近年來(lái),LED行業(yè)的迅猛發(fā)展使得LED的封裝結(jié)構(gòu )呈現(xiàn)出多樣化的發(fā)展趨勢(shì)。在體積小型化方向,CSP LED應(yīng)運(yùn)而生。發(fā)展過(guò)程中,Top-view CSP的市場(chǎng)逐漸形成,但白牆圍擋限制了其光萃取率。本文從工藝結(jié)構(gòu )上進(jìn)行分析改進(jìn),提出了一種增光型單面發(fā)光CSP,將原有的圍擋側光轉(zhuǎn)換(huàn)為反射側光的方法,引導(dǎo )出光,提高CSP光萃取效率。並從工藝製程上分析了其可行性。

1.引言

CSP作為一款簡(jiǎn)約型LED封裝產(chǎn)品在近幾年一直炒得如火如荼。關(guān)注點(diǎn)一開(kāi)始是落在其免基板、無(wú)鍵合線(xiàn )的特點(diǎn)上。這種封裝結(jié)構(gòu )可以大大縮減封裝工藝流程和材料成本。四四方方的外形和厚度一致的螢光膠層決定了CSP產(chǎn)品優(yōu)良的出光一致性。小巧的體積使CSP在應(yīng)用端能夠擁有靈活多變的設(shè)計(jì)特點(diǎn),並且可以滿(mǎn)足高集成度的設(shè)計(jì)要求。因此,CSP吸引了眾多投資者、研究機(jī)構(gòu )和公司的關(guān)注。

而其外形也隨著應(yīng)用端需求開(kāi)發(fā)出了不同的結(jié)構(gòu )和形態(tài)特點(diǎn)。起初的CSP是從傳統(tǒng)單面發(fā)光的PLCC和QFN封裝形態(tài)向五面發(fā)光CSP發(fā)展而來(lái)。五面發(fā)光CSP產(chǎn)品光效高、光損少,近場(chǎng)發(fā)光角接近180°,適用於照明領(lǐng)域。但在背光領(lǐng)域,針對(duì)五面發(fā)光CSP的透鏡設(shè)計(jì)困難,且五面CSP底部漏藍(lán)影響背光效果。為適應(yīng)應(yīng)用需求,擴展功能結(jié)構(gòu ),CSP的發(fā)展又轉(zhuǎn)向了減少發(fā)光面的趨勢(shì),從而出現(xiàn)了單面發(fā)光CSP形態(tài)。但是隨著白牆膠對(duì)CSP四周出光的遮擋,CSP正面出光效率會(huì)下降10-15%。本文旨在提出一種Top-view CSP的結(jié)構(gòu )形態(tài)和製作方法,使單面發(fā)光CSP光萃取效率獲得提升。

圖1 五面發(fā)光CSP及配光曲線(xiàn )模擬圖

2. Top-view CSP的結(jié)構(gòu )發(fā)展

早的一類(lèi)單面發(fā)光CSP來(lái)源於晶片端,是在倒裝晶片晶圓上完成螢光膠塗覆處理後切割完成的。由於晶片側面完全沒有處理,側面漏藍(lán)十分嚴(yán)重。鑑於此問(wèn)題,市面上這類(lèi)產(chǎn)品的應(yīng)用也是寥寥無(wú)幾。

圖2 階段Top-view CSP

第二階段的Top-view CSP,直接採用白牆膠對(duì)倒裝LED晶片側面進(jìn)行遮擋,造成了出光效率偏低的問(wèn)題。尤其是a類(lèi)結(jié)構(gòu ),是基於階段單面發(fā)光CSP發(fā)展而來(lái),由於螢光膠的側面也存在遮擋,因此光萃取效率大打折扣;而b、c類(lèi)產(chǎn)品螢光膠完全壓在晶片和白牆膠上方,其實(shí)是一種不完全的單面發(fā)光CSP結(jié)構(gòu ),雖然螢光膠層僅0.1-0.17mm,但在水平角方向仍然會(huì)有漏光現(xiàn)象。

圖3 第二階段Top-view CSP

第三階段的Top-view CSP是目前市面上為常見(jiàn)的一類(lèi),韓國(guó)、臺(tái)灣、大陸均有這種形態(tài)的產(chǎn)品。此類(lèi)產(chǎn)品是從五面發(fā)光CSP基礎(chǔ)上衍生而來(lái)。由於從晶片正面和側面發(fā)出的光均可直接進(jìn)入螢光膠進(jìn)行激發(fā),從而提高了一定的白光轉(zhuǎn)換(huàn)效率,使光效提升。但此產(chǎn)品被豎直的白牆膠側壁四面包圍,在光萃取上仍然存在很大的提升空間。

圖4 第三階段Top-view CSP

3. 一種增光型Top-view CSP

以往的Top-view CSP僅僅考慮將側光圍擋,並未從結(jié)構(gòu )設(shè)計(jì)上將這類(lèi)光進(jìn)行方向引導(dǎo )並提取出來(lái)。此增光型Top-view CSP產(chǎn)品做了白牆內(nèi)壁處理,形態(tài)上是CSP向QFN封裝的一種結(jié)構(gòu )回歸[3]。如下圖所示:

