用于通用照明的大電流密度的高電壓交/直流LED芯片
一、背景
二、直流LED芯片
(一)大電流密度的直流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)界比較樂觀的估計,在未來3至5年內,LED將大舉進入通用照明。一方面,各個LED芯片公司都在擴產,另一方面,其他資金也大量進入LED芯片產業(yè),因此,使得設備交貨周期加長,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題,除了藍寶石廠本身擴產外,2010年7月,晶電投資藍寶石生產廠家兆遠和兆晶;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公司。2010年10月,長春利泰投資公司擬出資13.5億元,在金州新區(qū)投資LED藍寶石項目。
LED進入通用照明的主要瓶頸之一在于,LED芯片的價格成本太高。
為了降低LED芯片的價格,除了降低LED芯片的生產成本之外(包括藍寶石襯底的價格),最快、最有效的方法是采用大電流密度驅動LED芯片,使得一個芯片發(fā)出的光相當于幾個傳統(tǒng)的LED芯片發(fā)出的光。為了更直觀的理解這一方法,引入兩種芯片產能的定義:
?。ˋ)“芯片產能”;
?。˙)“l(fā)m產能”,即,采用lm數量來計算芯片廠的產能,因為照明燈具的要求是采用lm(或lux)數來計算,而不是燈具所使用的芯片的數量來計算,這有些像發(fā)電廠的產能是按發(fā)電量計算的一樣。
例如,一個芯片廠的“芯片產能”是:月產100kk的45mil芯片。
如果每個芯片封裝后在350mA驅動下發(fā)出100lm的光,可以說該廠的“l(fā)m產能”是10kkklm。但是,如果每個芯片封裝后在1A電流驅動下發(fā)出300lm的光,可以說該廠的“l(fā)m產能”是30kkklm。然而,按照350mA驅動的100lm的LED芯片,為了達到30kkklm的“l(fā)m產能”,則需要的“芯片產能”是月產300kk的350mA驅動的45mil芯片。
對于上面的例子,這相當于:
?。ˋ)大電流驅動的芯片的每lm光通量的芯片生產成本減低到原來的1/3;
?。˙)芯片廠家的“l(fā)m產能”提高了3倍,但是,芯片廠家的“芯片產能”沒有增加,因而,沒有增加數額巨大的設備投資,節(jié)省了擴產月產200kk的“芯片產能”的巨額投資;
?。–)也節(jié)省了月產200kk的350mA驅動的芯片的外延生長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,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的LED芯片,但是,目前大電流驅動芯片并沒有被廣泛采用。在燈具中采用大電流驅動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不到要求,造成結溫太高,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,大電流密度驅動將成為照明市場的主力。
LED進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動,LED燈具的驅動器的價格進一步推高LED燈具的價格。降低LED燈具的價格,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芯片和燈具的價格的產品和技術方案包括:
(1)大電流密度驅動的直流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,LED芯片的結構在不斷地改進,目標是進一步降低LED芯片和燈具的價格,使得LED更快的進入通用照明。
二、直流LED芯片
?。ㄒ唬┐箅娏髅芏鹊闹绷鱈ED芯片
傳統(tǒng)的LED芯片采用低電壓的直流驅動,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、無需打金線的垂直結構芯片(或稱為“3維垂直結構芯片”)。
大電流密度驅動的LED芯片是驅動電流密度大于傳統(tǒng)的驅動電流密度(35A/cm2)。
大電流密度驅動的LED芯片的幾個例子如下:
例1:一個1x1mm2的1W大功率LED芯片的傳統(tǒng)的驅動電流密度約為35A/cm2;大電流密度的LED芯片是:驅動電流密度大于35A/cm2。例如,采用電流密度為100A/cm2的電流驅動,即,采用1A電流驅動1x1mm2的LED芯片。
例2:一個45x45mil2的高電壓芯片,采用30mA@220V驅動。為了能夠承受220V的高電壓,該芯片至少包括串聯(lián)的70個芯片單元,每個芯片單元的面積最大為0.01866mm2(=45x45mil2/70),在30mA電流下,即30mA電流通過每個芯片單元,即,每個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驅動一個3.3V的45x45mil2的傳統(tǒng)芯片的電流密度,或1.6A電流驅動3.3V的1x1mm2的傳統(tǒng)LED芯片的電流密度。所以,30mA@220V驅動的45x45mil2芯片也屬于大電流密度芯片。由于散熱問題,正裝結構芯片較難制成這種大電流密度的規(guī)格。
例3:一個采用20mA電流驅動的0.33x0.33mm2的LED小芯片,其驅動電流密度約為20A/cm2;大電流密度的LED小芯片指的是:驅動電流密度大于20A/cm2,例如,采用60mA的電流驅動,即,其電流密度達到60A/cm2。
設計和制造大電流驅動的直流LED芯片要從3個層面考慮,缺一不可(詳見:“中國半導體照明產業(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)驅動時,芯片的發(fā)光效率相對于小電流密度時,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時,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芯片時,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芯片尚未廣泛應用。
隨著新的散熱技術不斷的開發(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LED快速進入通用照明,新的散熱技術包括(摘自“中國半導體照明網”):
(1)2010年7月,Sunon展出毫米風扇與鼓風扇、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)及風扇等;
(3)2010年9月,美國橡樹嶺國家實驗室(ORNL)的研究人員已經
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