Патент на изобретение №2331951

(54) СВЕТОДИОД С ДВУХСЛОЙНОЙ КОМПАУНДНОЙ ОБЛАСТЬЮ

(57) Реферат:

Изобретение относится к светотехнике, а именно к полупроводниковым источникам света, преимущественно к источникам белого света. Светодиод содержит, по меньшей мере, один полупроводниковый светоизлучающий элемент, покрытый линзой, имеющей расположенную над светоизлучающим элементом выемку, в которой сформирована двухслойная компаундная область. Указанная область включает нижний и верхний слои оптически прозрачного компаунда. Нижний слой компаунда, в котором распределены люминофорные частицы, имеет в отвержденном состоянии твердость большую, чем верхний слой. Изобретение обеспечивает повышение стабильности оптических характеристик светодиода. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к светотехнике, а именно к полупроводниковым источникам света, преимущественно к источникам белого света.

В современных светодиодных модулях широко применяются оптически прозрачные компаунды различного вида, которые используются, в частности, в качестве адгезионных, изоляционных и защитных покрытий, а также для формирования внешних оболочек полупроводниковых источников света.

Кроме того, компаунды находят применение в качестве сред для диспергирования частиц люминофора, используемых для получения требуемой цветности излучения светодиодного источника света. Так, в частности, в источниках белого света используется полупроводниковый элемент, излучающий свет в синей области видимого спектра, и люминофор, частично поглощающий синее излучение, и, в свою очередь, излучающий свет в желтой, оранжевой или красной области видимого спектра, так что суммарное излучение светодиодного источника света воспринимается человеком как белый свет.

Известны конструкции светодиодных модулей, в которых сформированы двухслойные компаундные области, включающие компаунды различного вида и функционального назначения.

Так, известен светодиод [WO 2006059828], в котором расположенный в отражателе полупроводниковый светоизлучающий элемент покрыт двумя слоями компаунда, нижний из которых имеет твердость, меньшую, чем верхний. При этом более твердый верхний слой компаунда выполняет защитную функцию, предохраняя от деформации нижний слой компаунда, и, соответственно, от поломки электрические контакты светодиода, залитые указанным нижним слоем компаунда.

Известен светодиод [JP 2003234511], в котором расположенный в отражателе полупроводниковый светоизлучающий элемент покрыт двумя слоями компаунда, в верхнем из которых распределены частицы люминофора. Нижний слой компаунда заполняет почти полностью полость отражателя. Верхний слой компаунда имеет значительно меньшую толщину, чем нижний слой, и слегка выступает за уровень верхних краев полости отражателя. При этом за счет того, что частицы люминофора имеют удельный вес, больший, чем удельный вес компаунда, в котором они распределены, верхний слой приобретает форму выпукло-вогнутой линзы, которая участвует в формировании светового излучения.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению является светодиод с двойной компаундной областью, описанный в одном из частных случаев выполнения изобретения, защищенного патентом RU 2251761, который выбран авторами в качестве ближайшего аналога.

Рассматриваемый светодиод содержит по меньшей мере один полупроводниковый светоизлучающий элемент, покрытый линзой. Линза имеет расположенную над светоизлучающим элементом выемку, залитую двухслойной оптически прозрачной компаундной массой. Сформированная двухслойная компаундная область обеспечивает оптическую связь светоизлучающего элемента с линзой, при этом верхний слой является средой, в которой содержатся люминофорные частицы.

В рассматриваемом устройстве не предусмотрены специальные меры, направленные на предотвращение деформации люминофорного слоя в процессе изготовления светодиода. Между тем, при возникновении деформации люминофорного слоя, приводящей к изменению его формы и размеров, в значительной степени изменяются оптические характеристики светодиода.

Задачей заявляемого изобретения является повышение стабильности оптических характеристик светодиода.

Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что в светодиоде, содержащем по меньшей мере один полупроводниковый светоизлучающий элемент, покрытый линзой, имеющей расположенную над светоизлучающим элементом выемку, в которой сформирована двухслойная компаундная область, включающая нижний и верхний слои оптически прозрачного компаунда, в одном из которых распределены люминофорные частицы, согласно изобретению слой компаунда, в котором распределены люминофорные частицы, является нижним слоем, при этом нижний слой компаунда имеет в отвержденном состоянии твердость большую, чем верхний слой.

