集成功率级LED与恒流源电路一体化设计介绍

目前,功率级LED产品有两种实现方式：一是采用单一的大面积功率级LED芯片封装,美国、日本已经有5W芯片的产品推向市场,需要低压大电流的恒流驱动电源供电,其价格也比较高;另一种是采用小功率芯片集成方式实现功率级LED,日本松下电工已经开发出20W的集成LED产品。然而由于功率级LED在低压大电流条件下工作,对于远距离的恒流驱动电源供电却存在着线路功耗大、系统可靠性低等许多难以解决的技术问题。

在承担的国家级科技攻关项目中,我们将新设计的DIS1xxx系列浮压恒流集成二极管与LED芯片通过厚膜集成电路工艺技术集成为一体,解决了集成功率级LED在使用中的恒流电源供电问题,其电流稳定度、温度漂移和可靠性等技术指标,均符合项目要求。

2 主要参数设计

采用单晶硅片作为基板,用双极型集成电路工艺方法在硅片上制作二氧化硅绝缘层、铝导电反光层,将多个LED芯片、SMD阻容元件和DIS1xxx 系列浮压恒流集成芯片集成在一起。通过光刻和扩散工艺,在单晶硅层形成反向稳压二极管,用于泄放静电,以提高LED的抗静电能力。我们设计的5W功率级集成LED,采用80个0.3mm×0.3mm的 LED蓝光芯片,通过涂敷YAG荧光粉发白光,主要技术参数为：　

输入电压范围Vin：DC 150 ±5 V;

恒定工作电流Io ：20 mA×2mA;

电流稳定误差△Io：＜ ±5 ％;

恒流温度漂移△IT ：＜5 μA/℃;

抗静电电压：VEDS≥1500 V;

电功率：Pm ≥ 5 W（加散热片）;

光效≥17 Lm/W;

热阻：RΘ≤16℃/W（包括硅基板和铜热沉）;

3 电路结构设计

3.1 电路原理设计

电路原理设计（图1）使用了两个DIS1020A 浮压恒流集成二极管分为两路恒流驱动各40个串联LED,每路的工作电流为20mA。在硅基板上,采用扩散工艺制作了16个56V/10mA的稳压二极管以吸收、泄放静电,保护LED不会受到静电的击穿而失效。电路中,设计的电容、二极管主要为了吸收来自外部供电电源的谐波、脉冲和其他干扰信号,减少这些干扰信号对产品的影响,提高产品的可靠性和工作环境适应性。

3.2 混合集成设计

采用硅基板与铜热沉结构设计（图2）,80个 LED设计为10×8矩阵结构,每10个LED与一组2个稳压二极管构成一个单元,硅基片的底面为稳压二极管的p区,n区通过铝导电反光层与每组LED的正、负极分别连接在一起,通过合金工艺实现欧姆接触。SMD电容C1,C2,C3和二极管D1设计在外围区域,减少对光的吸收和遮光等不良影响。　

3.3 热沉的温度梯度设计

为了提高产品的可靠性,采用1mil的金丝进行键合球焊,由于LED数量较多,硅基板的面积较大,导致硅基板中心部位的热量不能及时传到热沉上,致使温度升高造成中心部位的LED发光亮度降低。为此,采用新的合金技术进行铜热沉结构设计,减少了热沉的热阻RΘ和温度梯度dT( x,y)/dL,使硅基板中心部位的热量能够及时传到热沉上,再通过外壳进行散热,以提高产品的可靠性。硅基板为矩形结构,厚度为0.3mm,其热阻可以用下列公式进行描述[1]

RΘ＝{ln[(a/b)( a+2x)/(b+2x)]}/