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宁波天炬 晶圆级LED芯片及白光光源——2019神灯奖优秀技术奖
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  • 品牌名称: 天炬

项目名称: 晶圆级LED芯片及白光光源

        Wafer-level LED chip (WL-LED) and whith light source


申报单位: 宁波天炬光电科技有限公司、中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所



综合介绍或申报理由:

半导体照明的核心器件是LED芯片。单颗LED芯片功率的提高能够带来诸多优点:光源光功率密度提高,简化灯具的二次光学设计;减小LED光源及灯具的体积、重量,降低光源封装、灯具组装成本;提高光源、灯具的可靠性。多年以来,LED学术界和产业界不断努力研究、开发大功率LED芯片。提高单颗LED芯片的功率必然要增加芯片的面积,就会导致芯片的良率降低。这一良率问题始终是大家共同面临的巨大挑战,制约着大功率LED芯片的发展。因此,功率大于10W的LED单芯片是非常鲜见的。

宁波天炬光电科技有限公司与中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所合作研究开发了晶圆级LED芯片。晶圆级LED芯片并非通常所说的“LED晶圆级封装”,而是在一片晶圆上先制作出许多个LED小单胞,单胞间彼此电学隔离,再通过内部金属互连,把这些小单胞集成为巨大的LED网络,构成一个超大面积、超大功率的LED芯片。通过内部互连的优化设计以及工艺改进,成功实现了2英寸GaN基晶圆级LED芯片,单芯片输出蓝光功率400W@1080W,效率约为40 %,是迄今为止世界上功率最大的LED芯片。在此基础上,进一步开发了晶圆级LED白光光源,单芯片光源输出白光光通量超过9万流明,光效达85lm/W,也成为当今世界上最大功率的单芯片白光LED光源。经过多年努力,已经形成了晶圆级LED芯片与光源的相关产品。

晶圆级LED的有以下突出优点:1. 在千瓦级别的半导体光源中,发光面积最小,不到10平方厘米,使大功率LED灯具的配光更加简单,二次光学系统更小巧轻便;2. 高性价比,可以使封装成本降到最低,由于芯片面积大,不再需要精密昂贵的贴片、引线设备,产率也大大提高;3. 灯具组装更简单;4. 高可靠性,由于消除了传统封装中的金丝引线,光源使用中导致“死灯”的金丝断线问题也不复存在。

凭借以上优点,这项产品将助推半导体照明在极大功率照明领域的普及应用,如:探照灯、舞台灯、体育场、广场、机场候机厅、停机坪、车站、码头等。

在晶圆级LED研发过程中,获得了一系列原始创新成果:发表了9篇学术期刊论文,授权了6项中国发明专利、1项美国专利、1项日本专利,还有1项欧洲专利正在审查中。企业与科研院所密切合作取得的晶圆级LED原始创新成果,在一定程度上弥补了我国LED产业界核心技术不足的短板,提振“中国创造”的信心。



主要技术参数:

晶圆级LED芯片:V = 200 V, I = 5 A, 光功率 = 400 W, 波长 = 450 nm;

晶圆级LED白光光源: V = 200 V, I = 5 A, 光通量 = 92000 lm,色温 = 5500 K;



与国内外同类产品或同类技术的比较情况:

国内外均未见同类产品



技术及工艺创新要点:

晶圆级LED芯片: 采用了冗余设计和电压匹配设计,与芯片内部集成互连结构结合,有效提高了晶圆级LED芯片的良率。

晶圆级LED白光光源:采用插拔式电学连接,消除了金丝焊线;利用高导热基板和主动散热,有效解决了高密度散热。



实际运用案例和用户评价意见:

安徽省玟雍光电子有限公司用本公司提供的晶圆级LED白光光源研制的大功率探照灯,体积和重量分别降低了60%和50%,性能达到要求。



获奖、专利情况:

发表的学术论文列表:

1.Yibin Zhang, Mingdi Ding, Desheng Zhao, Hongjuan Huang, Zhenlin Miao, Peng He, Yanming Wang, Baoshun Zhang and Yong Cai, “Analysis and Modeling of Thermal-electric Coupling Effect of High Power Monolithically Integrated Light Emitting Diode”, IEEE Trans. Electron Devices, VOL. 65, NO. 2, pp564-571,Feb. 2018, Doi: 10.1109/TED.2017.2783622

2. Mingdi Ding, Yibin Zhang, Jianwei Xu, Desheng Zhao, Hongjuan Huang, Xin Xu, Zhenlin Miao, Peng He, Yanming Wang, Yongjun Dong, Baoshun Zhang and Yong Cai, “High-power single-chip GaN-based white LED light-emitting diode with 3058 lm”, IET Electronics Letters, Vol.52,NO.25,pp.2027, Dec. 2016

