CN101645440A - 具有预防单胞热电损毁功能的多胞连接大功率光电器件 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示了一种具有预防单胞热电损毁功能的多胞连接大功率光电器件，涉及半导体光电领域。该光电器件的芯片被分隔成两个或两个以上的小面积单胞，每个单胞的阳极引线、阴极引线与对应极性的总引出电极相连，其特征在于：每个单胞与总引出电极之间的电极引线上至少串接一个抑制热电正反馈、限制不同单胞间电流差异过大的镇流电阻。通过至少一个镇流电阻串接集成在光电器件内，能够有效抑制光电器件内各单胞由温度升高不均而引起的热电正反馈效应，进而避免温度较高的单胞出现热斑或热崩现象，提高了光电器件的热可靠性。

Description

具有预防单胞热电损毁功能的多胞连接大功率光电器件
技术领域
本发明涉及半导体光电器件结构，尤其涉及提升大功率光电器件热可靠性的芯片结构，属于半导体光电技术领域。
背景技术
光电器件是指光能和电能相互转换的一类器件。其种类众多，如：发光二极管(LED)、太阳能电池、光电探测器、激光器(LD)等等。其中LED是日常生活中使用最为广泛的一种光电器件。近年来，随着氮化镓基蓝光、绿光和紫外光LED技术的不断成熟，发光效率不断提高，LED应用价值越来越受到重视。LED作为一种光源有着众多的优点，突出表现在：发光效能高(最新研究成果已实现了白光160lm/W，超过了白炽灯和荧光灯，因此在节能方面有优异的表现)；光波长范围窄，色彩饱度高；体积小、重量轻、点光源，实际应用灵活方便；基于氮化镓的LED无毒、无公害，属于绿色环保光源。因此，LED在照明领域有着巨大的应用价值。
目前，LED已经大量进入大屏幕显示、装饰照明、建筑照明、交通指示、LCD背光等市场，可是更大的市场在于普通照明，而LED还未能打入这个庞大市场，这是由于现在的LED还不能满足普通照明的要求造成的。普通照明需要廉价、大功率的LED产品，可是现在的大功率LED技术还不成熟、大功率LED制造成本还很昂贵。
提升大功率LED性能的途径主要有两方面：1)提高LED器件的外量子效率，以提高芯片单位面积的出光量；2)加大芯片的面积，提高单颗芯片的出光总量。目前LED的研究基本都集中在提高LED器件的外量子效率，从外延、芯片工艺到封装等方面提出了很多改进的技术措施，如：图形化蓝宝石衬底技术、非极化面生长技术、氮化镓自支撑衬底技术、芯片表面粗化和纳米图形技术、薄膜LED芯片技术、倒装LED技术等等。这些技术的应用都可以有效提高LED芯片单位面积的出光量，有利于制造大功率LED器件。可如果不增加芯片面积，那么单颗芯片的光输出功率总量还是有限的。在LED器件产品上，要想获得更大的功率，就要依靠多芯片封装来实现，比如，现在市场上的3W白光LED产品都是由三个1mm2的LED芯片封装而成。多芯片封装一方面会增加封装的成本，另一方面会制约照明系统的小型化，进而增加照明系统的成本。因此，为获得更大功率LED产品，必须增加LED芯片的面积。
在工业生产中，增加芯片面积能起到降低成本的作用，有利于产品的升级、换代，可是涉及到产品的可靠性问题，尤其是在大功率应用中的热可靠性。如果不能有效控制芯片的可靠性，那么增加芯片面积就变得毫无意义，甚至导致生产成本骤增。以下简单分析LED芯片的热可靠性：一方面，LED的结温随电流的增大而上升；另一方面，电流随温度的上升，又以指数形式增大；这样就形成了热电正反馈。大功率器件的结温通常在芯片内是不均匀分布的，某些区域的温度较高，电流较大，在过激励的情况下，这些温度较高的区域，电流严重集中，由于热电正反馈的作用，温度进一步增加，成为热斑，当温度超过所能承受的结温时，该处烧毁(热崩)，进而导致整个芯片失效。器件芯片面积越大，温度分布越不均匀，热斑出现的概率越大，可靠性也会随之下降。因此，提高热可靠性是大面积、大功率LED器件的关键。
发明内容
鉴于以上现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种具有预防单胞热电损毁功能的多胞连接大功率光电器件，以提高大功率光电器件的热可靠性。
实现本发明目的所采用的技术方案概括为：
具有预防单胞热电损毁功能的多胞连接大功率光电器件，所述光电器件的芯片被分隔成至少2个单胞，每个单胞的阳极引线、阴极引线与对应极性的总引出电极相连，其特征在于：每个单胞与总引出电极之间的电极引线上至少串接一个抑制热电正反馈、限制不同单胞间电流差异过大的镇流电阻。
进一步地，该镇流电阻贴覆于光电器件的芯片表面，至少串接一个镇流电阻后的各个单胞通过芯片内部互联结构与总引出电极连接；
