基于柔性基板的LED免封裝技術(shù)研究進(jìn)展

LED照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展到今天，其市場(chǎng)、技術(shù)和應(yīng)用正處于快速發(fā)展階段。同時(shí)，LED技術(shù)的更新迭代速度加快，企業(yè)與企業(yè)之間的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨白熱化。隨著上游芯片產(chǎn)能不斷擴(kuò)產(chǎn)，封裝行業(yè)已經(jīng)步入微利時(shí)代，許多企業(yè)為了搶奪客戶大打價(jià)格牌，激烈的價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)和無序的業(yè)內(nèi)生態(tài)鏈促使行業(yè)開始需求新的低成本與高附加值的封裝技術(shù)。由此基于柔性基板的LED免封裝技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，其技術(shù)突破在一定程度上可以克服LED的成本瓶頸，核心的發(fā)光模組能夠更貼近照明產(chǎn)品多樣性、差異化發(fā)展、設(shè)計(jì)靈活多變的需求。

基于柔性基板的免封裝技術(shù)（Chip On Flex，COF），是指在薄層、高導(dǎo)熱、可高度彎曲的柔性基板上，將倒裝形式的LED芯片制造過程中同步完成熒光粉涂敷所制作的白光芯片與基板直接鍵合的技術(shù)。其工藝過程省去了封裝的環(huán)節(jié)，節(jié)約了高價(jià)的熒光粉、膠膜的使用量，而且沒有額外的反光杯、支架、金線等材料和工藝，直接導(dǎo)致了成本的大幅度降低。同時(shí)材料和工藝環(huán)節(jié)的減少，大大降低了物料管理（庫(kù)存）的壓力，也降低了質(zhì)量和可靠性管理的難度。

另外，現(xiàn)有LED光源被普遍設(shè)置在硬質(zhì)基板上，如鋁基板、陶瓷基板等，對(duì)具有曲面設(shè)計(jì)要求的光源可塑性有限。由于柔性基板材料的自組裝拼接特性，只要大批量的制作幾種基本種類的COF模塊（如條形模塊和板型模塊），在COF模塊相互拼接后，利用簡(jiǎn)單的切割工藝，即可組成各種幾何形狀、長(zhǎng)短不一的光源模組。從設(shè)計(jì)應(yīng)用的角度來說，柔性的基板使得各種光源形貌的變化成為可能，同時(shí)，柔性的基板可實(shí)現(xiàn)貼附在曲面熱沉或曲面燈具設(shè)計(jì)，使得光源結(jié)構(gòu)相比傳統(tǒng)光源具有更為廣闊的個(gè)性化設(shè)計(jì)空間，如三維立體光源、可彎曲的光源等等，可與建材、家具、墻紙等進(jìn)行結(jié)合開創(chuàng)出全新照明市場(chǎng)。此外，柔性基板的可折疊性能，以及其加工簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，將為可穿戴設(shè)備的設(shè)計(jì)帶來更多的靈活性，使可穿戴設(shè)備更加便攜。本文主要針對(duì)筆者團(tuán)隊(duì)對(duì)于COF技術(shù)的研究，從高光學(xué)性能白光芯片的設(shè)計(jì)和制備，白光芯片與柔性基板材料連接工藝研究以及條、面、環(huán)狀柔性光源模組的開發(fā)3個(gè)方面來詳細(xì)論述其研究進(jìn)展。

一、白光芯片的設(shè)計(jì)和制備

白光芯片，即發(fā)白光的芯片級(jí)尺寸封裝LED器件（WCSP-White Chip Scale Package），是指將白光LED器件封裝體積與內(nèi)部藍(lán)光芯片體積控制至相同或封裝體積不大于倒裝芯片體積的20%[1]。由于其省略了反光杯、支架、金線等材料和工藝，材料和工藝環(huán)節(jié)大大減小，因此也稱為免封裝LED。各廠家開發(fā)的WCSP結(jié)構(gòu)各不相同，目前主要有以下主流結(jié)構(gòu)（如圖1所示）。

