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白皮书 | LED倒装芯片技术和产品分析

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2019-01-08 作者:肖国伟 来源:U赢电竞照明网 浏览量: 网友评论: 0
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摘要: 综上,从上述LED新兴应用市场的当前产品和技术状况来说,未来5-10年内,在植物照明、汽车照明、Micro-LED、UV-LED、CSP等几个重要的新兴市场都极大可能性倾向于倒装芯片LED的技术路线和产品方案,暂无法看到其他潜在的替代性技术方案。

  作者:肖国伟 广东晶科电子股份有限公司董事长

  《2018U赢电竞照明产业调研白皮书》光源器件 顾问

  1 LED倒装芯片技术特点与比较分析

  在LED产业界从上游LED芯片的结构特点出发,将产品技术路线分为正装、垂直和倒装结构的技术路线,三款技术路线的芯片产品、光源产品技术特点、性能及可靠性对比分析如表:

  为了公平地比较通过三大技术路线实现的芯片产品、光源产品的成本、售价、应用效果等,选取标准尺寸的芯片45mil作为比较的标准。选用上述芯片用于封装成相同尺寸规格的LED光源器件进行比较性能、成本、售价、毛利率等(如表 2)。

  从技术、成本、售价及毛利等分析,倒装LED芯片技术路线实现的LED光源产品,具有高的性价比,同时表现具有较高的毛利率。

  2 倒装芯片及封装技术分析

  倒装LED芯片技术路线被LED产业界认定为三大芯片技术路线之一,国内企业利用倒装集成电路技术引入到倒装LED芯片和封装的设计、制造,在2003年开始在倒装LED芯片和封装技术做了大量的专利申请和布局, 2006年开始研发生产制造,2010年实现批量化生产和销售。其中额技术特征主要包括:

  (1)充分考虑了申请时期金属阻挡层和金属接触反光层的结构关系缺陷,采用了全面立体式双层复合阻挡层结构,很好地包裹接触反射层的方案,且第一阻挡层采用多层复合阻挡层结构,本身稳定度高且结构致密,基于上述阻挡层和金属层的结构关系,完全有效地阻挡接触金属的迁移和扩散,特别适用于倒装LED芯片大电流下驱动,解决了大电流应用下的金属迁移和扩散的倒装LED芯片和封装器件可靠性失效的共性问题。双层复合结构的阻挡层是解决倒装LED芯片大电流应用下金属迁移和扩散问题的基础性核心要素。

  (2)独特绝缘层结构特征,多层复合绝缘层结构是解决倒装LED 芯片和封装器件因绝缘层台阶保护较差导致的漏电普遍性问题的关键性因素。

  (3)倒装LED芯片的制作方法,该方法的工艺步骤较现有的工艺步骤 (6步光刻工艺 ) 大大简化,所需光刻图形工艺的次数减少 (4步光刻工艺 ),有效地解决了LED行业倒装LED芯片复杂工艺问题,提高了倒装LED芯片的生产制造效率和产品良率,降低了产业界倒装LED芯片的成本问题。

  3 倒装芯片应用产品

  1) 典型倒装LED发光二极管的芯片和多芯片模组

  倒装芯片技术所开发的产品包括发光二极管LED蓝光芯片、LED照明光源器件和LED背光源器件产品。具体地来说,发光二极管LED 芯片产品包括1W大功率蓝光芯片、5W蓝光芯片模组、高压芯片及 5-10W超大功率蓝光芯片模组,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。

  该发光二极管芯片产品技术特点主要有:(1) 9个N电极均匀分布,让电流分布更加均匀;(2) P电极金属层双层结构具有高反射率,提高了出光效率;(3) 大块的P型表面电极金属层及凸点结构;(4) 基板表面金属布线层和金属凸点;(5) 多芯片间无金线互联;(6) 集成防静电齐纳二极管芯片 ; (7) 多个芯片小单位的高压芯片等,这些发光二极管芯片产品技术特点都是充分体现了倒装的技术特征。

  2) 通用照明LED产品

  LED照明光源器件中,大功率陶瓷LED光源3535和5050、倒装陶瓷COB光源器件、中小功率SMD照明光源2835、3030等,主要运用于道路照明、建筑照明、景观照明、室内照明等高端市场。其中,大功率陶瓷LED光源和倒装陶瓷COOB光源产品特点、实物图如表 4所示:

