BG110492A - Метод за изработване на високомощни мултичипове със светодиоди - Google Patents

Abstract

Методът за изработване на високомощни мултичипове със светодиоди е предназначен за изработване на свръхвисокомощни мултичипове с високомощни светодиоди, по-специално за изработване на свръх високомощни структури с по-добро охлаждане и осигуряване на висока светлоотдаваемост, ефективна и безпроблемна работа. Приложим е при създаване на свръхвисокомощни светодиодни структури за целите на осветителната техника. По-специално, той дава възможност за осигуряване на богата гама мощности на светодиодни мултичипове, в зависимост от целите на конкретните приложения в осветителната техника. Получената структура е съставена от охлаждаща медна подложка (1), фрезована по определен начин, епоксидна маска (2), мощни светодиоди (3) с високояркостно излъчване, анодът и катодът на които са запоени върху печатната платка (4), а термичната площадка (tenmal раd) е запоена върху медната подложка по технология за повърхностен монтаж (SMD). Охлаждащата медна подложка (1) и печатната платка (4) са слепени чрез епоксидна маска (2). Непосредственото запояване на термичните площадки на светодиодите върху медната подложка позволява значително по-добро охлаждане и ефективна и безпроблемна работа на високомощните диоди.

Description

Област на техниката

Изобретението се отнася до метод за изработване на високомощни мултичипове с високомощни светодиоди LUXEON® Rebel по SMD технология на монтаж на светодиодните елементи с охлаждаща подложка, което позволява значително по-добро охлаждане и ефективна и безпроблемна работа на високомощните светодиоди при висока светлоотдаваемост.

Приложим е при създаване на свръх високомощни светодиодни устройства, предназначени за използване в различни осветителни тела и уредби. По-специално метода дава възможност за осигуряване на богата гама мощности на светодиодни мултичипове в зависимост от целите на конкретните приложения в осветителната техника.

Предшестващо състояние на техниката

Светлинните източници с дълъг живот и по-голяма енергийна ефективност стават все по-значими и в тази връзка алтернативните светлинни източници са обект на засилен интерес. Съвременните тенденции в методите за произвеждане на светодиоди, в частност разработването на мултичипове и модулни светодиоди, допринесоха за появата на по-мощни светодиоди с различен цвят. Светодионите източници се използват в много приложения от сигнални светлини до заместители на конвенционалните нажежаеми и газоразрядни светлинни източници, както и във фиброоптични системи. Благодарение на факта, че светодиодите консумират по-малко електрическа енергия в сравнение с конвенционалните светлинни източници като същевременно имат значително по-дълъг живот и лъчение съсредоточено във видимия спектър, те могат да бъдат ефективна алтернатива на последните в различни типове осветителни уредби като улични, паркови, театрални, архитектурни, сценични и вътрешни.

Въпреки всички предимства, които предлагат светодиодните източници, светлинният им добив и времето на живот са много чувствителни към температурата и в действителност често са понижени поради прекалено • · ♦ · · · ···· * · · · · · · · ··«· * · «···· · ······ ··« , _{t t β} високата температура. Светлодиодните структури трябва да имат възможност за добро и интензивно отдаване на топлина, което е основното за поддържане на неговата стабилна работа.

Едно такова решение е известно от патент на корейските производители на светодиоди и свръх високомощни светодиоди SAILUX, Inc № 2005 - 0069100, съответстващ на патент № US 2009/00030003 А1, публикуван на 1, Ян, 2009. В него се описват светодиодно устройство, структура на светодиодното утройство и метод за произвеждане на модулната светодиодна структура. То включва основна охлаждаща площадка, формирана от разсейващ топлината материал, в който първия приемащ прорез има отворена горна част и първата част има вътрешен диаметър, който постепенно нараства по посока на по-ниската позиция, поне една изолираща основа, която е формирана от изолиращ материал и достига до долната повърхност на първия приемащ прорез на основната охлаждаща площадка, и поне една основна рамка, която достига изолационната подложка. Съгласно светодиодното устройство, структурата на пакетиране на светодиодното устройство и метода на производство на пакетираното светодиодно устройство, светодиоден чип може да бъде монтиран на голяма основна охлаждаща площадка и светлината може да бъде фокусирана, следователно подобрявайки ефективността на лъчението и охладителната способност.

