傳統(tǒng)的硅芯片已經(jīng)縮小,因?yàn)?a target="_blank">晶圓制造增強(qiáng)功能可以實(shí)現(xiàn)更小的功能,熱管理得到改善,芯片可靠性提高。日本電子制造商三菱是第一家在1994年推出芯片級(jí)封裝(CSP)的公司。現(xiàn)在,CSP(僅僅是原始晶圓的細(xì)長條,具有最少的附加功能)是司空見慣的。這些器件的主要優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省了大量空間,降低了組裝成本,并且由于寄生效應(yīng)降低等因素而提高了性能。
然而,直到最近,由于難以從這些小型設(shè)備中提取熱量,CSP并不普及LED。但是效率的提高和對(duì)溫度的更高耐受性(這是上一代易碎LED的垮臺(tái))改變了這種狀況?,F(xiàn)在,Cree,Lumileds和東芝等LED制造商已經(jīng)宣布推出商用CSP LED。
本文著眼于LED封裝的最新發(fā)展,并介紹了領(lǐng)先制造商的CSP LED如何為設(shè)計(jì)人員提供自由提出與上一代LED不切實(shí)際的新型緊湊外形。
封裝發(fā)展
最近慶祝成立50周年的摩爾定律指出晶體管的數(shù)量隨著制造技術(shù)的改進(jìn),在給定尺寸的芯片上每18個(gè)月翻一番。然而,法律削減了雙向;每18個(gè)月,具有一致數(shù)量晶體管的芯片縮小到之前尺寸的一半。對(duì)于在設(shè)計(jì)可穿戴設(shè)備時(shí)面臨空間限制的設(shè)計(jì)人員來說,這樣的元件收縮是一個(gè)福音。
但是,由于技術(shù)改進(jìn)而導(dǎo)致的尺寸減小已經(jīng)證明不足以滿足更大小型化的需求。芯片制造商通過系統(tǒng)地剝離包裝來進(jìn)一步縮小部件的體積。朝這個(gè)方向邁出的第一個(gè)重大舉措是開發(fā)表面貼裝器件(SMD)。 SMD免除了引線 - 它通過PCB中的孔,允許元件固定到位并進(jìn)行電氣連接 - 有利于小焊盤(圖1)。然后將SMD“直接”放置在PCB表面上,使用回流焊膏提供機(jī)械和電氣連接,從而節(jié)省大量空間。
圖1:SMD元件省去了通孔引線,并直接安裝在PCB上。 (由Sundeip Arora提供)
最近,芯片供應(yīng)商已經(jīng)采取了進(jìn)一步的措施,即使是少量塑料封裝了SMD,因此交付給客戶的只是裸硅。
結(jié)果可能是戲劇性的。藍(lán)牙智能供應(yīng)商N(yùn)ordic Semiconductor是健身帶等可穿戴設(shè)備中使用的無線連接解決方案供應(yīng)商,提供兩種版本的nRF51822藍(lán)牙智能片上系統(tǒng)(SoC)。傳統(tǒng)的表面貼裝QFN封裝器件尺寸為36 mm 2 ,而CSP版本的尺寸為9.6 mm 2 ,PCB真實(shí)節(jié)電率接近76%
制作傳統(tǒng)IC的CSP版本并非易事。多年來,半導(dǎo)體供應(yīng)商一直在努力完善制造工藝,以便提供可靠的硅片,這些硅片可以粘合到PCB上并抵抗日常使用的壓力。但現(xiàn)在技術(shù)變得越來越普遍,人們的注意力轉(zhuǎn)向?qū)⑦@項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于LED。
雖然大多數(shù)LED不是由硅制造,而是由藍(lán)寶石或碳化硅上的氮化鎵(GaN)制造( SiC)基板(參見TechZone文章“改進(jìn)的硅基板LED解決高固態(tài)照明成本”),它們?nèi)匀贿m用于減少傳統(tǒng)電子設(shè)備尺寸的相同制造工藝。然而,這里L(fēng)ED的尺寸減小過程一直較慢,因?yàn)樾酒氖湛s引入了具有挑戰(zhàn)性的散熱問題。
熱量是LED的主要?dú)⑹?。溫度越高,設(shè)備越早失效。然而,隨著大量測(cè)試數(shù)據(jù)庫已經(jīng)建立多年,越來越明顯的是,每一代新設(shè)備都變得更加強(qiáng)大,因此能夠持續(xù)更長時(shí)間。例如,即使在105°C的非常高的結(jié)溫下工作的器件也經(jīng)常持續(xù)超過36,000小時(shí)。
