专利名称：具单胞失效自防护功能的多胞连接大功率光电器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及半导体光电器件结构，尤其涉及大功率光电器件的芯片结构， 属于半导体光电领域。
背景技术：
光电器件是指光能和电能相互转换的一类器件。其种类众多，如发光二
极管(LED)、太阳能电池、光电探测器、激光器(LD)等等。其中LED是 日常生活中使用最为广泛的一种光电器件。近年来，随着氮化镓基蓝光、绿光 和紫外光LED技术的不断成熟，发光效率不断提高，LED应用价值越来越受 到重视。LED作为一种光源有着众多的优点，突出表现在发光效能高(最新 研究成果已实现了白光1601m/W，超过了白炽灯和荧光灯，因此在节能方面有 优异的表现)；光波长范围窄，色彩饱度高；体积小、重量轻、点光源，实际 应用灵活方便；基于氮化镓的LED无毒、无公害，属于绿色环保光源。因 此，LED在照明领域有着巨大的应用价值。
目前，LED已经大量进入大屏幕显示、装饰照明、建筑照明、交通指示、 LCD背光等市场，可是更大的市场在于普通照明，而LED还未能打入这个庞 大市场，这是由于现在的LED还不能满足普通照明的要求造成的。普通照明 需要廉价、大功率的LED产品，可是现在的大功率LED技术还不成熟、大功 率LED制造成本还很昂贵。
提升大功率LED性能的途径主要有两方面1)提高LED器件的外量子效率，以提高芯片单位面积的出光量；2)加大芯片的面积，提高单颗芯片的出 光总量。目前LED的研究基本都集中在提高LED器件的外量子效率，从外 延、芯片工艺到封装等方面提出了很多改进的技术措施，如图形化蓝宝石衬 底技术、非极化面生长技术、氮化镓自支撑衬底技术、芯片表面粗化和纳米图 形技术、薄膜LED芯片技术、倒装LED技术等等。这些技术的应用都可以有 效提高LED芯片单位面积的出光量，有利于制造大功率LED器件。可如果不 增加芯片面积，那么单颗芯片的光输出功率总量还是有限的。在LED器件产 品上，要想获得更大的功率，就要依靠多芯片封装来实现，比如，现在市场上 的3W白光LED产品都是由三个lmn^的LED芯片封装而成。多芯片封装一 方面会增加封装的成本，另一方面会制约照明系统的小型化，进而增加照明系 统的成本。因此，为获得更大功率LED产品，必须增加LED芯片的面积。
在工业生产中，增加芯片面积能起到降低成本的作用，有利于产品的升 级、换代，可是涉及到产品的质量问题，如果不能有效控制芯片的成品率和可 靠性，那么增加芯片面积就变得毫无意义，甚至导致生产成本骤增。目前，在 增加LED芯片面积方面的研究基本没有报道，仅限于LED生产厂商努力提高 生产工艺质量，减少外延材料缺陷密度、减少芯片制造的废品率。首先考虑成 品率问题，假设330X330uri^芯片的成品率为95%，那么对于1皿2芯片的成 品率=0.951() = 60%，如果芯片面积增加到2mm2，芯片的成品率=0.9520二 36%。反过来看，如果要求lmn^芯片的成品率达到80%以上，2mn^芯片的成 品率达到60%以上，则对应330X330yn^芯片的成品率必须达到98%，这对 于工艺质量控制是非常困难的，工艺成本也会增加很多，所以单纯通过工艺质 量控制提高到成品率不是最佳选择。其次考虑LED芯片的可靠性。半导体器件的短路、烧毁失效通常是由芯片最薄弱的点产生，然后扩展开造成整个芯片 失效。芯片面积越大，薄弱点就越多，可靠性就自然降低。器件在实际工作过 程中，往往会遇到过激励和结温不均匀的情况，芯片的薄弱点就更加容易击 穿、短路、烧毁而造成器件失效。对于氮化镓基LED器件，从工艺质量控制 的角度把芯片的薄弱点数量减少到极低是非常困难的。目前，最好的氮化镓外
延片的位错密度都在108/cm2以上，这些位错位置都是潜在的第一失效点。因 而，单纯利用工艺质量控制提高大面积芯片可靠性同样不是最好的方法。
