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技术

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CSP领域

LED封装发展趋势及CSP技术前景

 

近年来,随着LED在器件材料、芯片工艺、封装制程技术等方面的?#33455;?#19981;断进步,尤其是倒转芯片的逐渐成熟与荧光粉涂覆技术的多样化,一?#20013;?#30340;芯片尺寸级封装CSP(Chip Scale Package)技术应运而生。由于其单元面积的光通量最大化(高光密度)以及芯片与封装BOM成本最大比(低封装成本)使其有望在lm/$上打开颠覆性的突破口。近期,CSP在业界引起较大议论,它既是众多封装形式的一种,也被行业寄予期望,被认为是一种“终极”封装形式。 

 

一、白光LED封装现状

 

当前,照明已成为LED主要市场推动力。从LED照明市场渗透情况可以看出,LED照明市场大致经历了替换灯、集成LED灯具、以及下一代智慧照明应用三个发展阶段。据多家行业分析公司预测,到2020年在LED照明市场渗透?#24335;?#20250;达到70%,LED集成光源将在灯具设计中扮演越来越重要的角色。

 

 

图1 LED封装市场预估,照明成为LED主要市场动力(数据来源:strategy Unlimited)

 

纵观白光LED封装的发展过程,为适应LED应用需求的不断更新,LED封装也随之经历了从高功率封装到中小功率封装的重心偏移。而推动这一发展趋势的主要原因,正是受0.2W~0.9W中低功率LED适合扩散性(diffuse)光源需求;液晶电视LED背光?#30446;?#36895;产业化;球泡灯和灯管等替代灯为代表的照明市场的迅速渗透;以及5630、4014、2835、3030等PLCC的标准化形成等市场应用的推动。同时,随着商业照明和特殊照明多样化需求,下一个封装趋势是高密度封装,而COB、CSP正是实现高密度封装的代表形式。

 

 

2 市场的需求推动了LED封装及功率应用的三个发展浪潮

 

1、中低功率SMD仍将扮演重要角色

 

过去几年里,中小功率LED芯片性能得以迅速提升,封装成本不断改善,使其在光效(lm/W)尤其在性价比(lm/$)方面更优于陶瓷高功率封装。加上其适合扩散性(diffuse)光源的应用,在线性与面光源中仍会成为主流。同时,随着EMC和SMC等耐高温、?#31361;?#21270;材料在QFN支架中的导入,支架封装正向中高功率扩展,已突破2W级,迫使陶瓷大功率封装向更大功率(3W~5W)应用推进。

 

2、COB大力渗透商照市场 

 

与此同时,另一封装形式COB逐渐在紧?#25307;?#21457;光面、高光密度应用中体现出其独特的优势。COB可将多颗芯片直接阵?#20449;?#24067;在高?#29943;?#37329;属或陶瓷基板上,免去了单颗LED的分立式封装后再集成;COB封装设计简单,具有较好的光?#22270;?#33394;空间均匀性;其高?#29943;?#37329;属或陶瓷基板材?#31995;?#25913;善,有效解决了光效寿命等可靠性问题,使其在MR16、PAR Reflector等商照应用中迅速渗透。随着倒装芯片?#26576;?#29087;和无金线对设计带来的灵活性,以及基板材料散热与?#29943;瀆实?#25552;升,将几十颗甚至几百颗LED集成到同一基板上已成为可能,由此也进一步实现了高光密度、超高功率LED封装,使替代陶瓷金卤灯成为可能。

 

图3 COB封装不断挑战更高光密度;图为易美芯光MT-18G8 

 

3、大功率分立式LED进一步小型化 

 

