CN100413071C

CN100413071C - 使用交流电源的发光二极管灯及其制造方法

Info

Publication number: CN100413071C
Application number: CNB2005100298346A
Authority: CN
Inventors: 江忠永
Original assignee: Hangzhou Silan Azure Co Ltd
Current assignee: Hangzhou Silan Azure Co Ltd
Priority date: 2005-09-21
Filing date: 2005-09-21
Publication date: 2008-08-20
Anticipated expiration: 2025-09-21
Also published as: CN1770447A

Abstract

本发明公开了使用交流电源的发光二极管灯及其制造方法，该发光二极管灯包括：若干LED灯阵列，LED灯阵列包括M×N个LED芯片单元，各个LED芯片单元分别包括一组p、n电极；散热基板，所述散热基板上包括对应于所述LED灯阵列的倒焊区域，所述倒焊区域由对应于所述LED芯片单元的M×N个倒焊区域单元组成，各个倒焊区域单元上各设置一组p、n电极金属焊点；LED芯片单元的p、n电极分别与LED芯片单元倒焊区域的p、n电极金属焊点分别对应接合；两两邻接的倒焊区域单元的p、n电极金属焊点之间设置了金属互联线，金属互联线将邻接的LED芯片单元两两反向并联组成LED芯片组，所述LED芯片组之间实现串联。

Description

使用交流电源的发光二极管灯及其制造方法

技术领域

本发明公开的是一种适用于普通民用交流电源的发光二极管灯以及其制造方法，主要涉及一种使用交流电源的发光二极管阵列灯及其制作方法。

背景技术

发光二极管(LED)是一种能将电能转变为光能的半导体器件。在正向导通的状况下，电子与空穴载流子通过p、n电极向二极管结区注入，当二者相遇时，它们能复合并产生光子。由于其二极管特性，LED只有在正向偏压超过开启电压时才导通，并注入载流子复合产生光子。因此，发光二极管通常情况下都工作在几伏左右的直流电压下。一方面，这使LED在便携式应用中有明显优于其他普通光源的特性，因为它适应低电压直流电池供电。另一方面，这也使LED在普通家庭和其他固定照明应用中受到限制，因为它要求将通常的220V或110V的交流(AC)电源转换成几伏的直流(DC)电源。目前，随着基于GaN的白光LED在照明应用中逐步推进，该缺点显得日益突出。为了使LED灯能在通用的交流电源下工作，人们必须将多个LED串并联在一起制成一个LED阵列，让每个LED上分配到的电压值恰好满足其工作需要。如果按220V的交流电源来估算，需要工作电压在3.5V左右的GaN基LED芯片180颗才能制成LED灯(考虑到正反向都利用。如果该灯是通过联接分割好的LED芯片来实现，其封装制作工艺复杂而且效率低。因此，有人提出在完整的外延片上通过光刻图形直接制作金属互联线，将分立的LED芯片连接起来(参考Jiang等人2004年申请的美国专利，申请号：20040080941)。该方法需要将GaN基LED芯片刻蚀到蓝宝石衬底，使得芯片之间完全电气绝缘。然后，通过金属布线实现芯片之间的串并联。该布线工艺非常困难，主要是因为金属互联线必须跨越4～5微米深的电气隔离槽。如果隔离槽的边缘陡峭，金属线很容易断开，从而导致断路。因此，理想的隔离槽必须刻蚀成弧形结构，以保证金属线的连续性。此外，由于大量的LED紧密地排列在一起，工作过程中的散热问题非常突出，器件的可靠难以保证。

发明内容

本发明旨在克服上述提到的问题，提供一种制作简便、散热性优良、可靠性好的交流LED灯的设计方案以及其制作方法。

本发明的使用交流电源的发光二极管灯，所述发光二极管灯包括：

若干LED灯阵列，所述LED灯阵列包括M×N个LED芯片单元，各个LED芯片单元分别包括一组p、n电极；

散热基板，所述散热基板上包括对应于所述LED灯阵列的倒焊区域，所述倒焊区域由对应于所述LED芯片单元的M×N个倒焊区域单元组成，所述各个倒焊区域单元上各设置一组p、n电极金属焊点；

其中，所述LED芯片单元的p、n电极分别与所述LED芯片单元倒焊区域的p、n电极金属焊点分别对应接合；

所述两两邻接的倒焊区域单元的p、n电极金属焊点之间设置了金属互联线，所述金属互联线将所述邻接的LED芯片单元两两反向并联组成LED芯片组，所述LED芯片组之间实现串联；

