近年來,LED行業(yè)的迅猛發(fā)展使得LED的封裝結構呈現(xiàn)出多樣化的發(fā)展趨勢。在體積小型化方向,CSP LED應運而生。發(fā)展過程中,Top-view CSP的市場逐漸形成,但白墻圍擋限制了其光萃取率。本文從工藝結構上進行分析改進,提出了一種增光型單面發(fā)光CSP,將原有的圍擋側光轉換為反射側光的方法,引導出光,提高CSP光萃取效率。并從工藝制程上分析了其可行性。

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1.引言

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CSP作為一款簡約型LED封裝產(chǎn)品在近幾年一直炒得如火如荼。關注點一開始是落在其免基板、無鍵合線的特點上。這種封裝結構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熒光膠層決定了CSP產(chǎn)品優(yōu)良的出光一致性。小巧的體積使CSP在應用端能夠擁有靈活多變的設計特點,并且可以滿足高集成度的設計要求。因此,CSP吸引了眾多投資者、研究機構和公司的關注。

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而其外形也隨著應用端需求開發(fā)出了不同的結構和形態(tài)特點。最起初的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。五面發(fā)光CSP產(chǎn)品光效高、光損少,近場發(fā)光角接近180°,適用于照明領域。但在背光領域,針對五面發(fā)光CSP的透鏡設計困難,且五面CSP底部漏藍影響背光效果。為適應應用需求,擴展功能結構,CSP的發(fā)展又轉向了減少發(fā)光面的趨勢,從而出現(xiàn)了單面發(fā)光CSP形態(tài)。但是隨著白墻膠對CSP四周出光的遮擋,CSP正面出光效率會下降10-15%。本文旨在提出一種Top-view CSP的結構形態(tài)和制作方法,使單面發(fā)光CSP光萃取效率獲得提升。

圖1 五面發(fā)光CSP及配光曲線模擬圖

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2. Top-view CSP的結構發(fā)展

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最早的一類單面發(fā)光CSP來源于芯片端,是在倒裝芯片晶圓上完成熒光膠涂覆處理后切割完成的。由于芯片側面完全沒有處理,側面漏藍十分嚴重。鑒于此問題,市面上這類產(chǎn)品的應用也是寥寥無幾。

圖2 第一階段Top-view CSP

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第二階段的Top-view CSP,直接采用白墻膠對倒裝LED芯片側面進行遮擋,造成了出光效率偏低的問題。尤其是a類結構,是基于第一階段單面發(fā)光CSP發(fā)展而來,由于熒光膠的側面也存在遮擋,因此光萃取效率大打折扣;而b、c類產(chǎn)品熒光膠完全壓在芯片和白墻膠上方,其實是一種不完全的單面發(fā)光CSP結構,雖然熒光膠層僅0.1-0.17mm,但在水平角方向仍然會有漏光現(xiàn)象。

圖3 第二階段Top-view CSP

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第三階段的Top-view CSP是目前市面上最為常見的一類,韓國、臺灣、大陸均有這種形態(tài)的產(chǎn)品。此類產(chǎn)品是從五面發(fā)光CSP基礎上衍生而來。由于從芯片正面和側面發(fā)出的光均可直接進入熒光膠進行激發(fā),從而提高了一定的白光轉換效率,使光效提升。但此產(chǎn)品被豎直的白墻膠側壁四面包圍,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

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以往的Top-view CSP僅僅考慮將側光圍擋,并未從結構設計上將這類光進行方向引導并提取出來。此增光型Top-view CSP產(chǎn)品做了白墻內壁處理,形態(tài)上是CSP向QFN封裝的一種結構回歸[3]。如下圖所示:

圖5 增光型Top view CSP

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基于第三類Top-view CSP,我們將白墻膠處理成有開口傾斜角度之后的結構,加上出光表面圖形化處理,出光效率即可獲得明顯的提升。原本熒光膠激發(fā)的水平方向部分光子會在白墻、熒光粉顆粒、芯片和膠體內反復反射、折射,最終被吸收轉換成熱量,而在這類結構下則可以通過傾斜的白墻側壁導向出光面。

將增光型Top-view CSP分別與三種不同結構類型的CSP進行光學模擬對比。采用相同的封裝材料(包括芯片、白墻膠、熒光膠),搭配相同的材料特性參數(shù)(CSP白墻設置為散射處理,白墻反射率:97%),模擬一般情況下的出光角度和相對光功率。

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表1 光學模擬結果

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%。白墻膠內壁傾斜處理后的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于五面發(fā)光CSP。再增加出光面圖形化處理后,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、近場光分布效果與配光曲線模擬圖

圖b 仿真NO.3樣品與近場光分布效果與配光曲線模擬圖

圖c 仿真NO.4樣品與近場光分布效果與配光曲線模擬圖

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由光學模擬的近場光分布和配光曲線可知,五面發(fā)光CSP結構發(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結構使發(fā)光角度更加集中,從NO.3的配光曲線上看光分布最為尖銳。通過表面圖形化處理后,近場光斑趨于均勻,配光曲線中心略微平緩,發(fā)光角度增至125°。

4. 增光型Top-view CSP工藝制程與可行性

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此類Top-view CSP的制作工藝復雜度仍然和第三類相差不大,僅僅增加了兩次翻膜的工序。工藝特點上,我們采用了一種特殊成型的切割刀片,作為碗杯成型的關鍵。如下圖:

圖6 增光型單面發(fā)光CSP工藝制程簡介

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總體工藝分為:①布晶、②熒光膠模壓、③翻膜、④杯型切割、⑤翻膜、⑥白墻膠模壓、⑦表面去皮與圖形化處理、⑧精細切割、⑨分選包裝。工藝難點在于高精度布晶、真空熱壓技術和高精度切割。而目前,固晶機精度可達到±30um,切割機精度高達±5um/150times,足以滿足以上工藝成型要求。

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5. 總結

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本文從結構工藝上提出了Top-view CSP的增光方案。實際上,還能從制程工藝上提升CSP出光效率,包括熒光薄膜覆蓋、熒光薄膜印刷、熒光膠噴涂、熒光膠真空蒸鍍等技術[4,5]。然而制程工藝改變,對設備要求或材料要求都比較高。初始投入和成本要求也會相應增加。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。并能實現(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年開始在LED封裝應用領域研發(fā)CSP產(chǎn)品,在2014年前后已對CSP產(chǎn)品做了全面專利布局。

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另外,我們也注意到,此類結構仍存在底部漏光問題。雖然通過提高設備和治具精度可進一步縮小底部熒光膠圈的漏光面,但不能完全解決漏光問題。目前,市面上也有一類底部封白墻膠的CSP結構設計可以解決底部漏光,但倒裝芯片發(fā)光層位于芯片底部靠近電極的位置,勢必會遮蓋發(fā)光層側面,影響一定的出光效率。由此可見,目前各類Top-view CSP的結構都各具優(yōu)勢,并且其發(fā)展仍然存在許多完善和提升的空間。