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白皮书 | LED倒装芯片技能和产物剖析

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2019-01-08 作者:肖国伟 泉源:龙虎和照明网 欣赏量: 网友批评: 0
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择要: 综上,从上述LED新兴使用市场确当前产物和技能状态来说,将来5-10年内,在动物照明、汽车照明、Micro-LED、UV-LED、CSP等几个紧张的新兴市场都极大大概性偏向于倒装芯片LED的技能门路和产物方案,暂无法看到其他潜伏的替换性技能方案。

  作者:肖国伟 广东晶科电子株式会社董事长

  《2018龙虎和照明财产调研白皮书》光源器件 照料

  1 LED倒装芯片技能特点与比力剖析

  在LED财产界从下游LED芯片的布局特点动身,将产物技能门路分为正装、垂直和倒装布局的技能门路,三款技能门路的芯片产物、光源产物技能特点、功能及牢靠性比拟剖析如表:

  为了公正地比力经过三大技能门路完成的芯片产物、光源产物的本钱、售价、使用结果等,选取尺度尺寸的芯片45mil作为比力的尺度。选用上述芯片用于封装成雷同尺寸规格的LED光源器件举行比力功能、本钱、售价、毛利率等(如表 2)。

  从技能、本钱、售价及毛利平分析,倒装LED芯片技能门路完成的LED光源产物,具有高的性价比,同时体现具有较高的毛利率。

  2 倒装芯片及封装技能剖析

  倒装LED芯片技能门路被LED财产界认定为三大芯片技能门路之一,海内企业使用倒装集成电路技能引入到倒装LED芯片和封装的设计、制造,在2003年开端在倒装LED芯片和封装技能做了少量的专利请求和结构, 2006年开端研产生产制造,2010年完成批量化消费和贩卖。此中额技能特性重要包罗:

  (1)充实思量了请求时期金属拦截层和金属打仗反光层的布局干系缺陷,接纳了片面平面式双层复合拦截层布局,很好地包裹打仗反射层的方案,且第一拦截层接纳多层复合拦截层布局,自己稳固度高且布局致密,基于上述拦截层和金属层的布局干系,完全有用地拦截打仗金属的迁徙和分散,特殊实用于倒装LED芯片大电流下驱动,办理了大电流使用下的金属迁徙和分散的倒装LED芯片和封装器件牢靠性生效的个性题目。双层复合布局的拦截层是办理倒装LED芯片大电流使用下金属迁徙和分散题目的底子性焦点要素。

  (2)奇特绝缘层布局特性,多层复合绝缘层布局是办理倒装LED 芯片和封装器件因绝缘层台阶掩护较差招致的泄电广泛性题目的要害性要素。

  (3)倒装LED芯片的制造要领,该要领的工艺步调较现有的工艺步调 (6步光刻工艺 ) 大大简化,所需光刻图形工艺的次数淘汰 (4步光刻工艺 ),有用地办理了LED行业倒装LED芯片庞大工艺题目,进步了倒装LED芯片的消费制造服从和产物良率,低落了财产界倒装LED芯片的本钱题目。

  3 倒装芯片使用产物

  1) 典范倒装LED发光二极管的芯片和多芯片模组

  倒装芯片技能所开辟的产物包罗发光二极管LED蓝光芯片、LED照明光源器件和LED背光源器件产物。详细地来说,发光二极管LED 芯片产物包罗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照明光源器件包罗大功率陶瓷 LED光源3535、2016和SMD 3030及COB等。LED背光源器件包罗3030、7020等。

  该发光二极管芯片产物技能特点重要有:(1) 9个N电极匀称漫衍,让电流漫衍越发匀称;(2) P电极金属层双层布局具有高反射率,进步了出光服从;(3) 大块的P型外貌电极金属层及凸点布局;(4) 基板外貌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) 多个芯片小单元的高压芯片等,这些发光二极管芯片产物技能特点都是充实表现了倒装的技能特性。

  2) 通用照明LED产物

  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,重要运用于门路照明、修建照明、景观照明、室内照明等高端市场。此中,大功率陶瓷LED光源和倒装陶瓷COOB光源产物特点、实物图如表 4所示:

