Спосіб виготовлення гнучкого світлодіодного модуля

1. Спосіб виготовлення гнучкого світлодіодного модуля, що включає формування гнучкої комутуючої плати, встановлення та з'єднання світлодіодних приладів електричною схемою на гнучкій комутуючій платі, встановлення комутуючої плати зі світлодіодними приладами на теплопровідні основи, які розміщені на відстані одна від одної, який відрізняється тим, що гн учку комутуючу плату виготовляють з лакофольгового діелектрика, у якій методом фотолітографії в металевому шарі формують гнучкі виводи для з'єднання з фронтальними контактами і плоскі площадки для з'єднання з тильними контактами напівпровідникових кристалів світлодіодів, а в шарі діелектрика вікна для з'єднання зварюванням, одночасно в гнучкій платі формують розгортки рефлекторівколіматорів, на гнучку плату встановлюють кристали світлодіодів, фронтальні і тильні контакти яких електрично і механічно з'єднують із платою точковим зварюванням через вікна в діелектрику, причому фронтальні контакти з'єднують із гнучкими виводами, а тильні контакти з'єднують із плос 2 (19) 1 3 83968 Винахід відноситься до області напівпровідникової світлотехніки і призначений для використання в освітлювальних приладах загального освітлення, автономних світильниках і ліхтарях систем освітлення автотранспорту, в сигнальних світлових апаратах, а також у світловій рекламі. Гнучкі світлодіодні модулі можуть експлуатуватися зі світлодіодними приладами, що генерують випромінювання білого, жовтого, червоного, зеленого та синього кольорів і які випромінюють в ультрафіолетовій та інфрачервоній області спектра. Відомий спосіб виготовлення гнучкого світлодіодного модуля, що здійснений у світлодіодному модулі, здатному легко згинатися в тривимірному просторі, по [патенту U.S. N 5,519,596 (МПК F21V 21/14, "MOLDABLE NESTING FRAME FOR LIGHT EMITTING DIODE ARRAY", Date of Patent: May 21, 1996]. Відповідно до опису цього винаходу сві тлодіодний модуль виготовляється на металевій рамці, що містить тверді секції. Світловипромінюючі прилади комутуються між собою електрично провідними перемичками і гнучкими секціями, що сформовані в металевій рамці між жорсткими секціями. Гнучкі секції виконуються з багатьох ячеїстих стр уктур, що механічно стискаються і розтискаються, на зразок сот, здатних до згинання. Ознаки даного способу виготовлення аналогу гнучкого світлодіодного модуля, спільні з ознаками пропонованого способу: - виготовлення гнучкої комутуючої плати; - об'єднання світлодіодних приладів в електричну схему на гнучкій комутуючій платі за допомогою металевих шин. Недоліками способу виготовлення аналогу є: - у зв'язку з тим, що вся рамка, на якій сформований світлодіодний модуль, виготовляється тільки з металу, до виго товлення гнучких ячеїстих секцій пред'являються дуже жорсткі технологічні вимоги з ретельним дотриманням усіх те хнологічних режимів; - спосіб дозволяє розташувати на жорстких секціях модуля тільки по одному ряду світловипромінюючих приладів; - ячеїсті металеві з'єднання гнучких секцій втрачають гнучкість у випадку, коли вони оточені шаром клею чи припою. Найбільш близьким по технічній сутності пропонованому те хнічному рішенню, прийнятий за прототип, є спосіб виготовлення гнучкого світлодіодного модуля, що здійснений у світлодіодному модулі по [патенту U.S. N 6,299,337 В1 (МПК F21S 8/10, F21V 21/00 "FLEXIBLE MULTIPLE LED MODULE, IN PARTICULAR FOR A LUMINAIRE HOUSING OF A MOTOR VEHICLE", Date of Patent: Oct.9, 2001]. Відповідно до опису цього винаходу світлодіодний модуль виготовляється на гнучкій друкованій платі, що виконує функцію електричного ланцюга. Гнучка друкована плата формується на декількох шарах полііміду. Кілька жорстких друкованих плат, виготовлених з