GaN-on-Si 大功率 LED 芯片技術(shù)如何改變燈具設(shè)計(jì)

作者： DEBBIE SNIDERMAN VI Ventures LLC 首席執(zhí)行官

Plessey Semiconductor 最新的高功率硅基 LED 技術(shù)正在改變燈具設(shè)計(jì)的形式、功能和性能。典型工業(yè)燈具中的板載芯片 (COB) LED 通常很小，但透鏡或反射器組件和散熱器要大得多。新的 GaN-on-Si LED 芯片技術(shù)正在改變這一切，生產(chǎn)只有 5.6 毫米厚的燈具模塊，包括光學(xué)元件。與傳統(tǒng)的四芯片解決方案相比，單個(gè)高功率 GaN-on-Si 芯片可以通過二次光學(xué)提供多 30% 的輸出。

硅襯底是新設(shè)計(jì)的關(guān)鍵Plessey Semiconductors 的 LED 使用 GaN-on-Si 襯底制造。組件經(jīng)理 Clive Beech 解釋了許多原因。“硅是一種非常好的熱導(dǎo)體，使設(shè)備更容易散熱，”他說?！斑@是經(jīng)濟(jì)的，并且在許多地區(qū)都可以大量使用。我們的工廠有能力在 6 英寸和 8 英寸直徑的晶圓上進(jìn)行 CMOS 處理，這比傳統(tǒng)上仍以 4 英寸運(yùn)行的藍(lán)寶石襯底具有很大優(yōu)勢。”

“硅也是高質(zhì)量的，并且具有低缺陷水平，6 英寸基板的成本約為 4 英寸藍(lán)寶石基板價(jià)格的十分之一，”他補(bǔ)充道?！芭c競爭對(duì)手相比，這為我們提供了成本更低、性能更高的 LED，使我們能夠?qū)?LED 應(yīng)用到手電筒等新應(yīng)用中?！?/p>

與 SiC 或藍(lán)寶石基板相比，硅上的熱阻方面的熱性能較低，因此來自結(jié)型 LED 表面安裝點(diǎn)的熱阻較低。這使得 Plessey 可以在相同的結(jié)溫下使用更高的表面貼裝溫度，這意味著具有更小的散熱器，從而節(jié)省了空間。

除了熱和成本優(yōu)勢之外，硅基板的表面為 Plessey 的 LED 提供了另一個(gè)重要優(yōu)勢。藍(lán)寶石向所有方向發(fā)射光，因此，構(gòu)建在該基板上的 LED 設(shè)備發(fā)出的光不僅會(huì)從 LED 表面發(fā)射，還會(huì)從 LED 主體向下發(fā)射，被吸收。硅只提供表面發(fā)射，因此可以創(chuàng)建沒有吸收的垂直發(fā)射裝置?？梢栽诓粨p失體積的情況下擴(kuò)大 LED 的面積，甚至可以看到性能改進(jìn)。

使用硅基板的另一個(gè)特點(diǎn)是多結(jié) LED 器件可以與其電路集成在單個(gè)芯片上。這對(duì) Plessey 來說是一個(gè)獨(dú)特的優(yōu)勢，Plessey 是目前業(yè)內(nèi)唯一一家提供集成光學(xué)器件的 LED 的公司。

改變燈具設(shè)計(jì)競爭對(duì)手在其高壓封裝設(shè)備中使用了一系列較小的 LED。例如，12V LED 使用四個(gè)串聯(lián)的 3V LED。借助 Plessey Semiconductor 的大功率多結(jié) LED，可以在相同電流下使用單個(gè)芯片實(shí)現(xiàn)相同的流明性能。

“這對(duì)于燈具來說是一個(gè)巨大的優(yōu)勢，尤其是在點(diǎn)光源或其他使用窄光束的系統(tǒng)中，”Beech 說。“當(dāng)一個(gè)燈具在一個(gè)大功率封裝中有四個(gè)芯片的設(shè)備時(shí)，它們通常被放置在一個(gè) 2 x 2 陣列中，中心沒有芯片。將這種光通過窄光束光學(xué)元件將中間的十字準(zhǔn)線投射到四個(gè)芯片的表面上。使用單個(gè)芯片和單個(gè)發(fā)光表面，沒有十字準(zhǔn)線圖案。”

單個(gè)單片高壓器件可產(chǎn)生更好的光學(xué)遠(yuǎn)場圖像。它也是居中的，即發(fā)射表面的中心在封裝的中心。因此，與多芯片解決方案相比，中心光束坎德拉功率也更出色。表面處的峰值強(qiáng)度大于非光學(xué)中心的峰值強(qiáng)度。“一個(gè)客戶使用我們的芯片生產(chǎn)了一個(gè)光束角只有 2 度的系統(tǒng)，”Beech 說。“總的來說，當(dāng)使用單個(gè)芯片時(shí)，光學(xué)器件可以更好地調(diào)整到發(fā)射表面?！?/p>

它們尤其有助于窄光束系統(tǒng)，如聚光燈、便攜式照明、手電筒和 1,000 流明戰(zhàn)術(shù)手電筒。具有單一的、大的發(fā)射表面可提供遠(yuǎn)距離發(fā)射的光。

