覆晶結(jié)構(gòu)封裝工藝、應(yīng)用市場(chǎng)分析、將成技術(shù)主流？|微課實(shí)錄

　　各位朋友，大家好。我是Terrence，我很高興有機(jī)會(huì)在這里與大家一起交流、學(xué)習(xí)。與大家分享的是目前LED行業(yè)很多人感興趣的覆晶封裝產(chǎn)品相關(guān)知識(shí)。初次使用這種方式交流，有講得不夠好的地方，還望大家多多包涵。

　　羅建華 Terrence

　　TOYONIA(東洋)中國(guó)華南區(qū)總經(jīng)理

　　LED器件封裝資深工程師

　　高等院?？妥v師

　　中山市光學(xué)學(xué)會(huì)副會(huì)長(zhǎng)

　　本文將從以下四個(gè)方面講解：

　　覆晶結(jié)構(gòu)封裝的定義及特點(diǎn)

　　首先，我們來(lái)了解什么是覆晶結(jié)構(gòu)封裝。

　　△我也問(wèn)過(guò)度娘，搜索出來(lái)的回答基本是側(cè)重第一點(diǎn)，采用了倒裝芯片。我個(gè)人認(rèn)為，倒裝芯片是芯片廠的事，并非封裝工藝的核心，所以我加了第二點(diǎn)。

　　通過(guò)這兩點(diǎn)概括，就可以清晰知道覆晶結(jié)構(gòu)封裝與傳統(tǒng)封裝工藝的不同點(diǎn)。

　　在講覆晶結(jié)構(gòu)封裝特點(diǎn)之前，我們還是簡(jiǎn)單了解一下倒裝芯片。

　　與正裝芯片相比較，除了有源面在藍(lán)寶石下方之外，大家還留意幾點(diǎn)：

　　(1)倒裝芯片沒有P極金屬薄膜導(dǎo)電層

　　(2)多了電極反射層

　　(3)P/N結(jié)與基板的電極采用面連接

　　想更詳細(xì)了解芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)的對(duì)比，可直接百度。下面我詳細(xì)分析一下采用覆晶結(jié)構(gòu)封裝的產(chǎn)品有什么特點(diǎn)。

　　△這三個(gè)特點(diǎn)相信很多人都知道，但我們需要清楚它是如何實(shí)現(xiàn)的。

　　首先我們來(lái)看高密度，要實(shí)現(xiàn)高密度光輸出，產(chǎn)品要滿足三個(gè)條件。這三個(gè)條件實(shí)際上是相互關(guān)聯(lián)的，因?yàn)榇箅娏饕馕吨邿崃俊?/p>

　　為什么覆晶結(jié)構(gòu)封裝能承載大的電流呢?我們來(lái)對(duì)比分析下電路。

　　這里我解釋下正裝芯片金屬薄膜層，由于P型GaN傳導(dǎo)性能不是太好，為獲得良好的電流擴(kuò)展，通過(guò)蒸鍍技術(shù)在P區(qū)表面形成一層金屬電極層，再將P區(qū)引線通過(guò)該層金屬薄膜引出，正是因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)，形成了正裝芯片在承載電流上的一個(gè)短板。

　　大家都知道，電阻與導(dǎo)體橫載面積成反比例關(guān)系，橫載面積越大電阻越低，還與導(dǎo)體長(zhǎng)度成正比例關(guān)系，導(dǎo)線越長(zhǎng)電阻越大。

　　從電路橫載面積上看，覆晶結(jié)構(gòu)電極尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)金線橫載面積，一般情況下相差60倍。當(dāng)然土豪可以換成很粗的金線。

　　從長(zhǎng)度上看，由于金線鍵合工藝要求，金線必須是弧型，也無(wú)疑也增加了導(dǎo)線長(zhǎng)度。晶片的結(jié)構(gòu)及線路的大小已經(jīng)初步確定了承載電流的大小。

