CN100544041C - 交直流电源两用桥式照明发光二极管及制造方法 - Google Patents

Abstract

一种交直流电源两用桥式照明发光二极管及制造方法，其特征是用具备4个独立的发光PN结的复合芯片或用4个单一PN结芯片组成单元桥式芯片，每个芯片引出4个接线脚，对需通过荧光转化光质的PN结、在其周围涂覆与其相适应的荧光材料、环氧树脂封接。选用于交流或直流电路中，供作各种照明发光灯具及其它光源使用，每个发光二极管或每个单元桥式发光PN结芯片集成电路单独应用或多个串联、并联或串联、并联组合应用。具有使用寿命长、使用灵活安全、维护方便、使用成本低等系列重大优点，尤其是其能完整利用廉价交流电的正、负半周电能和可串联组合并省去体大笨重价昂的变压器而直接应用于照明交流电路中，这为第四代即白色LED照明开拓了广阔应用空间与市场。

Description

交直流电源两用桥式照明发光二极管及制造方法

背景技术：

根据色彩学原理，世界上任何颜色可由红、绿、蓝三种颜色的不同强度混合而成，这三种颜色称为基色或原色。白色发光二极管的发光机理也与其相似。从1960年成功开发发光二极管即LED到现在，先后研制成功从红色到橙色的AlInGaP和蓝色系列的InGaN发光材料，在Ga(镓)系列的基础上又研制成功蓝色(470nm)、蓝绿色(550nm)和绿色(525nm)的发光二极管，发光二极管的发光色已经实现了从紫外、可见直到红外几乎所有的光色，这些为白色发光二极管成为第四代光源奠定了坚实的基础。随着发光二极管的进一步开发和完善，白色发光二极管必将迅速发展成为21世纪的高效节能光源，并可同样迅速地替代现在广泛应用的白炽灯、荧光灯和高压气体放电灯。

最近，由于化合物半导体外延成长技术和发光器件制造工艺技术的急速发展，开发了光电转换效率非常高的发光二极管，其发光范围遍及红色到蓝色的可见光，甚至可发出红外光和紫外光；多年来人类一直在寻找和开发固体发光光源，随着发光材料的开发和半导体制作工艺的改进，半导体照明用发光二极管效率也因此而得到不断提高。目前实用化的化合物半导体发光材料是以III—VA族元素的材料为主要的发光材料，特别是采用氮化物半导体InGaN的蓝色发光二极管的实用化，将10cd以上的高亮度的蓝色发光二极管与钇铝石榴石荧光粉组合在一起，开发出光效达20lm/W以上的白色发光二极管。这种光源将成为新世纪的节能照明光源，十分引人注目。不仅如此，对于发光在短波长区域的紫外光发光二极管，通过与荧光粉的适当配合与改进器件的结构相配合，也可开发出用于照明的白色发光二极管。

白色发光二极管自开发成功4年来，其发光效率不断地提高。从开发初期的5lm/W，到1999年达到相当于白炽灯的光效15lm/W，后又提高到相当于卤钨灯的光效25lm/W，美国还在2000年4月召开了“LED发展战略研讨会”，目前美国实验室有色发光二极管的光效已达100lm/W，白色发光二极管的光效也已达40—50lm/W的水平。世界各大照明公司与半导体公司合资开发白色发光二极管，如美国G与EmCORE合作成立GELcore公司，德国西门子与欧司朗两公司成立合资公司等，并指出如果西方不开发自己的白色发光二极管技术，远东竞争者就会在发光二极管领域占优势：冲击传统照明光源。而日本从2001年开始实施使日本国成为固体照明先进的计划，并预计到2010年白色发光二极管在照明市场普及率将高达13％。日本自从1998年以来正在实施国家的“21世纪照明计划《高效率电光转换化合物半导体开发计划》”，已投资50亿日元，2000年已年产白色发光二极管1亿只，目前正在实施使白色发光二极管的光效达到80-100lm/W的开发计划，预计2003年白色发光二极管的光效就将达此目标，2010年将达到120lm/W，可制成效率高于荧光灯的照明系统，这一计划对国际LED的发展将产生巨大影响。另外，还可采用发紫外线的发光二极管与3基色荧光粉相结合、使其所发出的紫外线激发3基色荧光粉、也可得到效率接近或高于荧光灯的白色发光二极管。由于白色发光二极管光效的迅速提高，加之它体积小、耐振动、响应速度快、方向性好、寿命长达数万小时、可低压驱动、光色接近白炽灯色、色温变化不大且变化时不产生视觉误差、无汞和铅污染而引起世界各国高度重视和竞相研发，将成为替代白炽灯和荧光灯的高效节能光源。

