專利名稱：具有預防單胞熱電損毀功能的多胞連接大功率光電器件的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及半導體光電器件結構，尤其涉及提升大功率光電器件熱可靠性 的芯片結構，屬于半導體光電技術領域。
背景技術：
光電器件是指光能和電能相互轉換的一類器件。其種類眾多，如發(fā)光二 極管(LED)、太陽能電池、光電探測器、激光器(LD)等等。其中LED是 日常生活中使用最為廣泛的一種光電器件。近年來，隨著氮化鎵基藍光、綠光 和紫外光LED技術的不斷成熟，發(fā)光效率不斷提高，LED應用價值越來越受 到重視。LED作為一種光源有著眾多的優(yōu)點，突出表現(xiàn)在發(fā)光效能高(最新 研究成果己實現(xiàn)了白光1601m/W，超過了白熾燈和熒光燈，因此在節(jié)能方面有 優(yōu)異的表現(xiàn))；光波長范圍窄，色彩飽度高；體積小、重量輕、點光源，實際 應用靈活方便；基于氮化鎵的LED無毒、無公害，屬于綠色環(huán)保光源。因 此，LED在照明領域有著巨大的應用價值。目前，LED已經大量進入大屏幕顯示、裝飾照明、建筑照明、交通指示、 LCD背光等市場，可是更大的市場在于普通照明，而LED還未能打入這個龐 大市場，這是由于現(xiàn)在的LED還不能滿足普通照明的要求造成的。普通照明 需要廉價、大功率的LED產品，可是現(xiàn)在的大功率LED技術還不成熟、大功 率LED制造成本還很昂貴。提升大功率LED性能的途徑主要有兩方面1)提高LED器件的外量子效率，以提高芯片單位面積的出光量；2)加大芯片的面積，提高單顆芯片的出光總量。目前LED的研究基本都集中在提高LED器件的外量子效率，從外 延、芯片工藝到封裝等方面提出了很多改進的技術措施，如圖形化藍寶石襯底技術、非極化面生長技術、氮化鎵自支撐襯底技術、芯片表面粗化和納米圖形技術、薄膜LED芯片技術、倒裝LED技術等等。這些技術的應用都可以有 效提高LED芯片單位面積的出光量，有利于制造大功率LED器件。可如果不 增加芯片面積，那么單顆芯片的光輸出功率總量還是有限的。在LED器件產 品上，要想獲得更大的功率，就要依靠多芯片封裝來實現(xiàn)，比如，現(xiàn)在市場上 的3W白光LED產品都是由三個lmn^的LED芯片封裝而成。多芯片封裝一 方面會增加封裝的成本，另一方面會制約照明系統(tǒng)的小型化，進而增加照明系 統(tǒng)的成本。因此，為獲得更大功率LED產品，必須增加LED芯片的面積。在工業(yè)生產中，增加芯片面積能起到降低成本的作用，有利于產品的升 級、換代，可是涉及到產品的可靠性問題，尤其是在大功率應用中的熱可靠 性。如果不能有效控制芯片的可靠性，那么增加芯片面積就變得毫無意義，甚 至導致生產成本驟增。以下簡單分析LED芯片的熱可靠性 一方面，LED的 結溫隨電流的增大而上升；另一方面，電流隨溫度的上升，又以指數(shù)形式增 大；這樣就形成了熱電正反饋。大功率器件的結溫通常在芯片內是不均勻分布 的，某些區(qū)域的溫度較高，電流較大，在過激勵的情況下，這些溫度較高的區(qū) 域，電流嚴重集中，由于熱電正反饋的作用，溫度進一步增加，成為熱斑，當 溫度超過所能承受的結溫時，該處燒毀(熱崩)，進而導致整個芯片失效。器 件芯片面積越大，溫度分布越不均勻，熱斑出現(xiàn)的概率越大，可靠性也會隨之 下降。因此，提高熱可靠性是大面積、大功率LED器件的關鍵。發(fā)明內容鑒于以上現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種具有預防單胞熱電 損毀功能的多胞連接大功率光電器件，以提高大功率光電器件的熱可靠性。