Class A芯片需求与开发

邱邦洋，胡坤怀

开发晶照明(厦门)有限公司，福建厦门，361000

摘要：伴随社会经济的发展，全球能源需求与环境间的矛盾问题日益凸显重视。当前，各国建设清洁低碳、节能环保的能源体系目标和能源发展战略方向已明确。而在照明领域欧盟更新法规，明显大幅度提升照明产品能效规格要求，而LED照明作为目前最佳的节能固态照明方案，明确出整体提升方向需求，以符合规范中的Class A照明能效等级为要务，而LED芯片作为影响发光效率的核心更为首重。

关键词：LED，芯片，照明，能效标准，能效标识，高光效，Class A

1引言

随着人民生活水平的提高，以及响应国家“十四五”期间重点工作之一“碳达峰、碳中和”的政策号召，节能照明正在大步取代传统照明深入百姓家。国际社会的能源竞争，特别是俄乌战争的推手，能源危机变得尤为突出，高效使用能源受到迫切需求。因此，高光效LED照明芯片需求与日俱增。

本文主要分为介绍能效Class A灯具对芯片的性能需求和如何开发优化正装芯片以达成需求的两部分。

2能效Class A灯具对芯片的性能需求

欧盟于2019年12月05日发布了新法规（照明产品ErP法规（EU）2019/2020及能效标签法规（EU）2019/2015）。2019年12月25日新法规开始生效，且2021年09月01日新法规强制实施。也就是说从2021年09月01日开始，所有的产品必须按照新法规进行申请，旧法规EC 244/2009、EC 245/2009、EU 1194/2012和能效标签法规EU 874/2012同步失效[1]。此规范包括多项照明技术，其中关于LED照明技术的相关指标是最受关注的，他代表了整体的前沿方向。

此次更新的新法规对照明产品的最低能效等级不再作明确规定，但对光源产品引入了最大功耗Ponmax的概念，间接地定义了最大功耗Ponmax的计算公式如下：

  Ponmax=C * [L+Φuse / (F*η)] * R                          （1）

式中，η为阈值门槛能效；L为终端损耗系数；C为修正系数（取值根据光源的类别差异而不同）；F为能效系数（非定向光源的取值为1.00，定向光源的取值为0.85）；R为显色指数（CRI）系数。

同样新法规也定义了LED产品属于其他类产品，η的取值为120.0lm/W，L的取值为1.5W。当CRI≤25 时，R的取值为0.65；当CRI>25时，R的取值计算（计算结果保留2位小数）：

R=(CRI＋80)/160                              （2）

在新的能效标签指令中，将原有的能效指数（Energy Efficiency Index，EEI）等级（从E级到A＋＋等级）改成现在的等效总能效（Total Mains Efficacy），等级从G级到A级，具体的计算公式[2]：

ƞTM=（Φuse/Pon）*FTM（3）

其中，Φuse为有效光通量；Pon为正常工作时的功率；FTM为适用系数。

                       表1  能效等级

能效等级	等效总能效ƞTM(lm/W)
A（最高能效）	210 ≤ ƞTM
B	185 ≤ ƞTM < 210
C	160 ≤ ƞTM < 185
D	135 ≤ ƞTM < 160
E	110 ≤ ƞTM < 135
F	85 ≤ ƞTM < 110
G（最低能效）	ƞTM < 85

根据TrendForce集邦咨询最新报告《2022全球LED照明市场分析-2H22》显示，2022年全球LED照明市场规模至646.1亿美金。未来照明产业更注重产品的光品质（如高光效、高演色性、R9值和色容差）。而且，照明用电量占日常用电量的很大一部分。据统计，当前全球用于照明的电量约占总电量的20%，由于传统照明白炽灯和荧光灯具有较低的能量转换效率，绝大多数的能量都被转换成热能或其他形式的能量而浪费掉。氮化镓（Gallium Nitride，GaN）基半导体发光二极管（Light-emitting diode，LED）固态照明方案取代传统照明可节约40%的电能[3]。LED照明的各个方面都将优于传统照明，LED光源已经广泛的用于照明领域，而LED芯片作为LED光源的重要组成部分，其芯片质量直接决定LED照明产品的出光效率和使用寿命等。因此，LED芯片技术的发展对于LED照明行业的未来至关重要。而LED芯片出光效率一直为行业关注的重点。

高出光效率和优良的散热特性是 LED 芯片发展的必然趋势。LED 的光电转换效率主要由内量子效率和外量子效率组成，内量子效率指有源层的光电转换效率，随着外延生长技术和多量子阱结构的发展，目前高质量多量子阱结构的光电转换效率已经接近100% 。因此，通过提升内量子效率来提高 LED 出光效率的空间已经非常小了。外量子效率指光提取效率，由于外延材料的折射率高于封装材料和空气，所以产生的辐射光线大多数在芯片内部发生全反射，无法从芯片中逸出，造成 LED 芯片的光提取效率较低

