剖析HV LED设计思路和关键优势

　　LED照明市场当中，大家谈得最多的会是AC-LED和DC-LED。然而从HV LED的概念出现时，除晶元光电外，国际大厂CREE、Nichia和飞利浦Lumileds也都推出了HV LED，国内厂商晶科、迪源也都贴有各自企业标志的HV LED产品。那么HV LED有哪些独特魅力让LED巨头厂商争相生产呢？本文为大家揭开HV LED的神秘面纱。

　　最近几年由于技术及效率的进步，LED的应用越来越广；随着LED应用的升级，市场对于LED的需求，也朝更大功率及更高亮度，也就是通称的高功率LED 方向发展。

　　对于高功率LED的设计，目前各大厂多以大尺寸单颗低压DC LED为主，做法有二，一为传统水平结构，另一则为垂直导电结构。就第一种做法而言，其制程和一般小尺寸晶粒几乎相同，换句话说，两者的剖面结构是一样 的，但有别于小尺寸晶粒，高功率LED常常需要操作在大电流之下，一点点不平衡的P、N电极设计，都会导致严重的电流丛聚效应(Current crowding)，其结果除了使得LED晶片达不到设计所需的亮度外，也会损害晶片的可靠度(Reliability)。

　　当然，对上游晶片制造者／晶片厂而言，此作法制程相容性(Compatibility)高，无需再添购新式或特殊机台，另一方面，对于下游系统厂而言，週边的搭配，如电源方面的设计等等，差异并不大。但如前所述，在大尺寸LED上要将电流均匀扩散并不是件容易的事，尺寸愈大愈困难；同时，由于几何效应的关系，大尺寸LED的光萃取效率往往较小尺寸的低。

 

图1：低压二极体、交流二极体及高压二极体驱动方式的差异。
 

　　第2种做法较第1种复杂许多，由于目前商品化的蓝光LED几乎都是成长于蓝宝石基板之上，要改为垂直导电结构，必须先和导电性基板做接合之后，再将不导电 的蓝宝石基板予以移除，之后再完成后续製程；就电流分布而言，由于在垂直结构中，较不需要考虑横向传导，因此电流均匀度较传统水準结构为佳；除此之外，就基本的物理塬理而言，导电性良好的物质也具有高导热的特质，藉由置换基板，我们同时也改善了散热，降低了接面温度，如此一来便间接提高了发光效率。但此种 做法最大的缺点在于，由于製程复杂度提高，导致良率较传统水平结构低，制作成本高出不少。

交流LED与直流高压LED比较

1、交流LED

　　单晶粒LED发光芯片驱动电压在4V以内，无论多高的驱动电压都可以串联，获得到合适的驱动电压。这点是其它光源不可比拟的优势。CFL需要复杂的驱动电 路，LED可以通过串接符合与市电等不同的电压的阻抗匹配。白炽灯钨丝长度和直径，决定球泡电阻阻抗，去符合不同的驱动电压。LED采用不同的串接数量也 是同样的道理，虽然LED不是纯阻性负载。今天我们不讨论LED怎样驱动最合适，重点分析AC与DC驱动对市场的可行性。

　　交流LED是上百颗单晶粒LED在晶圆级串接而成，可以在市电交流高电压下自行整流点亮，再串接电阻或恒流源，保持在合适的驱动功率范围内。基于这种设计，早在圣诞灯串上一直有使用，移植到LED晶粒封装是近年的事情。为了兼容各国电压标准，要分4个部分串接而成，这样在220V取值一半正好是110V电压，规格上得到统一。交流LED理论上是正确的，可行的，市电50-60Hz单串LED分别工作在两个正负半周，无论你怎样设计，总体上雷同。

　　LED并非像白炽灯那样是阻性负载，较小的电压波动会使LED亮度变化较大，更容易看到闪烁。交流LED对AC电压稳定度有一定的要求，因为LED的伏安特性很陡，10%的电压变化就会引起剧烈的电流波动。例如正向电压从3.3V变到3.6V，电流就从20mA增加到34mA，增加了70%之多。电流大幅上升对LED是致命的，电压降低不会损坏LED，亮度的波动会影响客户体验度。 

 图2：高压LED灯串用DC来驱动

 

  　　我们见图，高压LED灯串用DC来驱动，暂且不分析具体驱动细节。AC用桥堆整流，这时LED利用率提升50%，而LED数量及成本也随之降低50%。整流桥价格低廉，工艺限制集成整流桥是非常不合算的。整流桥体积不大，体积容易接受，直接采用AC设计LED不太经济。<><　　最开始首尔半导体设计出了交流led，细心的朋友会发现展出的led旁边是有整流桥的，可见首尔已经意识到成本的重要性。台湾工研院等企业均开发出ac>


2. 直流高压LED

　　LED多芯片串接封装是未来的趋势，在串接数量和方式上要仔细考量。从上面的分析可以看出，设计AC LED成本和点亮效果上并不合适，不能成为主流方式，甚至可以说不具实际应用意义。整流后的直流LED形成对交流LED强有力的竞争，因此AC LED不能被广泛应用。在未来可以预见AC LED只能是一场 “游戏”，市场规则决定它会除局。