與在藍(lán)寶石基板上生產(chǎn)的其他產(chǎn)品相比，新型大功率 LUCIAN PLW7070 單芯片 LED 具有更大的芯片尺寸，可用于便攜式手電筒和燈具、聚光燈、筒燈、高棚燈和泛光燈。

Plessey 的 GaN-on-Si LED 的使用壽命具有更好的流明維持率。競爭對(duì)手 LED 的光輸出在 6,000–7,000 小時(shí)內(nèi)下降 7% 到 10%，而它們的光輸出在同一時(shí)間內(nèi)僅下降 3%。

用于創(chuàng)建預(yù)聚焦 LED 的新工藝Plessey Semiconductors 的 Stellar LED 專利制造工藝于 2015 年開發(fā)。它涉及在硅襯底上圖案化 GaN 器件并在頂部安裝第二個(gè)硅襯底，然后將整個(gè)結(jié)構(gòu)翻轉(zhuǎn)并移除背面揭示一個(gè)新的基質(zhì)。這允許在基板上蝕刻到達(dá)下方 LED 的孔，從而有效地創(chuàng)建層疊并夾在兩個(gè)基板之間的 LED。

該工藝最重要的特點(diǎn)是能夠創(chuàng)建微鏡，作為 LED 處理的一部分，在芯片級(jí)預(yù)聚焦從 LED 發(fā)出的光。該工藝不會(huì)從其中一個(gè)基板上去除某些區(qū)域并填充孔以形成微鏡。最終結(jié)果是 LED 產(chǎn)生不需要二次光學(xué)器件的固有窄光束。預(yù)聚焦窄光束 LED 系統(tǒng)節(jié)省了資金、尺寸和對(duì)額外光學(xué)器件的需求，并且可以及時(shí)變得更小、更便宜。

新的反射器設(shè)計(jì)：帶有微反射器的 COB 陣列Plessey 的 Stellar Orion LED 光束形成模塊是這些用于定向照明應(yīng)用的集成光學(xué)器件的 COB 版本，Beech 稱其已贏得多個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)。通常，一個(gè) 15 度或 16 度的聚光燈會(huì)在前面有一個(gè)大的反射器和一面鏡子，但他們不需要它們。相反，它在每個(gè) LED 周圍使用了一系列微反射器。聚光燈的總厚度，包括集成反射器，為 7 至 8 毫米厚，與反射器的直徑相同，遠(yuǎn)小于其他技術(shù)。

一些聚光燈應(yīng)用需要保護(hù)蓋板，但沒有透鏡。光學(xué)器件被設(shè)計(jì)并內(nèi)置在單元本身中。將光學(xué)器件集成到 LED 系統(tǒng)本身在業(yè)內(nèi)是獨(dú)一無二的，目前，Plessey Semiconductors 是唯一提供這種優(yōu)勢的公司。其 Stellar Orion 產(chǎn)品的樣品目前以 25 度和 60 度的光束角范圍發(fā)貨。

“這些現(xiàn)在是我們的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，比它們正在取代的典型聚光燈更具吸引力，看起來也不那么工業(yè)化，”Beech 說。這是邁向完全集成解決方案的墊腳石，其中 LED 具有內(nèi)置的準(zhǔn)直光束，并且體積會(huì)小得多，預(yù)計(jì)將在明年左右推出。那時(shí)，不需要微反射器，集成到 LED 芯片本身的器件的總厚度將在幾百微米的數(shù)量級(jí)。“當(dāng)前的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品就像是規(guī)模更大的模擬版本，”他說。

不斷發(fā)展的散熱器在空間受限的設(shè)備（例如筒燈）中，小型散熱器非常重要。大功率 LED 與其他功率器件類似：功率輸入，光和熱輸出。對(duì)于產(chǎn)生的給定熱量水平，熱路徑是結(jié)溫的關(guān)鍵。

作為設(shè)計(jì)散熱器的起點(diǎn)，它的結(jié)溫不得超過 135°C。在最大工作電流下，考慮到基板的低熱阻，器件安裝到電路板上的焊點(diǎn)溫度將低于該溫度約 20 度，或約 115°

“我們將散熱器面向外部空氣，”Beech 說。“散熱器對(duì)周圍環(huán)境的熱阻是特定設(shè)計(jì)和表面積的重要作用。因?yàn)槲覀冊诟叩暮更c(diǎn)溫度下運(yùn)行，所以我們可以使用更小的散熱器并且仍然具有良好的性能?！?/p>

Plessey 的專利大功率 LED 制造流程示意圖。

硅充當(dāng)鏡子，將光線從設(shè)備頂部反射出去。對(duì)于藍(lán)寶石襯底，一些光不可避免地會(huì)在襯底內(nèi)部損失。

使用單個(gè)單片芯片消除了競爭多芯片產(chǎn)品上常見的十字準(zhǔn)線。

封裝的 Plessey 多結(jié) GaN-on-silicon 器件。

在 Tsolderpoint = 105°C 和 IFmax = 1.25 A 的最壞情況條件下測量 6,000 小時(shí)內(nèi)的光通量保持和色移（LM-80 評(píng)估）。橙色線顯示 GaN/Si 在應(yīng)力期內(nèi)的顏色穩(wěn)定性非常好。

審核編輯 黃昊宇