白皮書 | LED倒裝芯片技術和產品分析

　　作者：肖國偉 廣東晶科電子股份有限公司董事長

　　《2018阿拉丁照明產業(yè)調研白皮書》光源器件 顧問

　　1　LED倒裝芯片技術特點與比較分析

　　在LED產業(yè)界從上游LED芯片的結構特點出發(fā)，將產品技術路線分為正裝、垂直和倒裝結構的技術路線，三款技術路線的芯片產品、光源產品技術特點、性能及可靠性對比分析如表：

　　為了公平地比較通過三大技術路線實現的芯片產品、光源產品的成本、售價、應用效果等，選取標準尺寸的芯片45mil作為比較的標準。選用上述芯片用于封裝成相同尺寸規(guī)格的LED光源器件進行比較性能、成本、售價、毛利率等(如表 2)。

　　從技術、成本、售價及毛利等分析，倒裝LED芯片技術路線實現的LED光源產品，具有高的性價比，同時表現具有較高的毛利率。

　　2　倒裝芯片及封裝技術分析

　　倒裝LED芯片技術路線被LED產業(yè)界認定為三大芯片技術路線之一，國內企業(yè)利用倒裝集成電路技術引入到倒裝LED芯片和封裝的設計、制造，在2003年開始在倒裝LED芯片和封裝技術做了大量的專利申請和布局， 2006年開始研發(fā)生產制造，2010年實現批量化生產和銷售。其中額技術特征主要包括：

　　(1)充分考慮了申請時期金屬阻擋層和金屬接觸反光層的結構關系缺陷，采用了全面立體式雙層復合阻擋層結構，很好地包裹接觸反射層的方案，且第一阻擋層采用多層復合阻擋層結構，本身穩(wěn)定度高且結構致密，基于上述阻擋層和金屬層的結構關系，完全有效地阻擋接觸金屬的遷移和擴散，特別適用于倒裝LED芯片大電流下驅動，解決了大電流應用下的金屬遷移和擴散的倒裝LED芯片和封裝器件可靠性失效的共性問題。雙層復合結構的阻擋層是解決倒裝LED芯片大電流應用下金屬遷移和擴散問題的基礎性核心要素。

　　(2)獨特絕緣層結構特征，多層復合絕緣層結構是解決倒裝LED 芯片和封裝器件因絕緣層臺階保護較差導致的漏電普遍性問題的關鍵性因素。

　　(3)倒裝LED芯片的制作方法，該方法的工藝步驟較現有的工藝步驟 (6步光刻工藝 ) 大大簡化，所需光刻圖形工藝的次數減少 (4步光刻工藝 )，有效地解決了LED行業(yè)倒裝LED芯片復雜工藝問題，提高了倒裝LED芯片的生產制造效率和產品良率，降低了產業(yè)界倒裝LED芯片的成本問題。

　　3　倒裝芯片應用產品

　　1) 典型倒裝LED發(fā)光二極管的芯片和多芯片模組

　　倒裝芯片技術所開發(fā)的產品包括發(fā)光二極管LED藍光芯片、LED照明光源器件和LED背光源器件產品。具體地來說，發(fā)光二極管LED 芯片產品包括1W大功率藍光芯片、5W藍光芯片模組、高壓芯片及 5-10W超大功率藍光芯片模組，LED照明光源器件包括大功率陶瓷 LED光源3535、2016和SMD 3030及COB等。LED背光源器件包括3030、7020等。

　　該發(fā)光二極管芯片產品技術特點主要有：(1) 9個N電極均勻分布，讓電流分布更加均勻;(2) P電極金屬層雙層結構具有高反射率，提高了出光效率;(3) 大塊的P型表面電極金屬層及凸點結構;(4) 基板表面金屬布線層和金屬凸點;(5) 多芯片間無金線互聯(lián);(6) 集成防靜電齊納二極管芯片 ; (7) 多個芯片小單位的高壓芯片等，這些發(fā)光二極管芯片產品技術特點都是充分體現了倒裝的技術特征。