  以1W大功率倒装陶瓷LED光源产品为例,分析该倒装于陶瓷基板产品系列的专利技术运用情况,从图1可以看出,利用倒装LED芯片上的金属凸点同对应陶瓷基板表面的金属凸点通过倒装焊接工艺焊接于陶瓷基板上(如图2),实现电连接和机械连接。陶瓷基板表面金属布线层及P、N电极金属层电连接,同LED芯片的P、N电极金属层和金属凸点相连接。

  从实施的效果来看,大功率倒装陶瓷基LED光源,具有以下明显的技术优势如下图3所示:该系列产品如上图3所示在光学、电学、机械性能和热学性能等方面充分体现了倒装芯片技术的特点。

  对于陶瓷基多芯片倒装集成封装FCOB光源来说,在单颗陶瓷基封装基础上,采用多颗倒装LED芯片集成封装于预先设计制作好的陶瓷基板上,基板上有各自同倒装芯片焊接对应的金属凸点,各个独立的芯片单元通过基板表面的金属布线实现电连接,具体地来说,可以参照图4所示,从图中也说明该产品是多芯片集成封装模组光源的典型代表,充分体现了倒装芯片的多芯片发光二极管芯片模组专利技术。

  3)LED背光光源器件

  LED背光液晶电视具有低能耗、长寿命、广色域及环保的突出优点,已成为液晶电视的主流。电视背光源LED器件,包括有7020、3030、2835等,用于液晶电视背光照明,对性能、品质要求均有很高要求。倒装LED芯片技术具有大电流、低电压、高耐热、无金线、高可靠性等优点,非常适合应用于电视机背光源产品,满足电视机背光应用的高品质、高性能要求。

  以SMD 2835为例,选用倒装焊LED芯片,并将芯片倒装置于底板上通过回流焊接实现倒装LED芯片与底板P、N电极的电连接功能。所选用的倒装LED芯片表面电极金属层如图5所示,从图中可以明显看到该倒装LED芯片表面具有金属凸点,有利于该芯片同底板的焊接,实现同底板表面的金属层焊接,具有高导热、大电流应用高亮度输出的功能。

  进一步对该产品焊接后的焊接横截面进行SEM分析如图6所示,证明了倒装LED芯片同底板支架的金属焊接,实现了电连接和机械连接功能。

  从上述产品应用的实例和图示来看倒装芯片技术在2835、7020、3030等背光产品上实现了很好的应用。同时,产品应用所产生的积极效果。

  4 市场分析和未来潜在应用

  【市场分析】

  国际知名市场预测分析机构Yole Development2014年对大功率芯片和光源产品的市场预测如图7,倒装芯片的市场份额有逐步增加的趋势。

  随着LED产品应用的市场细分和品质要求提升,加之倒装产品成本的下降,倒装LED芯片技术路线的LED芯片和光源器件产品呈现逐年上升的市场趋势,特别是在一些细分和新型市场领域有应用范围拓展的趋势。从LED产业界权威的评论和预测机构Ledinside 2016 年的数据来看如图8,倒装LED技术产品的2017年市场需求量在22716Million pcs即22716KKpcs,在过往的5年内,年均CAGR为99%。

  另外,国际大厂Osram一直以来都是采用垂直芯片技术路线的产品技术解决方案,但是在2017年11月,Osram宣布推出了倒装芯片技术的相关芯片和封装光源产品,如下其官网公开的信息链接,发布了基于倒装芯片技术的CSP光源产品。

  https://www.osram.com/os/press/pressreleases/mini_led_for_mobile_devices_osram_launches_compact_ceramos_generation.jsp.从该市场信息进一步证实了倒装LED芯片技术产品的发展前景。

  【市场应用分析】: 通用照明和电视机背光市场分析

  LED主要的应用市场包括显示屏、汽车照明、通用照明、电视背光和移动设备等,其中,通用照明、背光和汽车照明是其中最大的市场。从图7LEDinside产业研究结构预测,未来三年内LED照明市场持续增长,预计年均复合增长率达3%。预计2018年全球LED市场规模可达162亿美元,LED照明市场渗透率达55%,在为了几年内,照明应用市场持续增长,而其中倒装芯片技术的照明产品市场份额随之增长;再者随着市场应用需求的扩大,产品的性能和品质提升,倒装芯片技术的相关产品会取代和抢占正装和垂直芯片技术的一部分市场份额,故在通用照明市场领域,倒装芯片技术的产品会持续稳定上升。尽管在电视机背光应用领域,市场增长率呈现下降趋势,但是随着电视背光应用需求的提升,倒装芯片技术的应用需求量也会随之增长。总的来说,现有LED应用市场领域,倒装芯片技术的市场份额必定是呈现增长的发展趋势。(见图9 2013-2018年全球高亮度LED市场预期)另外,随着智能照明的发展和兴起,2013~2019年全球智能照明市场规模持续成长。如图10所示,2013年时全球智能照明市场规模约12.87亿美元,虽然目前智能照明市场偏小,但未来在厂商积极推动以及节能趋势带动下,市场将持续成长,2019年可达87.1亿美元。

