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LED封装发展趋势及CSP技术前景剖析
信息来源： 发布日期：2015-10-15 阅读次数：1794
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- ??褸?lass="MsoNormal">LED球泡灯是外观采用人们已经习惯的灯泡外形——球形，内部光源为LED的新一代照明灯具，其与传统的钨丝灯泡、荧光灯泡等相比，具备：节能环保、使用寿命长、响应速度快、发光效率高、可控性强等优势，在家用照明等领域具有广泛的应用前景。近年来，我国LED照明技术发展迅速，LED球泡灯作为最常见的照明灯具之一，专利申请量大幅提高，截至2014年12
9月16日，国家发改委副主任连维良在国新办新闻会上指出，电力输配电价的试点已经扩大到7个地区，下一步试点将扩大。
除了输配电价改革试点以外，还将选择一些省份和直辖市，开展综合电力体制改革试点，可再生能源消纳试点，售电侧体制改革试点。
“我们这个试点是有序展开电力体制改革的方式，不是像其他试点那样仅仅是为了探索改革路径，这是在落实改革方案过程当中的试点，就是只要具备条件的地方就可以进行试点。”他说。
近年来，随着LED在器件材料、芯片工艺、封装制程技术等方面的研究不断进步，尤其是倒转芯片的逐渐成熟与荧光粉涂覆技术的多样化，一种新的芯片尺寸级封装CSP（Chip Scale Package）技术应运而生。由于其单元面积的光通量最大化（高光密度）以及芯片与封装BOM成本最大比（低封装成本）使其有望在lm/$上打开颠覆性的突破口。近期，CSP在业界引起较大议论，它既是众多封装形式的一种，也被行业寄予期望，被认为是一种“终极”封装形式。
一、白光LED封装现状
当前，照明已成为LED主要市场推动力。从LED照明市场渗透情况可以看出，LED照明市场大致经历了替换灯、集成LED灯具、以及下一代智慧照明应用三个发展阶段。据多家行业分析公司预测，到2020年在LED照明市场渗透率将会达到70%，LED集成光源将在灯具设计中扮演越来越重要的角色。
图1 LED封装市场预估；照明成为LED主要市场推动力（数据来源：Strategy Unlimited）
纵观白光LED封装的发展过程，为适应LED应用需求的不断更新，LED封装也随之经历了从高功率封装到中小功率封装的重心偏移。而推动这一发展趋势的主要原因，正是受0.2W～0.9W中低功率LED适合扩散性(diffuse)光源需求；液晶电视LED背光的快速产业化；球泡灯和灯管等替代灯为代表的照明市场的迅速渗透；以及5630、4014、2835、3030等PLCC的标准化形成等市场应用的推动。同时，随着商业照明和特殊照明多样化需求，下一个封装趋势是高密度封装，而COB、CSP正是实现高密度封装的代表形式。
图2 市场的需求推动了LED封装及功率应用的三个发展浪潮
1中低功率SMD仍将扮演重要角色
过去几年里，中小功率LED芯片性能得以迅速提升，封装成本不断改善，使其在光效（lm/W）尤其在性价比（lm/$）方面更优于陶瓷高功率封装。加上其适合扩散性(diffuse)光源的应用，在线性与面光源中仍会成为主流。同时，随着EMC和SMC等耐高温、耐黄化材料在QFN支架中的导入，支架封装正向中高功率扩展，已突破2W级，迫使陶瓷大功率封装向更大功率（3W～5W）应用推进。
2COB大力渗透商照市场
与此同时，另一封装形式COB逐渐在紧凑型发光面、高光密度应用中体现出其独特的优势。COB可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；COB封装设计简单，具有较好的光型及色空间均匀性；其高反射金属或陶瓷基板材料的改善，有效解决了光效寿命等可靠性问题，使其在MR16、PAR Reflector等商照应用中迅速渗透。随着倒装芯片的成熟和无金线对设计带来的灵活性，以及基板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，由此也进一步实现了高光密度、超高功率LED封装，使替代陶瓷金卤灯成为可能。
图3 COB封装不断挑战更高光密度；图为易美芯光MT-18G8
3大功率分立式LED进一步小型化
过去几年，Lumileds、Cree、OSRAM等大功率LED供应商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带来的成本压力，并提升芯片承受大电流密度的能力。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，或称为Near Chip Scale Package（NCSP）。而下一代分立（Discrete）大功率LED的自然演进或许将是彻底免除陶瓷基板的CSP。
图4 大功率陶瓷LED尺寸缩小以降到成本并提高发光密度，直至彻底去除基板
二、下一代白光封装趋势
什么是CSP封装？与NCSP有哪些不同？又具有哪些优势？IPC标准J-STD-012对CSP封装的定义是封装体的面积不大于芯片面积的20%。
1CSP与 NCSP (免基板vs带基板）