由此可见，要生产高可靠性的大面积、大功率LED器件，除了改进生产 工艺质量以外，还应该在LED光电器件结构设计上进行改进。
发明内容
鉴于以上现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种具单胞失效自防护 功能的多胞连接大功率光电器件，以提高大功率光电器件的整体稳定性和可靠 性。
实现本发明目的所采用的技术方案概括为
具单胞失效自防护功能的多胞连接大功率光电器件，所述光电器件的芯片 被分隔成至少2个单胞，每个单胞的阳极引线、阴极引线与对应极性的总引出 电极相连，其特征在于每个单胞与总引出电极之间的电极引线中串接至少一 个可熔断电阻，所述可熔断电阻是指由电流热效应引起的温度升高达到并超过 自身熔点，熔断造成电学隔离的电阻。
进一步地，该可熔断电阻帖覆于光电器件的芯片表面，至少串接一个可熔 断电阻后的各个单胞通过芯片内部互联结构与总弓I出电极连接；或者，该可熔断电阻以桥接形式全部或部分悬浮在芯片表面，至少串接一
个可熔断电阻的各个单胞通过芯片内部互联结构与总引出电极连接；
又或者，该光电器件还包含转移基片，光电器件通过倒装焊形式与转移基 片结合，所述可熔断电阻位于转移基片，各个单胞与至少一个可熔断电阻串接 后通过转移基片的电极引线与芯片上的总引出电极连接。
更近一步地，上述每个单胞的阳极引线或阴极引线上串接至少一个可熔断
电阻；或者每个单胞的阳极引线和阴极引线上均串接至少一个可熔断电阻。
进一步地，上述单胞相互之间的连接方式为并联或"并串联"，其中"并 串联"是指部分单胞先并联成组，然后再与其它单胞或"单胞组"串联。
进一步地，上述单胞是指具有光电转换功能的微尺寸单元，单胞的平面几 何形状为矩形、三角形、正多边形、圆形等规则形状或其它非规则形状；单胞 的排列方式为阵列式排列或其它非规则排列。
进一步地，该大功率光电器件指的是功率为1瓦以上的发光二极管或固态 激光器，也可以是其它光电器件。
更进一步地，适合用作为该可熔断电阻的材料包括金属材料(如镍、 铬、锡等等)、金属合金材料(如镍络合金)、半导体材料(如单晶硅、 多晶硅、非晶硅、氮化镓、砷化镓、磷化镓、磷化铟或与以上半导体同族的其 它材料)和其它导电材料(如导电陶瓷、导电有机物、碳纳米管等)。
本发明所设计的多胞连接大功率光电器件投入应用，其有益效果体现在 通过在每个单胞与总引出电极之间的电极引线上串接一个或多个可熔断电 阻，对光电器件内任一单胞的异常短路失效能够快速、及时地做出电学隔离反 应，消除了单胞失效对器件其他部分的影响，提高光电器件的整体稳定性和可靠性。此外，可熔断电阻多样化的串接方式，提高了对单胞失效防护应用的普 遍适用性。
图1是本发明多胞并联大功率LED芯片的原理结构示意图2a是本发明多胞并联的普通正面出光LED芯片的平面结构图2b是本发明多胞并联的普通正面出光LED芯片中一个单胞及其引线连
接的剖面示意图； 图3a是本发明多胞并联的垂直LED芯片的平面结构图； 图3b是本发明多胞并联的垂直LED芯片中一个单胞及其引线连接的剖面
示意图4a是可熔断电阻与LED芯片有源区位于同一基板上的倒装剖面图； 图4b是可熔断电阻位于转移基板上的倒装剖面图5a是本发明另一实施例多胞并联的普通正面出光LED芯片一个单胞及
其引线连接的剖面示意图； 图5b是本发明另一实施例多胞并联的垂直LED芯片一个单胞及其引线连
接的剖面示意图5c是本发明另一实施例多胞并联倒装结构LED芯片一个单胞及其引线
连接的剖面示意图； 图6是本发明又一实施例多胞并串联LED芯片的结构平面图。
具体实施例方式
为使本发明具单胞失效自防护功能的多胞连接大功率光电器件的实质结构特征及有益效果更易于理解，以下结合实施例及其附图对本发明技术方案作进 一步非限制性的详细说明。