或者，该光电器件还包含转移基片，光电器件的芯片通过倒装焊形式与转移基片结合，而镇流电阻位于转移基片，各个单胞与至少一个镇流电阻串接后通过转移基片上的电极引线与芯片上的总引出电极连接。
更进一步地，上述每个单胞的阳极引线或阴极引线上串接至少一个镇流电阻；或者每个单胞的阳极引线和阴极引线上均串接至少一个镇流电阻。
进一步地，上述单胞相互之间的连接方式为并联或“并串联”，其中“并串联”是指部分单胞先并联成组，然后再与其它单胞或“单胞组”串联。
进一步地，上述单胞是指具有光电转换功能的微尺寸单元，单胞的平面几何形状为矩形、三角形、正多边形、圆形等规则形状或其它非规则形状；单胞的排列方式为阵列式排列或其它非规则排列。
进一步地，该大功率光电器件指的是功率为1瓦以上的发光二极管或固态激光器，也可以是其它光电器件。
更进一步地，适合用作为该镇流电阻的材料包括：金属材料(如：镍、铬、锡等等)、金属合金材料(如：镍铬合金)、半导体材料(如：单晶硅、多晶硅、非晶硅、氮化镓、砷化镓、磷化镓、磷化铟或与以上半导体同族的其它材料)和其它导电材料(如：导电陶瓷、导电有机物、碳纳米管等)。
本发明所设计的多胞连接大功率光电器件投入应用，其有益效果体现在：
通过在每个单胞与总引出电极之间的电极引线上串接一个或多个镇流电阻，能够有效抑制光电器件内各单胞由温度升高不均而引起的热电正反馈效应，进而避免温度较高的单胞出现热斑或热崩现象，提高光电器件的热可靠性。此外，镇流电阻多样化的串接方式，给不同类型的光电器件热可靠性改善提供了周全、可行的实现途径，提高了镇流电阻防护应用的普适性。
附图说明
图1是本发明多胞并联大功率LED芯片的原理结构示意图；
图2a是本发明多胞并联的普通正面出光LED芯片的平面结构图；
图2b是本发明多胞并联的普通正面出光LED芯片中一个单胞及其引线连接的剖面示意图；
图3a是本发明多胞并联的垂直LED芯片的平面结构图；
图3b是本发明多胞并联的垂直LED芯片中一个单胞及其引线连接的剖面示意图；
图4a是镇流电阻与LED芯片有源区位于同一基板上的倒装剖面图；
图4b是镇流电阻位于转移基板上的倒装剖面图；
图5是本发明又一实施例多胞并串联LED芯片的结构平面图。
具体实施方式
为使本发明具有预防单胞热电损毁功能的多胞连接大功率光电器件的实质结构特征及有益效果更易于理解，以下结合实施例及其附图对本发明技术方案作进一步非限制性的详细说明。
从原理上分析：如图1所示的多胞并联大功率LED芯片的原理结构示意图可见，本发明的核心思想是把光电器件芯片的有源区分割成许多小面积的单胞(假设为n个单胞，n≥2)，其中每个小面积单胞总引出电极之间的电极引线与至少串接一个抑制热电正反馈、限制不同单胞间电流差异过大的镇流电阻Rb(图1中每个单胞仅对应串接一个镇流电阻)。正常工作情况下，流经每个单胞的电流In在镇流电阻上产生一个很小的压降Vn。温度较高的单胞j的电流Ij增大，大于其它单胞的电流In，连接在此单胞的镇流电阻上的压降Vj也就相应增加，加载在芯片有源区的电压就会减少，就会抑制Ij的进一步上升，而产生负反馈作用，从而使温度较高的单胞不至于出现热斑和热崩。
根据晶体管设计的经验公式，每个单胞的镇流电阻值可以依如下公式进行设计：Rb＝8(kT/q/In)。其中：Rb是镇流电阻的阻值；k是玻尔兹曼常数；T是工作温度；q是单位电荷；In是单胞的额定工作电流。
实施例一
如图2a串接有镇流电阻多胞并联的普通正面出光LED芯片的平面结构图所示：整个LED芯片由单胞1、镇流电阻2、阴极引线3、阴极压焊块5、阳极引线4和阳极压焊块6组成，其中阴极压焊块5与阳极压焊块6构成了该光电器件的芯片总引出电极。每个单胞1经阴极引线3连接到阴极压焊块5，单胞1与阳极压焊块6之间的的阳极引线4上串接一个镇流电阻2后再连接到阳极压焊块6。而图2b示意的是串接有镇流电阻多胞并联的普通正面出光LED芯片中一个单胞及其引线连接的剖面。单胞位于衬底10的一侧，由有源区11和阴极引出区12组成，绝缘介质层13围裹于其外，用以防止金属引线跨接到p区和n区；阴极总引出电极藉由阴极引线14的一端与阴极引出区12接触构成阴极通路，阳极通路则由阳极引线151和有源区11顶部接触，且阳极引线151另一端串联连接一个镇流电阻16后，再通过阳极引线152连接到阳极总引出电极构成。各个单胞通过芯片内部互联结构与总引出电极连接。
实施例二