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）的功能已不再需要。除了在机械结构和热膨胀失配上对LED起到一定保护作用，陶瓷基板对芯片的电隔离和热传导的重要功能已基本丧失。
免去基板同时是传统陶瓷封装固晶所需的GGI或AuSn共晶焊接可以改为低成本的SAC焊锡。并借助倒装芯片，免去金线及焊线步骤，降低了封装成本。
图5 典型大功率陶瓷封装结构及其散热
2白光CSP的优势
除了上述提到的潜在降低成本优势外，在灯具设计上，由于CSP封装尺寸大大减小，可使灯具设计更加灵活，结构也会更加紧凑简洁。在性能上，由于CSP的小发光面、高光密特性，易于光学指向性控制；利用倒装芯片的电极设计，使其电流分配更家均衡，适合更大电流驱动；Droop效应的减缓，以及减少了光吸收，使CSP具有进一步提升光效的空间。在工艺上， 蓝宝石使荧光粉与芯片MQW区的距离增加，荧光粉温度更低，白光转换效率也更高。
3CSP的工艺技术
实现CSP的白光工艺有多种方式，最理想的荧光粉涂布是在晶圆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，只覆盖了芯片的表面，蓝光通过蓝宝石从四周漏出，影响色空间分布的均匀性。如果芯片厂不是采取WLP（晶圆级封装）的方式来实现荧光粉涂覆，其进行CSP生产并不比封装厂更具备优势。虽然可以去除蓝宝石，采用薄膜芯片（TFFC）或垂直结构芯片（LLO)可以减少漏光，但工艺成本非常高。
图6 晶圆级荧光粉涂覆后再切方片的工艺所导致的蓝光泄漏
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，印刷、及荧光膜贴装等多种方式，各工艺都有其优势与挑战。
图7 常见的四种在方片上涂覆荧光粉实现CSP的工艺技术
4CSP的结构与光学
常见的CSP光学结构则分为5面发光和单面发光两种，其发光角度不同，分别是160度左右和120度左右。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，还可在灯管及测人式电视背光中使用。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射灯、路灯、直下式电视背光和闪光灯等。
三、白光CSP的应用前景与挑战
CSP的主要应用在哪里？当前市场应用中的难点又有哪些？有人称CSP为“免封装”，那么中游封装企业未来又将何去何从？
1CSP的市场应用
CSP作为一种新的封装技术，在下一代分立式中大功率LED应用中吸引行业关注，并在lm/$具有较大提升空间。随着倒装芯片良率的提升及产能规模的扩大，其价格优势将更加体现出来。今天，CSP已经不只停留在研发室内，已经在某些应用中大批量生产，并显示其优势与价值。
比如，近两年，Lumileds的CSP在手机闪光灯应用中已批量生产；韩国厂商的CSP在直下式电视也已实现量产；易美芯光作为国内较早从事CSP研发的公司，也已成功开发出1313及1111等系列CSP产品，配合优化的二次透镜，可以把直下式电视中LED颗数减少三分之一甚至一半，从而降低系统成本。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，在通用照明全周光球灯及灯具上，以及手机闪光灯的应用也在开发中。
随着CSP的技术在不断演进，尺寸将不断缩小，应用将更加广泛。同时可靠性也在不断提升，使其有望成为下一代分立大功率LED器件的主要封装形式。
2CSP当前面临的挑战
当然，作为一种新的技术，现阶段它也必然会面临局限与挑战：首先，CSP依赖于倒装芯片技术的提升，包括芯片成本、光效、可靠性以及芯片耐ESD的击穿能力；其次，白光转换所需的荧光粉工艺及其均匀性，直接影响色温落Bin率及色空间分布；第三，CSP对SMT贴片的精度要求更高，易造成CSP的旋转或翘起；第四，回流焊更敏感，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；第五，由于没有陶瓷基板或支架的保护及应力转移，LED芯片与PCB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；第六，CSP对PCB基板散热的要求更高等。
每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也多种多样，可以说，没有一款封装形式可以做到One size fits all。但随着SMD贴片设备及工艺精准度的提升，CSP必将向小芯片延伸，在中功率应用中也将会与正装支架结构封装进行市场竞争。
3封装的产业链价值
CSP可使封装简易化，因此，封装企业必须不断创新并调整，充分发挥自身的中游优势，在上下游两面延伸中寻找自身价值。并在模组化、功能化、智能化LED应用中为下游客户提供解决方案与附加值。
从行业进一步发展而论，未来的封装将会涵盖更多方面与内容。在超越照明的崭新领域如物联网、可见光通信、智能照明器具应用中，微电子处理器、LED、红外、驱动电源和传感器件将会被纳入其中。因此，只有在市场与技术变化下，不断寻求新的机会，适时调整和重新定位，未来仍然有属于封装企业的一片天地。【本文选自《半导体照明》杂志 作者：刘国旭 易美芯光（北京）科技有限公司】