从原理上分析如图1所示的多胞并联大功率LED芯片的原理结构示意 图可见，本发明的核心思想是把光电器件芯片的有源区分隔成许多小面积的单
胞(假设为n个单胞，n〉〉l)，再在这些小面积单胞与芯片的总电极之间的
电极引线中串联可熔断电阻Rm。正常工作情况下，流经每个单胞的电流1 <可
熔断电阻的熔断阈值电流Im，可熔断电阻不会熔断；当某个单胞j由于某种原
因而短路时，流经该单胞的电流急剧增加且使Ij>Im，可熔断电阻因过流发 热，温度达到并超过其熔点而产生熔断，进而使该单胞j与总电极在电学上隔 离，这样就可以迅速控制短路点，使其不再扩展蔓延到器件芯片的其它单胞， 保证器件其它部分不受影响，器件整体上仍然可以正常工作。
进一步分析单胞短路失效、可熔断电阻熔断隔离对器件总体性能的影响。 可以分为两种情况分析，在此首先假设单胞数量很多，单个单胞对器件器件总
体结温的影响可以忽略。第一种情况，如果LED器件是在恒压驱动状态，可 以认为该器件其它单胞的电流不受影响，其光输出也不变，那么器件总电流 (及输入功率)和光输出仅仅减少单个单胞的贡献(即1/n)，影响非常微 弱，可以忽略。另一种情况，如果LED器件是在恒流驱动状态(LED常规的 驱动方式)，那么失效单胞的电流会分配到其它每个单胞上，总电流不变，器 件的导通电压微微上升，可以忽略；器件总输入功率基本不变，而总光输出减 少小于l/n，也可以忽略。 实施例l
如图2a串接有可熔断电阻多胞并联的普通正面出光LED芯片的平面结构图所示整个LED芯片由单胞1、可熔断电阻2、阴极引线3、阴极压焊块
5、阳极引线4和阳极压焊块6组成，其中阴极压焊块5与阳极压焊块6构成 了该光电器件的芯片总引出电极。每个单胞1的经阴极引线3连接到阴极压焊 块5，单胞1与阳极压焊块6之间的阳极引线4上串接一个可熔断电阻2后再 连接到阳极压焊块6。而图2b示意的是串接有可熔断电阻多胞并联的普通正面 出光LED芯片中一个单胞及其引线连接的剖面。单胞位于衬底10的一侧，由 有源区11和下电极(阴极)引出区12组成，绝缘介质层13用以防止金属引 线跨接到p区和n区；阴极总引出电极藉由阴极引线14的一端与阴极引出区 12接触构成阴极通路，阳极通路则由阳极引线151和有源区11顶部接触，且 阳极引线151另一端连接一个可熔断电阻16后，再通过阳极引线152连接到 阳极总引出电极构成。各个单胞通过芯片内部互联结构与总引出电极连接。 实施例2
如图3a串接有可熔断电阻多胞并联的垂直LED芯片的平面结构图所示 整个LED芯片由单胞有源区21、可熔断电阻22、阴极引线23、阴极压焊块 24以及从背后导电衬底引出的阳极组成。单胞有源区21与阴极压焊块24间的 阴极引线23上串接一个可熔断电阻22，藉由阴极引线23构成单胞有源区 21、可熔断电阻22及阴极压焊块24的串联通路。而图3b示意的是串接有可 熔断电阻多胞并联的垂直LED芯片中一个单胞及其引线连接的剖面结构。导 电衬底20用于芯片的阳极引出，单胞有源区21位于导电衬底20的一侧，且 导电衬底20与单胞有源区21表面设置有绝缘介质层201，用以防止金属引线 跨接到p区和n区；单胞有源区21的顶部与阴极引线231的一端接触，阴极 引线231的另一端串接一个可熔断电阻22后，通过阴极引线232与阴极总引出电极构成阴极通路。
实施例3
串接有可熔断电阻多胞并联设计一样可以应用于倒装结构的LED芯片， 而且其连接方式也具有多样性。
其中的一种连接方式是把可熔断电阻设计在与LED芯片有源区同侧。如 图4a所示芯片由外延衬底30、有源区31、阴极引出区32、绝缘介质33、 阴极引线341和342、阳极凸点361和阴极凸点371组成，而转移基板由阳极 凸点362、阴极凸点372、阳极引线381、阴极引线382和绝缘基板39组成。 有源芯片和转移基板通过倒装焊工艺结合，把阳极凸点361和阳极凸点362对 接，把阴极凸点371和阴极凸点372对接。电流从阳极引线381经阳极凸点 362和阳极凸点361流至有源区，载流子在有源区复合发光，电流传输到阴极 引出区32经阴极引线341流过可熔断电阻35，再流到阴极引线342通过阴极 凸点371和阴极凸点372流到阴极引线382。