　　既然认为多芯片串接是趋势，那肯定是DC驱动方式。多芯片串接需要LED晶圆级支持，过多的金线连接光效和生产上都是障碍。多芯片封装晶圆级串接再加上COB结合，是最优化的方式。

　　晶圆级串接最好在10pcs以内，再结合COB金线连接。这样COB方式多芯片组分散式散热，会大大降低对封装基板的要求。散热热阻降低，LED结温度因此降低。同时提高大数量的LED晶圆级串接良率。

高压LED于低压LED的比较

　　晶元光电于全球率先提出了高压发光二极体(HV LED)作为高功率LED的解决方案；其基本架构和AC LED相同，乃是将晶片面积分割成多个cell之后串联而成。其特色在于，晶片能够依照不同输入之电压的需求而决定其cell数量与大小等，等同于做到客制化的服务。由于可以针对每颗cell加以优化，因此能够得到较佳的电流分布，进而提高发光效率。

　　高压发光二极体和一般低压二极体在技术上最主要的差异有三，第一为沟槽(Trench)。沟槽的目的在于将复数颗的晶胞独立开来，因此其沟槽下方需要达到 绝缘的基板，其深度依不同的外延结构而异，一般约在4~8um，沟槽宽度方面则无一定的限制，但是沟槽太宽代表着有效发光区域的减少，将影响HV LED的发光效率表现，因此需要开发高深宽比的製程技术，缩小製程线宽以增加发光效率。

　　第二为绝缘层(Isolation)，若绝缘层不具备良好的绝缘特性，将使整个设计失败，其困难点在于必须在高深宽比的沟槽上披覆包覆性良好、膜质紧密及 绝缘性佳的膜层，这也是单晶AC LED製程上的关键。

　　第三个是晶片间的互连导线(Interconnect)。一般而言，要做到良好的连结，导线在跨接时需要一个相对平坦的表面，一个深邃的阶梯状结构将使得 导线结构薄弱，在高电压、高电流驱动下易产生毁损，造成晶片的失效，因此平坦化製程的开发就变得重要。理想的状态是在做绝缘层时，能一併将深邃的沟槽予以 平坦化，使互连导线得以平顺连接。

　　此外，高压发光二极体在应用上和一般低压二极体最主要的不同点为，它不仅仅能够应用于定直流(Constant DC)中，只要外接桥式整流器，它也能够应用于交流环境，非常具有弹性。在高压发光二极体中，外部整流器捨弃AC LED採用同质氮化镓的做法而改採用硅整流器，不仅使得耗能少，更可防止逆向偏压过大对晶片所造成的影响；最后，因为高压发光二极体较AC LED少了内部桥整的发光区，使发光效率相对较高，耐用度也较佳。

　　高压LED相比低压 LED有二大明显竞争优势：

　　第一，在同样输出功率下，高压LED所需的驱动电流大大低于低压LED。如以晶元光电的高压蓝光1W LED为例，它的正向压降高达50V，也即它只需20mA驱动电流就可以输出1W功率，而普通正向压降为3V的1W LED，需要350mA驱动电流才能输出1W功率，因此同样输出功率的高压LED在工作时耗散的功率要远低于低压LED，这意味着散热铝外壳的成本可大大降低。

　　第二，高压LED可以大幅降低AC-DC转换效率损失。以10W输出功率为例，如果采用正向压降为50V的1W高压LED，输出端可以采取2并4串的配置，4个串联LED的正向压降为 200V，也就是说只需从市电220V 交流电(AC)利用桥式整流及降20V就可以了。但如果我们采用正向压降为3V的1W低压LED，即便10个串在一起正向压降也不过30V，也就是说需要从220V AC市电降压到30VDC。我们知道，输入和输出压差越低，AC到DC的转换效率就越高，可见如采用高压LED，变压器的效率就可以得到大大提高，从而可大幅降低AC-DC转换时的功率损失，这一热耗减少又可进一步降低散热外壳的成本。

　　因此，如采用高压LED来开发LED通用照明灯具产品，总体功耗可以大大降低，从而大幅降低对散热外壳的设计要求，如我们可用更薄更轻的铝外壳就可满足LED灯具的散热需求，由于散热铝外壳的成本是LED照明灯具的主要成本组成部分之一，铝外壳成本有效降低也意味着整体LED照明灯具成本的有效降低。

　　HV LED与其说是一种新技术不如说是一种新概念，和串联LED器件不同，是从芯片环节将多个小芯片集成起来。所以HV LED的很多优势都类似于小芯片集成相较于大功率芯片的优势。不过专家认为，也正是由于这种较好应用的理念，才利于各家结合各自核心技术重塑不同的HV LED产品。

　　很多厂商认为，HV LED将是未来的主流产品，记者认为，这个判断是否如同大功率与小功率集成的PK一样，各有优劣及适宜的应用场所，而且归根结底还要取决于企业本身的核心技术，更易于将哪种形式发挥到最佳就选择哪种产品，如此而已。