Описаното техническо решение има няколко важни недостатъка: Първият е недостатъчната ефективност на устройството с използването на високомощни светодиодни чипове, които са свързани последователно по технология посредством бондиране. При този метод чиповете са разполагат на относително малки отстояния един от друг, което влошава разсейването на топлината, колкото и ефективна да е охлаждащата способност на устройството. Освен това при технологията на бондиране - свързване на чиповете с тънки проводници се получават засенчени участъци върху излъчващата площ, които намаляват ефективността на светодиодните чипове

Вторият е използването на усложнени за производство компоненти за формиране структурата, както и на изполването на метална охлажда площадка. Третият е използването на неефективна френзелова оптика, която отразява голяма част от светлинните лъчи и рефлекторни повърхности за фокусиране и насочване на светлинните лъчи на светодиодните чипове, което отново е ···» · ♦♦ ·· er ·· · · ♦ · ** • · · · · « · · ·· • · · ·· · · ····· * * ·····* ♦····· ·· · ·« _ee > <

свързано c неикономична и неефективна работа на устройството по отношение използването на лъчението на светодиодния чип.

Третият недостатък е, че в резултат на изброените недостатъци се преразходва електроенергия за осветяване, поради по-ниската ефективност на оптичната система и непълното използване на лъчението на светлинния източник, дължащо се и на недостатъчната охладителна способност на устройството. А това е особено важно, когато става въпрос за енергийна ефективност.

Техническа същност на изобретението

Цел на настоящото изобретение е да се създаде компактна и икономична структура с високомощни светодиоди с висока ефективност по технология за повърхностен монтаж, която позволява безпроблемна работа на високомощните светодиоди и ефективно топлоотдаване в работен режим, като осигурява безпроблемна работа на светодиодите с висока светлоотдаваемост и дава възможност за произвеждане на широка гама от свръх високомощни светодиодни мултичипове за приложение в различни области на осветителната техника. То предлага опростена конструкция, унификация на конструктивните елементи и лесна автоматизация на процеса на произвеждане на устройствата.

Методът за изработване на устройства с високомощни светодиоди LUXEON® Rebel по SMD технология на монтаж на светодиодните компоненти с охлаждаща медна подложка, което позволява значително по-добро охлаждане и ефективна и безпроблемна работа на високомощните светодиоди при висока светлоотдаваемост.

Методът за изработване на устройства с високомощни светодиоди LUXEON® Rebel по SMD технология на монтаж на светодиодните компоненти с охлаждаща медна подложка, приложима при създаване на свръх високомощни светодиодни устройства, предназначени за използване в различни осветителни тела и уредби, съгласно изобретението включва елементи и компоненти със следната функционална структура и предназначение: охлаждаща медна подложка 1, фрезована по определен начин, върху която е нанесена епоксидна маска 2, печатна платка 4 с конфигурация, осигуряваща необходимите схема на свързване на високомощните светодиоди, изводи към захранващия ги блок и нанесена безоловна спойваща паста 5, предназначена за повърхностен монтаж на светодиодните елементи 3 и монтажни отвори 6.

Светодиодите с високояркостно излъчване са високомощни. За разработените прототипи на мултичиповете са използвани светодиоди LUXEON® Rebel и Rebel ES със светлинен добив 100 Im/W при поддържан стабилизиран ток 350 mA, осигурен посредством захранващи блокове генериращи стабилизиран ток. Броят на светодиодите в прототипите на мултичиповете е съобразен със стандартните кратности на генераторите на ток по отношение на мощност на присъединения товар.

За устойчива и безпроблемна работа на светодиодните източници със съответстващ светлинен добив е необходимо да им бъдат осигурени каталожните работни температури на прехода или по-точно трябва да им бъде осигурено необходимото охлаждане в работен режим. Често решението на този проблем е определящо за режима на работа на високомощните светодиоди, както и определящо конструктивните изпълнения на устройствата с високомощни светодиоди и техните технически данни. Технологията на произвеждане на разработените прототипи на мултичипове със светодиоди позволяват безпроблемната работа на светодиодите и при работен ток 700 mA, при което за светодиод с номинална мощност 1W при съответните работен ток 350 mA, светлинен поток 100 Im и светлинен добив 100 Im/W, консумираната мощност нараства на 2,38W, светлинният им поток на 180 Im, а светлинният им добив намалява до 76 Im/W. Т. е. за получаване на сходни светлотехнически резултати би било възможно използването на по-малък брой светодиоди в мултичипа, при работата им в режим на максимално допустим работен ток и безпроблемно необходимо охлаждане.