  从智能化照明领域的技术特点和发展趋势来看,智能照明需要在现有LED照明的基础上,整合电子驱动、控制及通信等电子元件,结合智能手机APP控制软件,实现家居照明和城市道路照明等的智能化应用,这些技术特点进一步充分发挥了倒装LED芯片技术的特点,实现在芯片级集成封装的微型化系统级LED智能化照明系统如图11所示。

  【市场应用分析】: 汽车照明市场分析

  随着LED技术和产品在通用照明、电视机等消费领域、工业照明领域的应用趋于成熟,从2013年开始,LED逐步开始进入汽车照明市场,但限于中小功率的尾灯信号照明应用,从近年开始市场规模增长迅速,并开始切入汽车前照灯应用。如下图12所示,中国市场2020年LED车灯市场达472亿人民币, 2020年LED前大灯市场渗透率将达到20%以上,2025年LED前大灯市占率近50%。

  从当前汽车照明发展的状来看,国际上在LED汽车照明领先的LED芯片和光源制造商Osram、Nichia和Lumileds在LED车前灯都是倒装芯片技术路线的产品方案,如下图13所示:

  该类产品选用倒装LED芯片和Aln陶瓷底板通过倒装焊接,然后选择陶瓷荧光片作为白光转换,再利用表面涂覆白色反光胶进行封装。该产品具有高亮度、耐高温和大电流能力强、低热阻、高可靠性等特点。这些特点都充分说明倒装LED芯片技术和产品在汽车照明应用的技术优势,属于汽车照明产品技术的未来主流趋势。晶科电子也利用倒装芯片的相关技术开发出汽车照明相关的产品,已经展开市场推广。如下图14所示,采用多芯片倒装集成封装于陶瓷基板上,芯片表面有金属凸点,同对应的陶瓷基板表面金属凸点实现焊接,进一步封装成白光用于汽车前照灯照明。

  随着汽车智能化的发展趋势,汽车照明LED光源模结合智能控制,可以实现汽车照明ADB(Adaptive DrivingBeam)的发展需求,实现的功能和效果图如下图所示:(见图15汽车照明智能化发展的要求实现的功能)其中,实现该功能和效果的关键和核心是LED照明光源,该LED照明光源的关键是需利用倒装LED芯片结合硅基集成电路技术 ( 如下图16所示 ) 单独对每一颗LED独立控制,同时实现高密度集成。如国际上知名汽车照明公司Osram已经研发出初步的样品,在4mm*4mm面积的硅基板所集成的LED像素点达1024 个,该产品概念具有相通性,是倒装芯片技术的体现。

  5 倒装LED其他新兴市场分析

  此外,随着倒装LED芯片技术的成熟和成本下降,结合新的市场应用需求,已经开始或即将展开的几个主要的新型细分应用市场,主要有植物照明、UV LED、MicroLED,芯片级封装 (CSP) 等。细分市场分析如下:

  1) 植物照明

  LED应用于植物照明的市场前景相当乐观,预期市场规模将快速增长。2017年植物照明(系统)市场规模约为6.9亿美金,其中LED 灯具为1.93亿美金,预估到2020年植物照明(系统)市场将成长至14.24亿美金,LED灯具将成长至3.56亿美金,中国市场占比从2016年的12%上升到2017年的15%。植物灯照明所选用陶瓷基LED 封装的蓝光和白光产品用于植物灯的补光照明,其产品结构如下图17所示:

  2)UV LED

  根据Yole Development机构预测,UV LED产值到了2019年将达5.02亿美元(约合人民币32.86亿元),2016-2019年复合成长率(CAGR)达到30.71%。如下图18所示。

  UV LED因波长偏短 (400-200nm), 该波长范围的能量较高,可以广泛应用于光固化、杀菌与净化市场等市场,但是UV波段芯片的外部量子效率低,会产生较多的热量,且在外延、芯片工艺及封装环节是有较大的挑战,技术成熟度还不够高。现有国际知名的厂商如Lumileds、Nikkiso、Nichia等,都是采用倒装芯片和封装结构如下图19所示。