圖5 增光型Top view CSP

基於第三類(lèi)Top-view CSP,我們將白牆膠處理成有開(kāi)口傾斜角度之後的結(jié)構(gòu ),加上出光表面圖形化處理,出光效率即可獲得明顯的提升。原本螢光膠激發(fā)的水平方向部分光子會(huì)在白牆、螢光粉顆粒、晶片和膠體內(nèi)反覆反射、折射,終被吸收轉(zhuǎn)換(huàn)成熱量,而在這類(lèi)結(jié)構(gòu )下則可以通過(guò)傾斜的白牆側壁導(dǎo )向出光面。

將增光型Top-view CSP分別與三種不同結(jié)構(gòu )類(lèi)型的CSP進(jìn)行光學(xué)模擬對(duì)比。採用相同的封裝材料(包括晶片、白牆膠、螢光膠),搭配相同的材料特性參數(shù)(CSP白牆設(shè)置為散射處理,白牆反射率:97%),模擬一般情況下的出光角度和相對(duì)光功率。

表1 光學(xué)模擬結(jié)果

由上表可知,傳統(tǒng)的Top-view CSP比五面發(fā)光CSP在正面出光上減少了16.23%,整體光萃取效率降低了39.38%。白牆膠內(nèi)壁傾斜處理後的Top-view CSP在正面出光上比五面發(fā)光CSP提高了42.61%,但整體的光萃取效率仍低於五面發(fā)光CSP。再增加出光面圖形化處理後,Top-view CSP整體光萃取效率相比五面發(fā)光CSP提升了8.4%,正面出光效率比五面發(fā)光CSP提高了44.58%。

圖a 仿真NO.2樣品、近場(chǎng)光分布效果與配光曲線(xiàn )模擬圖

圖b 仿真NO.3樣品與近場(chǎng)光分布效果與配光曲線(xiàn )模擬圖

圖c 仿真NO.4樣品與近場(chǎng)光分布效果與配光曲線(xiàn )模擬圖

由光學(xué)模擬的近場(chǎng)光分布和配光曲線(xiàn )可知,五面發(fā)光CSP結(jié)構(gòu )發(fā)展至常規(guī)Top-view CSP,發(fā)光角度出現(xiàn)明顯下降,而傾斜杯壁的Top-view CSP結(jié)構(gòu )使發(fā)光角度更加集中,從NO.3的配光曲線(xiàn )上看光分布為尖銳。通過(guò)表面圖形化處理後,近場(chǎng)光斑趨於均勻,配光曲線(xiàn )中心略微平緩,發(fā)光角度增至125°。

4. 增光型Top-view CSP工藝製程與可行性

此類(lèi)Top-view CSP的製作工藝複雜度仍然和第三類(lèi)相差不大,僅僅增加了兩(liǎng)次翻膜的工序。工藝特點(diǎn)上,我們採用了一種特殊成型的切割刀片,作為碗杯成型的關(guān)鍵。如下圖:

圖6 增光型單面發(fā)光CSP工藝製程簡(jiǎn)介

總體工藝分為:①布晶、②螢光膠模壓、③翻膜、④杯型切割、⑤翻膜、⑥白牆膠模壓、⑦表面去皮與圖形化處理、⑧精細(xì)切割、⑨分選包裝。工藝難點(diǎn)在於高精度布晶、真空熱壓技術(shù)和高精度切割。而目前,固晶機(jī)精度可達(dá)到±30um,切割機(jī)精度高達(dá)±5um/150times,足以滿(mǎn)足以上工藝成型要求。

5. 總結(jié)

本文從結(jié)構(gòu )工藝上提出了Top-view CSP的增光方案。實(shí)際上,還能從製程工藝上提升CSP出光效率,包括螢光薄膜覆蓋、螢光薄膜印刷、螢光膠噴塗、螢光膠真空蒸鍍等技術(shù)[4,5]。然而製程工藝改變,對(duì)設(shè)備要求或材料要求都比較高。初始投入和成本要求也會(huì)相應(yīng)增加。而本文提出的增光型Top-view CSP相比第三階段Top-view CSP產(chǎn)品僅需更改一款切割成型刀片,初始投入較小。並能實(shí)現(xiàn)整體光萃取效率相比五面發(fā)光CSP提升8.4%,正面出光效率比常規(guī)Top-view CSP提升72.6%。以上研究成果均由深圳市瑞豐光電子公司提供。瑞豐光電自2013年開(kāi)始在LED封裝應(yīng)用領(lǐng)域研發(fā)CSP產(chǎn)品,在2014年前後已對(duì)CSP產(chǎn)品做了全面專(zhuān)利布局。

另外,我們也注意到,此類(lèi)結(jié)構(gòu )仍存在底部漏光問(wèn)題。雖然通過(guò)提高設(shè)備和治具精度可進(jìn)一步縮小底部螢光膠圈的漏光面,但不能完全解決漏光問(wèn)題。目前,市面上也有一類(lèi)底部封白牆膠的CSP結(jié)構(gòu )設(shè)計(jì)可以解決底部漏光,但倒裝晶片發(fā)光層位於晶片底部靠近電極的位置,勢(shì)必會(huì)遮蓋發(fā)光層側面,影響一定的出光效率。由此可見(jiàn),目前各類(lèi)Top-view CSP的結(jié)構(gòu )都各具優(yōu)勢(shì),並且其發(fā)展仍然存在許多完善和提升的空間。