馮亞凱 天津大學(xué)化工學(xué)院教授
《2018阿拉丁照明產(chǎn)業(yè)照明白皮書》關(guān)鍵材料 顧問
譚雨涵 北京十三中學(xué)
2.5 細(xì)分市場五：高端照明五面出光CSP
中大功率LED通常采用有機(jī)硅橡膠及樹脂做封裝材料，有機(jī)硅材料的Si-O鍵能比環(huán)氧樹脂骨架的C-C鍵能高，能夠保證材料抵抗藍(lán)光衰減。按折射率劃分，有機(jī)硅材料分為1.41折射率的硅橡膠材料、1.46折射率的中折橡膠樹脂復(fù)合材料、1.52折射率(及以上)的硅樹脂材料。折射率的提高與有機(jī)硅分子骨架側(cè)鏈的苯基含量有關(guān)，苯基含量越高則折射率越高，高折射率封裝材料有利于LED的出光。
有機(jī)硅材料對比環(huán)氧樹脂材料的劣勢是其粘結(jié)力和“透氧率”。有機(jī)硅樹脂分子鏈缺乏極性分子基團(tuán)，無法達(dá)到環(huán)氧樹脂的粘結(jié)強(qiáng)度;同時(shí)，有機(jī)硅材料分子鏈密度比環(huán)氧樹脂疏松，氧氣可以透過封裝層進(jìn)入芯片表層和金線焊點(diǎn)。
材料廠商不斷通過分子設(shè)計(jì)、增粘劑設(shè)計(jì)、環(huán)氧有機(jī)硅復(fù)合等技術(shù)改善有機(jī)硅封裝樹脂的粘結(jié)力和降低透氧率，道康寧(現(xiàn)DOW化學(xué))、信越化學(xué)、康美特、德邦先進(jìn)硅、慧谷等廠家的技術(shù)能力及產(chǎn)品市場占有率居領(lǐng)先地位。隨著倒裝芯片的興起，基于倒裝芯片的CSP封裝方式由于散熱結(jié)構(gòu)好、出光效率高、色溫一致性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在電視背光、車燈、閃光燈、智能及健康照明領(lǐng)域得到大量開創(chuàng)性應(yīng)用。CSP的概念是封裝后LED燈珠的尺寸不超過裸芯片尺寸的1.14倍，因此，CSP封裝工藝和封裝材料與普通中大功率LED采用A、B雙組份硅膠混合熒光粉灌封或點(diǎn)膠的方式有所不同。已經(jīng)量產(chǎn)的CSP封裝多采用刷涂、噴粉、熒光膠膜貼合的封裝方式。特別值得一提的是熒光膠膜貼合封裝，預(yù)混并分散了熒光粉的熒光膠膜是基于有機(jī)硅樹脂的半固化可相變性質(zhì)，也稱B-Stage。B-Stage的熒光膠膜在室溫下是固態(tài)膠膜，當(dāng)封裝溫度達(dá)到相變臨界點(diǎn)時(shí)(通常是80-120°c)，膠膜由固態(tài)轉(zhuǎn)為“粘流”狀態(tài)，在此狀態(tài)下進(jìn)行封裝貼合，最后，經(jīng)高溫后固化完成封裝過程。熒光膠膜的材料優(yōu)勢具有很多優(yōu)點(diǎn)，例如:
(1)、熒光粉在膠膜中分散均一，室溫呈固態(tài)的膠膜可以保證熒光粉不沉降，實(shí)現(xiàn)封裝LED的光色均一性優(yōu)良;
(2)、厚膜熒光膠膜(300-450um厚度)采用真空壓合工藝，借助壓合治具的精度，整版壓合厚度偏差可以控制在5um，對應(yīng)色溫的偏差在±300K之內(nèi);薄膜熒光膜的加工厚度可實(shí)現(xiàn)±2um，對應(yīng)CSP色溫偏差可控制在±200K;
(3)、薄膜熒光膠膜可以對裸芯片實(shí)施保型貼合，即緊貼芯片形成50-70um厚的涂層。這種結(jié)構(gòu)使CSP的出光各個(gè)方向更加均勻，并能消除傳統(tǒng)五面出光CSP結(jié)構(gòu)的邊角黃暈。
圖10熒光膠膜的材料及其CSP封裝LED芯片圖
