用于通用照明的大電流密度的高電壓交/直流LED芯片

目錄

一、背景
二、直流LED芯片
（一）大電流密度的直流LED芯片

1、正裝結構的大電流密度LED芯片
2、垂直結構的大電流密度LED芯片
3、3維垂直結構的大電流密度LED器件
（二）高電壓的直流LED芯片
1、正裝結構的高電壓的LED芯片
2、倒裝結構的高電壓的LED芯片
（三）高電壓和大電流密度的直流LED芯片
1、垂直結構的高電壓的大電流密度LED芯片
2、3維垂直結構的高電壓的大電流密度LED芯片
三、交流LED芯片
（一）正裝結構的交流LED芯片
1、正負反向連接的正裝結構的交流LED芯片
2、橋式回路連接的正裝結構的交流LED芯片
（二）垂直結構的交流LED芯片：1827
1、正負反向連接的垂直結構的交流LED芯片
2、橋式回路連接的垂直結構的交流LED芯片
（三）3維垂直結構的交流的大電流密度LED芯片
1、正負反向連接的3維垂直結構的交流的大電流密度LED芯片
2、橋式回路連接的3維垂直結構的交流的大電流密度LED芯片
四、交流LED電路
（一）正負反向連接的交流LED電路
（二）橋式回路連接的交流LED電路

一、背景

　　按照業(yè)界比較樂(lè )觀(guān)的估計，在未來(lái)3至5年內，LED將大舉進(jìn)入通用照明。一方面，各個(gè)LED芯片公司都在擴產(chǎn)，另一方面，其他資金也大量進(jìn)入LED芯片產(chǎn)業(yè)，因此，使得設備交貨周期加長(cháng)，原材料（包括藍寶石）供應短缺。為了解決藍寶石襯底的供應問(wèn)題，除了藍寶石廠(chǎng)本身擴產(chǎn)外，2010年7月，晶電投資藍寶石生產(chǎn)廠(chǎng)家兆遠和兆晶；2010年9月，協(xié)鑫集團與阜寧縣共同投資30億元興建藍寶石生產(chǎn)公司。2010年10月，長(cháng)春利泰投資公司擬出資13.5億元，在金州新區投資LED藍寶石項目。

　　LED進(jìn)入通用照明的主要瓶頸之一在于，LED芯片的價(jià)格成本太高。

　　為了降低LED芯片的價(jià)格，除了降低LED芯片的生產(chǎn)成本之外（包括藍寶石襯底的價(jià)格），最快、最有效的方法是采用大電流密度驅動(dòng)LED芯片，使得一個(gè)芯片發(fā)出的光相當于幾個(gè)傳統的LED芯片發(fā)出的光。為了更直觀(guān)的理解這一方法，引入兩種芯片產(chǎn)能的定義：

　?。ˋ）“芯片產(chǎn)能”；

　?。˙）“l(fā)m產(chǎn)能”，即，采用lm數量來(lái)計算芯片廠(chǎng)的產(chǎn)能，因為照明燈具的要求是采用lm（或lux）數來(lái)計算，而不是燈具所使用的芯片的數量來(lái)計算，這有些像發(fā)電廠(chǎng)的產(chǎn)能是按發(fā)電量計算的一樣。

　　例如，一個(gè)芯片廠(chǎng)的“芯片產(chǎn)能”是：月產(chǎn)100kk的45mil芯片。

　　如果每個(gè)芯片封裝后在350mA驅動(dòng)下發(fā)出100lm的光，可以說(shuō)該廠(chǎng)的“l(fā)m產(chǎn)能”是10kkklm。但是，如果每個(gè)芯片封裝后在1A電流驅動(dòng)下發(fā)出300lm的光，可以說(shuō)該廠(chǎng)的“l(fā)m產(chǎn)能”是30kkklm。然而，按照350mA驅動(dòng)的100lm的LED芯片，為了達到30kkklm的“l(fā)m產(chǎn)能”，則需要的“芯片產(chǎn)能”是月產(chǎn)300kk的350mA驅動(dòng)的45mil芯片。

　　對于上面的例子，這相當于：

　?。ˋ）大電流驅動(dòng)的芯片的每lm光通量的芯片生產(chǎn)成本減低到原來(lái)的1/3；

　?。˙）芯片廠(chǎng)家的“l(fā)m產(chǎn)能”提高了3倍，但是，芯片廠(chǎng)家的“芯片產(chǎn)能”沒(méi)有增加，因而，沒(méi)有增加數額巨大的設備投資，節省了擴產(chǎn)月產(chǎn)200kk的“芯片產(chǎn)能”的巨額投資；

　?。–）也節省了月產(chǎn)200kk的350mA驅動(dòng)的芯片的外延生長(cháng)和芯片工藝的原材料費用。

　　如果能采用更大的電流（例如，數安培的電流）驅動(dòng)，則優(yōu)勢更大。

　　雖然至今已有多家芯片公司推出大電流密度驅動(dòng)的LED芯片，但是，目前大電流驅動(dòng)芯片并沒(méi)有被廣泛采用。在燈具中采用大電流驅動(dòng)芯片的主要瓶頸之一在于，下游廠(chǎng)家的封裝和燈具的散熱性能達不到要求，造成結溫太高，壽命減小，芯片極易燒壞。然而，隨著(zhù)封裝和燈具的散熱效率的提高，大電流密度驅動(dòng)將成為照明市場(chǎng)的主力。

　　LED進(jìn)入通用照明的其他瓶頸在于，由于傳統的LED芯片采用低電壓直流電驅動(dòng)，LED燈具的驅動(dòng)器的價(jià)格進(jìn)一步推高LED燈具的價(jià)格。降低LED燈具的價(jià)格，也包括降低LED燈具的電源的整流部分和變壓部分的成本。

