关于柔性基板LED封装技术研究与分析

什么是倒装芯片（Flip chip）是一种无引脚结构，一般含有电路单元。 设计用于通过适当数量的位于其面上的锡球（导电性粘合剂所覆盖），在电气上和机械上连接于电路。

关于柔性基板封装技术（Chip On Flex，COF），是指在薄层、高导热、可高度弯曲的柔性基板上，将倒装形式的LED芯片制造过程中同步完成荧光粉涂敷所制作的白光芯片与基板直接键合的技术。其工艺过程省去了封装的环节，节约了高价的荧光粉、胶膜的使用量，而且没有额外的反光杯、支架、金线等材料和工艺，直接导致了成本的大幅度降低。同时材料和工艺环节的减少，大大降低了物料管理（库存）的压力，也降低了质量和可靠性管理的难度。

另外，现有LED光源被普遍设置在硬质基板上，如铝基板、陶瓷基板等，对具有曲面设计要求的光源可塑性有限。由于柔性基板材料的自组装拼接特性，只要大批量的制作几种基本种类的COF模块（如条形模块和板型模块），在COF模块相互拼接后，利用简单的切割工艺，即可组成各种几何形状、长短不一的光源模组。从设计应用的角度来说，柔性的基板使得各种光源形貌的变化成为可能，同时，柔性的基板可实现贴附在曲面热沉或曲面灯具设计，使得光源结构相比传统光源具有更为广阔的个性化设计空间，如三维立体光源、可弯曲的光源等等，可与建材、家具、墙纸等进行结合开创出全新照明市场。此外，柔性基板的可折叠性能，以及其加工简单的优点，将为可穿戴设备的设计带来更多的灵活性，使可穿戴设备更加便携。本文主要针对笔者团队对于COF技术的研究，从高光学性能白光芯片的设计和制备，白光芯片与柔性基板材料连接工艺研究以及条、面、环状柔性光源模组的开发3个方面来详细论述其研究进展。

一、白光芯片的设计和制备

白光芯片，即发白光的芯片级尺寸封装LED器件（WCSP-White Chip Scale Package），是指将白光LED器件封装体积与内部蓝光芯片体积控制至相同或封装体积不大于倒装芯片体积的20%。由于其省略了反光杯、支架、金线等材料和工艺，材料和工艺环节大大减小，因此也称为免封装LED。各厂家开发的WCSP结构各不相同，目前主要有以下主流结构（如图所示）。

结构A是将倒装芯片通过共晶焊技术焊接在陶瓷或柔性基板上，再将荧光粉层涂覆在作为出光窗口的蓝宝石及芯片四周侧壁上，形成五面发光型光源（也有称NCSP）。这种结构在机械结构和热膨胀失配上对LED起到一定保护作用。结构B是把倒装LED芯片的正上方和4个侧面使用荧光胶包覆形成5面出光CSP结构。这种结构光效高，但是顶部和四周的色温一致性控制较差。结构C采用周围二氧化钛保护倒装芯片再覆荧光膜，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。结构D采用在倒装芯片上涂覆一层超薄荧光层后再加透明硅胶固定成型，也是五面出光，光效高，光色均匀性好，但工艺要求高、复杂。结构BCD的共同特点是以封装树脂对倒装芯片做五面包覆、仅裸露电极一面，形成单面或五面出光的封装结构。

目前结构B是在市场上较为普遍，也是各个LED厂竞相开发的方向。基于结构B，目前主要有3种封装技术方案：其一，先将LED晶圆划片，然后将倒装芯片贴装到已制作有电路的基板材料上，再进行其他封装工艺，最后划片、裂片得到单颗或多颗LED模块；其二，先将LED晶圆金属化后，经划片制作倒装LED芯片，然后通过喷涂、模顶、印刷或压膜的方式把倒装LED芯片的正上方和4个侧面使用荧光层材料包覆而达到封装的目的；其三，LED外延片经金属化电极完成后，直接在晶圆极进行荧光粉涂覆，经过切割、裂片实现芯片级封装，该工艺路线技术难度较大，目前尚处在产业化前期。