尽管如此，作为照明用的发光二极管重要的特性参数是光亮度(能量)和光色(光谱能量分布)，对LED来说单纯地增加输入功率，亮度会成比例地上升，但LED芯片的发热量会随之增加，过多的热量将损坏它的结晶和封接而缩短寿命。因此使输入功率的电能高效地转换成光能是重要的关键技术。目前高输出型发光二极管的外部量子效率仅为10％左右，即空穴和电子对的能量中的90％成为内部热被耗损掉，因此将这部分内部耗损的热能转换成光能就可提高光亮度。虽然改进的途径有研究新的发光材料，提高发光层内部结合的几率，提高从芯片中取出光的效率而将现在的LED的光亮度再提高3-4倍、以达到荧光灯亮度的水平是完全可能的，如日本日亚公司研制的以GaN为基础的LED芯片的光效正在以每年提高10-20％的高速度不断改进，但正因为如此，该领域的竞争已非常激烈，且剩余空间也已不大，如另有新径可开辟的话，其市场、科技及经济与社会效益将不可估量。

发明目的：本发明就是为解决人类现有技术之不足而设计制造一种交直流电源两用桥式照明发光二极管及制造方法，使其不仅可用直流电源发光工作，更可直接使用极其普及、可靠、廉价与方便的交流电源及其完整的正、负半周电能而高效利用和转化交流电能发光工作，简化供电电源复杂程度和大幅提高供电系统功率因素及安全性，提高其能量转化成光的比例与效率而显著降低供电系统及其自身工作成本并大幅增加其寿命。

发明内容：

1、发明原理及问题：交流电是全世界最普遍、方便和廉价的电源，直流电则相反。本发明设计的产品既可用交流电、也可用直流电为电源，且使用变换非常简单，故具有最为广泛的适用(实用)性和最为广阔的市场与前景。发光二极管是在半导体PN结处施以正向电流时发出可见光、红外光、紫外光的半导体发光器件。在发光二极管中，当有正向电流流经半导体PN结时，在活性层注入的电子和空穴产生辐射再结合的过程而发光。这就提示我们：发光二极管也与其它用途的半导体二极管相似，只在正向电流时才能导通并转换电能发光；反向电流时处于截止状态而承受相对于正向电压的反向电压即电源反向峰值电压和电能冲击而易被击穿，加上前述的正向导电时高达60-90％的电能未转换成光能而转换成的热能累积的结果迅速使PN结温度升高而发高热，而高温会使半导体中载流子(电流方向相反的自由电子和空穴)数目增多，且温度越高载流子数目也愈多、增长也很快，而且不论是N型还是P型半导体，虽然它们都是一种载流子占多数，但相对来说另一种反向载流子即反向电流都会随温度增加而大幅快速上升，从而大幅降低反向电阻即耐压，当其增加到相当值时，PN结的单向导电性就会被破坏而被反向击穿即损坏报废，所以温度对半导体器件性能的影响很大.此时当反向电压也超过某一范围时，反向电流也将突然大增.温升与反向电压这两个重大破坏因素加在一起就会形成强大的降低耐压的合力，半导体的反向电阻值即耐压值就会大幅并快速降低，此时其标称的耐压值等许多重要参数指标早已大幅恶化下降、工作状态随时处于最危险的崩溃边沿。当达到其此时的耐压极限之下时、PN结就会突然被击穿损坏.这就是所有PN结或曰半导体(晶体)管尤其是发光二极管与具不怕热优势的普通照明灯具本质的不同之处.由此可见温升与反向电压是晶体管尤其是发光二极管损坏的关键且直接的因素，故现在的发光二极管基本都用低压直流电源。

