Led驅動電源大芯片的制作方法

Led驅動電源大芯片的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種LED驅動電源大芯片,包括寬度固定為W的透明基板(413)，第二透明基板(413)印制有銀漿電路，銀漿電路上形成有接口導線，接口導線有接入端和輸出端；輸出端的銀漿電路上有N+1條平行的接口導線，相鄰兩條接口導線的間距WJG等于W減接口導線寬再除以N(WJG＝(W-接口導線寬)/N)；第二透明基板(413)上先粘貼未經封裝的電源驅動晶圓級芯片(411)和整流橋晶圓級芯片(412)，然后將未經封裝的電源驅動晶圓級芯片(411)和整流橋晶圓級芯片(412)焊接在第二透明基板(413)上。
【專利說明】LED驅動電源大芯片
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種LED驅動電源大芯片，屬于LED照明【技術領域】。
【背景技術】
[0002]申請號 201310140124.5、201310140138.7、201310140150.8、201310140105.2、201310140134.9,201310140106.7,201310140151.2,201310140136.8 等中國專利申請公開
了多個能在通用和互換的LED燈泡上使用的光機模組技術方案。這些技術為建立以LED燈泡為中心的照明產業架構，使LED燈泡(照明光源)、燈具、照明控制成為獨立生產、應用的終端產品的基本理念奠定了基礎。但上述專利尚未解決光機模組內置驅動電源的問題。
[0003]現行的LED驅動電源多為開關電源，體積太大；也有體積稍小的線性電源，但其驅動芯片多以DIP雙列直插或SMD貼片封裝型式再配合輔助元器件，然后焊接在PCB電路板上，其體積仍不足以小到能放置到光機模組內部。這個思路難以使LED驅動電源微型化、輕量化和透明化，無法放置到光機模組中，最終無法在通用和互換的LED燈泡實現市電直接接入。
實用新型內容
[0004]本實用新型的目的在于，提供一種LED驅動電源大芯片。它可以方便地用于不同功率要求的LED光機模組，可以把體積做的較小，以至于可以將驅動電源放到燈泡內部甚至光機模組內部，有利于LED照明的標準化、大規模的推廣。
[0005]本實用新型的技術方案:LED驅動電源大芯片，其特點是:包括寬度固定為W的第二透明基板，第二透明基板印制有銀漿電路，銀漿電路上形成有接口導線，接口導線有接入端和輸出端；接入端的寬度與光機模板導線接入端的寬度We相同或有與電氣接插件相連的焊盤；輸出端的銀漿電路上有N+1條平行的接口導線，相鄰兩條接口導線的間距Wje等于W減接口導線寬再除以N(Wje = (W-接口導線寬)/N);第二透明基板上粘貼有未經封裝的電源驅動晶圓級芯片和整流橋晶圓級芯片，未經封裝的電源驅動晶圓級芯片和整流橋晶圓級芯片焊接在第二透明基板上；也可將整流橋晶圓級芯片合并在電源驅動晶圓級芯片中；第二透明基板有輸出端的接口導線端的寬度與LED照明大芯片的寬度W相同，高度為H2 ；LED驅動電源大芯片上輸出端的接口導線的用途是用來連接所述的LED照明大芯片上的芯片陣列的。N為3至7之間的整數。
[0006]與現有技術相比，本實用新型的LED照明大芯片可以滿足LED照明應用如驅動、調光、過電壓及浪涌保護、過載等的各種基本需求，且可以把體積做的較小，以至于可以將驅動電源放到燈泡內部甚至光機模組內部。這對LED照明低成本、小型化具有非常重要的意義。從而可以推動了 LED芯片的朝集成化的方向發展，使照明大芯片的出現成為現實。二者的共同使用將進一步推動LED照明產業的快速發展。
【專利附圖】

【附圖說明】[0007]圖1為本實用新型大功率LED驅動電源大芯片主視圖；
[0008]圖2為本實用新型小功率LED驅動電源大芯片主視圖；
