MATRIZ LED DE ALTA DENSIDAD.

Una matriz densa de dispositivos semiconductores (19, 50, 70) emisores de luz,

proporcionando la matriz una salida radiante (24) dirigida a una pieza de trabajo (26), comprendiendo la matriz: una serie de primeros elementos micro-reflectores (54, 74, 102, 150, 200) en los que, por lo menos, uno de dichos elementos micro-reflectores tiene uno o una serie de dispositivos semiconductores emisores de luz asociados, teniendo cada uno de dichos elementos micro-reflectores una parte superior (55, 106), una parte inferior (57, 104) y una parte de transición dispuesta entre las partes superior e inferior, incluyendo cada uno de dichos elementos un borde de empaquetamiento (60, 86, 110) dispuesto en la parte superior, teniendo el borde de empaquetamiento una forma de perímetro, teniendo cada uno de dichos elementos una forma volumétrica básica, forma volumétrica cuya sección transversal tiene un contorno que difiere de la forma de perímetro del borde de empaquetamiento y en donde, en la parte de transición, la sección transversal de la forma volumétrica realiza una transición para proporcionar la forma de perímetro, caracterizada porque dicha serie de primeros elementos micro-reflectores (54, 74, 102, 150) incluyen ranuras (202) dispuestas en la parte inferior, ranuras (202) a través de las cuales fluye refrigerante para refrigerar directamente los dispositivos semiconductores

Solicitudes Relacionadas

Esta solicitud reivindica la prioridad de la solicitud provisional de EE. UU. de número de serie 60/561,771, presentada el 12 de abril de 2004, titulada “Collimation and direct liquid cooling of high-density led arrays" ("colimación y refrigeración directa por líquido, de matrices LED de alta densidad").

Antecedentes de la Invención

Esta invención se refiere a matrices de dispositivos semiconductores emisores de luz de alta densidad y, más en concreto, a una matriz de diodos emisores de luz (LED, light emitting diode) con elementos ópticos dirigidos a optimizar el empaquetamiento de alta densidad de los LEDs en equilibrio con la recogida y la colimación de la salida radiante de los LEDs.

Dichas matrices LED se conocen a partir de los documentos EP 01 272 39 (A1), US 6 367 950 (B1), EP 0 326 668 (A2), US 6 527 411 (B1); DE 2 941 634 (A1); y WO 03/096387 (A2).

Los dispositivos semiconductores emisores de luz pueden disponerse en diversas configuraciones, tales como matrices, para aplicaciones de iluminación. Ejemplos de estas aplicaciones incluyen: procesos litográficos utilizados, por ejemplo, en la fabricación de dispositivos semiconductores, y procesos de vulcanización utilizados, por ejemplo, para la impresión de tinta y la fabricación de DVDs. Estas aplicaciones tienen, en general, parámetros asociados que incluyen, por ejemplo, una fotorreacción que puede contemplar la provisión de una o varias densidades de potencia radiante en la superficie de trabajo, en una o varias longitudes de onda, aplicadas durante uno o varios periodos de tiempo y dentro de limitaciones térmicas.

En estas aplicaciones, los dispositivos semiconductores emisores de luz se utilizan, en general, para satisfacer el parámetro. Al mismo tiempo, los dispositivos semiconductores emisores de luz tienen habitualmente ciertas características y especificaciones de funcionamiento. Las características incluyen: potencia total emitida; estabilidad de potencia; radiancia; intensidad radiante; longitud o longitudes de onda de la salida radiante; coherencia de la salida radiante; colimación de la salida radiante; así como otras funcionalidades operativas proporcionadas por el dispositivo semiconductor como sistema de iluminación (por ejemplo, la capacidad de proporcionar funcionamiento pulsado y/o gestión térmica eficaz). A su vez, las especificaciones de los dispositivos semiconductores emisores de luz están asociadas en general con su fabricación y, entre otras cosas, están dirigidas a evitar la destrucción y/o a impedir la degradación de los dispositivos. Estas especificaciones incluyen generalmente temperatura de funcionamiento y potencia eléctrica aplicada.

Cuando la aplicación requiere la distribución de una densidad de potencia radiante relativamente elevada en la superficie de trabajo o a su través, una matriz LED puede tener cierta dificultad en dicha distribución. Esto se debe a que un LED típico en una matriz tiene una salida radiante extensamente distribuida. Por supuesto, un LED típico montado en solitario sobre un sustrato plano presentará una salida radiante distribuida característicamente a través del hemisferio con centro en el LED. Dada dicha distribución, solamente una parte, a menudo relativamente pequeña, de la salida radiante está dirigida hacia la superficie de trabajo, disminuyendo por lo tanto la densidad de potencia radiante en la superficie o a través de la misma. Además, dicha distribución implica que, cuando la superficie de trabajo se separa más del LED físicamente, la densidad de potencia radiante en la superficie de trabajo

o a través de la misma disminuirá rápidamente, es decir, en general se espera que la disminución sea proporcional al cuadrado de la separación.