　　光源產(chǎn)品電路具體的電阻值與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)，所以無(wú)法提供具體參數(shù)，可以確定的是，這種相差是按乘法計(jì)算的，電路越多差別越大。

　　大家也知道，電阻是要消耗功率的，消耗功率就會(huì)產(chǎn)生熱量，所以我們?cè)谠O(shè)計(jì)線路時(shí)，盡可能降低其電阻，也不要有太多的尖角。

　　接著講導(dǎo)熱的問(wèn)題，還是和上面的一樣，我們先來(lái)對(duì)比分析下熱傳導(dǎo)的途徑。

　　△正裝結(jié)構(gòu)封裝，熱量通過(guò)藍(lán)寶石，到固晶膠到基板。覆晶結(jié)構(gòu)封裝，熱量通過(guò)焊接層到基板絕緣層到基板。(若是用陶瓷板，就沒有基板絕緣層)

　　從材料導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)比可以看出，藍(lán)寶石其實(shí)就是碳化物，與玻璃相差無(wú)幾，導(dǎo)熱并不好，固晶膠導(dǎo)熱更差，選銀漿會(huì)改善，但也不高且吸光。

　　熱傳導(dǎo)與電流類似，熱傳導(dǎo)的效率與材料導(dǎo)熱系數(shù)成正比例，與傳導(dǎo)距離成反比，雖然覆晶結(jié)構(gòu)絕緣層導(dǎo)熱系數(shù)與藍(lán)寶石差不多，但其厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于藍(lán)寶石。

　　通常情況下，覆晶結(jié)構(gòu)比正裝導(dǎo)熱效率提高3~5倍，大電流產(chǎn)生高熱量能否及時(shí)傳導(dǎo)出去進(jìn)一步確定了其承載電流的大小。這里需要指出的覆晶結(jié)構(gòu)中，焊接層的質(zhì)量，焊接面積、空洞率對(duì)熱傳導(dǎo)及承載電流有較大影響。

　　要實(shí)高密度光輸出，光解決過(guò)電流及傳熱問(wèn)題還不夠，小發(fā)光面積、高密度，大電流會(huì)使熱量集中、溫度迅速上升，在高導(dǎo)熱效率同時(shí)，還要求產(chǎn)品必須有高溫承載能力，增加安全系數(shù)，防止光源失效。

　　我們講覆晶結(jié)構(gòu)可靠性高，也就是說(shuō)不容易壞，不容易失效，我們就從光源失效的形式及造成原因來(lái)對(duì)比分析。

　　從上圖看出，在線徑合理、光源散熱正常的前提下，溫度并不是導(dǎo)致金線斷裂的直接原因。

　　除外力因素外，金線斷裂根本原因是材質(zhì)或焊線生產(chǎn)時(shí)存在缺陷，有很多缺陷或損傷是難以檢查發(fā)現(xiàn)的，甚至在一段時(shí)間內(nèi)老化也發(fā)現(xiàn)不了;但光源在長(zhǎng)時(shí)間使用時(shí)，高低溫引起膠體反復(fù)膨脹收縮，不斷拉扯金線，缺陷或損傷逐步被放大，最終導(dǎo)致在薄弱處斷裂形成開路。

　　外力損傷也存在類似現(xiàn)象，很多時(shí)候是壓傷，并沒有壓斷，但最終還是會(huì)在損傷處斷裂。

　　所以說(shuō)有無(wú)金線并不是高可靠性的關(guān)鍵，焊線工藝才是關(guān)鍵，兩年前我看過(guò)一篇產(chǎn)品分析對(duì)比的文章截圖，西鐵城高密度COB光源就采用金線鍵合工藝。

　　但有許多封裝廠家，受限于設(shè)備與工藝，焊線時(shí)或多或少存在缺陷，此時(shí)，光源的工作溫度高低將直接決定光源失效的時(shí)間，尤其是高密度光源，金線的細(xì)微缺陷都將是致命的。所以說(shuō)高溫對(duì)無(wú)金線覆晶結(jié)構(gòu)封裝產(chǎn)品的影響比正裝小，也可以說(shuō)覆晶結(jié)構(gòu)抗高溫能力更強(qiáng)。