當(dāng)前，高端照明有兩個(gè)市場熱點(diǎn)，一是歐美市場興起的色溫可調(diào)智能照明;二是發(fā)起自韓國的太陽光譜健康照明。色溫可調(diào)概念是燈具可以在控制系統(tǒng)調(diào)控下發(fā)出暖色模式2700K-3000K、冷色模式5700K-6000K和中間模式4500K-5000K色溫的光線。普通吸頂燈可以在燈條上間隔SMT不同色溫2835燈珠實(shí)現(xiàn)雙色溫照明，而燈泡、射燈、筒燈、商照等燈具必須在有限空間下集成更多數(shù)量燈珠， 因此，尺寸更小的CSP是燈具設(shè)計(jì)的必選封裝方式。應(yīng)用CSP的雙色溫封裝解決方案比較成熟的有以下三種：
(1)2835雙色溫模塊;
(2)暖色CSP+藍(lán)光裸芯片點(diǎn)熒光膠水的COB點(diǎn)陣模塊;
(3)暖色CSP+冷色CSP點(diǎn)透明膠的點(diǎn)陣COB模塊。
2835雙色溫模塊采用焊盤改裝的2835支架，在一粒燈珠中貼裝兩顆CSP1007，其中一顆是冷色、另一顆是暖色，然后用透明有機(jī)硅膠水灌封保護(hù)。單顆CSP1007有0.5W和1W兩種功率選擇，為適應(yīng)功率不同的散熱需求，2835支架反射杯材料可選用PPA材料對應(yīng)0.5W功率，而使用PCT材料對應(yīng)1W功率。2835雙色溫模塊的優(yōu)勢是不改變燈具行業(yè)最熟悉的燈珠外形尺寸，下游廠商容易接受CSP及雙色溫新技術(shù)的滲透。另外，僅貼裝兩顆CSP形成一個(gè)雙色溫模塊，對于CSP的SMT貼裝過程是相對容易控制的，良品率也較高。但是，2835雙色溫模塊的不足之處是，對于高密度光源產(chǎn)品(如高端商照、舞臺(tái)燈等)因模塊尺寸稍大，無法充分滿足設(shè)計(jì)要求。其他雙色溫模式都是COB光源與CSP的結(jié)合產(chǎn)物。暖色CSP+藍(lán)光裸芯片方式，可以基本不改變傳統(tǒng)倒裝COB的基板設(shè)計(jì)，節(jié)省成本。但COB點(diǎn)熒光膠水需要較高的工程能力，才能保證色溫的一致性。暖色CSP+冷色CSP方式，因相鄰的CSP混光設(shè)計(jì)，需要對COB基板的焊盤重新布局，初期的設(shè)計(jì)摸索和基板開版投入較大。雖然兩顆CSP的成本比裸芯片方式要高一些，但貼裝過程及后面的灌封透明膠水過程更易提升良品率。
今年，韓國首爾半導(dǎo)體在法蘭克福照明展發(fā)布了SUNLIKE太陽光譜CSP系列。該技術(shù)采用UV芯片激發(fā)R、G、B三種熒光粉獲得近似太陽光譜的封裝形式，同時(shí)，使不健康的藍(lán)光的比例進(jìn)一步減少。國內(nèi)廠商開發(fā)的全光譜健康照明，基本采用藍(lán)光芯片激發(fā)R、G、Y熒光粉方式，雖然藍(lán)光與綠光光譜之間仍有不連續(xù)的“洼地”，但相較傳統(tǒng)白光LED已改善明顯。還有一些廠商開發(fā)全光譜芯片與紅外芯片結(jié)合的模塊，使 LED冷光源有了自然光的溫暖感覺。無論SUNLIKE還是全光譜芯片，因?yàn)闊晒夥叟浔雀撸倚×郊t粉大量應(yīng)用，傳統(tǒng)點(diǎn)膠封裝LED方式幾乎無法滿足這種封裝要求。熒光膠膜法制備CSP，可以針對高熒光粉比例配方，確保其良好分散及避免沉降，所以，當(dāng)前健康照明的封裝開發(fā)都集中在CSP方式。
2.6 細(xì)分市場六：EMC支架材料
EMC支架是中功率LED器件的能力放大器，對比傳統(tǒng)熱塑性塑料PPA和PCT的支架，EMC支架由耐高溫環(huán)氧樹脂添加反射填料及白色填料的組成。熱固性環(huán)氧樹脂復(fù)合物的高溫尺寸穩(wěn)定性比熱塑性塑料強(qiáng)，且樹脂耐黃變能力更為突出。特別是環(huán)氧樹脂界面的極性基團(tuán)豐富，便于和有機(jī)硅材料形成強(qiáng)有力的粘合界面而確?；亓骱覆环謱?。因此，1W以上的LED封裝傾向使用EMC支架。日本日立化成、日東電工、松下電工是白色EMC支架材料的壟斷廠商。國內(nèi)廠商雖然也不斷立項(xiàng)攻關(guān)，但在樹脂高溫黃變、反射效果、點(diǎn)膠后爬膠等細(xì)節(jié)上尚待完善。
