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LED照明市場(chǎng)當(dāng)中，大家談得最多的會(huì)是AC-LED和DC-LED。然而從HV LED的概念出現(xiàn)時(shí)，除晶元光電外，國際大廠CREE、Nichia和飛利浦Lumileds也都推出了HV LED，國內(nèi)廠商晶科、迪源也都貼有各自企業(yè)標(biāo)志的HV LED產(chǎn)品。那么HV LED有哪些獨(dú)特魅力讓LED巨頭廠商爭(zhēng)相生產(chǎn)呢？本文為大家揭開HV LED的神秘面紗。
最近幾年由于技術(shù)及效率的進(jìn)步，LED的應(yīng)用越來越廣；隨著LED應(yīng)用的升級(jí)，市場(chǎng)對(duì)于LED的需求，也朝更大功率及更高亮度，也就是通稱的高功率LED 方向發(fā)展。
對(duì)于高功率LED的設(shè)計(jì)，目前各大廠多以大尺寸單顆低壓DC LED為主，做法有二，一為傳統(tǒng)水平結(jié)構(gòu)，另一則為垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)。就第一種做法而言，其制程和一般小尺寸晶粒幾乎相同，換句話說，兩者的剖面結(jié)構(gòu)是一樣 的，但有別于小尺寸晶粒，高功率LED常常需要操作在大電流之下，一點(diǎn)點(diǎn)不平衡的P、N電極設(shè)計(jì)，都會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的電流叢聚效應(yīng)(Current crowding)，其結(jié)果除了使得LED晶片達(dá)不到設(shè)計(jì)所需的亮度外，也會(huì)損害晶片的可靠度(Reliability)。
當(dāng)然，對(duì)上游晶片制造者／晶片廠而言，此作法制程相容性(Compatibility)高，無需再添購新式或特殊機(jī)臺(tái)，另一方面，對(duì)于下游系統(tǒng)廠而言，週邊的搭配，如電源方面的設(shè)計(jì)等等，差異并不大。但如前所述，在大尺寸LED上要將電流均勻擴(kuò)散并不是件容易的事，尺寸愈大愈困難；同時(shí)，由于幾何效應(yīng)的關(guān)系，大尺寸LED的光萃取效率往往較小尺寸的低。
 圖1：低壓二極體、交流二極體及高壓二極體驅(qū)動(dòng)方式的差異。
第2種做法較第1種復(fù)雜許多，由于目前商品化的藍(lán)光LED幾乎都是成長于藍(lán)寶石基板之上，要改為垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，必須先和導(dǎo)電性基板做接合之后，再將不導(dǎo)電 的藍(lán)寶石基板予以移除，之后再完成后續(xù)製程；就電流分布而言，由于在垂直結(jié)構(gòu)中，較不需要考慮橫向傳導(dǎo)，因此電流均勻度較傳統(tǒng)水準(zhǔn)結(jié)構(gòu)為佳；除此之外，就基本的物理塬理而言，導(dǎo)電性良好的物質(zhì)也具有高導(dǎo)熱的特質(zhì)，藉由置換基板，我們同時(shí)也改善了散熱，降低了接面溫度，如此一來便間接提高了發(fā)光效率。但此種 做法最大的缺點(diǎn)在于，由于製程復(fù)雜度提高，導(dǎo)致良率較傳統(tǒng)水平結(jié)構(gòu)低，制作成本高出不少。
交流LED與直流高壓LED比較
1、交流LED
單晶粒LED發(fā)光芯片驅(qū)動(dòng)電壓在4V以內(nèi)，無論多高的驅(qū)動(dòng)電壓都可以串聯(lián)，獲得到合適的驅(qū)動(dòng)電壓。這點(diǎn)是其它光源不可比擬的優(yōu)勢(shì)。CFL需要復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)電 路，LED可以通過串接符合與市電等不同的電壓的阻抗匹配。白熾燈鎢絲長度和直徑，決定球泡電阻阻抗，去符合不同的驅(qū)動(dòng)電壓。LED采用不同的串接數(shù)量也 是同樣的道理，雖然LED不是純阻性負(fù)載。今天我們不討論LED怎樣驅(qū)動(dòng)最合適，重點(diǎn)分析AC與DC驅(qū)動(dòng)對(duì)市場(chǎng)的可行性。
