CSP的春天来了？CSP免封装器件的光品质与信赖性研究

摘要

由于LED照明市场的发展与需求，LED照明在性能与实际应用上已逐渐取代了传统的节能照明，而室内照明作为照明市场的重要组成，对室内LED照明灯具除了光效有较高的要求外，对照明的光品质的要求也越来越高。CSP免封装器件是基于倒装芯片的新型封装器件产品，是传统LED器件为迎合更高光品质与低物料、低工艺成本而研发改进的，也是未来室内LED照明灯具市场的器件使用发展趋势。

本文以自主研发的CSP免封装器件为研究对象，着重探讨了CSP免封装器件在光品质与信赖性方面的表现，进行了CSP免封装器件与传统2835白光照明器件的光品质对比，同时也探究了自主研发的CSP免封装器件在器件的性赖性方面的表现；研究结果表明，CSP免封装器件在光品质，特别是光的一致性和配光曲线的表现上，与传统2835白光照明器件相比有着较大的优势，同时，试验并分析了CSP免封装器件在信赖性方面的表现，找出了CSP免封装器件的主要失效因素，通过进一步的改善，可以拥有比拟传统白光照明器件的应用性赖性。

近年来，随着LED行业在器件材料、芯片工艺、封装制程、封装技术等方面的研究进步与发展，尤其是各大知名芯片厂家在倒装芯片方面的成熟与荧光粉涂覆技术的逐渐多样化，一种全新的芯片尺寸级封装CSP（Chip Scale Package）器件应运而生。CSP免封装器件最早的定义是指封装尺寸和芯片核心尺寸基本相同，概念由电子IC封装而来，由于其单元面积的光通量最大化（高光密度）以及芯片与封装BOM成本最大比（省略了金线、支架的低封装成本）使其有望在lm/$的性价比上能获得优质的表现[1]。而CSP免封装器件也引起业界的广大关注，各大有实力的封装厂家以及封装上游厂家都纷纷投入研发，CSP免封装器件不止被行业寄予期望，也被认为是一种“终极”的封装形式。除了在降低成本有着极大的优势外，在灯具应用上，由于CSP免封装器件的尺寸大小可控，可使灯具设计更加灵活，结构紧凑；在性能上，由于CSP免封装器件的小发光面、高光密特性，即可实现光学指向性控制，又可以实现广角度的光分布；倒装芯片的电极设计，使电流分配均衡，适合更大电流驱动，减少了光吸收，有利于CSP免封装器件的信赖性[2]。

实现CSP免封装器件的白光工艺有多种方式，最理想的实现方式是在晶圆Wafer上进行，但采取这样工艺实现的器件，荧光胶只能覆盖芯片的表面，蓝光会通过蓝宝石从四周漏出，影响色空间分布的均匀性。也有去除蓝宝石，采用薄膜芯片等工艺方式，可以减少蓝光的泄露，但工艺成本非常高。因此，市面上主流技术路线仍是把芯片切割后，再进行荧光粉涂覆，再测试、编带，此过程与传统封装工艺更加相似。该工艺的核心还是围绕着荧光粉的涂覆技术，而涂覆工艺包括喷胶，封模，印刷、及荧光膜贴装等多种方式，各工艺都有其优势与挑战。而目前市面上的CSP免封装器件主要有以下三大主流结构（如图1所示）：①.采用硅胶荧光粉压制而成，五面出光，光效高，但是顶部和四周的色温一致性控制较差。②采用周围二氧化钛保护再覆荧光膜，只有顶部一个发光面，光的一致性和指向性很好，但是损失了四周的光输出，光效会偏低。③采用荧光膜全覆盖，再加透明硅胶固定成型，也是五面出光，光效高，光品质稍差。本项目使用的CSP器件是使用荧光胶压合的制备工艺制备而成，拥有如图1（①）所示的结构（器件无外加封胶），通过对荧光胶的改良与配置，调控csp的侧面与顶部的荧光层厚度，改善了色温不一致而导致的光斑问题[3]。