2.7 細(xì)分市場七：無機(jī)封裝材料
無機(jī)材料一方面是應(yīng)用于耐受UV、激光LED的封裝需求，另一方面是與熒光粉共燒制成熒光無機(jī)材料。混合熒光粉共燒制的陶瓷或玻璃熒光片的制造成本仍高居不下，且調(diào)色制樣的工程周期較長，產(chǎn)品更適合標(biāo)準(zhǔn)化的LED色溫應(yīng)用。
三、LED 封裝材料技術(shù)發(fā)展趨勢
隨著LED在照明、信號、傳感器、通訊領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展，LED的封裝技術(shù)方向出現(xiàn)“集成化”趨勢：
(1)由單顆獨(dú)立封裝結(jié)構(gòu)向集成封裝結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。近幾年成熟的COB封裝方式就是代表產(chǎn)品。“積少成多”的大面積面陣光源使用數(shù)量巨大的小功率芯片，通過陣列方式獲得大功率成品。陶瓷基板或鋁基板協(xié)助芯片陣列散熱，減少了對傳統(tǒng)復(fù)雜鑄鋁翅片散熱結(jié)構(gòu)的依賴，燈具可以做得更薄。最近興起的“Mini”之風(fēng)，實(shí)際上是集成封裝的同義詞。Mini-LED的出現(xiàn)使LCD屏與OELD在中小尺寸的競爭出現(xiàn)變數(shù)。Mini-RGB將加速LED屏向家庭TV的滲透。
(2)封裝工藝向集成化轉(zhuǎn)軌。傳統(tǒng)的封裝工藝以單顆燈珠形態(tài)為特征，從開始的固晶打線，到灌封，整個(gè)過程都可以看到獨(dú)立的單顆燈珠。以CSP引導(dǎo)的白光芯片革命，不只是最終LED封裝產(chǎn)品的形態(tài)變化，其封裝過程更是以集成陣列芯片、統(tǒng)一封裝、最后切割成單顆產(chǎn)品為特征的。這一技術(shù)正向晶圓制造的產(chǎn)業(yè)鏈上方滲透，垂直芯片wafer Level制程的白光芯片已經(jīng)在三安光電量產(chǎn)。倒裝芯片CSP工藝的的陣列置晶過程如果與晶圓廠龐大的分光置晶產(chǎn)能結(jié)合，將是LED整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的分工革命。
(3)照明、傳感、通訊、控制的功能集成化發(fā)展。Lifi技術(shù)、DOB技術(shù)、Mini-RGB技術(shù)等催動(dòng)在基板上(包括基板背面)完成不僅包括照明的其他復(fù)合功能與控制功能。系統(tǒng)集成廠商的產(chǎn)業(yè)鏈定位同時(shí)向傳統(tǒng)的燈珠封裝及終端應(yīng)用延伸。
封裝材料伴隨封裝“集成化”技術(shù)的驅(qū)動(dòng)，也不斷涌現(xiàn)新的材料更新路線圖，代表性的方向有以下幾點(diǎn)。
(1)為提高LED封裝材料的綜合性能，通過引入無機(jī)納米材料或者透明材料等制備有機(jī)/無機(jī)復(fù)合材料，例如通過特殊工藝制備出含有熒光粉的有機(jī)硅熒光材料，含有與封裝材料相同折射率、不影響透明透光的無機(jī)物填充的有機(jī)硅或環(huán)氧復(fù)合材料。這些復(fù)合材料不僅能有效地提高封裝材料的光學(xué)性能，還能一定程度上增強(qiáng)材料的力學(xué)和熱性能、提高LED發(fā)光性能。
(2)適應(yīng)集成封裝工藝的固態(tài)薄膜封裝材料。例如制造白光芯片CSP的B-Stage熒光膠膜，利用其室溫為固態(tài)膠膜的特性，保證熒光粉在膠膜中分散均一，長期儲(chǔ)存也不會(huì)發(fā)生熒光粉沉降的問題，實(shí)現(xiàn)封裝LED光色均一的目的。特別是，這種熒光膠膜通過封裝工藝能夠精確控制封裝層厚度，從而將CSP色溫偏差控制在非常窄的范圍，在芯片的五個(gè)出光面實(shí)現(xiàn)保型貼合封裝，從而為CSP封裝技術(shù)發(fā)展提供了有力支撐。另外膠膜材料已經(jīng)在Mini-LED、Mini-RGB等領(lǐng)域顯示出可靠并且簡單的封裝可行性。
