平衡熱場分布的超大功率光電器件的制作方法
【專利摘要】一種平衡熱場分布的超大功率光電器件，包括光電器件芯片，該芯片的外延層包括彼此隔離的若干單胞，該等單胞相互串聯或并聯，其中至少兩個單胞相互并聯形成至少一個單胞組，并且該至少一個單胞組還與該等單胞中其余的一個以上單胞和/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長寬比接近1的矩形區域內，而且各單胞的間距沿芯片周緣部向中心遞增。本實用新型通過前述設計，可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，有效提升大功率光電器件的工作性能，并延長其使用壽命，同時還可使芯片中央區域有源區面積相對減少，產生熱量減少，且使單胞間熱的相互影響減少，從而達成芯片中央與四周熱場的平衡分布。
【專利說明】平衡熱場分布的超大功率光電器件
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種大功率半導體光電器件，尤其涉及一種平衡熱場分布的超大功率光電器件，屬于半導體光電【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:發光二極管(LED)、太陽能電池、光電探測器、激光器(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，廣泛應用于各種照明等領域，但由于其亮度差、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制造工藝的不斷進步和新材料(氮化物晶體和熒光粉)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、建筑照明、交通指示、IXD背光等市場，可是更大的市場在于普通照明，而LED還未能打入這個龐大市場。同時在熒光顯微鏡和投影儀市場中，LED所占的市場份額還很低，這是由于現在的LED還不能他們應用的要求造成的。普通照明、熒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，對于普通照明領域來說大功率LED制造成本還很昂貴。
[0004]在工業生產中，增加芯片面積能起到降低成本的作用，有利于產品的升級、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。如果不能有效控制芯片的可靠性，那么增加芯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芯片的熱可靠性: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芯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，導致該單胞越來越亮，而其他區域由于分到電流減少，亮度減少，芯片發光便不均勻，影響器件使用。更嚴重的是電流嚴重集中，由于熱電正反饋的作用，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)，進而導致整個芯片失效。器件芯片面積越大，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]鑒于現有技術的以上不足，本發明的目的在于提供一種平衡熱場分布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，本發明采用了如下技術方案:
[0007]—種平衡熱場分布的超大功率光電器件，包括光電器件芯片，所述芯片的外延層包括彼此隔離的復數個單胞，該復數個單胞相互串聯或并聯，該復數個單胞中的至少兩個單胞相互并聯形成至少一個單胞組，并且該至少一個單胞組還與該復數個單胞中其余的一個以上單胞和/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于0.5，但小于或等于1，
[0008]而且，沿從芯片周緣部指向芯片中心的方向，相鄰單胞之間的間距遞增。
[0009]作為較為優選的實施方案之一，所述芯片包括依次串聯的復數個單胞組，每一單胞組包括兩個以上并聯設置的單胞。
[0010]作為較為優選的實施方案之一，該復數個單胞組沿設定的螺旋線形軌跡依次串聯。
[0011]作為較為優選的實施方案之一，該復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于0.5，但小于或等于I。
[0012]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。
[0013]進一步的，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。
[0014]進一步的，位于最上游的單胞組的正極互聯金屬和最下游的單胞組的負極互聯金屬還分別與芯片的陽極壓焊區和陰極壓焊區電連接，或者，位于最上游的單胞組的負極互聯金屬和最下游的單胞組的正極互聯金屬還分別與芯片的陰極壓焊區和陽極壓焊區電連接。
[0015]進一步的，所述平衡熱場分布的超大功率光電器件還可包含轉移基片，所述芯片通過倒裝焊形式與轉移基片結合。