　　覆晶結(jié)構(gòu)采用焊接方式會(huì)存在虛焊現(xiàn)象，但控制好這個(gè)比焊線會(huì)簡(jiǎn)單很多，而且很少會(huì)發(fā)生外力造成損壞。

　　基于以上分析，我們認(rèn)為覆晶結(jié)構(gòu)在死燈失效方面發(fā)生概率比大部分正裝結(jié)構(gòu)要低很多。

　　造成光衰的原因較多：

　　△當(dāng)覆晶結(jié)構(gòu)封裝與正裝采用同樣材質(zhì)時(shí)，兩者光衰區(qū)別完全取決于光源工作時(shí)的溫度，從這方面來(lái)講，覆晶結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱效率高，相對(duì)占有優(yōu)勢(shì)。若正裝采用鏡面鋁基板時(shí)，鏡面被氧化是產(chǎn)生光衰的主要原因之一，而覆晶結(jié)構(gòu)反射層是耐高溫油墨，相對(duì)變化較小。

　　光源發(fā)生色溫漂移，主要原因是長(zhǎng)期承載過(guò)高溫度，使與色溫相關(guān)的熒光粉、膠、芯片、反射層顏色產(chǎn)生了變化而造成的。正常情況下，覆晶結(jié)構(gòu)與正裝均取決于溫度控制。由于正裝芯片PN層、也是熱產(chǎn)生層，直接與粉膠接觸，容易形成粉膠局部高溫，造成光衰與色溫漂移。

　　現(xiàn)在，我想就覆晶結(jié)構(gòu)與正裝結(jié)構(gòu)光效誰(shuí)高誰(shuí)低跟大家探討下，對(duì)于這個(gè)問(wèn)題分歧較大，我對(duì)此純做分析，大家自己判斷。

　　在市面上，許多行業(yè)人士提起倒裝。大部分人認(rèn)為光效沒有正裝高，那是因?yàn)樵S多倒裝產(chǎn)品走的是低端路線，并不能代表高端覆晶結(jié)構(gòu)封裝的水平。

　　首先，在晶片尺寸一致前提下，我們來(lái)看看晶片上與光效相關(guān)的對(duì)比。

　　△前面幾項(xiàng)倒裝略占優(yōu)勢(shì)，但就晶片生產(chǎn)工藝，正裝比倒裝成熱。理論上倒裝晶片光效更高，實(shí)際上未能完全實(shí)現(xiàn)。有待晶片廠家提升。

　　在粉膠一樣、散熱一樣、芯片排布一致前提下，我們?cè)賮?lái)看看其他因素的對(duì)比分析。

　　△從此表分析，覆晶結(jié)構(gòu)封裝沒有金線擋光及固晶膠吸光，會(huì)略占優(yōu)勢(shì)，但反射率較鏡面低，光效會(huì)略比鏡面鋁低，考慮到結(jié)溫對(duì)光效的影響，在這幾個(gè)因素上看覆晶結(jié)構(gòu)光效會(huì)略高于正裝。

　　綜合以上分析，同等條件下，尤其是散熱器件一致前提下，我個(gè)人認(rèn)為高端覆晶結(jié)構(gòu)封裝產(chǎn)品的光效目前不低于正裝，未來(lái)隨著倒裝芯片性能的提升，光效將超過(guò)正裝。

　　講到光效，我對(duì)此有些個(gè)人看法，相信大家很多時(shí)候會(huì)看到某某產(chǎn)品光效達(dá)到170lm/w、180lm/w，其實(shí)這里面水分太多，由于測(cè)試設(shè)備、測(cè)試條件、測(cè)試方法等原因，大多數(shù)人無(wú)法去準(zhǔn)確驗(yàn)證。但實(shí)際使用時(shí)與之相差很大，沒有這個(gè)必要，如果要強(qiáng)調(diào)達(dá)到多少光效，應(yīng)該提供完整的具有公信力的測(cè)試報(bào)告。說(shuō)明是實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)還是應(yīng)用數(shù)據(jù)。