　　2) 通用照明LED產品

　　LED照明光源器件中，大功率陶瓷LED光源3535和5050、倒裝陶瓷COB光源器件、中小功率SMD照明光源2835、3030等，主要運用于道路照明、建筑照明、景觀照明、室內照明等高端市場。其中，大功率陶瓷LED光源和倒裝陶瓷COOB光源產品特點、實物圖如表 4所示：

　　以1W大功率倒裝陶瓷LED光源產品為例，分析該倒裝于陶瓷基板產品系列的專利技術運用情況，從圖1可以看出，利用倒裝LED芯片上的金屬凸點同對應陶瓷基板表面的金屬凸點通過倒裝焊接工藝焊接于陶瓷基板上(如圖2)，實現電連接和機械連接。陶瓷基板表面金屬布線層及P、N電極金屬層電連接，同LED芯片的P、N電極金屬層和金屬凸點相連接。

　　從實施的效果來看，大功率倒裝陶瓷基LED光源，具有以下明顯的技術優(yōu)勢如下圖3所示：該系列產品如上圖3所示在光學、電學、機械性能和熱學性能等方面充分體現了倒裝芯片技術的特點。

　　對于陶瓷基多芯片倒裝集成封裝FCOB光源來說，在單顆陶瓷基封裝基礎上，采用多顆倒裝LED芯片集成封裝于預先設計制作好的陶瓷基板上，基板上有各自同倒裝芯片焊接對應的金屬凸點，各個獨立的芯片單元通過基板表面的金屬布線實現電連接，具體地來說，可以參照圖4所示，從圖中也說明該產品是多芯片集成封裝模組光源的典型代表，充分體現了倒裝芯片的多芯片發(fā)光二極管芯片模組專利技術。

　　3)LED背光光源器件

　　LED背光液晶電視具有低能耗、長壽命、廣色域及環(huán)保的突出優(yōu)點，已成為液晶電視的主流。電視背光源LED器件，包括有7020、3030、2835等，用于液晶電視背光照明，對性能、品質要求均有很高要求。倒裝LED芯片技術具有大電流、低電壓、高耐熱、無金線、高可靠性等優(yōu)點，非常適合應用于電視機背光源產品，滿足電視機背光應用的高品質、高性能要求。

　　以SMD 2835為例，選用倒裝焊LED芯片，并將芯片倒裝置于底板上通過回流焊接實現倒裝LED芯片與底板P、N電極的電連接功能。所選用的倒裝LED芯片表面電極金屬層如圖5所示，從圖中可以明顯看到該倒裝LED芯片表面具有金屬凸點，有利于該芯片同底板的焊接，實現同底板表面的金屬層焊接，具有高導熱、大電流應用高亮度輸出的功能。

　　進一步對該產品焊接后的焊接橫截面進行SEM分析如圖6所示，證明了倒裝LED芯片同底板支架的金屬焊接，實現了電連接和機械連接功能。

　　從上述產品應用的實例和圖示來看倒裝芯片技術在2835、7020、3030等背光產品上實現了很好的應用。同時，產品應用所產生的積極效果。

　　4　市場分析和未來潛在應用

　　【市場分析】

　　國際知名市場預測分析機構Yole Development2014年對大功率芯片和光源產品的市場預測如圖7，倒裝芯片的市場份額有逐步增加的趨勢。

　　隨著LED產品應用的市場細分和品質要求提升，加之倒裝產品成本的下降，倒裝LED芯片技術路線的LED芯片和光源器件產品呈現逐年上升的市場趨勢，特別是在一些細分和新型市場領域有應用范圍拓展的趨勢。從LED產業(yè)界權威的評論和預測機構Ledinside 2016 年的數據來看如圖8，倒裝LED技術產品的2017年市場需求量在22716Million pcs即22716KKpcs，在過往的5年內，年均CAGR為99%。

