CN104994634A - 一种ac-led集成芯片 - Google Patents

Abstract

一种AC-LED集成芯片，包括：衬底、LED芯片、散热金属柱、金属电极和桥式整流电路；其特征在于，所述的LED芯片与衬底利用共晶金属通过倒装焊工艺集成在一起，每个LED芯片的p接触电极则通过散热金属柱与衬底实现散热连接；所述的桥式整流电路的输入端通过金属电极外接交流电源，其输出端与所述LED芯片实现电连接。本发明具有硅基肖特基二极管性能稳定以及芯片单位面积发光效率高等优点，实现了LED芯片在高压交流条件下的使用，更有利于LED照明在家用领域的普及应用。

Description

一种AC-LED集成芯片

技术领域

本发明涉及LED照明领域，特别是一种可以用于照明的能够直接利用市电驱动的AC-LED集成芯片。

背景技术

LED光源作为绿色、节能、省电、长寿命的第四代照明灯具正在迅速发展。现有的LED光源需要在低电压(V_F＝2V-3.6V)、大电流(I_F＝200mA-1500mA)的条件下才能正常发光，因此必须提供合适的直流电。而日常生活中采用的市电是交流电，就无法直接为LED光源供电，必须首先通过外加的电源控制部分将交流电AC转换成直流电DC，并将高压转换成低压才可以驱动LED芯片的正常工作。而这样就会带来体积大、成本高、组装麻烦等一系列问题，又因为使用了电解电容，使得LED的寿命下降，严重影响了LED照明在家用领域的普及应用。

因此，如果可以用交流电直接驱动LED光源发光的话，就会使整个结构得以简化，非常有利于LED光源的普及应用。

目前有关交流LED(AC LED)的实现一般有三种方法：

一是在芯片中集成两组串联的LED晶粒阵列并将其正、负方向连接到交流电源使其工作，在每个交流周期内，两组LED阵列轮流发光，该方法制作简单，但是芯片的利用率较低。

二是将一系列LED微小晶粒采用交错的阵列式排列工艺分为五串，这五串LED晶粒组成了一个整流桥，在整流桥的两端接交流电源，这样在芯片工作过程中，四个桥壁上的LED晶粒轮流发光，而中间壁上的晶粒则会一直发光，该方法虽然芯片的利用率有所提升，但是桥壁上的LED晶粒需要不断承受高反向电压，从而影响芯片的寿命。

三是是通过一个由二极管组成的桥式整流电路，使得与桥式整理电路串联的LED能够在交流电的正负周期内均可发光，芯片的利用率得以提高。

另外，为了提高LED的发光效率和增加散热，通常采用倒装焊技术实现LED芯片和基板的集成。而给LED芯片提供直流电的整流二极管电路是直接集成在GaN外延层中的，通过在外延层中的n-GaN和u-GaN来制备肖特基二极管，从而形成整流桥式电路，然后通过倒装键合来实现LED芯片与基板的集成。此时整个基板只是起到电路连接和散热的作用，整个整流电路是集成在LED芯片中的。这种结构的芯片集成度较高，且整流电路和发光芯片之间的连接也更快速，但是该结构也有自身的缺点，主要体现在两个方面：一是在GaN外延层中制备肖特基二极管的工艺不成熟，制得的器件性能不稳定，这不利于今后的大规模生产；二是在GaN表面制备整流电路时消耗了一部分的芯片面积(约占总芯片面积的1/13)，而这部分面积是不发光，所以减少了芯片的有效发光面积，降低了单位面积的发光效率。

发明内容

本发明的目的在于设计一种AC-LED集成芯片，解决现有AC-LED芯片中出现的肖特基二极管性能不稳定，以及芯片单位面积发光效率低等问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：

一种AC-LED集成芯片，包括：衬底、LED芯片、散热金属柱、金属电极和桥式整流电路；其中，所述的LED芯片与衬底利用共晶金属通过倒装焊工艺集成在一起，每个LED芯片的p接触电极则通过散热金属柱与衬底实现散热连接；所述的桥式整流电路的输入端通过金属电极外接交流电源，其输出端与所述LED芯片实现电连接。

