一种增光型Top-view CSP及其工艺研究
近年来，LED行业的迅猛发展使得LED的封装结构呈现出多样化的发展趋势。在体积小型化方向，CSP LED应运而生。发展过程中，Top-view CSP的市场逐渐形成，但白墙围挡限制了其光萃取率。本文从工艺结构上进行分析改进，提出了一种增光型单面发光CSP，将原有的围挡侧光转换为反射侧光的方法，引导出光，提高CSP光萃取效率。并从工艺制程上分析了其可行性。
1. 引言
CSP作为一款简约型LED封装产品在近几年一直炒得如火如荼。关注点一开始是落在其免基板、无键合线的特点上。这种封装结构可以大大缩减封装工艺流程和材料成本。四四方方的外形和厚度一致的荧光胶层决定了CSP产品优良的出光一致性。小巧的体积使CSP在应用端能够拥有灵活多变的设计特点，并且可以满足高集成度的设计要求。因此，CSP吸引了众多投资者、研究机构和公司的关注[1,2]。
而其外形也随着应用端需求开发出了不同的结构和形态特点。最起初的CSP是从传统单面发光的PLCC和QFN封装形态向五面发光CSP发展而来。五面发光CSP产品光效高、光损少，近场发光角接近180°，适用于照明领域。但在背光领域，针对五面发光CSP的透镜设计困难，且五面CSP底部漏蓝影响背光效果。为适应应用需求，扩展功能结构，CSP的发展又转向了减少发光面的趋势，从而出现了单面发光CSP形态。但是随着白墙胶对CSP四周出光的遮挡，CSP正面出光效率会下降10-15%。本文旨在提出一种Top-view CSP的结构形态和制作方法，使单面发光CSP光萃取效率获得提升。
图1 五面发光CSP及配光曲线模拟图
2. Top-view CSP的结构发展
最早的一类单面发光CSP来源于芯片端，是在倒装芯片晶圆上完成荧光胶涂覆处理后切割完成的。由于芯片侧面完全没有处理，侧面漏蓝十分严重。鉴于此问题，市面上这类产品的应用也是寥寥无几。
图2 第一阶段Top-view CSP
第二阶段的Top-view CSP，直接采用白墙胶对倒装LED芯片侧面进行遮挡，造成了出光效率偏低的问题。尤其是a类结构，是基于第一阶段单面发光CSP发展而来，由于荧光胶的侧面也存在遮挡，因此光萃取效率大打折扣;而b、c类产品荧光胶完全压在芯片和白墙胶上方，其实是一种不完全的单面发光CSP结构，虽然荧光胶层仅0.1-0.17mm，但在水平角方向仍然会有漏光现象。
图3 第二阶段Top-view CSP
第三阶段的Top-view CSP是目前市面上最为常见的一类，韩国、台湾、大陆均有这种形态的产品。此类产品是从五面发光CSP基础上衍生而来。由于从芯片正面和侧面发出的光均可直接进入荧光胶进行激发，从而提高了一定的白光转换效率，使光效提升。但此产品被竖直的白墙胶侧壁四面包围，在光萃取上仍然存在很大的提升空间。
图4 第三阶段Top-view CSP
3. 一种增光型Top-view CSP
以往的Top-view CSP仅仅考虑将侧光围挡，并未从结构设计上将这类光进行方向引导并提取出来。此增光型Top-view CSP产品做了白墙内壁处理，形态上是CSP向QFN封装的一种结构回归[3]。如下图所示：
图5 增光型Top view CSP
基于第三类Top-view CSP，我们将白墙胶处理成有开口倾斜角度之后的结构，加上出光表面图形化处理，出光效率即可获得明显的提升。原本荧光胶激发的水平方向部分光子会在白墙、荧光粉颗粒、芯片和胶体内反复反射、折射，最终被吸收转换成热量，而在这类结构下则可以通过倾斜的白墙侧壁导向出光面。
将增光型Top-view CSP分别与三种不同结构类型的CSP进行光学模拟对比。采用相同的封装材料(包括芯片、白墙胶、荧光胶)，搭配相同的材料特性参数(CSP白墙设置为散射处理，白墙反射率：97%)，模拟一般情况下的出光角度和相对光功率。
表1 光学模拟结果
由上表可知，传统的Top-view CSP比五面发光CSP在正面出光上减少了16.23%，整体光萃取效率降低了39.38%。白墙胶内壁倾斜处理后的Top-view CSP在正面出光上比五面发光CSP提高了42.61%，但整体的光萃取效率仍低于五面发光CSP。再增加出光面图形化处理后，Top-view CSP整体光萃取效率相比五面发光CSP提升了8.4%，正面出光效率比五面发光CSP提高了44.58%。
图a 仿真NO.2样品、近场光分布效果与配光曲线模拟图
图b 仿真NO.3样品与近场光分布效果与配光曲线模拟图
图c 仿真NO.4样品与近场光分布效果与配光曲线模拟图
图6 仿真样品示意图与近场光分布效果
