CN104766915B - 一种集成传感单元的led器件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种集成传感单元的LED器件，在芯片上包含LED发光区域，以及传感单元；该传感单元为发光区域以外独立PN结的二极管；通过检测传感单元一定正向电流下的电压大小来监测该LED器件的结温，或通过检测传感单元一定反向电压下的电流大小来实时监测整个LED器件的亮度。本发明还涉及一种集成传感单元的LED芯片制造方法。本发明的LED提供了集成在芯片上的传感单元，可以通过对传感单元的电压和电流等参数简单测量，准确地实时反映出LED器件的结温、亮度信息，从而实现对LED的工作状态的实时监控和调整，以及根据其全生命周期历史工作状态预报其剩余寿命，实现LED器件的智能化。
Description
技术领域
本发明涉及一种发光器件和制作方法，尤其是涉及一种集成传感单元的LED发光器件及其制造方法。
背景技术
发光二极管(LED)具有节能、寿命长、响应速度快、体积小、无污染、易集成等优点，近年来性能持续提升，价格持续下降，正逐步取代传统光源成为新一代照明光源。LED由于其优良的性能，以及在节能减排、环境友好上的优势，和潜在的巨大市场，受到各国政府与产业界的高度重视，半导体照明更是成为重要的战略新兴产业。
半导体照明的发展，在进一步降低成本和提升光品质的基础上，将会朝着更高的可靠性以及智能化等方向发展，从而提升产品的附加值。
提升LED的可靠性，最重要的是控制LED的结温。当芯片设计不良、或者封装的散热设计不良、或者灯具的散热设计不良、或者灯具的使用环境温度过高时，都可能导致LED的结温升高，从而影响LED的性能和寿命。
要实现半导体照明的智能化，一个重要的因素和途径是对LED的结温以及亮度的自我监测，从而有效地监控LED的工作环境以及状态，并根据检测结果和需求进行智能化调整或反馈。
因此，从提高LED的可靠性以及实现半导体照明的智能化来讲，都需要对LED的结温以及亮度的状态有一个有效的监控。
另外，一个LED灯具一般是由一路或多路LED阵列组成，如出现故障那么则会发生局部短路和局部断路，短路会造成电路过载缩短系统寿命，断路则会造成局部不发光。如果能够对LED的结温以及亮度有一个有效的实时的监控，则可以及时和准确地发现问题，及时、有效和方便地进行维护，节省诊断时间、避免局部问题影响到整个系统降低故障时期的无效电能消耗和降低维护成本。
可见，由于LED性能与寿命直接决定于结温，因此实时准确监控结温对LED的智能控制、实时保护和寿命预测十分重要。现有技术一般采用测量封装或者灯具中特定位置的温度来反馈LED的工作温度，受封装或者灯具工艺波动性的影响，尤其是在封装或者灯具的散热设计或者工艺出现问题的情况下，芯片工作温度过高不能够准确反映在封装或者灯具中的测试点上。由于热传输需要一定的时间，芯片工作温度也不能实时反映在封装或者灯具中的测试点上。
发明内容
本发明目的是，为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了集成传感单元的LED器件。同时，本发明还提供了所述集成传感单元的LED器件的制造方法。通过实时准确监控结温对LED的智能控制、实时保护和寿命预测。
本发明的技术方案：一种集成传感单元的LED器件，在芯片上包含LED发光区域；以及独立的PN结作为传感单元。可以通过监测传感单元在一定正向电流下的电压大小来监测该LED器件的结温，通过监测传感单元在一定反向电压下的电流大小来监测整个LED器件的亮度。
所述的集成传感单元的LED器件的芯片结构为正装芯片，倒装芯片，或者垂直结构芯片。
所述集成传感单元的LED器件的LED发光区域可以为一个整体，也可以为多个LED发光单元串联、并联或混联而成。
