摘要：近年來，LED行業的迅猛發展使得LED的封裝結構呈現出多樣化的發展趨勢。在體積小型化方向，CSP LED應運而生。發展過程中，Top-view CSP的市場逐漸形成，但白墻圍擋限制了其光萃取率。本文從工藝結構上進行分析改進，提出了一種增光型單面發光CSP，將原有的圍擋側光轉換為反射側光的方法，引導出光，提高CSP光萃取效率。并從工藝制程上分析了其可行性。

 

　　關鍵詞： CSP；單面發光；增光型；結構工藝；LED；光萃取效率

 

　　1.引言

 

　　CSP作為一款簡約型LED封裝產品在近幾年一直炒得如火如荼。關注點一開始是落在其免基板、無鍵合線的特點上。這種封裝結構可以大大縮減封裝工藝流程和材料成本。四四方方的外形和厚度一致的熒光膠層決定了CSP產品優良的出光一致性。小巧的體積使CSP在應用端能夠擁有靈活多變的設計特點，并且可以滿足高集成度的設計要求。因此，CSP吸引了眾多投資者、研究機構和公司的關注[1,2]。

 

　　而其外形也隨著應用端需求開發出了不同的結構和形態特點。最起初的CSP是從傳統單面發光的PLCC和QFN封裝形態向五面發光CSP發展而來。五面發光CSP產品光效高、光損少，近場發光角接近180°，適用于照明領域。但在背光領域，針對五面發光CSP的透鏡設計困難，且五面CSP底部漏藍影響背光效果。為適應應用需求，擴展功能結構，CSP的發展又轉向了減少發光面的趨勢，從而出現了單面發光CSP形態。但是隨著白墻膠對CSP四周出光的遮擋，CSP正面出光效率會下降10-15%。本文旨在提出一種Top-view CSP的結構形態和制作方法，使單面發光CSP光萃取效率獲得提升。

　　圖1 五面發光CSP及配光曲線模擬圖

 

　　2. Top-view CSP的結構發展

 

　　最早的一類單面發光CSP來源于芯片端，是在倒裝芯片晶圓上完成熒光膠涂覆處理后切割完成的。由于芯片側面完全沒有處理，側面漏藍十分嚴重。鑒于此問題，市面上這類產品的應用也是寥寥無幾。

　　圖2 第一階段Top-view CSP

 

　　第二階段的Top-view CSP，直接采用白墻膠對倒裝LED芯片側面進行遮擋，造成了出光效率偏低的問題。尤其是a類結構，是基于第一階段單面發光CSP發展而來，由于熒光膠的側面也存在遮擋，因此光萃取效率大打折扣；而b、c類產品熒光膠完全壓在芯片和白墻膠上方，其實是一種不完全的單面發光CSP結構，雖然熒光膠層僅0.1-0.17mm，但在水平角方向仍然會有漏光現象。

　　圖3 第二階段Top-view CSP

 

　　第三階段的Top-view CSP是目前市面上最為常見的一類，韓國、臺灣、大陸均有這種形態的產品。此類產品是從五面發光CSP基礎上衍生而來。由于從芯片正面和側面發出的光均可直接進入熒光膠進行激發，從而提高了一定的白光轉換效率，使光效提升。但此產品被豎直的白墻膠側壁四面包圍，在光萃取上仍然存在很大的提升空間。

　　圖4 第三階段Top-view CSP

 

　　3. 一種增光型Top-view CSP

 

　　以往的Top-view CSP僅僅考慮將側光圍擋，并未從結構設計上將這類光進行方向引導并提取出來。此增光型Top-view CSP產品做了白墻內壁處理，形態上是CSP向QFN封裝的一種結構回歸[3]。如下圖所示：

　　圖5 增光型Top view CSP

 

　　基于第三類Top-view CSP，我們將白墻膠處理成有開口傾斜角度之后的結構，加上出光表面圖形化處理，出光效率即可獲得明顯的提升。原本熒光膠激發的水平方向部分光子會在白墻、熒光粉顆粒、芯片和膠體內反復反射、折射，最終被吸收轉換成熱量，而在這類結構下則可以通過傾斜的白墻側壁導向出光面。

 

　　將增光型Top-view CSP分別與三種不同結構類型的CSP進行光學模擬對比。采用相同的封裝材料（包括芯片、白墻膠、熒光膠），搭配相同的材料特性參數（CSP白墻設置為散射處理，白墻反射率：97%），模擬一般情況下的出光角度和相對光功率。

