CN103296181B - 平衡热场分布的超大功率光电器件 - Google Patents

Abstract

一种平衡热场分布的超大功率光电器件，包括光电器件芯片，该芯片的外延层包括彼此隔离的若干单胞，该等单胞相互串联或并联，其中至少两个单胞相互并联形成至少一个单胞组，并且该至少一个单胞组还与该等单胞中其余的一个以上单胞和/或一个以上单胞组串联，其中每一单胞组内的所有单胞均排布在一个长宽比接近1的矩形区域内，而且各单胞的间距沿芯片周缘部向中心递增。本发明通过前述设计，可使相邻单胞节温保持一致，避免节温较高的单胞成为热斑和热崩，有效提升大功率光电器件的工作性能，并延长其使用寿命，同时还可使芯片中央区域有源区面积相对减少，产生热量减少，且使单胞间热的相互影响减少，从而达成芯片中央与四周热场的平衡分布。

Description

平衡热场分布的超大功率光电器件

技术领域

本发明涉及一种大功率半导体光电器件，尤其涉及一种平衡热场分布的超大功率光电器件，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。LED以其固有的特点，如省电、寿命长、耐震动，响应速度快、冷光源等特点，广泛应用于各种照明等领域，但由于其亮度差、价格昂贵等条件的限制，无法作为通用光源推广应用。近几年来，随着人们对半导体发光材料研究的不断深入，LED制造工艺的不断进步和新材料(氮化物晶体和荧光粉)的开发和应用，各种颜色的超高亮度LED取得了突破性进展，其发光效率提高了近1000倍，色度方面已实现了可见光波段的所有颜色，其中最重要的是超高亮度白光LED的出现。据国际权威机构预测，二十一世纪将进入以LED为代表的新型照明光源时代，被称为第四代发光源。

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。同时在荧光显微镜和投影仪市场中，LED所占的市场份额还很低，这是由于现在的LED还不能他们应用的要求造成的。普通照明、荧光显微镜以及投影仪需要大功率的LED产品，可是现在的大功率LED技术还不成熟，对于普通照明领域来说大功率LED制造成本还很昂贵。

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，电流集中，导致该单胞越来越亮，而其他区域由于分到电流减少，亮度减少，芯片发光便不均匀，影响器件使用。更严重的是电流严重集中，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

鉴于现有技术的以上不足，本发明的目的在于提供一种平衡热场分布的超大功率光电器件，以提高大功率光电器件的输出特性和成品率。

为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种平衡热场分布的超大功率光电器件，包括光电器件芯片，所述芯片的外延层包括彼此隔离的复数个单胞，该复数个单胞相互串联或并联，该复数个单胞中的至少两个单胞相互并联形成至少一个单胞组，并且该至少一个单胞组还与该复数个单胞中其余的一个以上单胞和/或一个以上单胞组串联，其中，每一单胞组内的所有单胞均排布在一个矩形区域内，所述矩形区域的相对较短边与相对较长边的比值大于0.5，但小于或等于1，

而且，沿从芯片周缘部指向芯片中心的方向，相邻单胞之间的间距递增。

作为较为优选的实施方案之一，所述芯片包括依次串联的复数个单胞组，每一单胞组包括两个以上并联设置的单胞。

作为较为优选的实施方案之一，该复数个单胞组沿设定的螺旋线形轨迹依次串联。

作为较为优选的实施方案之一，该复数个单胞组排布在一个矩形区域内，所述矩形区域的相对较短边与相对较长边的比值大于0.5，但小于或等于1。

进一步的，每一单胞组内的每一单胞的正、负极均与该单胞组的正、负极互联金属电连接。

进一步的，任一单胞组的正、负极互联金属还均与相邻单胞组的负、正极互联金属电连接。

进一步的，位于最上游的单胞组的正极互联金属和最下游的单胞组的负极互联金属还分别与芯片的阳极压焊区和阴极压焊区电连接，或者，位于最上游的单胞组的负极互联金属和最下游的单胞组的正极互联金属还分别与芯片的阴极压焊区和阳极压焊区电连接。

进一步的，所述平衡热场分布的超大功率光电器件还可包含转移基片，所述芯片通过倒装焊形式与转移基片结合。

所述转移基片上分布有复数个互联金属组，每一单胞组的正、负极互联金属分别与转移基片上对应互联金属组内的正、负互联金属电连接，并且，每一互联金属组内的正、负互联金属还分别与相邻互联金属组内的负极、正极互联金属电连接，

而位于最上游的互联金属组内的正极互联金属和最下游的互联金属组内的负极互联金属还分别与芯片的阳极压焊区和阴极压焊区电连接，或者，位于最上游的互联金属组内的负极互联金属和最下游的互联金属组内的正极互联金属还分别与芯片的阴极压焊区和阳极压焊区电连接。