實現(xiàn)本發(fā)明目的所采用的技術方案概括為具有預防單胞熱電損毀功能的多胞連接大功率光電器件，所述光電器件的 芯片被分隔成至少2個單胞，每個單胞的陽極引線、陰極引線與對應極性的總 引出電極相連，其特征在于每個單胞與總引出電極之間的電極引線上至少串 接一個抑制熱電正反饋、限制不同單胞間電流差異過大的鎮(zhèn)流電阻。進一步地，該鎮(zhèn)流電阻貼覆于光電器件的芯片表面，至少串接一個鎮(zhèn)流電 阻后的各個單胞通過芯片內部互聯(lián)結構與總弓I出電極連接；或者，該光電器件還包含轉移基片，光電器件的芯片通過倒裝焊形式與轉 移基片結合，而鎮(zhèn)流電阻位于轉移基片，各個單胞與至少一個鎮(zhèn)流電阻串接后 通過轉移基片上的電極引線與芯片上的總引出電極連接。更進一步地，上述每個單胞的陽極引線或陰極引線上串接至少一個鎮(zhèn)流電 阻；或者每個單胞的陽極弓I線和陰極弓I線上均串接至少一個鎮(zhèn)流電阻。進一步地，上述單胞相互之間的連接方式為并聯(lián)或"并串聯(lián)"，其中"并 串聯(lián)"是指部分單胞先并聯(lián)成組，然后再與其它單胞或"單胞組"串聯(lián)。進一步地，上述單胞是指具有光電轉換功能的微尺寸單元，單胞的平面幾 何形狀為矩形、三角形、正多邊形、圓形等規(guī)則形狀或其它非規(guī)則形狀；單胞 的排列方式為陣列式排列或其它非規(guī)則排列。進一步地，該大功率光電器件指的是功率為1瓦以上的發(fā)光二極管或固態(tài) 激光器，也可以是其它光電器件。更進一步地，適合用作為該鎮(zhèn)流電阻的材料包括金屬材料(如鎳、 鉻、錫等等)、金屬合金材料(如鎳鉻合金)、半導體材料(如單晶硅、 多晶硅、非晶硅、氮化鎵、砷化鎵、磷化鎵、磷化銦或與以上半導體同族的其 它材料)和其它導電材料(如導電陶瓷、導電有機物、碳納米管等)。
本發(fā)明所設計的多胞連接大功率光電器件投入應用，其有益效果體現(xiàn)在 通過在每個單胞與總引出電極之間的電極引線上串接一個或多個鎮(zhèn)流電 阻，能夠有效抑制光電器件內各單胞由溫度升高不均而引起的熱電正反饋效 應，進而避免溫度較高的單胞出現(xiàn)熱斑或熱崩現(xiàn)象，提高光電器件的熱可靠 性。此外，鎮(zhèn)流電阻多樣化的串接方式，給不同類型的光電器件熱可靠性改善 提供了周全、可行的實現(xiàn)途徑，提高了鎮(zhèn)流電阻防護應用的普適性。


圖1是本發(fā)明多胞并聯(lián)大功率LED芯片的原理結構示意圖2a是本發(fā)明多胞并聯(lián)的普通正面出光LED芯片的平面結構圖2b是本發(fā)明多胞并聯(lián)的普通正面出光LED芯片中一個單胞及其引線連
接的剖面示意圖； 圖3a是本發(fā)明多胞并聯(lián)的垂直LED芯片的平面結構圖； 圖3b是本發(fā)明多胞并聯(lián)的垂直LED芯片中一個單胞及其引線連接的剖面
示意圖4a是鎮(zhèn)流電阻與LED芯片有源區(qū)位于同一基板上的倒裝剖面圖； 圖4b是鎮(zhèn)流電阻位于轉移基板上的倒裝剖面圖； 圖5是本發(fā)明又一實施例多胞并串聯(lián)LED芯片的結構平面圖。
具體實施例方式
為使本發(fā)明具有預防單胞熱電損毀功能的多胞連接大功率光電器件的實質 結構特征及有益效果更易于理解，以下結合實施例及其附圖對本發(fā)明技術方案 作進一步非限制性的詳細說明。
從原理上分析如圖1所示的多胞并聯(lián)大功率LED芯片的原理結構示意
圖可見，本發(fā)明的核心思想是把光電器件芯片的有源區(qū)分割成許多小面積的單