2、解决办法：针对温升问题，解决的办法为用耐热和传热优良的基片及导线作PN结如镓N型材料传热的载体，并设计制造成面接触型低电阻PN结，以减小发热量和及时传导出热量并散发掉、以减小温升即减小穿透电流而维持其标称耐压值；针对反向电压问题，除用上述设计的基片和PN结以维持耐压值外，更重要的还在于在同一基片上同步设计反向导通的二极管，以分散发热和彻底克服反向电压及电流的危害并将其转换成光能，亦即既可使用交流电源驱动、又可使用直流电源驱动，且能源利用与转化率高、温升很低、安全耐用。显然实现如此目标的发光二极管如价格并不贵即具高性价比的话，将可应用于一切目的与场合，必将迅速拥有全部的市场，前景的确不可估量。

3、科技、经济创新方案、优点及原理：如前所述，交流电是全世界最普遍、最方便和最廉价的电源，直流电则相反，且本发明设计的产品既可用交流电、也可用直流电为电源，且使用变换非常简单，故具有最为广泛的适用(实用)性和最为广阔的市场与前景；在电源为交流电时，一只只有一个PN结的发光二极管只能单向导通一个完整周期的交流电的一个半周、故仅能利用其一半的电能，虽然只需一只发光二极管即相当于半波整流电路的原理与工作、与半波整流电路不同即区别特征之处只是发光二极管兼作了工作负载而已，故此时该发光二极管承受了电源全部正反向电压和最大即峰值电压，但另一方面这与把供发电网的功率因素降掉了一半没有什么两样，亦即把供发电设备的效率与收益降到一半、这与把供发电企业的效益也下降了一半没有本质区别，且这些企业还得另花成本和设备来处理这未能转换利用的电能所产生的新问题如其所发的热量等，相当于这些企业的成本再次大幅上升、并造成能源与资源的浪费，而现有的白织灯及其它照明灯具如电感性镇流器日光灯、高压灯等只需简单地配上一个价并不贵的普通电容器也基本解决了这些问题、电子镇流器日光灯或高压灯等因其功率因素可高达0.9以上则基本无这些问题；全波整流电路虽无上述对供发电网、设备与企业不利的问题，但因必需将电源电压提升一倍而必需多用一只二极管及增加了一倍副边绕组的带中心抽头的变压设备，而且因副边绕组即电压增加了一倍、每个二极管要承受半波即电源的双倍电压，这些必然要大幅提高二极管的耐压和增加既笨重又体积大且造价不低的变压器等系列成本，还会使电源及电路复杂、庞大；桥式整流电路虽比全波电路多用2个管子，但避免了全波电路所有的缺点，如因是每两个管子串联共同承担全波即2倍电源电压、故每个管子所承受的电压仅为全波电压的1/4、还可因无需而革除体大笨重与昂贵的变压器，也克服了半波电路所有的缺点如完整利用正、负半周电能并因此而提高功率因素、每个管子也仅承担半波即电源电压的1/2，故可通过降低管子的耐压和省去变压器一半副绕组乃至彻底弃用变压器及因此而提高的功率因素节约的重要成本等来降低所增加管子的成本，并因此而提高了被反向电压击穿的安全性：因为变压器是相位滞后的电感性储能元器件、相当于增加了反向电压作用力。而且现在的集成电路技术与工艺和极低制造成本很容易在同一管内复合几片基片或同一基片上多制造几个独立的PN结、均相当于多个独立的二极管，且本发明设计的引线和使用方法也极其简化：每个单元桥式LED包括交、直流两用电源和输入、输出线变换在内总共仅4条引线，这比用四个单一的二极管组成一个分立的工作电路以及再用多个这样的电路组成复合电路简化得多、安装使用维护也简单方便、成本显然很低；更重要的是四个或更多个光源汇聚在同一管内或同一基片上组成一个完整的复合管其亮度也强得多，且因制造原料、工艺及工作条件、发热分散且散热容易故温升均匀一致，加上元件及电路的统一，其光谱、寿命等系列相互高度关联的重要应用与评价指标也就必然高度一致与稳定。

