Багатокристальний світлодіодний модуль

Реферат: Винахід належить до напівпровідникової світлотехніки. Світлодіодний багатокристальний модуль включає в себе теплопровідну основу, електроізолюючу плівку, теплопровідні електропровідні площадки та множину об'єднаних в електричну схему світлодіодних кристалів. Згідно з винаходом, модуль містить рамку випромінюючої області модуля, яка містить виготовлені з теплопровідного електропровідного матеріалу щонайменше дві відокремлені частини, встановлені на електроізолюючій плівці, кожна з яких має контактні області. Світлодіодні кристали встановлені на теплопровідній електропровідній основі або на теплопровідних електропровідних площадках. Поверхні теплопровідної основи, рамки випромінюючої області та теплопровідних електропровідних площадок покриті світловідбиваючим покриттям з коефіцієнтом відбиття світла від 90 % до 98 %, а вільний простір випромінюючої області модуля заповнений люмінофорним ізолюючим матеріалом. В модулі можуть бути використані світлодіодні кристали як з планарним, так і з вертикальним розташуванням контактів. Основним технічним результатом є підвищення енергетичної і оптичної ефективності багатокристального світлодіодного модуля, підвищенні строку його експлуатації, забезпечення його високої електробезпеки та стійкості до дії високих температур, а також підвищення технологічності такого модуля. UA 111099 C2 (12) UA 111099 C2 UA 111099 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до області напівпровідникової світлотехніки і призначений для використання в освітлювальних пристроях, в тому числі освітлювальних системах, як побутового і загальнопромислового освітлення, так і в світильниках для освітлення територій промислових об'єктів, парків, автомобільних доріг, а також в сигнальних світлових апаратах і світильниках спеціального застосування. Відомий аналогічний за призначенням модуль за патентом України "Матриця світлодіодів" №79057 [1]. Згідно з формулою цього аналогу, матриця світлодіодів, що містить n кристалів світлодіодів, теплопровідну підкладку, рефлектори, мікролінзи та елементи з'єднання, яка відрізняється тим, що n кристалів світлодіодів з'єднані із гнучким носієм з визначеною топологією розташування n кристалів світлодіодів та струмових провідників, змонтованих на поверхні підкладки, яка має призматичну або подібну до конічної форму, та містить рефлектори у вигляді кілець конусоподібної або параболічної форми, розташовані на підкладці на відстані оптичного контакту до n кристалів світлодіодів всередині багатокутників, що вписані у рефлектори, або у кутах багатокутників, що описані навколо рефлекторів, причому n кристалів світлодіодів розташовані із можливістю забезпечення заданого кута відбиття та збору випромінювання. При цьому, запропоновано виготовлення теплопровідної основи (підкладки) з анодованого алюмінію. Аналіз вказаного модулю-аналогу дозволяє виділити наступні його недоліки: - по-перше, відведення тепла від кристалів світлодіодів за рахунок механізму кондукції до теплопровідної основи з анодованого алюмінію є недостатнім, що знижує ефективність роботи світлодіодної матриці при високих робочих струмах і температурах довкілля; - по-друге, відбиваюча поверхня рефлекторів, виконаних з анодованого алюмінію, має загальний коефіцієнт відбиття світла незначно більше 0,8, що також обмежує оптичну ефективність світлодіодного модулю; - по-третє, виготовлення вказаного модуля-аналогу є технологічно складним, оскільки потребує виготовлення множини рефлекторів для світлодіодів. Крім того, відомий багатокристальний світлодіодний модуль за патентом Російської Федерації "Многокристальная светоизлучающая матрица" №2465689 [2]. Згідно з формулою цього винаходу, світловипромінююча матриця включає виконану з теплопровідного матеріалу пластинчасту основу, на якій встановлена група напівпровідникових світловипромінюючих кристалів, включених в послідовне електричне коло. При цьому електричне коло містить включені паралельно частини кристалів ділянки шунтування, що мають в замкнутому стані практично нульовий опір, розташовані на основі з можливістю вільного доступу до зон їх замикання. При цьому вказана матриця містить розташовану поверх основи пластину з діелектричного матеріалу, що має наскрізний отвір, що створює поглиблення, в якому розташовані світловипромінюючі кристали, причому вказане поглиблення заповнене