实施例4
此外，还可把可熔断电阻设计在异侧的转移基板上；各个单胞与至少一个 可熔断电阻串接后通过转移基片上的电极引线与芯片上的总引出电极连接。如 图4b所示芯片由外延衬底30、有源区31、阴极引出区32、绝缘介质33、 阴极引线34、阳极凸点361和阴极凸点371组成，转移基板由阳极凸点362、 阴极凸点372、阳极引线381、阴极引线3821和阴极引线3822、可熔断电阻 35、以及绝缘基板39组成。有源芯片和转移基板通过倒装焊工艺结合，把阳 极凸点361和阳极凸点362对接，把阴极凸点371和阴极凸点372对接。电流 从阳极引线381经阳极凸点362和阳极凸点361流至有源区，载流子在有源区复合发光，电流传输到阴极引出区32经阴极引线34流过阴极凸点371和阴极 凸点372流到阴极引线3821，接着流过可熔断电阻35，再流到阴极引线 3822。
实施例5
可熔断电阻的工作原理是在过流情况下自身加热使温度升高到超过熔点后 自发性熔断，以达到保护电路其它部分的目的，因此可熔断电阻的散热性能越 低，灵敏度就越高。以上设计结构中，可熔断电阻是贴覆在芯片表面通过衬底 散热，具有相对较好的散热能力，所以这种设计的可熔断电阻的灵敏度也相对 较低。为了提高可熔断电阻的灵敏度，可以把可熔断电阻设计成空气桥式，即 可熔断电阻悬浮在空中，两端与金属引线相连。这样就增加了可熔断电阻的热 阻，相应地灵敏度也得到提高。
实施例5.1
如图5a改进的串接有可熔断电阻的多胞并联的普通正面出光LED芯片一 个单胞及其引线连接的剖面示意图所示可见该可熔断电阻161为桥式结构， 中间悬空，两端跨接在阳极引线151和阳极引线152上。
实施例5.2
如图5b改进的串接有可熔断电阻的多胞并联的垂直LED芯片一个单胞及 其引线连接的剖面示意图所示可见该可熔断电阻221为桥式结构，中间悬 空，两端跨接在阴极引线231和阴极引线232上。
实施例5.3
如图5c改进的串接有可熔断电阻的多胞并联的倒装结构LED芯片一个单 胞及其引线连接的剖面示意图所示可见该可熔断电阻351为桥式结构，中间悬空，两端跨接在阴极引线3821和阴极引线3822上。 实施例6
该多胞大功率光电器件的芯片，除了多胞并联方式以外，还可以有另一种 "并串联"的布局形式，即先将部分单胞并联起来，形成并联多胞组，然后再 将一个或多个这样的并联多胞组相互串联或与其它单胞串联。与单纯并联结构
相比，这种并串联结构的优点是能够减少引线所占面积，获得更高的发光区 面积，提高有效利用面积；另外这种并串联结构可以在实际应用中有一定的实 用性，如在大电压驱动情况下。如图6示意了多胞并串联形式的LED芯片结 构平面图。图中LED单胞41的阳极引线中都串联有可熔断电阻42，然后通过 芯片互联引线引线47把这些串联有可熔断电阻42的单胞41并联起来构成并 联多胞组；上一级并联多胞组的共阴极引线与下一级并联多胞组的共阳极引线 经由芯片内互联引线47相连，形成并联多胞组的多级串联；第一级并联多胞 组的可熔断电阻42连接到器件芯片阳极总引线43，由阳极压焊块45连接到外 电极；最后一级并联多胞组(图中所示的第n级并联多胞组)的阴极引线连接 到器件芯片阴极总引线44，由阳极压焊块46连接到外电极。