  以1W大功率倒装陶瓷LED光源产物为例,剖析该倒装于陶瓷基板产物系列的专利技能运用环境,从图1可以看出,使用倒装LED芯片上的金属凸点同对应陶瓷基板外貌的金属凸点经过倒装焊接工艺焊接于陶瓷基板上(如图2),完成电毗连和机器毗连。陶瓷基板外貌金属布线层及P、N电极金属层电毗连,同LED芯片的P、N电极金属层和金属凸点相毗连。

  从实行的结果来看,大功率倒装陶瓷基LED光源,具有以下显着的技能上风如下图3所示:该系列产物如上图3所示在光学、电学、机器功能和热学功能等方面充实表现了倒装芯片技能的特点。

  对付陶瓷基多芯片倒装集成封装FCOB光源来说,在单颗陶瓷基封装底子上,接纳多颗倒装LED芯片集成封装于事后设计制造好的陶瓷基板上,基板上有各自同倒装芯片焊接对应的金属凸点,各个独立的芯片单位经过基板外貌的金属布线完成电毗连,详细地来说,可以参照图4所示,从图中也阐明该产物是多芯片集成封装模组光源的典范代表,充实表现了倒装芯片的多芯片发光二极管芯片模组专利技能。

  3)LED背光光源器件

  LED背光液晶电视具有低能耗、长命命、广色域及环保的突出长处,已成为液晶电视的主流。电视背光源LED器件,包罗有7020、3030、2835等,用于液晶电视背光照明,对功能、品格要求均有很高要求。倒装LED芯片技能具有大电流、低电压、高耐热、无金线、高牢靠性等长处,十分得当使用于电视机背光源产物,满意电视机背光使用的高品格、高功能要求。

  以SMD 2835为例,选用倒装焊LED芯片,并将芯片倒安装于底板上经过回流焊接完成倒装LED芯片与底板P、N电极的电毗连功效。所选用的倒装LED芯片外貌电极金属层如图5所示,从图中可以显着看到该倒装LED芯片外貌具有金属凸点,有利于该芯片同底板的焊接,完成同底板外貌的金属层焊接,具有高导热、大电流使用高亮度输入的功效。

  进一步对该产物焊接后的焊接横截面举行SEM剖析如图6所示,证明白倒装LED芯片同底板支架的金属焊接,完成了电毗连和机器毗连功效。

  从上述产物使用的实例和图示来看倒装芯片技能在2835、7020、3030等背光产物上完成了很好的使用。同时,产物使用所孕育发生的积极结果。

  4 市场剖析和将来潜伏使用

  【市场剖析】

  国际着名市场预测剖析机构Yole Development2014年对大功率芯片和光源产物的市场预测如图7,倒装芯片的市场份额有渐渐增长的趋向。

  随着LED产物使用的市场细分和品格要求提拔,加之倒装产物本钱的降落,倒装LED芯片技能门路的LED芯片和光源器件产物出现逐年上升的市场趋向,特殊是在一些细分和新型市场范畴有使用范畴拓展的趋向。从LED财产界权势巨子的批评和预测机构Ledinside 2016 年的数据来看如图8,倒装LED技能产物的2017年市场需求量在22716Million pcs即22716KKpcs,在过往的5年内,年均CAGR为99%。

  别的,国际大厂Osram不停以来都是接纳垂直芯片技能门路的产物技能办理方案,但是在2017年11月,Osram宣布推出了倒装芯片技能的相干芯片和封装光源产物,如下其官网公然的信息链接,公布了基于倒装芯片技能的CSP光源产物。

  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明了倒装LED芯片技能产物的生长远景。

  【市场使用剖析】: 通用照明和电视机背光市场剖析

  LED重要的使用市场包罗表现屏、汽车照明、通用照明、电视背光和挪动设置装备摆设等,此中,通用照明、背光和汽车照明是此中最大的市场。从图7LEDinside财产研讨布局预测,将来三年内LED照明市场连续增长,估计年均复合增长率达3%。估计2018年环球LED市场范围可达162亿美元,LED照明市场渗入渗出率达55%,在为了几年内,照明使用市场连续增长,而此中倒装芯片技能的照明产物市场份额随之增长;再者随着市场使用需求的扩展,产物的功能和品格提拔,倒装芯片技能的相干产物会代替和抢占正装和垂直芯片技能的一部门市场份额,故在通用照明市场范畴,倒装芯片技能的产物会连续稳固上升。只管在电视机背光使用范畴,市场增长率出现降落趋向,但是随着电视背光使用需求的提拔,倒装芯片技能的使用需求量也会随之增长。总的来说,现有LED使用市场范畴,倒装芯片技能的市场份额肯定是出现增长的生长趋向。(见图9 2013-2018年环球高亮度LED市场预期)别的,随着智能照明的生长和鼓起,2013~2019年环球智能照明市场范围连续发展。如图10所示,2013年时环球智能照明市场范围约12.87亿美元,固然现在智能照明市场偏小,但将来在厂商积极推进以及节能趋向动员下,市场将连续发展,2019年可达87.1亿美元。