[4]。因此，优化芯片来制备外量子效率更高的 LED 芯片已成为研究的重要方向之一。

随着LED技术的不断发展，芯片光效也逐步提升，目前国内领先的水准在235 lm/W左右，能效Class A 照明也提出了灯珠245 lm/W的光效要求，因此，LED芯片部分仍需不断突破，持续提升芯片光效（提升亮度或降低电压）。

3Class A的芯片开发

通常采用扩大芯片面积，降低电流密度以实现光效的提升，但在灯珠支架的杯型空间的设限下，在芯片放大和有效取光变得极为重要。透过调整电极及金手指的排布可以提升电流的扩散效果，同样减少电极及金手指下的电流比重可以减少因为金的吸光而造成的光浪费。同时使用CPSS衬底，采用ISO等工艺增加轴向光的比重可以有效降低侧向光在封装体上损耗。为此本案设计并展开一系列验证。

3.1Class芯片的方案设计

本案设计了不同的图形来优化芯片的电流扩散，以期优化其出光效率。如图（1）所示为9种方向的图形优化。Sample2通过调整N Finger下方CB的占空比，以降低N Finger的吸光损耗；Sample3通过增加P Finger下CB的宽度，增加电流的横向传输距离；Sample4通过减小Finger的宽度，以降低Finger的遮光面积；Sample5通过增加P Finger与N Finger的间距，以增大电流的扩散面积；Sample6通过蚀刻掉芯片边沿切割道位置的外延层，以降低外延对光吸收； Sample 7通过粗化芯片周边的外延侧壁，以提升芯片的取光效率；Sample8通过减少P Finger的数量，以降低Finger的遮光面积；Sample9通过调整PN Finger的数量及分布，以改善电流扩散效果；Sample10通过ITO挖孔减少ITO面积，以降低ITO对光的吸收。

图(1)图形优化

根据以上方案设计，进行了相邻颗的comb版制样，有效减少外延均匀性和芯片制程波动对结果的影响。制作过程简单概括如下：a、外延片有机洗+酸洗；b、通过Mesa黄光与干法蚀刻，暴露出N-GaN；c、先整面沉积SiO2，再通过CB黄光及湿法蚀刻得到CB图形；d、先整面沉积ITO，再通过ITO黄光及湿法蚀刻得到ITO图形；e、先进行PAD黄光，再整面蒸镀PAD，最后利用Metal lift-off得到PAD图形；f、先在芯片沉积PV膜SiO2，再通过PV黄光及湿法蚀刻，去除PAD上的SiO2；g、通过研磨及抛光使芯片厚度减薄至230um；h、在芯片Sapphire面整面蒸镀DBR；i、通过隐切和劈裂，使整片的Wafer分裂成芯片；最终得到各组Sample的芯片。最后对各组芯片进行比对确认，对设计的方案做了结论：

（a）相关设计均有不同程度的提升，针对Class A照明需求芯片的电流主区间（5-65mA），光效的提升尤为明显，图(2)：

  图(2) 变电流特性曲线

（b）在10mA下，不同图形优化有0.1-1.1%的提升，图(3)。

              图(3) 10mA下芯片提亮效果

3.2Class A芯片的制作

结合方案设计结果及芯片制程的工艺windows，制定了最优的芯片图形设计方案。把增加NCB的遮挡面积、加宽PCB的阻挡宽度≥25um、细化P电极线至≤2um、外移P finger的设计位置，及芯片外围边沿的倒边处理进行有效地合板。确认了芯片图形方案后，进行了调整前后的实际制作确认，亮度有效的提升了1.2-3.2%，图(4)。

                       图(4) 亮度提升效果

4结语

针对Class A照明的芯片需求，通过组合调整CB，finger，ISO对出光效效率的优化，有效地提升了芯片的光效，对芯片产品的升级进行了专项攻坚，以达可以生产符合新法规和新标准要求的产品，增强了LED芯片在照明行业的竞争力。

参考文献：

[1] 杨志豪,郭盈希,蒋小良.室内照明用LED产品能效强制性标准认证[J].灯与照明,2021,45(1):58-60.

[2] 刘海文. LED照明产品欧盟ErP指令要求解读[J]. 电子测试,2018(18):44-45.

[3] 李江龙,黄兰.基于半导体照明的欧洲能效新ErP指令解析[C].//2020年中国照明论坛——半导体照明创新应用暨智慧照明发展论坛论文集.2020:189-206.

[4] 袁冬,周国富,刘延国,等．LED强化出光技术研究进展［J］．华南师范大学学报（自然科学版),2016，48(5):1-7．