світлопрозорим компаундом з люмінофором. Вказаний винахід-аналог забезпечує можливість варіювання напруги живлення світловипромінюючої матриці після її виготовлення. Аналіз вказаного аналогу дозволяє виділити його наступні недоліки: - по-перше, на теплопровідній основі світлодіодного модулю рамка для люмінофорного шару виконана у вигляді отвору в діелектричному матеріалі, який може потемніти після декількох тисяч годин роботи і, відповідно, привести до зменшення оптичного випромінювання і до зміни колориметричних характеристик пристрою; - по-друге, частина контактних зон у запропонованому аналогу є відкритою, що не забезпечує високу електробезпеку та захист таких зон від корозії; - по-третє, вказаний аналог є технологічно складним у виготовленні, оскільки потребує підготовки місця встановлення для кожного світлодіодного кристалу окремо, а також заповнення кожного такого місця світлопрозорим компаундом із люмінофором окремо. Найбільш близьким по технічній сутності запропонованому технічному рішенню, прийнятому за прототип, є багатокристальний світлодіодний модуль, який відомий за патентом США "Thermally optimized LED Chip-onboard module" US 8610136 B2 [3]. Передбачений вказаним винаходом багатокристальний світлодіодний модуль включає в себе теплопровідну основу, розташований на її поверхні ізолюючий шар, на поверхні якого розміщено електропровідний шар з розташованими на ньому електропровідними площадками, на яких розташовані щонайменше шість світлодіодних кристалів, розміщених у формі одного або більш радіальних концентричних кілець довкола центру так, що кожен світлодіодний кристал зміщений по азимуту один від одного. При цьому в якості матеріалу виготовлення електропровідного шару із множиною електропровідних площадок пропонується 1 UA 111099 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 використовувати мідь та її сплави, срібло та його сплави, золото та його сплави, вольфрам, нікель, титан та алюміній. Вказаний модуль-прототип також має свої недоліки: - по-перше, оскільки в якості теплопровідних і електропровідних матеріалів для контактних площадок в модулі перевага віддається міді та її сплавам, сріблу та його сплавам, золоту та його сплавам, вольфраму, нікелю, титану та алюмінію, то загальний коефіцієнт відбиття світла від поверхні, виготовленої з таких матеріалів, не перевищуватиме 0,85-0,9, що також обмежує оптичну ефективність всього модулю; - по-друге, широке використання дорогих матеріалів і навіть дорогоцінних металів для виготовлення електропровідного шару і контактних площадок суттєво збільшує собівартість прототипу; - по-третє, конструкція прототипу з очевидністю передбачає використання тільки світлодіодних кристалів з вертикальним розташуванням контактів та виключає використання світлодіодних кристалів з горизонтальним розташуванням контактів. Технічною задачею винаходу, що заявляється, є створення універсального технологічного багатокристального світлодіодного модуля підвищеного строку експлуатації з високою енергетичною, тепловою та оптичною ефективністю. При цьому, основний технічний результат полягає у підвищенні енергетичної і оптичної ефективності багатокристального світлодіодного модуля, підвищенні строку його експлуатації, забезпечення його високої електробезпеки та стійкості до дії високих температур, а також підвищенні технологічності такого модуля. Додатковий технічний результат полягає в універсалізації конструкції багатокристального світлодіодного модуля, яка передбачає можливість використовувати в ньому світлодіодні кристали як з планарним так і з вертикальним розташуванням контактів, а також можливість об'єднувати світлодіодні кристали як у послідовні так і в паралельно-послідовні електричні схеми. Суть запропонованого винаходу виражається наступною сукупністю суттєвих ознак, достатніх для досягнення заявленого технічного результату: 1. Багатокристальний світлодіодний модуль, який включає в себе теплопровідну основу, електроізолюючу плівку з отворами, теплопровідні електропровідні площадки та множину об'єднаних в електричну схему світлодіодних кристалів, який відрізняється тим, що рамка випромінюючої області модуля виготовлена з теплопровідного електропровідного матеріалу і складається з щонайменше двох відокремлених частин, встановлених на електроізолюючій плівці, кожна з яких має контактні області, світлодіодні кристали встановлені