图1 CSP免封装器件的三种实现方式

作为一种新的技术，CSP免封装器件也面临许多的局限与挑战：首先，过度依赖于倒装芯片技术的提升，如芯片成本、光效、可靠性以及芯片耐ESD的击穿能力；其次，荧光粉涂覆工艺及其均匀性要求精度高，这直接影响色温落Bin率及色空间分布；第三，CSP免封装器件由于体积小，对SMT贴片的精度要求更高；第四，回流焊工艺将影响到焊点的空洞率，从而影响产品的散热及可靠性；第五，LED芯片与基板的热膨胀系数差异较大容易产生应力，将直接影响芯片的信赖性；因此，保证CSP免封装器件在实现优异光效的同时，保证器件的信赖性是其在应用端发展的关键因素[4]。

基于以上，本文拟从CSP器件的光品质与信赖性出发，通过对比CSP器件与常用贴片白光照明器件的光谱、光型、光分布情况，研究CSP器件在高品质照明用途上的优势；通过对CSP器件各项信赖性的研究，从本质上解决CSP器件在替代现有贴片白光照明器件上的可行性。

二、正文

2.1 CSP免封装器件的设计

本文自主研发的CSP免封装器件采用荧光胶压合的方式制备，根据使用的倒装芯片的规格尺寸，通过提前设计好CSP器件样品的尺寸，使用的特定的胶水与荧光粉进行一定比例的混合，先制备成一张特定尺寸的半固化荧光膜，与提前扩晶排布好的倒装芯片，进行压合后烘烤固化；最后按照设计好的CSP免封装产品尺寸进行切割，即可得到CSP免封装器件样品[5]。工艺的示意图如图2所示。

图 2 CSP免封装器件的制备方式

2.2光效对比

传统SMD LED器件是由芯片，支架，固晶底胶、金线和环氧树脂或硅胶等多种类型、热膨胀系数各异的材料复合制备而成，而其中除了芯片以外，要数支架（主要材料一般为聚邻苯二甲酰胺，即PPA）和封装胶水对LED器件的光效与可靠性影响较大；而CSP免封装器件是由芯片、荧光胶组合而成，除了芯片本身以外，仅有荧光胶会影响器件的光效与可靠性。

本文采用自主研发的 CSP器件与传统2835白光照明器件进行光效的对比，测试工具为远方机台与积分球；为保证测试光源的条件一致，本文将自主研发的CSP器件通过回流焊的方式固定于倒装2835支架上，同时使用制备CSP器件的同款倒装芯片，胶水与荧光粉进行封装，并比较它们的光电数据；数据结果如表1所示：

表1 2835倒装器件与CSP器件的光效对比

样品

IF(mA)

VF(V)

Φ(lm)

光效(lm/W)

Tc(K)

Ra

SDCM

2835倒装

59.9

2.879

27.17

157.52

4947

80.5

4.2

CSP器件

59.9

2.82

27.27

161.45

4983

85.9

4.5

图3 CSP器件的光源光谱测试报告

从表1可以看出，当色温调至相同时，使用同款倒装芯片，胶水与荧光粉的2835倒装器件与CSP器件拥有相近的电压、流明值和光效，但是由于器件大小不同，使用的荧光胶胶量不同，导致CSP器件的光效高了接近5个显指，这说明，在相等条件下，当控制色温与显指一致时，CSP器件可以在相同测试环境中，获得更高的亮度评价，充分体现了CSP器件lm/$的性价比优势。图3是CSP器件的光源光谱测试报告，从测试光谱中，可以看到CSP光源的配光光谱与传统SMD白光器件的配光光谱一样，色坐标位于相应色区之间，可以达到传统SMD白光器件的同样性能。

2.3光一致性

LED照明作为新起的照明光源，最大的优势除了在于节能环保外，高光效与高光品质也是考核LED室内照明灯具的主要标准，而除了色温、显指等一系列光性能的指标外，光的一致性也是需要考核的重要指标。当LED器件的光的一致性差时，应用到灯具上容易出现色差，影响灯具的光品质。