　　另外，國際大廠Osram一直以來都是采用垂直芯片技術路線的產品技術解決方案，但是在2017年11月，Osram宣布推出了倒裝芯片技術的相關芯片和封裝光源產品，如下其官網公開的信息鏈接，發(fā)布了基于倒裝芯片技術的CSP光源產品。

　　https://www.osram.com/os/press/pressreleases/mini_led_for_mobile_devices_osram_launches_compact_ceramos_generation.jsp.從該市場信息進一步證實了倒裝LED芯片技術產品的發(fā)展前景。

　　【市場應用分析】: 通用照明和電視機背光市場分析

　　LED主要的應用市場包括顯示屏、汽車照明、通用照明、電視背光和移動設備等,其中，通用照明、背光和汽車照明是其中最大的市場。從圖7LEDinside產業(yè)研究結構預測，未來三年內LED照明市場持續(xù)增長，預計年均復合增長率達3%。預計2018年全球LED市場規(guī)?？蛇_162億美元，LED照明市場滲透率達55%，在為了幾年內，照明應用市場持續(xù)增長，而其中倒裝芯片技術的照明產品市場份額隨之增長;再者隨著市場應用需求的擴大，產品的性能和品質提升，倒裝芯片技術的相關產品會取代和搶占正裝和垂直芯片技術的一部分市場份額，故在通用照明市場領域，倒裝芯片技術的產品會持續(xù)穩(wěn)定上升。盡管在電視機背光應用領域，市場增長率呈現下降趨勢，但是隨著電視背光應用需求的提升，倒裝芯片技術的應用需求量也會隨之增長?？偟膩碚f，現有LED應用市場領域，倒裝芯片技術的市場份額必定是呈現增長的發(fā)展趨勢。(見圖9 2013-2018年全球高亮度LED市場預期)另外，隨著智能照明的發(fā)展和興起，2013～2019年全球智能照明市場規(guī)模持續(xù)成長。如圖10所示，2013年時全球智能照明市場規(guī)模約12.87億美元，雖然目前智能照明市場偏小，但未來在廠商積極推動以及節(jié)能趨勢帶動下，市場將持續(xù)成長，2019年可達87.1億美元。

　　從智能化照明領域的技術特點和發(fā)展趨勢來看，智能照明需要在現有LED照明的基礎上，整合電子驅動、控制及通信等電子元件，結合智能手機APP控制軟件，實現家居照明和城市道路照明等的智能化應用，這些技術特點進一步充分發(fā)揮了倒裝LED芯片技術的特點，實現在芯片級集成封裝的微型化系統(tǒng)級LED智能化照明系統(tǒng)如圖11所示。

　　【市場應用分析】: 汽車照明市場分析

　　隨著LED技術和產品在通用照明、電視機等消費領域、工業(yè)照明領域的應用趨于成熟，從2013年開始，LED逐步開始進入汽車照明市場，但限于中小功率的尾燈信號照明應用，從近年開始市場規(guī)模增長迅速，并開始切入汽車前照燈應用。如下圖12所示，中國市場2020年LED車燈市場達472億人民幣， 2020年LED前大燈市場滲透率將達到20%以上，2025年LED前大燈市占率近50%。

　　從當前汽車照明發(fā)展的狀來看，國際上在LED汽車照明領先的LED芯片和光源制造商Osram、Nichia和Lumileds在LED車前燈都是倒裝芯片技術路線的產品方案，如下圖13所示：

