用于通用照明的大电流密度的高电压交/直流LED芯片

目录

一、背景
二、直流LED芯片
（一）大电流密度的直流LED芯片

1、正装结构的大电流密度LED芯片
2、垂直结构的大电流密度LED芯片
3、3维垂直结构的大电流密度LED器件
（二）高电压的直流LED芯片
1、正装结构的高电压的LED芯片
2、倒装结构的高电压的LED芯片
（三）高电压和大电流密度的直流LED芯片
1、垂直结构的高电压的大电流密度LED芯片
2、3维垂直结构的高电压的大电流密度LED芯片
三、交流LED芯片
（一）正装结构的交流LED芯片
1、正负反向连接的正装结构的交流LED芯片
2、桥式回路连接的正装结构的交流LED芯片
（二）垂直结构的交流LED芯片：1827
1、正负反向连接的垂直结构的交流LED芯片
2、桥式回路连接的垂直结构的交流LED芯片
（三）3维垂直结构的交流的大电流密度LED芯片
1、正负反向连接的3维垂直结构的交流的大电流密度LED芯片
2、桥式回路连接的3维垂直结构的交流的大电流密度LED芯片
四、交流LED电路
（一）正负反向连接的交流LED电路
（二）桥式回路连接的交流LED电路

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100kk的45mil芯片。

　　如果每个芯片封装后在350mA驱动下发出100lm的光，可以说该厂的“lm产能”是10kkklm。但是，如果每个芯片封装后在1A电流驱动下发出300lm的光，可以说该厂的“lm产能”是30kkklm。然而，按照350mA驱动的100lm的LED芯片，为了达到30kkklm的“lm产能”，则需要的“芯片产能”是月产300kk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200kk的“芯片产能”的巨额投资；

　　（C）也节省了月产200kk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1x1mm2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1x1mm2的LED芯片。

　　例2：一个45x45mil2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45x45mil2的传统芯片的电流密度，或1.6A电流驱动3.3V的1x1mm2的传统LED芯片的电流密度。所以，30mA@220V驱动的45x45mil2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“EternaledsHydraLux-4”，省去了用于冷却灯泡内部的散热管(HeatPipe)、散热片(HeatSink)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