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CSP領域2

易美芯光劉國旭:下一代白光封裝技術演變

 

白光LED封裝過去十年的快速發展一直圍繞著對光效和成本的不懈追求。一種封裝形式如果能在價格上打開顛覆性的突破口,它將在市場競爭中勝出并搶占先機。近期被各大芯片廠以及封裝廠相繼推出的芯片尺寸級封裝CSP(Chip Scale Package),在業界引起較大爭議。它既是眾多封裝形式的一種,也因其免封裝的特性,被行業寄予期望。

 

縱觀白光LED封裝,隨著LED應用市場的不斷需求,國際主流LED器件經歷了以陶瓷封裝為代表的高功率HB-LED到以PLCC結構為代表的中小功率的重心偏移。推動此趨勢的主要原因是由液晶電視LED背光的快速產業化,到以球泡燈和燈管等替代燈為代表的市場的迅速滲透。中小功率LED芯片的性能在此期間得以迅速提升,封裝成本改善取得突破,使其在光效(lm/W)尤其在性價比(lm/$)方面優于陶瓷高功率封裝。而隨著EMCSMC等耐高溫、耐黃化材料在PLCC支架中的導入,PLCC支架封裝進一步向中高功率擴展。緊逼陶瓷大功率所占據的瓦級LED路燈及筒燈等商業照明市場。

 

與此同時,另一封裝形式COB逐漸在緊湊型發光面、高光密度應用中得到應用并體現其優勢。COB將多顆芯片直接陣列排布在高反射金屬或陶瓷基板上,免去了單顆LED的分立式封裝后再集成。其在MR16PAR Reflector等商照應用中滲透迅速,具有較好的光型及色空間均勻性。隨著倒裝芯片的成熟,無金線對設計帶來的靈活性,以及材料散熱與反射率的提升,將幾十顆甚至幾百顆LED集成到同一基板上已成為可能,從而進一步實現超高功率LED封裝。

 

陶瓷大功率封裝在中功率及COB兩面夾擊中今后如何發展?這是大功率LED供應商如 LumisCreeOSRAM過去幾年積極探索的課題。其紛紛著力改進原有陶瓷封裝技術,憑借其先進的大功率倒裝芯片或垂直結構芯片,逐漸使封裝小型化,以降低由于昂貴的陶瓷基板及較低的生產效率造成的成本壓力。比如Cree公司的X-lamp系列,在不降低、甚至提高光通量的前提下從原來的3535變到2525再進一步減少到1616,趨近了芯片本身的尺寸, 成為Near Chip Scale Package NCSP

 

下一代分立(DiscreteLED的自然演進或許將是徹底免除陶瓷基板的CSP。當陶瓷基板的尺寸做到和芯片尺寸幾乎一樣大小時,其逐漸失去了幫助LED散熱(熱擴散)的功能。相反,如果去掉陶瓷基板,則去掉了一層熱界面,有利于熱的快速傳導到線路板。同時隨著倒裝芯片的成熟,陶瓷基板作為絕緣材料對PN電極線路的再分布(re-distribution)作用已不復存在。除了在機械結構和熱膨脹失配上對LED起到一定保護作用,在SMD貼片時相對較容易以外,基板在電和熱的主要功能已基本喪失。

 

由于免去了,傳統封裝固晶所需的GGIAuSn共晶焊接可以改為低成本的SAC焊錫,并借助倒裝芯片,免去了金線,大大降低了封裝BOM成本;同時少了L1固晶的工序,降低了封裝成本。 

 

在性能方面,由于CSP的小發光面、高光密特性,易于光學設計及應用靈活性。利用倒裝芯片的電極設計,電流分配更均勻,減緩了droop效應,適合更大電流驅動,同時減少了光吸收,而且無表面電極擋光,可以進一步提升光效。

 

實現CSP的白光工藝有多種方式。最理想的涂布是在晶圓Wafer上進行,這種封裝過程又稱晶圓級封裝(WLP)。然而,采取這樣工藝實現的熒光粉涂布,只覆蓋了的表面,藍光通過藍寶石從四周漏出,影響色空間分布的均勻性。 

 

因此市面上主流技術路線仍是把圓片切割后,在方片上進行熒光粉涂布,再測試,編帶。此過程與傳統封裝工藝更加相似。核心工藝圍繞著熒光粉的涂布技術,包括噴膠,封模,及熒光膜貼裝等多種方式,各有其優勢。

 

常見的CSP光學結構則有5面發光和單面發光兩種,其發光角度不同。5面發光CSP更適合應用在全周光球泡燈,如果采用中小尺寸倒裝芯片,還可在燈管及測人是電視背光中使用。而單面發光CSP則適合指向性光源,或用于搭配二次光學應用在、、直下式電視背光和閃光燈等。

 

CSP作為一種新技術,必然有其局限與挑戰。首先CSP依賴于倒裝芯片技術的提升,這包括芯片成本、光效、可靠性,以及芯片耐ESD的擊穿能力。其次,白光轉換所需的工藝及均勻性,直接影響色溫落Bin率及色空間分布。第三,CSPSMT貼片的精度要求更高,免清洗助焊劑及錫膏的選擇以及回流焊溫度曲線的管控,都將影響到焊點的空洞率及柔韌性,從而影響產品的散熱及可靠性。第四,由于沒有基板或的保護及應力過渡,LEDPCB的熱膨脹系數差異較大,由此所產生的應力將直接影響芯片的信賴性。

 

每一種封裝形式都有其所最適合的產品應用。下游客戶對封裝的選擇和需求各有不同,沒有一款封裝形式可以做到One for AllCSP作為一種新的封裝技術,有望成為下一代分立LED器件的主要封裝形式。隨著SMD貼片設備及工藝精準度的提升,CSP也可向小延伸,在中功率應用中將與正裝PLLC封裝進行市場競爭。

 

目前CSP已經在某些應用中顯示其價值。Lumis在手機閃光燈應用中已批量生產,韓國廠商在直下式電視也已開始導入。易美芯光作為國內較早從事CSP研發的公司,已成功開發出13131111等系列產品,配合特殊二次透鏡可以把直下式電視中LED顆數減少三分之一甚至一半,降低了系統成本,同時由于該產品散熱及電流密度的優勢,亮度可以更高,滿足了4K/2K以及高色域對亮度的要求。另外,在通用全周光球燈及燈具上,以及手機閃光燈的應用也在開發中。

 

文章來源于 : 中國LED照明產業網

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