　　目前，降低LED芯片和燈具的價(jià)格的產(chǎn)品和技術(shù)方案包括：

（1）大電流密度驅動(dòng)的直流LED芯片，其優(yōu)勢是，極大的降低LED燈具的芯片成本；
（2）交流高電壓LED芯片，其優(yōu)勢是，降低LED燈具的整流和變壓功能的成本；
（3）直流高電壓LED芯片，其優(yōu)勢是，降低LED燈具的變壓功能的成本。
（4）大電流密度驅動(dòng)的直流高電壓LED芯片，其優(yōu)勢是，降低LED芯片的成本，降低LED燈具的變壓功能的成本。
（5）大電流密度驅動(dòng)的交流高電壓LED芯片：其優(yōu)勢是：降低LED芯片的成本，降低LED燈具的整流和變壓功能的成本。

　　同時(shí)，LED芯片的結構在不斷地改進(jìn)，目標是進(jìn)一步降低LED芯片和燈具的價(jià)格，使得LED更快的進(jìn)入通用照明。

二、直流LED芯片

　?。ㄒ唬┐箅娏髅芏鹊闹绷鱈ED芯片

　　傳統的LED芯片采用低電壓的直流驅動(dòng)，LED芯片的結構包括正裝結構芯片、倒裝結構芯片、垂直結構芯片、無(wú)需打金線(xiàn)的垂直結構芯片（或稱(chēng)為“3維垂直結構芯片”）。

　　大電流密度驅動(dòng)的LED芯片是驅動(dòng)電流密度大于傳統的驅動(dòng)電流密度（35A/cm2）。

　　大電流密度驅動(dòng)的LED芯片的幾個(gè)例子如下：

　　例1：一個(gè)1x1mm2的1W大功率LED芯片的傳統的驅動(dòng)電流密度約為35A/cm2；大電流密度的LED芯片是：驅動(dòng)電流密度大于35A/cm2。例如，采用電流密度為100A/cm2的電流驅動(dòng)，即，采用1A電流驅動(dòng)1x1mm2的LED芯片。

　　例2：一個(gè)45x45mil2的高電壓芯片，采用30mA@220V驅動(dòng)。為了能夠承受220V的高電壓，該芯片至少包括串聯(lián)的70個(gè)芯片單元，每個(gè)芯片單元的面積最大為0.01866mm2（=45x45mil2/70），在30mA電流下，即30mA電流通過(guò)每個(gè)芯片單元，即，每個(gè)芯片單元的電流密度至少高達160A/cm2（=30mA/0.01866mm2）,這一電流密度相當于采用2A驅動(dòng)一個(gè)3.3V的45x45mil2的傳統芯片的電流密度，或1.6A電流驅動(dòng)3.3V的1x1mm2的傳統LED芯片的電流密度。所以，30mA@220V驅動(dòng)的45x45mil2芯片也屬于大電流密度芯片。由于散熱問(wèn)題，正裝結構芯片較難制成這種大電流密度的規格。

　　例3：一個(gè)采用20mA電流驅動(dòng)的0.33x0.33mm2的LED小芯片，其驅動(dòng)電流密度約為20A/cm2；大電流密度的LED小芯片指的是：驅動(dòng)電流密度大于20A/cm2，例如，采用60mA的電流驅動(dòng)，即，其電流密度達到60A/cm2。

　　設計和制造大電流驅動(dòng)的直流LED芯片要從3個(gè)層面考慮，缺一不可（詳見(jiàn)：“中國半導體照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展年鑒（2008-2009）”，p116）：

*外延層面：外延層的結構和成分的設計使得在大電流密度（例如，大于35A/cm2）驅動(dòng)時(shí)，芯片的發(fā)光效率相對于小電流密度時(shí)，下降量小。
*芯片層面：芯片的結構的設計使得在大電流密度驅動(dòng)時(shí)，可以有效的把電流引入芯片、沒(méi)有電流擁塞、優(yōu)良的散熱。芯片的結構影響發(fā)光效率（droop），例如，在相同的外延層下，垂直結構的芯片的效率下降（droop）比正裝結構的芯片的效率下降（droop）要慢，原因之一是由于，垂直結構的芯片的電流擁塞的情況較好。
*封裝/燈具層面：封裝/燈具結構的設計使得在大電流密度驅動(dòng)芯片時(shí)，有優(yōu)良的散熱。否則，芯片的壽命將大大下降。

　　雖然至今已有多家芯片公司推出大電流密度驅動(dòng)的LED芯片，由于下游廠(chǎng)家的封裝和燈具的散熱性能不能滿(mǎn)足需要，因此，大電流密度的LED芯片尚未廣泛應用。

　　隨著(zhù)新的散熱技術(shù)不斷的開(kāi)發(fā)，使得在燈具中采用大電流密度芯片成為可能，可以極大的推動(dòng)LED快速進(jìn)入通用照明，新的散熱技術(shù)包括（摘自“中國半導體照明網(wǎng)”）：

（1）2010年7月，Sunon展出毫米風(fēng)扇與鼓風(fēng)扇、以及采用強制散熱的LED燈具散熱模塊；
（2）2010年8月，美國Eternaleds上市水冷式LED燈泡“EternaledsHydraLux-4”，省去了用于冷卻燈泡內部的散熱管(HeatPipe)、散熱片(HeatSink)及風(fēng)扇等；
（3）2010年9月，美國橡樹(shù)嶺國家實(shí)驗室（ORNL）的研究人員已經(jīng)