結(jié)構(gòu)A是將倒裝芯片通過共晶焊技術(shù)焊接在陶瓷或柔性基板上，再將熒光粉層涂覆在作為出光窗口的藍(lán)寶石及芯片四周側(cè)壁上，形成五面發(fā)光型光源（也有稱NCSP）。這種結(jié)構(gòu)在機(jī)械結(jié)構(gòu)和熱膨脹失配上對(duì)LED起到一定保護(hù)作用。結(jié)構(gòu)B是把倒裝LED芯片的正上方和4個(gè)側(cè)面使用熒光膠包覆形成5面出光CSP結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)光效高，但是頂部和四周的色溫一致性控制較差。結(jié)構(gòu)C采用周圍二氧化鈦保護(hù)倒裝芯片再覆熒光膜，只有頂部一個(gè)發(fā)光面，光的一致性和指向性很好，但是損失了四周的光輸出，光效會(huì)偏低。結(jié)構(gòu)D采用在倒裝芯片上涂覆一層超薄熒光層后再加透明硅膠固定成型，也是五面出光，光效高，光色均勻性好，但工藝要求高、復(fù)雜。結(jié)構(gòu)BCD的共同特點(diǎn)是以封裝樹脂對(duì)倒裝芯片做五面包覆、僅裸露電極一面，形成單面或五面出光的封裝結(jié)構(gòu)。

目前結(jié)構(gòu)B是在市場(chǎng)上較為普遍，也是各個(gè)LED廠競(jìng)相開發(fā)的方向?；诮Y(jié)構(gòu)B，目前主要有3種封裝技術(shù)方案：其一，先將LED晶圓劃片，然后將倒裝芯片貼裝到已制作有電路的基板材料上，再進(jìn)行其他封裝工藝，最后劃片、裂片得到單顆或多顆LED模塊；其二，先將LED晶圓金屬化后，經(jīng)劃片制作倒裝LED芯片，然后通過噴涂、模頂、印刷或壓膜的方式把倒裝LED芯片的正上方和4個(gè)側(cè)面使用熒光層材料包覆而達(dá)到封裝的目的；其三，LED外延片經(jīng)金屬化電極完成后，直接在晶圓極進(jìn)行熒光粉涂覆，經(jīng)過切割、裂片實(shí)現(xiàn)芯片級(jí)封裝，該工藝路線技術(shù)難度較大，目前尚處在產(chǎn)業(yè)化前期。

白光芯片設(shè)計(jì)及制備的流程如圖2所示。先針對(duì)白光芯片在照明應(yīng)用中的需求，來確定白光芯片需要達(dá)到的光電技術(shù)指標(biāo)。然后基于這一指標(biāo)采用ColorCalculator光譜仿真、Monte Carlo光線跟蹤模型與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合方法，獲得最優(yōu)化的熒光粉和藍(lán)光芯片型號(hào)、熒光層幾何尺寸，配方實(shí)驗(yàn)確定熒光粉濃度和配比。最后，根據(jù)確定的材料參數(shù)和尺寸參數(shù)完成高光效高顯指的白光芯片制備。

針對(duì)配粉實(shí)驗(yàn)，筆者團(tuán)隊(duì)提出一種采用優(yōu)化光譜找到最佳配方的方法。如圖3所示，虛線為目標(biāo)光譜，是選定最佳熒光粉和藍(lán)光芯片后采用OSRAM ColorCalculator軟件計(jì)算達(dá)到目標(biāo)色溫的合成光譜；實(shí)線為配粉過程中積分球測(cè)試的實(shí)際光譜。配粉過程中，對(duì)比實(shí)際光譜和目標(biāo)光譜，如果熒光粉光譜部分只是上下幅度的平移，可以采用調(diào)高或降低熒光粉濃度的手段來達(dá)到目標(biāo)；同樣的，如果熒光粉光譜部分有左右方向的移動(dòng)或不一致，那就需要通過調(diào)整熒光粉的配比來達(dá)到目標(biāo)。

常州市武進(jìn)區(qū)半導(dǎo)體照明應(yīng)用技術(shù)研究院自主開發(fā)的五面出光的白光芯片，主要是采用半固化的混合熒光粉硅膠膜，真空熱壓合于排布陣列LED倒裝芯片的載板上完成封裝，然后使封裝硅膠在高溫下完全固化，通過機(jī)械切割方式獲得單顆的WCSP器件。其制備工藝流程如圖4所示，主要包括排片、壓膜、固化、切割4個(gè)工序。在制備過程中需要重點(diǎn)控制壓膜和切割2個(gè)工藝精度，以保證WCSP器件的尺寸一致性。因?yàn)閴耗ぞ戎饕獩Q定WCSP的厚度偏差，切割精度主要決定WCSP的長(zhǎng)、寬一致性，保證WCSP的尺寸一致性才能保證WCSP的光色一致性。

二、白光芯片與柔性基板材料連接

由于白光芯片焊盤較小，加上柔性基板在加熱狀態(tài)下熱膨脹較大，白光芯片和柔性基板焊接需要進(jìn)行較好的匹配才能達(dá)到良好的焊接效果，提高白光芯片的焊接可靠性。