Конструкцията на мултичиповете включва охлаждаща медна подложка 1, фрезована по определен начин, върху която се нанася епоксидна маска 2. Върху подложката се слепват/пресоват необходимият брой печатни платки. Платките 4 са от фолиран стъклотекстолит с конфигурация, осигуряваща необходимите схеми на свързване на високомощните светодиоди и с изводи към захранващия ги блок. Върху платките се нанася спойваща паста 5 в съответствие с Европейската директива RoHS за ограничаване използването на някои опасни субстанции в електрическите и електронни изделия, която се ♦ ·♦ « * »♦ ·♦ · 9 ·· · · · · · · ··· · · » ···· * · · · · · · · ···· * · ····· · ······ ··· · · ·· · · отнася за следните 6 вредни субстанции: олово, живак, кадмий, хексавалентен хром (Chromium VI или Сг6+), полиброминантни бифенили (РВВ), полиброминантен дифенил етер (PBDE). Върху тях се запояват последователно необходимият брой светлоиоди 3 тип LUXEON® Rebel по технологията за повърхностен монтаж SMD. Този процес се осъществява посредством спойваща паста 5 тип RoHS и нагряване на платката в специална пещ по метода за повърхностен монтаж на електронни компоненти. Найважните предимства на метода са: минимизиране размерите на елементите и от там размерите на самите изделия; автоматизиране процеса на монтажа; повишаване здравината на печатните платки - устойчивост на вибрации, удари; подобряване на топлообмена между елементите и платката. Предложеният метод дава възможност за производството на широка гама високомощни изключително икономични мултичипове с различна мощност и много висок светлинен добив. За сравнителна оценка на предлаганите мултичипове с високомощни светодиоди изработвани по технология посредством бондиране или свързване на съответните точки от чипа с изводите посредством тънък проводник могат да послужат таблица 1 и таблица 2. В таблица 1 са предложени реализираните технически параметри на прототипи с мощност 2, 4, 6 и 8 W при работен ток на светлодиодите 350 mA и работно напрежение 3,4 V, и съответните 5, 10, 14, 20 W при работен ток на светлодиодите 700 mA и напрежение 3,2 V.

I·

• · • * · · • · · · · • · ·

Таблица 1

Прототип мултичип с LUXEO	M®Re	be!
неутрален, бял	3,4		6,8		14		20	27						350
топло бял	3,4		6,8		14		20	27

неутрален, бял топло бял

100 200

120

400

240

600 800

360 480

неутрален, бял топло бял неутрален, бял топло бял неутрален, бял топло бял неутрален, бял топло бял неутрален, бял топло бял неутрален, бял топло бял

100 84

Таблица 2

В таблица 2 са представени каталожните параметри на предлаганите от SAILUX, Inc свръх високомощни светодиоди.

Както може да се види, с предложения в изобретението метод реализираният светлинен поток при мощност 2W, работен ток 350 mA, надвишава светлинния поток на предлагания от Sailux, Inc. мултичип с мощност 5W, работен ток 350 mA. Това в основна степен се дължи както на по-високият • r

светлинен добив на използваните компоненти, така и на възможностите да им се осигури ефективен и безпроблемен режим на работа. Тъй като конструктивното изпълнение на разработения метод позволява безпроблемна работа на светлодиодите и при работен ток 700 mA, за сравнителна оценка са представени и постиганите резултати при работен ток 700 mA и напрежение 3,2 V. Този режим на работа дава възможност за осигуряване на по-голям светлинен поток, но светлинния добив на светлинния източник е понижен. Използвайки режим на работа на светодиодите при повишен ток могат да се постигат сходни светлотехнически параметри за свръх високомощни светлодиоди при редуциран брой на съставляващите ги мощни светодиоди, което от своя страна позволява намаляване на цената на устройството, пропорционално на редуцирания брой елементи.

Посредством комбиниране на чипове с необходимия брой високомощни светодиоди, в зависимост от изискванията за конкретното приложение, се дава възможност за реализиране на широка гама от светодиодни мултичипове с различна мощност - 2, 4, 6, 8, 10, 12, 14 и т.н., както и съответните мощности при равен брой използвани високомощни светодиоди и повичен работен ток.

Изложените примерни изпълнения на устройствата по разработения метод осигуряват еднакви условия за тяхното нормално действие и показват универсалността на приложение на тметода за производство на свръх високомощни светодиодни мултичипове, като и неговата ефективност по отношение на постиганите електрически и светлотехнически параметри.