如图3a串接有镇流电阻多胞并联的垂直LED芯片的平面结构图所示：整个LED芯片由单胞有源区21、镇流电阻22、阴极引线23、阴极压焊块24以及从背面导电衬底引出的阳极组成。单胞有源区21与阴极压焊块24间的阴极引线23上串接一个镇流电阻22，藉由阴极引线23构成单胞有源区21、镇流电阻22及阴极压焊块24的串联通路。而图3b示意的是串接有镇流电阻多胞并联的垂直LED芯片中一个单胞及其引线连接的剖面结构。导电衬底20用于芯片的阳极引出，单胞有源区21位于导电衬底20的一侧，且导电衬底20与单胞有源区21表面设置有绝缘介质层201，用以防止金属引线跨接到p区和n区；单胞有源区21的顶部与阴极引线231的一端接触，阴极)引线231的另一端串接一个镇流电阻22后，通过阴极引线232与阴极总引出电极连接构成阴极通路。
实施例三
串接有镇流电阻多胞并联设计一样可以应用于倒装结构的LED芯片，而且其连接方式也具有多样性。
其中的一种连接方式是把镇流电阻设计在与LED芯片有源区同侧。如图4a所示：芯片由外延衬底30、有源区31、阴极引出区32、绝缘介质33、阴极引线341和342、阳极凸点361和阴极凸点371组成，而转移基板由阳极凸点362、阴极凸点372、阳极引线381、阴极引线382和绝缘基板39组成。有源芯片和转移基板通过倒装焊工艺结合，把阳极凸点361和阳极凸点362对接，把阴极凸点371和阴极凸点372对接。电流从阳极引线381经阳极凸点362和阳极凸点361流至有源区，载流子在有源区复合发光，电流传输到阴极引出区32经阴极引线341流过镇流电阻35，再流到阴极引线342通过阴极凸点371和阴极凸点372流到阴极引线382。
实施例四
此外，还可把镇流电阻设计在异侧的转移基板上；各个单胞与至少一个镇流电阻串接后通过转移基片上的电极引线与芯片上的总引出电极连接。如图4b所示：芯片由外延衬底30、有源区31、阴极引出区32、绝缘介质33、阴极引线34、阳极凸点361和阴极凸点371组成，转移基板由阳极凸点362、阴极凸点372、阳极引线381、阴极引线3821和阴极引线3822、镇流电阻35、以及绝缘基板39组成。有源芯片和转移基板通过倒装焊工艺结合，把阳极凸点361和阳极凸点362对接，把阴极凸点371和阴极凸点372对接。电流从阳极引线381经阳极凸点362和阳极凸点361流至有源区，载流子在有源区复合发光，电流传输到阴极引出区32经阴极引线34流过阴极凸点371和阴极凸点372流到阴极引线3821，接着流过镇流电阻35，再流到阴极引线3822。
实施例五
该多胞大功率光电器件的芯片，除了多胞并联方式以外，还可以有另一种“并串联”的布局形式，即先将部分单胞并联起来，形成并联单元组，然后再将一个或多个这样的并联单元组相互串联或与其它单胞串联。与单纯的并联结构相比，这种并串联结构的优点是：能够减少引线所占面积，获得更高的发光区面积，提高有效利用面积；另外这种并串联结构可以在实际应用中有一定的实用性，如在大电压驱动情况下。如图5示意了多胞并串联形式的LED芯片结构平面图。图中LED单胞41的阳极引线上都串联有镇流电阻42，然后通过芯片内互联引线47把这些串联有镇流电阻42的单胞41并联起来构成并联单元组；上一级并联单元组的共阴极引线与下一级并联单元组的共阳极引线经由芯片内互联引线47相连，形成并联单元组的多级串联；第一级并联单元组的镇流电阻42连接到器件芯片阳极总引线43，由阳极压焊块45连接到外电极；最后一级(图中所示的第n级并联单元组)的阴极引线连接到器件芯片阴极总引线44，由阴极压焊块46连接到外电极。
上述若干实施例的详细说明可见，其中不但以单个镇流电阻串联到器件单胞的阳极引线上为例(如实施例一及实施例五)进行说明，而且更提供了以单个镇流电阻串联到器件单胞的阴极为例(如实施例二、实施例三及实施例四)也进行了对应说明。在实际设计中，镇流电阻还可以在器件单胞的阴、阳极都串联镇流电阻；对应每个单胞，串联的镇流电阻数量既可以是单个，也可以是多个。其结构特征及实施原理与上述几个实施例相似，故不再赘述。
此外，本发明中适合用作为镇流电阻的材料包括：金属材料(如：镍、铬、锡等等)、金属合金材料(如：镍铬合金)、半导体材料(如：单晶硅、多晶硅、非晶硅、氮化镓、砷化镓、磷化镓、磷化铟或与以上半导体同族的其它材料)和其它导电材料(如：导电陶瓷、导电有机物、碳纳米管等)。虽然本发明的具体实施方式是以LED器件芯片为例说明，但是本发明完全可以适用于其它功率型光电器件，如：半导体激光器阵列等。
综上所述，对本发明具有预防单胞热电损毁功能的多胞连接大功率光电器件多个应用示例的详细介绍，旨在加深对本发明实质结构及有益效果的理解，对保护范围不构成任何限制。但凡对于上述实施例进行的等同变换及等效替换，能够实现与本发明相同创作目的的技术方案，均落在本案请求保护的范围内。