交流LED是上百顆單晶粒LED在晶圓級(jí)串接而成，可以在市電交流高電壓下自行整流點(diǎn)亮，再串接電阻或恒流源，保持在合適的驅(qū)動(dòng)功率范圍內(nèi)?；谶@種設(shè)計(jì)，早在圣誕燈串上一直有使用，移植到LED晶粒封裝是近年的事情。為了兼容各國電壓標(biāo)準(zhǔn)，要分4個(gè)部分串接而成，這樣在220V取值一半正好是110V電壓，規(guī)格上得到統(tǒng)一。交流LED理論上是正確的，可行的，市電50-60Hz單串LED分別工作在兩個(gè)正負(fù)半周，無論你怎樣設(shè)計(jì)，總體上雷同。
LED并非像白熾燈那樣是阻性負(fù)載，較小的電壓波動(dòng)會(huì)使LED亮度變化較大，更容易看到閃爍。交流LED對(duì)AC電壓穩(wěn)定度有一定的要求，因?yàn)長ED的伏安特性很陡，10%的電壓變化就會(huì)引起劇烈的電流波動(dòng)。例如正向電壓從3.3V變到3.6V，電流就從20mA增加到34mA，增加了70%之多。電流大幅上升對(duì)LED是致命的，電壓降低不會(huì)損壞LED，亮度的波動(dòng)會(huì)影響客戶體驗(yàn)度。
圖2：高壓LED燈串用DC來驅(qū)動(dòng)
我們見圖，高壓LED燈串用DC來驅(qū)動(dòng)，暫且不分析具體驅(qū)動(dòng)細(xì)節(jié)。AC用橋堆整流，這時(shí)LED利用率提升50%，而LED數(shù)量及成本也隨之降低50%。整流橋價(jià)格低廉，工藝限制集成整流橋是非常不合算的。整流橋體積不大，體積容易接受，直接采用AC設(shè)計(jì)LED不太經(jīng)濟(jì)。
2. 直流高壓LED
LED多芯片串接封裝是未來的趨勢(shì)，在串接數(shù)量和方式上要仔細(xì)考量。從上面的分析可以看出，設(shè)計(jì)AC LED成本和點(diǎn)亮效果上并不合適，不能成為主流方式，甚至可以說不具實(shí)際應(yīng)用意義。整流后的直流LED形成對(duì)交流LED強(qiáng)有力的競(jìng)爭(zhēng)，因此AC LED不能被廣泛應(yīng)用。在未來可以預(yù)見AC LED只能是一場(chǎng) “游戲”，市場(chǎng)規(guī)則決定它會(huì)除局。
既然認(rèn)為多芯片串接是趨勢(shì)，那肯定是DC驅(qū)動(dòng)方式。多芯片串接需要LED晶圓級(jí)支持，過多的金線連接光效和生產(chǎn)上都是障礙。多芯片封裝晶圓級(jí)串接再加上COB結(jié)合，是最優(yōu)化的方式。
晶圓級(jí)串接最好在10pcs以內(nèi)，再結(jié)合COB金線連接。這樣COB方式多芯片組分散式散熱，會(huì)大大降低對(duì)封裝基板的要求。散熱熱阻降低，LED結(jié)溫度因此降低。同時(shí)提高大數(shù)量的LED晶圓級(jí)串接良率。
高壓LED于低壓LED的比較
晶元光電于全球率先提出了高壓發(fā)光二極體(HV LED)作為高功率LED的解決方案；其基本架構(gòu)和AC LED相同，乃是將晶片面積分割成多個(gè)cell之后串聯(lián)而成。其特色在于，晶片能夠依照不同輸入之電壓的需求而決定其cell數(shù)量與大小等，等同于做到客制化的服務(wù)。由于可以針對(duì)每顆cell加以優(yōu)化，因此能夠得到較佳的電流分布，進(jìn)而提高發(fā)光效率。
高壓發(fā)光二極體和一般低壓二極體在技術(shù)上最主要的差異有三，第一為溝槽(Trench)。溝槽的目的在于將復(fù)數(shù)顆的晶胞獨(dú)立開來，因此其溝槽下方需要達(dá)到 絕緣的基板，其深度依不同的外延結(jié)構(gòu)而異，一般約在4~8um，溝槽寬度方面則無一定的限制，但是溝槽太寬代表著有效發(fā)光區(qū)域的減少，將影響HV LED的發(fā)光效率表現(xiàn)，因此需要開發(fā)高深寬比的製程技術(shù)，縮小製程線寬以增加發(fā)光效率。
