板載芯片(COB)封裝技術(shù)

文/[美]邁克·伍德 編譯/施 端

（1.上海戲劇學(xué)院，上海 200040）

板載芯片是半導(dǎo)體的一種封裝和使用方法，其縮寫(xiě)為COB（chip-onboard），這種方法已經(jīng)應(yīng)用于LED，也在演藝燈光產(chǎn)品中得到普遍應(yīng)用。它是怎樣一種器件，能給產(chǎn)品設(shè)計(jì)者帶來(lái)哪些好處？

COB其實(shí)并不是一項(xiàng)新的技術(shù)，已問(wèn)世多年，與半導(dǎo)體芯片或LED本身的設(shè)計(jì)制作無(wú)關(guān)。常規(guī)的封裝方式是將半導(dǎo)體芯片組裝進(jìn)一個(gè)塑料或陶瓷殼體中，制成一個(gè)組件。這些封裝體構(gòu)成了業(yè)界熟知的計(jì)算機(jī)芯片。每一塊電路板上都有這種芯片，它們配有標(biāo)準(zhǔn)引腳或標(biāo)準(zhǔn)接插件，以便裝配到電路板上。常規(guī)封裝可以保護(hù)半導(dǎo)體芯片，但其不足之處在于，大大增加了半導(dǎo)體的體積。原本1 mm厚的2 mm×2 mm芯片變成了5 mm厚的10 mm×20 mm封裝體，體積增大了250倍。而采用COB封裝技術(shù)后，半導(dǎo)體芯片就可以直接裝配在電路板或基板上。COB封裝技術(shù)在減少體積方面具有很大潛力，也是被其選用的首要因素之一。

圖1展示的是便攜式計(jì)算器中的一塊采用COB技術(shù)封裝的芯片。圖片右側(cè)的圓形黑點(diǎn)就是處理器，它全權(quán)負(fù)責(zé)計(jì)算工作。如按常規(guī)方式封裝，一塊復(fù)雜的數(shù)字式半導(dǎo)體的面積可能達(dá)到3 cm2才能裝下所有的接插件。而硅半導(dǎo)體芯片可直接附著在綠色的電路板上，并通過(guò)纖細(xì)的金絲來(lái)連接，芯片與電路板上的連接點(diǎn)用金絲直接相連，無(wú)需中間接口。然后整個(gè)組件被包裹在黑色環(huán)氧樹(shù)脂斑點(diǎn)中，起到保護(hù)作用。與常規(guī)封裝芯片相比，其最終成品要小得多。

LED是如何封裝的？它們還能從COB技術(shù)中獲得哪些益處？圖2展示的是大家最熟悉和最早采用的LED封裝體。

這是一個(gè)穿孔式封裝體，LED芯片與引線（它還起到散熱作用）的一端相連，整個(gè)組件的外圍環(huán)繞著透明的圓頂狀封裝體。2根引線穿過(guò)電路板上的小孔，與電路板上的銅制線路焊接在一起。圖2展示了大致的比例關(guān)系，與內(nèi)部的微小芯片相比，該封裝體的體積“龐大”。

圖3展示了表貼式封裝。這種情況中，芯片被安裝在一塊散熱塊上，有利于將LED芯片發(fā)出的熱量傳導(dǎo)到基板或外部散熱器上。電氣接插件通過(guò)電路板表面上封裝體周邊的連接片來(lái)連接；它們沒(méi)有采用穿孔方式。對(duì)于自動(dòng)化的貼裝機(jī)器而言，操作表貼式封裝要更容易一些，并能大大改善LED的熱接觸性能。封裝體內(nèi)的LED芯片與纖細(xì)的結(jié)合線相連，并與內(nèi)部連接點(diǎn)焊接在一起。同穿孔式封裝一樣，與芯片相比，該封裝體也是很大的。

