近年來，隨著LED在器件材料、芯片工藝、封裝制程技術等方面的研究不斷進步，尤其是倒轉芯片的逐漸成熟與熒光粉涂覆技術的多樣化，一種新的芯片尺寸級封裝CSP（Chip Scale Package）技術應運而生。由于其單元面積的光通量最大化（高光密度）以及芯片與封裝BOM成本最大比（低封裝成本）使其有望在lm/$上打開顛覆性的突破口。近期，CSP在業界引起較大議論，它既是眾多封裝形式的一種，也被行業寄予期望，被認為是一種“終極”封裝形式。

 

　　一、白光LED封裝現狀

 

　　當前，照明已成為LED主要市場推動力。從LED照明市場滲透情況可以看出，LED照明市場大致經歷了替換燈、集成LED燈具、以及下一代智慧照明應用三個發展階段。據多家行業分析公司預測，到2020年在LED照明市場滲透率將會達到70%，LED集成光源將在燈具設計中扮演越來越重要的角色。

 

 

　　縱觀白光LED封裝的發展過程，為適應LED應用需求的不斷更新，LED封裝也隨之經歷了從高功率封裝到中小功率封裝的重心偏移。而推動這一發展趨勢的主要原因，正是受0.2W～0.9W中低功率LED適合擴散性(diffuse)光源需求；液晶電視LED背光的快速產業化；球泡燈和燈管等替代燈為代表的照明市場的迅速滲透；以及5630、4014、2835、3030等PLCC的標準化形成等市場應用的推動。同時，隨著商業照明和特殊照明多樣化需求，下一個封裝趨勢是高密度封裝，而COB、CSP正是實現高密度封裝的代表形式。

　　1、中低功率SMD仍將扮演重要角色

 

　　過去幾年里，中小功率LED芯片性能得以迅速提升，封裝成本不斷改善，使其在光效（lm/W）尤其在性價比（lm/$）方面更優于陶瓷高功率封裝。加上其適合擴散性(diffuse)光源的應用，在線性與面光源中仍會成為主流。同時，隨著EMC和SMC等耐高溫、耐黃化材料在QFN支架中的導入，支架封裝正向中高功率擴展，已突破2W級，迫使陶瓷大功率封裝向更大功率（3W～5W）應用推進。

 

　　2、COB大力滲透商照市場

 

　　與此同時，另一封裝形式COB逐漸在緊湊型發光面、高光密度應用中體現出其獨特的優勢。COB可將多顆芯片直接陣列排布在高反射金屬或陶瓷基板上，免去了單顆LED的分立式封裝后再集成；COB封裝設計簡單，具有較好的光型及色空間均勻性；其高反射金屬或陶瓷基板材料的改善，有效解決了光效壽命等可靠性問題，使其在MR16、PAR Reflector等商照應用中迅速滲透。隨著倒裝芯片的成熟和無金線對設計帶來的靈活性，以及基板材料散熱與反射率的提升，將幾十顆甚至幾百顆LED集成到同一基板上已成為可能，由此也進一步實現了高光密度、超高功率LED封裝，使替代陶瓷金鹵燈成為可能。

 

　　3、大功率分立式LED進一步小型化

 

　　過去幾年，Lumileds、Cree、OSRAM等大功率LED供應商紛紛著力改進原有陶瓷封裝技術，憑借其先進的大功率倒裝芯片或垂直結構芯片，逐漸使封裝小型化，以降低由于昂貴的陶瓷基板及較低的生產效率帶來的成本壓力，并提升芯片承受大電流密度的能力。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從原來的3535變到2525，再進一步減少到1616，趨近了芯片本身的尺寸，或稱為Near Chip Scale Package（NCSP）。而下一代分立（Discrete）大功率LED的自然演進或許將是徹底免除陶瓷基板的CSP。

 

　　二、下一代白光封裝趨勢

 

　　什么是CSP封裝？與NCSP有哪些不同？又具有哪些優勢？IPC標準J-STD-012對CSP封裝的定義是封裝體的面積不大于芯片面積的20%。

 

　　1、CSP與 NCSP (免基板vs帶基板）

 

　　當陶瓷基板的尺寸做到和芯片尺寸幾乎一樣大小時，其逐漸失去了幫助LED散熱（熱擴散）的功能。相反，如果去掉陶瓷基板，則去掉了一層熱界面，有利于熱的快速傳導到線路板。同時，隨著倒裝芯片的成熟，陶瓷基板作為絕緣材料對PN電極線路的再分布（re-distribution）的功能已不再需要。除了在機械結構和熱膨脹失配上對LED起到一定保護作用，陶瓷基板對芯片的電隔離和熱傳導的重要功能已基本喪失。

 

　　免去基板同時是傳統陶瓷封裝固晶所需的GGI或AuSn共晶焊接可以改為低成本的SAC焊錫。并借助倒裝芯片，免去金線及焊線步驟，降低了封裝成本。

 

 

　　2白光CSP的優勢

 

　　除了上述提到的潛在降低成本優勢外，在燈具設計上，由于CSP封裝尺寸大大減小，可使燈具設計更加靈活，結構也會更加緊湊簡潔。在性能上，由于CSP的小發光面、高光密特性，易于光學指向性控制；利用倒裝芯片的電極設計，使其電流分配更家均衡，適合更大電流驅動；Droop效應的減緩，以及減少了光吸收，使CSP具有進一步提升光效的空間。在工藝上， 藍寶石使熒光粉與芯片MQW區的距離增加，熒光粉溫度更低，白光轉換效率也更高。

