芯片級LED封裝技術(shù)的演變和未來發(fā)展趨勢

隨著LED的不斷發(fā)展，成本將是LED在通用照明、電視背光、手機(jī)背光等各個(gè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的主要障礙。通過產(chǎn)業(yè)鏈的上下游技術(shù)整合是降低成本的有效方式之一。

在本文中介紹了由倒裝芯片技術(shù)實(shí)現(xiàn)的芯片工藝和封裝工藝相結(jié)合的方式簡化了LED制作工藝流程。該技術(shù)白光芯片LED直接貼裝于基板上還具有更好的散熱效果，更小的體積。隨著LED照明市場的成熟和其他應(yīng)用市場的發(fā)展，芯片級LED封裝技術(shù)具有光明的前景。

背景

目前，大量應(yīng)用的白光LED主要是通過藍(lán)光LED激發(fā)黃色熒光粉來實(shí)現(xiàn)的，行業(yè)內(nèi)藍(lán)光LED芯片技術(shù)路線包含正裝結(jié)構(gòu)、垂直結(jié)構(gòu)和倒裝結(jié)構(gòu)三個(gè)技術(shù)方向。

正裝芯片制作工藝相對簡單，但其散熱效果不如垂直和倒裝結(jié)構(gòu)，且封裝過程需要金線實(shí)現(xiàn)電連接，比較適用于中小功率芯片封裝，常用于室內(nèi)照明燈管、吸頂燈等燈具上。

垂直結(jié)構(gòu)的芯片由于涉及到電極鍵合和外延襯底剝離工藝，相對來說工藝復(fù)雜、成本也較高，其封裝過程仍然需要金線互聯(lián)，但其散熱效果好，比較適合中大功率LED產(chǎn)品。

倒裝芯片相對工藝狀況適中，由于其直接通過大面積金屬電極導(dǎo)電和散熱，散熱效果很好，完全實(shí)現(xiàn)了無金線互聯(lián)，使得工作可靠性顯著提高，非常適合于中大功率LED應(yīng)用，應(yīng)用于高端照明和直下式電視機(jī)背光等要求較高的場合。

LED器件的發(fā)光效率、成本、可靠性是LED產(chǎn)品在照明領(lǐng)域推廣應(yīng)用急需解決的三大課題。

LED功率型器件發(fā)光效率的提升，需要從材料、外延層結(jié)構(gòu)、芯片設(shè)計(jì)、封裝工藝等多種途徑著力提高器件的發(fā)光效率。目前LED的發(fā)光效率已經(jīng)超過市場應(yīng)用的光源(如熒光燈、節(jié)能燈)光效水平，低成本化成為推動(dòng)占領(lǐng)LED市場份額最重要的力量;但在成本降低的同時(shí)又需要在保證產(chǎn)品具有高可靠性等品質(zhì)為前提。

傳統(tǒng)LED產(chǎn)業(yè)包括外延、芯片、封裝和燈具產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)，當(dāng)前產(chǎn)業(yè)發(fā)展態(tài)勢呈現(xiàn)并購和投資進(jìn)行產(chǎn)業(yè)鏈垂直整合以降低成本，而通過將芯片和封裝的技術(shù)環(huán)節(jié)垂直整合，可以進(jìn)一步降低成本。因此將傳統(tǒng)IC領(lǐng)域的芯片級尺寸封裝概念引入LED領(lǐng)域，也就是將LED芯片和封裝結(jié)合起來即芯片級尺寸封裝技術(shù)為LED產(chǎn)業(yè)的垂直整合提供了很好的技術(shù)途徑。在市場需求量迅速提升，對價(jià)格下降的壓力越來越大的情況下，芯片級尺寸封裝技術(shù)(ChipScalePackage，以下簡寫為“CSP”)的發(fā)展就成為必然的趨勢。

在三種LED芯片技術(shù)路線中，倒裝芯片由于無需金線互聯(lián)，且可直接在各種基板表面(PCB、陶瓷等)貼裝，因此特別適合芯片級封裝(直接在芯片制造階段就完成了白光封裝)，形成芯片級的白光LED器件。由于倒裝芯片散熱好，可靠性高，能夠承受大電流驅(qū)動(dòng)，使得其具有很高的性價(jià)比，因此“倒裝芯片+芯片級封裝”成為了完美的組合，在LED白光器件成本和可靠性方面具有很強(qiáng)的優(yōu)勢，最近兩年來成為了LED行業(yè)研究的熱點(diǎn)和發(fā)展的主流方向。

芯片級封裝的發(fā)展

CSP指的是封裝體尺寸相比芯片尺寸不大于120%，且功能完整的封裝元件。CSP器件的優(yōu)勢在于單個(gè)器件的封裝簡單化、小型化，盡可能降低每個(gè)器件的物料成本。CSP量產(chǎn)實(shí)現(xiàn)的產(chǎn)能很大，從而滿足市場的爆發(fā)性增長用量的需求，通過大規(guī)模化的生產(chǎn)效應(yīng)而拉低器件的成本。芯片級尺寸LED封裝技術(shù)，由于封裝體積變小，給封裝技術(shù)帶來了挑戰(zhàn)，特別是LED作為光學(xué)器件，需要制作均勻的光轉(zhuǎn)換層，可實(shí)現(xiàn)均勻光色的光學(xué)元件，且要保證封裝器件的可靠性。

