выделения тепла термоэлементами. Крышка корпуса 11 отлита из пластмассы - поликарбоната типа "Лексан". Радиус полусферической линзы равен 5 мм, высота цилиндрического основания - 3 мм, расстояние между подложкой и основанием варьировалось в пределах 1-3 мм. Использовался полимерный компаунд марки 159-322.

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 волна 470 нм. Для установки кристаллов излучателей света методом перевернутого монтажа на эвтектику, оба контакта выведены на одну сторону.

Для получения белого цвета использовался кристалл, излучающий в синей области с длиной волны λ = 470 нм с нанесенным на него люминофором типа Y(1-a)Gd(a)3Al(1-b)Ga(b)5O12: Ce= YAG. Координат цветности полученного излучения составляет X=0,3; У=0,31 [4-6].

Описанная конструкция светодиодного устройства обеспечивает увеличение прямого тока через светодиод до 1200 мА без потери линейности люкс-амперной характеристики. Это позволяет получать поток излучения 80-100 лм в углах 120^o.

Примеры конкретного выполнения предлагаемого светодиодного устройства приведены в таблице.

Использование предлагаемого технического решения позволяет увеличить рассеиваемую мощность электронного устройства с обеспечением возможности варьирования угла обзора и пространственной диаграммы направленности излучения и может найти широкое промышленное применение.

Источники информации
1. Technical Data HP - 5968-382E 1/99.

2. Technical Data "LumiLeds" - 5968-7807E 2/00.

3. Technical Data HP - 5968-2530E 5/99.

4. UK Patent Application GB 2331625.

5. EPA 0353671 A2.

6. S/Nakamura, J. Fasol. "The Blue Laser Diod" Springer 1997, p. 218-220.

Claims (6)

1. Светодиодное устройство, содержащее один или несколько полупроводниковых излучателей света с присоединительными выводами, подложку и линзу, отличающийся тем, что устройство снабжено одним или несколькими соединенными последовательно термоэлементами Пельтье и одним или несколькими радиаторами, при этом излучатели света включены последовательно в цепь термоэлементов и размещены в области поглощения тепла термоэлементами, а радиаторы размещены в области выделения тепла термоэлементами.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что один или несколько термоэлементов Пельтье размещены на плоскости подложки таким образом, что их области поглощения тепла сконцентрированы в области расположения полупроводниковых излучателей света, а их области выделения тепла размещены на максимально возможном расстоянии от излучателей света на периферии подложки, обеспечивающим отсутствие обратного переноса тепла от зоны выделения тепла к зоне поглощения, при этом расстояние определяется теплопроводностью и электропроводностью материала термоэлементов Пельтье.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что каждый излучатель света снабжен светоотражателем.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что все излучатели света снабжены общим светоотражателем.

5. Устройство по пп. 3 и 4, отличающееся тем, что боковая отражающая поверхность светоотражателя выполнена в виде поверхности тела вращения, преимущественно в виде усеченной конической поверхности.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что объем между основанием линзы и верхней поверхностью подложки заполнен герметизирующим компаундом.

Images