алюмінію, з'єднуються з гнучкою друкованою платою і розміщуються на деякій відстані одне від одного. Декілька світловипромінюючих світлодіодних приладів розташовуються за допомогою технології поверхневого монтажу на гнучкій друкованій платі в областях 4 жорстких друкованих плат для ефективного відводу тепла від світлодіодів. Ознаки способу виготовлення прототипу гнучкого світлодіодного модуля, спільні з ознаками пропонованого способу: - формування гнучкої комутуючої плати; - з'єднання світлодіодних приладів в електричну схему на гнучкій комутуючій платі за допомогою металевих шин; - встановлення гнучкої комутуючої плати на теплопровідні основи, розміщені на деякій відстані одне від одного. Даний спосіб також має недоліки: - світлодіодні прилади повинні бути виконані конструктивно для технології поверхневого монтажу методом пайки; - поверхневий монтаж світловипромінюючих приладів вимагає застосування дорогих спеціалізованих автоматизованих ліній; - в умовах пайки при підвищених температурах (припоєм без свинцю) може відбуватися погіршення електричних параметрів світловипромінюючих приладів; - надійність і термін експлуатації паяних з'єднань поступається звареним з'єднанням через повзучість матеріалу припою, що виникає при високих температурах експлуатації потужних світловипромінюючих приладів, що може стати причиною розривів в електричних ланцюгах; - порівняно великі габарити світловипромінюючих сві тлодіодних приладів для поверхневого монтажу обмежують щільність компонування модуля; - гнучка друкована плата формується на декількох шарах полііміду, що вимагає прецизійного оснащення й істотно ускладнює процес складання модуля. В основу винаходу поставлена задача вдосконалення способу виготовлення гнучкого світлодіодного модуля шляхом того, що гнучку комутуючу плату виготовляють з лакофольгового діелектрика, у якій методом фотолітографії в металевому шарі формують гнучкі виводи для з'єднання з фронтальними контактами і плоскі площадки для з'єднання з тильними контактами напівпровідникових кристалів світлодіодів, а в шарі діелектрика вікна для з'єднання зварюванням, одночасно в гнучкій платі формують розгортки рефлекторівколіматорів, на гнучку плату встановлюють кристали світлодіодів, фронтальні і тильні контакти яких електричне і механічно з'єднують із платою точковим зварюванням через вікна в діелектрику, фронтальні контакти з'єднують із гнучкими виводами, а тильні контакти з'єднують із плоскими площадками в окремих точках по сітці з кроком 150-800мкм по всій площі кристала, гнучку комутуючу плату зі світлодіодними кристалами встановлюють на теплопровідні основи точковим зварюванням через вікна в діелектрику в окремих точках по периметру кожного світлодіодного кристала на відстані 150-300мкм від краю кристала, потім з розгорток на комутуючій платі формують рефлектори-коліматори для кожного світлодіодного кристала, у ре флекторах-коліматорах формують первинні оптичні системи, що дозволяє забезпечити 5 83968 підвищення стійкості світлодіодного модуля до впливу механічних і термомеханічних навантажень, дозволяє встановлювати його на плоских, циліндричних, прямокутних поверхнях і завертати під різними кутами на будь-яких інших поверхнях, забезпечує покращення теплових параметрів світловипромінюючих напівпровідникових приладів, спрощення технологічного процесу складання гнучкого світлодіодного модуля, зменшення трудомісткості і вартості виготовлення світлодіодного модуля при одночасному підвищенні його надійності і довговічності, забезпечує підвищення коефіцієнта заповнення світлодіодного модуля, підвищення інтенсивності випромінювання світлодіодних приладів і концентрації світлового потоку. Цей технічний результат забезпечується за рахунок відмінних істотних