一種改善熱分布集中的超大功率光電器件的製作方法
2023-09-23 09:12:20 2
一種改善熱分布集中的超大功率光電器件的製作方法
【專利摘要】一種改善熱分布集中的超大功率光電器件，包括光電器件晶片，晶片的外延層包括彼此隔離的多個單胞，該等單胞相互串聯或並聯，且該等單胞中的至少兩個單胞相互並聯形成至少一個單胞組，該至少一個單胞組還與該等單胞中其餘的一個以上單胞和/或一個以上單胞組串聯，且每一單胞組內的所有單胞均排布在一個矩形區域內，該區域相對較短邊與相對較長邊的比值＞0.5，但≤1。本發明通過採用多胞設計，並將其中若干單胞並聯形成單胞組，且使單胞組內的單胞排布在一個長寬比約為1的矩形內，進而使節溫較高的單胞可向周圍單胞傳導熱，使相鄰單胞節溫保持一致，避免節溫較高的單胞成為熱斑和熱崩，從而有效提升大功率光電器件的工作性能，並延長其使用壽命。
【專利說明】一種改善熱分布集中的超大功率光電器件
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種半導體光電器件，尤其涉及一種改善熱分布集中的超大功率光電器件，屬於半導體光電【技術領域】。
【背景技術】
[0002]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:發光二極體(LED)、太陽能電池、光電探測器、雷射器(LD)等等。LED以其固有的特點，如省電、壽命長、耐震動，響應速度快、冷光源等特點，廣泛應用於各種照明等領域，但由於其亮度差、價格昂貴等條件的限制，無法作為通用光源推廣應用。近幾年來，隨著人們對半導體發光材料研究的不斷深入，LED製造工藝的不斷進步和新材料(氮化物晶體和螢光粉)的開發和應用，各種顏色的超高亮度LED取得了突破性進展，其發光效率提高了近1000倍，色度方面已實現了可見光波段的所有顏色，其中最重要的是超高亮度白光LED的出現。據國際權威機構預測，二十一世紀將進入以LED為代表的新型照明光源時代，被稱為第四代發光源。
[0003]目前，LED已經大量進入大屏幕顯示、裝飾照明、建築照明、交通指示、IXD背光等市場，可是更大的市場在於普通照明，而LED還未能打入這個龐大市場。同時在螢光顯微鏡和投影儀市場中，LED所佔的市場份額還很低，這是由於現在的LED還不能他們應用的要求造成的。普通照明、螢光顯微鏡以及投影儀需要大功率的LED產品，可是現在的大功率LED技術還不成熟，對於普通照明領域來說大功率LED製造成本還很昂貴。
[0004]在工業生產中，增加晶片面積能起到降低成本的作用，有利於產品的升級、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。如果不能有效控制晶片的可靠性，那麼增加晶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晶片的熱可靠性: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晶片內是不均勻分布的，某些區域的溫度較高，電流較大，在過激勵的情況下，這些溫度較高的區域，電流集中，導致該區域越來越亮，而其他區域由於分到電流減少，亮度減少，晶片發光便不均勻，影響器件使用。更嚴重的是電流嚴重集中，由於熱電正反饋的作用，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)，進而導致整個晶片失效。器件晶片面積越大，溫度分布越不均勻，熱斑出現的概率越大，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。
【發明內容】
[0005]鑑於現有技術的以上不足，本發明的目的在於提供一種改善熱分布集中的超大功率光電器件，以提高大功率光電器件的輸出特性和成品率。
[0006]為實現上述目的，本發明採用了如下技術方案:
[0007]—種改善熱分布集中的超大功率光電器件，包括光電器件晶片，所述晶片的外延層包括彼此隔離的複數個單胞，該複數個單胞相互串聯或並聯，該複數個單胞中的至少兩個單胞相互並聯形成至少一個單胞組，並且該至少一個單胞組還與該複數個單胞中其餘的一個以上單胞和/或一個以上單胞組串聯，其中，每一單胞組內的所有單胞均排布在一個矩形區域內，所述矩形區域的相對較短的邊與相對較長的邊的比值大於0.5，但小於或等於