更小更好
CSP LED的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)顯而易見:該技術(shù)可顯著縮小LED封裝的尺寸(圖2);但還有其他一些好處。例如,這些微型固態(tài)照明(SSL)設(shè)備制造成本更低,可以節(jié)省成本,以較低的價(jià)格傳遞給客戶。
圖2:LED逐漸縮小以達(dá)到芯片級(jí)封裝尺寸。 (由Lumileds提供)
CSP采用最小封裝的概念,甚至比倒裝芯片更進(jìn)一步,在器件底部表面上安裝了與標(biāo)準(zhǔn)SMD相匹配的互連焊盤(圖3)。此功能不需要芯片制造商添加插入器,子安裝或任何其他形式的封裝。
圖3: CSP LED底部的互連焊盤與標(biāo)準(zhǔn)SMD相匹配,易于組裝。 (由Toshiba提供)
CSP沒有標(biāo)準(zhǔn)定義,但業(yè)界普遍認(rèn)為“芯片級(jí)封裝LED”可以是尺寸相同或比尺寸大20%的任何設(shè)備。有源硅(LED的發(fā)光區(qū)域)。這種尺寸的設(shè)備使工程師可以更靈活地設(shè)計(jì);例如,它們可以自由地調(diào)整發(fā)光表面的尺寸和LED的亮度等級(jí),并縮小照明燈具的尺寸。
匯編者也是收納照明燈具的受益者。標(biāo)準(zhǔn)間距間距焊盤(包括LED底部的p型和n型觸點(diǎn)),因?yàn)樗鼈兪菇M裝過程更容易和更便宜。這些器件可以使用標(biāo)準(zhǔn)的拾放設(shè)備直接安裝在PCB上,并且不需要與其他微型封裝類型(如倒裝芯片)一起使用的引線鍵合工藝。此外,CSP LED可以使用標(biāo)準(zhǔn)自動(dòng)測(cè)試設(shè)備(ATE)進(jìn)行測(cè)試。
CSP的另一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)是比傳統(tǒng)LED具有更低的熱阻。例如,東芝的TL2F2是一種表面貼裝LED(產(chǎn)生136 lm/W [65 mA,2.8 V]),封裝熱阻為30°C/W(從結(jié)到焊接界面)。相比之下,該公司的TL1WK系列LED(112 lm/W [60 mA,2.8 V]器件,圖4)采用CSP格式,封裝熱阻為17°C/W(同樣從結(jié)到焊料)接口)。其他CSP LED可承受低至5°C/W的熱阻。
圖4:東芝的TL1WK LED表現(xiàn)出較低的熱阻。
低熱阻使LED能夠以比傳統(tǒng)封裝更高的電流驅(qū)動(dòng),從而提高發(fā)光度,而不會(huì)因過熱而導(dǎo)致過早失效的風(fēng)險(xiǎn)。低熱阻主要取決于CSP LED和PCB散熱器表面之間的金屬 - 金屬界面(參見TechZone文章“LED散熱和降低LED照明基板的熱阻”)。
由于它們的尺寸小,CSP充當(dāng)“點(diǎn)光源”,而不是傳統(tǒng)封裝產(chǎn)品中更加分散的光源。這使得在使用CSP的照明產(chǎn)品中使用更小的鏡頭成為可能,降低了成本并且還允許更先前不實(shí)用的更緊湊的形狀因子。 CSP的另一個(gè)光學(xué)優(yōu)勢(shì)來自于芯片五面發(fā)光(傳統(tǒng)的SMD LED封裝僅從上面發(fā)射),這改善了給定電流的發(fā)光度。
對(duì)“流明密度”的需求 - 部分原因是需要減少給定光輸出的LED數(shù)量,從而降低材料和組裝成本 - 可能是吸收CSP LED的催化劑。結(jié)果可能非常引人注目。例如,典型的LED可以具有120lm的光輸出,來自12.25mm 2 的發(fā)光區(qū)域,管腔密度為9.8lm/mm 2。 2 。相比之下,CSP LED的光輸出可能為30 lm,發(fā)光面積為1 mm 2 ,流明密度為30 lm/mm 2 或超過傳統(tǒng)芯片的三倍。