过去几年,Lumileds、Cree、OSRAM等大功率LED供应商纷纷着力改进原有陶瓷封装技术,凭借其先进的大功?#23454;?#35013;芯片或垂直结构芯片,逐渐使封装小型化,以降低由于昂贵的陶瓷基板及?#31995;?#30340;生产效率带来?#26576;?#26412;压力,并提升芯片承受大电流密度的能力。?#28909;紓珻ree公司的X-lamp系列,在不降低、甚至提高光通量的前提下从原来的3535变到2525,再进一步减少到1616,趋近了芯片本身?#26576;?#23544;,或称为Near Chip Scale Package(NCSP)。而下一代分立(Discrete)大功率LED的自然演进或许将是彻底免除陶瓷基板的CSP。

 

 

图4 大功率陶瓷LED尺寸缩小以降低成本并提高发光密度,直至彻底去除基板

二、下一代白光封装趋势

 

什么是CSP封装?与NCSP有哪些不同?又具有哪些优势?IPC标准J-STD-012对CSP封装的定义是封装体的面积不大于芯片面积的20%。 

 

1、CSP与 NCSP (免基板vs带基板) 

 

当陶瓷基板?#26576;?#23544;做到和芯片尺寸几乎一样大小时,其逐渐失去了帮助LED散热(热扩散)的功能。相反,如果去掉陶瓷基板,则去掉了一层热界面,有利于热?#30446;?#36895;传导到线路板。同时,随着倒装芯片?#26576;?#29087;,陶瓷基板作为绝缘材料对PN电极线路的再分布(re-distribution)的功能已不再需要。除了在机?#21040;?#26500;和热膨胀失配上对LED起到一定保护作用,陶瓷基板对芯片的电隔离和热传导的重要功能已基本丧失。  

 

免去基板同时是传?#31243;?#29943;封装固晶所需的GGI或AuSn共晶焊接可以改为低成本的SAC焊锡。并借助倒装芯片,免去金线及焊线步骤,降低了封装成本。

 

 

图5 典型大功率陶瓷封装结构及其散热

 

2、白光CSP的优势

 

除了上述提到的潜在降低成本优势外,在灯具设计上,由于CSP封装尺寸大大减小,可使灯具设?#32856;?#21152;灵活,结构?#19981;?#26356;加紧凑简洁。在性能上,由于CSP的小发光面、高光密特性,易于光学指向性控制;利用倒装芯片的电极设计,使其电流分配更家均衡,适合更大电流驱动;Droop效应的减缓,以及减少了光吸收,使CSP具有进一步提升光效?#30446;?#38388;。在工艺上, 蓝宝石使荧光粉与芯片MQW区的距离增加,荧光粉温度更低,白光转换效率也更高。

 

3、CSP的工艺技术

 

实现CSP的白光工艺有多种方式,最理想的荧光粉涂布是在晶圆Wafer上进行,这种封装过程又称晶圆级封装(WLP)。然而,采取这样工艺实现的荧光粉涂布,只覆盖了芯片的表面,蓝光通过蓝宝石从四周漏出,影响色空间分布的均匀性。如果芯片厂不是采取WLP(晶圆级封装)的方式来实现荧光粉涂覆,其进行CSP生产并不比封装厂更具备优势。虽然可以去除蓝宝石,采用薄膜芯片(TFFC)或垂直结构芯片(LLO)可以减少漏光,但工艺成本非常高。

 

 

图6 晶圆级荧光粉涂覆后再切片的工艺所导致的蓝光泄露

 

因此,市面上主流技术路线仍是把圆片切割后,在方片上进行荧光粉涂布,再测试、编带,此过程与传统封装工艺更加相似。核心工艺围?#35889;?#33639;光粉的涂?#25216;?#26415;,包括喷胶,封模,印刷、及荧光膜贴装等多种方式,各工艺都有其优势与挑战。

 

 

图7 常见的四种在方片上涂覆荧光粉实现CSP的工艺技术

 

4、CSP的结构与光学

 

常见的CSP光学结构则分为5面发光和单面发光两种,其发光角度不同,分别是160度左?#28082;?20度左右。5面发光CSP更适合应用在全周光球泡灯,如果采用中小尺寸倒装芯片,还可在灯管及测人式电视背光中使用。而单面发光CSP则适?#29616;?#21521;性光源,或用于搭配二次光学应用在射灯、路灯、直下式电视背光和闪光灯等。

 

三、白光CSP的应?#20204;?#26223;与挑战

 

CSP的主要应用在哪里?当前市场应用中的难点又有哪些?有人称CSP为“免封装?#20445;?#37027;么中游封装企业未来又将何去何从? 

