通用照明的大电流密度的高电压交直流LED芯片

通用照明的大电流密度的高电压交/直流LED芯片一、背景按照业界比较乐观的估计，在未来3至5年内，LED将大举进入通用照明。

一方面，各个LED芯片公司都在扩产，另一方面，其他资金也大量进入LED芯片产业，因此，使得设备交货周期加长，原材料（包括蓝宝石）供应短缺。

为了解决蓝宝石衬底的供应问题，除了蓝宝石厂本身扩产外，2010年7月，晶电投资蓝宝石生产厂家兆远和兆晶；2010年9月，协鑫集团与阜宁县共同投资30亿元兴建蓝宝石生产公司。

2010年10月，长春利泰投资公司拟出资13.5亿元，在金州新区投资LED蓝宝石项目。

LED进入通用照明的主要瓶颈之一在于，LED芯片的价格成本太高。

为了降低LED芯片的价格，除了降低LED芯片的生产成本之外（包括蓝宝石衬底的价格），最快、最有效的方法是采用大电流密度驱动LED芯片，使得一个芯片发出的光相当于几个传统的LED芯片发出的光。

为了更直观的理解这一方法，引入两种芯片产能的定义：（A）“芯片产能”；（B）“lm产能”，即，采用lm数量来计算芯片厂的产能，因为照明灯具的要求是采用lm（或lux）数来计算，而不是灯具所使用的芯片的数量来计算，这有些像发电厂的产能是按发电量计算的一样。

例如，一个芯片厂的“芯片产能”是：月产100 kk的45mil芯片。

如果每个芯片封装后在350mA驱动下发出100 lm的光，可以说该厂的“lm产能”是10 kkk lm。

但是，如果每个芯片封装后在1A电流驱动下发出300 lm的光，可以说该厂的“lm产能”是30 kkk lm。

然而，按照350mA驱动的100 lm的LED芯片，为了达到30 kkk lm 的“lm产能”，则需要的“芯片产能”是月产300 kk的350mA驱动的45mil芯片。

对于上面的例子，这相当于：（A）大电流驱动的芯片的每lm光通量的芯片生产成本减低到原来的1/3；（B）芯片厂家的“lm产能”提高了3倍，但是，芯片厂家的“芯片产能”没有增加，因而，没有增加数额巨大的设备投资，节省了扩产月产200 kk 的“芯片产能”的巨额投资；（C）也节省了月产200 kk的350mA驱动的芯片的外延生长和芯片工艺的原材料费用。

如果能采用更大的电流（例如，数安培的电流）驱动，则优势更大。

虽然至今已有多家芯片公司推出大电流密度驱动的LED芯片，但是，目前大电流驱动芯片并没有被广泛采用。

在灯具中采用大电流驱动芯片的主要瓶颈之一在于，下游厂家的封装和灯具的散热性能达不到要求，造成结温太高，寿命减小，芯片极易烧坏。

然而，随着封装和灯具的散热效率的提高，大电流密度驱动将成为照明市场的主力。

LED进入通用照明的其他瓶颈在于，由于传统的LED芯片采用低电压直流电驱动，LED灯具的驱动器的价格进一步推高LED灯具的价格。

降低LED灯具的价格，也包括降低LED灯具的电源的整流部分和变压部分的成本。

目前，降低LED芯片和灯具的价格的产品和技术方案包括：（1）大电流密度驱动的直流LED芯片，其优势是，极大的降低LED灯具的芯片成本；（2）交流高电压LED芯片，其优势是，降低LED灯具的整流和变压功能的成本；（3）直流高电压LED芯片，其优势是，降低LED灯具的变压功能的成本。

（4）大电流密度驱动的直流高电压LED芯片，其优势是，降低LED芯片的成本，降低LED灯具的变压功能的成本。

（5）大电流密度驱动的交流高电压LED芯片：其优势是：降低LED 芯片的成本，降低LED灯具的整流和变压功能的成本。

同时，LED芯片的结构在不断地改进，目标是进一步降低LED芯片和灯具的价格，使得LED更快的进入通用照明。

二、直流LED芯片（一）大电流密度的直流LED芯片传统的LED芯片采用低电压的直流驱动，LED芯片的结构包括正装结构芯片、倒装结构芯片、垂直结构芯片、无需打金线的垂直结构芯片（或称为“3维垂直结构芯片”）。

大电流密度驱动的LED芯片是驱动电流密度大于传统的驱动电流密度（35A/cm2）。

大电流密度驱动的LED芯片的几个例子如下：例1：一个1x1 mm2的1W大功率LED芯片的传统的驱动电流密度约为35A/cm2；大电流密度的LED芯片是：驱动电流密度大于35A/cm2。

例如，采用电流密度为100A/cm2的电流驱动，即，采用1A电流驱动1x1 mm2的LED芯片。

例2：一个45 x 45 mil2的高电压芯片，采用30mA@220V驱动。

为了能够承受220V的高电压，该芯片至少包括串联的70个芯片单元，每个芯片单元的面积最大为0.01866mm2（= 45x45mil2/70），在30mA电流下，即30mA电流通过每个芯片单元，即，每个芯片单元的电流密度至少高达160A/cm2（= 30mA/0.01866mm2）,这一电流密度相当于采用2A驱动一个3.3V的45 x 45 mil2的传统芯片的电流密度，或1.6A电流驱动3.3V 的1x1 mm2的传统LED芯片的电流密度。

所以，30mA@220V驱动的45 x 45 mil2芯片也属于大电流密度芯片。

由于散热问题，正装结构芯片较难制成这种大电流密度的规格。

例3：一个采用20mA电流驱动的0.33x0.33mm2的LED小芯片，其驱动电流密度约为20A/cm2；大电流密度的LED小芯片指的是：驱动电流密度大于20A/cm2，例如，采用60mA的电流驱动，即，其电流密度达到60A/cm2。