[0009]圖3為本實用新型帶電阻的大功率LED驅動電源大芯片主視圖；
[0010]圖4為本實用新型實施例大型的光機模組；
[0011]圖5為本實用新型實施例中型的光機模組；
[0012]圖6為本實用新型實施例LED照明大芯片的結構示意圖；
[0013]圖7為本實用新型實施例的光機核心構件的結構示意圖；
[0014]圖8為本實用新型實施例的LED電壓電流波形圖；
[0015]圖9為本實用新型實施例的超高電壓運行功率波形圖；
[0016]圖10本實用新型實施例的調光運行功率波形圖；
[0017]圖11本實用新型實施例的電路連接圖；
[0018]圖12本實用新型實施例的驅動電源芯片內部電路圖；
[0019]圖13本實用新型實施例3段負載的LED電壓電流波形圖； [0020]圖14:本實用新型實施例DC52V串聯的LED芯片陣列模組功率加載分布圖；
[0021]圖15:本實用新型實施例LED芯片陣列承載電壓試算圖；
[0022]圖16:本實用新型實施例單顆DC52V芯片承載功率試算圖；
[0023]圖17:本實用新型實施例2*52V+4*35V串聯的LED芯片陣列模組功率加載分布圖。
[0024]附圖中的標記為:41_LED芯片，43-光機模板，43.1_光機模板固定孔，44.1_焊點，61-帶熒光粉的內罩，410-LED驅動電源大芯片，411-LED電源驅動晶圓級芯片，412-整流橋晶圓級芯片，413-第二透明基板，414-銀漿電路，414.1 -焊盤，416-電阻，420-LED照明大芯片，421-第一透明基板。
【具體實施方式】
[0025]下面結合附圖和實施例對本實用新型作進一步的說明，但并不作為對本實用新型限制的依據。
[0026]實施例。LED驅動電源大芯片，其特征在于:包括寬度固定為W的第二透明基板413，第二透明基板413印制有銀漿電路，銀漿電路上形成有接口導線，接口導線有接入端和輸出端；接入端的寬度與光機模板43導線接入端的寬度We相同或有與電氣接插件相連的焊盤；輸出端的銀漿電路上有N+1條平行的接口導線，相鄰兩條接口導線的間距 ' 等于W減接口導線寬再除以N(W$ = (W-接口導線寬)/N);第二透明基板413上先粘貼未經封裝的電源驅動晶圓級芯片411和整流橋晶圓級芯片412，然后將未經封裝的電源驅動晶圓級芯片411和整流橋晶圓級芯片412焊接在第二透明基板413上；可將整流橋晶圓級芯片412合并在電源驅動晶圓級芯片411中；第二透明基板413有輸出端的接口導線端的寬度與LED照明大芯片的寬度W相同，高度為H2 ；LED驅動電源大芯片上輸出端的接口導線的用途是用來連接所述的LED照明大芯片上的芯片陣列的。
[0027]其典型尺寸為L = 12.4mm, h4 = 5mm(大型)或 L = 12.4mm, h4 = 97mm(中、小型)，總厚度小于1_，參見圖1和圖D2。為防止氧化和損傷晶圓級芯片，在晶圓級芯片表面局部點膠保護。[0028]LED驅動電源大芯片410具有與LED照明大芯片420中輸入路相同的寬度W和接口導線間距Wje ;寬度W和接口導線間距Wje是不同廠家的LED照明大芯片420與不同廠家的LED驅動電源大芯片410之間的通用連接接口。輸出電路的寬度W為LED串聯長度*接口導線間距Wje+導線寬度。
[0029]由于LED驅動電源大芯片410能直接采用市電供電，采用LED驅動電源大芯片410構建的光機模組4具有體積小、超薄和整體透明的特點，參見圖1和圖2。
[0030]為了 LED電源驅動芯片411提供一個更穩定的工作電源，可在LED驅動電源大芯片410背部設置了電阻416，便于調節內部參考電壓，參見圖3。