ознак від прототипу, що обумовлюють відповідність пропонованого способу ви готовлення гнучкого світлодіодного модуля критерію "новизна". Причинно-наслідковий зв'язок між відмінними ознаками і технічним результатом наступна: Виготовлення гнучкої комутуючої плати з алюміній-поліімідного лакофольгового діелектрика забезпечує підвищення стійкості світлодіодного модуля до впливу механічних і термомеханічних навантажень, дозволяє встановлювати його на плоских, циліндричних, прямокутних поверхнях і завертати під різними кутами на будь-яких інших поверхнях. Забезпечується цей технічний результат за рахунок здатності лакофольгових діелектриків неодноразово згинатися і завертатися в трьох площинах, високої механічної міцності при вигині й інших механічних впливах, високій теплопровідності алюмінієвої фольги, а також погоджених температурних коефіцієнтів лінійного розширення (ТКЛР) алюмінієвої фольги і поліімідного покриття. Крім того, лакофольгові діелектрики виготовляються методом поливу на металеву фольгу поліімідного лаку і не мають адгезивних шарів, що дозволяє підвищити стійкість гнучкої плати модуля до високих робочих температур аждо+150°С. Встановлення на гнучку комутуючу плату напівпровідникових кристалів світлододів, електричне і механічне з'єднання фронтальних і тильних контактів кристалів світлододів з комутуючими елементами гнучкої плати точковим зварюванням, з'єднання гнучкої комутуючої плати з теплопровідними основами точковим зварюванням забезпечує покращення теплових параметрів світловипромінюючих напівпровідникових приладів, спрощення технологічного процесу складання гнучкого світлодіодного модуля, зменшення трудомісткості і вартості виготовлення світлодіодного модуля при одночасному підвищенні його надійності і довговічності. Досягається цей технічний результат за рахунок того, що тильні контакти кристалів світлодіодів з'єднують з алюмінієвими контактними площадками гнучкої плати ультразвуковим зварюванням в окремих точках по сітці з кроком 150-800мкм по всій площі кристала в залежності від розмірів кристалів і зварювальних електродів, а гнучку комутуючу плату зі світлодіодними кристалами з'єднують з теплопровідними основами ультразвуко 6 вим зварюванням в окремих точках по периметру кожного кристала на відстані 150-300мкм від краю кристала. При цьому забезпечується висока теплопровідність зварених з'єднань і ефективний відвід тепла від напівпровідникових кристалів світлодіодів. Крім того, у процесі складання цілком виключаються короткі замикання в ланцюгах світлодіодних приладів, тому що всі комутуючі елементи плати ізольовані одне від одного, а точкові зварювання здійснюють через вікна в діелектрику. Процеси зварювання цілком автоматизуються і легко адаптуються до автоматичних зварювальних установок типу DELVOTEC, що широко використовуються для ультразвукового зварювання в стандартній технології "кристал на платі" ("chip on board"). У способі-аналогу й у способі-прототипі застосовуються світлодіодні прилади, конструкції корпусів яких призначені для поверхневого монтажу (SMD-світлодіоди). Те хнологія поверхневого монтажу використовує стандартні технологічні процеси монтажу і пайки, і вимагає дорогих спеціалізованих ліній. У пропонованому способі виготовлення гнучкого світлодіодного модуля всі електричні і механічні з'єднання здійснюють за допомогою ультразвукового зварювання, що забезпечує підвищення надійності і терміну експлуатації світлодіодних модулів у порівнянні з пайкою навіть при впливі великої кількості термоциклів. Формування рефлекторів-коліматорів для світлодіодних кристалів з розгорток на комутуючій платі і формування в них первинних оптичних систем з оптичних матеріалів забезпечує підвищення коефіцієнта заповнення світлодіодного