上述若干实施例的详细说明可见，其中不但以单个可熔断电阻串联到器件 单胞的阳极引线中为例(如实施例l、实施例5.1和实施例6)进行说明，而且 更提供了以单个可熔断电阻串联到器件单胞的阴极为例(实施例2、实施例 3、实施例4、实施例5.2和实施例5.3)也进行了对应说明。在实际设计中， 可熔断电阻还可以在器件单胞的阴、阳极都串联可熔断电阻；对应每个单胞， 串联的可熔断电阻数量既可以是单个，也可以是多个。其结构特征及实施原理 与上述几个实施例相似，故不再赘述。此外，本发明中适合用作为可熔断电阻的材料包括金属材料(如镍、 铬、锡等等)、金属合金材料(如镍铬合金)、半导体材料(如单晶硅、 多晶硅、非晶硅、氮化镓、砷化镓、磷化镓、磷化铟或与以上半导体同族的其 它材料)和其它导电材料(如导电陶瓷、导电有机物、碳纳米管等)。虽然 本发明的具体实施方式
是以LED器件芯片为例说明，但是本发明完全可以适 用于其它功率型光电器件，如半导体激光器阵列等。
综上所述，对本发明具单胞失效自防护功能的多胞连接大功率光电器件多 个应用示例的详细介绍，旨在加深对本发明实质结构及有益效果的理解，对保 护范围不构成任何限制。但凡对于上述实施例进行的等同变换及等效替换，能 够实现与本发明相同创作目的的技术方案，均落在本案请求保护的范围内。
权利要求
1.具单胞失效自防护功能的多胞连接大功率光电器件，所述光电器件的芯片被分隔成至少2个单胞，每个单胞的阳极引线、阴极引线与对应极性的总引出电极相连，其特征在于每个单胞与总引出电极之间的电极引线中串接至少一个可熔断电阻，所述可熔断电阻是指由电流热效应引起的温度升高达到并超过自身熔点，熔断造成电学隔离的电阻。
2. 根据权利要求1所述的具单胞失效自防护功能的多胞连接大功率光电器件，其特征在于所述可熔断电阻帖覆于光电器件的芯片表面，至少串接一个可熔断电阻后的各个单胞通过芯片内部互联结构与总弓I出电极连接。
3. 根据权利要求1所述的具单胞失效自防护功能的多胞连接大功率光电器件，其特征在于所述可熔断电阻以桥接形式全部或部分悬浮在芯片表面，至少串接一个可熔断电阻的各个单胞通过芯片内部互联结构与总引出电极连接。
4. 根据权利要求1所述的具单胞失效自防护功能的多胞连接大功率光电器件，其特征在于所述光电器件还包含转移基片，光电器件通过倒装焊形式与转移基片结合，所述可熔断电阻位于转移基片，各个单胞与至少一个可熔断电阻串接后通过转移基片的电极引线与芯片上的总引出电极连接。
5. 根据权利要求1或2或3或4所述的具单胞失效自防护功能的多胞连接大功率光电器件，其特征在于所述每个单胞的阳极引线或阴极引线中串接至少一个可熔断电阻；或者每个单胞的阳极引线和阴极引线中均串接至少一个可熔断电阻。
6. 根据权利要求1所述的具单胞失效自防护功能的多胞连接大功率光电器件，其特征在于所述两个以上的单胞相互之间的连接方式为并联或"并串联"，其中"并串联"是指部分单胞先并联成组，然后再与其它单胞或"单胞组"串联。
7. 根据权利要求1或6所述的具单胞失效自防护功能的多胞连接大功率光电器件，其特征在于所述单胞是指具有光电转换功能的微尺寸单元，单胞的平面几何形状为规则形状或非规则形状；单胞的排列方式为阵列式排列或非规则排列。
8. 根据权利要求1所述的具单胞失效自防护功能的多胞连接大功率光电器件，其特征在于所述大功率光电器件指的是功率为1瓦以上的发光二极管或固态激光器。
全文摘要
本发明公开了一种具单胞失效自防护功能的多胞连接大功率光电器件，涉及半导体光电领域。该光电器件的芯片被分隔成至少2个单胞，每个单胞的阳极引线、阴极引线与对应极性的总引出电极相连，其特征在于每个单胞与总引出电极之间的电极引线中串接至少一个可熔断电阻，所述可熔断电阻是指由电流热效应引起的温度升高达到并超过自身熔点，熔断造成电学隔离的电阻。本发明通过在单胞与总引出电极之间串接入可熔断电阻，对光电器件内任一单胞的异常短路失效能够快速、及时地做出电学隔离反应，消除了单胞失效对器件其他部分的影响，提高了光电器件的整体稳定性和可靠性。
文档编号H01L25/075GK101645441SQ20091002743
公开日2010年2月10日 申请日期2009年5月6日 优先权日2009年5月6日
发明者勇 蔡 申请人:苏州纳米技术与纳米仿生研究所