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CSP領域

LED封裝發展趨勢及CSP技術前景

 

近年來,隨著LED在器件材料、芯片工藝、封裝制程技術等方面的研究不斷進步,尤其是倒轉芯片的逐漸成熟與熒光粉涂覆技術的多樣化,一種新的芯片尺寸級封裝CSP(Chip Scale Package)技術應運而生。由于其單元面積的光通量最大化(高光密度)以及芯片與封裝BOM成本最大比(低封裝成本)使其有望在lm/$上打開顛覆性的突破口。近期,CSP在業界引起較大議論,它既是眾多封裝形式的一種,也被行業寄予期望,被認為是一種“終極”封裝形式。 

 

一、白光LED封裝現狀

 

當前,照明已成為LED主要市場推動力。從LED照明市場滲透情況可以看出,LED照明市場大致經歷了替換燈、集成LED燈具、以及下一代智慧照明應用三個發展階段。據多家行業分析公司預測,到2020年在LED照明市場滲透率將會達到70%,LED集成光源將在燈具設計中扮演越來越重要的角色。

 

 

圖1 LED封裝市場預估,照明成為LED主要市場動力(數據來源:strategy Unlimited)

 

縱觀白光LED封裝的發展過程,為適應LED應用需求的不斷更新,LED封裝也隨之經歷了從高功率封裝到中小功率封裝的重心偏移。而推動這一發展趨勢的主要原因,正是受0.2W~0.9W中低功率LED適合擴散性(diffuse)光源需求;液晶電視LED背光的快速產業化;球泡燈和燈管等替代燈為代表的照明市場的迅速滲透;以及5630、4014、2835、3030等PLCC的標準化形成等市場應用的推動。同時,隨著商業照明和特殊照明多樣化需求,下一個封裝趨勢是高密度封裝,而COB、CSP正是實現高密度封裝的代表形式。

 

 

2 市場的需求推動了LED封裝及功率應用的三個發展浪潮

 

1、中低功率SMD仍將扮演重要角色

 

過去幾年里,中小功率LED芯片性能得以迅速提升,封裝成本不斷改善,使其在光效(lm/W)尤其在性價比(lm/$)方面更優于陶瓷高功率封裝。加上其適合擴散性(diffuse)光源的應用,在線性與面光源中仍會成為主流。同時,隨著EMC和SMC等耐高溫、耐黃化材料在QFN支架中的導入,支架封裝正向中高功率擴展,已突破2W級,迫使陶瓷大功率封裝向更大功率(3W~5W)應用推進。

 

2、COB大力滲透商照市場 

 

與此同時,另一封裝形式COB逐漸在緊湊型發光面、高光密度應用中體現出其獨特的優勢。COB可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;COB封裝設計簡單,具有較好的光型及色空間均勻性;其高反射金屬或陶瓷基板材料的改善,有效解決了光效壽命等可靠性問題,使其在MR16、PAR Reflector等商照應用中迅速滲透。隨著倒裝芯片的成熟和無金線對設計帶來的靈活性,以及基板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,由此也進一步實現了高光密度、超高功率LED封裝,使替代陶瓷金鹵燈成為可能。

 

圖3 COB封裝不斷挑戰更高光密度;圖為易美芯光MT-18G8 

 

3、大功率分立式LED進一步小型化 

 

過去幾年,Lumileds、Cree、OSRAM等大功率LED供應商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帶來的成本壓力,并提升芯片承受大電流密度的能力。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,或稱為Near Chip Scale Package(NCSP)。而下一代分立(Discrete)大功率LED的自然演進或許將是徹底免除陶瓷基板的CSP。

 

 

圖4 大功率陶瓷LED尺寸縮小以降低成本并提高發光密度,直至徹底去除基板

二、下一代白光封裝趨勢

 

什么是CSP封裝?與NCSP有哪些不同?又具有哪些優勢?IPC標準J-STD-012對CSP封裝的定義是封裝體的面積不大于芯片面積的20%。 

 

1、CSP與 NCSP (免基板vs帶基板) 

 

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)的功能已不再需要。除了在機械結構和熱膨脹失配上對LED起到一定保護作用,陶瓷基板對芯片的電隔離和熱傳導的重要功能已基本喪失。  

 

免去基板同時是傳統陶瓷封裝固晶所需的GGI或AuSn共晶焊接可以改為低成本的SAC焊錫。并借助倒裝芯片,免去金線及焊線步驟,降低了封裝成本。

 

 

圖5 典型大功率陶瓷封裝結構及其散熱

 

2、白光CSP的優勢

 

