Полупроводниковое устройство
Владельцы патента RU 2392696:
Черных Сергей Петрович (RU)
Федорова Галина Владимировна (RU)
Иванов Алексей Алексеевич (RU)
Черных Сергей Сергеевич (RU)
Изобретение относится к оптоэлектронике. Полупроводниковое устройство содержит герметичный корпус, основание с присоединительными выводами, по меньшей мере, один из выводов изолирован от основания. В основании выполнено углубление с плоским дном для посадки одного или нескольких полупроводниковых элементов с выводами. Основание выполнено двухслойным, нижний слой выполнен из алмаза, а верхний - из кремния. Глубина углубления выполнена равной толщине кремниевого слоя. Изобретение обеспечивает снижение теплового сопротивления прибора в целом и, как следствие, повышение потребляемой мощности без потери пропорциональности увеличения полезных параметров приборов. 19 з.п. ф-лы, 6 ил., 2 табл.
Изобретение относится к области электронной техники, в частности к полупроводниковым приборам, содержащим один или несколько элементов, сформированных на общей подложке, а именно к полупроводниковым приборам определенных функциональных назначений, требующим интенсивного охлаждения.
Использование светодиодных устройств вместо газоразрядных ламп и 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 полупроводниковых, в частности светодиодных устройств, является их мощность, зависящая прежде всего от силы протекаемого прямого электрического тока и от значения величины теплового сопротивления основания, на котором установлен полупроводниковый элемент.
Известны полупроводниковые, в частности светодиодные устройства, в которых кристалл излучателя света укреплен на изоляторе, помещенном на медное основание и соединенном с электрическими выводами. Пластмассовый или керамический корпус, на котором крепится линза, представляет прибор в целом. При прямом токе 350 мА минимальная величина мощности излучения составляет 50 лм. Недостатком такого светодиодного устройства является невысокая мощность излучения, 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 мощности излучения при увеличении силы прямого тока. Наименьшая величина теплового сопротивления подобных приборов составляет 5-8°C/W. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому светодиодному устройству является устройство, реализованное в патенте RU 2267188, 23.06.2003.
Технический результат изобретения - снижение теплового сопротивления прибора в целом и, как следствие, повышение потребляемой мощности без потери пропорциональности увеличения полезных параметров приборов.
Для светодиодных устройств техническим результатом является повышение мощности (силы света) излучения светодиодного устройства с возможностью варьирования угла обзора и пространственной диаграммы направленности излучения.
Для достижения поставленного результата в полупроводниковом устройстве, содержащем герметичный корпус, основание с присоединительными выводами, по меньшей мере, один из которых изолирован от основания, и углублением с плоским дном для посадки одного или нескольких полупроводниковых элементов с выводами, основание выполнено двухслойным, нижний слой которого выполнен из алмаза, а верхний - из кремния, при этом глубина углубления выполнена равной толщине кремниевого слоя. Таким образом, полупроводниковые элементы размещены в углублении, непосредственно на алмазном слое, а число изолированных от основания присоединительных выводов устройства соответствует числу выводов полупроводниковых элементов. В качестве полупроводникового элемента используются полупроводниковые кристаллы одноцветного или разноцветного излучения оптического диапазона или кристаллы транзистора, или кристаллы выпрямительного диода, или диоды Шоттки, или кристаллы интегральных схем или микропроцессоров.
Глубина углубления не менее чем в два раза больше толщины полупроводникового кристалла, но не превышает его более чем в четыре раза, а диагональ плоского дна углубления больше диагонали нижней части полупроводникового кристалла, но не более чем в два раза.
В случае выполнения полупроводникового элемента в виде полупроводниковых кристаллов одноцветного или разноцветного излучения оптического диапазона верхняя поверхность герметичного корпуса выполнена в виде оптической линзы из материала, выбранного из группы: силгель, макролон, эпоксидная смола, или в виде линзы Френеля. В случае выполнения полупроводникового элемента в виде кристалла транзистора, или кристалла выпрямительного диода, или диода Шоттки, или кристалла интегральных схем или микропроцессоров верхняя поверхность герметичного корпуса выполнена плоской.
Углубление с плоским дном для посадки одного или нескольких полупроводниковых элементов заполнено герметизирующим компаундом с возможным добавлением люминофора или диспергатора и может быть выполнено, например, в виде обратного конуса или в виде параллепипеда. Боковая поверхность углубления выполнена в виде отражающей излучение поверхности, например в виде поверхности обратного конуса.
Присоединительные выводы выполнены в виде ленты, например перфорированной.
В качестве полупроводникового кристалла одноцветного или разноцветного излучения оптического диапазона используется материал, выбранный из группы: GaN, InGaAlN, GaAs, InP, SiC, ZnO.
В качестве полупроводникового элемента используется материал, выбранный из группы: Si, Ge, SiC, GaAs.
В качестве изоляционного материала для вывода, изолированного от основания, используется или термостойкий термопластичный полимер, или стеклообразный диэлектрик, или керамический диэлектрик, а присоединительные выводы выполнены из одного или нескольких слоев материалов, выбранных из группы: Ti, Pt, Ni, Au, Sn, Cu.