Pueden utilizarse varios enfoques para conseguir una densidad de potencia radiante desde una matriz LED, con objeto de realizar adecuadamente un proceso concreto. En un ejemplo de enfoque, una matriz LED básica puede simplemente disponerse próxima físicamente a la superficie de trabajo. Sin embargo, incluso si una estrecha proximidad distribuye la densidad de potencia apropiada, este enfoque no es deseable en general debido, por ejemplo, a que la estrecha proximidad tiende a exigir cambios no deseables en el mecanizado y/o el apantallamiento. En otro enfoque de ejemplo, una matriz puede situar lentes refractarias convencionales sobre los LEDs. Este enfoque contempla que cada LED esté asociado con una lente convencional, de manera que la lente recoge y colima la salida radiante del LED. Aunque este enfoque tenderá a incrementar la densidad de potencia radiante, recoger y colimar una cantidad sustancial de la salida radiante distribuida de cualesquiera LEDs conlleva una lente con un diámetro relativamente grande, así como otros desafíos. Si bien esto proporciona cierto incremento del rendimiento, conseguir el diámetro necesario puede ser difícil, cuando no imposible. Además, utilizar una lente de dicho diámetro puede estar en conflicto con la utilización de una matriz LED densamente empaquetada y, por lo tanto, no sería deseable.

Otro ejemplo de enfoque para mejorar la densidad de potencia radiante contempla utilizar óptica de reflexión convencional. En este enfoque, se monta un LED en un reflector (por ejemplo, con forma parabólica). A diferencia de la óptica de refracción, la óptica de reflexión reúne y colima, en general, una parte sustancial de la salida radiante del LED. Aún así, la óptica de reflexión convencional no se utiliza, en general, en una matriz densa o muy empaquetada debido a su tamaño. Por ejemplo, una aplicación típica de la óptica de reflexión convencional está ilustrada por las linternas LED en las que uno o varios LEDs están montados en una óptica de reflexión grande, de manera que la óptica recoge la luz procedente de dichos LEDs.

Por consiguiente, existe la necesidad de una matriz de dispositivos semiconductores emisores de luz de alta densidad y, más en concreto, de matrices LED con elementos ópticos dirigidos a optimizar el empaquetamiento de alza densidad de los LEDs, en equilibrio con la recogida y colimación de la salida radiante de los LEDs.

Resumen de la Invención

En la reivindicación 1 se define una matriz de dispositivos semiconductores emisores de luz acorde con la invención, e incluye elementos ópticos seleccionados para optimizar el empaquetamiento de alta densidad de los dispositivos en la matriz, en equilibrio con la recogida y la colimación de la salida radiante de los dispositivos.

En un ejemplo de realización acorde con la invención, una matriz de LEDs está acoplada con una matriz de microreflectores, matriz de micro-reflectores que incluye una serie de elementos micro-reflectores. Cada uno de dichos elementos micro-reflectores es un reflector parabólico, o bien tiene una forma volumétrica básica asociada con una superficie de revolución seleccionada.

Cada uno de dichos elementos micro-reflectores tiene una parte inferior y una parte superior. La parte superior está caracterizada por un borde de empaquetamiento con una forma de perímetro seleccionada. La forma del perímetro, si responde a la forma volumétrica, será un círculo, debido a que esta forma es el contorno de cualquier sección transversal tomada en la parte superior de un elemento que tiene una forma volumétrica asociada con una superficie de revolución. Debido a que los círculos no se empaquetan con la densidad que puede requerirse y debido a que, cuando son empaquetados, los círculos dejan espacios entre ellos, en este ejemplo de realización, cada borde de empaquetamiento de un elemento individual tiene preferentemente una forma de perímetro diferente a aquella que responde a la forma volumétrica. Es decir, el borde de empaquetamiento tiene preferentemente una forma de perímetro seleccionada para mejorar el acoplamiento con los bordes de empaquetamiento de los elementos microreflectores adyacentes a dicho elemento individual en la matriz y, de ese modo, entre otras cosas, incrementa la densidad de empaquetamiento de la matriz LED. A modo ilustrativo, el borde de empaquetamiento es típicamente un polígono seleccionado, tal como un cuadrado o un hexágono.