В частном случае выполнения изобретения нижний слой компаунда имеет в отвержденном состоянии твердость, достаточную для обеспечения постоянства распределения в его объеме люминофорных частиц.

В частном случае выполнения изобретения светодиод содержит расположенный в выемке линзы отражатель, в котором помещен светоизлучающий элемент и который является емкостью для нижнего слоя компаунда.

В заявляемом светодиоде связь линзы, обеспечивающей требуемое угловое распределение светового излучения, с полупроводниковым светоизлучающим элементом осуществляется через двухслойную компаундную область, сформированную в имеющейся в линзе выемке.

Являющийся в двухслойной компаундной области нижним люминофорный компаундный слой, который непосредственно покрывает полупроводниковый светоизлучающий элемент, обеспечивает эффективное преобразование цветности испускаемых указанным элементом световых лучей.

Верхний слой компаунда, расположенный поверх люминофорного компаундного слоя и заполняющий оставшийся свободный объем выемки линзы, необходим для обеспечения надежного оптического контакта на границах нижний люминофорный слой – верхний слой компаунда и верхний слой компаунда – линза.

Принципиально важным в заявляемом светодиоде является то, что для предотвращения в процессе сборки светодиода деформации нижнего люминофорного слоя он выполнен из компаунда, который в отвержденном состоянии имеет твердость, большую, чем верхний компаундный слой. В противном случае, когда верхний компаундный слой имеет одинаковую или большую твердость в отвержденном состоянии, чем нижний слой, при установке линзы заливочная компаундная масса верхнего слоя в отвержденном состоянии продавливает поверхность нижнего слоя, которая приобретает слегка вогнутую форму, то есть происходит деформация люминофорного слоя, обуславливающая изменение заданных световых характеристик светодиода.

Таким образом, техническим эффектом, достигаемым при использовании заявляемого изобретения, является повышение стабильности оптических характеристик светодиода.

Для предотвращения изменения с течением времени характеристик люминофорного слоя, обусловленного изменением местоположения частиц люминофора под действием на них сил тяжести, целесообразным является, чтобы нижний компаундный слой имел в отвержденном состоянии твердость, достаточно высокую для обеспечения постоянства распределения в его объеме люминофорных частиц. В случае, когда нижний компаундный слой в отвержденном состоянии имеет твердость, хотя и более высокую, чем верхний компаундный слой, но недостаточную, чтобы предотвратить перераспределение люминофорных частиц в его объеме, может происходить с течением времени “оседание” указанных частиц в слое компаунда, что может привести к изменению характеристик цветности излучения светодиода.

Применение в светодиоде расположенного в выемке линзы отражателя, в котором помещен светоизлучающий элемент и который является емкостью для нижнего слоя компаунда, обеспечивает более полное использование светового излучения.

На чертеже представлен общий вид заявляемого светодиода.

Светодиод содержит полупроводниковый светоизлучающий элемент (чип) 1, в частности, полупроводниковый светоизлучающий кристалл, излучающий свет в синей области видимого спектра. Чип 1 помещен в отражателе 2 и установлен на подложке (подкристальной плате) 3. Плата 3 расположена на основании 4, имеющем вертикально ориентированный верхний выступ (на чертеже не обозначен) для монтажа платы 3. Светодиод содержит также печатную коммутационную плату 5, имеющую отверстие (на чертеже не показано) под выступ основания 4 и помещенную поверх основания 4, так что его выступ пропущен через указанное отверстие в печатной плате 5. К печатной плате 5 подсоединены электрические контакты 6, соединяющие печатную плату 5 с подкристальной платой 3. Отражатель 2 с чипом 1 сверху закрыты линзой 7, при этом линза 7 имеет в нижней части выемку (на чертеже не обозначена), расположенную над отражателем 2 с чипом 1, в которой сформирована двухслойная компаундная область. Указанная область содержит выполненные из оптически прозрачных гелевых компаундов нижний слой 8 и верхний слой 9, при этом нижний слой 8 заполняет полость отражателя 2, а верхний слой 9 располагается в выемке линзы 7 поверх слоя 8.