На фигуре 1 схематично представлен внешний вид предлагаемого устройства, где 1 - алмазный слой основания; 2 - присоединительные выводы; 3 - функциональный элемент; 4 - кремниевый слой основания.
Для определения теплового сопротивления прибора в целом необходимо рассчитать тепловые сопротивления его частей.
Расчет теплового сопротивления кристалла излучателя проведем на примере полупроводникового элемента фирмы "Cree" EZ-1000.
где: RTj-c - тепловое сопротивление р-n переход алмазное основание,
RT1 - тепловое сопротивление р-n переход основание кристалла,
RT2 - тепловое сопротивление основание кристалла алмазное основание,
RT3 - тепловое сопротивление алмазного основания.
Решение уравнения (1) дает величину теплового сопротивления предлагаемой конструкции с элементом EZ1000 фирмы "Cree" 0,361°C/W, что на порядок ниже всех существующих тепловых сопротивлений приборов.
На фигуре 2 схематично изображено несколько предлагаемых устройств, объединенных в ряд.
На фигуре 3 представлен общий вид устройства.
На фигуре 4 представлено светодиодное устройство в разрезе.
Работа светодиодного устройства может быть описана следующим образом.
При подаче на выводы 5 электрического напряжения, обеспечивающего протекание прямого электрического тока через кристалл излучателя света 3, кристалл начинает испускать свет. Излучение с верхней поверхности кристалла излучателя света 3 и с его боковых граней после отражения усеченной конической поверхностью 6 попадает в слой полимерного герметизирующего компаунда 7, а затем на оптическую систему 8, формирующую излучение нужной индикатрисы.
В зависимости от требуемой диаграммы направленности излучения применяется соответствующая конфигурация линзы. Наличие полимерного герметизирующего компаунда 7 обеспечивает снижение потерь мощности излучения и требуемую диаграмму направленности излучения. Кроме того, полимерный герметизирующий компаунд 7 обеспечивает влагозащищенность кристаллов излучателей света 3, места присоединения к кристаллу проводника, а также места присоединения этого проводника к выводу 5.
Конструкция светодиодного устройства с полимерным герметизирующим компаундом 7, выполненная на основе кремниевого держателя с отражающей усеченной конической поверхностью на алмазном основании 1, позволяет использовать боковое свечение кристаллов излучателей света 3 и увеличивает мощность излучения.
Алмазный слой основания 1 обеспечивает эффективное рассеяние потребляемой мощности с нижней грани кристаллов.
При монохромном одноцветном исполнении светодиодного устройства могут быть использованы кристаллы излучателей света 3 с красным, оранжевым, желтым, зеленым, голубым или синим цветом свечения. Для светодиодов белого цвета свечения применяются кристаллы с длиной волны 450-460 нм, с применением люминофора.
Конструктивное воплощение конкретного светодиодного устройства, изготовленного согласно изобретению, содержит металлическую рамку из стали толщиной 0,5 мм, с присоединенными выводами. Отражательная усеченная коническая поверхность имеет глубину 0,6 мм, диаметр на поверхности подложки равен 4 мм, диаметр плоского дна с посадочными местами для кристаллов составляет 2,4 мм. Крышка отлита из пластической массы - поликарбоната типа "Лексан". 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 волны 470 нм.
Описанная конструкция светодиодного устройства обеспечивает величину теплового сопротивления 0,5°С/Вт и увеличение прямого тока через светодиод до 1 А без потери линейности люкс-амперной характеристики. Это позволяет получать мощность излучения 200 lm. Ниже приведены характеристики разработанных на основании предлагаемого изобретения ярких светодиодных устройств.
Устройства содержат кристаллы излучателя света (красного, зеленого, синего), смонтированные в герметизированном пластмассовом корпусе 10 с квадратным основанием и пластмассовой крышкой.
Примеры конкретного выполнения предлагаемого светодиодного устройства иллюстрируются показателями, приведенными в таблицах 1.
В таблице 1 представлены характеристики полупроводниковых светодиодных устройств.
| Таблица 1 | |||||
| Цвет излучения | Зеленый | Желтый | Красный | Синий | Белый |
| Материал | InGaN | AlInGAP | AlInGAP | InGaN | InGaN |
| Сила света | 25 кд | 20 кд | 20 кд | 8 кд | 25 кд |
| Мощность излучения | 80 лм | 60 лм | 62 лм | 19 лм | 150 лм |
| Рассеиваемая мощность | 1,4 Вт | 1,4 Вт | 1,4 Вт | 1,75 Вт | 1,75 Вт |
| Прямой ток | 0,5 А | 0,5 А | 0,5 А | 0,5 А | 0,5 А |
| Прямое напряжение | 2,8 В | 2,8 В | 2,8 В | 3,5 В | 3,5 В |
| Тепловое сопротивление | 0,35°С/Вт | 0,35°С/Вт | 0,35°С/Вт | 0,35°С/Вт | 0,35°С/Вт |
| Температура р-n перехода | +120°С | +120°С | +120°С | +120°С | +120°С |
В таблице 2 представлены максимальные рабочие характеристики и другие показатели полупроводниковых светодиодных устройств.