所述M、N的数量至少大于等于2。

此外，本发明还提供了一种使用交流电源的发光二极管灯的制造方法，包括：

步骤一，制作若干由M×N个LED芯片单元组成的LED灯阵列，其中所述各个LED芯片单元包括一组p、n电极；

步骤二，在散热基板上制作对应于所述LED灯阵列的倒焊区域，所述倒焊区域由对应于所述LED芯片单元的M×N个倒焊区域单元组成，所述各个倒焊区域单元上各制作一组p、n电极金属焊点，在所述散热基板上的两两邻接的倒焊区域单元的p、n电极金属焊点之间制作了金属互联线，所述金属互联线将所述邻接的LED芯片单元两两反向并联组成LED芯片组，所述LED芯片组之间实现串联；

步骤三，将所述LED芯片单元的p、n电极分别与所述LED芯片单元倒焊区域的p、n电极金属焊点分别对应接合；

其中所述M、N的数量至少大于等于2。

附图说明

下面，参照附图，对于熟悉本技术领域的人员而言，从对本发明方法的详细描述中，本发明的上述和其他目的、特征和优点将显而易见。

图1是本发明中用于倒装焊的GaN基LED的剖面示意图；

图2(a)是为5×4个LED芯片单元所采用的散热基板的倒焊区域示意图；

图2(b)为图2(a)的等效电路图；

图3所示的是多个LED芯片倒装焊在一个散热基板上的剖面示意图；

图4(a)为用于本发明带短路线的为5×4个LED芯片单元所采用的散热基板的倒焊区域示意图；

图4(b)为图4(a)的等效电路图；

图5(a)为3×3个LED灯阵列所采用的散热基板的倒焊区域示意图；

图5(b)为图5(a)的等效电路图。

具体实施方式

本发明所采用的单个LED芯片的结构如图1所示，包括：外延衬底10；低温沉积的GaN结晶层20；掺Si的n-型GaN层30；InGaN/GaN多量子阱活性层50；掺Mg的p-型GaN层60，以及相互电气绝缘的p、n电极80、40；金属反光层70；其中p、n电极都是由具有良好延展性的金属层制成，该LED的具体构成和制作方法请参见本申请人提交的“倒装焊结构发光二极管及其制造方法”的另一发明申请中。

本发明的LED灯制作过程，包括：1)LED芯片制作；2)在散热基板上做金属焊点阵列以及金属互联线；3)实现LED芯片与散热基板之间的倒装焊，实现机械接合与电气导通。

本发明的LED芯片的制作以及散热基板上的金属焊点阵列制作过程在本公司申请的相关专利中已作详细说明(申请号为：200510029115.4，专利名称：“倒装焊结构发光二极管及其制造方法”)。本发明是在此基础上，实现多个LED芯片之间的电气互联，这个过程是通过在散热基板上制作金属互联线将焊点连接在一起实现的。金属互联线的制作是通过蒸镀、掩模、光刻、刻蚀的工艺制备的。

本发明中的外延衬底10可以是硅基板，包含有一层5000埃～1微米厚的氧化硅或氮化硅绝缘层；或者是有良好导热特性的其它单层或多层材料(如AlN陶瓷材料，或铜基板覆盖AlN等绝缘材料)。

图2(a)给出了散热基板上一个需要布置5×4个LED芯片单元组成的LED灯阵列的倒焊区域1的局部示意图。该倒焊区域1由5×4共计20个倒焊区域单元2组成，在倒焊区域单元2上布置了配合倒装焊接LED芯片p、n电极的p电极金属焊点4和n电极金属焊点5，p电极金属焊点4和n电极金属焊点5通过金属互联线3连接，再以图2(a)左上角由四个倒焊区域单元11、12、21、22组成的阵列为例，其中，倒焊区域单元11、21称为前级，倒焊区域单元12、22称为后级。金属互联线3的连接，是将前级倒焊区域单元11上的p电极金属焊点与同级倒焊区域单元21的n电极金属焊点以及后级倒焊区域单元12的n电极金属焊点同时连接，前级倒焊区域单元11上的n电极金属焊点与后级倒焊区域单元12上的p电极金属焊点相连，依此类推，该5×4个LED芯片单元的倒焊区域1上的其它倒焊区域单元上的金属焊点连接关系同此。

如图2(a)所示，本发明的关键在于，在散热基板上布置了若干p、n电极的金属焊点阵列以及它们之间的金属互联线3，金属焊点阵列是用于LED芯片和散热基板的焊接，起到机械粘合以及电气导通的作用。而连接这些金属凸点的互联线3起到将这各个LED芯片串并联的作用。该散热基板与LED灯阵列组合形成的发光二极管灯的等效电路如图2(b)所示，由2×10个LED芯片单元通过金属互联线3串并联组成，为了使按照上述方案构成的发光二极管灯能够在正反向电压下分别工作，每对并联的LED芯片单元采用了反向连接的形式。其中，发光二极管111、121、112、122为对应于倒焊区域单元11、21、12、22所形成的LED芯片单元。