白光芯片是通過倒裝焊的方式（如圖5所示）固定于電路基板上實(shí)現(xiàn)電氣連接和熱傳遞的，芯片電極和基板焊盤之間通常是采用熱壓共晶焊或者回流焊接形成凸點(diǎn)?？紤]設(shè)備、成本和工藝，一般采用回流焊的方式來對(duì)WCSP與柔性基板進(jìn)行連接。一是由于白光芯片結(jié)構(gòu)為藍(lán)光倒裝芯片上覆蓋一層熒光膜，其上表面為具有一定粘度的軟性材質(zhì)硅膠，采用熱壓共晶焊的方式，壓力會(huì)對(duì)軟性的熒光膜有損傷，同時(shí)熱和壓力不能很好傳遞到焊層；二是用于熱壓共晶焊的設(shè)備相對(duì)比較昂貴，設(shè)備投入成本太高，采用回流焊的方式，設(shè)備投入成本小，同時(shí)工藝相對(duì)也較為簡(jiǎn)單。

采用回流焊的工藝目前大體上有2種方式。一種是SMT工藝路線：用印刷機(jī)在柔性基板上鋼網(wǎng)印刷焊錫膏，然后采用高精度貼片機(jī)將白光芯片放置于印刷好錫膏的柔性基板上，最后過爐回流將白光芯片與柔性基板進(jìn)行焊接。二是采用固晶機(jī)工藝路線：采用固晶機(jī)在柔性基板上點(diǎn)錫膏，然后固晶白光芯片于柔性基板，最后過爐回流焊接白光芯片于柔性基板上。相比而言，第2種工藝路線在設(shè)備投入上比第1種工藝路線要低，第2種工藝路線將點(diǎn)膠固晶整合在一臺(tái)固晶機(jī)上完成，在效率上也要高于第1種工藝路線?；诠叹C(jī)工藝路線，筆者團(tuán)隊(duì)建立了2種工藝方案，如圖6所示。

1.工藝方案1：點(diǎn)錫膏→固晶→回流焊

從工藝和設(shè)備的簡(jiǎn)單角度出發(fā)，在現(xiàn)行傳統(tǒng)的適用于藍(lán)光芯片固晶工藝的基礎(chǔ)上進(jìn)行工藝參數(shù)的優(yōu)化改進(jìn)，以達(dá)到固晶WCSP的工藝要求。

WCSP結(jié)構(gòu)為藍(lán)光倒裝芯片上覆蓋一層熒光膜，與藍(lán)光倒裝芯片上表面為硬質(zhì)的藍(lán)寶石Al2O3材料不同，其上表面為具有一定粘度的軟性材質(zhì)硅膠。這決定了在固晶WCSP時(shí)，其固晶參數(shù)方面與傳統(tǒng)固晶藍(lán)光芯片時(shí)有很大的不同。固晶WCSP時(shí)其工藝參數(shù)主要在以下幾個(gè)方面來進(jìn)行調(diào)整：

①吸咀選擇：白光芯片表面為軟性硅膠，在固晶過程中很容易由于靜電或者真空度產(chǎn)生的負(fù)壓過大導(dǎo)致硅膠與吸咀接觸過緊使得放晶時(shí)放不下來。因此，需要選擇一種合適材質(zhì)的吸咀在固晶白光芯片時(shí)能夠較為順利流暢的放晶。選擇電木、鎢鋼以及橡膠3種材質(zhì)的吸咀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)白光芯片應(yīng)選擇表面進(jìn)行了涂層處理的橡膠吸咀。

②頂針選擇：白光芯片的體積和重量一般較藍(lán)光芯片要大，因此采用尖頭頂針拾晶時(shí)不穩(wěn)，選用R>100°的圓頭頂針進(jìn)行白光芯片的拾晶，發(fā)現(xiàn)固晶時(shí)拾晶比較穩(wěn)定。

③真空強(qiáng)度：固晶白光芯片時(shí)真空強(qiáng)度的大小應(yīng)根據(jù)白光芯片的體積大小和上表面的硅膠粘度來確定。真空過大負(fù)壓會(huì)使得硅膠與吸咀接觸過緊導(dǎo)致放晶時(shí)出現(xiàn)問題，真空過小拾晶不穩(wěn)。固晶白光芯片時(shí)真空強(qiáng)度應(yīng)控制在-90～-50kPa較為適宜。