 

1、CSP的市场应用 

 

CSP作为一?#20013;?#30340;封装技术,在下一代分立式中大功率LED应用中吸引行业关注,并在lm/$具有较大提升空间。随着倒装芯片良?#23454;?#25552;升及产能规模的扩大,其价格优势将更加体现出来。今天,CSP已经不只停留在研发室内,已经在某些应用中大批量生产,并显示其优势与价值。

 

?#28909;紓?#36817;两年,Lumileds的CSP在?#21482;?#38378;光灯应用中?#38597;?#37327;生产?#32531;?#22269;厂商的CSP在直下式电视也已实现量产;易美芯光作为国内?#26174;?#20174;事CSP研发的公司,也已成功开发出1313及1111等系列CSP产品,配合优化的二次透镜,可以把直下式电视中LED颗数减少三分之一甚至一半,从而降低系统成本。同时,由于该产品散热及电流密度的优势,亮度可以更高,满足了4K/2K以及高色域对亮度的要求。另外,在通用照明全周光球灯及灯具上,以及?#21482;?#38378;光灯的应用也在开发中。 

 

随着CSP的技术在不断演进,尺寸将不断缩小,应用将更加广泛。同时可靠性也在不断提升,使其有望成为下一代分立大功率LED器件的主要封装形式。 

 

2、CSP当前面临的挑战 

 

当然,作为一?#20013;?#30340;技术,现阶段它也必?#25442;?#38754;临局限与挑战:首先,CSP依赖于倒装芯片技术的提升,包括芯片成本、光效、可靠性以及芯片耐ESD的击穿能力;其次,白光转换所需的荧光粉工艺及其均匀性,直接影响色温落Bin率及色空间分布;第三,CSP对SMT贴片的精度要求更高,易造成CSP的旋转或翘起;第?#27169;?#22238;流焊更敏感,免清洗助焊剂及锡膏的选择以及回流焊温度曲线的管控,都将影响到焊点?#30446;?#27934;率及柔韧性,从而影响产品的散热及可靠性;第五,由于没有陶瓷基板或支架的保护及应力转移,LED芯片与PCB的热膨胀系数差异较大,由此所产生的应力将直接影响芯片的信赖性;第六,CSP对PCB基板散热的要求更高等。

 

每种封装形式都有其所最适?#31995;?#20135;品应用,下游?#31361;?#23545;封装的选择和需求也多种多样,可?#36816;擔?#27809;有一款封装形式可以做到One size fits all。但随着SMD贴片设备及工?#31449;级?#30340;提升,CSP必将向小芯片?#30001;歟?#22312;中功率应用中?#27493;?#20250;与正装支架结构封装进行市场竞争。 

 

3、封装的产业链价值 

 

CSP可使封装简易化,因此,封装企业必须不断创新并调整,充分发挥自身的中游优势,在上下游两面?#30001;?#20013;寻?#26131;?#36523;价值。并在模组化、功能化、智能化LED应用中为下游?#31361;?#25552;供解决方案与附加值。 

 

?#26377;?#19994;进一步发展而论,未来的封装将会涵盖更多方面与内容。在超越照明的崭新领域如物联网、可见光通信、智能照明器具应用中,微电子处理器、LED、红外、驱动电源和传感器件将会被纳入其中。因此,只有在市场与技术变化下,不断寻求新的机会,适时调整和重新定位,未来仍然有属于封装企业的一片天地。

 

【本文选自《半导体照明》?#21448;?015年第7期 总第65期 作者:刘国旭 易美芯光(北京)科技有限公司】

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