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[0008]作為較為優選的實施方案之一，所述晶片包括依次串聯的複數個單胞組，每一單胞組包括兩個以上並聯設置的單胞。
[0009]作為較為優選的實施方案之一，該複數個單胞組沿設定的折返曲線形軌跡依次串聯。
[0010]該複數個單胞組排布在一個矩形區域內，所述矩形區域的相對較短的邊與相對較長的邊的比值大於0.5，但小於或等於I。
[0011]進一步的，每一單胞組內的每一單胞的正、負極均與該單胞組的正、負極互聯金屬電連接。
[0012]任一單胞組的正、負極互聯金屬還均與相鄰單胞組的負、正極互聯金屬電連接。
[0013]位於最上遊的單胞組的正極互聯金屬和最下遊的單胞組的負極互聯金屬還分別與晶片的陽極壓焊區和陰極壓焊區電連接，或者，位於最上遊的單胞組的負極互聯金屬和最下遊的單胞組的正極互聯金屬還分別與晶片的陰極壓焊區和陽極壓焊區電連接。
[0014]進一步的，所述超大功率光電器件還包含轉移基片，所述晶片通過倒裝焊形式與轉移基片結合。
[0015]所述轉移基片上分布有複數個互聯金屬組，每一單胞組的正、負極互聯金屬分別與轉移基片上對應互聯金屬組內的正、負互聯金屬電連接，並且，每一互聯金屬組內的正、負互聯金屬還分別與相鄰互聯金屬組內的負極、正極互聯金屬電連接，
[0016]而位於最上遊的互聯金屬組內的正極互聯金屬和最下遊的互聯金屬組內的負極互聯金屬還分別與晶片的陽極壓焊區和陰極壓焊區電連接，或者，位於最上遊的互聯金屬組內的負極互聯金屬和最下遊的互聯金屬組內的正極互聯金屬還分別與晶片的陰極壓焊區和陽極壓焊區電連接。
[0017]所述單胞的平面形狀為規則幾何形狀或非規則形狀，所述規則幾何形狀包括矩形、三角形、正多邊形或圓形。
[0018]優選的，該複數個單胞中，相鄰單胞之間的間距在Iym以上，但是在ΙΟμπι以下。
[0019]所述超大功率光電器件包括功率為10瓦以上的發光二極體或固態雷射器。
[0020]進一步的，該複數個單胞組排布在一個矩形區域內，所述矩形區域的相對較短邊與相對較長邊的比值大於0.5，但小於或等於I。
[0021]與現有技術相比，本發明至少具有如下優點:通過將光電器件晶片的有源區分割成許多小面積的單胞，並將其中若干單胞並聯形成單胞組(或稱，並聯組)，且使並聯組的單胞儘可能的排布在一個正方形或者長寬比接近I的矩形內，藉此設計，在出現某個單胞節溫較高的情形時，該單胞可通過襯底向周圍單胞傳導熱，並且熱場呈環狀擴散，進而使相鄰單胞節溫保持一致，避免熱電正反饋作用使得節溫較高的單胞成為熱斑和熱崩，從而有效提升大功率光電器件的可靠性、發光效率等方面的工作性能，並延長其使用壽命。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022]圖1是本發明一較佳實施方式的原理結構示意圖；
[0023]圖2a是本發明實施例1中改善熱分布集中的超大功率光電器件的主視圖；
[0024]圖2b是本發明實施例1中改善熱分布集中的超大功率光電器件的剖視圖；
[0025]圖3a是本發明實施例2中改善熱分布集中的超大功率光電器件的主視圖；
[0026]圖3b是本發明實施例2中改善熱分布集中的超大功率光電器件的剖視圖；
[0027]圖3c是本發明實施例2中改善熱分布集中的超大功率光電器件的光學照片。
【具體實施方式】
[0028]如前所述，本發明的主旨在於提供一種新型的超大功率光電器件，其通過採用多胞設計及獨特的電路結構設計，進而有效改善了光電器件晶片內出現的熱分布集中問題。
[0029]在本發明的一優選實施方式中，其技術方案可以概括為:
[0030]一種改善熱分布集中的超大功率光電器件(亦可稱為「改善熱分布集中的多胞連接大功率光電器件」)，其晶片被分隔成m*n個單胞，每η個單胞的正極、負極由對應極性的互聯金屬分別連接在一起，因此可以稱這每η個單胞為一個並聯組(也可稱為「單胞組」)，其中，m為大於I的正整數，η >> 1，亦為正整數。