圖1 計(jì)算器中采用COB技術(shù)封裝的處理器

圖2 穿孔式封裝方式

圖4展示的LED芯片與圖3展示的完全一樣，只是改用了COB封裝技術(shù)。

使用某種導(dǎo)電粘合劑（常采用環(huán)氧樹(shù)脂導(dǎo)電膠），將LED芯片與基板或電路板上的連接片直接相連。這樣既提供了LED一端的電氣連接部件，又提供了散熱路徑。另一端電氣連接部件與一根接合線相連，如同表面貼裝式封裝體內(nèi)部采用的方式一樣，不同點(diǎn)只是將其直接連接到基板上的鍍金片上。與圖3相比，組件小得多。它還提供盡可能短的通往基板的熱流路徑，因此，這種方式可讓LED在大功率狀態(tài)運(yùn)行時(shí)依然能汲取熱量，使其保持冷卻狀態(tài)。

圖4展示的封裝方式十分簡(jiǎn)單；LED芯片被安裝在平坦的基板上，它在器件的光學(xué)控制方面沒(méi)有什么作用。但對(duì)更復(fù)雜的COB封裝而言，這方面的性能好一些。如圖5所示，這套系統(tǒng)的基板上帶有一個(gè)光杯，相當(dāng)于一個(gè)反射器，以引導(dǎo)從LED芯片發(fā)出的光，同時(shí)依然能保持其體積小巧、熱傳導(dǎo)性能良好的優(yōu)勢(shì)。更多的精巧設(shè)計(jì)正日益普及，這些結(jié)構(gòu)也融入了更為精良的光學(xué)元件。

該組件中要求最苛刻的要數(shù)芯片與基板之間的這根接合線。這種連線極細(xì)，典型尺寸為15μm～50μm，通常由黃金制成，但大功率LED中也采用銅，因?yàn)榇藭r(shí)需要流過(guò)的電流較大。在這種情況下，為承載一定量的電流，通常還將多根接合線并聯(lián)連接。由于這些連線極其纖細(xì)，總需要采取保護(hù)措施（可以用透明的硅膠或環(huán)氧樹(shù)脂等），對(duì)LED而言，還可增設(shè)外置透鏡組件、窗口或其他光學(xué)器件加以保護(hù)。

圖6展示的是一款混合器件，其上的RGBW四色LED芯片以COB方式附著在單片基板上。其基板采用一塊銅芯電路板，上面還帶有一個(gè)熱敏電阻器和所有的連接線路。裸露的LED芯片和接合線受透明玻璃窗的保護(hù)。每一塊芯片（共4塊）的上表面與組件側(cè)面的連接片之間用多根接合線連接。筆者之所以稱(chēng)它為混合器件，是因?yàn)檎麄€(gè)組件先由廠家預(yù)先裝配好，再用到常規(guī)的電路板上。這種混合模型有助于解決COB技術(shù)封裝器件的一個(gè)主要問(wèn)題：可維修性。采用COB封裝技術(shù)后，由于連接點(diǎn)的數(shù)量變少了，所以COB器件的工作性能好，比其他封裝方式的可靠性高一些。但COB器件一旦出現(xiàn)問(wèn)題，卻幾乎無(wú)法維修。有時(shí)可將COB器件從其基板上拆除后再換上新的，但這種更換實(shí)現(xiàn)起來(lái)相當(dāng)困難，還需要用到專(zhuān)業(yè)設(shè)備。如果單片電路板上含有50個(gè)彼此獨(dú)立的采用COB技術(shù)封裝的LED器件，一旦某個(gè)器件出現(xiàn)問(wèn)題，只能將整塊電路板更換掉，別無(wú)他法。而混合設(shè)計(jì)模式則避免了這個(gè)問(wèn)題。

