LED封裝的發(fā)展狀況與緊湊型LED的介紹

傳統(tǒng)的硅芯片已經縮小，因為晶圓制造增強功能可以實現更小的功能，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年推出芯片級封裝（CSP）的公司?，F在，CSP（僅僅是原始晶圓的細長條，具有最少的附加功能）是司空見慣的。這些器件的主要優(yōu)點是節(jié)省了大量空間，降低了組裝成本，并且由于寄生效應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備中提取熱量，CSP并不普及LED。但是效率的提高和對溫度的更高耐受性（這是上一代易碎LED的垮臺）改變了這種狀況。現在，Cree，Lumileds和東芝等LED制造商已經宣布推出商用CSP LED。

本文著眼于LED封裝的最新發(fā)展，并介紹了領先制造商的CSP LED如何為設計人員提供自由提出與上一代LED不切實際的新型緊湊外形。

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量隨著制造技術的改進，在給定尺寸的芯片上每18個月翻一番。然而，法律削減了雙向;每18個月，具有一致數量晶體管的芯片縮小到之前尺寸的一半。對于在設計可穿戴設備時面臨空間限制的設計人員來說，這樣的元件收縮是一個福音。

但是，由于技術改進而導致的尺寸減小已經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)地剝離包裝來進一步縮小部件的體積。朝這個方向邁出的第一個重大舉措是開發(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，芯片供應商已經采取了進一步的措施，即使是少量塑料封裝了SMD，因此交付給客戶的只是裸硅。

結果可能是戲劇性的。藍牙智能供應商Nordic Semiconductor是健身帶等可穿戴設備中使用的無線連接解決方案供應商，提供兩種版本的nRF51822藍牙智能片上系統(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，半導體供應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。但現在技術變得越來越普遍，人們的注意力轉向將這項技術應用于LED。

雖然大多數LED不是由硅制造，而是由藍寶石或碳化硅上的氮化鎵（GaN）制造（ SiC）基板（參見TechZone文章“改進的硅基板LED解決高固態(tài)照明成本”），它們仍然適用于減少傳統(tǒng)電子設備尺寸的相同制造工藝。然而，這里LED的尺寸減小過程一直較慢，因為芯片的收縮引入了具有挑戰(zhàn)性的散熱問題。

熱量是LED的主要殺手。溫度越高，設備越早失效。然而，隨著大量測試數據庫已經建立多年，越來越明顯的是，每一代新設備都變得更加強大，因此能夠持續(xù)更長時間。例如，即使在105°C的非常高的結溫下工作的器件也經常持續(xù)超過36,000小時。

更小更好

CSP LED的關鍵優(yōu)勢顯而易見：該技術可顯著縮小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）設備制造成本更低，可以節(jié)省成本，以較低的價格傳遞給客戶。

圖2：LED逐漸縮小以達到芯片級封裝尺寸。 （由Lumileds提供）

CSP采用最小封裝的概念，甚至比倒裝芯片更進一步，在器件底部表面上安裝了與標準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準SMD相匹配，易于組裝。 （由Toshiba提供）

CSP沒有標準定義，但業(yè)界普遍認為“芯片級封裝LED”可以是尺寸相同或比尺寸大20％的任何設備。有源硅（LED的發(fā)光區(qū)域）。這種尺寸的設備使工程師可以更靈活地設計;例如，它們可以自由地調整發(fā)光表面的尺寸和LED的亮度等級，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。標準間距間距焊盤（包括LED底部的p型和n型觸點），因為它們使組裝過程更容易和更便宜。這些器件可以使用標準的拾放設備直接安裝在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可以使用標準自動測試設備（ATE）進行測試。

CSP的另一個重要優(yōu)勢是比傳統(tǒng)LED具有更低的熱阻。例如，東芝的TL2F2是一種表面貼裝LED（產生136 lm/W [65 mA，2.8 V]），封裝熱阻為30°C/W（從結到焊接界面）。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)封裝更高的電流驅動，從而提高發(fā)光度，而不會因過熱而導致過早失效的風險。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“點光源”，而不是傳統(tǒng)封裝產品中更加分散的光源。這使得在使用CSP的照明產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用的更緊湊的形狀因子。 CSP的另一個光學優(yōu)勢來自于芯片五面發(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“流明密度”的需求 - 部分原因是需要減少給定光輸出的LED數量，從而降低材料和組裝成本 - 可能是吸收CSP LED的催化劑。結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)照明工程師設計新的照明產品（參見TechZone文章“最大化LED亮度以降低系統(tǒng)成本”）。

CSP LED進入市場

主要制造商的CSP LED領域有很多活動。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。通過翻轉裸藍色LED裸片然后將白光發(fā)光熒光粉直接應用于硅片制造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。

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陣列的設備。這些陣列足夠小，可以共用一個鏡頭而不需要傳統(tǒng)LED封裝陣列所使用的獨立鏡頭。

圖5：三星CSP LED的面積為1.44 mm 2 。

三星表示，這些產品將于2015年底上市。這些設備將提供一系列相關色溫（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，裸芯片的唯一補充是用于焊接的焊盤。與藍色LED一樣，制造商不提供輸出或功效數據，但確實聲稱“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”。與三星產品類似，LUXEON Q的尺寸為3.5 x 3.5 mm，并且能夠實現124 lm/W（350 mA，2.93 V）。

東芝已經在市場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180 mA的電流下驅動而不會出現過熱危險，只要設計人員遵守公司的熱管理建議即可。

Cree也在開發(fā)CSP LED，但今天它最小的現成封裝是3.45×3.45毫米（11.9毫米 2 ）的XLamp XP-E2 LED。這是一個109 lm/W（350 mA，2.9 V）LED，采用公司的SC 3 技術，采用碳化硅（SiC）基板。

為主流做準備

在尋求縮小電子元件的過程中，看不到盡頭?？纱┐髟O備或物聯網（IoT）應用傳感器等緊湊型產品正在推動對更小型化的需求。

LED比其他電子元件的收縮速度慢，因為它們容易因產生的熱量而發(fā)生故障在微型封裝內部，但來自照明行業(yè)的推動，以降低組裝成本和提高流明密度，這促使LED制造商克服技術挑戰(zhàn)?，F代芯片比舊設備更加堅固，并且能夠承受CSP格式產生的更高溫度（以及能夠以更高的正向電流驅動以提高亮度）。

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)勢很多，所有主要的LED制造商都在開發(fā)商用產品，以便在未來6到12個月內發(fā)布。分析師報告稱，雖然2013年CSP LED僅占整體高功率LED封裝的11％，但他們預計到2020年這些器件將占34％，因此預計CSP LED將很快進入LED照明的主流。