на теплопровідній основі або на теплопровідних електропровідних площадках, при цьому, поверхні теплопровідної основи, рамки випромінюючої області та теплопровідних електропровідних площадок покриті світловідбиваючим покриттям з коефіцієнтом відбиття світла від 90 % до 98 %, а вільний простір випромінюючої області модуля повністю заповнений люмінофорним ізолюючим матеріалом. Запропоноване технічне рішення має наступний розвиток щодо окремих варіантів його виконання: 2. Багатокристальний світлодіодний модуль за п. 1, який відрізняється тим, що в ньому використовуються світлодіодні кристали з планарним розташуванням контактів, розміщені на теплопровідній електропровідній основі. 3. Багатокристальний світлодіодний модуль за п. 1, який відрізняється тим, що в ньому використовуються світлодіодні кристали з вертикальним розташуванням контактів, розміщені на теплопровідних електропровідних площадках. 4. Багатокристальний світлодіодний модуль за п. 1, який відрізняється тим, що електроізолююча плівка виконана з полііміду. Причинно-наслідковий зв'язок між зазначеними вище суттєвими ознаками винаходу й очікуваним технічним результатом обґрунтовується наступним. Конструкція запропонованого модуля передбачає, що поверхні його теплопровідної основи, рамки випромінюючої області та теплопровідних електропровідних площадок покриті світловідбиваючим покриттям з загальним коефіцієнтом відбиття світла від 90 % до 98 %. Це забезпечує підвищення розсіювання потужності світлодіодного модуля при збереженні пропорційності параметрів входу-виходу, зокрема, пропорційності між поданим струмом та силою світловипромінювання. Завдяки цьому забезпечується основний технічний результат - підвищення оптичної та енергетичної ефективності світлодіодного модуля порівняно з прототипом більш, ніж на 10 %. Крім того, за рахунок заповнення всього вільного простору випромінюючої області запропонованого модуля люмінофорним ізолюючим матеріалом (наприклад, на основі 2 UA 111099 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 силіконових полімерів) забезпечуються високі значення загального коефіцієнту відбиття світла відбиваючих поверхонь елементів модуля і стабільність його оптичних властивостей (зокрема, стабільність колориметричних характеристик) протягом всього строку експлуатації такого модуля, а також захист областей з'єднань внутрішніх елементів модуля від корозії в широкому діапазоні дії підвищених робочих температур. Крім того, відносна простота та універсальність конструкції запропонованого багатокристального світлодіодного модуля допускає можливість використання послідовних та послідовно-паралельних з'єднань світлодіодних кристалів в електричні схеми як високої потужності, так і високої напруги живлення. При цьому, запропоноване технічне рішення передбачає можливість оптимально об'єднувати світлодіодні кристали різних типів з урахуванням можливості використання досконаліших і ефективніших світлодіодних кристалів, у тому числі, виготовлених з нових типів матеріалів. Зазначене забезпечує технологічність та універсалізацію запропонованого багатокристального світлодіодного модуля. Варіант винаходу за п. 2 передбачає використання у запропонованому модулі світлодіодних кристалів з планарним розташуванням контактів (в яких контактні площинки розташовані горизонтально), розміщених на теплопровідній основі. Розташування таких світлодіодів безпосередньо на теплопровідній основі дозволяє істотно знизити тепловий опір кристал-теплопровідна електропровідна основа в модулі до значень 1,5 °C/Вт - 1,95 °C/Вт. Це дає можливість зменшити тепловий опір кристал-теплопровідна електропровідна основа більш, ніж на 40 % у порівнянні з прототипом і, відповідно, значно понизити робочу температуру багатокристальних модулів у складі освітлювальних пристроїв (для модулів потужністю 4 Вт і 8 Вт, відповідно, до 47 °C і 59 °C). Варіант винаходу за п. 3 передбачає використання у запропонованому модулі світлодіодних кристалів з вертикальним розташуванням контактів, розміщених на теплопровідних електропровідних площадках. Розміщення світлодіодів з вертикально розташованими контактними площинками, виготовленими на карбіді кремнію, кремнії або германію, на плоских теплопровідних електропровідних комутуючих площадках, ізольованих від теплопровідної основи плівковими діелектриками, також забезпечує достатньо високі теплові параметри світлодіодних