GaN-on-Si 大功率 LED 芯片技术如何改变灯具设计

作者： DEBBIE SNIDERMAN VI Ventures LLC 首席执行官

Plessey Semiconductor 最新的高功率硅基 LED 技术正在改变灯具设计的形式、功能和性能。典型工业灯具中的板载芯片 (COB) LED 通常很小，但透镜或反射器组件和散热器要大得多。新的 GaN-on-Si LED 芯片技术正在改变这一切，生产只有 5.6 毫米厚的灯具模块，包括光学元件。与传统的四芯片解决方案相比，单个高功率 GaN-on-Si 芯片可以通过二次光学提供多 30% 的输出。

硅衬底是新设计的关键Plessey Semiconductors 的 LED 使用 GaN-on-Si 衬底制造。组件经理 Clive Beech 解释了许多原因。“硅是一种非常好的热导体，使设备更容易散热，”他说。“这是经济的，并且在许多地区都可以大量使用。我们的工厂有能力在 6 英寸和 8 英寸直径的晶圆上进行 CMOS 处理，这比传统上仍以 4 英寸运行的蓝宝石衬底具有很大优势。”

“硅也是高质量的，并且具有低缺陷水平，6 英寸基板的成本约为 4 英寸蓝宝石基板价格的十分之一，”他补充道。“与竞争对手相比，这为我们提供了成本更低、性能更高的 LED，使我们能够将 LED 应用到手电筒等新应用中。”

与 SiC 或蓝宝石基板相比，硅上的热阻方面的热性能较低，因此来自结型 LED 表面安装点的热阻较低。这使得 Plessey 可以在相同的结温下使用更高的表面贴装温度，这意味着具有更小的散热器，从而节省了空间。

除了热和成本优势之外，硅基板的表面为 Plessey 的 LED 提供了另一个重要优势。蓝宝石向所有方向发射光，因此，构建在该基板上的 LED 设备发出的光不仅会从 LED 表面发射，还会从 LED 主体向下发射，被吸收。硅只提供表面发射，因此可以创建没有吸收的垂直发射装置。可以在不损失体积的情况下扩大 LED 的面积，甚至可以看到性能改进。

使用硅基板的另一个特点是多结 LED 器件可以与其电路集成在单个芯片上。这对 Plessey 来说是一个独特的优势，Plessey 是目前业内唯一一家提供集成光学器件的 LED 的公司。

改变灯具设计竞争对手在其高压封装设备中使用了一系列较小的 LED。例如，12V LED 使用四个串联的 3V LED。借助 Plessey Semiconductor 的大功率多结 LED，可以在相同电流下使用单个芯片实现相同的流明性能。

“这对于灯具来说是一个巨大的优势，尤其是在点光源或其他使用窄光束的系统中，”Beech 说。“当一个灯具在一个大功率封装中有四个芯片的设备时，它们通常被放置在一个 2 x 2 阵列中，中心没有芯片。将这种光通过窄光束光学元件将中间的十字准线投射到四个芯片的表面上。使用单个芯片和单个发光表面，没有十字准线图案。”

单个单片高压器件可产生更好的光学远场图像。它也是居中的，即发射表面的中心在封装的中心。因此，与多芯片解决方案相比，中心光束坎德拉功率也更出色。表面处的峰值强度大于非光学中心的峰值强度。“一个客户使用我们的芯片生产了一个光束角只有 2 度的系统，”Beech 说。“总的来说，当使用单个芯片时，光学器件可以更好地调整到发射表面。”

它们尤其有助于窄光束系统，如聚光灯、便携式照明、手电筒和 1,000 流明战术手电筒。具有单一的、大的发射表面可提供远距离发射的光。

与在蓝宝石基板上生产的其他产品相比，新型大功率 LUCIAN PLW7070 单芯片 LED 具有更大的芯片尺寸，可用于便携式手电筒和灯具、聚光灯、筒灯、高棚灯和泛光灯。

Plessey 的 GaN-on-Si LED 的使用寿命具有更好的流明维持率。竞争对手 LED 的光输出在 6,000–7,000 小时内下降 7% 到 10%，而它们的光输出在同一时间内仅下降 3%。

用于创建预聚焦 LED 的新工艺Plessey Semiconductors 的 Stellar LED 专利制造工艺于 2015 年开发。它涉及在硅衬底上图案化 GaN 器件并在顶部安装第二个硅衬底，然后将整个结构翻转并移除背面揭示一个新的基质。这允许在基板上蚀刻到达下方 LED 的孔，从而有效地创建层叠并夹在两个基板之间的 LED。

该工艺最重要的特点是能够创建微镜，作为 LED 处理的一部分，在芯片级预聚焦从 LED 发出的光。该工艺不会从其中一个基板上去除某些区域并填充孔以形成微镜。最终结果是 LED 产生不需要二次光学器件的固有窄光束。预聚焦窄光束 LED 系统节省了资金、尺寸和对额外光学器件的需求，并且可以及时变得更小、更便宜。

新的反射器设计：带有微反射器的 COB 阵列Plessey 的 Stellar Orion LED 光束形成模块是这些用于定向照明应用的集成光学器件的 COB 版本，Beech 称其已赢得多个奖项。通常，一个 15 度或 16 度的聚光灯会在前面有一个大的反射器和一面镜子，但他们不需要它们。相反，它在每个 LED 周围使用了一系列微反射器。聚光灯的总厚度，包括集成反射器，为 7 至 8 毫米厚，与反射器的直径相同，远小于其他技术。

一些聚光灯应用需要保护盖板，但没有透镜。光学器件被设计并内置在单元本身中。将光学器件集成到 LED 系统本身在业内是独一无二的，目前，Plessey Semiconductors 是唯一提供这种优势的公司。其 Stellar Orion 产品的样品目前以 25 度和 60 度的光束角范围发货。

“这些现在是我们的标准产品，比它们正在取代的典型聚光灯更具吸引力，看起来也不那么工业化，”Beech 说。这是迈向完全集成解决方案的垫脚石，其中 LED 具有内置的准直光束，并且体积会小得多，预计将在明年左右推出。那时，不需要微反射器，集成到 LED 芯片本身的器件的总厚度将在几百微米的数量级。“当前的标准产品就像是规模更大的模拟版本，”他说。

不断发展的散热器在空间受限的设备（例如筒灯）中，小型散热器非常重要。大功率 LED 与其他功率器件类似：功率输入，光和热输出。对于产生的给定热量水平，热路径是结温的关键。

作为设计散热器的起点，它的结温不得超过 135°C。在最大工作电流下，考虑到基板的低热阻，器件安装到电路板上的焊点温度将低于该温度约 20 度，或约 115°

“我们将散热器面向外部空气，”Beech 说。“散热器对周围环境的热阻是特定设计和表面积的重要作用。因为我们在更高的焊点温度下运行，所以我们可以使用更小的散热器并且仍然具有良好的性能。”

Plessey 的专利大功率 LED 制造流程示意图。

硅充当镜子，将光线从设备顶部反射出去。对于蓝宝石衬底，一些光不可避免地会在衬底内部损失。

使用单个单片芯片消除了竞争多芯片产品上常见的十字准线。

封装的 Plessey 多结 GaN-on-silicon 器件。

在 Tsolderpoint = 105°C 和 IFmax = 1.25 A 的最坏情况条件下测量 6,000 小时内的光通量保持和色移（LM-80 评估）。橙色线显示 GaN/Si 在应力期内的颜色稳定性非常好。

审核编辑 黄昊宇