④弱吹強(qiáng)度：固晶WCSP白光芯片時(shí)弱吹強(qiáng)度不能過大，弱吹過大會(huì)在放晶時(shí)容易把白光芯片吹離預(yù)固晶點(diǎn)，造成芯片電極偏離焊盤。弱吹強(qiáng)度應(yīng)控制在0.025～0.5MPa之間。

⑤其他固晶參數(shù)：表1列出了Sanan3014白光芯片相對(duì)藍(lán)光芯片在一些固晶參數(shù)上的不同之處。

2.工藝方案2：點(diǎn)錫膏→回流焊→點(diǎn)助焊劑→固晶→回流焊

第2種工藝方案是在第1種工藝方案的基礎(chǔ)上增加了一次回流改進(jìn)而得到的，出發(fā)點(diǎn)是從優(yōu)化回流焊接后焊點(diǎn)的質(zhì)量考慮的。采用第1種方案，錫膏處于基板焊盤和芯片電極之間，在熔化過程中的流動(dòng)性會(huì)受到一定的限制，導(dǎo)致空氣和揮發(fā)性氣體不能完全釋放出來，殘留于凝固的焊點(diǎn)中形成孔隙（如圖7）。另外，如圖8所示，采用第1種方案，因?yàn)殄a膏在熔化過程中溫度升高太快以及流動(dòng)受到限制，或多或少會(huì)在焊點(diǎn)周圍形成一些錫珠，影響焊點(diǎn)的質(zhì)量和焊后LED的可靠性。由此，在固晶WCSP白光芯片前，先將基板焊盤上的錫膏預(yù)先一次回流形成焊點(diǎn)，然后再在焊點(diǎn)上點(diǎn)助焊劑，固晶后進(jìn)行二次回流焊。這樣焊點(diǎn)是在錫膏熔化時(shí)上表面無約束可以自由流動(dòng)形成的，焊點(diǎn)內(nèi)孔隙較少，在焊點(diǎn)周圍形成的錫珠也少，并可在固晶前預(yù)先去除掉。因此，優(yōu)化后得到的第2種工藝方案可以有效的提高固晶良率和焊點(diǎn)的質(zhì)量。

在工藝參數(shù)方面，第2種方案中點(diǎn)錫膏、固晶和二次回流焊的工藝參數(shù)和第1種方案中相同。由于基板是需要經(jīng)過2次回流加熱的，因此需要注意一次回流的溫度和時(shí)間不能過高過長(zhǎng)，否則容易造成焊后基板白油層變黃，控制在加熱臺(tái)上250℃回流60s左右。另一方面，點(diǎn)助焊劑工藝時(shí)需要將膠盤中的錫膏換成助焊劑，選用的助焊劑粘度與錫膏相差不大，目前采用的助焊劑為晨日ES-1000Z。助焊劑量敏感度不高，控制為淹沒焊點(diǎn)即可?？梢赃x用雙點(diǎn)膠頭或方形點(diǎn)膠頭，實(shí)現(xiàn)一次點(diǎn)膠即可滿足量的要求，方便固晶機(jī)的自動(dòng)化固晶。圖9為2種工藝方案下回流焊后推力測(cè)試獲得的焊接強(qiáng)度，C1～C5表示不同錫膏量的變化，從20～100μm，依次增加20μm。由圖9可以看出，2種工藝方案下的焊接強(qiáng)度差異不大。

三、條、面、環(huán)狀的柔性光源模組開發(fā)

隨著白光芯片逐漸由概念走向成熟產(chǎn)品，其在應(yīng)用上也越來越廣泛。特別是基于倒裝芯片開發(fā)的白光CSP以其優(yōu)異的出光效率、良好的散熱結(jié)構(gòu)、靈活的外形尺寸等優(yōu)點(diǎn)，已開始應(yīng)用于背光燈、閃光燈等領(lǐng)域，同時(shí)在特殊商用照明等高端應(yīng)用預(yù)測(cè)也可得到認(rèn)可和發(fā)展。例如，近2年lumileds的白光CSP在手機(jī)閃光燈的應(yīng)用中已批量，韓國(guó)廠商如三星、首爾，臺(tái)灣廠商如隆達(dá)等其白光CSP在手機(jī)背光和電視背光中的應(yīng)用也已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，國(guó)內(nèi)廠商三安光電股份有限公司、德豪潤(rùn)達(dá)、易美芯光科技有限公司等對(duì)于白光CSP的應(yīng)用也不斷在開拓和布局市場(chǎng)。總結(jié)而言，白光芯片目前的應(yīng)用主要在以下幾個(gè)方面：