модулів. Теплопровідність матеріалів таких світлодіодних кристалів в 5-10 разів вища, ніж теплопровідність планарних світлодіодів, а конструкція вертикальних світлодіодних кристалів забезпечує краще відведення тепла з їх активних областей. Варіант винаходу за п. 4 передбачає використання в якості електроізолюючого матеріалу поліімідних плівок. Такі плівки характеризуються високими діелектричними властивостями і стійкістю до високих температур. Використання таких плівок дозволяє забезпечити високу електробезпеку модулів, що живляться від високовольтних джерел живлення, а також стійкість модулю до дії високих температур. Сутність запропонованого винаходу детальніше пояснюється конкретними прикладами його виконання із посиланнями на графічні зображення, що додаються. На Фіг. 1 схематично зображено загальний вигляд зверху запропонованого багатокристального світлодіодного модуля з послідовно-паралельним з'єднанням світлодіодних кристалів з планарним розташуванням контактів. На Фіг. 2 схематично зображено загальний вигляд зверху багатокристального світлодіодного модуля з послідовно-паралельним з'єднанням світлодіодних кристалів з вертикальним розташуванням контактів. На Фіг. 3 схематично зображено в розрізі багатокристальний світлодіодний модуль, наведений на Фіг. 1. На Фіг. 4 схематично зображено в розрізі багатокристальний світлодіодний модуль, наведений на Фіг. 2. На Фіг. 5 схематично зображено загальний вигляд варіанту багатокристального світлодіодного модуля з послідовним з'єднанням кристалів з планарним розташуванням контактів. На фіг. 6 схематично зображено загальний вигляд іншого варіанту модуля з послідовним з'єднанням кристалів з планарним розташуванням контактів. На Фіг. 7 схематично зображено загальний вигляд варіанту багатокристального світлодіодного модуля з послідовним з'єднанням кристалів з вертикальним розташуванням контактів. 3 UA 111099 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 На Фіг. 8 наведена фотографія існуючого зразку запропонованого багатокристального світлодіодного модуля. Позиціями на всіх кресленнях позначено: 1 - теплопровідна основа; 2 - електроізолююча плівка з отворами; 3 - теплопровідні електропровідні площадки; 4, 5 - частини рамки випромінюючої області з контактними областями для подачі напруги живлення необхідної полярності на модуль; 6 - дротові з'єднання; 7 - світлодіодні кристали з планарним розташуванням контактів; 8 - світлодіодні кристали з вертикальним розташуванням контактів; 9 - люмінофорний ізолюючий матеріал у випромінюючій зоні модуля. Можливість одержання заявленого технічного результату при здійсненні винаходу може бути підтверджена наступним. Запропонований багатокристальний світлодіодний модуль (фіг. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8) містить теплопровідну основу (1), покриту світловідбиваючим покриттям з загальним коефіцієнтом відбиття від 90 % до 98 %, на якій розміщена електроізолююча плівка (2) з отворами, на якій розташовані теплопровідні електропровідні площадки (3), які також покриті світловідбиваючим покриттям із загальним коефіцієнтом відбиття світла від 90 % до 98 %. Дві частини рамки випромінюючої області (4, 5) виготовлені з електропровідного теплопровідного матеріалу і покриті світловідбиваючим покриттям із загальним коефіцієнтом відбиття світла від 90 % до 98 %. Вказані частини рамки розміщені на електроізолюючій плівці (2). При цьому, кожна з двох частин рамки запропонованого модуля має контактну область для подачі через неї напруги живлення відповідної полярності на модуль. Вказані дві частини рамки випромінюючої області (4, 5) мають таку геометричну форму, що забезпечує можливість для заповнення внутрішнього простору випромінюючої області модуля люмінофорним ізолюючим матеріалом (9). Зокрема, геометричну форму і розміри вказаної рамки вибирають з розрахунку оптимальної компоновки і кількості світлодіодних кристалів і оптимальної товщини шару люмінофорного ізолюючого матеріалу. При цьому люмінофорний ізолюючий матеріал одночасно виконує герметизуючу, світловивідну та світлоперетворюючу функції. На Фіг. 5, 6 і 7 у загальному схемотехнічному вигляді наведені варіанти виконання модулів з послідовним з'єднанням в електричну схему світлодіодних кристалів з планарним розташуванням контактів (Фіг. 5, 6) і варіант виконання модуля з послідовним з'єднанням в електричну схему світлодіодних