[0016]所述轉移基片上分布有復數個互聯金屬組，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，并且，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，
[0017]而位于最上游的互聯金屬組內的正極互聯金屬和最下游的互聯金屬組內的負極互聯金屬還分別與芯片的陽極壓焊區和陰極壓焊區電連接，或者，位于最上游的互聯金屬組內的負極互聯金屬和最下游的互聯金屬組內的正極互聯金屬還分別與芯片的陰極壓焊區和陽極壓焊區電連接。
[0018]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、正多邊形或圓形等，且不限于此。
[0019]優選的，該復數個單胞中相鄰單胞之間的距離在Ιμπι以上，但是在ΙΟμπι以下。
[0020]所述超大功率光電器件包括功率為10瓦以上的發光二極管或固態激光器，且不限于此。
[0021]與現有技術相比，本發明至少具有如下優點:
[0022](I)通過將光電器件芯片的有源區分割成許多小面積的單胞，并將其中若干單胞并聯形成單胞組(或稱，并聯組)，且使并聯組的單胞盡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，并且熱場呈環狀擴散，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，并延長其使用壽命。[0023](2)通過改變芯片不同區域單胞的間距，使單胞間距從芯片周緣部到芯片中心呈現遞增的變化趨勢，進而使芯片中央區域有源區面積相對減少，產生熱量減少，同時單胞間距較大，使單胞間熱的相互影響減少，從而達到平衡芯片中央與四周熱場分布均勻的目的。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0024]圖1是本發明一較佳實施方式的原理結構示意圖；
[0025]圖2a是實施例1中平衡熱場分布的超大功率光電器件的主視圖；
[0026]圖2b是實施例1中平衡熱場分布的超大功率光電器件的光學照片。
【具體實施方式】
[0027]如前所述，本發明的主旨在于提供一種新型的超大功率光電器件，其通過采用多胞設計及獨特的電路結構設計，進而有效實現了光電器件芯片內的熱場平衡分布。
[0028]在本發明的一優選實施方式中，其技術方案可以概括為:
[0029]一種平衡熱場分布的超大功率光電器件，其芯片被分隔成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，形成一個并聯組(亦可稱為“單胞組”)。其中，m為大于I的正整數，η>>1，亦為正整數。
[0030]進一步地，每個并聯組的正極、負極互聯金屬分別和相鄰并聯組的負極、正極互聯金屬連接。
[0031]進一步地，最外側(B卩，最上游和最下游)的并聯組正極、負極互聯金屬分別和芯片的陽極、陰極壓焊區連接。
[0032]或者，該光電器件還可包含轉移基片，光電器件的芯片通過倒裝焊形式與轉移基片結合，每個并聯組單胞正極、負極金屬分別通過轉移基片上對應極性的互聯金屬連接，轉移基板上每個并聯組的正極、負極互聯金屬分別和相鄰并聯組的負極、正極互聯金屬連接，并且最外側正極、負極互聯金屬分別與陽極、陰極同壓焊區連接。
[0033]進一步地，上述單胞相互之間的連接方式為“并串聯”，是指部分單胞先并聯成組，然后再與其它單胞或“單胞組”串聯。
[0034]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。
[0035]進一步地，并聯組內單胞排布在一個正方形區域內，或者長寬比大于0.5的矩形區域內(亦可理解為，該矩形區域的相對較短邊與相對較長邊的比值大于0.5，但小于或等于I)。
[0036]類似的，芯片內的并聯組均排布在一個正方形區域內，或者長寬比大于0.5的矩形區域內。
[0037]進一步地，芯片內部相鄰單胞的間距從芯片周緣部向芯片中心遞增。
[0038]進一步地，該大功率光電器件指的是功率為10瓦以上的發光二極管或固態激光器，也可以是其它光電器件。
[0039]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芯片的有源區分割成許多小面積單胞I (假設為η個單胞，η>>1)，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。本發明的設計將并聯組的單胞盡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，并且熱場呈環狀擴散，對于本發明的設計，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“并串聯”結構的大功率LED芯片的并聯組盡可能的排布在一個正方形或者長寬比接近I的矩形內，以避免某些并聯組出現熱集中情況。如熱成像照片所示，芯片中央熱場比較集中，節溫較高，根據這一現象，我們做了如下設計，改變芯片不同區域單胞的間距，使單胞間距從芯片中央到芯片周圍呈現遞減的變化趨勢。這樣，芯片中央區域有源區面積相對減少，產生熱量減少，同時單胞間距較大，使單胞間熱的相互影響減少，從而達到平衡芯片中央與四周熱場分布均勻的目的。
