一种增光型Top-view CSP及其工艺研究

摘要:近年来,LED行业的迅猛发展使得LED的封装结构呈现出多样化的发展趋势。在体积小型化方向,CSP LED应运而生。发展过程中,Top-view CSP的市场逐渐形成,但白墙围挡限制了其光萃取率。本文从工艺结构上进行分析改进,提出了一种增光型单面发光CSP,将原有的围挡侧光转换为反射侧光的方法,引导出光,提高CSP光萃取效率。并从工艺制程上分析了其可行性。

关键词: CSP;单面发光;增光型;结构工艺;LED;光萃取效率

1. 引言

CSP作为一款简约型LED封装产品在近几年一直炒得如火如荼。关注点一开始是落在其免基板、无键合线的特点上。这种封装结构可以大大缩减封装工艺流程和材料成本。四四方方的外形和厚度一致的荧光胶层决定了CSP产品优良的出光一致性。小巧的体积使CSP在应用端能够拥有灵活多变的设计特点,并且可以满足高集成度的设计要求。因此,CSP吸引了众多投资者、研究机构和公司的关注[1,2]。

而其外形也随着应用端需求开发出了不同的结构和形态特点。最起初的CSP是从传统单面发光的PLCC和QFN封装形态向五面发光CSP发展而来。五面发光CSP产品光效高、光损少,近场发光角接近180°,适用于照明领域。但在背光领域,针对五面发光CSP的透镜设计困难,且五面CSP底部漏蓝影响背光效果。为适应应用需求,扩展功能结构,CSP的发展又转向了减少发光面的趋势,从而出现了单面发光CSP形态。但是随着白墙胶对CSP四周出光的遮挡,CSP正面出光效率会下降10-15%。本文旨在提出一种Top-view CSP的结构形态和制作方法,使单面发光CSP光萃取效率获得提升。

 

图1 五面发光CSP及配光曲线模拟图

2. Top-view CSP的结构发展

最早的一类单面发光CSP来源于芯片端,是在倒装芯片晶圆上完成荧光胶涂覆处理后切割完成的。由于芯片侧面完全没有处理,侧面漏蓝十分严重。鉴于此问题,市面上这类产品的应用也是寥寥无几。


 图2 第一阶段Top-view CSP

第二阶段的Top-view CSP,直接采用白墙胶对倒装LED芯片侧面进行遮挡,造成了出光效率偏低的问题。尤其是a类结构,是基于第一阶段单面发光CSP发展而来,由于荧光胶的侧面也存在遮挡,因此光萃取效率大打折扣;而b、c类产品荧光胶完全压在芯片和白墙胶上方,其实是一种不完全的单面发光CSP结构,虽然荧光胶层仅0.1-0.17mm,但在水平角方向仍然会有漏光现象。


 图3 第二阶段Top-view CSP

第三阶段的Top-view CSP是目前市面上最为常见的一类,韩国、台湾、大陆均有这种形态的产品。此类产品是从五面发光CSP基础上衍生而来。由于从芯片正面和侧面发出的光均可直接进入荧光胶进行激发,从而提高了一定的白光转换效率,使光效提升。但此产品被竖直的白墙胶侧壁四面包围,在光萃取上仍然存在很大的提升空间。


 图4 第三阶段Top-view CSP

3. 一种增光型Top-view CSP

以往的Top-view CSP仅仅考虑将侧光围挡,并未从结构设计上将这类光进行方向引导并提取出来。此增光型Top-view CSP产品做了白墙内壁处理,形态上是CSP向QFN封装的一种结构回归[3]。如下图所示:


 图5 增光型Top view CSP

基于第三类Top-view CSP,我们将白墙胶处理成有开口倾斜角度之后的结构,加上出光表面图形化处理,出光效率即可获得明显的提升。原本荧光胶激发的水平方向部分光子会在白墙、荧光粉颗粒、芯片和胶体内反复反射、折射,最终被吸收转换成热量,而在这类结构下则可以通过倾斜的白墙侧壁导向出光面。

将增光型Top-view CSP分别与三种不同结构类型的CSP进行光学模拟对比。采用相同的封装材料(包括芯片、白墙胶、荧光胶),搭配相同的材料特性参数(CSP白墙设置为散射处理,白墙反射率:97%),模拟一般情况下的出光角度和相对光功率。