由光学模拟的近场光分布和配光曲线可知，五面发光CSP结构发展至常规Top-view CSP，发光角度出现明显下降，而倾斜杯壁的Top-view CSP结构使发光角度更加集中，从NO.3的配光曲线上看光分布最为尖锐。通过表面图形化处理后，近场光斑趋于均匀，配光曲线中心略微平缓，发光角度增至125°。
4. 增光型Top-view CSP工艺制程与可行性
此类Top-view CSP的制作工艺复杂度仍然和第三类相差不大，仅仅增加了两次翻膜的工序。工艺特点上，我们采用了一种特殊成型的切割刀片，作为碗杯成型的关键。如下图：
图5 增光型单面发光CSP工艺制程简介
总体工艺分为：①布晶、②荧光胶模压、③翻膜、④杯型切割、⑤翻膜、⑥白墙胶模压、⑦表面去皮与图形化处理、⑧精细切割、⑨分选包装。工艺难点在于高精度布晶、真空热压技术和高精度切割。而目前，固晶机精度可达到±30um，切割机精度高达±5um/150times，足以满足以上工艺成型要求。
5. 总结
本文从结构工艺上提出了Top-view CSP的增光方案。实际上，还能从制程工艺上提升CSP出光效率，包括荧光薄膜覆盖、荧光薄膜印刷、荧光胶喷涂、荧光胶真空蒸镀等技术[4,5]。然而制程工艺改变，对设备要求或材料要求都比较高。初始投入和成本要求也会相应增加。而本文提出的增光型Top-view CSP相比第三阶段Top-view CSP产品仅需更改一款切割成型刀片，初始投入较小。并能实现整体光萃取效率相比五面发光CSP提升8.4%，正面出光效率比常规Top-view CSP提升72.6%。以上研究成果均由深圳市瑞丰光电子公司提供。瑞丰光电自2013年开始在LED封装应用领域研发CSP产品，在2014年前后已对CSP产品做了全面专利布局。
另外，我们也注意到，此类结构仍存在底部漏光问题。虽然通过提高设备和治具精度可进一步缩小底部荧光胶圈的漏光面，但不能完全解决漏光问题。目前，市面上也有一类底部封白墙胶的CSP结构设计可以解决底部漏光，但倒装芯片发光层位于芯片底部靠近电极的位置，势必会遮盖发光层侧面，影响一定的出光效率。由此可见，目前各类Top-view CSP的结构都各具优势，并且其发展仍然存在许多完善和提升的空间。
近年来，LED行业的迅猛发展使得LED的封装结构呈现出多样化的发展趋势。在体积小型化方向，CSP LED应运而生。发展过程中，Top-view CSP的市场逐渐形成，但白墙围挡限制了其光萃取率。本文从工艺结构上进行分析改进，提出了一种增光型单面发光CSP，将原有的围挡侧光转换为反射侧光的方法，引导出光，提高CSP光萃取效率。并从工艺制程上分析了其可行性。
1. 引言
CSP作为一款简约型LED封装产品在近几年一直炒得如火如荼。关注点一开始是落在其免基板、无键合线的特点上。这种封装结构可以大大缩减封装工艺流程和材料成本。四四方方的外形和厚度一致的荧光胶层决定了CSP产品优良的出光一致性。小巧的体积使CSP在应用端能够拥有灵活多变的设计特点，并且可以满足高集成度的设计要求。因此，CSP吸引了众多投资者、研究机构和公司的关注[1,2]。
而其外形也随着应用端需求开发出了不同的结构和形态特点。最起初的CSP是从传统单面发光的PLCC和QFN封装形态向五面发光CSP发展而来。五面发光CSP产品光效高、光损少，近场发光角接近180°，适用于照明领域。但在背光领域，针对五面发光CSP的透镜设计困难，且五面CSP底部漏蓝影响背光效果。为适应应用需求，扩展功能结构，CSP的发展又转向了减少发光面的趋势，从而出现了单面发光CSP形态。但是随着白墙胶对CSP四周出光的遮挡，CSP正面出光效率会下降10-15%。本文旨在提出一种Top-view CSP的结构形态和制作方法，使单面发光CSP光萃取效率获得提升。
图1 五面发光CSP及配光曲线模拟图
2. Top-view CSP的结构发展
最早的一类单面发光CSP来源于芯片端，是在倒装芯片晶圆上完成荧光胶涂覆处理后切割完成的。由于芯片侧面完全没有处理，侧面漏蓝十分严重。鉴于此问题，市面上这类产品的应用也是寥寥无几。
图2 第一阶段Top-view CSP
第二阶段的Top-view CSP，直接采用白墙胶对倒装LED芯片侧面进行遮挡，造成了出光效率偏低的问题。尤其是a类结构，是基于第一阶段单面发光CSP发展而来，由于荧光胶的侧面也存在遮挡，因此光萃取效率大打折扣;而b、c类产品荧光胶完全压在芯片和白墙胶上方，其实是一种不完全的单面发光CSP结构，虽然荧光胶层仅0.1-0.17mm，但在水平角方向仍然会有漏光现象。
图3 第二阶段Top-view CSP