圖3 表面貼裝式封裝方式

圖4 COB技術(shù)封裝方式

圖5 帶有光杯的COB式封裝方式

圖6 COB式混合器件

許多年前，有些廠家已經(jīng)開(kāi)始采用COB技術(shù)封裝LED組件，通常可提供緊湊、高密度的LED陣列?，F(xiàn)在，這類(lèi)產(chǎn)品的應(yīng)用范圍得到了拓展，不僅僅局限在專(zhuān)業(yè)級(jí)大功率器件中。如今基板可采用常規(guī)的電路板或諸如陶瓷制品等熱傳導(dǎo)性能較好的材料，一旦LED陣列把COB技術(shù)和高性能的基板結(jié)合起來(lái)，其優(yōu)勢(shì)就非常明顯。如圖7所示。

圖7展示的是一款典型的RGB三色LED陣列，它由表面貼裝式封裝體構(gòu)成，目前很多LED產(chǎn)品采用這種方式，很多染色燈具也能見(jiàn)到這種組裝方式。每一塊獨(dú)立的封裝體內(nèi)含有光學(xué)器件和接插件，通常它們被盡可能緊密地裝配在下層基板上。相比而言，圖7中展示的圖a是與圖b產(chǎn)品功能完全一樣的LED芯片，但采用的是COB技術(shù)封裝，其體積明顯小得多。在本例中，可在同一位置處安裝兩倍數(shù)量的芯片，同時(shí)依然能把熱量高效地傳導(dǎo)到基板中。每一塊芯片仍可配置單獨(dú)的光學(xué)器件，或者如該圖所示，可共用該陣列的同一個(gè)大體量光學(xué)器件。這一技術(shù)被廣泛應(yīng)用在LED顯視器方面，現(xiàn)在又在演藝燈光產(chǎn)品中得到越來(lái)越廣的應(yīng)用。芯片排列得更緊密，改善了顏色的均勻度，有利于消除多色陰影。但如前文所言，其不足仍是難以維修。所以混合解決方案或者由較小的子板構(gòu)成的電路板，能把更換成本降到最低限度。最常見(jiàn)的混合器件是單個(gè)封裝體內(nèi)含有3塊或4塊芯片，即RGB或RGBW，配置公用透鏡。如今還有一些非混合解決方案，在這些方案中，多塊芯片以真正的COB方式封裝。

圖7 比較兩類(lèi)封裝體

圖8 COB式白光LED陣列

圖8所示的這類(lèi)LED封裝體很常見(jiàn)。這些器件也是混合式COB封裝體。在本例中，有一個(gè)藍(lán)光LED陣列，它采用COB技術(shù)封裝在基板上，然后在整個(gè)陣列上覆上一層熒光粉材料。這樣既可對(duì)芯片起到保護(hù)作用，又可將LED發(fā)出的大部分藍(lán)光轉(zhuǎn)換為黃光。由LED發(fā)出的藍(lán)光和經(jīng)熒光粉層轉(zhuǎn)換而來(lái)的黃光相混合后就產(chǎn)生了白光。圖中，該封裝體成品不僅光效相當(dāng)高——超過(guò)100 lm/W，而且也便于設(shè)計(jì)者安裝使用。緊湊安裝的小芯片陣列降低了制造成本，其產(chǎn)生的光束很均勻，如同從單顆大光源發(fā)出的一樣。

COB封裝技術(shù)還有一大改進(jìn)：直接安裝在金屬制品上，這也對(duì)演藝設(shè)備行業(yè)有利。設(shè)計(jì)者通常選擇把LED安裝在帶金屬背襯的電路板上，以便提高熱傳導(dǎo)效率。采用COB技術(shù)后，芯片可通過(guò)電路板頂層的小孔直接安裝在該金屬背襯上。它可使熱接觸性能盡可能達(dá)到最佳狀態(tài)，芯片和散熱器之間幾乎是緊密無(wú)間的。

LED技術(shù)繼續(xù)迅猛發(fā)展，產(chǎn)品飛速更新。今后，LED燈具可能會(huì)越來(lái)越多地采用COB技術(shù)。