此外，本发明还具有更关键重要的独特优势：从说明书各幅附图都可容易得知无论每个单元桥式LED是用于交流或直流电路，其内部都有两条相对独立与完整的电路回路即电路通路，这就是说当某个甚至某些独立桥式LED某条通路因某个PN结损坏断路或开路时、并不阻断其另一条电路通路及其上的LED发光、也不会阻断其前后左右串联或并联的其它独立桥式LED的电路及发光；如果这个PN结只是被击穿即未开路(应以此为主，因为照明用PN结或LED功率较大而设计采用面接触型故不易完全断路或开路、而本发明还设计其PN结及其集成电路内部导线系统采用金线焊接-见具体实施办法内容、而金具优良延展性因而抗热胀冷缩能力特强、还具优良导电性故自身发热低及高的熔解温度故也不会轻易断路或开路)、此时其就相当于导线、继续连通电路并勾通该通路回路使其上的另一个LED发光，故不会因此而阻断该通路及其上的另一个LED工作、且即使是交流供电因还有另一个PN结在继续正常工作故也不会因此而降低功率因素、自然更不会阻挡另一条通路；而同一条通路上的两个PN结同时损坏的可能性更小，因为它们本来就相互串联共同承担电源电压、即每个PN结所承受的实际电压仅为电源电压的一半；同样的道理，即使是第一类情况也很难发生，故很难想象会发生这样的情况；至于两条通路及其上的PN结都发生上述某类甚或两类故障的可能性即概率则更微，依据微小概率事件实际上很难即不可能发生的概率通则，故不再逐一分析讨论。因此，本发明设计的单元或复合桥式LED及其集成电路不会因某个甚至某些PN结的意外损坏而停止工作与发光，故使用安全可靠、更不易轻言报废二字，亦即其使用寿命更长、使用及维护成本低且因寿命长报废遗弃少故环境污染很小。

以上这些就是本发明交直流电源两用桥式照明发光二极管及制造方法的系列重要优势所在、现有单芯或多芯(简单机械重复罗列而已)LED因不可能具备这些优势而望尘莫及，还可广阔推广应用于现有技术与产品中，应用前景和市场广阔。

附图说明：

图1设计的是单元桥式LED及工作于交流电路中的电原理图。∽表示的是交流电源，*表示的是电连接点，LED1-LED4代表4只发光PN结，其中LED1、LED2代表功率较小的点接触型或接触面较小的面接触型发光PN结，LED3-LED4代表功率及接触面都较大的面接触型发光PN结，R表示发光PN结以自身为负载的虚拟等效电阻。设交流电的正半周电压加在LED2的箭号即+极端，LED1和LED4因反向电压截止而不导通，LED2和LED3因是正向电压而导通、并以自身为负载构成电路回路消耗电能、再将其所消耗的电能的一部分转换为光能、剩余的电能则转换成热量。当交流电的负半周加在LED4+极端时，则与上述的情况刚好相反，LED1和LED4因正向电压导通发光、LED2和LED3因是反向电压不导通。

图2设计的是单元桥式LED及工作于直流电路中的电原理图。+和-表示的是直流电源及其正、负极，与图1不同的是，LED1’-LED4’代表4只相同功率及接触面积的发光PN结、并省去了虚拟的等效电阻及其电路。直流电压加在LED1’和LED3’的箭号即+极端、因是正向电压导通发光，LED2’和LED3’因也是正向电压也导通发光。其余情况与图1的说明中的情况相似故不赘述。

图3设计的是单元桥式LED及工作于交流电路中的集成电路及布线系统和4线引出脚示意图。1、2、3、4表示的是4只引线脚的具体编号，其中1和3表示的是构成电源回路的引线脚、2和4表示的是连接交流电源的引线脚，虚线表示集成电路外部即发光二极管引线脚间的相互电连接，其它情况与图1说明同。