[0031]使用LED驅動電源大芯片可以組建LED光機模組，它是按以下方法組建的:在光機模板43上印刷銀漿電路414，光機模板43上的銀漿電路414也形成有接口導線，且數目和間距均與LED驅動電源大芯片410的接口導線相同，將LED驅動電源大芯片410帶銀漿電路的一面貼在光機模板43帶銀漿電路414的一面進行對焊；同時將LED照明大芯片420帶芯片的一面貼在光機模板43帶銀漿電路414的一面進行對焊，兩者的接口導線相互對應焊接；從而將LED照明大芯片420與LED驅動電源大芯片410接通；最后用透明膠封裝LED照明大芯片420和驅動電源大芯片410周圍的縫隙。參見圖4和圖5 ;光機模板43可采用透明模板，可使LED發光時朝上的光在通過反射回來時能順利穿過LED驅動電源大芯片410而減少光線的遮擋。
[0032]所述LED照明大芯片420，如圖6所示，包括一個寬度也固定為W的第一透明基板421，透明基底上設有N+1條平行的接口導線，第一透明基板421上設有N顆LED芯片41構成LED芯片串聯組，每顆LED芯片41均位于兩條相鄰的接口導線之間，兩條相鄰的接口導線的間距為Wje等于W減接口導線寬再除以N (ffJG = (W-接口導線寬)/N)，且每顆LED芯片41的正負極均分別連接在兩條相鄰的接口導線上；且同時并聯多個LED串聯組，使得第一透明基板421上形成可在第一透明基板421長度方向上延伸的N列多行的LED芯片陣列；N為3至7之間的整數；在組建LED光機模組時，根據功率需要，對LED照明大芯片420進行剪裁，剪裁成不同長度的LED照明大芯片420具有不同的功率
[0033]所述LED芯片陣列和接口導線在第一透明基板421上的形成方法是:采用透明的襯底做過渡外延層形成的薄型外延片，外延片采用成熟芯片制造技術分層生長電路和LED芯片，然后經切割形成寬度為W的LED照明大芯片，其中生長出的電路包括接口導線和連接LED芯片和接口導線的連接芯片的導線，襯底作為第一透明基板；所述的芯片二極由于不需要焊接，可采用透明電極，以增加芯片的發光面積；所述的芯片成熟制造技術是:采用有機金屬化學氣相沉積設備分層進行覆硅、上膠、光刻、蝕刻、鍍膜、合金和磨片等工藝；或者采用傳統技術將LED芯片陣列貼裝在印制好銀漿電路414的第一透明基板421上，并通過倒裝焊接或金絲正裝焊接與第一透明基板421上的銀漿電路414連接，獲得LED照明大芯片，銀漿刷電路414包括接口導線和連接芯片的導線。
[0034]所述LED光機模組上的LED驅動方法為:整流橋晶圓級芯片412上的整流橋將市電AC轉化為脈動直流電，脈動直流電的電壓大于零，小于等于脈動直流電額定最大工作電壓Vwk，在脈動直流電上設置3?7段LED負載，各段LED負載串聯在一起形成LED負載串聯段組，多個LED負載串聯段組形成所述的LED芯片陣列，在脈動直流電的電壓升高時，電源驅動晶圓級芯片411控制LED負載串聯的段數逐級增加，在脈動直流電的電壓下降時，控制LED負載串聯的段數逐級減小，LED負載串聯的段數為實際連入脈動直流電的LED負載段數。
[0035]所述LED負載串聯的段數通過開關進行控制，開關的控制節點為電壓的分段界限，所述電壓的分段數量與LED負載串聯的段數相對應；所述LED負載串聯的段數的控制方法是，將每段LED負載的負極方向分別通過開關連接脈動直流電的負極，然后根據脈動直流電的電壓變化對各個開關的通斷進行控制，使用將某幾段開關斷路的方式實現LED負載串聯的段數的改變。
[0036]設定脈動直流電的脈動直流工作電SVw大于Vwmax的時段，控制所有開關斷開，停止向所有LED負載供電，實現對LED的過電壓及浪涌保護；通過調整脈動直流電的最大允許脈動直流電壓Vwmax的大小，從而實現對LED的發光亮度調整。
[0037]通過設置電流傳感器測得電路中有效工作電流Iw，當Iw超過設計值KIwk時，關閉所有開關以實現電流保護，開關的開啟需在下次重新加載電壓后恢復，其中K為調整系數，Iwe為額定有效工作電流。
[0038]所述的開關在脈動直流電壓上升階段延時tm毫秒動作，在脈動直流電壓下降階段提前tm毫秒動作，以獲得相對較平穩的LED工作電流。