二、白光芯片与柔性基板材料连接

由于白光芯片焊盘较小，加上柔性基板在加热状态下热膨胀较大，白光芯片和柔性基板焊接需要进行较好的匹配才能达到良好的焊接效果，提高白光芯片的焊接可靠性。

白光芯片是通过倒装焊的方式（如图所示）固定于电路基板上实现电气连接和热传递的，芯片电极和基板焊盘之间通常是采用热压共晶焊或者回流焊接形成凸点。考虑设备、成本和工艺，一般采用回流焊的方式来对WCSP与柔性基板进行连接。一是由于白光芯片结构为蓝光倒装芯片上覆盖一层荧光膜，其上表面为具有一定粘度的软性材质硅胶，采用热压共晶焊的方式，压力会对软性的荧光膜有损伤，同时热和压力不能很好传递到焊层；二是用于热压共晶焊的设备相对比较昂贵，设备投入成本太高，采用回流焊的方式，设备投入成本小，同时工艺相对也较为简单。

采用回流焊的工艺目前大体上有2种方式。一种是SMT工艺路线：用印刷机在柔性基板上钢网印刷焊锡膏，然后采用高精度贴片机将白光芯片放置于印刷好锡膏的柔性基板上，最后过炉回流将白光芯片与柔性基板进行焊接。二是采用固晶机工艺路线：采用固晶机在柔性基板上点锡膏，然后固晶白光芯片于柔性基板，最后过炉回流焊接白光芯片于柔性基板上。相比而言，第2种工艺路线在设备投入上比第1种工艺路线要低，第2种工艺路线将点胶固晶整合在一台固晶机上完成，在效率上也要高于第1种工艺路线。基于固晶机工艺路线，笔者团队建立了2种工艺方案，如图所示。

1.工艺方案1：点锡膏→固晶→回流焊

从工艺和设备的简单角度出发，在现行传统的适用于蓝光芯片固晶工艺的基础上进行工艺参数的优化改进，以达到固晶WCSP的工艺要求。

WCSP结构为蓝光倒装芯片上覆盖一层荧光膜，与蓝光倒装芯片上表面为硬质的蓝宝石Al2O3材料不同，其上表面为具有一定粘度的软性材质硅胶。这决定了在固晶WCSP时，其固晶参数方面与传统固晶蓝光芯片时有很大的不同。固晶WCSP时其工艺参数主要在以下几个方面来进行调整：

①吸咀选择：白光芯片表面为软性硅胶，在固晶过程中很容易由于静电或者真空度产生的负压过大导致硅胶与吸咀接触过紧使得放晶时放不下来。因此，需要选择一种合适材质的吸咀在固晶白光芯片时能够较为顺利流畅的放晶。选择电木、钨钢以及橡胶3种材质的吸咀进行实验验证，发现白光芯片应选择表面进行了涂层处理的橡胶吸咀。

②顶针选择：白光芯片的体积和重量一般较蓝光芯片要大，因此采用尖头顶针拾晶时不稳，选用R>100°的圆头顶针进行白光芯片的拾晶，发现固晶时拾晶比较稳定。

③真空强度：固晶白光芯片时真空强度的大小应根据白光芯片的体积大小和上表面的硅胶粘度来确定。真空过大负压会使得硅胶与吸咀接触过紧导致放晶时出现问题，真空过小拾晶不稳。固晶白光芯片时真空强度应控制在-90～-50kPa较为适宜。

④弱吹强度：固晶WCSP白光芯片时弱吹强度不能过大，弱吹过大会在放晶时容易把白光芯片吹离预固晶点，造成芯片电极偏离焊盘。弱吹强度应控制在0.025～0.5MPa之间。

