芯片级白光LED封装技术

作者: 吴懿平 博士

引言
芯片级封装(Chip Scale Package, CSP),最早出现在集成电路封装中,由日本三菱公司于1994年提出来。据J-STD-012标准定义,CSP是指封装后尺寸不超过IC芯片1.2倍的一种新型的封装形式,一般以MicroBGA面阵列封装形式出现。2007年由 Philips Lumileds最早提出将其应用于LED封装中,引起了LED业界的广泛关注,发展至今已从最初的CSP LED封装概念转为实际量产,应用范围也逐渐扩大。芯片级封装的LED符合LED功率化和小型化的发展趋势,基于倒装LED芯片,在封装上免去了打金线工程。但是,与集成电路CSP不同的是LED芯片暂时还没有实现多I/O多P/N结的集成,因此单颗LED芯片的尺寸非常微小,且只有两个管脚焊盘,因此制备成CSP LED后,其整体外形上同于0201无源SMD元件。由于CSP LED在应用形式上和外形上同于传统的无源SMD器件,因此可直接通过焊料等与基板或电路板(PCB)焊接,免去支架与衬底材料,封装热阻进一步降低。由于CSP LED成品的体积缩小了70%以上,从而可使得大功率LED模组的体积进一步缩小,集成度更高。CSP LED技术本身不仅在于简化了LED封装的制程,提升了热效能,而且还具有较大的成本优势。即便如此,目前CSP LED封装技术本身仍存在一些亟待改进的问题,诸如良率、可靠性、一致性、工艺路线等,这就导致了目前CSP LED还没能实现大规模的量产与应用。本文将向读者介绍白光CSP LED的基本结构特性与应用技术,对CSP LED应用过程中存在的问题进行总结分析,希望CSP LED技术能够在未来的照明领域有更广阔的应用。
CSP封装技术
CSP的基本结构
CSP LED封装目前有三大主流结构。结构一是在LED芯片周围包覆上混合荧光粉的硅胶,这种结构能实现五面出光达到较高的光效值,但其顶部和四周色温的一致性较难控制,其主要构成如图1(a)所示;结构二是在LED芯片四周做上一层二氧化钛保护层,再在芯片表面覆上荧光膜。这种结构由于只有顶部一个发光面,因此具有较好的指向性和光色一致性,但该结构四周无光线发出,损失了部分光能,降低了光效值,其结构如图1(b)所示;结构三是在芯片的五个面覆盖上荧光膜,再在其表面以透明硅胶加以定型,这种结构与第一种结构类似也是五面出光,具有高光效值,但光色一致性较差,其结构如图1(c)所示。这三种结构都有一个共同的缺陷,由于芯片是直接表贴在PCB上,其与PCB间的晶向结构差异较大,在LED芯片发热过程中会产生较大横向拉力,使芯片从PCB上脱落,从而影响LED的稳定性。此外,由于芯片与荧光粉间缺乏一个能承受外部机械压力的基板,使得芯片和荧光粉之间在贴片和使用过程中易受到外部压力而发生脱离。
CSP作为一种新型LED封装形式具有以下优点:①稳定性更好,去除传统封装中的金线和支架,使得在运输、储存和安装的过程中可靠性更高,降低产品的损坏几率;②尺寸更小,单位面积上的芯片个数增多,电流密度变大,更适合用于大功率LED产品;③结构更加简单,减少芯片底部材料层数,简化热传导的途径,使热阻更低;④灵活性更高,可任意组合成各种功率和串并数,有利于在有特殊需求与集成度更高的产品上使用;⑤增加出光效率,可从单面120°出光改变为五面发光180°出光的体光源;⑥完全适应SMT工艺流程和回流焊工艺。封装流程中,去除了支架和硅胶的用量,减少了传统引脚式和贴片式封装中点胶环节,降低了整体成本。
CSP结构的改进