  从智能化照明范畴的技能特点和生长趋向来看,智能照明必要在现有LED照明的底子上,整合电子驱动、控制及通讯等电子元件,联合智能手机APP控制软件,完成家居照明和都会门路照明等的智能化使用,这些技能特点进一步充实发扬了倒装LED芯片技能的特点,完成在芯片级集成封装的微型化体系级LED智能化照明体系如图11所示。

  【市场使用剖析】: 汽车照明市场剖析

  随着LED技能和产物在通用照明、电视机等消耗范畴、产业照明范畴的使用趋于成熟,从2013年开端,LED渐渐开端进入汽车照明市场,但限于中小功率的尾灯信号照明使用,从比年开端市场范围增长敏捷,并开端切入汽车前照灯使用。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前大灯市场渗入渗出率将到达20%以上,2025年LED前大灯市占率近50%。

  从以后汽车照明生长的状来看,国际上在LED汽车照明抢先的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能门路的产物方案,如下图13所示:

  该类产物选用倒装LED芯片和Aln陶瓷底板经过倒装焊接,然后挑选陶瓷荧光片作为白光转换,再使用外貌涂覆白色反光胶举行封装。该产物具有高亮度、耐低温和大电流本领强、低热阻、高牢靠性等特点。这些特点都充实阐明倒装LED芯片技能和产物在汽车照明使用的技能上风,属于汽车照明产物技能的将来主流趋向。晶科电子也使用倒装芯片的相干技能开辟出汽车照明相干的产物,曾经睁开市场推行。如下图14所示,接纳多芯片倒装集成封装于陶瓷基板上,芯片外貌有金属凸点,同对应的陶瓷基板外貌金属凸点完成焊接,进一步封装成白光用于汽车前照灯照明。

  随着汽车智能化的生长趋向,汽车照明LED光源模联合智能控制,可以完成汽车照明ADB(Adaptive DrivingBeam)的生长需求,完成的功效和结果图如下图所示:(见图15汽车照明智能化生长的要务实现的功效)此中,完成该功效和结果的要害和焦点是LED照明光源,该LED照明光源的要害是需使用倒装LED芯片联合硅基集成电路技能 ( 如下图16所示 ) 独自对每一颗LED独立控制,同时完成高密度集成。如国际上着名汽车照明公司Osram曾经研收回开端的样品,在4mm*4mm面积的硅基板所集成的LED像素点达1024 个,该产物观点具有雷同性,是倒装芯片技能的表现。

  5 倒装LED其他新兴市场剖析

  别的,随着倒装LED芯片技能的成熟和本钱降落,联合新的市场使用需求,曾经开端或行将睁开的几个重要的新型细分使用市场,重要有动物照明、UV LED、MicroLED,芯片级封装 (CSP) 等。细分市场剖析如下:

  1) 动物照明

  LED使用于动物照明的市场远景相称悲观,预期市场范围将疾速增长。2017年动物照明(体系)市场范围约为6.9亿美金,此中LED 灯具为1.93亿美金,预估到2020年动物照明(体系)市场将发展至14.24亿美金,LED灯具将发展至3.56亿美金,中国市场占比从2016年的12%上升到2017年的15%。动物灯照明所选用陶瓷基LED 封装的蓝光和白光产物用于动物灯的补光照明,其产物布局如下图17所示:

  2)UV LED

  凭据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年复分解长率(CAGR)到达30.71%。如下图18所示。

  UV LED因波长偏短 (400-200nm), 该波长范畴的能量较高,可以遍及使用于光固化、杀菌与污染市场等市场,但是UV波段芯片的内部量子服从低,会孕育发生较多的热量,且在内涵、芯片工艺及封装关键是有较大的挑衅,技能成熟度还不敷高。现有国际着名的厂商如Lumileds、Nikkiso、Nichia等,都是接纳倒装芯片和封装布局如下图19所示。

