集成功率級(jí)LED與恒流源電路一體化設(shè)計(jì)

目前,功率級(jí)LED產(chǎn)品有兩種實(shí)現(xiàn)方式：一是采用單一的大面積功率級(jí)LED芯片封裝,美國(guó)、日本已經(jīng)有5W芯片的產(chǎn)品推向市場(chǎng),需要低壓大電流的恒流驅(qū)動(dòng)電源供電,其價(jià)格也比較高;另一種是采用小功率芯片集成方式實(shí)現(xiàn)功率級(jí)LED,日本松下電工已經(jīng)開發(fā)出20W的集成LED產(chǎn)品。然而由于功率級(jí)LED在低壓大電流條件下工作,對(duì)于遠(yuǎn)距離的恒流驅(qū)動(dòng)電源供電卻存在著線路功耗大、系統(tǒng)可靠性低等許多難以解決的技術(shù)問題。

    在承擔(dān)的國(guó)家級(jí)科技攻關(guān)項(xiàng)目中,我們將新設(shè)計(jì)的DIS1xxx系列浮壓恒流集成二極管與LED芯片通過厚膜集成電路工藝技術(shù)集成為一體,解決了集成功率級(jí)LED在使用中的恒流電源供電問題,其電流穩(wěn)定度、溫度漂移和可靠性等技術(shù)指標(biāo),均符合項(xiàng)目要求。

    2 主要參數(shù)設(shè)計(jì)

    采用單晶硅片作為基板,用雙極型集成電路工藝方法在硅片上制作二氧化硅絕緣層、鋁導(dǎo)電反光層,將多個(gè)LED芯片、SMD阻容元件和DIS1xxx 系列浮壓恒流集成芯片集成在一起。通過光刻和擴(kuò)散工藝,在單晶硅層形成反向穩(wěn)壓二極管,用于泄放靜電,以提高LED的抗靜電能力。我們?cè)O(shè)計(jì)的5W功率級(jí)集成LED,采用80個(gè)0.3mm×0.3mm的 LED藍(lán)光芯片,通過涂敷YAG熒光粉發(fā)白光,主要技術(shù)參數(shù)為：　

    輸入電壓范圍Vin：DC 150 ±5 V;

    恒定工作電流Io ：20 mA×2mA;

    電流穩(wěn)定誤差△Io：＜ ±5 ％;

    恒流溫度漂移△IT ：＜5 μA/℃;

    抗靜電電壓：VEDS≥1500 V;

    電功率：Pm ≥ 5 W（加散熱片）;

    光效≥17 Lm/W;

    熱阻：RΘ≤16℃/W（包括硅基板和銅熱沉）;

    3 電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

    3.1 電路原理設(shè)計(jì)

    電路原理設(shè)計(jì)（圖1）使用了兩個(gè)DIS1020A 浮壓恒流集成二極管分為兩路恒流驅(qū)動(dòng)各40個(gè)串聯(lián)LED,每路的工作電流為20mA。在硅基板上,采用擴(kuò)散工藝制作了16個(gè)56V/10mA的穩(wěn)壓二極管以吸收、泄放靜電,保護(hù)LED不會(huì)受到靜電的擊穿而失效。電路中,設(shè)計(jì)的電容、二極管主要為了吸收來自外部供電電源的諧波、脈沖和其他干擾信號(hào),減少這些干擾信號(hào)對(duì)產(chǎn)品的影響,提高產(chǎn)品的可靠性和工作環(huán)境適應(yīng)性。

    3.2 混合集成設(shè)計(jì)

    采用硅基板與銅熱沉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（圖2）,80個(gè) LED設(shè)計(jì)為10×8矩陣結(jié)構(gòu),每10個(gè)LED與一組2個(gè)穩(wěn)壓二極管構(gòu)成一個(gè)單元,硅基片的底面為穩(wěn)壓二極管的p區(qū),n區(qū)通過鋁導(dǎo)電反光層與每組LED的正、負(fù)極分別連接在一起,通過合金工藝實(shí)現(xiàn)歐姆接觸。SMD電容C1,C2,C3和二極管D1設(shè)計(jì)在外圍區(qū)域,減少對(duì)光的吸收和遮光等不良影響。　

