1 LED倒裝芯片技術(shù)特點與比較分析
在LED產(chǎn)業(yè)界從上游LED芯片的結(jié)構(gòu)特點出發(fā),將產(chǎn)品技術(shù)路線分為正裝、垂直和倒裝結(jié)構(gòu)的技術(shù)路線,三款技術(shù)路線的芯片產(chǎn)品、光源產(chǎn)品技術(shù)特點、性能及可靠性對比分析如表:
表1
為了公平地比較通過三大技術(shù)路線實現(xiàn)的芯片產(chǎn)品、光源產(chǎn)品的成本、售價、應(yīng)用效果等,選取標(biāo)準(zhǔn)尺寸的芯片45mil作為比較的標(biāo)準(zhǔn)。選用上述芯片用于封裝成相同尺寸規(guī)格的LED光源器件進行比較性能、成本、售價、毛利率等(如表 2)。
表2
從技術(shù)、成本、售價及毛利等分析,倒裝LED芯片技術(shù)路線實現(xiàn)的LED光源產(chǎn)品,具有高的性價比,同時表現(xiàn)具有較高的毛利率。
2 倒裝芯片及封裝技術(shù)分析
倒裝LED芯片技術(shù)路線被LED產(chǎn)業(yè)界認(rèn)定為三大芯片技術(shù)路線之一,國內(nèi)企業(yè)利用倒裝集成電路技術(shù)引入到倒裝LED芯片和封裝的設(shè)計、制造,在2003年開始在倒裝LED芯片和封裝技術(shù)做了大量的專利申請和布局, 2006年開始研發(fā)生產(chǎn)制造,2010年實現(xiàn)批量化生產(chǎn)和銷售。其中額技術(shù)特征主要包括:
表3
(1)充分考慮了申請時期金屬阻擋層和金屬接觸反光層的結(jié)構(gòu)關(guān)系缺陷,采用了全面立體式雙層復(fù)合阻擋層結(jié)構(gòu),很好地包裹接觸反射層的方案,且第一阻擋層采用多層復(fù)合阻擋層結(jié)構(gòu),本身穩(wěn)定度高且結(jié)構(gòu)致密,基于上述阻擋層和金屬層的結(jié)構(gòu)關(guān)系,完全有效地阻擋接觸金屬的遷移和擴散,特別適用于倒裝LED芯片大電流下驅(qū)動,解決了大電流應(yīng)用下的金屬遷移和擴散的倒裝LED芯片和封裝器件可靠性失效的共性問題。雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)的阻擋層是解決倒裝LED芯片大電流應(yīng)用下金屬遷移和擴散問題的基礎(chǔ)性核心要素。
(2)獨特絕緣層結(jié)構(gòu)特征,多層復(fù)合絕緣層結(jié)構(gòu)是解決倒裝LED 芯片和封裝器件因絕緣層臺階保護較差導(dǎo)致的漏電普遍性問題的關(guān)鍵性因素。
(3)倒裝LED芯片的制作方法,該方法的工藝步驟較現(xiàn)有的工藝步驟 (6步光刻工藝 ) 大大簡化,所需光刻圖形工藝的次數(shù)減少 (4步光刻工藝 ),有效地解決了LED行業(yè)倒裝LED芯片復(fù)雜工藝問題,提高了倒裝LED芯片的生產(chǎn)制造效率和產(chǎn)品良率,降低了產(chǎn)業(yè)界倒裝LED芯片的成本問題。
3 倒裝芯片應(yīng)用產(chǎn)品
1) 典型倒裝LED發(fā)光二極管的芯片和多芯片模組
倒裝芯片技術(shù)所開發(fā)的產(chǎn)品包括發(fā)光二極管LED藍光芯片、LED照明光源器件和LED背光源器件產(chǎn)品。具體地來說,發(fā)光二極管LED 芯片產(chǎn)品包括1W大功率藍光芯片、5W藍光芯片模組、高壓芯片及 5-10W超大功率藍光芯片模組,LED照明光源器件包括大功率陶瓷 LED光源3535、2016和SMD 3030及COB等。LED背光源器件包括3030、7020等。
該發(fā)光二極管芯片產(chǎn)品技術(shù)特點主要有:(1) 9個N電極均勻分布,讓電流分布更加均勻;(2) P電極金屬層雙層結(jié)構(gòu)具有高反射率,提高了出光效率;(3) 大塊的P型表面電極金屬層及凸點結(jié)構(gòu);(4) 基板表面金屬布線層和金屬凸點;(5) 多芯片間無金線互聯(lián);(6) 集成防靜電齊納二極管芯片 ; (7) 多個芯片小單位的高壓芯片等,這些發(fā)光二極管芯片產(chǎn)品技術(shù)特點都是充分體現(xiàn)了倒裝的技術(shù)特征。
2) 通用照明LED產(chǎn)品