В нижнем компаундном слое 8 распределены частицы люминофора (люминофоров), изменяющие цветность излучения чипа 1, в частности частицы иттрий-алюминиевого граната, излучающие свет в такой области видимого света, что суммарное излучение чипа 1 и люминофора воспринимается как белый свет.

Материалы компаундных слоев 8 и 9 выбраны из условия, что твердость в отвержденном состоянии нижнего люминофорного компаундного слоя 8 больше, чем верхнего компаундного слоя 9. При этом твердость в отвержденном состоянии нижнего компаундного слоя 8 имеет достаточно высокую величину, при которой исключается эффект перераспределения люминофорных частиц в объеме слоя 8 в процессе работы светодиода.

Так, например, в качестве гелевого компаунда для нижнего люминофорного слоя 8 может быть использован гелевый компаунд марки LS-6257, который в отвержденном состоянии имеет относительно высокое значение твердости, лежащее в диапазоне 20-80 единиц по Шору (класс А). В качестве гелевого компаунда для верхнего слоя 9 может быть, например, использован гелевый компаунд марки SilGel 612, имеющий значительно более низкое значение твердости в отвержденном состоянии, лежащее в диапазоне 20-70 единиц по Шору (класс 00).

Заявляемый светодиод изготавливают следующим образом.

Печатную плату 5 закрепляют на основании 4, например, приклеиванием. Чип 1 устанавливают на подкристальной плате 3, в частности, методом пайки, после чего плату 3 монтируют на основании 4, например, также методом пайки. Соединяют контактные площадки (на чертеже не показаны) печатной платы 5 с подкристальной платой 3 с помощью контактов 6. Устанавливают отражатель 2 на плате 3, например, с помощью клея. Заполняют полость отражателя 2 гелевым компаундом с распределенными в нем люминофорными частицами, образующим нижний слой 8 двухслойной компаундной области. Заполняют полость линзы 7 заливочной массой, образующей верхний слой 9 двухслойной компаундной области. После отверждения компаундных слоев 8 и 9 устанавливают линзу 7 на основании 4. Линза 7 может быть изготовлена, например, из теплостойкого поликарбоната, и закреплена на основании 4 методом горячей завальцовки (запрессовки).

Светодиод работает следующим образом.

При протекании тока через чип 1 последний излучает свет в некоторой, в частности в синей, области видимого спектра. Люминофорные частицы, находящиеся в нижнем компаундном слое 8, частично поглощают указанное излучение, преобразуют полученную энергию и в ходе процесса люминесценции излучают свет в другой области видимого спектра, изменяя цветность излучения, в частности, таким образом, что суммарное излучение воспринимается человеком как белый свет.

За счет выбранных вышеуказанным образом различающихся твердостей, которые в отвержденном состоянии имеют компаундные слои 8 и 9, исключается деформация люминофорного слоя 8 в процессе изготовления светодиода, а также не происходит перераспределение частиц люминофора в объеме слоя 8 в процессе работы светодиода, что обуславливает стабильность его оптических характеристик.

Формула изобретения

1. Светодиод, содержащий по меньшей мере один полупроводниковый светоизлучающий элемент, покрытый линзой, имеющей расположенную над светоизлучающим элементом выемку, в которой сформирована двухслойная компаундная область, включающая нижний и верхний слои оптически прозрачного компаунда, в одном из которых распределены люминофорные частицы, отличающийся тем, что слой компаунда, в котором распределены люминофорные частицы, является нижним слоем, при этом нижний слой имеет в отвержденном состоянии твердость большую, чем верхний слой.

2. Светодиод по п.1, отличающийся тем, что нижний слой компаунда имеет в отвержденном состоянии твердость, достаточную для обеспечения постоянства распределения в его объеме люминофорных частиц.

3. Светодиод по п.1 или 2, отличающийся тем, что он содержит расположенный в выемке линзы отражатель, в котором помещен светоизлучающий элемент и полость которого является емкостью для нижнего слоя компаунда.

РИСУНКИ