　　另一方面晶片的排列對(duì)光效測(cè)試有很大影響，覆晶結(jié)構(gòu)封裝芯片排列密度高，積分球取光效率低，也會(huì)造成光效數(shù)值低的表像，其實(shí)很多時(shí)候應(yīng)該使用光分布計(jì)來(lái)測(cè)量而非積分球，結(jié)合光束角及中心光強(qiáng)來(lái)對(duì)比。

　　下面我簡(jiǎn)單講下覆晶結(jié)構(gòu)封裝的歷程：

　　1. 覆晶芯片及覆晶結(jié)構(gòu)封裝早在1960有1BM公司研制成功。

　　2. 在上世紀(jì)八十年代才解決晶片與基板連接問(wèn)題，進(jìn)入大范圍應(yīng)用階段。

　　3. 上世紀(jì)90年代初隨著藍(lán)光LED問(wèn)世，覆晶結(jié)構(gòu)與LED結(jié)合，開始進(jìn)入研發(fā)。

　　4. 本世紀(jì)初，覆晶結(jié)構(gòu)的LED晶片問(wèn)世，開始應(yīng)用于高要求場(chǎng)合。

　　5. 2010年開始，覆晶結(jié)構(gòu)封裝產(chǎn)品逐漸進(jìn)入商業(yè)照明并迅速發(fā)展。

　　覆晶結(jié)構(gòu)封裝工藝及特點(diǎn)

　　覆晶結(jié)構(gòu)主要由基板、焊球、晶片組成。其中基板由板材層、絕緣層、線路層、反射層、焊盤組成。

　　我們接著分析覆晶結(jié)構(gòu)的核心工藝――固晶連接，目前覆晶結(jié)構(gòu)主要采用共晶焊工藝將芯片與基板相連接。

　　通常覆晶結(jié)構(gòu)的LED共晶金屬層一般為金/錫含金、共晶溫度為285℃。共晶焊有上述的這些優(yōu)點(diǎn)，所以特別適合應(yīng)用于大功率有高散熱要求器件的焊接。白光LED器件就很合適。

　　我們大致了解了下共晶焊的基本知識(shí)，那么覆晶結(jié)構(gòu)封裝固晶連接具體方式有哪些呢?

　　接下來(lái)我們分別講下各種固晶連接方式的特點(diǎn)：

　　△目前大部分高端覆晶結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品都采用這樣結(jié)構(gòu)，產(chǎn)品光效已超過(guò)正裝產(chǎn)品。

　　采用助焊劑焊接工藝，是國(guó)內(nèi)封裝企業(yè)常用的工藝，難點(diǎn)在于焊劑份量及位置的控制，容易造成短路，許多封裝廠家難以解決，就通過(guò)增加間距、加大焊盤的方式來(lái)修正，來(lái)提升效率及良率。

　　如下圖示：

　　采用圖下方的這種工藝，我個(gè)人認(rèn)為是形而上學(xué)，因?yàn)樗畴x了覆晶結(jié)構(gòu)的核心價(jià)值，導(dǎo)電、導(dǎo)熱、光效可靠性能全面下降，或許是技術(shù)能力，或許是價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)的原因，但這種方式直接的后果是給應(yīng)用端認(rèn)為倒裝的比正裝的還差，光效差、質(zhì)量差,這是不利于推動(dòng)覆晶結(jié)構(gòu)封裝應(yīng)用的，也不利于企業(yè)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。