 

　　表1 光學模擬結果

　　

　　由上表可知，傳統的Top-view CSP比五面發光CSP在正面出光上減少了16.23%，整體光萃取效率降低了39.38%。白墻膠內壁傾斜處理后的Top-view CSP在正面出光上比五面發光CSP提高了42.61%，但整體的光萃取效率仍低于五面發光CSP。再增加出光面圖形化處理后，Top-view CSP整體光萃取效率相比五面發光CSP提升了8.4%，正面出光效率比五面發光CSP提高了44.58%。

　　圖a 仿真NO.2樣品、近場光分布效果與配光曲線模擬圖

　　圖b 仿真NO.3樣品與近場光分布效果與配光曲線模擬圖

　　圖c 仿真NO.4樣品與近場光分布效果與配光曲線模擬圖

 

　

　　由光學模擬的近場光分布和配光曲線可知，五面發光CSP結構發展至常規Top-view CSP，發光角度出現明顯下降，而傾斜杯壁的Top-view CSP結構使發光角度更加集中，從NO.3的配光曲線上看光分布最為尖銳。通過表面圖形化處理后，近場光斑趨于均勻，配光曲線中心略微平緩，發光角度增至125°。

 

　　4. 增光型Top-view CSP工藝制程與可行性

 

　　此類Top-view CSP的制作工藝復雜度仍然和第三類相差不大，僅僅增加了兩次翻膜的工序。工藝特點上，我們采用了一種特殊成型的切割刀片，作為碗杯成型的關鍵。如下圖：

　　圖5 增光型單面發光CSP工藝制程簡介

 

　　總體工藝分為：①布晶、②熒光膠模壓、③翻膜、④杯型切割、⑤翻膜、⑥白墻膠模壓、⑦表面去皮與圖形化處理、⑧精細切割、⑨分選包裝。工藝難點在于高精度布晶、真空熱壓技術和高精度切割。而目前，固晶機精度可達到±30um，切割機精度高達±5um/150times，足以滿足以上工藝成型要求。

 

　　5. 總結

 

　　本文從結構工藝上提出了Top-view CSP的增光方案。實際上，還能從制程工藝上提升CSP出光效率，包括熒光薄膜覆蓋、熒光薄膜印刷、熒光膠噴涂、熒光膠真空蒸鍍等技術[4,5]。然而制程工藝改變，對設備要求或材料要求都比較高。初始投入和成本要求也會相應增加。而本文提出的增光型Top-view CSP相比第三階段Top-view CSP產品僅需更改一款切割成型刀片，初始投入較小。并能實現整體光萃取效率相比五面發光CSP提升8.4%，正面出光效率比常規Top-view CSP提升72.6%。以上研究成果均由深圳市瑞豐光電子公司提供。瑞豐光電自2013年開始在LED封裝應用領域研發CSP產品，在2014年前后已對CSP產品做了全面專利布局。

 

　　另外，我們也注意到，此類結構仍存在底部漏光問題。雖然通過提高設備和治具精度可進一步縮小底部熒光膠圈的漏光面，但不能完全解決漏光問題。目前，市面上也有一類底部封白墻膠的CSP結構設計可以解決底部漏光，但倒裝芯片發光層位于芯片底部靠近電極的位置，勢必會遮蓋發光層側面，影響一定的出光效率。由此可見，目前各類Top-view CSP的結構都各具優勢，并且其發展仍然存在許多完善和提升的空間。

 

　　參考文獻：

 

　　[1] 唐國慶，劉園園，CSP,開啟照明新時代 [C]，海峽兩岸第二十二屆照明科技與營銷研討會專題報告暨論文集 ，2015.11.19.

 

　　[2] 周學軍，CSP--因應照明市場需求的LED封裝變革 [C]，2014年中國照明論壇--LED照明產品設計、應用與創新論壇論文集 ，2014.09.11.

 

　　[3] 曹宇星. 芯片級封裝LED的封裝結構 [P]，CN201420401596.1，2014.07.18.

 

　　[4] 譚曉華，韓穎，馮亞凱. 芯片級封裝的倒裝LED白光芯片的制備方法 [P]，CN201510245273.7，2015.05.14.

 

　　[5] Kazumasa Igarashi, Megumu Nagasawa, Satoshi Tanlgawa, et al. Chip scale package type of semiconductor device [P], US005990546A, Dec.29, 1995.