提高流明密度,使得更小,更緊湊的“光引擎”包含更少的有源陣列LED以及現(xiàn)成芯片的開發(fā)-Board(CoB)模塊,可輕松為非專業(yè)照明工程師設(shè)計(jì)新的照明產(chǎn)品(參見TechZone文章“最大化LED亮度以降低系統(tǒng)成本”)。
CSP LED進(jìn)入市場(chǎng)
主要制造商的CSP LED領(lǐng)域有很多活動(dòng)。例如,擁有三星LED品牌的三星電子于2015年中期推出了第二代CSP LED。通過翻轉(zhuǎn)裸藍(lán)色LED裸片然后將白光發(fā)光熒光粉直接應(yīng)用于硅片制造CSP LED并且芯片的所有面都與底面不同。由于LED不需要任何塑料包裝,因此無需成型,簡化了生產(chǎn)。
該公司的CSP LED尺寸為1.2 x 1.2 mm(1.44 mm 2 ),聲稱與上一代相比,其功效和光度提高了10%(圖5)。該公司將提供單芯片或2×2或3×3 CSP陣列的設(shè)備。這些陣列足夠小,可以共用一個(gè)鏡頭而不需要傳統(tǒng)LED封裝陣列所使用的獨(dú)立鏡頭。
圖5:三星CSP LED的面積為1.44 mm 2 。
三星表示,這些產(chǎn)品將于2015年底上市。這些設(shè)備將提供一系列相關(guān)色溫(CCT) )備選規(guī)格。
目前,三星提供一系列緊湊型表面貼裝LED,如LH351A系列。該芯片面積為3.5 x 3.5 mm(12.25 mm 2 ),產(chǎn)生145 lm/W(350 mA,2.95 V)。
Lumileds也在開發(fā)CSP LED。 1×1毫米芯片僅采用藍(lán)色LED格式,因此照明制造商必須添加自己的熒光粉,裸芯片的唯一補(bǔ)充是用于焊接的焊盤。與藍(lán)色LED一樣,制造商不提供輸出或功效數(shù)據(jù),但確實(shí)聲稱“墻插”效率約為60%。目前,該公司最緊湊的LED加熒光燈器件是LUXEON Q,Lumileds稱其基于“倒裝芯片CSP架構(gòu)”。與三星產(chǎn)品類似,LUXEON Q的尺寸為3.5 x 3.5 mm,并且能夠?qū)崿F(xiàn)124 lm/W(350 mA,2.93 V)。
東芝已經(jīng)在市場(chǎng)上推出了一款先前描述的TL1WK芯片的CSP LED。該器件的尺寸為0.65×0.65 mm(0.42 mm 2 ),可以在高達(dá)180 mA的電流下驅(qū)動(dòng)而不會(huì)出現(xiàn)過熱危險(xiǎn),只要設(shè)計(jì)人員遵守公司的熱管理建議即可。
Cree也在開發(fā)CSP LED,但今天它最小的現(xiàn)成封裝是3.45×3.45毫米(11.9毫米 2 )的XLamp XP-E2 LED。這是一個(gè)109 lm/W(350 mA,2.9 V)LED,采用公司的SC 3 技術(shù),采用碳化硅(SiC)基板。
為主流做準(zhǔn)備
在尋求縮小電子元件的過程中,看不到盡頭??纱┐髟O(shè)備或物聯(lián)網(wǎng)(IoT)應(yīng)用傳感器等緊湊型產(chǎn)品正在推動(dòng)對(duì)更小型化的需求。
LED比其他電子元件的收縮速度慢,因?yàn)樗鼈內(nèi)菀滓虍a(chǎn)生的熱量而發(fā)生故障在微型封裝內(nèi)部,但來自照明行業(yè)的推動(dòng),以降低組裝成本和提高流明密度,這促使LED制造商克服技術(shù)挑戰(zhàn)?,F(xiàn)代芯片比舊設(shè)備更加堅(jiān)固,并且能夠承受CSP格式產(chǎn)生的更高溫度(以及能夠以更高的正向電流驅(qū)動(dòng)以提高亮度)。
CSP LED不適合所有人;他們很脆弱,難以處理。但這些小型封裝的優(yōu)勢(shì)很多,所有主要的LED制造商都在開發(fā)商用產(chǎn)品,以便在未來6到12個(gè)月內(nèi)發(fā)布。分析師報(bào)告稱,雖然2013年CSP LED僅占整體高功率LED封裝的11%,但他們預(yù)計(jì)到2020年這些器件將占34%,因此預(yù)計(jì)CSP LED將很快進(jìn)入LED照明的主流。
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