CSP LED的单面出光效果不好。瑞丰针对单面出光CSP产品结构进行了改善,将白墙胶处理成有开口倾斜角度的结构,如图2所示。这种结构能将原本会在胶体内反复反射、折射,最终转换成热量的部分光子,通过倾斜的白墙侧壁导向出光面,大幅提升了光效。
雷曼的CSP器件采用荧光胶压合制备而成,使得这种器件无外加封胶结构,如图3所示。通过对荧光胶的改良与配置,调控CSP的侧面与顶部的荧光层厚度,能提高CSP器件出光的一致性,改善了CSP器件在终端应用的光斑问题。
兆驰开发出五面出光CSP(如图4a)和多面出光CSP(如图4b),并成功量产。五面出光和多面出光CSP LED相比于单面出光CSP LED,出光角度更大,光色均匀性显著提升。
行家光电在CSP制造上,使用了其基于自主研发设备的真空薄膜涂覆专利技术,在芯片表面形成致密、超薄、均匀的荧光粉薄膜之后再覆盖硅胶。通过半导体级的制造设备和工艺控制实现色彩一致性,相比传统模顶荧光胶成型等厚膜结构,行家薄膜结构有效提高CSP的热稳定性,同时也提高光效。与喷涂技术明显不同的是,由于采用了干湿分离的技术,可依次涂覆多种荧光粉与硅胶,实现分层共形涂覆(Layer by Layer Conformal Coating)。分层共形结构可实现对CSP LED出光角度的控制,部分产品图片如图5所示。
立体光电对CSP芯片级封装器件及相关设备研究得较深入,制备得到了多种型号的CSP器件和模组,如图6所示。其中图6b为采用1021倒装芯片制得的CSP贴装工艺双色温CSP 2835灯珠,可实现SMT贴装。图6c和6d均为CSP模组,功率较大,适合用于大功率LED场合。
CSP LED光质量
CSP封装技术最早是用于IC领域中,后来才慢慢引入到LED中来。Qian等人研究了荧光粉的分散对CSP LED光学特性的影响,结果表明当荧光胶的浓度达到固定阈值(如12%)时,发射光谱不会发生明显变化。Fan等人制备了具有高显色指数(CRI>80)的CSP LED,对产品进行模拟测试,结果表明热模拟可有效地得出CSP LED的安全使用条件,且光线跟踪仿真的米氏理论可用于模拟混合多色荧光粉的Pc-white LED的SPD。C.K.Y. Wong等通过改变单色YAG荧光粉层尺寸来预测其颜色,设计了荧光粉转换型白光CSP LED(phosphor convert white LED CSP)的光谱功率分布。多数学者对CSP LED的研究主要在于荧光粉膜及模拟分析,通过调节荧光粉的配比与模拟测试,得出具有最佳光效的CSP LED。
中国专利CN 205752243 U制作了一种新型CSP LED芯片,采用混合有荧光粉的封装胶体对LED芯片进行封装,并且对封装胶体制作图形结构,使光产生更多折射出光,提升CSP LED的光效。CN 106764558 A则发明了一种CSP照明闪光模组生产工艺,此生产工艺不仅提高了光效,而且也减少了人工成本,提高了产品质量。
CSP LED制造工艺
CSP LED由于尺寸小,故封装起来较困难,因此CSP LED的常规制成工艺往往较复杂。CN 106298754公布了一种CSP灯珠制备方法,其采用在荧光板上开与芯片形状相契合的凹槽形式,将倒装LED芯片放入凹槽,电极朝外,芯片通过胶水固定,然后切割得到CSP灯珠。此工艺利用荧光陶瓷或荧光玻璃作为LED芯片的荧光模组,可通过激光精密切割,其加工速度快且精度高,简化了CSP灯珠的制作流程。
CN 206322729公布了一种新型CSP LED结构,包括芯片本体、焊盘、封装胶及金属片,焊盘设于所述芯片本体的一面,

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