所述集成传感单元的LED器件的传感单元PN结的第一电极可以与发光区域LED单元共用或者为独立电极，第二电极为独立电极。
所述集成传感单元的LED器件的封装形式包含至少三个引出电极，可以通过其中至少两个电极对器件中的传感单元独立进行电流电压输入和输出及测量。
进一步，所述集成传感单元的LED器件的控制电路中，LED及传感单元的参数可以预先测试确定并储存于控制单元中，LED的全生命周期的结温和亮度数据可以通过传感单元定期测量并发送至控制单元，实现对LED的工作状态的实时监控和调整，以及根据其全生命周期历史工作状态预报其剩余寿命。
一种集成传感单元的LED器件制作方法，其特征在于：包含如下步骤：
步骤S1：在外延层表面通过刻蚀，将器件表面分隔成LED单元和传感单元，传感单元面积小于LED单元；LED单元和传感单元的有源层完全分开；
步骤S2：在LED单元和传感单元同步形成P电极和N电极。
本发明的有益效果是：在芯片级提供了LED的原位实时结温自检测功能。由于用于制造LED的PN结本身具有良好的温度和环境光敏感性，LED本身可以作为良好的结温和亮度检测传感器。在本发明中，由于传感单元与发光单元在同一半导体芯片上，在极短的时间内传感单元与发光单元的温度达到平衡。当芯片设计优劣与芯片工艺控制是否良好、或者封装的散热设计优劣、或者灯具的散热设计优劣、或者灯具的使用环境温度正常或过高，都可以通过对集成的传感单元的快速测量得到实时反馈。同时，LED模块在使用过程中的实时亮度，尤其是亮度方面故障，也可以通过对集成的传感单元的快速测量得到实时监控。而且由于本发明的传感单元只参与检测不处在持续发光工作的状态，其作为结温和亮度传感的工作稳定性也非常高。
与现有的封装或者灯具上设置传感原位测量LED工作温度的技术相比，本发明的结温自检测方法具有实时准确监控的优势。
与现有的芯片级自检测技术相比，本发明的制造方法可以沿用现有LED制造工艺步骤，不引入额外工艺步骤，只需要改变芯片版图设计，具有制作工艺简单、成本低、良率高的优势。
同时，与现有技术相比，本发明的有益效果还在于在芯片级提供了LED的原位实时亮度自检测功能。LED在工作过程中会有一定比例的光不能从封装取出，在器件内部多次反射。本发明的传感单元通过探测芯片内部的光强度，从而准确知道LED的发光亮度。
同时，如果将该集成传感单元的LED器件的LED单元及传感单元的参数预先测试确定并储存于外接电路的控制单元中，LED的全生命周期的结温和亮度数据可以通过传感单元定期测量并发送至控制单元，实现对LED的工作状态的实时监控和调整，以及根据其全生命周期历史工作状态预报其剩余寿命。
附图说明
图1a-图1c是本发明集成传感单元的LED芯片的等效电路图。图1a，图1b及图1c对应了三种结构的电路图。
图2是本发明集成传感单元的LED器件的智能控制工作原理框图。
图3是本发明实施例一的芯片俯视图。
图4是本发明实施例一的芯片的剖面图。
图5是本发明实施例一芯片的SMD封装俯视示意图。
图6是本发明实施例二的芯片俯视图。
图7是本发明实施例二芯片的COB封装俯视示意图。
图8是本发明实施例三倒装结构器件的芯片剖面图。
图9是本发明实施例三倒装结构器件的芯片仰视图。
图10是本发明实施例三倒装结构器件的基板俯视图。
图11是本发明实施例四垂直结构芯片俯视图。
图12是本发明实施例四垂直结构芯片剖面图。
图13是本发明实施例五的正装高压LED芯片剖面结构示意图。
图14是本发明实施例六的正装高压LED芯片剖面结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明。
请参阅图1a，图1b及图1c，其是本发明集成传感单元的LED芯片1001的等效电路图。如图1a所示，该芯片1001内部包含LED单元1002和传感器单元1003。LED单元1002至少包含一个子单元，也可以由多个LED子单元串联、并联或者混联组成。1004和1005为LED发光单元1002的正极和负极。传感单元1003为一个占芯片面积较小的一个PN结，1006和1007分别为其正极和负极。