　　該類產品選用倒裝LED芯片和Aln陶瓷底板通過倒裝焊接，然后選擇陶瓷熒光片作為白光轉換，再利用表面涂覆白色反光膠進行封裝。該產品具有高亮度、耐高溫和大電流能力強、低熱阻、高可靠性等特點。這些特點都充分說明倒裝LED芯片技術和產品在汽車照明應用的技術優(yōu)勢，屬于汽車照明產品技術的未來主流趨勢。晶科電子也利用倒裝芯片的相關技術開發(fā)出汽車照明相關的產品，已經展開市場推廣。如下圖14所示，采用多芯片倒裝集成封裝于陶瓷基板上，芯片表面有金屬凸點，同對應的陶瓷基板表面金屬凸點實現焊接，進一步封裝成白光用于汽車前照燈照明。

　　隨著汽車智能化的發(fā)展趨勢，汽車照明LED光源模結合智能控制，可以實現汽車照明ADB(Adaptive DrivingBeam)的發(fā)展需求，實現的功能和效果圖如下圖所示：(見圖15汽車照明智能化發(fā)展的要求實現的功能)其中，實現該功能和效果的關鍵和核心是LED照明光源，該LED照明光源的關鍵是需利用倒裝LED芯片結合硅基集成電路技術 ( 如下圖16所示 ) 單獨對每一顆LED獨立控制，同時實現高密度集成。如國際上知名汽車照明公司Osram已經研發(fā)出初步的樣品，在4mm*4mm面積的硅基板所集成的LED像素點達1024 個，該產品概念具有相通性，是倒裝芯片技術的體現。

　　5　倒裝LED其他新興市場分析

　　此外，隨著倒裝LED芯片技術的成熟和成本下降，結合新的市場應用需求，已經開始或即將展開的幾個主要的新型細分應用市場，主要有植物照明、UV LED、MicroLED，芯片級封裝 (CSP) 等。細分市場分析如下：

　　1) 植物照明

　　LED應用于植物照明的市場前景相當樂觀，預期市場規(guī)模將快速增長。2017年植物照明(系統(tǒng))市場規(guī)模約為6.9億美金，其中LED 燈具為1.93億美金，預估到2020年植物照明(系統(tǒng))市場將成長至14.24億美金，LED燈具將成長至3.56億美金，中國市場占比從2016年的12%上升到2017年的15%。植物燈照明所選用陶瓷基LED 封裝的藍光和白光產品用于植物燈的補光照明，其產品結構如下圖17所示：

　　2)UV LED

　　根據Yole Development機構預測，UV LED產值到了2019年將達5.02億美元(約合人民幣32.86億元)，2016-2019年復合成長率(CAGR)達到30.71%。如下圖18所示。

　　UV LED因波長偏短 (400-200nm), 該波長范圍的能量較高，可以廣泛應用于光固化、殺菌與凈化市場等市場，但是UV波段芯片的外部量子效率低，會產生較多的熱量，且在外延、芯片工藝及封裝環(huán)節(jié)是有較大的挑戰(zhàn)，技術成熟度還不夠高?，F有國際知名的廠商如Lumileds、Nikkiso、Nichia等，都是采用倒裝芯片和封裝結構如下圖19所示。

　　Mirco-LED是將現有LED尺寸進一步微型化、薄型化，尺寸達到100um級以內，該尺寸比現有電視機背光或顯示屏的發(fā)光像素點要更小，可以實現更加精細的發(fā)光像素點，顯示效果、對比度等更好，成為一種微顯示技術，該微LED顯示技術將在近眼顯示，智能手表 / 手機，迷你投影儀，頭戴式頭盔，虛擬顯示等許多領域有著非常廣泛的應用前景和巨大市場。如下圖20所示，據相關機構預測，到2018年其潛在市場價值高達數十億美金。