    3.3 熱沉的溫度梯度設(shè)計(jì)

    為了提高產(chǎn)品的可靠性,采用1mil的金絲進(jìn)行鍵合球焊,由于LED數(shù)量較多,硅基板的面積較大,導(dǎo)致硅基板中心部位的熱量不能及時(shí)傳到熱沉上,致使溫度升高造成中心部位的LED發(fā)光亮度降低。為此,采用新的合金技術(shù)進(jìn)行銅熱沉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),減少了熱沉的熱阻RΘ和溫度梯度dT( x,y)/dL,使硅基板中心部位的熱量能夠及時(shí)傳到熱沉上,再通過外殼進(jìn)行散熱,以提高產(chǎn)品的可靠性。硅基板為矩形結(jié)構(gòu),厚度為0.3mm,其熱阻可以用下列公式進(jìn)行描述[1]

    RΘ＝{ln[(a/b)( a+2x)/(b+2x)]}/

    2k(a-b)

    式中,a和b分別為硅基板的和寬; x為硅基板的厚度;k為硅基板的熱導(dǎo)率。

    4 主要參數(shù)測(cè)試結(jié)果

    4.1 熱阻與溫度梯度

    試驗(yàn)和批量生產(chǎn)的產(chǎn)品經(jīng)過使用證明,完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求。表1是熱阻RΘ、位置x,y 和溫度梯度dT(x, y)/dLx,dT(x,y)/d Ly采用光熱阻掃描方法[2]測(cè)試的結(jié)果,以硅基板中心為原點(diǎn),分別測(cè)試X,-X,Y和-Y等距離為1mm的溫度?！?/p>

    4.2 溫度漂移

    圖3是產(chǎn)品的溫度漂移參數(shù)△I T與恒定工作電流Io的關(guān)系曲線。產(chǎn)品溫度漂移的試驗(yàn)環(huán)境溫度為-50～100℃,以25℃/40mA為參考基準(zhǔn),100℃時(shí)的最大溫度漂移為1.64μA/℃, -50℃時(shí)的最大溫度漂移為1.49μA/℃。在正常環(huán)境條件（ -25～50℃）下使用,其平均溫度漂移為0.94μA/℃,完全滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)和實(shí)際使用的要求。

    4.3 發(fā)光效率與抗靜電

    由于功率級(jí)LED芯片面積較大,工作時(shí)產(chǎn)生的高溫難以及時(shí)傳導(dǎo)出去,使LED芯片及pn結(jié)的溫度過高,導(dǎo)致發(fā)光效率隨著功率、溫度的增加而急劇下降。因此,在集成功率級(jí)LED設(shè)計(jì)時(shí),采取了高導(dǎo)熱率的硅基板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和銅合金技術(shù)的熱沉設(shè)計(jì),使其熱阻大幅度降低,產(chǎn)品的發(fā)光效率得到提高,平均在18～20 Lm/W?！?/p>

    防靜電設(shè)計(jì)的效果比較明顯,將50只產(chǎn)品置于靜電為1600～1800V的環(huán)境中,連續(xù)工作48h,無發(fā)生靜電擊穿現(xiàn)象。

    5 結(jié)論

    產(chǎn)品的一體化設(shè)計(jì)成功,使集成功率級(jí)LED在應(yīng)用過程中減少了對(duì)恒流驅(qū)動(dòng)電源的要求,可以直接使用穩(wěn)壓電源進(jìn)行驅(qū)動(dòng),而且對(duì)穩(wěn)壓電源的要求也比較寬松,供電電壓在±10%以內(nèi)變化時(shí),LED能夠保證在恒流狀態(tài)下正常工作,從而提高了LED 的可靠性。同時(shí),產(chǎn)品在實(shí)際使用過程中,可以大大簡(jiǎn)化其工頻驅(qū)動(dòng)電源電路的設(shè)計(jì),由于采用很小的驅(qū)動(dòng)電流電路,使遠(yuǎn)距離供電線路的損耗非常低,特別適用于在遠(yuǎn)距離供電情況下使用。