LED照明光源器件中,大功率陶瓷LED光源3535和5050、倒裝陶瓷COB光源器件、中小功率SMD照明光源2835、3030等,主要運用于道路照明、建筑照明、景觀照明、室內(nèi)照明等高端市場。其中,大功率陶瓷LED光源和倒裝陶瓷COOB光源產(chǎn)品特點、實物圖如表 4所示:
表4 大功率陶瓷LED光源和倒裝陶瓷COB光源
表5
以1W大功率倒裝陶瓷LED光源產(chǎn)品為例,分析該倒裝于陶瓷基板產(chǎn)品系列的專利技術(shù)運用情況,從圖1可以看出,利用倒裝LED芯片上的金屬凸點同對應(yīng)陶瓷基板表面的金屬凸點通過倒裝焊接工藝焊接于陶瓷基板上(如圖2),實現(xiàn)電連接和機械連接。陶瓷基板表面金屬布線層及P、N電極金屬層電連接,同LED芯片的P、N電極金屬層和金屬凸點相連接。
從實施的效果來看,大功率倒裝陶瓷基LED光源,具有以下明顯的技術(shù)優(yōu)勢如下圖3所示:該系列產(chǎn)品如上圖3所示在光學(xué)、電學(xué)、機械性能和熱學(xué)性能等方面充分體現(xiàn)了倒裝芯片技術(shù)的特點。
對于陶瓷基多芯片倒裝集成封裝FCOB光源來說,在單顆陶瓷基封裝基礎(chǔ)上,采用多顆倒裝LED芯片集成封裝于預(yù)先設(shè)計制作好的陶瓷基板上,基板上有各自同倒裝芯片焊接對應(yīng)的金屬凸點,各個獨立的芯片單元通過基板表面的金屬布線實現(xiàn)電連接,具體地來說,可以參照圖4所示,從圖中也說明該產(chǎn)品是多芯片集成封裝模組光源的典型代表,充分體現(xiàn)了倒裝芯片的多芯片發(fā)光二極管芯片模組專利技術(shù)。
3)LED背光光源器件
LED背光液晶電視具有低能耗、長壽命、廣色域及環(huán)保的突出優(yōu)點,已成為液晶電視的主流。電視背光源LED器件,包括有7020、3030、2835等,用于液晶電視背光照明,對性能、品質(zhì)要求均有很高要求。倒裝LED芯片技術(shù)具有大電流、低電壓、高耐熱、無金線、高可靠性等優(yōu)點,非常適合應(yīng)用于電視機背光源產(chǎn)品,滿足電視機背光應(yīng)用的高品質(zhì)、高性能要求。
以SMD 2835為例,選用倒裝焊LED芯片,并將芯片倒裝置于底板上通過回流焊接實現(xiàn)倒裝LED芯片與底板P、N電極的電連接功能。所選用的倒裝LED芯片表面電極金屬層如圖5所示,從圖中可以明顯看到該倒裝LED芯片表面具有金屬凸點,有利于該芯片同底板的焊接,實現(xiàn)同底板表面的金屬層焊接,具有高導(dǎo)熱、大電流應(yīng)用高亮度輸出的功能。
圖5倒裝焊接LED芯片表面金屬凸點外觀圖
進一步對該產(chǎn)品焊接后的焊接橫截面進行SEM分析如圖6所示,證明了倒裝LED芯片同底板支架的金屬焊接,實現(xiàn)了電連接和機械連接功能。
圖6倒裝焊接LED同底板的焊接截面圖
從上述產(chǎn)品應(yīng)用的實例和圖示來看倒裝芯片技術(shù)在2835、7020、3030等背光產(chǎn)品上實現(xiàn)了很好的應(yīng)用。同時,產(chǎn)品應(yīng)用所產(chǎn)生的積極效果。
4 市場分析和未來潛在應(yīng)用
【市場分析】
國際知名市場預(yù)測分析機構(gòu)Yole Development2014年對大功率芯片和光源產(chǎn)品的市場預(yù)測如圖7,倒裝芯片的市場份額有逐步增加的趨勢。
圖7
隨著LED產(chǎn)品應(yīng)用的市場細分和品質(zhì)要求提升,加之倒裝產(chǎn)品成本的下降,倒裝LED芯片技術(shù)路線的LED芯片和光源器件產(chǎn)品呈現(xiàn)逐年上升的市場趨勢,特別是在一些細分和新型市場領(lǐng)域有應(yīng)用范圍拓展的趨勢。從LED產(chǎn)業(yè)界權(quán)威的評論和預(yù)測機構(gòu)Ledinside 2016 年的數(shù)據(jù)來看如圖8,倒裝LED技術(shù)產(chǎn)品的2017年市場需求量在22716Million pcs即22716KKpcs,在過往的5年內(nèi),年均CAGR為99%。
圖8倒裝LED芯片技術(shù)市場產(chǎn)品容量
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