作者： DEBBIE SNIDERMAN VI Ventures LLC 首席執行官

Plessey Semiconductor 最新的高功率硅基 LED 技術正在改變燈具設計的形式、功能和性能。典型工業燈具中的板載芯片 (COB) LED 通常很小，但透鏡或反射器組件和散熱器要大得多。新的 GaN-on-Si LED 芯片技術正在改變這一切，生產只有 5.6 毫米厚的燈具模塊，包括光學元件。與傳統的四芯片解決方案相比，單個高功率 GaN-on-Si 芯片可以通過二次光學提供多 30% 的輸出。

硅襯底是新設計的關鍵Plessey Semiconductors 的 LED 使用 GaN-on-Si 襯底制造。組件經理 Clive Beech 解釋了許多原因。“硅是一種非常好的熱導體，使設備更容易散熱，”他說。“這是經濟的，并且在許多地區都可以大量使用。我們的工廠有能力在 6 英寸和 8 英寸直徑的晶圓上進行 CMOS 處理，這比傳統上仍以 4 英寸運行的藍寶石襯底具有很大優勢。”

“硅也是高質量的，并且具有低缺陷水平，6 英寸基板的成本約為 4 英寸藍寶石基板價格的十分之一，”他補充道。“與競爭對手相比，這為我們提供了成本更低、性能更高的 LED，使我們能夠將 LED 應用到手電筒等新應用中。”

與 SiC 或藍寶石基板相比，硅上的熱阻方面的熱性能較低，因此來自結型 LED 表面安裝點的熱阻較低。這使得 Plessey 可以在相同的結溫下使用更高的表面貼裝溫度，這意味著具有更小的散熱器，從而節省了空間。

除了熱和成本優勢之外，硅基板的表面為 Plessey 的 LED 提供了另一個重要優勢。藍寶石向所有方向發射光，因此，構建在該基板上的 LED 設備發出的光不僅會從 LED 表面發射，還會從 LED 主體向下發射，被吸收。硅只提供表面發射，因此可以創建沒有吸收的垂直發射裝置。可以在不損失體積的情況下擴大 LED 的面積，甚至可以看到性能改進。

使用硅基板的另一個特點是多結 LED 器件可以與其電路集成在單個芯片上。這對 Plessey 來說是一個獨特的優勢，Plessey 是目前業內唯一一家提供集成光學器件的 LED 的公司。

改變燈具設計競爭對手在其高壓封裝設備中使用了一系列較小的 LED。例如，12V LED 使用四個串聯的 3V LED。借助 Plessey Semiconductor 的大功率多結 LED，可以在相同電流下使用單個芯片實現相同的流明性能。

“這對于燈具來說是一個巨大的優勢，尤其是在點光源或其他使用窄光束的系統中，”Beech 說。“當一個燈具在一個大功率封裝中有四個芯片的設備時，它們通常被放置在一個 2 x 2 陣列中，中心沒有芯片。將這種光通過窄光束光學元件將中間的十字準線投射到四個芯片的表面上。使用單個芯片和單個發光表面，沒有十字準線圖案。”

單個單片高壓器件可產生更好的光學遠場圖像。它也是居中的，即發射表面的中心在封裝的中心。因此，與多芯片解決方案相比，中心光束坎德拉功率也更出色。表面處的峰值強度大于非光學中心的峰值強度。“一個客戶使用我們的芯片生產了一個光束角只有 2 度的系統，”Beech 說。“總的來說，當使用單個芯片時，光學器件可以更好地調整到發射表面。”

它們尤其有助于窄光束系統，如聚光燈、便攜式照明、手電筒和 1,000 流明戰術手電筒。具有單一的、大的發射表面可提供遠距離發射的光。

與在藍寶石基板上生產的其他產品相比，新型大功率 LUCIAN PLW7070 單芯片 LED 具有更大的芯片尺寸，可用于便攜式手電筒和燈具、聚光燈、筒燈、高棚燈和泛光燈。