图4设计的是单元桥式LED及工作于直流电路中的集成电路及布线系统和4线引线脚示意图。与图3相似，1’、2’、3’、4’表示的也是4只引线脚的编号，与图3不同的是，其中1’和3’表示的是与直流电源相连接的引线脚，同时也是构成电源回路的引线脚，2’和4’表示的是连接交流电源的备用引线脚。其它情况与图2说明相同。

图5设计的是由图3和图4两只桥式LED组成的工作于交流电路中的并联复合集成电路及布线系统和各自的4线引脚线示意图，虚线表示集成电路外部即两只发光芯片引脚线间的相互电连接，通过变换它们的引线脚的联结将这两只桥式LED并联于交流电路中进行工作及发光：交流电源通过4与4’引线脚及2与2’引线脚将两个桥式LED并联并构成回路，1与3脚及1’与3’脚分别构成其各自所属的桥式LED内部电路回路。其它情况与图1-4有关说明相同。

图6设计的是由图3和图4两只桥式LED组成的工作于直流电路中的并联复合集成电路及布线系统和各自的4线引脚线示意图，虚线表示集成电路外部即两只发光芯片引脚线间的相互电连接，通过变换它们的引线脚的联结将这两只桥式LED并联于直流电路中进行工作及发光：直流电源通过1与1’引线脚及3与3’引线脚将两个桥式LED并联并构成回路，2与4脚及2’与4’脚分别为各自桥式LED连接交流电源备用脚。其它情况与图1-4有关说明相同。

图7设计的是由图3和图4两只桥式LED组成的工作于交流电路中的串联复合集成电路及布线系统和各自的4线引脚线示意图，虚线表示集成电路外部即两只发光芯片引脚线间的相互电连接，通过变换它们的引线脚的联结将这两只桥式LED串联于交流电路中进行工作及发光：交流电源通过4与2’引线脚及2与4’引线脚将两个桥式LED串联起来并构成回路，1与3脚及1’与3’脚分别构成其各自所属的桥式LED内部电路回路。其它情况与图1-4有关说明相同。

图8设计的是由图3和图4两只桥式LED组成的工作于直流电路中的串联复合集成电路及布线系统和各自的4线引脚线示意图，虚线表示集成电路外部即两只发光芯片引脚线间的相互电连接，通过变换它们的引线脚的联结将这两只桥式LED串联于直流电路中进行工作及发光：直流电源通过1与3’引线脚构成回路，1’与3脚将两个桥式LED串联起来，2与4引线脚及2’与4’引线脚分别为两个桥式LED连接交流电路备用脚。其它情况与图1-4有关说明相同。