| Таблица 2 | ||
| № п/п | Максимальные параметры при 25°С | |
| 1. | Максимальный пиковый прямой ток | 1000 мА |
| 2. | Средний прямой ток | 500 мА |
| 3. | Максимальный прямой ток | 700 мА |
| 4. | Рассеиваемая мощность | 1750 мВт |
| 5. | Обратное напряжение (обратный ток = 100 мкА) | 5 V |
| 6. | Рабочая температура | -55 до +60°С |
| 7. | Температура пайки (1,6 мм от крышки) припоем | 260°С за 5 |
Как видно из подробного описания изобретения и примеров его конкретного осуществления, разработанное светодиодное устройство может найти широкое промышленное применение.
На фигурах 5, 6 представлены конструкции приборов с применением кристаллов интегральных схем и кристаллов транзистора. Расчет тепловых сопротивлений ведется по тем же формулам, что и в случае с кристаллом светодиода, при замене исходных материалов кристаллов AiiiBV на Si. Тепловое сопротивление для интегральной схемы серии К174УН15 кристалл-основание корпуса равно 2°C/W (серийный корпус), для транзисторов средней мощности этот параметр равен 0,65°C/W (серийный корпус). В случае с алмазным основанием корпуса тепловое сопротивление равно 1°C/W и 0,3°C/W соответственно.
1. Полупроводниковое устройство, содержащее герметичный корпус, основание с присоединительными выводами, по меньшей мере, один из которых изолирован от основания, и углублением с плоским дном для посадки одного или нескольких полупроводниковых элементов с выводами, отличающееся тем, что основание выполнено двухслойным, нижний слой которого выполнен из алмаза, а верхний - из кремния, при этом глубина углубления выполнена равной толщине кремниевого слоя.
2. Полупроводниковое устройство по п.1, отличающееся тем, что полупроводниковые элементы, размещенные в углублении, непосредственно на алмазном слое, а число изолированных от основания присоединительных выводов устройства соответствует числу выводов полупроводниковых элементов.
3. Полупроводниковое устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве полупроводникового элемента используются полупроводниковые кристаллы одноцветного или разноцветного излучения оптического диапазона,
4. Полупроводниковое устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве полупроводникового элемента используются кристаллы транзистора, или кристаллы выпрямительного диода, или диоды Шоттки, или кристаллы интегральных схем или микропроцессоров.
5. Полупроводниковое устройство по п.2, отличающееся тем, что глубина углубления не менее чем в два раза больше толщины полупроводникового кристалла, но не превышает его более чем в четыре раза, а диагональ плоского дна углубления больше диагонали нижней части полупроводникового кристалла, но не более чем в два раза.
6. Полупроводниковое устройство по п.2, отличающееся тем, что верхняя поверхность герметичного корпуса выполнена в виде оптической линзы.
7. Полупроводниковое устройство по п.2, отличающееся тем, что верхняя поверхность герметичного корпуса выполнена в виде линзы Френеля.
8. Полупроводниковое устройство по п.4, отличающееся тем, что верхняя поверхность герметичного корпуса выполнена плоской.
9. Полупроводниковое устройство по п.1, отличающееся тем, что углубление заполнено герметизирующим компаундом.
10. Полупроводниковое устройство по п.2, отличающееся тем, что углубление заполнено герметизирующим компаундом с добавлением люминофора или диспергатора.
11. Полупроводниковое устройство по п.2, отличающееся тем, что боковая поверхность углубления выполнена в виде отражающей излучение поверхности.
12. Полупроводниковое устройство по п.9, отличающееся тем, что боковая поверхность углубления выполнена в виде поверхности обратного конуса.
13. Полупроводниковое устройство по п.6, отличающееся тем, что оптическая линза выполнена из материала, выбранного из группы: силгель, макролон, эпоксидная смола.
14. Полупроводниковое устройство по п.4, отличающееся тем, что углубление выполнено в виде параллелепипеда.
15. Полупроводниковое устройство по п.1, отличающееся тем, что присоединительные выводы выполнены в виде ленты.
16. Полупроводниковое устройство по п.15, отличающееся тем, что лента выполнена перфорированной.
17. Полупроводниковое устройство по п.2, отличающееся тем, что в качестве полупроводникового кристалла одноцветного или разноцветного излучения оптического диапазона используется материал, выбранный из группы: GaN, InGaAIN, GaAs, InP, SiC, ZnO.
18. Полупроводниковое устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве полупроводникового элемента используется материал, выбранный из группы: Si, Ge, SiC, GaAs.
19. Полупроводниковое устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве изоляционного материала для вывода, изолированного от основания, используется или термостойкий термопластичный полимер, или стеклообразный диэлектрик, или керамический диэлектрик.
20. Полупроводниковое устройство по п.1, отличающееся тем, что присоединительные выводы выполнены из одного или нескольких слоев материалов, выбранных из группы: Ti, Pt, Ni, Au, Sn, Cu.