LED器件的制造，从上游的芯片，到中游的荧光粉搭配、封装，每一步都会影响最终的光色。LED芯片的波长对最终的LED器件的光色有影响，如果一致性要求能达到3 SDCM的LED灯珠，对芯片的要求是主波长范围约在2.5nm以内。然而由于工艺的限制，芯片的分bin很难做到主波长范围都在2.5nm以内，如果对芯片进行挑选，则有成品率不高，成本高的问题。而在器件封装端，荧光粉的选择、荧光胶的胶度、荧光粉均匀度和与LED芯片主波长匹配的问题，都会影响LED器件的光色，因此LED器件的光色一致性非常难以控制。

在对颜色一致性的要求方面，传统光源的做法一般都是以麦克•亚当椭圆为规定的，是基于麦克•亚当对人眼对颜色的辨认所做的一系列实验的基础上总结出的一个范围；目前LED行业最广泛应用的标准是美国Ansi C78.377-2008标准，这个标准也是美国能源之星所引用的标准。此标准的要求是以大约与７步麦克•亚当椭圆相当的８个四边形为范围（如图4）[6]。

图4 麦克·亚当椭圆

本文讨论了自主研发的CSP免封装器件与传统白光2835LED器件的光色一致性，选取了正常生产的1k pcs传统2835白光器件，并随机挑选10pcs进行分光分色，选取了同批次生产的1k pcs CSP免封装器件，从如图5的5个区域中，随机取10PCS进行测试，对它们的色坐标分布进行对比，具体情况如图6所示。

图5 同批次的1kpcs CSP器件

图6 传统2835 SMD白光器件（左）与CSP免封装器件生产样品（右）的色坐标打靶情况

从图6可以看到，在生产的1k pcs2835白光器件中挑选的10 pcs样品，通过色坐标打靶，发现色坐标的分布是沿着一定的斜率分布，且分布的间距较大，如果按照7步麦克·亚当椭圆的标准，则有相当部分的样品需要通过分光的方式排除，这会给生产的品质与成本造成一定的负担；造成这种现象主要因为传统的SMD白光器件的制备是通过点胶工艺制备，在点胶的过程中胶量不均匀，荧光粉沉淀等等，工艺上目前尚无法做到完全避免。而在1k pcs CSP器件中挑选出的10PCS样品，则可以观察到，色坐标的分布非常集中，基本都符合7步麦克·亚当椭圆的标准，这是因为CSP免封装器件的覆膜工艺，是通过制备好荧光膜，在进行压合切割，通过高精度的切合，避免了荧光胶量不均匀和荧光粉沉淀导致的色坐标漂移的现象，生产出来的样品具有高度的光一致性。

2.4 光强分布

LED白光灯具的光源有一个特定的光强分布特性，即配光曲线，LED灯珠组合的过程叫一次光学设计。大多数情况下，LED光源的配光曲线为朗伯型，即发光强度随角度变化呈余弦分布（如图7（1））。但在实际应用中，一次光学设计的出光角度和光强分布不能满足特性情况下的应用条件，这时候可以通过增加透镜（既二次配光）来改变光源的光线输出，来达到实际的应用要求（如图7（2））。从二次配光的规律可以看出，配光的关键在于增大LED光源的发光角度，使光强更为均匀的分布在灯具辐射面范围内。

本文讨论了自主研发的CSP免封装器件与传统白光2835LED器件的在配光曲线上的优劣，选取了正常生产的2835白光器件和CSP免封装器件，使用近场检测光度计分别获得其近场光学数据，通过tracepro软件分别对近场数据进行分析，得到图8（1）和图8（2）；从如图8可以看出，2835白光器件和CSP免封装器件的光强分布基本符合朗伯型，但在接近的光强情况下，2835白光器件的光强分布角度小，实测半强光度角为40°/140°，而CSP免封装器件的光强分布角度较2835白光器件有较大变化，实测半强光度角为20°/160°；从图7（2）与图8（2）对比可以发现，拥有极大光强分布角度的CSP免封装器件通过合理的分布，也可以让模组实现常规透镜带来的二次配光效果，极大的降低了灯具在二次透镜上的成本，也有助于减少灯具模组及背光模组的体积，呈现了巨大的优势。