кристалів з вертикальним розташуванням контактів (Фіг. 7). Такі варіанти виконання світлодіодних модулів, зокрема, забезпечують досягнення як заданої потужності, так і високої напруги живлення. Кількість кристалів у запропонованому багатокристальному світлодіодному модулі вибирають, зокрема, виходячи з умови забезпечення сумарної напруги електричного живлення модулю і заданої величини робочого струму модуля. Світлодіодні кристали на наведених прикладах поєднані у відповідні електричні схеми за допомогою дроту (6). Відповідно до запропонованого варіанту 2, на теплопровідній основі (1) в отворах електроізолюючої плівки (2) встановлені і з'єднані в електричну схему світлодіодні кристали з планарним розташуванням контактів (7) (Фіг. 1, 3, 5, 6). Згідно із запропонованим варіантом 3, на теплопровідних електропровідних площадках (3) встановлені і з'єднані в електричну схему світлодіодні кристали з вертикальним розташуванням контактів (8) (Фіг. 2, 4, 7). Вказані світлодіодні кристали можуть бути приклеєні електропровідними і теплопровідними клеями до теплопровідних електропровідних площадок. З'єднання елементів модуля в електричну схему може бути виконано шляхом з'єднання елементів електричної схеми за допомогою відрізків гнучких електропровідників, наприклад, дроту, привареного за допомогою крапкового ультразвукового зварювання до відповідних контактів світлодіодних кристалів та до поверхонь теплопровідних електропровідних площадок. Можливість здійснення запропонованого технічного рішення підтверджена на дослідних зразках, які піддавалися прискореним випробуванням в умовах дії форсованих навантажень (ударних, вібраційних, періодичних змін температури, високої вологості). Дослідні зразки випробування витримали. При цьому зміна зовнішнього вигляду зразків і ознак критерію відмови не відзначена, помутніння люмінофорних шарів не спостерігалося, наявність корозії зварних з'єднань після випробувань не встановлена, зміна повного світлового потоку не перевищила 1 %. Реалізація винаходу на існуючій елементній базі і технологічному обладнанні істотних технічних труднощів не складає. На Фіг. 8 наведена фотографія існуючого зразку 4 UA 111099 C2 5 10 запропонованого багатокристального світлодіодного модуля потужністю 6 Вт з повним світловим потоком 750 лм. Перелік використаних джерел. 1. Патент України на винахід "Матриця світлодіодів" №79057 // Бюлетень промислової власності, 2007, №6. 2. Патент Российской Федерации "Многокристальная светоизлучающая матрица" №2465689 // Бюллетень Федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам "Изобретения. Полезные модели", 2012, №30. 3. Патент США "Thermally optimized LED Chip-on-board module" US 8610136 B2 // Електронна база даних USPTO. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 15 20 25 30 1. Світлодіодний багатокристальний модуль, який включає в себе теплопровідну основу, електроізолюючу плівку, теплопровідні електропровідні площадки та множину об'єднаних в електричну схему світлодіодних кристалів, який відрізняється тим, що містить рамку випромінюючої області модуля, яка містить виготовлені з теплопровідного електропровідного матеріалу щонайменше дві відокремлені частини, встановлені на електроізолюючій плівці, кожна з яких має контактні області, світлодіодні кристали встановлені на теплопровідній електропровідній основі або на теплопровідних електропровідних площадках, при цьому поверхні теплопровідної основи, рамки випромінюючої області та теплопровідних електропровідних площадок покриті світловідбиваючим покриттям з коефіцієнтом відбиття світла від 90 % до 98 %, а вільний простір випромінюючої області модуля заповнений люмінофорним ізолюючим матеріалом. 2. Світлодіодний багатокристальний модуль за п. 1, який відрізняється тим, що в ньому використовуються світлодіодні кристали з планарним розташуванням контактів, розміщені на теплопровідній електропровідній основі. 3. Світлодіодний багатокристальний модуль за п. 1, який відрізняється тим, що в ньому використовуються світлодіодні кристали з вертикальним розташуванням контактів, розміщені на теплопровідних електропровідних площадках. 4. Світлодіодний багатокристальний модуль за п. 1, який відрізняється тим, що електроізолююча плівка виконана з полііміду. 5 UA 111099 C2 6 UA 111099 C2 7 UA 111099 C2 Комп’ютерна верстка Л. Бурлак Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 8