作者：肖國偉 廣東晶科電子股份有限公司董事長

《2018阿拉丁照明產(chǎn)業(yè)調(diào)研白皮書》光源器件 顧問

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：

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）。

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。

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：

（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。

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。

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：

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。

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。

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。

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。

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%。

另外，國際大廠Osram一直以來都是采用垂直芯片技術(shù)路線的產(chǎn)品技術(shù)解決方案，但是在2017年11月，Osram宣布推出了倒裝芯片技術(shù)的相關(guān)芯片和封裝光源產(chǎn)品，如下其官網(wǎng)公開的信息鏈接，發(fā)布了基于倒裝芯片技術(shù)的CSP光源產(chǎn)品。

https://www./os/press/pressreleases/mini_led_for_mobile_devices_osram_launches_compact_ceramos_generation.jsp.從該市場信息進一步證實了倒裝LED芯片技術(shù)產(chǎn)品的發(fā)展前景。

【市場應(yīng)用分析】: 通用照明和電視機背光市場分析

LED主要的應(yīng)用市場包括顯示屏、汽車照明、通用照明、電視背光和移動設(shè)備等,其中，通用照明、背光和汽車照明是其中最大的市場。從圖7LEDinside產(chǎn)業(yè)研究結(jié)構(gòu)預(yù)測，未來三年內(nèi)LED照明市場持續(xù)增長，預(yù)計年均復(fù)合增長率達3%。預(yù)計2018年全球LED市場規(guī)模可達162億美元，LED照明市場滲透率達55%，在為了幾年內(nèi)，照明應(yīng)用市場持續(xù)增長，而其中倒裝芯片技術(shù)的照明產(chǎn)品市場份額隨之增長；再者隨著市場應(yīng)用需求的擴大，產(chǎn)品的性能和品質(zhì)提升，倒裝芯片技術(shù)的相關(guān)產(chǎn)品會取代和搶占正裝和垂直芯片技術(shù)的一部分市場份額，故在通用照明市場領(lǐng)域，倒裝芯片技術(shù)的產(chǎn)品會持續(xù)穩(wěn)定上升。盡管在電視機背光應(yīng)用領(lǐng)域，市場增長率呈現(xiàn)下降趨勢，但是隨著電視背光應(yīng)用需求的提升，倒裝芯片技術(shù)的應(yīng)用需求量也會隨之增長?？偟膩碚f，現(xiàn)有LED應(yīng)用市場領(lǐng)域，倒裝芯片技術(shù)的市場份額必定是呈現(xiàn)增長的發(fā)展趨勢。（見圖9 2013-2018年全球高亮度LED市場預(yù)期）另外，隨著智能照明的發(fā)展和興起，2013～2019年全球智能照明市場規(guī)模持續(xù)成長。如圖10所示，2013年時全球智能照明市場規(guī)模約12.87億美元，雖然目前智能照明市場偏小，但未來在廠商積極推動以及節(jié)能趨勢帶動下，市場將持續(xù)成長，2019年可達87.1億美元。

從智能化照明領(lǐng)域的技術(shù)特點和發(fā)展趨勢來看，智能照明需要在現(xiàn)有LED照明的基礎(chǔ)上，整合電子驅(qū)動、控制及通信等電子元件，結(jié)合智能手機APP控制軟件，實現(xiàn)家居照明和城市道路照明等的智能化應(yīng)用，這些技術(shù)特點進一步充分發(fā)揮了倒裝LED芯片技術(shù)的特點，實現(xiàn)在芯片級集成封裝的微型化系統(tǒng)級LED智能化照明系統(tǒng)如圖11所示。

【市場應(yīng)用分析】: 汽車照明市場分析

隨著LED技術(shù)和產(chǎn)品在通用照明、電視機等消費領(lǐng)域、工業(yè)照明領(lǐng)域的應(yīng)用趨于成熟，從2013年開始，LED逐步開始進入汽車照明市場，但限于中小功率的尾燈信號照明應(yīng)用，從近年開始市場規(guī)模增長迅速，并開始切入汽車前照燈應(yīng)用。如下圖12所示，中國市場2020年LED車燈市場達472億人民幣， 2020年LED前大燈市場滲透率將達到20%以上，2025年LED前大燈市占率近50%。