  Mirco-LED是将现有LED尺寸进一步微型化、薄型化,尺寸到达100um级以内,该尺寸比现有电视机背光或表现屏的发光像素点要更小,可以完成越发精致的发光像素点,表现结果、比拟度等更好,成为一种微表现技能,该微LED表现技能将在近眼表现,智能腕表 / 手机,迷你投影仪,头戴式头盔,假造表现等很多范畴有着十分遍及的使用远景和宏大市场。如下图20所示,据相干机构预测,到2018年其潜伏市场代价高达数十亿美金。

  Micro LED Display的表现原理,是将LED布局设计举行薄膜化、巨大化、阵列化,其尺寸仅在1~100μm品级左右;后将Micro LED批量式转移至电路基板上,其基板可为硬性、软性之通明、不通明基板上;再使用物理堆积制程完成掩护层与上电极,即可举行上基板的封装,完成布局简朴的Micro LED表现。而要制成表现器,其晶片外貌必需制造成犹如LED表现器般之阵列布局,且每一个点画素必需可定址控制、独自驱动点亮。若透过互补式金属氧化物半导体电路驱动则为自动定址驱动架构,Micro LED阵列晶片与CMOS间可透过封装技能。黏贴完成后Micro LED能藉由整合微透镜阵列,进步亮度及比拟度。Micro LED阵列经过垂直交织的正、负栅状电极保持每一颗Micro LED的正、负极,透过电极线的依序通电,透过扫描方法点亮Micro LED以表现影像。如图21所示,此中,每一颗Micro-LED都是事后制造好的倒装Micro LED芯片,具有外貌金属凸点,经过巨量薄膜转移的技能同基板外貌的金属凸点焊接,同时基板外貌的金属布线并一步毗连该芯片单位对应的驱动、控制电路相毗连。这一技能是属于更精致的尺寸级别完成使用。

  3) 芯片级封装光源 (CSP)

  以后LED财产生长态势出现并购和投资举行财产链垂直整合以低落本钱,而经过将芯片和封装的技能关键垂直整合,可以进一步低落本钱。因而将传统IC范畴的芯片级尺寸封装观点引入LED范畴,也便是将LED芯片和封装联合起来即芯片级尺寸封装技能为LED财产的垂直整合提供了很好的技能途径。在市场需求量敏捷提拔,对代价降落的压力越来越大的环境下,芯片级尺寸封装技能(chip scale Package, 以下简写为“CSP”)的生长就成为一定的趋向。CSP指的是封装体尺寸相比芯片尺寸不大于120%,且功效完备的封装元件。在三种LED芯片技能门路中,倒装芯片由于无需金线互联,且可间接在种种基板外貌(PCB、陶瓷等)贴装,因而特殊得当芯片级封装(间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底子上,去除基板,间接在芯片级封装,构成芯片级的白光LED器件如图22所示。

  由于倒装芯片散热好,牢靠性高,可以或许蒙受大电流驱动,使得其具有很高的性价比,因而“倒装芯片+芯片级封装”成为了完善的组合,在LED白光器件本钱和牢靠性方面具有很强的上风,成为LED 行业研讨的热门和生长的主流偏向,CSP器件的上风在于单个器件的封装简朴化,小型化,尽大概低落每个器件的物料本钱。芯片级封装CSP光源间接用于照明或背光上,本钱可降落近40%如图23所示。

  6 结语

  综上,从上述LED新兴使用市场确当前产物和技能状态来说,将来5-10年内,在动物照明、汽车照明、Micro-LED、UV-LED、CSP等几个紧张的新兴市场都极大大概性偏向于倒装芯片LED的技能门路和产物方案,暂无法看到其他潜伏的替换性技能方案。典范企业先容:广东晶科电子株式会社于2006年8月在南沙建立,2016年景功在新三板挂牌上市,(股票代码:836789)并于2017年5月份乐成进入新三板创新层。公司注册资源3.97亿元,项目已投资10亿人民币,拥有35,000平方米消费厂房与研发基地,方案总投资范围达15亿人民币。在广州南沙设置装备摆设年产值15亿大功率LED芯片模组、半导体先辈封装及伶俐照明产物消费线,构成范围化的LED中下游财产链制造企业。晶科电子恒久从事大功率蓝光LED芯片研发,并拥有财产化基地和数条先辈消费线,自主开辟大功率“倒装焊”LED芯片、芯片模组技能具有海内抢先国际先辈的职位地方。


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