如图1b所示，其中传感单元1003的一个极亦可以与LED单元1002的其中至少一个子单元的同一极性的电极连通。
如图1c所示，传感单元1003的一个极亦可以与LED单元1002的共用同一极性的电极，此时整个器件可以减少一个外接电极。如图1c中电极1005既是LED单元1002的负极，也是传感单元1003的负极。
请参阅图2，其是本发明集成传感单元的LED器件与具有智能控制功能的驱动控制电路2008连接时的工作原理框图。驱动控制电路2008由4部分组成，包括输入输出接口2009，控制电路2010，驱动电路2011，和检测电路2012。通过输入输出接口2009，可进行光需求的设置和调整，驱动电路参数设置，LED参数设置，传感二极管参数设置，寿命模型设置等。控制电路2010则根据外界输入的设置和检测电路2012的反馈，对驱动电路2011进行控制，驱动电路2011按照控制电路2010的设定为LED单元1002提供驱动电流。同时，控制电路2010可将检测电路反馈的结温亮度等信息通过输入输出接口2009对外输出及显示等。进一步地，控制电路2010也可根据内置预设的计算方法调整LED器件的剩余寿命并通过输入输出接口2009对外输出及显示。
以下通过多个实施例说明集成传感单元的LED器件的结构及其制作方法。
实施例一：
请参阅图3，其是本发明集成传感单元的LED器件的实施例一的芯片俯视图。该芯片为正装结构芯片，包含一个LED单元和一个传感二极管单元。共三个供焊线的电极，其中3004为LED单元第一电极，3006为传感单元第一电极，LED单元和传感单元共用第二电极3005。通过刻蚀形成台阶，第一极性层3019及有源层3018分隔为两个部分，分别对应LED区域3014和传感单元区域3015，台阶底部为第二极性层表面3013。
请同时参阅图4，其是图3所示芯片沿A-A’方向的剖面图。该芯片的结构由下往上依次为：衬底3016，外延层(包括第二极性层3017，有源层3018，第一极性层3019)，形成于第二极性层表面3013上的第二电极层3005，第一极性层3019上的透明导电层3020，LED单元和传感单元的第一电极3004和3006，覆盖在非电极区域表面的钝化层3021。
本实施例的集成传感单元的LED芯片的制作方法，包含如下步骤：
步骤S1：在外延层表面通过刻蚀，露出第二极性层，同时将器件表面分隔成LED单元和传感单元；一般地，传感单元面积小于LED单元；
步骤S2：在LED单元和传感单元同步形成P电极和N电极，表面钝化。
该LED器件的制造方法的步骤与现有正装LED器件的步骤完全一致，仅版图设计不同。
请参阅图5，其是本发明集成传感单元的LED器件的实施例一的芯片的SMD封装俯视示意图。其中芯片5001，焊线5022，引线框架内引脚5023被覆盖在封装材料5025(塑料、硅胶、混合荧光粉的硅胶等)之内，用虚线表示。外引脚5024的其中3个分别连接芯片的LED第一电极、传感单元第一电极、公共第二电极。
实施例二：
请参阅图6，其是本发明集成传感单元的LED器件的实施例二的芯片俯视图。该芯片为正装结构芯片，包含一个LED单元和一个传感二极管单元。共4个供焊线的电极，包括LED单元第一电极6004，LED单元第二电极6005，传感单元第一电极6006，传感单元第二电极6007。
与实施例一同样，通过对半导体材料刻蚀形成台阶。台阶上表面为半导体第一极性层表面。第一极性层表面台阶分隔为LED区域6014和传感单元区域6015，第一极性层上面设置有透明导电层和LED第一电极6004和传感单元第一电极6006。台阶底部为半导体第二极性层表面6013，上面设置有LED第二电极6005和传感单元第二电极6007。
