不同結(jié)構(gòu)對(duì)CSP LED光電性能影響的研究

張 強(qiáng)

廣東省半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，廣東 廣州 510650

LED的封裝形式、使用的材料和應(yīng)用環(huán)境的變化都會(huì)影響LED器件的使用效果．雖然LED具有低發(fā)熱量的特點(diǎn)，但是在使用過程中產(chǎn)生的熱量仍需要進(jìn)行妥善處理．所以，LED器件也經(jīng)歷了直插式、貼片式和集成COB式的封裝外形演變．早在二十世紀(jì)末期，根據(jù)行業(yè)發(fā)展需要，半導(dǎo)體封裝行業(yè)推出了電子元件小型化、微型化的概念，即芯片級(jí)封裝(Chip Scale Package)，簡(jiǎn)稱CSP．CSP技術(shù)擁有封裝密度高、體積小、性能優(yōu)秀、重量輕等特點(diǎn)，最值得一提的是它可兼容于表面貼裝技術(shù)，因此在半導(dǎo)體行業(yè)中發(fā)展速度相當(dāng)快．LED行業(yè)的封裝形式可以說是半導(dǎo)體封裝的另一種延續(xù)，所以在2012年左右，CSP技術(shù)被引入到LED封裝行業(yè)中，逐步形成了現(xiàn)在的CSP LED器件[1-2]．

無論是電子行業(yè)還是LED行業(yè)，CSP的定義在全球范圍內(nèi)并不是很明確，美國(guó)國(guó)防部元器件供應(yīng)中心和日本工業(yè)協(xié)會(huì)分別對(duì)CSP進(jìn)行了定義，雖然定義不盡相同，但是總體說明了CSP的最重要特性—尺寸小，小到整體器件的封裝尺寸不超過芯片尺寸的120%[3]．現(xiàn)在LED行業(yè)對(duì)CSP LED的理解和看法還不統(tǒng)一，出現(xiàn)了免封裝、CSP封裝、帶基板式(NCSP)封裝、無封裝式(WICOP)封裝及更小尺寸CSP (CSC)封裝等，在這些封裝結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上又出現(xiàn)了五面發(fā)光、三面發(fā)光和單面發(fā)光等不同出光效果結(jié)構(gòu)，在單面發(fā)光又細(xì)分出幾種不同的結(jié)構(gòu)[4]．

鑒于以上CSP種類和結(jié)構(gòu)太多，現(xiàn)主要討論五面發(fā)光和單面發(fā)光之中的一種傾斜式白墻結(jié)構(gòu)CSP．通過對(duì)單面發(fā)光結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化，模擬現(xiàn)有帶支架式SMD器件，使CSP光萃取率提升至最大．

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 CSP LED器件制備

取兩片玻璃基板，分別在基板上貼有雙面粘性的熱固膜．選用35 mil倒裝芯片作為CSP LED器件藍(lán)光光源，先將芯片以211 μm的間距固晶在貼有雙面膠膜的玻璃載板上并將其固滿，然后再將芯片以611 μm的間距固滿在另一片基板上．將事先采購的熒光膠膜貼在兩片基板上，再置于模壓機(jī)的壓合磨具內(nèi)進(jìn)行真空壓合，壓合時(shí)間15 min、真空度1×10-4Pa、壓力19620 N．待壓合完畢后將模壓機(jī)打開處于待機(jī)狀態(tài)，讓壓合磨具冷卻至室溫后再打開．取211 μm間距的基板，直接按照間距中間線進(jìn)行水刀切割并將芯片剝離基板，五面發(fā)光結(jié)構(gòu)的CSP1111(圖1)制作完成．取611 μm間距的基板，將壓合好的熒光膜和芯片倒膜在另一片玻璃基板上，然后用特殊定制的寬厚并帶有傾斜刀尖的切割刀進(jìn)行預(yù)切割，在兩顆芯片間形成一條上寬下窄的溝道，然后將白墻膠填充于溝道內(nèi)，膠面與已經(jīng)固化的熒光膠體持平，隨后進(jìn)行烘烤固化．待烘烤結(jié)束冷卻至室溫后再進(jìn)行普通直線切割并剝離，帶有傾斜式白墻的單面發(fā)光結(jié)構(gòu)的CSP1515(圖2)制作完成．

圖1 五面發(fā)光CSP LED器件及其結(jié)構(gòu)示意圖(1)五面發(fā)光CSP LED器件；(b)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Schematic diagram of five-surface light-emitting CSP LED device and structure(a)five-surface light-emitting CSP LED device；(b)structure sketch

圖2 單面發(fā)光CSP LED器件及其結(jié)構(gòu)示意圖(a)單面發(fā)光CSP LED器件；(b)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.2 Schematic diagram of single-side light-emitting CSP LED device and structure(a)single-side light-emitting CSP LED device；(b)structure sketch

1.2 測(cè)試方法

首先將CSP LED貼六角板，CSP LED器件與六角板之間用錫膏熔融焊接．貼好六角板后，用HAAS2000型積分球測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試CSP LED的光電參數(shù)，用LED626型分布光度計(jì)測(cè)試CSP LED的發(fā)光角度，得出數(shù)據(jù)后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理．