модуля, підвищення інтенсивності випромінювання світлодіодних приладів і концентрації світлового потоку. Забезпечується цей технічний результат за рахунок того, що висока теплопровідність зварених з'єднань і ефективний відвід тепла за рахунок локального кондуктивного відводу тепла від кожного світлодіодного кристала дозволяє значно зменшити значення теплового опору між кристалом і теплопровідною основою, що істотно покращує температурні й оптичні характеристики світлодіодних приладів у пропонованому гнучкому світлоді одному модулі і дозволяє підвищити коефіцієнт заповнення модуля світлодіодами, що особливо важливо для модулів з потужними світлодіодними кристалами. Даний технічний результат забезпечується також можливістю виготовлення рефлекторівколіматорів зі значно меншою (у 3-4 рази) ефективною площею світловипромінюючої поверхні в порівнянні з будь-якими аналогами світлодіодних приладів для поверхневого монтажу, і з різними діаграмами спрямованості світлового випромінювання, у тому числі з малими кутами розсіювання світлового потоку, що легко досягається заданою геометрією розгорток для рефлекторівколіматорів. Крім того, застосування органічних люмінофорів і кремнійорганічних композицій у первинній оптиці дозволяє забезпечити високу температурну стабільність і довговічність оптичної системи. 7 83968 Сутність пропонованого винаходу більш докладно роз'яснюється конкретним прикладом його здійснення з посиланнями на малюнки, на яких: на Фіг.1 схематично зображений гнучкий світлодіодний модуль в ізометрії; на Фіг.2 схематично зображений розріз гнучкого світлодіодного модуля, що встановлений на різних варіантах поверхонь, вид збоку; на Фіг.3 схематично представлений фрагмент гнучкої комутуючої плати з кристалом світлодіода, встановленим зварюванням, вид з тильної сторони; на Фіг.4 схематично представлений фрагмент комутуючої плати з кристалом світлодіода, встановленої на теплопровідну основу зварюванням, вид із фронтальної сторони; на Фіг.5 схематично зображений фрагмент модуля зі світло-випромінюючим світлодіодним приладом. Позиціями позначені: 1 - гнучка комутуюча плата; 2 - розгортка рефлектора-коліматора; 3 - рефлектор-коліматор; 4 - світловипромінюючий світлодіодний прилад; 5 - вікно в шарі діелектрика для з'єднаннязварюванням; 6 - точки зварювання гнучкої комутуючої плати з тильним контактом напівпровідникового кристала світлодіода; 7 - точки зварювання гнучкого виводу комутуючої плати з фронтальним контактом напівпровідникового кристала світлодіода; 8 - точки зварювання гнучкої комутуючої плати з теплопровідною основою; 9 - кристал світлодіода; 10 - гнучкий вивід комутуючої плати для з'єднання з фронтальним контактом світлодіодного кристала; 11 - теплопровідна основа; 12 - органічний люмінофор; 13 - оптично прозора кремнійорганічна композиція. Спосіб виготовлення гнучкого світлодіодного модуля, що заявляється, включає формування гнучкої комутуючої плати, встановлення і з'єднання світлодіодних приладів в електричну схему на гнучкій комутуючій платі, встановлення комутуючої плати зі світлодіодними приладами на теплопровідні основи, розміщені на відстані одне від одного (Фіг.1). Методами фотолітографії з алюмінійполіімідного лакофольгового діелектрика, наприклад, типу ФДИ-А-50 (з товщиною алюмінію 30мкм, полііміду - 20мкм) виготовляється гнучка комутуюча плата 1 з певною конфігурацією комутуючих елементів і розгорток 2 для рефлекторівколіматорів 3 напівпровідникових світлодіодних приладів 4, а також вікна в шарі полііміду 5 для зварених з'єднань 6, 7, 8. На кристали напівпровідникових світлодіодів 9 з розмірами 1,12х1,12х0,15мм, розташовані в оснащенні тильною стороною вверх, позиціонується комутуюча 8 гнучка плата 1. Ультразвуковим зварюванням