所述单胞的平面形状为规则几何形状或非规则形状，所述规则几何形状包括矩形、三角形、正多边形或圆形等，且不限于此。

优选的，该复数个单胞中相邻单胞之间的距离在1μm以上，但是在10μm以下。

所述超大功率光电器件包括功率为10瓦以上的发光二极管或固态激光器，且不限于此。

与现有技术相比，本发明至少具有如下优点：

(1)通过将光电器件芯片的有源区分割成许多小面积的单胞，并将其中若干单胞并联形成单胞组(或称，并联组)，且使并联组的单胞尽可能的排布在一个正方形或者长宽比接近1的矩形内，藉此设计，在出现某个单胞节温较高的情形时，该单胞可通过衬底向周围单胞传导热，并且热场呈环状扩散，进而使相邻单胞节温保持一致，避免热电正反馈作用使得节温较高的单胞成为热斑和热崩，从而有效提升大功率光电器件的可靠性、发光效率等方面的工作性能，并延长其使用寿命。

(2)通过改变芯片不同区域单胞的间距，使单胞间距从芯片周缘部到芯片中心呈现递增的变化趋势，进而使芯片中央区域有源区面积相对减少，产生热量减少，同时单胞间距较大，使单胞间热的相互影响减少，从而达到平衡芯片中央与四周热场分布均匀的目的。

附图说明

图1是本发明一较佳实施方式的原理结构示意图；

图2是现有大功率LED芯片的热成像照片；

图3a是实施例1中平衡热场分布的超大功率光电器件的主视图；

图3b是实施例1中平衡热场分布的超大功率光电器件的光学照片。

具体实施方式

如前所述，本发明的主旨在于提供一种新型的超大功率光电器件，其通过采用多胞设计及独特的电路结构设计，进而有效实现了光电器件芯片内的热场平衡分布。

在本发明的一优选实施方式中，其技术方案可以概括为：

一种平衡热场分布的超大功率光电器件，其芯片被分隔成m*n个单胞，每n个单胞的正极、负极由对应极性的互联金属分别连接在一起，形成一个并联组(亦可称为“单胞组”)。其中，m为大于1的正整数，n＞＞1，亦为正整数。

进一步地，每个并联组的正极、负极互联金属分别和相邻并联组的负极、正极互联金属连接。

进一步地，最外侧(即，最上游和最下游)的并联组正极、负极互联金属分别和芯片的阳极、阴极压焊区连接。

或者，该光电器件还可包含转移基片，光电器件的芯片通过倒装焊形式与转移基片结合，每个并联组单胞正极、负极金属分别通过转移基片上对应极性的互联金属连接，转移基板上每个并联组的正极、负极互联金属分别和相邻并联组的负极、正极互联金属连接，并且最外侧正极、负极互联金属分别与阳极、阴极同压焊区连接。

进一步地，上述单胞相互之间的连接方式为“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。

进一步地，并联组内单胞排布在一个正方形区域内，或者长宽比大于0.5的矩形区域内(亦可理解为，该矩形区域的相对较短边与相对较长边的比值大于0.5，但小于或等于1)。

类似的，芯片内的并联组均排布在一个正方形区域内，或者长宽比大于0.5的矩形区域内。

进一步地，芯片内部相邻单胞的间距从芯片周缘部向芯片中心递增。

进一步地，该大功率光电器件指的是功率为10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。

又及，请参阅图1，从原理上分析，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单胞1(假设为n个单胞，n＞＞1)，其中每个小面积单胞的正极和负极分别通过互联金属2和3连接在一起。本发明的设计将并联组的单胞尽可能的排布在一个正方形或者长宽比接近1的矩形内。如果有某个单胞节温较高，他会通过衬底向周围单胞传导热，并且热场呈环状扩散，对于本发明的设计，周围单胞节温也会随之增加，能使相邻单胞节温保持一致，避免热电正反馈作用使得节温较高的单胞成为热斑和热崩。类似的，我们也可以将“并串联”结构的大功率LED芯片的并联组尽可能的排布在一个正方形或者长宽比接近1的矩形内，以避免某些并联组出现热集中情况。如图2的热成像照片所示，芯片中央热场比较集中，节温较高，根据这一现象，我们做了如下设计，改变芯片不同区域单胞的间距，使单胞间距从芯片中央到芯片周围呈现递减的变化趋势。这样，芯片中央区域有源区面积相对减少，产生热量减少，同时单胞间距较大，使单胞间热的相互影响减少，从而达到平衡芯片中央与四周热场分布均匀的目的。

