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(jié)構(gòu)的大電流密度LED芯片
2、垂直結(jié)構(gòu)的大電流密度LED芯片
3、3維垂直結(jié)構(gòu)的大電流密度LED器件
（二）高電壓的直流LED芯片
1、正裝結(jié)構(gòu)的高電壓的LED芯片
2、倒裝結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的高電壓的大電流密度LED芯片
2、3維垂直結(jié)構(gòu)的高電壓的大電流密度LED芯片
三、交流LED芯片
（一）正裝結(jié)構(gòu)的交流LED芯片
1、正負(fù)反向連接的正裝結(jié)構(gòu)的交流LED芯片
2、橋式回路連接的正裝結(jié)構(gòu)的交流LED芯片
（二）垂直結(jié)構(gòu)的交流LED芯片：1827
1、正負(fù)反向連接的垂直結(jié)構(gòu)的交流LED芯片
2、橋式回路連接的垂直結(jié)構(gòu)的交流LED芯片
（三）3維垂直結(jié)構(gòu)的交流的大電流密度LED芯片
1、正負(fù)反向連接的3維垂直結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的交流的大電流密度LED芯片
四、交流LED電路
（一）正負(fù)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)界比較樂觀的估計(jì)，在未來3至5年內(nèi)，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(kuò)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(shè)備交貨周期加長(zhǎng)，原材料（包括藍(lán)寶石）供應(yīng)短缺。為了解決藍(lán)寶石襯底的供應(yīng)問題，除了藍(lán)寶石廠本身擴(kuò)產(chǎn)外，2010年7月，晶電投資藍(lán)寶石生產(chǎn)廠家兆遠(yuǎn)和兆晶；2010年9月，協(xié)鑫集團(tuán)與阜寧縣共同投資30億元興建藍(lán)寶石生產(chǎn)公司。2010年10月，長(zhǎng)春利泰投資公司擬出資13.5億元，在金州新區(qū)投資LED藍(lán)寶石項(xiàng)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(lán)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(qū)動(dòng)LED芯片，使得一個(gè)芯片發(fā)出的光相當(dāng)于幾個(gè)傳統(tǒng)的LED芯片發(fā)出的光。為了更直觀的理解這一方法，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(shù)量來計(jì)算芯片廠的產(chǎn)能，因?yàn)?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/照明">照明燈具的要求是采用lm（或lux）數(shù)來計(jì)算，而不是燈具所使用的芯片的數(shù)量來計(jì)算，這有些像發(fā)電廠的產(chǎn)能是按發(fā)電量計(jì)算的一樣。

　　例如，一個(gè)芯片廠的“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(qū)動(dòng)下發(fā)出100lm的光，可以說該廠的“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(qū)動(dòng)下發(fā)出300lm的光，可以說該廠的“l(fā)m產(chǎn)能”是30kkklm。然而，按照350mA驅(qū)動(dòng)的100lm的LED芯片，為了達(dá)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(qū)動(dòng)的45mil芯片。

　　對(duì)于上面的例子，這相當(dāng)于：

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

　?。˙）芯片廠家的“l(fā)m產(chǎn)能”提高了3倍，但是，芯片廠家的“芯片產(chǎn)能”沒有增加，因而，沒有增加數(shù)額巨大的設(shè)備投資，節(jié)省了擴(kuò)產(chǎn)月產(chǎn)200kk的“芯片產(chǎn)能”的巨額投資；