[0040]并且，本案發明人經大量研究和實踐后，還驚奇的發現，當將該復數個單胞中的相鄰單胞之間的距離控制在Iym以上，但在?ομπι以下時，還可使芯片呈現出更為優異的熱可靠性。并且，本案發明人還發現，當相鄰單胞之間的距離小于Iym時，其對改善熱分布集中的影響甚微，且會使芯片的制造難度和成本進一步提升，而當相鄰單胞的距離大于IOym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這一范圍）,但同時會使芯片有源區的有效利用面積急劇下降，并使芯片的功率下降。
[0041]為使本發明平衡熱場分布的的超大功率光電器件的實質結構特征及有益效果更易于理解，以下結合一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。
[0042]實施例I
[0043]參閱圖2a_2b所示系本發明的另一較佳實現形式，該平衡熱場分布的超大功率光電器件中，LED芯片的每個單胞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并聯組。每個并聯組的正極、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，形成多個并聯組的串聯結構。第一級并聯組的正極互聯金屬與陽極壓焊區34連接，最后一級(第m級)的負極互聯金屬與陰極壓焊區35連接，整個芯片再由陽極、陰極壓焊 區與外電路連接。值得關注的是，第一級并聯組(處于芯片中央）各個單胞之間的間距最大，第二級并聯組以及包圍在第一并聯組周圍的其余八個并聯組各個單胞之間距離略小于第一并聯組，以此類推，每多一圈并聯組，單胞間距減小一次，在最外圍的第m級并聯組單胞間距最小。由于芯片中央為熱集中區域，所以該設計減小芯片中央熱源（即有源區）面積來改善熱分布集中。圖中，N1系第一級并聯組，N2系第二級并聯組，Nm系第m級并聯組。
[0044]最后應說明的是，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征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發明裝置方案的精神和范圍。
【權利要求】
1.一種平衡熱場分布的超大功率光電器件，包括光電器件芯片，所述芯片的外延層包括彼此隔離的復數個單胞，該復數個單胞相互串聯或并聯，其特征在于，該復數個單胞中的至少兩個單胞相互并聯形成至少一個單胞組，并且該至少一個單胞組還與該復數個單胞中其余的一個以上單胞和/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于0.5，但小于或等于I， 而且，沿從芯片邊緣部指向芯片中心的方向，相鄰單胞之間的間距遞增。
2.根據權利要求1所述的平衡熱場分布的超大功率光電器件，其特征在于，所述芯片包括依次串聯的復數個單胞組，每一單胞組包括兩個以上并聯設置的單胞。
3.根據權利要求2所述的平衡熱場分布的超大功率光電器件，其特征在于，該復數個單胞組沿設定的螺旋線形軌跡依次串聯。
4.根據權利要求1或2所述的平衡熱場分布的超大功率光電器件，其特征在于，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所述的平衡熱場分布的超大功率光電器件，其特征在于，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所述的平衡熱場分布的超大功率光電器件，其特征在于，位于最上游的單胞組的正極互聯金屬和最下游的單胞組的負極互聯金屬還分別與芯片的陽極壓焊區和陰極壓焊區電連接，或者，位于最上游的單胞組的負極互聯金屬和最下游的單胞組的正極互聯金屬還分別與芯片的陰極壓焊區和陽極壓焊區電連接。
7.根據權利要求2所述的平衡熱場分布的超大功率光電器件，其特征在于，它還包含轉移基片，所述芯片通過倒裝焊形式與轉移基片結合。
8.根據權利要求7所述的平衡熱場分布的超大功率光電器件，其特征在于，所述轉移基片上分布有復數個互聯金屬組，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，并且，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， 而位于最上游的互聯金屬組內的正極互聯金屬和最下游的互聯金屬組內的負極互聯金屬還分別與芯片的陽極壓焊區和陰極壓焊區電連接，或者，位于最上游的互聯金屬組內的負極互聯金屬和最下游的互聯金屬組內的正極互聯金屬還分別與芯片的陰極壓焊區和陽極壓焊區電連接。
9.根據權利要求1所述的平衡熱場分布的超大功率光電器件，其特征在于，該復數個單胞中，相鄰單胞的間距在1μπι-10μπι。
10.根據權利要求2所述的平衡熱場分布的超大功率光電器件，其特征在于，該復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于0.5，但小于或等于I。
【文檔編號】H01L33/20GK203521414SQ201320343584
【公開日】2014年4月2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