Ниската консумация на енергия на осветителното устройство и ефективното използване на електрическата и светлинната енергии, високата механична якост, както и адаптируемостта му към осветяване на различни обекти го прави изключително удобно за приложение в многообразни осветителни системи.

Предимствата на метода се заключват в следното:

1. Постигане на необходимите светлотехнически параметри с минимална инсталирана мощност. Максимално оползотворяване на електрическата и светлинната енергии и функциониране на устройството с висок коефициент на полезно действие, дължащ се на предложената технология за произвеждане на свръх високомощни мултичипове с високомощни светодиоди LUXEON® Rebel с изключително висока ♦ · • ♦ · ··· · · · · • · ♦ · · · · · ···· • · ····· « ······ ··· «' „ _е< ефективност и високояркостно излъчване. Този факт прави осветителното устройство изключително енергийно ефективно;

2. Постигане на компактност на изработваните устройства и осигуряване на ефективно топлоотдаване и безпроблемен работен режим на светодиодите и при повишен работен ток, дължащи се на прилаганата SMD технология за монтаж на светодиодните източници върху платки, която осигурява следните предимства: минимизиране размерите на елементите и от там размерите на самите изделия; автоматизиране процеса на монтажа; повишаване здравината на печатните платки устойчивост на вибрации, удари; подобряване на топлообмена между елементите и платката;

3. С еднакъв брой светодиодни източници могат да се постигат различни светлотехнически параметри, което се дължи на по-доброто охлаждане и възможността за безпроблемна работа на светлодиодите в режим на повишен ток;

4. С различен брой светодиодни източници могат да се постигат сходни светлотехнически параметри едиствено посредством избор на работен режим, което дава възможност за поевтиняване на устройството;

5. Универсално приложение в различни типове осветителни устройства и уредби, дължащо се възможностите за произвеждане на широка гама от светодиодни мултичипове с различна мощност;

6. Конструкцията включва технологично опростени елементи, способстваща нейната компактност и позволява унификция на основните, повтарящи се елементи и технологични операции.

Claims (5)

1. Метод за изработване на високомощни мултичипове със светодиоди включва последователно свързани основна охлаждаща подложка, изолираща основа и основна рамка, характеризиращ се с това, че върху:охлаждащата подложка /1/, изработена от мед и фрезована по определен начин са свързани последователно епоксидна маска /2/ за слепване, печатна платка /4/ от фолиран стъклотекстолит с конфигурация, осигуряваща необходимите схема на свързване на високомощните светодиоди, изводи към захранващия ги блок и нанесена безоловна паста 151, предназначена за повърхностен монтаж на светодиодни елементи /3/ и монтажни отвори /6/.

2. Метод за изработване на високомощни мултичипове със светодиоди съгласно претенция 1, характеризиращ се с това, че изработването на свръхвисокомощните мултичипове посредством SMD технология за монтаж на високомощните светодиоди слепена/пресована към охладителна подложка /1/ от мед, фрезована по определен начин с екоксидна маска /2/ дава възможност за постигане на необходимите светлотехнически параметри с минимална инсталирана мощност, максимално оползотворяване на електрическата и светлинната енергии и функциониране на устройството с висок коефициент на полезно действие, като се осигурява ефективно топлоотдаване и безпроблемен работен режим на светодиодите и при повишен работен ток.

3. Метод за изработване на високомощни мултичипове със светодиоди съгласно претенци 2, характеризиращ се с това, че посредством осигуреното ефективното топлотдаване и възможността за безпроблемна работа на светодиодите /2/ при повишен ток в работен режим с еднакъв брой светодиодни източници могат да се постигат различни светлотехнически параметри и с различен брой светодиодни източници могат да се постигат сходни светлотехнически параметри единствено посредством избор на работен режим, което дава възможност за поевтиняване на устройството.

4. Метод за изработване на високомощни мултичипове със светодиоди съгласно претенция 3, характеризиращ се с това, че има икономична конструкция и универсално приложение в различни типове осветителни устройства и уредби, дължащи се на възможностите за • · · произвеждане на широка гама от светодиодни мултичипове с различна мощност и позволява унификция на основните, повтарящи се елементи и технологични операции.

5. Метод за изработване на високомощни мултичипове със светодиоди съгласно претенция 4, характеризиращ се с това, че включва технологично опростени елементи, което позволява унификция на основните, повтарящи се елементи и технологични операции.