目前,功率級LED產品有兩種實現方式：一是採用單一的大面積功率級LED晶片封裝,美國、日本已經有5W晶片的產品推向市場,需要低壓大電流的恆流驅動電源供電,其價格也比較高;另一種是採用小功率晶片集成方式實現功率級LED,日本松下電工已經開發出20W的集成LED產品。然而由於功率級LED在低壓大電流條件下工作,對於遠距離的恆流驅動電源供電卻存在著線路功耗大、系統可靠性低等許多難以解決的技術問題。
本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/168292.htm在承擔的國家級科技攻關項目中,我們將新設計的DIS1xxx系列浮壓恆流集成二極體與LED晶片通過厚膜集成電路工藝技術集成為一體,解決了集成功率級LED在使用中的恆流電源供電問題,其電流穩定度、溫度漂移和可靠性等技術指標,均符合項目要求。
2 主要參數設計
採用單晶矽片作為基板,用雙極型集成電路工藝方法在矽片上製作二氧化矽絕緣層、鋁導電反光層,將多個LED晶片、SMD阻容元件和DIS1xxx 系列浮壓恆流集成晶片集成在一起。通過光刻和擴散工藝,在單晶矽層形成反向穩壓二極體,用於洩放靜電,以提高LED的抗靜電能力。我們設計的5W功率級集成LED,採用80個0.3mm×0.3mm的 LED藍光晶片,通過塗敷YAG螢光粉發白光,主要技術參數為：
輸入電壓範圍Vin：DC 150 ±5 V;
恆定工作電流Io ：20 mA×2mA;
電流穩定誤差△Io：＜ ±5 ％;
恆流溫度漂移△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（包括矽基板和銅熱沉）;
3 電路結構設計
3.1 電路原理設計
電路原理設計（圖1）使用了兩個DIS1020A 浮壓恆流集成二極體分為兩路恆流驅動各40個串聯LED,每路的工作電流為20mA。在矽基板上,採用擴散工藝製作了16個56V/10mA的穩壓二極體以吸收、洩放靜電,保護LED不會受到靜電的擊穿而失效。電路中,設計的電容、二極體主要為了吸收來自外部供電電源的諧波、脈衝和其他幹擾信號,減少這些幹擾信號對產品的影響,提高產品的可靠性和工作環境適應性。
3.2 混合集成設計
採用矽基板與銅熱沉結構設計（圖2）,80個 LED設計為10×8矩陣結構,每10個LED與一組2個穩壓二極體構成一個單元,矽基片的底面為穩壓二極體的p區,n區通過鋁導電反光層與每組LED的正、負極分別連接在一起,通過合金工藝實現歐姆接觸。SMD電容C1,C2,C3和二極體D1設計在外圍區域,減少對光的吸收和遮光等不良影響。
3.3 熱沉的溫度梯度設計
為了提高產品的可靠性,採用1mil的金絲進行鍵合球焊,由於LED數量較多,矽基板的面積較大,導致矽基板中心部位的熱量不能及時傳到熱沉上,致使溫度升高造成中心部位的LED發光亮度降低。為此,採用新的合金技術進行銅熱沉結構設計,減少了熱沉的熱阻RΘ和溫度梯度dT( x,y)/dL,使矽基板中心部位的熱量能夠及時傳到熱沉上,再通過外殼進行散熱,以提高產品的可靠性。矽基板為矩形結構,厚度為0.3mm,其熱阻可以用下列公式進行描述[1]
RΘ＝{ln[(a/b)( a+2x)/(b+2x)]}/
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