并且，本案发明人经大量研究和实践后，还惊奇的发现，当将该复数个单胞中的相邻单胞之间的距离控制在1μm以上，但在10μm以下时，还可使芯片呈现出更为优异的热可靠性。并且，本案发明人还发现，当相邻单胞之间的距离小于1μm时，其对改善热分布集中的影响甚微，且会使芯片的制造难度和成本进一步提升，而当相邻单胞的距离大于10μm时，其对单胞间热的相互影响的改善较之甚微(较之1μm～10μm这一范围)，但同时会使芯片有源区的有效利用面积急剧下降，并使芯片的功率下降。

为使本发明平衡热场分布的的超大功率光电器件的实质结构特征及有益效果更易于理解，以下结合一较佳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。

实施例1

参阅图3a-3b所示系本发明的另一较佳实现形式，该平衡热场分布的超大功率光电器件中，LED芯片的每个单胞31的负极经负极互联金属33连接在一起，正极经正极互联金属32连接在一起构成一个并联组。每个并联组的正极、负极互联金属分别与上一级的负极、下一级的正极互联金属连接，形成多个并联组的串联结构。第一级并联组的正极互联金属与阳极压焊区34连接，最后一级(第m级)的负极互联金属与阴极压焊区35连接，整个芯片再由阳极、阴极压焊区与外电路连接。值得关注的是，第一级并联组(处于芯片中央)各个单胞之间的间距最大，第二级并联组以及包围在第一并联组周围的其余八个并联组各个单胞之间距离略小于第一并联组，以此类推，每多一圈并联组，单胞间距减小一次，在最外围的第m级并联组单胞间距最小。由于芯片中央为热集中区域，所以该设计减小芯片中央热源(即有源区)面积来改善热分布集中。图中，N₁系第一级并联组，N₂系第二级并联组，N_m系第m级并联组。

最后应说明的是，以上实施方案仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述方案所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明装置方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种平衡热场分布的超大功率光电器件，包括光电器件芯片，所述芯片的外延层包括彼此隔离的复数个单胞，该复数个单胞相互串联或并联，其特征在于，该复数个单胞中的至少两个单胞相互并联形成至少一个单胞组，并且该至少一个单胞组还与该复数个单胞中其余的一个以上单胞和/或一个以上单胞组串联，其中，每一单胞组内的所有单胞均排布在一个矩形区域内，所述矩形区域的相对较短边与相对较长边的比值大于0.5，但小于或等于1，

而且，沿从芯片边缘部指向芯片中心的方向，相邻单胞之间的间距递增。

2.根据权利要求1所述的平衡热场分布的超大功率光电器件，其特征在于，所述芯片包括依次串联的复数个单胞组，每一单胞组包括两个以上并联设置的单胞。

3.根据权利要求2所述的平衡热场分布的超大功率光电器件，其特征在于，该复数个单胞组沿设定的螺旋线形轨迹依次串联。

4.根据权利要求1或2所述的平衡热场分布的超大功率光电器件，其特征在于，每一单胞组内的每一单胞的正、负极均与该单胞组的正、负极互联金属电连接。

5.根据权利要求2所述的平衡热场分布的超大功率光电器件，其特征在于，任一单胞组的正、负极互联金属还均与相邻单胞组的负、正极互联金属电连接。

6.根据权利要求2所述的平衡热场分布的超大功率光电器件，其特征在于，位于最上游的单胞组的正极互联金属和最下游的单胞组的负极互联金属还分别与芯片的阳极压焊区和阴极压焊区电连接，或者，位于最上游的单胞组的负极互联金属和最下游的单胞组的正极互联金属还分别与芯片的阴极压焊区和阳极压焊区电连接。

7.根据权利要求2所述的平衡热场分布的超大功率光电器件，其特征在于，它还包含转移基片，所述芯片通过倒装焊形式与转移基片结合。

8.根据权利要求7所述的平衡热场分布的超大功率光电器件，其特征在于，所述转移基片上分布有复数个互联金属组，每一单胞组的正、负极互联金属分别与转移基片上对应互联金属组内的正、负互联金属电连接，并且，每一互联金属组内的正、负互联金属还分别与相邻互联金属组内的负极、正极互联金属电连接，

而位于最上游的互联金属组内的正极互联金属和最下游的互联金属组内的负极互联金属还分别与芯片的阳极压焊区和阴极压焊区电连接，或者，位于最上游的互联金属组内的负极互联金属和最下游的互联金属组内的正极互联金属还分别与芯片的阴极压焊区和阳极压焊区电连接。

9.根据权利要求1所述的平衡热场分布的超大功率光电器件，其特征在于，该复数个单胞中，相邻单胞的间距在1μm-10μm。

10.根据权利要求2所述的平衡热场分布的超大功率光电器件，其特征在于，该复数个单胞组排布在一个矩形区域内，所述矩形区域的相对较短边与相对较长边的比值大于0.5，但小于或等于1。