本实施例与实施例一的区别在于：LED单元和传感单元采用了独立的第二电极，方便在封装应用中电路连接更加灵活方便。
请参阅图7，其是本发明集成传感单元的LED器件的实施例二的芯片用于的COB封装俯视示意图。基板7026上设置有围坝7027。围坝内设置有固晶区7028。多颗常规正装LED芯片7029及至少一颗本发明集成传感单元的LED芯片7001通过固晶胶粘结在固晶区7028内。围坝7027与固晶区7028之间设置有内部焊线区7030和7031。第一个LED芯片的第一电极与焊线区7030之间通过焊线实现电连接。最后一个LED芯片的第二电极与焊线区7031之间通过焊线7022实现电连接。各LED芯片正负电极之间也通过焊线连接实现串并联关系。集成传感单元的LED芯片7001的LED单元正负电极参与这种串并联关系。在固晶区7028内集成传感的芯片7001附近设置有两个小面积的内部焊线区7032和7033。传感单元的第一电极与焊线区7032之间通过焊线实现电连接。传感单元的第二电极与焊线区7033之间也通过焊线实现电连接。围坝外设置有4个外部焊线区，分别为LED第一电极外部焊线区7034，LED第二电极外部焊线区7035，传感单元第一电极外部焊线区7036，传感单元第二电极外部焊线区7037。内部焊线区7030与外部焊线区7034通过基板内部的布线实现电性连接。同样地，内部焊线区7031与外部焊线区7035之间，内部焊线区7032与外部焊线区7036之间，内部焊线区7033与外部焊线区7037之间，通过基板内部的布线实现电性连接。该COB封装与外部电路的连接通过外部焊盘7034、7035、7036、7037上焊接电线或者金属弹片接触等方式实现电连接。
在基板上整个围坝区内，芯片上方还覆盖有混合荧光粉的硅胶等，从而实现光色的转换以及更好的光提取、配光等功能。
实施例三：
请参阅图8，其是本发明集成传感单元的LED器件的实施例三的器件芯片部分沿特定路径的剖面示意图。该芯片结构为倒装芯片。请同时参阅图9，其是该倒装芯片的仰视图。请同时参阅图10，其是倒装基板的俯视图。图8为沿芯片和基板A-B-C路径的剖面图。芯片部分的结构自上往下依次为：衬底8016,外延层(包括第二极性层8017，有源层8018，第一极性层8019)，第二极性层表面的欧姆接触电极8038，第一极性层8019表面的高反射欧姆接触层8039，以及凸点下金属层8040。在凸点下金属8040以外的区域覆盖有钝化层8021。基板部分的结构自下而上依次为：基板衬底8043，金属布线层8042，凸点层8041。通过倒装焊工艺将芯片与基板经凸点焊接起来，即成为图8的结构。
请参阅图9,其是该倒装芯片的仰视图。芯片被通过刻蚀形成刻蚀孔，露出第二极性层。传感单元的PN结区域位于芯片的中心，被一个环形刻蚀孔8044包围，与LED单元相分离。芯片LED区域上有4个圆形刻蚀孔8013，其上形成第二极性层表面的欧姆接触电极8038和其上的凸点下金属。在LED单元区域和传感单元区域第一极性层表面上结构依次为高反射欧姆接触层8039，以及凸点下金属层8040。
请参阅图10，其是倒装基板的俯视图。通过凸点层8041实现芯片与基板上金属布线层8042的连接。而通过金属布线层的版图设计，实现需要的电性连接与隔离。在本实施例中，通过金属布线，实现了LED单元第一电极8004，传感单元第一电极8006，以及LED单元与传感单元共用的第二电极8005。
本实施例的基板上亦可设计导电通孔，在基板底面设置LED与传感单元的电极。该电极通过通孔实现与对应金属布线的电连接。
本实施例的基板和芯片上方亦可涂覆荧光粉及覆盖硅胶，形成透镜的，实现需要的光色转换和配光。
本实施例的集成传感单元的LED芯片的制作方法，包含如下步骤：
步骤S1：在外延层表面通过刻蚀，露出第二极性层，同时将器件表面分隔成LED单元和传感单元；一般地，传感单元面积小于LED单元；