表1 光学模拟结果

由上表可知,传统的Top-view CSP比五面发光CSP在正面出光上减少了16.23%,整体光萃取效率降低了39.38%。白墙胶内壁倾斜处理后的Top-view CSP在正面出光上比五面发光CSP提高了42.61%,但整体的光萃取效率仍低于五面发光CSP。再增加出光面图形化处理后,Top-view CSP整体光萃取效率相比五面发光CSP提升了8.4%,正面出光效率比五面发光CSP提高了44.58%。

 
 图a 仿真NO.2样品、近场光分布效果与配光曲线模拟图



图b 仿真NO.3样品与近场光分布效果与配光曲线模拟图


图c 仿真NO.4样品与近场光分布效果与配光曲线模拟图
图6 仿真样品示意图与近场光分布效果

由光学模拟的近场光分布和配光曲线可知,五面发光CSP结构发展至常规Top-view CSP,发光角度出现明显下降,而倾斜杯壁的Top-view CSP结构使发光角度更加集中,从NO.3的配光曲线上看光分布最为尖锐。通过表面图形化处理后,近场光斑趋于均匀,配光曲线中心略微平缓,发光角度增至125°。

4. 增光型Top-view CSP工艺制程与可行性

此类Top-view CSP的制作工艺复杂度仍然和第三类相差不大,仅仅增加了两次翻膜的工序。工艺特点上,我们采用了一种特殊成型的切割刀片,作为碗杯成型的关键。如下图:


 图5 增光型单面发光CSP工艺制程简介

总体工艺分为:①布晶、②荧光胶模压、③翻膜、④杯型切割、⑤翻膜、⑥白墙胶模压、⑦表面去皮与图形化处理、⑧精细切割、⑨分选包装。工艺难点在于高精度布晶、真空热压技术和高精度切割。而目前,固晶机精度可达到±30um,切割机精度高达±5um/150times,足以满足以上工艺成型要求。

5. 总结

本文从结构工艺上提出了Top-view CSP的增光方案。实际上,还能从制程工艺上提升CSP出光效率,包括荧光薄膜覆盖、荧光薄膜印刷、荧光胶喷涂、荧光胶真空蒸镀等技术[4,5]。然而制程工艺改变,对设备要求或材料要求都比较高。初始投入和成本要求也会相应增加。而本文提出的增光型Top-view CSP相比第三阶段Top-view CSP产品仅需更改一款切割成型刀片,初始投入较小。并能实现整体光萃取效率相比五面发光CSP提升8.4%,正面出光效率比常规Top-view CSP提升72.6%。以上研究成果均由深圳市瑞丰光电子公司提供。瑞丰光电自2013年开始在LED封装应用领域研发CSP产品,在2014年前后已对CSP产品做了全面专利布局。

另外,我们也注意到,此类结构仍存在底部漏光问题。虽然通过提高设备和治具精度可进一步缩小底部荧光胶圈的漏光面,但不能完全解决漏光问题。目前,市面上也有一类底部封白墙胶的CSP结构设计可以解决底部漏光,但倒装芯片发光层位于芯片底部靠近电极的位置,势必会遮盖发光层侧面,影响一定的出光效率。由此可见,目前各类Top-view CSP的结构都各具优势,并且其发展仍然存在许多完善和提升的空间。(作者:深圳市瑞丰光电子股份有限公司李成驰,裴小明,游志)


参考文献:
[1] 唐国庆,刘圆圆,CSP,开启照明新时代 [C],海峡两岸第二十二届照明科技与营销研讨会专题报告暨论文集 ,2015.11.19.
[2] 周学军,CSP——因应照明市场需求的LED封装变革 [C],2014年中国照明论坛——LED照明产品设计、应用与创新论坛论文集 ,2014.09.11.
[3] 曹宇星. 芯片级封装LED的封装结构 [P],CN201420401596.1,2014.07.18.
[4] 谭晓华,韩颖,冯亚凯. 芯片级封装的倒装LED白光芯片的制备方法 [P],CN201510245273.7,2015.05.14.
[5] Kazumasa Igarashi, Megumu Nagasawa, Satoshi Tanlgawa, et al. Chip scale package type of semiconductor device [P], US005990546A, Dec.29, 1995.



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