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led封装发展趋势及csp技术前景
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。
2、cob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尺寸缩小以降低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%。
1、csp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。
3、csp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片的工艺所导致的蓝光泄露
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
4、csp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？
1、csp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。
2、csp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尊龙凯时平台版的解决方案与附加值。
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2015年第7期 总第65期 作者：刘国旭 易美芯光（北京）科技有限公司】