從當(dāng)前汽車照明發(fā)展的狀來看，國際上在LED汽車照明領(lǐng)先的LED芯片和光源制造商Osram、Nichia和Lumileds在LED車前燈都是倒裝芯片技術(shù)路線的產(chǎn)品方案，如下圖13所示：

該類產(chǎn)品選用倒裝LED芯片和Aln陶瓷底板通過倒裝焊接，然后選擇陶瓷熒光片作為白光轉(zhuǎn)換，再利用表面涂覆白色反光膠進行封裝。該產(chǎn)品具有高亮度、耐高溫和大電流能力強、低熱阻、高可靠性等特點。這些特點都充分說明倒裝LED芯片技術(shù)和產(chǎn)品在汽車照明應(yīng)用的技術(shù)優(yōu)勢，屬于汽車照明產(chǎn)品技術(shù)的未來主流趨勢。晶科電子也利用倒裝芯片的相關(guān)技術(shù)開發(fā)出汽車照明相關(guān)的產(chǎn)品，已經(jīng)展開市場推廣。如下圖14所示，采用多芯片倒裝集成封裝于陶瓷基板上，芯片表面有金屬凸點，同對應(yīng)的陶瓷基板表面金屬凸點實現(xiàn)焊接，進一步封裝成白光用于汽車前照燈照明。

隨著汽車智能化的發(fā)展趨勢，汽車照明LED光源模結(jié)合智能控制，可以實現(xiàn)汽車照明ADB（Adaptive DrivingBeam）的發(fā)展需求，實現(xiàn)的功能和效果圖如下圖所示：（見圖15汽車照明智能化發(fā)展的要求實現(xiàn)的功能）其中，實現(xiàn)該功能和效果的關(guān)鍵和核心是LED照明光源，該LED照明光源的關(guān)鍵是需利用倒裝LED芯片結(jié)合硅基集成電路技術(shù) ( 如下圖16所示 ) 單獨對每一顆LED獨立控制，同時實現(xiàn)高密度集成。如國際上知名汽車照明公司Osram已經(jīng)研發(fā)出初步的樣品，在4mm*4mm面積的硅基板所集成的LED像素點達1024 個，該產(chǎn)品概念具有相通性，是倒裝芯片技術(shù)的體現(xiàn)。

倒裝LED其他新興市場分析

此外，隨著倒裝LED芯片技術(shù)的成熟和成本下降，結(jié)合新的市場應(yīng)用需求，已經(jīng)開始或即將展開的幾個主要的新型細分應(yīng)用市場，主要有植物照明、UV LED、MicroLED，芯片級封裝 (CSP) 等。細分市場分析如下：

1) 植物照明

LED應(yīng)用于植物照明的市場前景相當(dāng)樂觀，預(yù)期市場規(guī)模將快速增長。2017年植物照明（系統(tǒng)）市場規(guī)模約為6.9億美金，其中LED 燈具為1.93億美金，預(yù)估到2020年植物照明（系統(tǒng)）市場將成長至14.24億美金，LED燈具將成長至3.56億美金，中國市場占比從2016年的12%上升到2017年的15%。植物燈照明所選用陶瓷基LED 封裝的藍光和白光產(chǎn)品用于植物燈的補光照明，其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)如下圖17所示：

2)UV LED

根據(jù)Yole Development機構(gòu)預(yù)測，UV LED產(chǎn)值到了2019年將達5.02億美元（約合人民幣32.86億元），2016-2019年復(fù)合成長率（CAGR）達到30.71%。如下圖18所示。

UV LED因波長偏短 (400-200nm), 該波長范圍的能量較高，可以廣泛應(yīng)用于光固化、殺菌與凈化市場等市場，但是UV波段芯片的外部量子效率低，會產(chǎn)生較多的熱量，且在外延、芯片工藝及封裝環(huán)節(jié)是有較大的挑戰(zhàn)，技術(shù)成熟度還不夠高。現(xiàn)有國際知名的廠商如Lumileds、Nikkiso、Nichia等，都是采用倒裝芯片和封裝結(jié)構(gòu)如下圖19所示。