(3)封裝材料的功能極致化。封裝材料，無論是有機(jī)硅、環(huán)氧樹脂以及其二者結(jié)合的Hybrid材料，仍然在追求折射率提高、致密分子結(jié)構(gòu)抵抗“硫化”、耐高溫高電流條件的老化、耐藍(lán)光衰減、提升為不同封裝界面的粘結(jié)力等技術(shù)制高點(diǎn)上做不斷升級，隨著基礎(chǔ)材料和復(fù)合材料科學(xué)領(lǐng)域的探索研究和創(chuàng)新發(fā)展，廣大廠商必將為LED封裝提供性能更加優(yōu)越的封裝材料。
四、LED 封裝材料市場現(xiàn)狀及未來
中國大陸LED燈珠封裝樹脂市場需求大致為液態(tài)環(huán)氧材料100ton/月、固態(tài)EMC樹脂50ton/月、有機(jī)硅樹脂500ton/月。低端液態(tài)環(huán)氧樹脂市場價(jià)格約 RMB20-50/Kg、中端環(huán)氧樹脂EMC價(jià)格為RMB200-400/Kg，高可靠性環(huán)氧樹脂EMC價(jià)格為RMB500-1000/Kg;中低端液態(tài)有機(jī)硅樹脂市場價(jià)格約為RMB100-500/Kg、高端有機(jī)硅材料根據(jù)性能不同而價(jià)格在RMB500-2000/Kg。LED封裝材料仍然呈國外品牌占據(jù)價(jià)值鏈高端、甚至長期細(xì)分領(lǐng)先的局面。隨著國內(nèi)廠商不斷研發(fā)積累，國產(chǎn)替代及細(xì)分領(lǐng)先的材料近年不斷出現(xiàn)，價(jià)格及技術(shù)競爭日趨白熱化。各市場細(xì)分的主要供應(yīng)商見表5。
封裝材料的國產(chǎn)化一直是廣大國內(nèi)民族品牌廠商的追求目標(biāo)，也是國家02專項(xiàng)及大基金引導(dǎo)紅色半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈的重要支撐點(diǎn)。然而半導(dǎo)體及LED封裝材料的特點(diǎn)決定了它的基礎(chǔ)研發(fā)時(shí)間長、應(yīng)用開發(fā)投資大、替代競爭風(fēng)險(xiǎn)高、改朝換代更依賴新技術(shù)推動(dòng)的一個(gè)高技術(shù)、高風(fēng)險(xiǎn)、高競爭的產(chǎn)業(yè)形態(tài)。封裝材料在封裝后器件的總體成本上一般比例不超過10%，但器件可靠性卻和封裝材料緊密相關(guān)。進(jìn)口替代雖事關(guān)中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈的自主與發(fā)展，但在具體商業(yè)層面，往往封裝用戶缺乏動(dòng)力。新技術(shù)是新材料應(yīng)用的助推器，但新技術(shù)被市場認(rèn)可需要相當(dāng)長期的培育和試錯(cuò)，對材料企業(yè)的研發(fā)投入甚至經(jīng)營安全提出了巨大挑戰(zhàn)。
國產(chǎn)封裝材料近年的發(fā)展已經(jīng)取得不俗的成績，相較10年前市場主流進(jìn)口材料價(jià)格，固態(tài)環(huán)氧樹脂已下降約50%、有機(jī)硅膠水價(jià)格下降得更多。國產(chǎn)材料已經(jīng)基本滿足通用器件的封裝要求。相信隨著國家半導(dǎo)體及光電產(chǎn)業(yè)的振興，封裝材料事業(yè)會(huì)迎來更新更快的發(fā)展。
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