⑤其他固晶参数：表1列出了Sanan3014白光芯片相对蓝光芯片在一些固晶参数上的不同之处。

2.工艺方案2：点锡膏→回流焊→点助焊剂→固晶→回流焊

第2种工艺方案是在第1种工艺方案的基础上增加了一次回流改进而得到的，出发点是从优化回流焊接后焊点的质量考虑的。采用第1种方案，锡膏处于基板焊盘和芯片电极之间，在熔化过程中的流动性会受到一定的限制，导致空气和挥发性气体不能完全释放出来，残留于凝固的焊点中形成孔隙。另外，如图所示，采用第1种方案，因为锡膏在熔化过程中温度升高太快以及流动受到限制，或多或少会在焊点周围形成一些锡珠，影响焊点的质量和焊后LED的可靠性。由此，在固晶WCSP白光芯片前，先将基板焊盘上的锡膏预先一次回流形成焊点，然后再在焊点上点助焊剂，固晶后进行二次回流焊。这样焊点是在锡膏熔化时上表面无约束可以自由流动形成的，焊点内孔隙较少，在焊点周围形成的锡珠也少，并可在固晶前预先去除掉。因此，优化后得到的第2种工艺方案可以有效的提高固晶良率和焊点的质量。

在工艺参数方面，第2种方案中点锡膏、固晶和二次回流焊的工艺参数和第1种方案中相同。由于基板是需要经过2次回流加热的，因此需要注意一次回流的温度和时间不能过高过长，否则容易造成焊后基板白油层变黄，控制在加热台上250℃回流60s左右。另一方面，点固晶锡膏工艺时需要将胶盘中换成5-15UM助焊膏，目前采用的助焊膏为日本荒川化学PSP-SLF219-6号粉固晶锡膏。助焊膏量敏感度不高，控制为淹没焊点即可。可以选用双点胶头或方形点胶头，实现一次点胶即可满足量的要求，方便固晶机的自动化固晶。为2种工艺方案下回流焊后推力测试获得的焊接强度，C1～C5表示不同锡膏量的变化，从5～15μm，依次增加20μm。由图可以看出，2种工艺方案下的焊接强度差异不大。

三、条、面、环状的柔性光源模组开发

随着白光芯片逐渐由概念走向成熟产品，其在应用上也越来越广泛。特别是基于倒装芯片开发的白光CSP以其优异的出光效率、良好的散热结构、灵活的外形尺寸等优点，已开始应用于背光灯、闪光灯等领域，同时在特殊商用照明等高端应用预测也可得到认可和发展。例如，近2年lumileds的白光CSP在手机闪光灯的应用中已批量，韩国厂商如三星、首尔，台湾厂商如隆达等其白光CSP在手机背光和电视背光中的应用也已实现量产，国内厂商三安光电股份有限公司、德豪润达、易美芯光科技有限公司等对于白光CSP的应用也不断在开拓和布局市场。总结而言，白光芯片目前的应用主要在以下几个方面：

一是在手机闪光、背光和电视背光中的应用。由于白光芯片散热和电流密度的优势，亮度可以更亮，配合优化的二次透镜，在直下式的电视背光中LED颗粒可以减少1/3甚至一半，可以很大降低系统成本。另外由于白光芯片封装尺寸大大减小，可使结构更加紧凑简单，有利于手机和电视超薄趋势的实现。

二是应用于全周光球泡灯和灯管中。五面发光的白光芯片由于其宽发光角度的特点，应用于球泡灯能更好的实现全周光发光，光线更柔和；应用于灯管LED之间的间距极限可以更大而不产生光斑。

三是在多色温调光灯具中的应用。传统的用于多色温调节的COB光源模组，不同色温部分是面状分开的，并且需要通过多次点胶围坝，制作工艺复杂，成本较高；而采用白光芯片制作的多色温模组，不同色温部分可以点状式排列，以最小的面积实现调色功能。在制作工艺上，白光芯片多色温模组也更为简单，只需要将不同色温的白光芯片点阵式焊接于基板上就可以实现，成本大大降低。

四是白光芯片与柔性基板结合开发条、面、和环状柔性光源模组，贴附在曲面热沉或曲面灯具设计，形成各种创意灯具。例如条状柔性光源应用于灯丝球泡灯。风靡欧美市场的灯丝球泡LED灯在装饰照明领域以其独特的全周发光和仿古造型独占细分市场。由于硬灯丝使人感觉突兀，消费者希望体验更加类似钨丝灯的产品。采用柔性灯丝，可以在球泡灯中卷曲成各种形状，可以得到更为美观、灵活多变的灯丝灯产品（如图所示）。另外，柔性面光源可以与液晶调光玻璃幕墙等结合形成创意照明结构。