по сітці з кроком 500мкм зварювальним електродом з діаметром 300мкм через вікна в шарі полііміду 5 виконується з'єднання 6 плоских контактних площадок гнучкої плати 1 до тильних контактів кристалів 9 по всій їхній площі (крок зварених з'єднань підбирався з врахуванням мінімального теплового опору і мінімальної кількості зварених з'єднань (табл. 1). Гнучка комутуюча плата 1 зі світлодіодними кристалами 9 перевертається фронтальною стороною вверх. Гнучкі комутуючі виводи 10 встановлюються над фронтальними контактами напівпровідникових кристалів світлодіодів 9 і ультразвуковим зварюванням з'єднуються з ними. На плоскі алюмінієві теплопровідні основи 11, наприклад, товщиною 2мм, розташовані в оснащенні, позиціонується гнучка плата 1 із кристалами світлодіодів 9 фронтальною стороною вверх. Ультразвуковим зварюванням електродом з діаметром 300мкм через вікна 5 у шарі полііміду гнучка плата 1 механічно з'єднується з теплопровідними основами 11 в окремих точках 8 по периметру кожного світлодіодного кристала 9 на відстані 200мкм від краю кристала 9. Відстань від краю кристала до зварених з'єднань підбиралася з врахуванням мінімального теплового опору і мінімальної кількості зварених з'єднань, а також з врахуванням конструкційних обмежень зварювальних електродів (табл. 2). З розгорток 2 на комутуючій платі 1 формуються алюмінієві рефлектори-коліматори 3 у вигляді, наприклад, зрізаного конуса навколо кожного світлодіодного кристала 9. На напівпровідникові кристали 9, у ре флекторах-коліматорах 3 наносять органічний люмінофор 12, наприклад, RGB типу. У рефлектори-коліматори 3 заливають оптично прозору кремнійорганічну композицію 13, наприклад, RTV-S 691. Для обґрунтування відповідності пропонованого способу виготовлення гнучкого світлодіодного модуля критерію «винахідницький рівень» був проведений аналіз відомих рішень по літературних джерелах. Дана сукупність нових ознак з відомого рівня техніки не виявлена, що дозволяє зробити висновок про відповідність винаходу, що заявляється, умові патентоспроможності «винахідницький рівень». Працездатність гнучких модулів підтверджена на дослідних зразках, що піддавалися прискореним випробуванням в умовах впливу форсованих навантажень (ударних, вібраційних, періодичних змін температури й ін.). Реалізація винаходу, що заявляється, на існуючій елементній базі і технологічному устаткуванні технічних трудно щів не представляє, що дозволяє зробити висновок про відповідність пропозиції, що заявляється, умові патентоспроможності «промислова застосовність». На фотографії показаний дослідний зразок гнучкого світлодіодного модуля в рамці для автоматизованого ультразвукового зварювання. 9 83968 10 Таблиця 1 Діаметр зварювального електрода 100мкм Крок точок зварювання, мкм 100 150 200 350 400 500 800 900 Діаметр зварювального електрода 300мкм Розміри кристала 0,35х0,35х0,08мм Розміри кристала 1,1х1,1х0,15мм Тепловий опір між криста- Кількість точок Кількість точок Тепловий опір між кристалом і гнучкою платою, зварювання, шт. зварювання, шт. лом і гнучкою платою, °С/Вт °С/Вт 9 2,07 5 3,53 4 4,32 2 9,05 9 0,21 6 0,36 5 0,40 4 0,54 2 1,06 Таблиця 2 Відстань від краю кристала до точок зварювання, мкм 100 150 200 300 400 500 Діаметр зварювального електрода 300мкм Розміри кристала 0,35х0,35х0,08мм Розміри кристала 1,1х1,1х0,15мм Кількість точок зварювання, шт. 6 9 12 16 6 9 12 16 Тепловий опір між кристалом і теплопровідною основою, °С/Вт 5,16 5,15 2,41 2,40 2,35 2,40 5,25 5,23 5,20 2,50 2,55 2,51 2,50 5,39 5,40 5,35 5,30 2,81 2,80 2,75 2,75 8,35 8,42 8,32 8,35 6,30 6,25 6,27 6,15 8,62 8,64 8,70 8,60 7,05 6,63 6,75 6,51 11 Комп’ютерна в ерстка В. Клюкін 83968 Підписне 12 Тираж 28 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601