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/$上打开颠覆性的突破口。近期,csp在业界引起较大议论,它既是众多封装形式的一种,也被行业寄予期望,被认为是一种“终极”封装形式。
一、白光led封装现状
当前,照明已成为led主要市场推动力。从led照明市场渗透情况可以看出,led照明市场大致经历了替换灯、集成led灯具、以及下一代智慧照明应用三个发展阶段。据多家行业分析公司预测,到2020年在led照明市场渗透率将会达到70%,led集成光源将在灯具设计中扮演越来越重要的角色。
纵观白光led封装的发展过程,为适应led应用需求的不断更新,led封装也随之经历了从高功率封装到中小功率封装的重心偏移。而推动这一发展趋势的主要原因,正是受0.2w~0.9w中低功率led适合扩散性(diffuse)光源需求;液晶电视led背光的快速产业化;球泡灯和灯管等替代灯为代表的照明市场的迅速渗透;以及5630、4014、2835、3030等plcc的标准化形成等市场应用的推动。同时,随着商业照明和特殊照明多样化需求,下一个封装趋势是高密度封装,而cob、csp正是实现高密度封装的代表形式。
1、中低功率smd仍将扮演重要角色
过去几年里,中小功率led芯片性能得以迅速提升,封装成本不断改善,使其在光效(lm/w)尤其在性价比(lm/$)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。
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。
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。