Материалы III конференции "ТРИЗ. Практика применения методических инструментов" 

Использование методов ТРИЗ для решения задач по повышению КПД мощных светодиодов.

В ходе анализа оценки перспектив коммерческого использованияподложек  карбида кремния (SiC), выращенного на  кремнии (Si) для   производства нитрид-галлиевых светодиодов был выявленнежелательный эффект для существующих светодиодов:  снижение КПД светодиода по  мере увеличения площади  чипа светодиода (кристалла со светодиодными структурами и токопроводящими проводниками), при этом максимальный размер чипа  не может превышать размеров 2,5 мм*2.5мм  (см. рис 1.)

Рисунок 1

Рисунок 2

На основании выявленного нежелательного эффекта было сформировано техническое противоречие для технической системы светодиода  (см. рис 2.)

Ухудшение КПД ведет к возникновению петли  ПОС, когда  нагрев  чипа светодиода приводит ещё большему снижению КПД.

Использование  маломощных светодиодов  вместо мощных при создания осветительных   приборов ведет к негативным последствиям, как  к  экономическим  -  в виде удорожанияитоговой удельной стоимости светового потока  ($/lm),  так и ктехническим, например, к  увеличению габаритов итогового светового прибора .

На основании полученного технического противоречия   была сформулирована техническая задача в следующем виде: обеспечить увеличение  площади  кристалла светодиода   без   снижения   КПД по преобразованию электрической энергии в световую. 

Примечание.  Следует отметить,  что  все существующие технические решения реализуемые в  мощных светодиодах направлены на в первую очередь увеличение получаемого светового потока с дальнейшими  решениями по  отводу избыточного тепла, например, путем помещения   светоизлучающих структур на высокотеплопроводную подложку (например, компания Semileds- мировой лидер в производстве мощных светодиодов, отделяет активные излучающие  структуры от подложки и устанавливаетих на медное основание, что позволяет создавать мощные светодиоды без ограничения площади кристалл с КПД 50%). Решение задачи по повышению КПД создает условия  для уменьшения количества тепла от работающего чипа в » 10 раз (!).

Анализ технического противоречия привел к ФП: кристалл должен иметь габаритные  размеры большие  (для обеспечения большого количества света)  и, в то же время,  маленькие (для обеспечения высокого КПД).

Решение найдено путем использования приема  разделения противоречивых требований в пространстве – использованием принципа местного качества:чип  выполняется в форме длинномера, когда   ширина чипа  соответствует размеру ширины маломощного чипа (порядка 0,25мм -0,3 мм), а длина чипа   многократно (без ограничения) превосходит его ширину.

Примечание.  Следует отметить,  что  традиционно чип светодиода выполняется в форме квадрата или  близкой к ней.

В  ходе анализа технологических возможностей резки длинномерных чипов была выявлена негативная ситуация в виде отсутствия приемлемой технологии резки  сапфировых пластин (толщина 200 мкм), на поверхности которых находятся светодиодныеструктурыGaN, на полосы шириной менее 200 мкм  при  ширине удаляемой полосы материала менее 50 мкм(более широкая ширина удаляемого материала приводит к повышенному выходу материала пластин в отходы).

С целью обеспечения резки пластин   чипов на   стандартном технологическом  оборудованиивозникла вторичная задача по  увеличению  ширины  чипа, как минимум,  до  технологически приемлемых  размеров  без ухудшения КПД.Данная задача приводила к следующему  физическому противоречию: чип должен быть достаточно узким, для обеспечения высокого  КПД, но широким для применения стандартных методов резки сапфировых пластин.

Для решения поставленной задачи произведен потоковый  (см. рис.3) анализ входящих  и выходящих видов энергии для чипа. Результатом потокового анализа стало определение «застойной зоны» в которой происходит активное поглощение  квантов света, приводящее к избыточному  выделению тепла в чипе.   Полученная  модель объяснила физическую природу эффекта, когда повышение площади  чипа (квадратного) сопровождается снижением КПД.  

Было найдено техническое решение, доступное для стандартных технологических процессов, которое позволит   вывести кванты света из «застойной зоны» и, соответственно, увеличить выход квантов из  чипаи снизить  его нагрев, обусловленный поглощением квантов. Данное техническое решение снимает существующее ограничения для увеличения размеров чипа, выполненного на сапфировой подложке без применения дорогостоящей операции отделения светодиодных  структур от сапфировой подложки.

Указанные  технические решения по снижению КПД светодиода позволили  ввести ряд изменений в конструкцию светодиодной лампы и технологию её производства, с итоговым ожиданием снижения себестоимости  производства светодиодной лампы на  50%-70%. На все найденные технические решения поданы заявки на изобретение.

Рисунок 3

В настоящее время  производится изготовление опытных образцов для опытно-экспериментального  подтверждения  ожидаемых   эффектов от найденных технических решений.