[0039]設置串聯在一起的每一段LED負載為具有不同的最大承載電壓值的LED芯片組，可使在開關控制下工作的LED負載串聯段組獲得接近理想正弦波的工作電流曲線。
[0040]所述每一段LED負載最大承載電壓的調整方法是:①以脈動直流電壓為縱坐標、脈動直流周期為橫坐標作圖假定一個純電阻負載，其功率在脈動直流半波形成的正弦圖形面積為1，作圖；③設定LED負載串聯段組的承載功率為純電阻負載的120%，作一面積為1.2的矩形陰影圖，矩形陰影的縱坐標值即為串聯段組總的最大承載電壓值同理，已知LED負載承載電壓情況下，可作圖得出LED負載的圖形面積，，逐段驗證LED負載的面積之和大于開關的控制節點下的脈動直流正弦波面積；⑤選取LED負載串聯段組上各段LED負載的承載電壓值，相加大于等于串聯段組總的最大承載電壓值即可；其中，承載電壓值較高的LED負載靠近正極端，承載電壓值較低的LED負載靠近負極端。
[0041]所述光機模板43的材質為薄片非金屬透明材料，如SiO2, Al2O3等，它是將薄型板材加溫到近材料軟化點，利用模具采用沖壓設備沖壓成型的。由于材料易脆且硬度較高，因此只能切割方式進行加工成光機模板形狀時，成本較高。
[0042]使用前述的LED光機模組組建LED照明核心構件的方法，如圖7所示，在LED光機模組上設置柔性電路44后裝入帶熒光粉的內罩61即可；帶熒光粉的內罩61是將含熒光粉的注塑顆粒料與不含熒光粉的透明注塑顆粒料混勻；混合比例根據需要配置，然后通過注塑成型即得；其中所述含熒光粉的注塑顆粒料是將20?30%熒光粉體與70?80%透明注塑顆粒料混勻，熱熔后重新制成注塑顆粒料；熒光粉選用余輝時間大于8ms的熒光粉。
[0043]下文是以6組LED負載為例的本實用新型的工作原理。即η取值為6。
[0044]首先，交流電AC經過整流橋后變成脈動直流電，例:AC220V，50Hz交流電經整流橋整流后，參見圖8，電壓為半個周期(180度)的波形曲線，周期在O度時脈動直流電壓為零，在90度時脈動直流電壓達到最大值Vwe為最高DC311V，180度時，電壓又降為零，周而復始。
[0045]該電路的工作要求，在脈動直流電壓大于零與小于等于Vwk之間，共設置3?7段負載，各段負載間形成串聯方式，隨電壓升高，負載(即LED負載)串聯段數逐級增加，負載電壓由開關控制加載，參見圖8和圖11，電壓開關節點為電壓分段界限。
[0046]供電管理運行模式:本實用新型不設計電流控制器件，各級開關的啟閉僅取決于Vw的變化，參見圖8、圖11和圖12。
[0047]周期O~90度時:
[0048]第I段:工作初始狀態，即周期從O起始，電路中開關K1~K6處于開啟狀態(ON)，電流主要經節點J1通過開關K1形成通路，負載由額定電壓為lVm/6串聯工作的LED組成；
[0049]第2段:當Vw大于等于lVWK/6時，開關Kl關閉(OFF)，電流主要經節點J2通過開關K2形成通路，負載由額定電壓為2VWK/6串聯工作的LED組成；
[0050]第3段:當Vw大于等于2Vm/6時，開關Kl處于0FF，開關K2關閉(OFF)，電流主要經節點J3通過開關K3形成通路，負載由額定電壓為3Vm/6串聯工作的LED組成；
[0051]第4段:當Vw大于等于3Vm/6時，開關Kl~K2處于0FF，開關K3關閉(OFF)，電流主要經節點J4通過開關K4形成通路，負載由額定電壓為4Vm/6串聯工作的LED組成；
[0052]第5段:當Vw大于等于4Vm/6時，開關Kl~K3處于0FF，開關K4關閉(OFF)，電流主要經節點J5通過開關K5形成通路，負載由額定電壓為5Vm/6串聯工作的LED組成；
[0053]第6段:當Vw大于等于5Vm/6時，開關Kl~K4處于0FF，開關K5關閉(OFF)，電流經節點J6通過開關K6形成通路，負載由額定電壓為6Vm/6串聯工作的LED組成；