　?。–）也節(jié)省了月產(chǎn)200kk的350mA驅(qū)動(dòng)的芯片的外延生長(zhǎng)和芯片工藝的原材料費(fèi)用。

　　如果能采用更大的電流（例如，數(shù)安培的電流）驅(qū)動(dòng)，則優(yōu)勢(shì)更大。

　　雖然至今已有多家芯片公司推出大電流密度驅(qū)動(dòng)的LED芯片，但是，目前大電流驅(qū)動(dòng)芯片并沒有被廣泛采用。在燈具中采用大電流驅(qū)動(dòng)芯片的主要瓶頸之一在于，下游廠家的封裝和燈具的散熱性能達(dá)不到要求，造成結(jié)溫太高，壽命減小，芯片極易燒壞。然而，隨著封裝和燈具的散熱效率的提高，大電流密度驅(qū)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(tǒng)的LED芯片采用低電壓直流電驅(qū)動(dòng)，LED燈具的驅(qū)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(qū)動(dòng)的直流LED芯片，其優(yōu)勢(shì)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(shì)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(shì)是，降低LED燈具的變壓功能的成本。
（4）大電流密度驅(qū)動(dòng)的直流高電壓LED芯片，其優(yōu)勢(shì)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(qū)動(dòng)的交流高電壓LED芯片：其優(yōu)勢(shì)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(jié)構(gòu)在不斷地改進(jìn)，目標(biāo)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

　　（一）大電流密度的直流LED芯片

　　傳統(tǒng)的LED芯片采用低電壓的直流驅(qū)動(dòng)，LED芯片的結(jié)構(gòu)包括正裝結(jié)構(gòu)芯片、倒裝結(jié)構(gòu)芯片、垂直結(jié)構(gòu)芯片、無需打金線的垂直結(jié)構(gòu)芯片（或稱為“3維垂直結(jié)構(gòu)芯片”）。

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

　　大電流密度驅(qū)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(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電流密度約為35A/cm2；大電流密度的LED芯片是：驅(qū)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(qū)動(dòng)，即，采用1A電流驅(qū)動(dòng)1x1mm2的LED芯片。

　　例2：一個(gè)45x45mil2的高電壓芯片，采用30mA@220V驅(qū)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電流通過每個(gè)芯片單元，即，每個(gè)芯片單元的電流密度至少高達(dá)160A/cm2（=30mA/0.01866mm2）,這一電流密度相當(dāng)于采用2A驅(qū)動(dòng)一個(gè)3.3V的45x45mil2的傳統(tǒng)芯片的電流密度，或1.6A電流驅(qū)動(dòng)3.3V的1x1mm2的傳統(tǒng)LED芯片的電流密度。所以，30mA@220V驅(qū)動(dòng)的45x45mil2芯片也屬于大電流密度芯片。由于散熱問題，正裝結(jié)構(gòu)芯片較難制成這種大電流密度的規(guī)格。

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

　　設(shè)計(jì)和制造大電流驅(qū)動(dòng)的直流LED芯片要從3個(gè)層面考慮，缺一不可（詳見：“中國(guó)半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展年鑒（2008-2009）”，p116）：

*外延層面：外延層的結(jié)構(gòu)和成分的設(shè)計(jì)使得在大電流密度（例如，大于35A/cm2）驅(qū)動(dòng)時(shí)，芯片的發(fā)光效率相對(duì)于小電流密度時(shí)，下降量小。
*芯片層面：芯片的結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使得在大電流密度驅(qū)動(dòng)時(shí)，可以有效的把電流引入芯片、沒有電流擁塞、優(yōu)良的散熱。芯片的結(jié)構(gòu)影響發(fā)光效率（droop），例如，在相同的外延層下，垂直結(jié)構(gòu)的芯片的效率下降（droop）比正裝結(jié)構(gòu)的芯片的效率下降（droop）要慢，原因之一是由于，垂直結(jié)構(gòu)的芯片的電流擁塞的情況較好。
*封裝/燈具層面：封裝/燈具結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使得在大電流密度驅(qū)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(qū)動(dòng)的LED芯片，由于下游廠家的封裝和燈具的散熱性能不能滿足需要，因此，大電流密度的LED芯片尚未廣泛應(yīng)用。

　　隨著新的散熱技術(shù)不斷的開發(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(guó)半導(dǎo)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(qiáng)制散熱的LED燈具散熱模塊；
（2）2010年8月，美國(guó)Eternaleds上市水冷式LED燈泡“EternaledsHydraLux-4”，省去了用于冷卻燈泡內(nèi)部的散熱管(HeatPipe)、散熱片(HeatSink)及風(fēng)扇等；
（3）2010年9月，美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（ORNL）的研究人員已經(jīng)