除了上述提到的潛在降低成本優勢外,在燈具設計上,由于CSP封裝尺寸大大減小,可使燈具設計更加靈活,結構也會更加緊湊簡潔。在性能上,由于CSP的小發光面、高光密特性,易于光學指向性控制;利用倒裝芯片的電極設計,使其電流分配更家均衡,適合更大電流驅動;Droop效應的減緩,以及減少了光吸收,使CSP具有進一步提升光效的空間。在工藝上, 藍寶石使熒光粉與芯片MQW區的距離增加,熒光粉溫度更低,白光轉換效率也更高。

 

3、CSP的工藝技術

 

實現CSP的白光工藝有多種方式,最理想的熒光粉涂布是在晶圓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,只覆蓋了芯片的表面,藍光通過藍寶石從四周漏出,影響色空間分布的均勻性。如果芯片廠不是采取WLP(晶圓級封裝)的方式來實現熒光粉涂覆,其進行CSP生產并不比封裝廠更具備優勢。雖然可以去除藍寶石,采用薄膜芯片(TFFC)或垂直結構芯片(LLO)可以減少漏光,但工藝成本非常高。

 

 

圖6 晶圓級熒光粉涂覆后再切片的工藝所導致的藍光泄露

 

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,印刷、及熒光膜貼裝等多種方式,各工藝都有其優勢與挑戰。

 

 

圖7 常見的四種在方片上涂覆熒光粉實現CSP的工藝技術

 

4、CSP的結構與光學

 

常見的CSP光學結構則分為5面發光和單面發光兩種,其發光角度不同,分別是160度左右和120度左右。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,還可在燈管及測人式電視背光中使用。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射燈、路燈、直下式電視背光和閃光燈等。

 

三、白光CSP的應用前景與挑戰

 

CSP的主要應用在哪里?當前市場應用中的難點又有哪些?有人稱CSP為“免封裝”,那么中游封裝企業未來又將何去何從? 

 

1、CSP的市場應用 

 

CSP作為一種新的封裝技術,在下一代分立式中大功率LED應用中吸引行業關注,并在lm/$具有較大提升空間。隨著倒裝芯片良率的提升及產能規模的擴大,其價格優勢將更加體現出來。今天,CSP已經不只停留在研發室內,已經在某些應用中大批量生產,并顯示其優勢與價值。

 

比如,近兩年,Lumileds的CSP在手機閃光燈應用中已批量生產;韓國廠商的CSP在直下式電視也已實現量產;易美芯光作為國內較早從事CSP研發的公司,也已成功開發出1313及1111等系列CSP產品,配合優化的二次透鏡,可以把直下式電視中LED顆數減少三分之一甚至一半,從而降低系統成本。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,在通用照明全周光球燈及燈具上,以及手機閃光燈的應用也在開發中。 

 

隨著CSP的技術在不斷演進,尺寸將不斷縮小,應用將更加廣泛。同時可靠性也在不斷提升,使其有望成為下一代分立大功率LED器件的主要封裝形式。 

 

2、CSP當前面臨的挑戰 

 

當然,作為一種新的技術,現階段它也必然會面臨局限與挑戰:首先,CSP依賴于倒裝芯片技術的提升,包括芯片成本、光效、可靠性以及芯片耐ESD的擊穿能力;其次,白光轉換所需的熒光粉工藝及其均勻性,直接影響色溫落Bin率及色空間分布;第三,CSP對SMT貼片的精度要求更高,易造成CSP的旋轉或翹起;第四,回流焊更敏感,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;第五,由于沒有陶瓷基板或支架的保護及應力轉移,LED芯片與PCB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;第六,CSP對PCB基板散熱的要求更高等。

 

每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也多種多樣,可以說,沒有一款封裝形式可以做到One size fits all。但隨著SMD貼片設備及工藝精準度的提升,CSP必將向小芯片延伸,在中功率應用中也將會與正裝支架結構封裝進行市場競爭。 

 

3、封裝的產業鏈價值 

 

CSP可使封裝簡易化,因此,封裝企業必須不斷創新并調整,充分發揮自身的中游優勢,在上下游兩面延伸中尋找自身價值。并在模組化、功能化、智能化LED應用中為下游客戶提供解決方案與附加值。 

 

從行業進一步發展而論,未來的封裝將會涵蓋更多方面與內容。在超越照明的嶄新領域如物聯網、可見光通信、智能照明器具應用中,微電子處理器、LED、紅外、驅動電源和傳感器件將會被納入其中。因此,只有在市場與技術變化下,不斷尋求新的機會,適時調整和重新定位,未來仍然有屬于封裝企業的一片天地。

 

【本文選自《半導體照明》雜志2015年第7期 總第65期 作者:劉國旭 易美芯光(北京)科技有限公司】

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