胞(假設為n個單胞，n>2)，其中每個小面積單胞總引出電極之間的電極引 線與至少串接一個抑制熱電正反饋、限制不同單胞間電流差異過大的鎮(zhèn)流電阻 Rb (圖1中每個單胞僅對應串接一個鎮(zhèn)流電阻)。正常工作情況下，流經每個 單胞的電流In在鎮(zhèn)流電阻上產生一個很小的壓降Vn。溫度較高的單胞j的電流
Ij增大，大于其它單胞的電流In，連接在此單胞的鎮(zhèn)流電阻上的壓降Vj也就相
應增加，加載在芯片有源區(qū)的電壓就會減少，就會抑制Ij的進一步上升，而產 生負反饋作用，從而使溫度較高的單胞不至于出現(xiàn)熱斑和熱崩。
根據(jù)晶體管設計的經驗公式，每個單胞的鎮(zhèn)流電阻值可以依如下公式進行 設計Rb = 8 (kT/q/In)。其中Rb是鎮(zhèn)流電阻的阻值；k是玻爾茲曼常 數(shù)；T是工作溫度；q是單位電荷；In是單胞的額定工作電流。
實施例一
如圖2a串接有鎮(zhèn)流電阻多胞并聯(lián)的普通正面出光LED芯片的平面結構圖 所示整個LED芯片由單胞1、鎮(zhèn)流電阻2、陰極引線3、陰極壓焊塊5、陽 極引線4和陽極壓焊塊6組成，其中陰極壓焊塊5與陽極壓焊塊6構成了該光 電器件的芯片總引出電極。每個單胞1經陰極引線3連接到陰極壓焊塊5，單 胞1與陽極壓焊塊6之間的的陽極引線4上串接一個鎮(zhèn)流電阻2后再連接到陽極壓焊塊6。而圖2b示意的是串接有鎮(zhèn)流電阻多胞并聯(lián)的普通正面出光LED 芯片中一個單胞及其引線連接的剖面。單胞位于襯底10的一側，由有源區(qū)11 和陰極引出區(qū)12組成，絕緣介質層13圍裹于其外，用以防止金屬引線跨接到 p區(qū)和n區(qū)；陰極總引出電極藉由陰極引線14的一端與陰極引出區(qū)12接觸構 成陰極通路，陽極通路則由陽極引線151和有源區(qū)11頂部接觸，且陽極引線 151另一端串聯(lián)連接一個鎮(zhèn)流電阻16后，再通過陽極引線152連接到陽極總引 出電極構成。各個單胞通過芯片內部互聯(lián)結構與總引出電極連接。 實施例二
如圖3a串接有鎮(zhèn)流電阻多胞并聯(lián)的垂直LED芯片的平面結構圖所示整 個LED芯片由單胞有源區(qū)21、鎮(zhèn)流電阻22、陰極引線23、陰極壓焊塊24以 及從背面導電襯底引出的陽極組成。單胞有源區(qū)21與陰極壓悍塊24間的陰極 引線23上串接一個鎮(zhèn)流電阻22，藉由陰極引線23構成單胞有源區(qū)21、鎮(zhèn)流 電阻22及陰極壓焊塊24的串聯(lián)通路。而圖3b示意的是串接有鎮(zhèn)流電阻多胞 并聯(lián)的垂直LED芯片中一個單胞及其引線連接的剖面結構。導電襯底20用于 芯片的陽極引出，單胞有源區(qū)21位于導電襯底20的一側，且導電襯底20與 單胞有源區(qū)21表面設置有絕緣介質層201，用以防止金屬引線跨接到p區(qū)和n 區(qū)；單胞有源區(qū)21的頂部與陰極引線231的一端接觸，陰極)引線231的另 一端串接一個鎮(zhèn)流電阻22后，通過陰極引線232與陰極總引出電極連接構成 陰極通路。
實施例三
串接有鎮(zhèn)流電阻多胞并聯(lián)設計一樣可以應用于倒裝結構的 芯片，而 且其連接方式也具有多樣性。其中的一種連接方式是把鎮(zhèn)流電阻設計在與LED芯片有源區(qū)同側。如圖 4a所示芯片由外延襯底30、有源區(qū)31、陰極引出區(qū)32、絕緣介質33、陰極 引線341和342、陽極凸點361和陰極凸點371組成，而轉移基板由陽極凸點 362、陰極凸點372、陽極引線381、陰極引線382和絕緣基板39組成。有源 芯片和轉移基板通過倒裝焊工藝結合，把陽極凸點361和陽極凸點362對接， 把陰極凸點371和陰極凸點372對接。電流從陽極引線381經陽極凸點362和 陽極凸點361流至有源區(qū)，載流子在有源區(qū)復合發(fā)光，電流傳輸?shù)疥帢O引出區(qū) 32經陰極引線341流過鎮(zhèn)流電阻35，再流到陰極引線342通過陰極凸點371 和陰極凸點372流到陰極引線382。