Plessey 的 GaN-on-Si LED 的使用壽命具有更好的流明維持率。競爭對手 LED 的光輸出在 6,000–7,000 小時內下降 7% 到 10%，而它們的光輸出在同一時間內僅下降 3%。

用于創建預聚焦 LED 的新工藝Plessey Semiconductors 的 Stellar LED 專利制造工藝于 2015 年開發。它涉及在硅襯底上圖案化 GaN 器件并在頂部安裝第二個硅襯底，然后將整個結構翻轉并移除背面揭示一個新的基質。這允許在基板上蝕刻到達下方 LED 的孔，從而有效地創建層疊并夾在兩個基板之間的 LED。

該工藝最重要的特點是能夠創建微鏡，作為 LED 處理的一部分，在芯片級預聚焦從 LED 發出的光。該工藝不會從其中一個基板上去除某些區域并填充孔以形成微鏡。最終結果是 LED 產生不需要二次光學器件的固有窄光束。預聚焦窄光束 LED 系統節省了資金、尺寸和對額外光學器件的需求，并且可以及時變得更小、更便宜。

新的反射器設計：帶有微反射器的 COB 陣列Plessey 的 Stellar Orion LED 光束形成模塊是這些用于定向照明應用的集成光學器件的 COB 版本，Beech 稱其已贏得多個獎項。通常，一個 15 度或 16 度的聚光燈會在前面有一個大的反射器和一面鏡子，但他們不需要它們。相反，它在每個 LED 周圍使用了一系列微反射器。聚光燈的總厚度，包括集成反射器，為 7 至 8 毫米厚，與反射器的直徑相同，遠小于其他技術。

一些聚光燈應用需要保護蓋板，但沒有透鏡。光學器件被設計并內置在單元本身中。將光學器件集成到 LED 系統本身在業內是獨一無二的，目前，Plessey Semiconductors 是唯一提供這種優勢的公司。其 Stellar Orion 產品的樣品目前以 25 度和 60 度的光束角范圍發貨。

“這些現在是我們的標準產品，比它們正在取代的典型聚光燈更具吸引力，看起來也不那么工業化，”Beech 說。這是邁向完全集成解決方案的墊腳石，其中 LED 具有內置的準直光束，并且體積會小得多，預計將在明年左右推出。那時，不需要微反射器，集成到 LED 芯片本身的器件的總厚度將在幾百微米的數量級。“當前的標準產品就像是規模更大的模擬版本，”他說。

不斷發展的散熱器在空間受限的設備（例如筒燈）中，小型散熱器非常重要。大功率 LED 與其他功率器件類似：功率輸入，光和熱輸出。對于產生的給定熱量水平，熱路徑是結溫的關鍵。

作為設計散熱器的起點，它的結溫不得超過 135°C。在最大工作電流下，考慮到基板的低熱阻，器件安裝到電路板上的焊點溫度將低于該溫度約 20 度，或約 115°

“我們將散熱器面向外部空氣，”Beech 說。“散熱器對周圍環境的熱阻是特定設計和表面積的重要作用。因為我們在更高的焊點溫度下運行，所以我們可以使用更小的散熱器并且仍然具有良好的性能。”

Plessey 的專利大功率 LED 制造流程示意圖。

硅充當鏡子，將光線從設備頂部反射出去。對于藍寶石襯底，一些光不可避免地會在襯底內部損失。

使用單個單片芯片消除了競爭多芯片產品上常見的十字準線。

封裝的 Plessey 多結 GaN-on-silicon 器件。

在 Tsolderpoint = 105°C 和 IFmax = 1.25 A 的最壞情況條件下測量 6,000 小時內的光通量保持和色移（LM-80 評估）。橙色線顯示 GaN/Si 在應力期內的顏色穩定性非常好。

審核編輯 黃昊宇