　　我前段時(shí)間就親身體會(huì)過(guò)，在與一燈具老板聊天時(shí)，我正準(zhǔn)備給他普及一下倒裝知識(shí)，他反而先講了“唉，現(xiàn)在真不知道聽誰(shuí)的了，都說(shuō)倒裝好，我用了兩百多片COB，不到一個(gè)月全部死燈退回來(lái)了”一肚子怨言，我聽后完全理解他心里的落差與憤疑，期望給他客戶提供更好的產(chǎn)品，結(jié)果成這樣。這年頭找個(gè)客戶難，失去個(gè)客戶太容易了。

　　大家想一想他以后還會(huì)用倒裝產(chǎn)品嗎?不一定不會(huì)用，但估計(jì)一定不會(huì)用那一家的了，一家企業(yè)身處社會(huì)，就必須有社會(huì)責(zé)任意識(shí)，不以次充好是最起碼的要求。

　　說(shuō)了這些題外話，接著講第三種固晶方式，導(dǎo)電膠粘接固晶方式類似于正裝固晶膠工藝，存在助焊劑共晶焊難以控制膠量的缺點(diǎn)，而且附著力、導(dǎo)電、導(dǎo)熱可靠性能都存在缺陷，幾乎沒有企業(yè)使用，但它不需要300℃高溫，可以繼續(xù)探討。

　　導(dǎo)電膠薄膜工藝，是由日本一家企業(yè)研發(fā)的，我有接觸過(guò)，這種工藝，若能實(shí)際應(yīng)用可以解決覆晶結(jié)構(gòu)一個(gè)很大的難題，就是電極間隔空洞。將進(jìn)一步提升覆晶結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱性能，生產(chǎn)效率及生產(chǎn)成本也有改善空間。

　　就目前而言，此項(xiàng)技術(shù)離實(shí)際廣泛應(yīng)用還有一段距離，其粘接力及橫向電阻在長(zhǎng)期高低溫沖擊下是否可靠，在生產(chǎn)中是否容易受到破壞還需嚴(yán)謹(jǐn)驗(yàn)證，我個(gè)人認(rèn)為這是一個(gè)好的工藝，比較看好。

　　就以上四種固晶連接工藝而言，我個(gè)人覺得首選熱壓共晶焊接，但這需要芯片廠與設(shè)備廠大力配套，難度很大，在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中，很多企業(yè)不得不從經(jīng)濟(jì)效益出發(fā)而放棄一些好而量少的東西。

　　了解覆晶結(jié)構(gòu)的幾種固晶連接方式后，再來(lái)了解下覆晶結(jié)構(gòu)封裝的另一重要組成——基板。

　　普通鋁基板價(jià)格便宜，導(dǎo)熱率低在20~60之間適合應(yīng)用在要求不高發(fā)光面大的產(chǎn)品，低端倒裝較多人使用。

　　銅基板線路較難處理，價(jià)格不低，導(dǎo)熱率取決于絕緣層工藝，較少人使用。

　　超導(dǎo)鋁基板導(dǎo)熱率高達(dá)160，是普通鋁基板的3倍，但價(jià)格較高是普通鋁基板的5~10倍，在要求較高時(shí)，線路處理復(fù)雜，超導(dǎo)鋁也有不同檔次的區(qū)別。

　　目前，有品牌光源覆晶結(jié)構(gòu)的高密度產(chǎn)品選擇超導(dǎo)鋁基板，品質(zhì)性能都還不錯(cuò)。

　　氧化鋁陶瓷基板穩(wěn)定性能、耐壓性能好，價(jià)格低，但光效不高、導(dǎo)熱性能較差，在非高密度覆晶結(jié)構(gòu)中可以使用。

　　氮化鋁陶瓷基板穩(wěn)定性耐壓性好，導(dǎo)熱率比超導(dǎo)鋁略高，價(jià)格也較高，目前有品牌光源的覆晶高密度產(chǎn)品選擇氮化鋁基板，國(guó)內(nèi)有一些封裝廠家也在使用。

　　在這里我想指出來(lái)，國(guó)內(nèi)很多企業(yè)采用了與品牌光源同樣的基板材料，但性能上總是達(dá)不到，這是為什么?

