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CSP免封装器件的光品质与信赖性研究

由于LED照明市场的发展与需求,LED照明在性能与实际应用上已逐渐取代了传统的节能照明,而室内照明作为照明市场的重要组成,对室内LED照明灯具除了光效有较高的要求外,对照明的光品质的要求也越来越高。CSP免封装器件是基于倒装芯片的新型封装器件产品,是传统LED器件为迎合更高光品质与低物料、低工艺成本而研发改进的,也是未来室内LED照明灯具市场的器件使用发展趋势。

本文以自主研发的CSP免封装器件为研究对象,着重探讨了CSP免封装器件在光品质与信赖性方面的表现,进行了CSP免封装器件与传统2835白光照明器件的光品质对比,同时也探究了自主研发的CSP免封装器件在器件的性赖性方面的表现;研究结果表明,CSP免封装器件在光品质,特别是光的一致性和配光曲线的表现上,与传统2835白光照明器件相比有着较大的优势,同时,试验并分析了CSP免封装器件在信赖性方面的表现,找出了CSP免封装器件的主要失效因素,通过进一步的改善,可以拥有比拟传统白光照明器件的应用性赖性。

近年来,随着LED行业在器件材料、芯片工艺、封装制程、封装技术等方面的研究进步与发展,尤其是各大知名芯片厂家在倒装芯片方面的成熟与荧光粉涂覆技术的逐渐多样化,一种全新的芯片尺寸级封装CSP(Chip Scale Package)器件应运而生。CSP免封装器件最早的定义是指封装尺寸和芯片核心尺寸基本相同,概念由电子IC封装而来,由于其单元面积的光通量最大化(高光密度)以及芯片与封装BOM成本最大比(省略了金线、支架的低封装成本)使其有望在lm/$的性价比上能获得优质的表现[1]。而CSP免封装器件也引起业界的广大关注,各大有实力的封装厂家以及封装上游厂家都纷纷投入研发,CSP免封装器件不止被行业寄予期望,也被认为是一种“终极”的封装形式。除了在降低成本有着极大的优势外,在灯具应用上,由于CSP免封装器件的尺寸大小可控,可使灯具设计更加灵活,结构紧凑;在性能上,由于CSP免封装器件的小发光面、高光密特性,即可实现光学指向性控制,又可以实现广角度的光分布;倒装芯片的电极设计,使电流分配均衡,适合更大电流驱动,减少了光吸收,有利于CSP免封装器件的信赖性[2]。

实现CSP免封装器件的白光工艺有多种方式,最理想的实现方式是在晶圆Wafer上进行,但采取这样工艺实现的器件,荧光胶只能覆盖芯片的表面,蓝光会通过蓝宝石从四周漏出,影响色空间分布的均匀性。也有去除蓝宝石,采用薄膜芯片等工艺方式,可以减少蓝光的泄露,但工艺成本非常高。因此,市面上主流技术路线仍是把芯片切割后,再进行荧光粉涂覆,再测试、编带,此过程与传统封装工艺更加相似。该工艺的核心还是围绕着荧光粉的涂覆技术,而涂覆工艺包括喷胶,封模,印刷、及荧光膜贴装等多种方式,各工艺都有其优势与挑战。而目前市面上的CSP免封装器件主要有以下三大主流结构(如图1所示):①.采用硅胶荧光粉压制而成,五面出光,光效高,但是顶部和四周的色温一致性控制较差。②采用周围二氧化钛保护再覆荧光膜,只有顶部一个发光面,光的一致性和指向性很好,但是损失了四周的光输出,光效会偏低。③采用荧光膜全覆盖,再加透明硅胶固定成型,也是五面出光,光效高,光品质稍差。本项目使用的CSP器件是使用荧光胶压合的制备工艺制备而成,拥有如图1(①)所示的结构(器件无外加封胶),通过对荧光胶的改良与配置,调控csp的侧面与顶部的荧光层厚度,改善了色温不一致而导致的光斑问题[3]。

图1 CSP免封装器件的三种实现方式

作为一种新的技术,CSP免封装器件也面临许多的局限与挑战:首先,过度依赖于倒装芯片技术的提升,如芯片成本、光效、可靠性以及芯片耐ESD的击穿能力;其次,荧光粉涂覆工艺及其均匀性要求精度高,这直接影响色温落Bin率及色空间分布;第三,CSP免封装器件由于体积小,对SMT贴片的精度要求更高;第四,回流焊工艺将影响到焊点的空洞率,从而影响产品的散热及可靠性;第五,LED芯片与基板的热膨胀系数差异较大容易产生应力,将直接影响芯片的信赖性;因此,保证CSP免封装器件在实现优异光效的同时,保证器件的信赖性是其在应用端发展的关键因素[4]。

基于以上,本文拟从CSP器件的光品质与信赖性出发,通过对比CSP器件与常用贴片白光照明器件的光谱、光型、光分布情况,研究CSP器件在高品质照明用途上的优势;通过对CSP器件各项信赖性的研究,从本质上解决CSP器件在替代现有贴片白光照明器件上的可行性。

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