[0054]開關Kl~K6關 閉時，可采用延時0.1ms的關閉方法，可獲得相對較平穩的電流。
[0055]周期9O~1洲度時:
[0056]第6段:工作初始狀態，電壓由最大值向下減少，電路中開關Kl~K5處于關閉狀態(OFF)，開關K6處于開啟狀態，電流經節點J6通過開關K6形成通路，負載由額定電壓為βν^/6串聯工作的LED組成；
[0057]第5段:當Vw小于等于5VWK/6時，開關K5~K6開啟(ON)，電流主要經節點J5通過開關K5形成通路，負載由額定電壓為5VWK/6串聯工作的LED組成；
[0058]第4段:當Vw小于等于4VWK/6時，開關K4~K6開啟(ON)，電流主要經節點J4通過開關K4形成通路，負載由額定電壓為4VWK/6串聯工作的LED組成；
[0059]第3段:當Vw小于等于3VWK/6時，開關K3~K6開啟(ON)，電流主要經節點J3通過開關K3形成通路，負載由額定電壓為3VWK/6串聯工作的LED組成；
[0060]第2段:當Vw小于等于2VWK/6時，開關K2~K6開啟(ON)，電流主要經節點J2通過開關K2形成通路，負載由額定電壓為2VWK/6串聯工作的LED組成；
[0061]第I段:當Vw小于等于lVWK/6時，開關Kl~K6開啟(ON)，電流主要經節點Jl通過開關Kl形成通路，負載由額定電壓為lVWK/6串聯工作的LED組成。
[0062]開關Kl~K6開啟時，可采用提前0.1ms的開啟方法，可獲得相對較平穩的電流。
[0063]調光運行模式:外部設置一給定電壓VT = O時，Vffmax對應CVwk，外部電壓給定VT=5V時，Vffmax對應0V，設置O ( Vffmax ( CVffE, C調整系數，為額定電壓的倍數，如C = 1.12。Vw大于Vwmax的時段,對應各段的開關將關閉(OFF),停止向負載供電。其作用為一種調光方案。參見圖10、圖11和圖12，調節Vwmax低于Vwk，圖中黃色部分將增加，輸入到負載的功率將降低，從而達到調光的目的。例:當LED在AC220V市電正常工作是，調整交流電電壓至AC180V的電壓時，圖中的陰影部分為Vw高于254V的形成功率投影圖部分，從周期約55.5度到124.5度之間，由于此段時間內相應的開關Kx處于關閉(OFF)，陰影部分的功耗(相當于正常市電下脈動直流半波的加載功率的57.0% )將被剔除，這部分功耗未被加載到負載上，使負載的亮度降低。當^_等于O時，所有開關將關閉(OFF)，負載供電量為零。可以做到無級調光，而不會發生能量消耗。
[0064]電壓保護運行模式:設置Vwmax = CVwro Vff大于Vwmax的時段，對應各段的開關將關閉(0FF)，停止向負載供電。參見圖9、圖11和圖12，例:當市電達到270V的高電壓時，圖中的陰影部分為Vw高于348V的形成功率投影圖部分，從周期約66度到114度之間，由于此段時間內Kl~K6開關處于關閉(0FF)，陰影部分的功耗(相當于正常市電下脈動直流半波的加載功率的50.2% )將被剔除，這部分功耗未被加載到負載上，使負載不會因過電壓燒毀。
[0065]過流保護運行模式:該電路具有過流保護，參見圖12，電流傳感器測得電路中有效工作電流Iw超過設計值KIwk, K為調整系數，例:設定Iwe = 275mA, K=L 2，邏輯開關控制器將關閉所有開關Kl~K6(0FF)，開啟開關(ON)Kl~K6需在下次重新加載電源壓后恢復。
[0066]依據與上述相同的原理，負載方式可分為3~7段，分段少，電路簡單，但電流變化較大，容易在電網產生低次諧波，參見圖13;分段多，則電路結構復雜。一般取4~6段為佳。
[0067]注:VW—脈動直流工作電壓(1.4142*交流電壓)；VWK—脈動直流額定最大工作電壓(1.4142*交流電壓)；Vwmax—最大允許脈動直流電壓(1.4142*交流電壓)；IW—有效工作電流。Iwe—額定有效 工作電流。