步骤S2：在LED单元和传感单元同步形成P电极和N电极，表面钝化；
步骤S3:在基板上布线和形成凸点；
步骤S4:将芯片和凸点倒装焊接，切割形成单个器件。
该LED器件的制造方法的步骤与现有倒装LED器件的步骤完全一致，仅版图设计不同。以上步骤仅为说明实现过程，部分工艺顺序做调整，不影响工艺实现；同时，在这些工艺基础上，可以增加更多的工艺内容，如在基板上实现封装工艺等。
实施例四：
请参阅图11，其是本发明集成传感单元的LED器件的实施例四的芯片俯视图。该芯片为垂直结构芯片，包含一个LED单元和一个传感二极管单元。芯片上表面共二个供焊线的电极，其中11004为LED单元第一电极，11006为传感单元第一电极。通过刻蚀形成一个环形的刻蚀孔11013，第一极性层11019及有源层11018分隔为两个部分，分别对应LED区域11014和传感单元区域11015，刻蚀孔底部为第二极性层表面11013。LED单元与传感单元的第二电极共琨，形成在芯片的背面上。
请同时参阅图12，其是图11所示芯片沿A-A’方向的剖面图。该芯片的结构由下往上依次为：共用第二电极11005，导电衬底11016，外延层(包括第二极性层11017，有源层11018，第一极性层11019)，第一极性层11019上的透明导电层11020，LED单元和传感单元的第一电极11004和11006，覆盖在非电极区域表面的钝化层11021。
该LED器件的制造方法包含如下步骤：
(1)在外延层表面通过刻蚀，将器件表面分隔成LED单元和传感单元，传感单元面积小于LED单元；LED单元和传感单元的有源层完全分开；
(2)形成上下电极；形成钝化层。
该LED器件的制造方法的步骤与现有垂直结构LED器件的步骤相比，在工艺最初增加了一步刻蚀工艺，通过该工艺形成刻蚀孔11013，后续工艺步骤与现有垂直结构LED器件制造工艺完全一致，差别仅在于版图不同。
实施例五：
请参阅图13，其是本发明集成传感单元的LED器件的实施例五的芯片剖面结构示意图。该芯片为正装结构高压芯片，包含多个串联的LED子单元和一个集成在尾端的LED子单元上的传感二极管单元。
该芯片的结构由下往上依次为：衬底13016，外延层(包括第二极性层13017，有源层13018，第一极性层13019)，形成于第二极性层表面上的第二电极层13005，第一极性层13019上的透明导电层13020，LED单元组和传感单元的第一电极13004和13006，覆盖在非电极区域表面的钝化层13021。该器件共三个供焊线的电极：其中13004为LED单元组的第一电极，即第一个LED单元的第一电极；13006为传感单元第一电极；13005是LED单元组的第二电极，即最后一个LED单元的第二电极，也是传感单元第二电极。在本实施例中，传感单元集成在最后一个LED子单元上。
该LED器件的制造方法的步骤具体如下：
步骤S1：在外延片上通过光刻等工艺形成掩膜，利用掩膜将外延层刻蚀，形成延伸到衬底的沟道13045，去掩膜层。通过沟道的隔离，形成各LED子单元。
步骤S2：通过第二次掩膜刻蚀，使各子单元上刻蚀区底部露出第二极性层。在各子单元完成P、N区的欧姆接触和电极等工艺，包括透明导电层、接触孔、焊盘等形成。
步骤S3：在器件表面钝化，结合光刻腐蚀工艺，使各子单元侧壁受到钝化保护，仅露出需要电连接的金属部分。
步骤S4：通过光刻和金属化工艺形成跨沟道的金属连线13046，使各LED子单元实现串联连接。
以上步骤仅为说明实现过程，部分工艺顺序做调整不影响工艺实现。该LED器件的制造方法的步骤与现有正装高压LED器件的步骤完全一致，仅版图设计不同。
进一步地，结合实施例三的制造方法，实施例五同样的器件功能也可以用倒装芯片结构来实现。在倒装结构芯片中，各子单元之间的串并联关系还可以通过基板上的布线来实现。该倒装结构LED器件的制造方法的步骤与现有倒装高压LED器件的步骤完全一致，仅版图设计不同。