为了提高倒装焊的效率，在一个1平方毫米的外延片单元上制作多个LED小芯片，实现一次性完成倒装焊。图3所示的是若干个LED灯阵列倒装焊在一个散热基板31上的剖面示意图，其中散热基板31表面包括有金属互联线32和金属焊点基座33，在金属焊点基座33上是为与LED芯片上的p、n电极焊接设置的金属焊点34，该LED灯阵列由外延衬底312、布置在外延衬底312上的结晶层310，以及n型GaN层39、多量子阱活性层38、n电极311、p电极35、光反射层36、p型GaN层37组成。

根据工作电源的电压值，我们可以设计不同个数的LED串并联单元数目。

考虑到每个LED自身工作电压的差异，以及电源的电压浮动，我们还另外设计了一个单元作为修调用途。图4(a)给出了一种在图2(a)的基础上增设了短路线6的为5×4个LED芯片单元所采用的散热基板的倒焊区域示意图，有别于图2(a)之处在于，加入了一短路线6，以图4(a)的左上角四个倒焊区域单元的连接为例，该短路线6将前级倒焊区域单元11的n电极金属焊点与该倒焊区域单元11的p电极金属焊点、同级倒焊区域单元21的p电极金属焊点短路连接，该散热基板与LED灯阵列结合最终形成如图4(b)所示的等效电路示意图，即由2×10个LED芯片单元组成的LED灯阵列，其中短路线6将10组反向连接的两个LED芯片单元短路并联连接。

如果将并联的短路线6切断，将有一对LED芯片单元接入电路中，分去一部分电压。根据该原理可以将该LED灯调整到额定的功率下工作。

根据该设计原理，我们可以制作工作于不同交流电压的LED灯。而且，由于该LED灯是通过倒装焊工艺制作的，散热特性良好，这意味着该灯可以在较大的电流密度范围内工作。因此，通过在出厂前修调负载，可以让同样结构的LED灯工作在不同的额定功率下。

上面图2(a)、图4(a)给出的两个实施例所示为一个LED灯阵列，在具体应用中，需要进一步进行集成，即采用若干个LED灯阵列进行组合。

下面参照图5就本发明在220V的民用市电下的一种实施例做具体说明。

图5中所示的散热基板100上包括为布置若干LED灯阵列而设置的倒焊区域51～59，其中每个倒焊区域对应图2(a)或图4(a)所示的整个倒焊区域，两两倒焊区域之间通过金属互联线101互连构成图5(b)所示的LED灯阵列组成的发光二极管灯。

综上所述，本发明的发光二极管灯能工作在220V交流电源下，主要是通过串联多个由反向并联的LED灯芯片单元组成来实现。由于我们将LED芯片之间的互联线设计在散热基板上，避免了在LED外延片上制作互联线的困难。LED芯片单元的数量取决于发光二极管灯的阵列数以及交流电源的电压，串联的发光二极管的工作电压累加起来应该相当于交流电源的峰值电压。在实践中，考虑到倒装焊的效率以及可靠性，通常是在一个1平方毫米的单元上制作4×5的小芯片阵列，由此形成的等效电路如图3所示，此20个小芯片分成10组串联在一起的反向并联LED对，如果每个LED的工作电压是3.4V，我们需要约9个单元组成LED灯以便它能在220V的交流电源下正常工作。

考虑到LED自身工作电压的差异，以及电源的电压浮动，通过将短路的并联线切断，将一对LED接入电路分去一部分电压。根据该原理可以将该LED灯调整到额定的功率工作。因此，整个220V交流电源下工作的LED灯可以由9个1平方毫米的芯片阵列单元串联组成，如图5所示。该LED灯装置尺寸可以控制在3×3平方毫米左右，而且由于其散热特性好，可以在较高的额定功率下工作。

虽然已经通过上述的例子描述了本发明的实施形态，但是它只是说明性的。事实上，在不违背本发明原理的条件下，还可以对其进行各种形式的修改。此外，本发明的范围由所附权利要求书限定性。

Claims

1. 使用交流电源的发光二极管灯的制造方法，包括：

其中所述M、N的数量至少大于等于2。

2. 根据权利要求1所述的使用交流电源的发光二极管灯的制造方法，其特征在于，

所述步骤二中进一步包括在所述散热基板上制作一短路线，所述短路线将所述LED芯片单元中接近边缘位置的部分LED芯片单元的n、p电极相连。