  Mirco-LED是将现有LED尺寸进一步微型化、薄型化,尺寸达到100um级以内,该尺寸比现有电视机背光或显示屏的发光像素点要更小,可以实现更加精细的发光像素点,显示效果、对比度等更好,成为一种微显示技术,该微LED显示技术将在近眼显示,智能手表 / 手机,迷你投影仪,头戴式头盔,虚拟显示等许多领域有着非常广泛的应用前景和巨大市场。如下图20所示,据相关机构预测,到2018年其潜在市场价值高达数十亿美金。

  Micro LED Display的显示原理,是将LED结构设计进行薄膜化、微小化、阵列化,其尺寸仅在1~100μm等级左右;后将Micro LED批量式转移至电路基板上,其基板可为硬性、软性之透明、不透明基板上;再利用物理沉积制程完成保护层与上电极,即可进行上基板的封装,完成结构简单的Micro LED显示。而要制成显示器,其晶片表面必须制作成如同LED显示器般之阵列结构,且每一个点画素必须可定址控制、单独驱动点亮。若透过互补式金属氧化物半导体电路驱动则为主动定址驱动架构,Micro LED阵列晶片与CMOS间可透过封装技术。黏贴完成后Micro LED能藉由整合微透镜阵列,提高亮度及对比度。Micro LED阵列经由垂直交错的正、负栅状电极连结每一颗Micro LED的正、负极,透过电极线的依序通电,透过扫描方式点亮Micro LED以显示影像。如图21所示,其中,每一颗Micro-LED都是预先制作好的倒装Micro LED芯片,具有表面金属凸点,通过巨量薄膜转移的技术同基板表面的金属凸点焊接,同时基板表面的金属布线并一步连接该芯片单元对应的驱动、控制电路相连接。这一技术是属于更精细的尺寸级别实现应用。

  3) 芯片级封装光源 (CSP)

  当前LED产业发展态势呈现并购和投资进行产业链垂直整合以降低成本,而通过将芯片和封装的技术环节垂直整合,可以进一步降低成本。因此将传统IC领域的芯片级尺寸封装概念引入LED领域,也就是将LED芯片和封装结合起来即芯片级尺寸封装技术为LED产业的垂直整合提供了很好的技术途径。在市场需求量迅速提升,对价格下降的压力越来越大的情况下,芯片级尺寸封装技术(chip scale Package, 以下简写为“CSP”)的发展就成为必然的趋势。CSP指的是封装体尺寸相比芯片尺寸不大于120%,且功能完整的封装元件。在三种LED芯片技术路线中,倒装芯片由于无需金线互联,且可直接在各种基板表面(PCB、陶瓷等)贴装,因此特别适合芯片级封装(直接在芯片制造阶段就完成了白光封装),在现有倒装陶瓷基板封装的光源基础上,去除基板,直接在芯片级封装,形成芯片级的白光LED器件如图22所示。

  由于倒装芯片散热好,可靠性高,能够承受大电流驱动,使得其具有很高的性价比,因此“倒装芯片+芯片级封装”成为了完美的组合,在LED白光器件成本和可靠性方面具有很强的优势,成为LED 行业研究的热点和发展的主流方向,CSP器件的优势在于单个器件的封装简单化,小型化,尽可能降低每个器件的物料成本。芯片级封装CSP光源直接用于照明或背光上,成本可下降近40%如图23所示。

  6 结语

  综上,从上述LED新兴应用市场的当前产品和技术状况来说,未来5-10年内,在植物照明、汽车照明、Micro-LED、UV-LED、CSP等几个重要的新兴市场都极大可能性倾向于倒装芯片LED的技术路线和产品方案,暂无法看到其他潜在的替代性技术方案。典型企业介绍:广东晶科电子股份有限公司于2006年8月在南沙成立,2016年成功在新三板挂牌上市,(股票代码:836789)并于2017年5月份成功进入新三板创新层。公司注册资本3.97亿元,项目已投资10亿人民币,拥有35,000平方米生产厂房与研发基地,计划总投资规模达15亿人民币。在广州南沙建设年产值15亿大功率LED芯片模组、半导体先进封装及智慧照明产品生产线,形成规模化的LED中上游产业链制造企业。晶科电子长期从事大功率蓝光LED芯片研发,并拥有产业化基地和数条先进生产线,自主开发大功率“倒装焊”LED芯片、芯片模组技术具有国内领先国际先进的地位。


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