3. Yibin Zhang, Jianwei Xu, Mingdi Ding, Desheng Zhao, Hongjuan Huang, Guojun Lu, Zhenlin Miao, Yundong Qi, Baoshun Zhang, and Yong Cai, “Wafer-Level Light Emitting Diode (WL-LED) Chip Simplified Package for Very-High Power Solid-State Lighting (SSL) Source”, IEEE Electron Device Lett., Vol.37,No.2,pp.197-200, Feb.2016

4. W. Wang, Y. Cai, Y. B. Zhang, H. J. Huang, W. Huang, H. O. Li, B. S. Zhang and H. X. Wang, “A 3W High-Voltage Single-Chip Green Light-Emitting Diode with Multiple-Cells Network”, Journal of Nanomaterials, s, vol. 2015, Article ID 248191, 4 pages, 2015. doi:10.1155/2015/248191.

5. Y. B. Zhang, F. Xu, D. S. Zhao, H. J. Huang, W. Wang, J. W. Xu, Y. Cai , G. Y. Shi, G. J. Lu, Z. L. Miao, Y. D. Qi and B. S. Zhang, “Demonstration of Wafer-Level light emitting diode (WL-LED) with very high output power”, IET Electronics Letters, Vol.50,NO.25,pp.1970-1972, Dec. 2014

6. W. Wang, Y. Cai, H. J. Huang, W. Huang, H. O. Li, X. Lin, X. M. Zhou, and B. S. Zhang, “Single-chip InGaN Green Light-emitting diodes with 3W optical output power”, IET Electronics Letters, Vol.50,NO.6,pp.457-459,March 2014

7. Wei Wang, Yong Cai, Yibin Zhang, Hongjuan Huang, Wei Huang, Haiou Li, Baoshun Zhang, “Yield analysis of large-area high-power single-chip GaN-based light-emitting diodes with network design”, Physica Status Solidi(RRL), Vol.8, No.3, pp.260-263, 2014

8. Wang W, Cai Y, Huang W, Li HO, Zhang BS, “Electrical and Optical Properties of a High-Voltage Large Area Blue Light-Emitting Diode”, Japanese Journal of Applied Physics. 52(8), 08JG08, 2013;

9. 王玮,蔡勇,张宝顺,黄伟,李海鸥, “ICP刻蚀GaN侧壁倾角的控制”, 固体电子研究与进展;2012年03期;211-214页。

授权专利列表:

1.具单胞失效自防护功能的多胞连接大功率光电器件,发明专利,专利号:ZL200910027433.5,发明人:蔡勇。

2. 平衡热场分布的超大功率光电器件, 发明专利,专利号:ZL201310237619.X,王玮,蔡勇,张宝顺。

3. 大功率LED器件的综合控制方法及系统,发明专利,专利号:ZL201410566794.8,徐飞,蔡勇,时广轶,张亦斌

4. 晶圆级半导体器件及其制备方法,发明专利,专利号:ZL201410032377.5, 蔡勇,张亦斌,徐飞

5. 晶圆级半导体器件的插拔式电连接结构,发明专利,专利号:ZL201410175210.4,蔡勇,张亦斌,徐飞

6. 应用于晶圆级半导体器件的散热结构,发明专利,专利号:ZL201410173907.8,蔡勇,张亦斌,徐飞

7. Wafer-Level Semiconductor Device and Manufacturing Method Thereof,美国专利申请,专利号:US9780276B2,蔡勇,张亦斌,徐飞

8. ウエハーレベル半導体デバイス及びその製造方法,日本专利号:特願2016-548038,蔡勇,张亦斌,徐飞

申请专利列表:Wafer-Level Semiconductor Device and Manufacturing Method Thereof,欧洲专利申请,申请号:EP15740811.3,蔡勇,张亦斌,徐飞


申报单位介绍:

宁波天炬光电科技有限公司,总部位于浙江宁波慈溪高新技术产业集群区,是集研发、生产、销售于一体的高科技LED光电企业,承接中科院苏州纳米所自主研发的芯片级大功率LED专利技术,陆续开发出从10W到1000W针对不同LED照明应用的单芯片大功率LED系列光源产品,公司独有的单芯片大功率核心专利技术目前在此领域国际领先,并已在美国、欧盟、日本、中国申请了国际专利,依托核心的芯片专利结合现有的COB封装技术开发出独有的Single-COB封装技术(SCOB),为客户提供更高可靠性、更小发光面积、更高光功率密度的大功率LED光源产品,为照明整灯生产企业提供了更简易、更灵活的配光解决方案,同时公司可以根据客户提出的光源要求提供定制化的光源设计,以满足市场差异化的需求。



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