[0068]如市電為AC220，整流后的電壓為DC311V，以每組LED負載為單顆芯片為例，則每顆芯片承受DC52V ;如AC110，則芯片承受DC26V。設脈動直流半波的加載功率面積為1，參見圖14，圖中每個LED負載(LED模組I至6)被加載功率相差比較大，LED模組I達到脈動直流半波的加載功率面積的20.68% (為芯片額定出力的84.4% );而LED模組6只有5.11% (為芯片額定出力的19.2% )，約為模組I的四分之一功率，經過實測驗證，模組6的實際亮度很低；整個芯片組的平均被加載的功率為芯片額定出力的52.4%，芯片的利用率較低；而芯片組的額定出力(虛線框面積)為脈動直流半波的加載功率面積的159%。由于芯片冗余量過大，不僅芯片浪費，還造成驅動電源過大而浪費，同時增加了布置上的難度。因此，恒定直流狀態下選擇芯片電壓的方法在脈動直流狀態下存在一定問題，如何在保證芯片安全工作的前提下，提高芯片的利用率成為一個待解決的問題。
[0069]設定6顆串聯的LED芯片陣列的額定出力由脈動直流半波加載功率的1.59倍調低至1.2倍(考慮到小型電網市電會出現不低于1.2倍波動)，參見圖15，設LED芯片陣列芯片承載功率(圖中陰影部分面積)為脈動直流半波加載功率(脈動直流半波部分面積)的1.2倍時，可以由圖15作圖推算出市電為AC220V時芯片陣列的承載電壓為DC236V ；
[0070]參見圖16，對LED模組I到模組6分別設置不同的電壓值，可以得到不同承載電壓值下的芯片加載功率面積(圖中陰影部分)；
[0071]采用2*52V+4*35V高電壓芯片(模組I和模組2的型號為VES-AADBHV45、模組3到模組6為ES-AADBHF40)組成串聯陣列，則芯片陣列的承載電壓調整為DC244V ;作圖17，獲得的芯片陣列被加載功率面積為脈動直流半波功率面積的96.67%，芯片陣列被加載的功率接近I為理想狀態；此時LED芯片陣列被加載的功率為芯片陣列額定出力77.6% ;實驗驗證與推算值相近。[0072]各電壓段的模組加載功率驗證:設脈動直流半波的加載功率面積為1，電壓為縱坐標時，容易通過圖16計算DC52V芯片額定出力為26.52%，同理，DC35V芯片的額定出力為17.89% ;圖17則是市電為AC220V時，LED芯片陣列各模組的被加載的功率情況；表1是芯片陣列被加載的功率為脈動直流半波功率面積I時，市電電壓分別為AC220V，AV246V，AC270V各個模組被加載功率的情況，表中可以看出，僅模組3在DC311V和DC348V略有過載，但由于模組I和模組2有功率裕量，實驗證明模組3可通過。
[0073]在市電為IlOV時，優化方式參照上述進行。
[0074]理想狀態下芯片承載功率驗算如下表所示:
【權利要求】
1.LED驅動電源大芯片，其特征在于:包括寬度固定為W的第二透明基板(413)，第二透明基板(413)印制有銀漿電路(414)，銀漿電路(414)上形成有接口導線，接口導線有接入端和輸出端；輸出端的銀漿電路(414)上有N+1條平行的接口導線，相鄰兩條接口導線的間距等于W減接口導線寬再除以N;第二透明基板(413)上粘貼有未經封裝的電源驅動晶圓級芯片(411)和整流橋晶圓級芯片(412),未經封裝的電源驅動晶圓級芯片(411)和整流橋晶圓級芯片(412)焊接在第二透明基板(413)上；第二透明基板(413)有輸出端的接口導線端的寬度同為W ;N為3至7之間的整數。
【文檔編號】F21Y101/02GK203810334SQ201420259201
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年5月20日 優先權日:2014年5月20日
【發明者】張繼強, 張哲源, 朱曉冬 申請人:貴州光浦森光電有限公司