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易美芯光刘国旭:下一代白光封装技术演变

 

白光led封装过去十年的快速发展一直围绕着对光效和成本的不懈追求。一种封装形式如果能在价格上打开颠覆性的突破口,它将在市场竞争中胜出并抢占先机。近期被各大芯片厂以及封装厂相继推出的芯片尺寸级封装csp(chip scale package),在业界引起较大争议。它既是众多封装形式的一种,也因其免封装的特性,被行业寄予期望。

 

纵观白光led封装,随着led应用市场的不断需求,国际主流led器件经历了以陶瓷封装为代表的高功率hb-led到以plcc结构为代表的中小功率的重心偏移。推动此趋势的主要原因是由液晶电视led背光的快速产业化,到以球泡灯和灯管等替代灯为代表的市场的迅速渗透。中小功率led芯片的性能在此期间得以迅速提升,封装成本改善取得突破,使其在光效(lm/w)尤其在性价比(lm/$)方面优于陶瓷高功率封装。而随着emcsmc等耐高温、耐黄化材料在plcc支架中的导入,plcc支架封装进一步向中高功率扩展。紧逼陶瓷大功率所占据的瓦级led路灯及筒灯等商业照明市场。

 

与此同时,另一封装形式cob逐渐在紧凑型发光面、高光密度应用中得到应用并体现其优势。cob将多颗芯片直接阵列排布在高反射金属或陶瓷基板上,免去了单颗led的分立式封装后再集成。其在mr16par reflector等商照应用中渗透迅速,具有较好的光型及色空间均匀性。随着倒装芯片的成熟,无金线对设计带来的灵活性,以及材料散热与反射率的提升,将几十颗甚至几百颗led集成到同一基板上已成为可能,从而进一步实现超高功率led封装。

 

陶瓷大功率封装在中功率及cob两面夹击中今后如何发展?这是大功率led供应商如 lumiscreeosram过去几年积极探索的课题。其纷纷着力改进原有陶瓷封装技术,凭借其先进的大功率倒装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较低的生产效率造成的成本压力。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从原来的3535变到2525再进一步减少到1616,趋近了芯片本身的尺寸, 成为near chip scale package ncsp

 

下一代分立(discreteled的自然演进或许将是彻底免除陶瓷基板的csp。当陶瓷基板的尺寸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,有利于热的快速传导到线路板。同时随着倒装芯片的成熟,陶瓷基板作为绝缘材料对pn电极线路的再分布(re-distribution)作用已不复存在。除了在机械结构和热膨胀失配上对led起到一定保护作用,在smd贴片时相对较容易以外,基板在电和热的主要功能已基本丧失。

 

由于免去了,传统封装固晶所需的ggiausn共晶焊接可以改为低成本的sac焊锡,并借助倒装芯片,免去了金线,大大降低了封装bom成本;同时少了l1固晶的工序,降低了封装成本。 

 

在性能方面,由于csp的小发光面、高光密特性,易于光学设计及应用灵活性。利用倒装芯片的电极设计,电流分配更均匀,减缓了droop效应,适合更大电流驱动,同时减少了光吸收,而且无表面电极挡光,可以进一步提升光效。

 

实现csp的白光工艺有多种方式。最理想的涂布是在晶圆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。 

 

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。核心工艺围绕着荧光粉的涂布技术,包括喷胶,封模,及荧光膜贴装等多种方式,各有其优势。

 

常见的csp光学结构则有5面发光和单面发光两种,其发光角度不同。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,还可在灯管及测人是电视背光中使用。而单面发光csp则适合指向性光源,或用于搭配二次光学应用在、、直下式电视背光和闪光灯等。

 

csp作为一种新技术,必然有其局限与挑战。首先csp依赖于倒装芯片技术的提升,这包括芯片成本、光效、可靠性,以及芯片耐esd的击穿能力。其次,白光转换所需的工艺及均匀性,直接影响色温落bin率及色空间分布。第三,cspsmt贴片的精度要求更高,免清洗助焊剂及锡膏的选择以及回流焊温度曲线的管控,都将影响到焊点的空洞率及柔韧性,从而影响产品的散热及可靠性。第四,由于没有基板或的保护及应力过渡,ledpcb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。

 

每一种封装形式都有其所最适合的产品应用。下游客户对封装的选择和需求各有不同,没有一款封装形式可以做到one for allcsp作为一种新的封装技术,有望成为下一代分立led器件的主要封装形式。随着smd贴片设备及工艺精准度的提升,csp也可向小延伸,在中功率应用中将与正装pllc封装进行市场竞争。

 

目前csp已经在某些应用中显示其价值。lumis在手机闪光灯应用中已批量生产,韩国厂商在直下式电视也已开始导入。易美芯光作为国内较早从事csp研发的公司,已成功开发出13131111等系列产品,配合特殊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,降低了系统成本,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,在通用全周光球灯及灯具上,以及手机闪光灯的应用也在开发中。

 

文章来源于 : 中国led照明产业网

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