实施例六：
请参阅图14，其是本发明集成传感单元的LED器件的实施例六的芯片剖面结构示意图。该芯片为正装结构高压芯片，包含多个串联的LED子单元和一个完全独立的传感二极管单元。
该芯片的结构由下往上依次为：衬底14016，外延层(包括第二极性层14017，有源层14018，第一极性层14019)，形成于第二极性层表面上的第二电极层14005，第一极性层14019上的透明导电层14020，LED单元组和传感单元的第一电极14004和14006，覆盖在非电极区域表面的钝化层14021。该器件共四个供焊线的电极：其中14004为LED单元组的第一电极，即第一个LED单元的第一电极；14005是LED单元组的第二电极，即最后一个LED单元的第二电极；14006为传感单元第一电极；14007为传感单元第二电极。在本实施例中，传感单元与所有LED子单元完全隔离。
其制造方法的步骤与实施例五完全相同。唯一不同在于版图设计上传感单元与其他LED子单元完全隔离。
进一步地，结合实施例三的制造方法，实施例六同样的器件功能也可以用倒装芯片结构来实现。在倒装结构芯片中，各子单元之间的串并联关系还可以通过基板上的布线来实现。
Claims (7)
1.一种集成传感单元的LED器件，其特征在于：在芯片上包含LED发光区域，以及传感单元；该传感单元为发光区域以外独立PN结的二极管，其中，作为传感单元的PN结的第一电极与第二电极都为独立电极，不与发光区域任何子单元共用电极；且所述集成传感单元的LED器件的封装形式包含至少四个引出电极，通过其中至少两个电极对器件中的传感单元独立进行电流电压输入和输出及测量；通过检测传感单元一定正向电流下的电压大小来监测该LED器件的结温，或通过检测传感单元一定反向电压下的电流大小来实时监测整个LED器件的亮度。
2.根据权利要求1所述的集成传感单元的LED器件，其特征在于：所述LED器件芯片结构为正装芯片。
3.根据权利要求1所述的集成传感单元的LED器件，其特征在于：所述LED器件芯片结构为倒装芯片。
4.根据权利要求1所述的集成传感单元的LED器件，其特征在于：所述LED器件芯片结构为垂直结构芯片。
5.根据权利要求2或3所述的集成传感单元的LED器件，其特征在于：其中LED发光区域为多个LED发光单元串联、并联或混联而成。
6.根据权利要求1、2、3或4所述的集成传感单元的LED器件的应用，其特征在于：通过检测传感单元一定正向电流下的电压大小来监测该LED器件的结温，或通过检测传感单元一定反向电压下的电流大小来实时监测整个LED器件的亮度；
LED及传感单元的参数预先测试确定并储存于外设的控制单元中，LED的全生命周期的结温和亮度数据通过传感单元测量并发送至控制单元，实现对LED的工作状态的实时监控和调整，以及根据其全生命周期历史工作状态预报其剩余寿命。
7.权利要求1-5中任一项所述的集成传感单元的LED器件的制作方法，其特征在于：包含如下步骤：
步骤S1：在外延层表面通过刻蚀，将器件表面分隔成LED单元和传感单元，传感单元面积小于LED单元；LED单元和传感单元的有源层完全分开；
步骤S2：在LED单元和传感单元同步形成P电极和N电极；
其中，所述LED单元包括LED发光区域，该传感单元为发光区域以外独立PN结的二极管，其中，作为传感单元的PN结的第一电极与第二电极都为独立电极，不与发光区域任何子单元共用电极；且所述集成传感单元的LED器件的封装形式包含至少四个引出电极，通过其中至少两个电极对器件中的传感单元独立进行电流电压输入和输出及测量；通过检测传感单元一定正向电流下的电压大小来监测该LED器件的结温，或通过检测传感单元一定反向电压下的电流大小来实时监测整个LED器件的亮度。
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