[0031]進一步地，每個並聯組的正極、負極互聯金屬分別和相鄰並聯組的負極、正極互聯金屬連接。
[0032]進一步地，最外側(即，最上遊和最下遊)的並聯組正極、負極互聯金屬分別和晶片的陽極、陰極壓焊區連接。
[0033]或者，該光電器件還可包含轉移基片，光電器件的晶片通過倒裝焊形式與轉移基片結合，每個並聯組單胞正極、負極金屬分別通過轉移基片上對應極性的互聯金屬連接，轉移基板上每個並聯組的正極、負極互聯金屬分別和相鄰並聯組的負極、正極互聯金屬連接，並且最外側正極、負極互聯金屬分別陽極、陰極同壓焊區連接。
[0034]進一步地，上述單胞相互之間的連接方式為「並串聯」，是指部分單胞先並聯成組，然後再與其它單胞或「單胞組」串聯。
[0035]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、圓形等規則形狀或其它非規則形狀。
[0036]進一步地，並聯組內單胞排布在一個正方形區域內，或者長寬比大於0.5的矩形區域內(亦可理解為，該矩形區域的相對較短的邊與相對較長的邊的比值大於0.5，但小於或等於I)。類似的，晶片內各並聯組排布在一個正方形區域內，或者長寬比大於0.5的矩形區域內。
[0037]進一步地，該大功率光電器件指的是功率為10瓦以上的發光二極體或固態雷射器，也可以是其它光電器件。
[0038]又及，請參閱圖1，從原理上分析，本發明的核心思想是把光電器件晶片的外延層分割成許多小面積的單胞(假設為η個單胞，η >> I)，其中每個小面積單胞的正極和負極分別通過互聯金屬2和3連接在一起。本發明的設計將並聯組的單胞儘可能的排布在一個正方形或者長寬比接近I的矩形內。如果有某個單胞節溫較高，他會通過襯底向周圍單胞傳導熱，並且熱場呈環狀擴散，對於本發明的設計，周圍單胞節溫也會隨之增加，能使相鄰單胞節溫保持一致，避免熱電正反饋作用使得節溫較高的單胞成為熱斑和熱崩。類似的，我們也可以將「並串聯」結構的大功率LED晶片的並聯組儘可能的排布在一個正方形或者長寬比接近I的矩形內，以避免某些並聯組出現熱集中情況。
[0039]並且，本案發明人經大量研究和實踐後，還驚奇的發現，當將該複數個單胞中的相鄰單胞之間的距離控制在Iym以上，但在ΙΟμπι以下時，還可使晶片呈現出更為優異的熱可靠性。並且，本案發明人還發現，當相鄰單胞之間的距離小於Iym時，其對改善熱分布集中的影響甚微，且會使晶片的製造難度和成本進一步提升，而當相鄰單胞的距離大於1ym時，其對單胞間熱的相互影響的改善較之甚微(較之I μ m?10 μ m這一範圍)，但同時會使晶片有源區的有效利用面積急劇下降，並使晶片的功率下降。
[0040]為使本發明改善熱分布集中的超大功率光電器件的實質結構特徵及有益效果更易於理解，以下結合若干較佳實施例及其附圖對本發明技術方案作進一步非限制性的詳細說明。
[0041]實施例1參閱圖2a所示，該改善熱分布集中的超大功率光電器件包含普通正面出光LED晶片，該LED晶片由若干單胞1、負極引線3、陰極壓焊塊5、正極引線2和陽極壓焊塊4組成，其中陰極壓焊區5與陽極壓焊區4構成了該光電器件的晶片總引出電極。每個單胞I經負極引線3連接到陰極壓焊塊5，經正極引線2連接到陽極壓焊區4。再參閱圖2b，其中一個單胞位於襯底10的一側，由有源區區域11和負極引出區12組成，絕緣介質層13圍裹於其外，用以防止金屬引線跨接到P區和η區；負極總引出電極藉由負極引線14的一端與陰極引出區12接觸構成負極通路，正極通路則由正極引線15和有源區11頂部接觸再連接到正極總弓I出電極構成。各個單胞通過晶片內部互聯結構與壓焊區連接。
[0042]實施例2該改善熱分布集中的超大功率光電器件，除了前述的多胞並聯方式以夕卜，還可以有另一種「並串聯」的布局形式，即先將部分單胞並聯起來，形成並聯單元組，然後再將一個或多個這樣的並聯單元組相互串聯或與其它單胞串聯。與單純的並聯結構相tt,這種並串聯結構的優點是:能夠減少引線所佔面積，獲得更聞的發光區面積，提聞有效利用面積；另外這種並串聯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。