 

 

　　實現CSP的白光工藝有多種方式，最理想的熒光粉涂布是在晶圓Wafer上進行，這種封裝過程又稱晶圓級封裝（WLP）。然而，采取這樣工藝實現的熒光粉涂布，只覆蓋了芯片的表面，藍光通過藍寶石從四周漏出，影響色空間分布的均勻性。如果芯片廠不是采取WLP（晶圓級封裝）的方式來實現熒光粉涂覆，其進行CSP生產并不比封裝廠更具備優勢。雖然可以去除藍寶石，采用薄膜芯片（TFFC）或垂直結構芯片（LLO)可以減少漏光，但工藝成本非常高。

 

　　因此，市面上主流技術路線仍是把圓片切割后，在方片上進行熒光粉涂布，再測試、編帶，此過程與傳統封裝工藝更加相似。核心工藝圍繞著熒光粉的涂布技術，包括噴膠，封模，印刷、及熒光膜貼裝等多種方式，各工藝都有其優勢與挑戰。

 

 

　　4、CSP的結構與光學

 

　　常見的CSP光學結構則分為5面發光和單面發光兩種，其發光角度不同，分別是160度左右和120度左右。5面發光CSP更適合應用在全周光球泡燈，如果采用中小尺寸倒裝芯片，還可在燈管及測人式電視背光中使用。而單面發光CSP則適合指向性光源，或用于搭配二次光學應用在射燈、路燈、直下式電視背光和閃光燈等。

 

　　三、白光CSP的應用前景與挑戰

 

　　CSP的主要應用在哪里？當前市場應用中的難點又有哪些？有人稱CSP為“免封裝”，那么中游封裝企業未來又將何去何從？

 

　　1、CSP的市場應用

 

　　CSP作為一種新的封裝技術，在下一代分立式中大功率LED應用中吸引行業關注，并在lm/$具有較大提升空間。隨著倒裝芯片良率的提升及產能規模的擴大，其價格優勢將更加體現出來。今天，CSP已經不只停留在研發室內，已經在某些應用中大批量生產，并顯示其優勢與價值。

 

　　比如，近兩年，Lumileds的CSP在手機閃光燈應用中已批量生產；韓國廠商的CSP在直下式電視也已實現量產；易美芯光作為國內較早從事CSP研發的公司，也已成功開發出1313及1111等系列CSP產品，配合優化的二次透鏡，可以把直下式電視中LED顆數減少三分之一甚至一半，從而降低系統成本。同時，由于該產品散熱及電流密度的優勢，亮度可以更高，滿足了4K/2K以及高色域對亮度的要求。另外，在通用照明全周光球燈及燈具上，以及手機閃光燈的應用也在開發中。

 

　　隨著CSP的技術在不斷演進，尺寸將不斷縮小，應用將更加廣泛。同時可靠性也在不斷提升，使其有望成為下一代分立大功率LED器件的主要封裝形式。

 

　　2、CSP當前面臨的挑戰

 

　　當然，作為一種新的技術，現階段它也必然會面臨局限與挑戰：首先，CSP依賴于倒裝芯片技術的提升，包括芯片成本、光效、可靠性以及芯片耐ESD的擊穿能力；其次，白光轉換所需的熒光粉工藝及其均勻性，直接影響色溫落Bin率及色空間分布；第三，CSP對SMT貼片的精度要求更高，易造成CSP的旋轉或翹起；第四，回流焊更敏感，免清洗助焊劑及錫膏的選擇以及回流焊溫度曲線的管控，都將影響到焊點的空洞率及柔韌性，從而影響產品的散熱及可靠性；第五，由于沒有陶瓷基板或支架的保護及應力轉移，LED芯片與PCB的熱膨脹系數差異較大，由此所產生的應力將直接影響芯片的信賴性；第六，CSP對PCB基板散熱的要求更高等。

 

　　每種封裝形式都有其所最適合的產品應用，下游客戶對封裝的選擇和需求也多種多樣，可以說，沒有一款封裝形式可以做到One size fits all。但隨著SMD貼片設備及工藝精準度的提升，CSP必將向小芯片延伸，在中功率應用中也將會與正裝支架結構封裝進行市場競爭。

 

　　3、封裝的產業鏈價值

 

　　CSP可使封裝簡易化，因此，封裝企業必須不斷創新并調整，充分發揮自身的中游優勢，在上下游兩面延伸中尋找自身價值。并在模組化、功能化、智能化LED應用中為下游客戶提供解決方案與附加值。

 

　　從行業進一步發展而論，未來的封裝將會涵蓋更多方面與內容。在超越照明的嶄新領域如物聯網、可見光通信、智能照明器具應用中，微電子處理器、LED、紅外、驅動電源和傳感器件將會被納入其中。因此，只有在市場與技術變化下，不斷尋求新的機會，適時調整和重新定位，未來仍然有屬于封裝企業的一片天地。【本文選自《半導體照明》雜志2015年第7期 總第65期 作者：劉國旭 易美芯光（北京）科技有限公司】