LED封裝的發(fā)展?fàn)顩r與緊湊型LED的介紹

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。