设计和制造大电流驱动的直流LED芯片要从3个层面考虑，缺一不可（详见：“中国半导体照明产业发展年鉴（2008-2009）”，p116）：× 外延层面：外延层的结构和成分的设计使得在大电流密度（例如，大于35A/cm2）驱动时，芯片的发光效率相对于小电流密度时，下降量小。

× 芯片层面：芯片的结构的设计使得在大电流密度驱动时，可以有效的把电流引入芯片、没有电流拥塞、优良的散热。

芯片的结构影响发光效率（droop），例如，在相同的外延层下，垂直结构的芯片的效率下降（droop）比正装结构的芯片的效率下降（droop）要慢，原因之一是由于，垂直结构的芯片的电流拥塞的情况较好。

× 封装/灯具层面：封装/灯具结构的设计使得在大电流密度驱动芯片时，有优良的散热。

否则，芯片的寿命将大大下降。

虽然至今已有多家芯片公司推出大电流密度驱动的LED芯片，由于下游厂家的封装和灯具的散热性能不能满足需要，因此，大电流密度的LED芯片尚未广泛应用。

随着新的散热技术不断的开发，使得在灯具中采用大电流密度芯片成为可能，可以极大的推动LED快速进入通用照明，新的散热技术包括（摘自“中国半导体照明网”）：（1）2010年7月，Sunon展出毫米风扇与鼓风扇、以及采用强制散热的LED灯具散热模块；（2）2010年8月，美国Eternaleds上市水冷式LED灯泡“Eternaleds HydraLux-4”，省去了用于冷却灯泡内部的散热管(Heat Pipe)、散热片(Heat Sink)及风扇等；（3）2010年9月，美国橡树岭国家实验室（ORNL）的研究人员已经成功利用一种石墨泡沫材料，用于解决高亮度LED因运作高温环境而寿命减短的问题，并将该石墨泡沫技术独家授权给LED North America公司。

（4）2010年11月，美国GE公司开发出采用喷射技术的冷却方法，特别适用于大功率灯具。

1、正装结构的大电流密度的LED芯片2010年9月，一直以开发和生产小芯片著称的日亚（Nichia）公司宣布：在实验室中，1 x 1 mm2正装结构的大电流密度LED芯片，在1000mA电流驱动时，效率达到135 lm/W（4700k）。

（摘自“中国半导体照明网”）Nichia的正装结构的大电流LED芯片的主要的特征是：优化外延层设计、改进电学设计去降低电压、采用图形蓝宝石生长衬底、采用低电阻和高透光率的ITO（电阻是7欧姆，透光率大于90％），见图1。

对于以蓝宝石为衬底的正装大电流密度LED芯片，对于封装的散热性能要求更高。

另外，在向芯片输入大电流时，需要防止电流从打线焊盘直接向下经过ITO层流向发光层。

2、垂直结构的大电流密度的LED芯片2010年3月，科锐（Cree）推出大电流密度的直流LED芯片产品：XLamp-XP-G，在1500mA电流驱动下，得到460 lm的光通量，相当于4个Cree 的XLamp XR-E（在向芯片输入大电流时，需要防止电流从打线焊盘直接流向N-GaN 外延层，造成局部电流拥塞。

解决方法的专利技术之一是，打线焊盘形成在绝缘层上，见图2。

2010年4月，Osram推出大电流密度的直流LED芯片产品：UX-3，在3000mA 电流驱动时得到830 lm，Osram按照在大电流密度时效率下降的俄歇复合的理论设计外延层结构，由于俄歇复合的发生概率与载流子密度的3次方成比例，因此，降低载流子密度的话，便可减少俄歇复合的发生，通过加厚活性层，降低了载流子密度。

活性层并非简单加厚，而是对掺杂量等进行了优化。

另外，其芯片结构的设计与Lumileds的芯片基本相同：多个通孔中的导电栓把n型限制层与导电支持衬底电连接；这种结构使得电压均匀加到p型限制层，消除了电流密度局部较高的部分。

不同之处在于，其p型限制层通过金线与外界电源电连接。

2010年11月，Cree推出型号为XLamp-XM-L的2x2mm2芯片，在3A电流驱动下，亮度达到1000lm。

3、3维垂直结构的直流LED器件2010年7月，Lumileds推出大电流密度的直流LED器件LUXEON Rebel ES，在1000mA 电流下，可提供300流明以上的光通输出，而光效可达100 流明/瓦，见图4（摘自“中国半导体照明网”）。

Lumileds按照制造工艺（倒装）和物理外形（薄膜），将其称为倒装薄膜。

如果按照电流是否垂直（或接近垂直）流过p-GaN来定义，可称其为垂直结构，由于无需打金线，称其为3维垂直结构器件。

其他的3维垂直结构芯片和器件的结构包括：（a）QFN类型的3维垂直结构器件（图5）图5：QFN类型的3维垂直结构器件剥离了生长衬底的LED薄膜的p型限制层键合在金属上（称为p金属），n型限制层通过电极与另一金属（称为n金属）电连接，p金属和n金属的另一面分别与外界电源相连接，成为SMD器件。

其优势之一是小于1℃/W的热阻。

因此特别适用于大电流密度驱动，解决了芯片和封装的散热。

（b）通孔支持衬底类型的3维垂直结构器件（图6）剥离了生长衬底的LED薄膜的p型限制层键合在金属层上（称为p金属层），n型限制层通过电极与另一金属层（称为n金属层）电连接，p金属层和n金属层通过支持衬底中的通孔与支持衬底的另一面上的金属层（分别称为p电极和n电极）形成电连接，成为SMD器件。