一是在手機(jī)閃光、背光和電視背光中的應(yīng)用。由于白光芯片散熱和電流密度的優(yōu)勢(shì)，亮度可以更亮，配合優(yōu)化的二次透鏡，在直下式的電視背光中LED顆?？梢詼p少1/3甚至一半，可以很大降低系統(tǒng)成本。另外由于白光芯片封裝尺寸大大減小，可使結(jié)構(gòu)更加緊湊簡(jiǎn)單，有利于手機(jī)和電視超薄趨勢(shì)的實(shí)現(xiàn)。

二是應(yīng)用于全周光球泡燈和燈管中。五面發(fā)光的白光芯片由于其寬發(fā)光角度的特點(diǎn)，應(yīng)用于球泡燈能更好的實(shí)現(xiàn)全周光發(fā)光，光線更柔和；應(yīng)用于燈管LED之間的間距極限可以更大而不產(chǎn)生光斑。

三是在多色溫調(diào)光燈具中的應(yīng)用。傳統(tǒng)的用于多色溫調(diào)節(jié)的COB光源模組（如圖10a），不同色溫部分是面狀分開的，并且需要通過多次點(diǎn)膠圍壩，制作工藝復(fù)雜，成本較高；而采用白光芯片制作的多色溫模組（如圖10b），不同色溫部分可以點(diǎn)狀式排列，以最小的面積實(shí)現(xiàn)調(diào)色功能。在制作工藝上，白光芯片多色溫模組也更為簡(jiǎn)單，只需要將不同色溫的白光芯片點(diǎn)陣式焊接于基板上就可以實(shí)現(xiàn)，成本大大降低。

四是白光芯片與柔性基板結(jié)合開發(fā)條、面、和環(huán)狀柔性光源模組，貼附在曲面熱沉或曲面燈具設(shè)計(jì)，形成各種創(chuàng)意燈具，如圖11所示。例如條狀柔性光源應(yīng)用于燈絲球泡燈。風(fēng)靡歐美市場(chǎng)的燈絲球泡LED燈在裝飾照明領(lǐng)域以其獨(dú)特的全周發(fā)光和仿古造型獨(dú)占細(xì)分市場(chǎng)。由于硬燈絲使人感覺突兀，消費(fèi)者希望體驗(yàn)更加類似鎢絲燈的產(chǎn)品。采用柔性燈絲，可以在球泡燈中卷曲成各種形狀，可以得到更為美觀、靈活多變的燈絲燈產(chǎn)品（如圖12所示）。另外，柔性面光源可以與液晶調(diào)光玻璃幕墻等結(jié)合形成創(chuàng)意照明結(jié)構(gòu)。

四、結(jié)語

半導(dǎo)體照明作為新能源產(chǎn)業(yè)，發(fā)展?jié)摿薮?，市?chǎng)前景優(yōu)異。同時(shí)，隨著技術(shù)進(jìn)步帶來的成本下降及政府相應(yīng)補(bǔ)貼政策的出臺(tái)，LED照明產(chǎn)品將逐步進(jìn)入民用照明領(lǐng)域，市場(chǎng)潛力巨大。

我國(guó)的半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)正在進(jìn)入自主創(chuàng)新、實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展的重要時(shí)期。但產(chǎn)業(yè)上也存在一個(gè)共性問題，即產(chǎn)品和技術(shù)的同質(zhì)化、惡性競(jìng)爭(zhēng)嚴(yán)重。如何解決這一問題？產(chǎn)業(yè)的出路何在？筆者認(rèn)為：一是用新技術(shù)優(yōu)化產(chǎn)業(yè)鏈，降低成本，提高競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)；二是向非傳統(tǒng)非替代型光源產(chǎn)品轉(zhuǎn)型，走高性能、高附加值差異化的光源與燈具路線。

基于柔性基板的LED免封裝技術(shù)，特別是白光芯片熒光粉涂覆技術(shù)可以為L(zhǎng)ED封裝產(chǎn)業(yè)帶來大幅的技術(shù)進(jìn)步、原材料節(jié)約與成本降低，并且可以搭配國(guó)內(nèi)先進(jìn)的倒裝結(jié)構(gòu)芯片技術(shù)。另外，基于柔性基板的LED免封裝技術(shù)技術(shù)與當(dāng)前LED封裝技術(shù)有高度的可匹配性，故研發(fā)成果將快速向國(guó)內(nèi)LED封裝企業(yè)轉(zhuǎn)化。

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