第三阶段的Top-view CSP是目前市面上最为常见的一类，韩国、台湾、大陆均有这种形态的产品。此类产品是从五面发光CSP基础上衍生而来。由于从芯片正面和侧面发出的光均可直接进入荧光胶进行激发，从而提高了一定的白光转换效率，使光效提升。但此产品被竖直的白墙胶侧壁四面包围，在光萃取上仍然存在很大的提升空间。
图4 第三阶段Top-view CSP
3. 一种增光型Top-view CSP
以往的Top-view CSP仅仅考虑将侧光围挡，并未从结构设计上将这类光进行方向引导并提取出来。此增光型Top-view CSP产品做了白墙内壁处理，形态上是CSP向QFN封装的一种结构回归[3]。如下图所示：
图5 增光型Top view CSP
基于第三类Top-view CSP，我们将白墙胶处理成有开口倾斜角度之后的结构，加上出光表面图形化处理，出光效率即可获得明显的提升。原本荧光胶激发的水平方向部分光子会在白墙、荧光粉颗粒、芯片和胶体内反复反射、折射，最终被吸收转换成热量，而在这类结构下则可以通过倾斜的白墙侧壁导向出光面。
将增光型Top-view CSP分别与三种不同结构类型的CSP进行光学模拟对比。采用相同的封装材料(包括芯片、白墙胶、荧光胶)，搭配相同的材料特性参数(CSP白墙设置为散射处理，白墙反射率：97%)，模拟一般情况下的出光角度和相对光功率。
表1 光学模拟结果
由上表可知，传统的Top-view CSP比五面发光CSP在正面出光上减少了16.23%，整体光萃取效率降低了39.38%。白墙胶内壁倾斜处理后的Top-view CSP在正面出光上比五面发光CSP提高了42.61%，但整体的光萃取效率仍低于五面发光CSP。再增加出光面图形化处理后，Top-view CSP整体光萃取效率相比五面发光CSP提升了8.4%，正面出光效率比五面发光CSP提高了44.58%。
图a 仿真NO.2样品、近场光分布效果与配光曲线模拟图
图b 仿真NO.3样品与近场光分布效果与配光曲线模拟图
图c 仿真NO.4样品与近场光分布效果与配光曲线模拟图
图6 仿真样品示意图与近场光分布效果
由光学模拟的近场光分布和配光曲线可知，五面发光CSP结构发展至常规Top-view CSP，发光角度出现明显下降，而倾斜杯壁的Top-view CSP结构使发光角度更加集中，从NO.3的配光曲线上看光分布最为尖锐。通过表面图形化处理后，近场光斑趋于均匀，配光曲线中心略微平缓，发光角度增至125°。
4. 增光型Top-view CSP工艺制程与可行性
此类Top-view CSP的制作工艺复杂度仍然和第三类相差不大，仅仅增加了两次翻膜的工序。工艺特点上，我们采用了一种特殊成型的切割刀片，作为碗杯成型的关键。如下图：
图5 增光型单面发光CSP工艺制程简介
总体工艺分为：①布晶、②荧光胶模压、③翻膜、④杯型切割、⑤翻膜、⑥白墙胶模压、⑦表面去皮与图形化处理、⑧精细切割、⑨分选包装。工艺难点在于高精度布晶、真空热压技术和高精度切割。而目前，固晶机精度可达到±30um，切割机精度高达±5um/150times，足以满足以上工艺成型要求。
5. 总结
本文从结构工艺上提出了Top-view CSP的增光方案。实际上，还能从制程工艺上提升CSP出光效率，包括荧光薄膜覆盖、荧光薄膜印刷、荧光胶喷涂、荧光胶真空蒸镀等技术[4,5]。然而制程工艺改变，对设备要求或材料要求都比较高。初始投入和成本要求也会相应增加。而本文提出的增光型Top-view CSP相比第三阶段Top-view CSP产品仅需更改一款切割成型刀片，初始投入较小。并能实现整体光萃取效率相比五面发光CSP提升8.4%，正面出光效率比常规Top-view CSP提升72.6%。以上研究成果均由深圳市瑞丰光电子公司提供。瑞丰光电自2013年开始在LED封装应用领域研发CSP产品，在2014年前后已对CSP产品做了全面专利布局。
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【保护“深圳蓝”！深圳PM2.5浓度在珠三角最低】2018年1月1日至11月13日，深圳市PM2.5累计平均浓度为25.7微克/立方米，比去年同期下降0.5微克/立方米，处于珠三角最优水平。截至目前，全市各区多次组织专项执法检查，其中市区联合执法3次，累计执法检查工地、企业540余家，检测非道机械2035台，超标机械771台，立案查处196宗。
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