图7（1）朗伯型配光曲线（2）二次配光曲线

图8（1）2835白光器件光强分布曲线（2）CSP免费装器件光强分布曲线

2.5 信赖性

随着LED照明的兴起，越来越多良莠不齐的LED产品进入市场，对促进LED行业的发展产生了极大的不利影响；如何树立起行业规范统一的LED器件信赖性评价标准，是目前急需解决的重大问题。上文已提及，传统SMD LED器件是由芯片，支架，固晶底胶、金线和环氧树脂或硅胶等多种类型、热膨胀系数各异的材料复合制备而成，不同的热膨胀系数会导致LED器件在使用的过程中发生各种各样的失效情况；基于传统SMD LED器件的组成结构，其失效机制一般可归为以下几种：1.芯片失效，电荷迁移破坏，芯片击穿；2.封装支架材料老化，硫化等；3.封装胶老化失效、荧光粉失效等；4.金线键合失效等；而CSP免封装器件不同于传统SMD LED器件，少了支架与金线键合的失效因素，但同时也多了应用端的焊接失效等因素；基于市面上对于CSP免封装产品的信赖性都只限于LM-80及相关的器件寿命，本文参考传统的SMD LED器件，对自主研发的CSP器件进行了更多样化的环境信赖性表征，以考证目前CSP免封装产品在实际应用端与传统SMD LED器件的差距[7]。

1）冷热冲击与湿热存储

冷热冲击与湿热存储是评价LED器件信赖性的两项重要测试，目前通用的LED器件根据生产制造厂家的要求，都会有不同条件的测试方法。本文根据GB/T2423.22的国家环境试验标准进行冷热冲击试验，试验方法是-40℃保持15分钟，转换成100℃保持15分钟，转换时间不超过0.5分钟，循环300回合；湿热存储则采用温度=80℃、湿度=80%RH的条件，试验时间为1000h。

图9 冷热冲击

图10 湿热存储

图9、图10为CSP免封装器件进行冷热冲击、以及湿热存储的示意图，试验结果表明，根据抽样检测的标准，都可以达到失效率小于等于1‰的效果。试验的结果进一步证明了，减少系统中存在的失效风险（如金线、支架等），可以有效的提高器件的可靠性，相比传统的SMD器件，拥有更少的失效因素的CSP器件可以拥有更高的可靠性。

2）3000h常温老化

LED发光亮度随着工作时间的正常，会出现光强或者光亮度的衰减现象。LED的老化程度通常与外加恒流电源的大小有关，可以描述为Bt=B0e(-t/i)，Bt为t时间后的亮度，B0为初始亮度。通常把亮度降到Bt=1/2B0所经历的时间t称为LED的寿命。通过Bt=B0e(-t/i)，公式的推断，可以得到LED的寿命情况[8]。在这里，本文在室温条件下，使用额定电流，在老化台上对CSP器件进行了3000h的老化实验，器件的光衰情况如图11所示：

图11 CSP器件3000h常温额定电流老化光衰

图12 CSP器件3000h常温额定电流老化色漂

从图11中可以看到，在1000h前CSP器件的光衰随着老化时间的增加，呈现轻微的上升，在老化时间达到1000h后，CSP器件的光衰开始随着老化时间的增加，逐渐增大，最后在3000h时达到0.98%。3000h老化平均光衰不超过1%，说明CSP器件在常温、额定工作电流条件下，信赖性表现良好；CSP器件的老化规律与蓝光芯片的老化规律一致，在1000h后才开始出现流明值下降的情况，且呈现一个缓慢的下降趋势，由于老化时间相对还比较短，且CSP器件还有胶水与荧光粉的混合影响，无法简单使用Bt=B0e(-t/i)公式评估器件的寿命，该工作将会留于老化时间进行超过6000h后进行评估。图12显示，随着老化的进行，器件会发生色温的漂移，这可能是因为蓝色倒装芯片发生了强度变化，也可能是老化过程中荧光胶也有了一定程度的老化导致，由于选用样品色温较高，色漂出现的原因相对较多，3000h的色漂不超过500k仍属于可允许的变化范围。