2 結(jié)果與討論

通過CSP LED器件的制備可以發(fā)現(xiàn)，帶有傾斜式白墻的CSP1515其實(shí)就是五面發(fā)光CSP1111改版后的器件．CSP1515固晶間距預(yù)留稍寬，是為給白墻膠填充預(yù)留出可用溝道位置．兩款CSP LED器件的芯片為同一款芯片，理論上初始亮度應(yīng)是一致的，但由于CSP1515在CSP1111的基礎(chǔ)上多了一道圍白墻工藝，所以其亮度和角度勢(shì)必發(fā)生改變．

2.1 發(fā)光角度

圖3為CSP1111和CSP1515的發(fā)光角度測(cè)試結(jié)果．從圖3可以看出，CSP1111的發(fā)光角度在150 ° 左右，而在CSP1111基礎(chǔ)上圍有白墻的CSP1515發(fā)光角度在120 °左右．這是因?yàn)橹谱鰿SP LED器件的芯片為倒裝芯片，芯片發(fā)光方向除了底面電極面外其它五面均有光發(fā)出，而CSP1111為五面包覆有熒光膠體的CSP LED器件，由于芯片的側(cè)面有光發(fā)出，所有CSP LED器件的側(cè)面熒光粉同樣會(huì)被激發(fā)并產(chǎn)生白光，所以CSP1111的發(fā)光角度較大為150 °．雖然CSP1515與CSP1111使用的芯片是相同的，但是CSP1515是在CSP1111基礎(chǔ)上在側(cè)面加了傾斜的白墻結(jié)構(gòu)，白墻將側(cè)面熒光粉發(fā)出的白光給阻擋了，所以CSP1515的發(fā)光角度較?。僬?，所制作的白墻結(jié)構(gòu)具有一定的傾斜角度，其原理類似于現(xiàn)今市面上普通SMD式支架的原理，芯片發(fā)出的藍(lán)光激發(fā)了側(cè)面的熒光體而產(chǎn)生部分白光，這部分白光打在傾斜的白墻結(jié)構(gòu)上，并經(jīng)過一定角度的反射，其光路被改變而向上發(fā)射，所以發(fā)光角度會(huì)變小，其結(jié)構(gòu)與普通SMD支架的結(jié)構(gòu)類似，所以其發(fā)光角度在120 °左右．

圖3 CSP1111和CSP1515配光曲線圖(a)CSP1111；(b)CSP1515Fig.3 The Optical characteristic diagram of CSP1111 and CSP1515(a)the diagram of CSP1111；(b)the diagram of CSP1515

表1為抽測(cè)CSP LED樣品角度的測(cè)試結(jié)果．由表1可知，在CSP1111基礎(chǔ)上制作的CSP1515的發(fā)光角度比CSP1111的?。@進(jìn)一步驗(yàn)證了，加白墻之后會(huì)使CSP LED的發(fā)光角度變?。?/p>

表1 CSP1111和CSP1515發(fā)光角度抽測(cè)數(shù)據(jù)

2.2 亮度測(cè)試

在LED行業(yè)中亮度是衡量一個(gè)LED器件最重要的參數(shù)，LED器件的亮度越高越節(jié)能，與LED環(huán)保的特性相符合．而在任何一個(gè)LED封裝器件中，外觀結(jié)構(gòu)發(fā)生改變同樣會(huì)對(duì)亮度產(chǎn)生很大的影響．

實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，單純用CSP1111制作CSP1515只會(huì)改變CSP LED的色溫和色坐標(biāo)，并不能形成有效對(duì)比．為了能進(jìn)行有效對(duì)比，通過改變CSP1515的熒光粉中粉膠質(zhì)量比，將CSP1515的色坐標(biāo)調(diào)整到與CSP1111的相一致．圖4為CSP1111和CSP1515色坐標(biāo)打靶圖．從圖4可見，通過改變粉膠質(zhì)量比，CAP1111和CSP1515的色坐標(biāo)和色溫十分接近，這有利于準(zhǔn)確對(duì)比光通量變化．

圖4 CSP1111和CSP1515色坐標(biāo)打靶圖Fig.4 The color coorainate of CSP1111 and CSP1515

表2為CSP1111和CSP1515的光電參數(shù)測(cè)試結(jié)果．由表2可知，當(dāng)CAP1111和CSP1515的色坐標(biāo)和色溫十分接近時(shí)，CSP1111的平均光通量為128.8 lm，CSP1515的平均光通量為136.9 lm．在CSP1111基礎(chǔ)上增加傾斜式白墻結(jié)構(gòu)后CSP1515的光通量增長(zhǎng)了約6.3%，表明增加白墻結(jié)構(gòu)更有利于光的反射，有利于提高CSP LED的光通量輸出，有利于LED器件亮度的提高．

表2 CSP1111和CSP1515光電參數(shù)測(cè)試數(shù)據(jù)

3 結(jié) 論

CSP1111為五面發(fā)光的CSP LED器件，其發(fā)光角度為150 °左右，在色坐標(biāo)X和Y分別為0.3183和0.3400時(shí)器件亮度為128.8 lm．將CSP1111增加傾斜白墻結(jié)構(gòu)后得到CSP1515，其發(fā)光角度為120 °左右，在色坐標(biāo)X和Y分別為0.3184和0.3410時(shí)亮度是139.9 lm．結(jié)構(gòu)的改變使得CSP LED器件的發(fā)光角度縮小30 °，光通量提升6.3%左右．表明，模仿現(xiàn)有SMD封裝結(jié)構(gòu)的CSP具有較小發(fā)光角、指向性略強(qiáng)，光通量有很大提升．