實施例四
此外，還可把鎮(zhèn)流電阻設計在異側的轉移基板上；各個單胞與至少一個鎮(zhèn) 流電阻串接后通過轉移基片上的電極引線與芯片上的總引出電極連接。如圖4b 所示芯片由外延襯底30、有源區(qū)31、陰極引出區(qū)32、絕緣介質33、陰極引 線34、陽極凸點361和陰極凸點371組成，轉移基板由陽極凸點362、陰極凸 點372、陽極引線381、陰極引線3821和陰極引線3822、鎮(zhèn)流電阻35、以及 絕緣基板39組成。有源芯片和轉移基板通過倒裝焊工藝結合，把陽極凸點361 和陽極凸點362對接，把陰極凸點371和陰極凸點372對接。電流從陽極引線 381經陽極凸點362和陽極凸點361流至有源區(qū)，載流子在有源區(qū)復合發(fā)光， 電流傳輸?shù)疥帢O引出區(qū)32經陰極引線34流過陰極凸點371和陰極凸點372流 到陰極引線3821，接著流過鎮(zhèn)流電阻35，再流到陰極引線3822。
實施例五
該多胞大功率光電器件的芯片，除了多胞并聯(lián)方式以外，還可以有另一種"并串聯(lián)"的布局形式，即先將部分單胞并聯(lián)起來，形成并聯(lián)單元組，然后再 將一個或多個這樣的并聯(lián)單元組相互串聯(lián)或與其它單胞串聯(lián)。與單純的并聯(lián)結 構相比，這種并串聯(lián)結構的優(yōu)點是能夠減少引線所占面積，獲得更高的發(fā)光 區(qū)面積，提高有效利用面積；另外這種并串聯(lián)結構可以在實際應用中有一定的
實用性，如在大電壓驅動情況下。如圖5示意了多胞并串聯(lián)形式的LED芯片 結構平面圖。圖中LED單胞41的陽極引線上都串聯(lián)有鎮(zhèn)流電阻42，然后通過 芯片內互聯(lián)引線47把這些串聯(lián)有鎮(zhèn)流電阻42的單胞41并聯(lián)起來構成并聯(lián)單 元組；上一級并聯(lián)單元組的共陰極引線與下一級并聯(lián)單元組的共陽極引線經由 芯片內互聯(lián)引線47相連，形成并聯(lián)單元組的多級串聯(lián)；第一級并聯(lián)單元組的 鎮(zhèn)流電阻42連接到器件芯片陽極總引線43,由陽極壓焊塊45連接到外電極； 最后一級(圖中所示的第n級并聯(lián)單元組)的陰極引線連接到器件芯片陰極總 引線44，由陰極壓焊塊46連接到外電極。
上述若干實施例的詳細說明可見，其中不但以單個鎮(zhèn)流電阻串聯(lián)到器件單 胞的陽極引線上為例(如實施例一及實施例五)進行說明，而且更提供了以單 個鎮(zhèn)流電阻串聯(lián)到器件單胞的陰極為例(如實施例二、實施例三及實施例四) 也進行了對應說明。在實際設計中，鎮(zhèn)流電阻還可以在器件單胞的陰、陽極都 串聯(lián)鎮(zhèn)流電阻；對應每個單胞，串聯(lián)的鎮(zhèn)流電阻數(shù)量既可以是單個，也可以是 多個。其結構特征及實施原理與上述幾個實施例相似，故不再贅述。