具体实施方式：

首先是按所需LED如光谱等选用适当耐压与功率及面积的标准规格(届时视发光二极管的设计总功率与电源电压要求再具体选定)型基片作发光材料如镓系列发光材料PN结的载体基片、也可用单一芯片组成复合基片或在同一基片的双面或任一面需要部位、用同样或不同发光材料和工艺制造4个或更多独立的相同或不同发光材料的PN结、而形成一个具有4个或更多相同或不同的PN结即相当于4个或更多相同或不同的发光基片的复合型LED芯片。其次是制造成集成电路：将LED芯片放置在其导线结构中，按照设计的如说明书图3-图8单元或复合桥式集成电路电原理图、每4个PN结组成一个完整的单元式桥式集成工作电路、集成电路内部布线系统用金线焊接以完成电联接、之后再对照附图3或附图4所标明的4条引出线引出4条固定接线脚、并按照附图3或附图4所标明的4条引出线的编号一一注明每一条固定接线脚与其相对应的引出线的正确且唯一的编号；将每一个这样完整且通用的独立单元式桥式发光PN结或发光二极管及其工作电路再参照附图3-8设计的各种独立单元单用或合用于复合集成电路、通过简单改变每一个独立桥式发光PN结或发光二极管外部引线相互之间的简易连接完成所需的集成电路内外部整体的完整电联接。此处还应当特别强调指出的是：虽然限于篇幅的原因本发明仅设计和同时使用了两个独立桥式发光PN结或发光二极管及其集成电路，但其公开的电路、工作原理和接线、联结等核心实质性内容与具体方案已充分、明确揭示既然不论是交、直流电路还是串、并连电路都可同时使用两个、自然也可根据需要同时使用若干个，如多个串联使用以直接用日常交流照明电源及较高的电压驱动以省去较贵且体大笨重的变压器、也可同时使用多个并联以提高发光功率满足不同的照明强度和面积需求、还可既串又并兼而有之以满足多种应用场合与需求。再次是如非直接使用其所发之光、而是通过荧光照明的话，也只需简单地在芯片周围涂覆YAG等荧光材料相互适当配合。最后按照生产需要用环氧树脂封接入一个或多个单元桥式集成电路，再核定、标定并标准化固定各管脚线，即得交直流电源两用桥式照明发光二极管。应特别强调指出的是树脂既起保护基片即芯片的作用、又起集光棱镜的作用，故在设计制造其内部的发光PN结的具体位置和具体封接外形时，应把这二个因素结合在一起以相互配合。另外再介绍一下白色LED与普通白炽灯的光谱及分布的一些区别所在，以便更多人民了解本发明在不远的将来即将大量制造使用的第四代光源即白色LED中的应用价值与市场前景之所在：白色LED的光最初从LED发出，入射到周围的荧光粉层内，经多重散乱反射、吸收后向外部发射出光，LED的光谱峰值为465nm，半峰值宽度30nm、为非常尖锐的蓝色光谱，由蓝光激励YAG荧光粉发出峰值为黄色光555nm的平缓光谱线，黄、蓝光相混互衬后得到白色光。白色LED具有颜色的多样性和配光特性自由度大的特征。如上所述，与普通LED灯相同，白色LED同样可通过制造时根据设计需要决定单一或复合及桥式芯片及它们的PN结的具体位置以及树脂棱镜的曲率及棱镜与芯片间的距离来得到各式各样的配光特性、对于形状小的束状集光或广角的扩散光都易于进行配光控制。显然桥式LED最具竞争优势。

实施例及说明：本发明实施例及说明同附图3-8及说明，故以附图3-8及说明直接代替实施例及说明，不再重复叙述。

Claims (3)

1、一种交直流电源两用桥式照明发光二极管，其特征是将每4个发光PN结电连接组成单元桥式发光PN结，每个单元桥式发光PN结引出4个接线脚，对需通过荧光转化光质的PN结、在其周围涂敷与其相适应的荧光材料，再将一个或多个单元桥式芯片用环氧树脂封接。

2、交直流电源两用桥式照明发光二极管的制造方法如下：

a)发光PN结芯片的制造：在同一芯片的任一面或双面需要部位、用同样或不同发光材料和工艺制造4个或更多独立的相同或不同发光材料的PN结，或用同样或不同发光材料和工艺制造的单一PN结芯片组成4个或更多相同或不同的PN结芯片；

b)发光PN结芯片集成电路的制造：将a)所述的发光PN结芯片，每4个PN结组成一个完整的单元式桥式集成电路，并在其负极互相并联和正极互相并联的两个PN结间各引出1条引线脚、负极引线脚编号为1、正极引线脚编号为2，在其互相串联的两个PN结的正负极间各引出1条引线脚、分别编号为3与4，集成电路布线系统用金线焊接以完成电联接；

c)涂敷荧光材料发光PN结芯片集成电路的制造：按照b)所述的发光PN结芯片集成电路，对非直接使用PN结所发之光、在该PN结周围涂敷与其相适用的荧光材料；

d)发光PN结芯片集成电路的封装：将b)所述的发光PN结芯片集成电路或c)所述的涂敷荧光材料发光PN结芯片集成电路，按照生产需要用环氧树脂封接入一个或多个单元桥式集成电路；

e)交直流电源两用桥式照明发光二极管的制造：将d)所封装的发光PN结芯片集成电路核定、标定并标准化固定各管脚线，即得交直流电源两用桥式照明发光二极管。

3、权利要求1所述的交直流电源两用桥式照明发光二极管的用途：选用于交流或直流电路中，供作各种照明发光灯具及其它光源使用，每个发光二极管或每个单元桥式发光PN结芯片集成电路单独应用或多个串联、并联或串联、并联组合应用。

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