　　Micro LED Display的顯示原理，是將LED結構設計進行薄膜化、微小化、陣列化，其尺寸僅在1~100μm等級左右;后將Micro LED批量式轉移至電路基板上，其基板可為硬性、軟性之透明、不透明基板上;再利用物理沉積制程完成保護層與上電極，即可進行上基板的封裝，完成結構簡單的Micro LED顯示。而要制成顯示器，其晶片表面必須制作成如同LED顯示器般之陣列結構，且每一個點畫素必須可定址控制、單獨驅動點亮。若透過互補式金屬氧化物半導體電路驅動則為主動定址驅動架構，Micro LED陣列晶片與CMOS間可透過封裝技術。黏貼完成后Micro LED能藉由整合微透鏡陣列，提高亮度及對比度。Micro LED陣列經由垂直交錯的正、負柵狀電極連結每一顆Micro LED的正、負極，透過電極線的依序通電，透過掃描方式點亮Micro LED以顯示影像。如圖21所示，其中，每一顆Micro-LED都是預先制作好的倒裝Micro LED芯片，具有表面金屬凸點，通過巨量薄膜轉移的技術同基板表面的金屬凸點焊接，同時基板表面的金屬布線并一步連接該芯片單元對應的驅動、控制電路相連接。這一技術是屬于更精細的尺寸級別實現應用。

　　3) 芯片級封裝光源 (CSP)

　　當前LED產業(yè)發(fā)展態(tài)勢呈現并購和投資進行產業(yè)鏈垂直整合以降低成本，而通過將芯片和封裝的技術環(huán)節(jié)垂直整合，可以進一步降低成本。因此將傳統(tǒng)IC領域的芯片級尺寸封裝概念引入LED領域，也就是將LED芯片和封裝結合起來即芯片級尺寸封裝技術為LED產業(yè)的垂直整合提供了很好的技術途徑。在市場需求量迅速提升，對價格下降的壓力越來越大的情況下，芯片級尺寸封裝技術(chip scale Package, 以下簡寫為“CSP”)的發(fā)展就成為必然的趨勢。CSP指的是封裝體尺寸相比芯片尺寸不大于120%，且功能完整的封裝元件。在三種LED芯片技術路線中，倒裝芯片由于無需金線互聯(lián)，且可直接在各種基板表面(PCB、陶瓷等)貼裝，因此特別適合芯片級封裝(直接在芯片制造階段就完成了白光封裝)，在現有倒裝陶瓷基板封裝的光源基礎上，去除基板，直接在芯片級封裝，形成芯片級的白光LED器件如圖22所示。

　　由于倒裝芯片散熱好，可靠性高，能夠承受大電流驅動，使得其具有很高的性價比，因此“倒裝芯片+芯片級封裝”成為了完美的組合，在LED白光器件成本和可靠性方面具有很強的優(yōu)勢，成為LED 行業(yè)研究的熱點和發(fā)展的主流方向，CSP器件的優(yōu)勢在于單個器件的封裝簡單化，小型化，盡可能降低每個器件的物料成本。芯片級封裝CSP光源直接用于照明或背光上，成本可下降近40%如圖23所示。

　　6　結語

　　綜上，從上述LED新興應用市場的當前產品和技術狀況來說，未來5-10年內，在植物照明、汽車照明、Micro-LED、UV-LED、CSP等幾個重要的新興市場都極大可能性傾向于倒裝芯片LED的技術路線和產品方案，暫無法看到其他潛在的替代性技術方案。典型企業(yè)介紹：廣東晶科電子股份有限公司于2006年8月在南沙成立，2016年成功在新三板掛牌上市，(股票代碼：836789)并于2017年5月份成功進入新三板創(chuàng)新層。公司注冊資本3.97億元，項目已投資10億人民幣，擁有35,000平方米生產廠房與研發(fā)基地，計劃總投資規(guī)模達15億人民幣。在廣州南沙建設年產值15億大功率LED芯片模組、半導體先進封裝及智慧照明產品生產線，形成規(guī)?；腖ED中上游產業(yè)鏈制造企業(yè)。晶科電子長期從事大功率藍光LED芯片研發(fā)，并擁有產業(yè)化基地和數條先進生產線，自主開發(fā)大功率“倒裝焊”LED芯片、芯片模組技術具有國內領先國際先進的地位。