此外，本發(fā)明中適合用作為鎮(zhèn)流電阻的材料包括金屬材料(如鎳、 鉻、錫等等)、金屬合金材料(如鎳鉻合金)、半導體材料(如單晶硅、 多晶硅、非晶硅、氮化鎵、砷化鎵、磷化鎵、磷化銦或與以上半導體同族的其 它材料)和其它導電材料(如導電陶瓷、導電有機物、碳納米管等)。雖然本發(fā)明的具體實施方式
是以LED器件芯片為例說明，但是本發(fā)明完全可以適 用于其它功率型光電器件，如半導體激光器陣列等。
綜上所述，對本發(fā)明具有預防單胞熱電損毀功能的多胞連接大功率光電器 件多個應用示例的詳細介紹，旨在加深對本發(fā)明實質結構及有益效果的理解， 對保護范圍不構成任何限制。但凡對于上述實施例進行的等同變換及等效替 換，能夠實現(xiàn)與本發(fā)明相同創(chuàng)作目的的技術方案，均落在本案請求保護的范圍 內。
權利要求
1.具有預防單胞熱電損毀功能的多胞連接大功率光電器件，所述光電器件的芯片被分隔成至少2個單胞，每個單胞的陽極引線、陰極引線與對應極性的總引出電極相連，其特征在于每個單胞與總引出電極之間的電極引線上至少串接一個抑制熱電正反饋、限制不同單胞間電流差異過大的鎮(zhèn)流電阻。
2. 根據(jù)權利要求1所述的具有預防單胞熱電損毀功能的多胞連接大功率光電器件，其特征在于所述鎮(zhèn)流電阻貼覆于光電器件的芯片表面，至少串接一個鎮(zhèn)流電阻后的各個單胞通過芯片內部互聯(lián)結構與總引出電極連接。
3. 根據(jù)權利要求1所述的具有預防單胞熱電損毀功能的多胞連接大功率光電器件，其特征在于所述光電器件還包含轉移基片，光電器件的芯片通過倒裝焊形式與轉移基片結合，所述鎮(zhèn)流電阻位于轉移基片，各個單胞與至少一個鎮(zhèn)流電阻串接后通過轉移基片上的電極引線與芯片上的總引出電極連接。
4. 根據(jù)權利要求1或2或3所述的具有預防單胞熱電損毀功能的多胞連接大功率光電器件，其特征在于所述每個單胞的陽極引線或陰極引線上串接至少一個鎮(zhèn)流電阻；或者每個單胞的陽極引線和陰極引線上均串接至少一個鎮(zhèn)流電阻。
5. 根據(jù)權利要求1所述的具有預防單胞熱電損毀功能的多胞連接大功率光電器件，其特征在于所述單胞相互之間的連接方式為并聯(lián)或"并串聯(lián)"，其中"并串聯(lián)"是指部分單胞先并聯(lián)成組，然后再與其它單胞或"單胞組"串聯(lián)。
6. 根據(jù)權利要求1或5所述的具有預防單胞熱電損毀功能的多胞連接大功率光電器件，其特征在于所述單胞是指具有光電轉換功能的微尺寸單元，單胞的平面幾何形狀為規(guī)則形狀或非規(guī)則形狀；單胞的排列方式為陣列式排列或非規(guī)則排列。
7.根據(jù)權利要求1所述的具有預防單胞熱電損毀功能的多胞連接大功率光電器件，其特征在于所述大功率光電器件指的是功率為1瓦以上的發(fā)光二極管或固態(tài)激光器。
全文摘要
本發(fā)明揭示了一種具有預防單胞熱電損毀功能的多胞連接大功率光電器件，涉及半導體光電領域。該光電器件的芯片被分隔成兩個或兩個以上的小面積單胞，每個單胞的陽極引線、陰極引線與對應極性的總引出電極相連，其特征在于每個單胞與總引出電極之間的電極引線上至少串接一個抑制熱電正反饋、限制不同單胞間電流差異過大的鎮(zhèn)流電阻。通過至少一個鎮(zhèn)流電阻串接集成在光電器件內，能夠有效抑制光電器件內各單胞由溫度升高不均而引起的熱電正反饋效應，進而避免溫度較高的單胞出現(xiàn)熱斑或熱崩現(xiàn)象，提高了光電器件的熱可靠性。
文檔編號H01L25/075GK101645440SQ20091002743
公開日2010年2月10日 申請日期2009年5月6日 優(yōu)先權日2009年5月6日
發(fā)明者勇 蔡 申請人:蘇州納米技術與納米仿生研究所