Claims (7)

1.具有预防单胞热电损毁功能的多胞连接大功率光电器件，所述光电器件的芯片被分隔成至少2个单胞，每个单胞的阳极引线、阴极引线与对应极性的总引出电极相连，其特征在于：每个单胞与总引出电极之间的电极引线上至少串接一个抑制热电正反馈、限制不同单胞间电流差异过大的镇流电阻。
2.根据权利要求1所述的具有预防单胞热电损毁功能的多胞连接大功率光电器件，其特征在于：所述镇流电阻贴覆于光电器件的芯片表面，至少串接一个镇流电阻后的各个单胞通过芯片内部互联结构与总引出电极连接。
3.根据权利要求1所述的具有预防单胞热电损毁功能的多胞连接大功率光电器件，其特征在于：所述光电器件还包含转移基片，光电器件的芯片通过倒装焊形式与转移基片结合，所述镇流电阻位于转移基片，各个单胞与至少一个镇流电阻串接后通过转移基片上的电极引线与芯片上的总引出电极连接。
4.根据权利要求1或2或3所述的具有预防单胞热电损毁功能的多胞连接大功率光电器件，其特征在于：所述每个单胞的阳极引线或阴极引线上串接至少一个镇流电阻；或者每个单胞的阳极引线和阴极引线上均串接至少一个镇流电阻。
5.根据权利要求1所述的具有预防单胞热电损毁功能的多胞连接大功率光电器件，其特征在于：所述单胞相互之间的连接方式为并联或“并串联”，其中“并串联”是指部分单胞先并联成组，然后再与其它单胞或“单胞组”串联。
6.根据权利要求1或5所述的具有预防单胞热电损毁功能的多胞连接大功率光电器件，其特征在于：所述单胞是指具有光电转换功能的微尺寸单元，单胞的平面几何形状为规则形状或非规则形状；单胞的排列方式为阵列式排列或非规则排列。
7.根据权利要求1所述的具有预防单胞热电损毁功能的多胞连接大功率光电器件，其特征在于：所述大功率光电器件指的是功率为1瓦以上的发光二极管或固态激光器。
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Address after: 215123 Suzhou Industrial Park, Jiangsu, if waterway No. 398

Applicant after: Suzhou Institute of Nano-Tech and Bionics (SINANO), Chinese Academy of Sciences

Address before: 215125 Jiangsu city of Suzhou province Dushu Lake Industrial Park No. 398 waterway if higher education

Applicant before: Suzhou Nano Technique & Nano Bionic Research Inst.

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