[0043]參閱圖3a，該改善熱分布集中的超大功率光電器件中LED晶片的每個單胞31的負極經負極互聯金屬33連接在一起,正極經正極互聯金屬32連接在一起構成一個並聯組。每個並聯組的正極、負極互聯金屬分別與上一級的負極、下一級的正極互聯金屬連接，形成多個並聯組的串聯結構。第一級並聯組的正極互聯金屬與陽極壓焊區34連接，最後一級(第m級)的負極互聯金屬與陰極壓焊區35連接，整個晶片再由陽極、陰極壓焊區與外電路連接。圖中，N1系第一級並聯組，N2系第二級並聯組，Nffl系第m級並聯組。
[0044]在本實施例中，該改善熱分布集中的超大功率光電器件可以多種形式實現，例如，可參考圖3b、圖3c。
[0045]最後應說明的是，以上實施方案僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制，本領域的普通技術人員應當理解:其依然可以對前述方案所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特徵進行等同替換；而這些修改或者替換，並不使相應技術方案的本質脫離本發明裝置方案的精神和範圍。
【權利要求】
1.一種改善熱分布集中的超大功率光電器件，包括光電器件晶片，所述晶片的外延層包括彼此隔離的複數個單胞，該複數個單胞相互串聯或並聯，其特徵在於，該複數個單胞中的至少兩個單胞相互並聯形成至少一個單胞組，並且該至少一個單胞組還與該複數個單胞中其餘的一個以上單胞和/或一個以上單胞組串聯，其中，每一單胞組內的所有單胞均排布在一個矩形區域內，所述矩形區域的相對較短邊與相對較長邊的比值大於0.5，但小於或等於I。
2.根據權利要求1所述的改善熱分布集中的超大功率光電器件，其特徵在於，所述晶片包括依次串聯的複數個單胞組，每一單胞組包括兩個以上並聯設置的單胞。
3.根據權利要求2所述的改善熱分布集中的超大功率光電器件，其特徵在於，該複數個單胞組沿設定的折返曲線形軌跡依次串聯。
4.根據權利要求1或2所述的改善熱分布集中的超大功率光電器件，其特徵在於，每一單胞組內的每一單胞的正、負極均與該單胞組的正、負極互聯金屬電連接。
5.根據權利要求2所述的改善熱分布集中的超大功率光電器件，其特徵在於，任一單胞組的正、負極互聯金屬還均與相鄰單胞組的負、正極互聯金屬電連接。
6.根據權利要求2所述的改善熱分布集中的超大功率光電器件，其特徵在於，位於最上遊的單胞組的正極互聯金屬和最下遊的單胞組的負極互聯金屬還分別與晶片的陽極壓焊區和陰極壓焊區電連接，或者，位於最上遊的單胞組的負極互聯金屬和最下遊的單胞組的正極互聯金屬還分別與晶片的陰極壓焊區和陽極壓焊區電連接。
7.根據權利要求2所述的改善熱分布集中的超大功率光電器件，其特徵在於，它還包含轉移基片，所述晶片通過倒裝焊形式與轉移基片結合。
8.根據權利要求2或3或5或7所述的改善熱分布集中的超大功率光電器件，其特徵在於，所述轉移基片上分布有複數個互聯金屬組，每一單胞組的正、負極互聯金屬分別與轉移基片上對應互聯金屬組內的正、負互聯金屬電連接，並且，每一互聯金屬組內的正、負互聯金屬還分別與相鄰互聯金屬組內的負極、正極互聯金屬電連接， 而位於最上遊的互聯金屬組內的正極互聯金屬和最下遊的互聯金屬組內的負極互聯金屬還分別與晶片的陽極壓焊區和陰極壓焊區電連接，或者，位於最上遊的互聯金屬組內的負極互聯金屬和最下遊的互聯金屬組內的正極互聯金屬還分別與晶片的陰極壓焊區和陽極壓焊區電連接。
9.根據權利要求1所述的改善熱分布集中的超大功率光電器件，其特徵在於，該複數個單胞中，相鄰單胞之間的間距在Iym以上，但是在10 μ m以下。
10.根據權利要求2所述的改善熱分布集中的超大功率光電器件，其特徵在於，該複數個單胞組排布在一個矩形區域內，所述矩形區域的相對較短邊與相對較長邊的比值大於.0.5，但小於或等於I。
【文檔編號】H01L31/0352GK104241412SQ201310237730
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2013年6月17日 優先權日:2013年6月17日
【發明者】王瑋, 蔡勇, 張寶順 申請人:中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所