3）高温高湿老化

由于常规老化需要耗费的时间较长，而实际研发的周期并不允许在老化上消耗太多时间，因此除了常规寿命老化外，加速老化也是一种LED常用的信赖性测试方法，主要有超额定电流老化，高温老化，高湿老化等等。基于CSP免封装器件与传统SMD LED器件的应用区别，CSP器件与基板通过锡膏键合后，如果不加以保护，在高温高湿环境下，芯片等于暴露在高湿的空气中，因此本文的高温高湿老化试验，在将CSP器件贴到基板后，会再覆上一层环氧胶水进行保护（如图所示）。

本文选取使用自主研发的CSP免封装产品进行1000h的85℃，85%湿度的高温高湿加速老化试验，试验结果如图13、14所示：

图13 CSP器件高温高湿老化光衰

图14 CSP器件高温高湿老化色漂

从图13中，可以看到，在500h前CSP器件的光衰随着老化时间的增加基本不变，在老化时间达到1000h后，CSP器件的光衰开始增大，并达到4%，这说明CSP器件在高温、高湿的工作条件下，信赖性表现较差；CSP器件的在苛刻的环境下，老化速度急剧增加，在随后的老化中很大概率会造成死灯。加速老化的结果进一步说明，在苛刻的使用环境中，芯片更容易受到环境复合因素的影响而造成失效，针对这一现象，在不影响CSP器件的光学性能和光学特性的情况下，寻找方法使其减少受环境的影响，是提高CSP器件信赖性的关键因素。

4）失效分析

CSP免封装器件与传统SMD器件的组成不同，失效情况也不尽相同，在实际应用中，CSP器件除了芯片、荧光胶失效外，更多的失效存在与应用端结合的领域，如与基板的焊接等；目前CSP的固焊方法与倒装芯片一样，主要有共金焊与锡膏焊两种方式，这两种方式各有各的优缺点以及工艺难关。本文的CSP器件主要使用锡膏焊的固晶方式，锡膏焊是一种相对成熟、工艺简便的固焊工艺（如图），在贴片领域广泛应用，但锡膏焊应用于csp器件仍存在不少技术难关，如空洞率高，焊接失效以及焊接应力等等[9]。

图15 CSP器件的回流焊工艺

①芯片失效

在老化试验的过程中，除了对csp样品进行老化评估，对芯片也需要评估，在芯片的评估过程中，笔者发现造成芯片失效的情况，主要可以归类为两种：①芯片受损类型（如烧坏，应力受损等），具体表现在老化初期，就出现电压上升、流明值快速下降的现象；②芯片pn结老化，具体表现在老化初期及后期，电压都相对稳定，但流明值在稳定一段时间后，开始逐步下降。

芯片失效除了本身的稳定（可以通过筛选采购样品改善）外，应用端的正确使用是保证信赖性的关键因素，如图16所示，当芯片发生失效时，可以观察到芯片出现了受损或者烧毁的情况，原因可能有：①芯片焊接时发生应力，芯片受损所致；②芯片焊接时，电极与锡膏接触面空洞率大，散热不佳，导致芯片烧毁（如图17右所示）。因此，解决焊接应力以及散热不佳造成的芯片失效，是控制CSP器件应用失效率的重要途径。

图16 CSP器件用倒装器件的失效图

②焊接失效

在对CSP器件进行环境信赖性的研究过程中，器件与基板之间的焊接失效也是常见的一种失效情况，焊接失效的原因主要有虚焊以及空洞率大，如图17所示，样品1（第一张图）的失效情况属于虚焊，剥离的芯片电极可以明显的观察到，电极完好的情况，说明虚焊的情况比较严重。样品2（第4张图）的失效情况则属于空洞率大，从图中可以观察到没有明显虚焊的现象，但是有明显的空洞，空洞不仅会造成焊接失效，同时也是散热不良的主要原因。