第二為絕緣層(Isolation)，若絕緣層不具備良好的絕緣特性，將使整個(gè)設(shè)計(jì)失敗，其困難點(diǎn)在于必須在高深寬比的溝槽上披覆包覆性良好、膜質(zhì)緊密及 絕緣性佳的膜層，這也是單晶AC LED製程上的關(guān)鍵。
第三個(gè)是晶片間的互連導(dǎo)線(Interconnect)。一般而言，要做到良好的連結(jié)，導(dǎo)線在跨接時(shí)需要一個(gè)相對(duì)平坦的表面，一個(gè)深邃的階梯狀結(jié)構(gòu)將使得 導(dǎo)線結(jié)構(gòu)薄弱，在高電壓、高電流驅(qū)動(dòng)下易產(chǎn)生毀損，造成晶片的失效，因此平坦化製程的開發(fā)就變得重要。理想的狀態(tài)是在做絕緣層時(shí)，能一併將深邃的溝槽予以 平坦化，使互連導(dǎo)線得以平順連接。
此外，高壓發(fā)光二極體在應(yīng)用上和一般低壓二極體最主要的不同點(diǎn)為，它不僅僅能夠應(yīng)用于定直流(Constant DC)中，只要外接橋式整流器，它也能夠應(yīng)用于交流環(huán)境，非常具有彈性。在高壓發(fā)光二極體中，外部整流器捨棄AC LED採用同質(zhì)氮化鎵的做法而改採用硅整流器，不僅使得耗能少，更可防止逆向偏壓過大對(duì)晶片所造成的影響；最后，因?yàn)楦邏喊l(fā)光二極體較AC LED少了內(nèi)部橋整的發(fā)光區(qū)，使發(fā)光效率相對(duì)較高，耐用度也較佳。
高壓LED相比低壓 LED有二大明顯競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)：
第一，在同樣輸出功率下，高壓LED所需的驅(qū)動(dòng)電流大大低于低壓LED。如以晶元光電的高壓藍(lán)光1W LED為例，它的正向壓降高達(dá)50V，也即它只需20mA驅(qū)動(dòng)電流就可以輸出1W功率，而普通正向壓降為3V的1W LED，需要350mA驅(qū)動(dòng)電流才能輸出1W功率，因此同樣輸出功率的高壓LED在工作時(shí)耗散的功率要遠(yuǎn)低于低壓LED，這意味著散熱鋁外殼的成本可大大降低。
第二，高壓LED可以大幅降低AC-DC轉(zhuǎn)換效率損失。以10W輸出功率為例，如果采用正向壓降為50V的1W高壓LED，輸出端可以采取2并4串的配置，4個(gè)串聯(lián)LED的正向壓降為 200V，也就是說只需從市電220V 交流電(AC)利用橋式整流及降20V就可以了。但如果我們采用正向壓降為3V的1W低壓LED，即便10個(gè)串在一起正向壓降也不過30V，也就是說需要從220V AC市電降壓到30VDC。我們知道，輸入和輸出壓差越低，AC到DC的轉(zhuǎn)換效率就越高，可見如采用高壓LED，變壓器的效率就可以得到大大提高，從而可大幅降低AC-DC轉(zhuǎn)換時(shí)的功率損失，這一熱耗減少又可進(jìn)一步降低散熱外殼的成本。
因此，如采用高壓LED來開發(fā)LED通用照明燈具產(chǎn)品，總體功耗可以大大降低，從而大幅降低對(duì)散熱外殼的設(shè)計(jì)要求，如我們可用更薄更輕的鋁外殼就可滿足LED燈具的散熱需求，由于散熱鋁外殼的成本是LED照明燈具的主要成本組成部分之一，鋁外殼成本有效降低也意味著整體LED照明燈具成本的有效降低。
HV LED與其說是一種新技術(shù)不如說是一種新概念，和串聯(lián)LED器件不同，是從芯片環(huán)節(jié)將多個(gè)小芯片集成起來。所以HV LED的很多優(yōu)勢(shì)都類似于小芯片集成相較于大功率芯片的優(yōu)勢(shì)。不過專家認(rèn)為，也正是由于這種較好應(yīng)用的理念，才利于各家結(jié)合各自核心技術(shù)重塑不同的HV LED產(chǎn)品。
很多廠商認(rèn)為，HV LED將是未來的主流產(chǎn)品，記者認(rèn)為，這個(gè)判斷是否如同大功率與小功率集成的PK一樣，各有優(yōu)劣及適宜的應(yīng)用場(chǎng)所，而且歸根結(jié)底還要取決于企業(yè)本身的核心技術(shù)，更易于將哪種形式發(fā)揮到最佳就選擇哪種產(chǎn)品，如此而已。
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