Mirco-LED是將現(xiàn)有LED尺寸進一步微型化、薄型化，尺寸達到100um級以內(nèi)，該尺寸比現(xiàn)有電視機背光或顯示屏的發(fā)光像素點要更小，可以實現(xiàn)更加精細的發(fā)光像素點，顯示效果、對比度等更好，成為一種微顯示技術(shù)，該微LED顯示技術(shù)將在近眼顯示，智能手表 / 手機，迷你投影儀，頭戴式頭盔，虛擬顯示等許多領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用前景和巨大市場。如下圖20所示，據(jù)相關(guān)機構(gòu)預(yù)測，到2018年其潛在市場價值高達數(shù)十億美金。

Micro LED Display的顯示原理，是將LED結(jié)構(gòu)設(shè)計進行薄膜化、微小化、陣列化，其尺寸僅在1~100μm等級左右；后將Micro LED批量式轉(zhuǎn)移至電路基板上，其基板可為硬性、軟性之透明、不透明基板上；再利用物理沉積制程完成保護層與上電極，即可進行上基板的封裝，完成結(jié)構(gòu)簡單的Micro LED顯示。而要制成顯示器，其晶片表面必須制作成如同LED顯示器般之陣列結(jié)構(gòu)，且每一個點畫素必須可定址控制、單獨驅(qū)動點亮。若透過互補式金屬氧化物半導(dǎo)體電路驅(qū)動則為主動定址驅(qū)動架構(gòu)，Micro LED陣列晶片與CMOS間可透過封裝技術(shù)。黏貼完成后Micro LED能藉由整合微透鏡陣列，提高亮度及對比度。Micro LED陣列經(jīng)由垂直交錯的正、負柵狀電極連結(jié)每一顆Micro LED的正、負極，透過電極線的依序通電，透過掃描方式點亮Micro LED以顯示影像。如圖21所示，其中，每一顆Micro-LED都是預(yù)先制作好的倒裝Micro LED芯片，具有表面金屬凸點，通過巨量薄膜轉(zhuǎn)移的技術(shù)同基板表面的金屬凸點焊接，同時基板表面的金屬布線并一步連接該芯片單元對應(yīng)的驅(qū)動、控制電路相連接。這一技術(shù)是屬于更精細的尺寸級別實現(xiàn)應(yīng)用。

3) 芯片級封裝光源 (CSP)

當(dāng)前LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展態(tài)勢呈現(xiàn)并購和投資進行產(chǎn)業(yè)鏈垂直整合以降低成本，而通過將芯片和封裝的技術(shù)環(huán)節(jié)垂直整合，可以進一步降低成本。因此將傳統(tǒng)IC領(lǐng)域的芯片級尺寸封裝概念引入LED領(lǐng)域，也就是將LED芯片和封裝結(jié)合起來即芯片級尺寸封裝技術(shù)為LED產(chǎn)業(yè)的垂直整合提供了很好的技術(shù)途徑。在市場需求量迅速提升，對價格下降的壓力越來越大的情況下，芯片級尺寸封裝技術(shù)（chip scale Package, 以下簡寫為“CSP”）的發(fā)展就成為必然的趨勢。CSP指的是封裝體尺寸相比芯片尺寸不大于120%，且功能完整的封裝元件。在三種LED芯片技術(shù)路線中，倒裝芯片由于無需金線互聯(lián)，且可直接在各種基板表面（PCB、陶瓷等）貼裝，因此特別適合芯片級封裝（直接在芯片制造階段就完成了白光封裝），在現(xiàn)有倒裝陶瓷基板封裝的光源基礎(chǔ)上，去除基板，直接在芯片級封裝，形成芯片級的白光LED器件如圖22所示。

由于倒裝芯片散熱好，可靠性高，能夠承受大電流驅(qū)動，使得其具有很高的性價比，因此“倒裝芯片+芯片級封裝”成為了完美的組合，在LED白光器件成本和可靠性方面具有很強的優(yōu)勢，成為LED 行業(yè)研究的熱點和發(fā)展的主流方向，CSP器件的優(yōu)勢在于單個器件的封裝簡單化，小型化，盡可能降低每個器件的物料成本。芯片級封裝CSP光源直接用于照明或背光上，成本可下降近40%如圖23所示。

結(jié)語