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倒装无金线的芯片级LED封装方案提供更高可靠性
2013.05.30
目前LED照明应用中常见的问题依然是死灯和光衰大。死灯大致可分为两种情况，一种是完全不亮，另一种则是热态不亮冷态亮，或出现闪烁。导致不亮的主要原因是电性回路出现开路。而闪烁的原因则是因为金线虚焊或接触不良。而其中的罪魁祸首便是普通封装所采用的导电通道——金线。
导致金线断开的具体原因有三个，首先，一般业内所采用的金线直径为25~30μm，约头发丝粗细，它可以承受的机械拉力一般不超过10g，具有很大的断开风险；其次，封装材料的热膨胀系数差异是很大的，比如一般硅胶为10-4量级，而金线和芯片是10-5量级，热膨胀系数差异带来的内应力也有机会使金线断开；最后，浪涌冲击也会导致金线烧断。
当前，业内解决金线断裂的方式大致有三种，即更新白光封装材料；增加金线机械强度；采用无金线封装形式。显然，采用前两种方式解决金线问题受具体工艺技术条件的制约很难实现。因此，近几年以晶科电子（广州）有限公司（以下简称“晶科电子”）为代表的大功率封装器件厂家投入到无金线封装方案研发之中。
晶科电子应用开发总监陈海英博士在接受《LED好产品》采访时表示，晶科电子“易系列”和陶瓷基COB产品全部采用基于APT专利技术——倒装焊接技术，实现了单芯片及多芯片模组的无金线、无固晶胶封装，具有高亮度、高光效、高可靠性、低热阻、颜色一致性好等诸多优点。
从可靠性方面来看，正装芯片封装形式主要通过金线进行电性连接，瞬间大电流的冲击极易烧断金线。而倒装芯片封装用来连接芯片和陶瓷基板的电极占了约60%的芯片面积，相比于金线来说它的电性接触面扩大了1000倍以上，可承受的电流密度提升100万倍，芯片推力将增加至2000g以上，因此整个封装器件的可靠性将更高。
从热阻方面来看，对于正装芯片封装方式，目前业内大多使用银胶来固晶，银胶的导热系数一般在2.5-30W/（m·k），另外，处于芯片与基板之间的蓝宝石层的导热系数也只有35-36 W/（m·k），LED芯片产生的热很难通过蓝宝石和银胶向下导出。从材质方面来看，芯片和基板主要为无机成分，而银胶为有机成分。有机成分与无机成分在热膨胀系数方面存在很大差异，冷热交替的情况下，很容易导致芯片从基板剥落。剥落后的芯片在散热方面将受到更大的影响，直接导致光衰增大。倒装焊的方式，芯片与基板直接接触，导热面积显著增加，加上金属合金的导热系数基本在200 W/（m·k）以上，所以封装器件的热阻大大降低，散热更好。
从光色均匀性来看，正装芯片封装涂覆荧光粉时，金线很可能出现粘粉现象。由于打金线的位置可能出现差异，当金线位置在一个范围内变动，而荧光粉又在金线上，便很容易出现最终的封装器件出现光色分布不均的情况。倒装技术让荧光粉涂覆在平面上直接完成，在工艺上更好操作，也会具有更均匀的光色分布。
从封装器件体积来看，照明封装器件小型化已经成为一种趋势。LED芯片流明值的进一步提升为封装器件的小型化提供了可能。从成本上来说，封装器件小型化之后，物料成本将得到进一步降低。小体积的封装器件也更利于下游LED照明灯具设计师进行整灯设计。
张明生表示，采用倒装无金线封装技术的器件体积最高可降低80%。体积减少后LED散热便显得更为重要，因为热的积聚很容易引起芯片老化。除了倒装技术之外，我们选择了氮化铝陶瓷基板。这种新的基板具有新的导热材料和新的内部结构，弥补了铝金属基板的所有缺陷，从而进一步改善散热效果。
目前晶科电子基于倒装无金线陶瓷封装技术的封装器件“易”系列，分为星、辉、闪、耀四个系列。易星系列主要有ES-G2、ES-Y2、ES-H2三款产品，外形尺寸为主流的3535，均为1-3W的单晶封装白光产品。易辉系列包括EL-G白光产品，为四芯封装5-10W白光产品。易闪主要针对闪光灯设计。易耀为定制化产品，功率定位在10W以上。
“我们的产品系列可以衍生出更多的产品，比如易星产品可以衍生出高电流或彩色光封装产品”，张明生表示。目前易系列产品均可以接受大电流驱动，驱动电流即使从0.7安升高到0.8安不会导致芯片光衰增大，相反光通量会更高，成本也更低。
据陈海英博士介绍，目前易系列产品的光效大致都可以达到130-140lm/W，色温从暖白到冷白均有。近年来，LED发光芯片光效已经得到了极大的提升，产品性价比进一步提高。目前国内厂家纷纷从外延、芯片、封装物料、封装形式等方面作出努力，试图让LED光效与节能灯持平。但最终还是只有走进终端家庭才能促使LED市场大爆发，届时下游的推动势必进一步影响中游封装厂商的技术变革。而在目前阶段，性价比依然是终端客户关注的问题所在，当LED灯具超过主流光效120lm时，大家关心的不再是光效究竟是120lm还是130lm，更多关心的是120lm的价格有多低。但晶科电子不会放弃光效的提升。预计今年第三季度，升级版的量产型封装器件光效将达到140-150lm/W。
张明生表示，因为倒装焊技术相比正装来说多了一道复杂的工艺，所以产品的单个成本与物料的节约成本相抵。而易系列的核心价值目前来看不在成本，而在特殊技术的运用特性和功能上。除此之外，在物料选用方面晶科电子一直与国际知名品牌台湾晶电和美国道康宁合作，以保证品质。而在市场策略方面，晶科电子坚持以高端为主，中端补充的方式。随着行业毛利的进一步下降，晶科电子也需要低价的策略来保证营收，但也会注重品质。
“我们希望和有客户资源的LED灯具厂家合作，我们可以提供资金、产品、服务在内的整套服务”，张明生表示。