图17 CSP器件焊接失效图

三、结论

本文以自主研发的CSP免封装产品为例，进行了CSP免封装器件的光品质与性赖性研究，对比了CSP免封装器件与传统2835 SMD白光器件的光效与光一致性，并进行了一系列的环境信赖性与光衰老化的试验，探究并分析了试验的结果，最后对CSP免封装产品常见的失效情况进行分析，得到了以下结论：

①CSP免封装器件作为一种尺寸更小的封装器件，在相同测试环境条件下，可以达到相同功率的传统2835 SMD 白光器件的光效水平，同时光谱与配色也拥有相同特性，可以在发光性能上取代传统2835SMD 白光器件。

②对比了CSP免封装器件与传统2835 SMD 白光器件生产产品的光一致性和配光曲线，发现使用压膜切割方式的CSP免封装器件在光一致性上拥有巨大的优势，可以减少器件生产端分光带来的问题，提高应用端灯具的光品质；同时CSP免封装器件拥有更大的半强光度角，有助于一次配光设计成型并省略二次透镜的开发成本，相对传统2835 SMD 白光器件拥有巨大的优势。

③对自主研发的CSP免封装器件进行了冷热冲击、高温高湿存储、常温老化以及高温高湿老化等环境信赖性试验，试验证明，提升芯片的质量和完善器件的应用工艺是保证CSP免封装器件产品信赖性的关键因素，同时CSP免封装器件在进一步的改善后，有望达到甚至超越传统SMD器件的信赖性。

④通过对CSP器件进行失效分析，得出CSP器件的主要失效原因，还是在使用的倒装芯片和应用于基板的工艺上，只有通过提高倒装芯片的质量与改善焊接的工艺，才能从根本上解决CSP器件面向市场推广的难题。

综上所示，CSP免封装器件产品在现阶段还有许多不成熟的地方，但在白光应用取代传统的SMD白光产品上，拥有极大的优势前景，其高光品质与低物料、低工艺成本的特性也会是未来室内LED照明灯具市场的器件的发展趋势。（本文来源于雷曼股份）

参考文献

1. http://lights.ofweek.com/2015-08/ART-220001-8440-28996393.html

2. http://www.china-led.net/news/201508/25/30282.html

3.余珊. 大功率 LED 晶圆级封装荧光粉涂覆技术研究[D]. 华中科技大学, 2012.

4.张文杰, 朱朋莉, 赵涛, 等. 倒装芯片封装技术概论[J]. 集成技术, 2014 (6): 84-91.

5. 吕植成. 基于硅基板的大功率 LED 封装研究[D].华中科技大学, 2013.

6. 陈小丽, 陈海红, 金龙. 从光效到光品质: 寻找下一阶段市场痛点[J]. 中国路灯, 2015 (4): 58-62.

7.肖诗满, 彭泽亚, 李少平. LED 典型失效机理[J]. 半导体技术, 2011, 36(3): 242-246.

8. 赵阿玲, 尚守锦, 陈建新. 大功率白光 LED 寿命试验及失效分析[J]. 照明工程学报, 2010 (1): 48-52.

9. 关鸣, 董会宁, 唐政维, 等. 大功率白光 LED 倒装焊方法研究[J].重庆邮电大学学报: 自然科学版, 2007, 19(6):681-683.

作者简介：

余应森（1989—），男，现任深圳雷曼光电科技股份有限公司技术研究中心博士工作室研发工程师，E-mail:yuyingsen@ledman.com.cn，电话：86-0755-86139060，地址：深圳市南山区西丽白芒百旺信工业园二区八栋雷曼大厦。

屠孟龙（1970-）男，现任深圳雷曼光电科技股份有限公司技术研究中心技术总监，E-mail：tml@ledman.cn，电话：86-0755-29060136，地址：深圳市南山区西丽白芒百旺信工业园二区八栋雷曼大厦。