　　其實(shí)我們?cè)诜治銎放乒庠串a(chǎn)品時(shí)，往往會(huì)忽略一些東西，比如都選用超導(dǎo)鋁，但超導(dǎo)鋁的材質(zhì)是否完全一樣，基板上線路精度是否達(dá)到等等。比如都選用氮化鋁陶瓷基板，但品牌光源陶瓷基板表面是經(jīng)過(guò)二次加工的，提升了基板光澤度，平整度。

　　有很多工藝處理，國(guó)內(nèi)很難實(shí)現(xiàn)，這也是一個(gè)產(chǎn)業(yè)瓶頸。比如品牌光源的粉膠大多數(shù)都是訂制的，我們?nèi)フ胰諄?、道康寧，估?jì)是沒人理你。

　　我曾測(cè)試對(duì)比過(guò)一個(gè)國(guó)內(nèi)企業(yè)封裝的COB光源，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)尺寸基至芯片排列完全雷同一品牌光源，測(cè)試結(jié)果照度低30%，膠面溫度高15度，除了芯片原因外，一些工藝上的處理其實(shí)很重要。而這些需要我們企業(yè)靜下心來(lái)才能做好。

　　上面我們講了四種覆晶結(jié)構(gòu)的固晶連接方式，五種適合覆晶結(jié)構(gòu)封裝的基板，將它們進(jìn)行組合搭配，就會(huì)形成十多種封裝工藝，封裝企業(yè)及應(yīng)用企業(yè)可以根據(jù)其各自特點(diǎn)結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行選擇。

　　覆晶結(jié)構(gòu)封裝產(chǎn)品的應(yīng)用市場(chǎng)

　　覆晶結(jié)構(gòu)封裝的LED產(chǎn)品由于產(chǎn)出低，價(jià)格高昂剛開始應(yīng)用于醫(yī)療照明，汽車工藝設(shè)備，閃光燈等要求較苛刻的場(chǎng)合，這幾年來(lái)隨著生產(chǎn)率較提高，成本下降，越來(lái)越多的通過(guò)照明選擇覆晶結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品，尤其是高端商業(yè)照明。

　　在市場(chǎng)需求的推動(dòng)下，覆晶結(jié)構(gòu)封裝應(yīng)用越來(lái)越廣泛，涵蓋大功率貼片COB、CSP等幾乎所有LED光源，也就是說(shuō)正裝光源能用的地方，覆晶結(jié)構(gòu)的光源都能代替。

　　但在現(xiàn)實(shí)中，不少封裝企業(yè)一味追求低價(jià)，追求小尺寸芯片。而且在允許電流、光效參數(shù)上虛標(biāo)，很容易出問(wèn)題。在覆晶結(jié)構(gòu)封裝上，目前國(guó)內(nèi)的工藝水平，連中尺寸芯片都不成熟，妄談小尺寸芯片了。正如我前面舉的那個(gè)例子，出了問(wèn)題也只會(huì)說(shuō)倒裝不行，不會(huì)去說(shuō)自己貪便宜。

　　當(dāng)然，類似不計(jì)質(zhì)量走低價(jià)路線的封裝企業(yè)并不是主流，不會(huì)影響到覆晶產(chǎn)品整體發(fā)展趨勢(shì)。

　　我認(rèn)為，覆晶結(jié)構(gòu)封裝的產(chǎn)品應(yīng)用市場(chǎng)就是所有LED燈具。就是整個(gè)LED市場(chǎng)，這不是想象，而是正在發(fā)生。

　　覆晶結(jié)構(gòu)封裝能成技術(shù)主流嗎?

　　市場(chǎng)需求是推動(dòng)產(chǎn)品技術(shù)進(jìn)步的發(fā)動(dòng)機(jī)，當(dāng)覆晶結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品成為市場(chǎng)主流時(shí)，相應(yīng)的覆晶封裝技術(shù)必將成為主流。

　　往期微課回顧

　　聯(lián)系人：鄧淑欣

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