2013年以來，免封裝絕對是LED產(chǎn)業(yè)界的熱門話題，所謂的免封裝其并不是真正省去封裝環(huán)節(jié)，而是將部分封裝工序提前到芯片工藝階段完成，其實(shí)也就是芯片級封裝。相繼在臺(tái)灣、日韓、歐美等地的LED大公司紛紛發(fā)布了類似的芯片級封裝LED產(chǎn)品。綜合各企業(yè)產(chǎn)品，共同的特點(diǎn)是基于倒裝芯片的基礎(chǔ)上，使封裝體積更小，光學(xué)、熱學(xué)性能更好，同時(shí)因省略了導(dǎo)線架與打線的步驟，使其后道工序更加便捷。

 芯片級封裝工藝路線主要有三種技術(shù)方案。

一是先將LED晶圓劃片，然后將倒裝芯片貼裝到已制作有電路的基板材料上，再進(jìn)行其他封裝工藝，最后劃片、裂片得到單顆或多顆LED模塊，這是目前比較流行的方式，也是比較成熟的工藝。

其二，先將LED晶圓金屬化后，經(jīng)劃片制作倒裝LED芯片，然后把倒裝LED芯片的正上方和四個(gè)側(cè)面使用熒光層材料包覆而達(dá)到封裝的目的，可直接給下游燈具客戶應(yīng)用。該方法是目前市場上比較普遍的做法，各個(gè)LED廠競相開發(fā)的方向。

第三，LED外延片經(jīng)金屬化電極完成后，直接在晶圓級進(jìn)行熒光粉涂覆，經(jīng)過切割、裂片實(shí)現(xiàn)芯片級封裝，該工藝路線技術(shù)難度較大，目前尚處在產(chǎn)業(yè)化前期。

綜合三種方法，要實(shí)現(xiàn)芯片級封裝的核心關(guān)鍵前提是在于倒裝芯片的開發(fā)。

在國內(nèi)，晶科電子早在2012年推出了第一代芯片級光源產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)和銷售，稱之為“芯片級無金線封裝”，升級的第三代芯片級光源產(chǎn)品如圖1。晶科電子利用在倒裝芯片技術(shù)工藝平臺(tái)的基礎(chǔ)上，發(fā)揮芯片研發(fā)與量產(chǎn)的技術(shù)優(yōu)勢，結(jié)合先進(jìn)的封裝技術(shù)，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了芯片級白光LED的開發(fā)與量產(chǎn)即白光芯片如圖2所示。

芯片級封裝產(chǎn)品的應(yīng)用

由倒裝芯片實(shí)現(xiàn)的芯片級白光LED即白光芯片，可直接貼裝于PCB板上，省去支架或基板，工藝上節(jié)省了固晶、打線環(huán)節(jié)，大大簡化了LED產(chǎn)業(yè)鏈的環(huán)節(jié)，方便下游客戶應(yīng)用，節(jié)省成本。如下圖3比較了白光芯片應(yīng)用與傳統(tǒng)LED應(yīng)用的工藝流程差別，很明顯可以看出白光芯片應(yīng)用的簡便性。

白光芯片具有優(yōu)異的散熱性能，如圖4所示，比較傳統(tǒng)SMD封裝器件和白光芯片應(yīng)用于PCB板上的傳熱路徑圖。傳統(tǒng)SMD器件散熱需經(jīng)芯片->固晶膠->基板->錫膏層->PCB等路徑。而白光芯片的散熱路徑則為芯片->金屬層->PCB，經(jīng)熱阻測試前者要高出后者50%。

白光芯片屬于芯片級尺寸水平封裝，其封裝體尺寸相比芯片尺寸不大于120%，具有明顯體積小的優(yōu)點(diǎn)。相比傳統(tǒng)LED光源器件，白光芯片為二次配光釋放了足夠的空間進(jìn)行二次光學(xué)設(shè)計(jì)，同時(shí)配合白光芯片應(yīng)用的二次光學(xué)元件體積將大幅度縮小。如圖5所示，白光芯片貼于PCB板上，配合二次光學(xué)透鏡用于電視背光源燈條，可以讓電視做到更薄。另外，如圖6白光芯片直接貼裝在基板上，其排布間距可控制，易高密度集成。同時(shí)，白光芯片可制成多種色溫規(guī)格排布在同一基板上并實(shí)現(xiàn)顏色調(diào)控如圖7，滿足照明色溫多樣性的需求。

圖7，白光芯片器件實(shí)現(xiàn)的雙色溫COB光源

CSP白光LED器件的應(yīng)用對于直接貼于PCB上的SMT精度提出了更高的要求，盡管現(xiàn)有的SMT設(shè)備無法滿足。但市場上一些新的高精度SMT設(shè)備已經(jīng)可以達(dá)到其精度要求，相信對CSP白光LED器件的推廣應(yīng)用不會(huì)是一個(gè)大的問題。

結(jié)論與展望

從目前市場趨勢來看，日韓、歐美、臺(tái)灣等公司陸續(xù)推出倒裝LED芯片及芯片級封裝的產(chǎn)品，進(jìn)一步證明了由倒裝芯片實(shí)現(xiàn)的芯片級封裝產(chǎn)品未來巨大的發(fā)展?jié)摿屯怀龅募夹g(shù)優(yōu)勢。隨著LED照明市場逐漸趨于成熟和其他各種應(yīng)用市場的來臨，相信未來芯片級封裝LED產(chǎn)品有很大的市場空間。