En otros ejemplos de realización, la matriz de micro-reflectores comprende más de un tipo de elemento microreflector, estando típicamente dispuestos los conjuntos de cada uno de dichos tipos de elementos, en un patrón seleccionado entre estos. Un ejemplo incluye un elemento micro-reflector con un borde de empaquetamiento de una... [Seguir leyendo]

1. Una matriz densa de dispositivos semiconductores (19, 50, 70) emisores de luz, proporcionando la matriz una salida radiante (24) dirigida a una pieza de trabajo (26), comprendiendo la matriz:

una serie de primeros elementos micro-reflectores (54, 74, 102, 150, 200) en los que, por lo menos, uno de dichos elementos micro-reflectores tiene uno o una serie de dispositivos semiconductores emisores de luz asociados, teniendo cada uno de dichos elementos micro-reflectores una parte superior (55, 106), una parte inferior (57, 104) y una parte de transición dispuesta entre las partes superior e inferior, incluyendo cada uno de dichos elementos un borde de empaquetamiento (60, 86, 110) dispuesto en la parte superior, teniendo el borde de empaquetamiento una forma de perímetro, teniendo cada uno de dichos elementos una forma volumétrica básica, forma volumétrica cuya sección transversal tiene un contorno que difiere de la forma de perímetro del borde de empaquetamiento y en donde, en la parte de transición, la sección transversal de la forma volumétrica realiza una transición para proporcionar la forma de perímetro, caracterizada porque dicha serie de primeros elementos micro-reflectores (54, 74, 102, 150) incluyen ranuras (202) dispuestas en la parte inferior, ranuras (202) a través de las cuales fluye refrigerante para refrigerar directamente los dispositivos semiconductores.

2. La matriz densa de la reivindicación 1, en la que por lo menos uno de dichos elementos micro-reflectores (54, 74, 102, 150, 200) tiene tres diodos emisores de luz, emitiendo uno de dichos diodos en el espectro rojo, emitiendo uno en el espectro verde y emitiendo uno en el espectro azul.

3. La matriz densa de la reivindicación 1, en la que óptica de acoplamiento interpuesta entre los dispositivos semiconductores (19, 56, 76 100, 156) y la pieza de trabajo (26) comprende una estructura de lente.

4. La matriz densa de la reivindicación 1, en la que la forma volumétrica base está correlacionada con una superficie de revolución.

5. La matriz densa de la reivindicación 4, en la que la forma volumétrica comprende, por lo menos, una forma parabólica, una forma hemisférica y una forma cónica.

6. La matriz densa de la reivindicación 4, en la que la forma volumétrica está truncada en una o ambas de las partes inferior y superior del elemento.

7. La matriz densa de la reivindicación 1, en la que la forma volumétrica básica está correlacionada con un poliedro.

8. La matriz densa de la reivindicación 1, en la que la parte de transición exhibe una transición intermedia, suave o escalonada.

9. La matriz densa de la reivindicación 8, en la que, en la interfaz entre la parte de transición y la parte superior (55, 106), la sección transversal del elemento tiene un contorno congruente con la forma de perímetro del borde de empaquetamiento (60, 86, 110).

10. La matriz densa de la reivindicación 1, que comprende además una serie de segundos elementos microreflectores, teniendo cada uno de dichos segundos elementos micro-reflectores una parte superior, una parte inferior y una parte de transición dispuesta entre las partes superior e inferior, incluyendo cada uno de dichos segundos elementos micro-reflectores un borde de empaquetamiento dispuesto en la parte superior, teniendo el borde de empaquetamiento una forma de perímetro, teniendo cada uno de dichos segundos elementos micro-reflectores una forma volumétrica básica, forma volumétrica cuya sección transversal tiene un contorno que difiere de la forma del perímetro del borde de empaquetamiento y en donde, en la parte de transición, la sección transversal de la forma volumétrica realiza una transición para proporcionar la forma del perímetro, y en donde la forma del perímetro de la serie de segundos elementos micro-reflectores difiere de la forma del perímetro de la serie de primeros elementos micro-reflectores.

11. La matriz densa de la reivindicación 1, en la que la forma del perímetro es un polígono.

12. Un sistema fotorreactivo, proporcionando el sistema (10) una salida radiante (24) dirigida a una pieza de trabajo

(26) en asociación con una fotorreacción, comprendiendo el sistema (10):

un subsistema emisor de luz, incluyendo el subsistema emisor de luz una matriz de dispositivos semiconductores (19, 50, 70) emisores de luz acordes con una de las reivindicaciones 1 a 13.3.