优选的，所述的衬底为绝缘体上硅SOI衬底。

所述的桥式整流电路由若干肖特基二极管组成。

所述的LED芯片为氮化镓高压LED芯片组，由若干LED芯片依次串联连接而成。

在具体使用过程中，频率为50Hz的市电交流电经过桥式整流电路整流后，直接给LED芯片供电，驱动LED芯片发光，实现了LED芯片在高压交流条件下的应用。

所述的衬底为绝缘体上硅SOI衬底，其起到散热的作用，且衬底上的氧化膜可以保证其上集成的每个二极管器件之间以及每个散热金属柱之间的良好隔离。

本发明AC-LED集成芯片将整流电路集成到硅衬底上，使得整流电路的性能更加稳定，且与之前的AC-LED芯片相比，整个芯片面积都可以用来发光，增加了单位面积的发光效率。另外，通过在硅衬底上集成其他的控制电路，如PMW调光电路，ESD保护电路等，可以更有效地降低整个LED光源的体积，更加方便使用和安装。

附图说明

图1为本发明AC-LED集成芯片实施例的结构示意图；

图2为本发明AC-LED集成芯片实施例中LED芯片和桥式整流电路的电路原理图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做进一步的详细描述。

参见图1，本发明的一种AC-LED集成芯片，包括：衬底1、LED芯片2、散热金属柱3、金属电极4和桥式整流电路5；其中，所述的LED芯片2与衬底1利用共晶金属通过倒装焊工艺集成在一起，每个LED芯片的p接触电极则通过散热金属柱3与衬底1实现散热连接；所述的桥式整流电路5的输入端通过金属电极4外接交流电源，其输出端与所述LED芯片1实现电连接。

在本实施例中，所述的衬底1为绝缘体上硅SOI衬底，其上的单晶硅层中集成着由肖特基二极管组成的桥式整流电路5。

所述的LED芯片2为氮化镓高压LED芯片组，由若干LED芯片的n电极与相邻LED芯片的p电极依次串联连接而成。

所述的衬底1与LED芯片2利用共晶金属通过倒装焊的工艺集成在一起，共晶金属能够在相对较低的温度下直接从固态变为液态，从而实现衬底和芯片的快速融合集成。

另外，每个LED发光芯片的p接触电极则通过散热金属柱3与衬底1实现散热连接，LED芯片的发光区即有源区产生的热量能够通过散热金属柱3和导热基板快速地传递出去，从而提高了LED芯片的寿命和可靠性。

参见图2，本发明桥式整流电路5由肖特基二极管SBD组成，并与和LED芯片串联实现的。所述的桥式整流电路5由D1、D2、D3、D4四个肖特基二极管组成；其中，结点a、d通过金属电极4引出，外接交流电源，而结点b、c则与LED芯片2的正负两极实现电气连接。

在连接市电时，在交流电的正半周期内，二极管D1、D4工作，在负半周期内，二极管D2、D3工作，因此使得无论是正半周期还是负半周期，LED串联芯片均可以发光，且由于桥式整流电路5的存在，能够将50Hz的交流电转换为100Hz的脉冲直流电，而人的眼睛在75Hz时基本上就感觉不到频闪，因此可以实现较好的护眼效果。

在具体使用过程中，频率为50Hz的交流电经过桥式整流电路后，转换为100Hz的脉冲直流电，直接给LED芯片供电，驱动LED芯片发光，实现了LED芯片在高压交流条件下的应用。

另外，由于本发明衬底采用了绝缘体上硅SOI衬底，这样衬底上的氧化层就能够保证其上集成的每个二极管器件之间以及每个散热金属柱之间的良好隔离；而且通过在衬底上集成其他的控制电路，如PMW调光电路，ESD保护电路等，可以更有效地降低整个LED光源的体积，更加方便使用和安装。

Claims (4)

1.一种AC-LED集成芯片，包括：衬底、LED芯片、散热金属柱、金属电极和桥式整流电路；其特征在于，所述的LED芯片与衬底利用共晶金属通过倒装焊工艺集成在一起，每个LED芯片的p接触电极则通过散热金属柱与衬底实现散热连接；所述的桥式整流电路的输入端通过金属电极外接交流电源，其输出端与所述LED芯片实现电连接。

2.如权利要求1所述的AC-LED集成芯片，其特征在于，所述的衬底为绝缘体上硅SOI衬底。

3.如权利要求1所述的AC-LED集成芯片，其特征在于，所述的桥式整流电路由若干肖特基二极管组成。

4.如权利要求1所述的AC-LED集成芯片，其特征在于，所述的LED芯片为氮化镓高压LED芯片组，由若干LED芯片依次串联连接而成。