板載芯片(COB)封裝技術

文/[美]邁克·伍德 編譯/施 端

（1.上海戲劇學院，上海 200040）

板載芯片是半導體的一種封裝和使用方法，其縮寫為COB（chip-onboard），這種方法已經應用于LED，也在演藝燈光產品中得到普遍應用。它是怎樣一種器件，能給產品設計者帶來哪些好處？

COB其實并不是一項新的技術，已問世多年，與半導體芯片或LED本身的設計制作無關。常規的封裝方式是將半導體芯片組裝進一個塑料或陶瓷殼體中，制成一個組件。這些封裝體構成了業界熟知的計算機芯片。每一塊電路板上都有這種芯片，它們配有標準引腳或標準接插件，以便裝配到電路板上。常規封裝可以保護半導體芯片，但其不足之處在于，大大增加了半導體的體積。原本1 mm厚的2 mm×2 mm芯片變成了5 mm厚的10 mm×20 mm封裝體，體積增大了250倍。而采用COB封裝技術后，半導體芯片就可以直接裝配在電路板或基板上。COB封裝技術在減少體積方面具有很大潛力，也是被其選用的首要因素之一。

圖1展示的是便攜式計算器中的一塊采用COB技術封裝的芯片。圖片右側的圓形黑點就是處理器，它全權負責計算工作。如按常規方式封裝，一塊復雜的數字式半導體的面積可能達到3 cm2才能裝下所有的接插件。而硅半導體芯片可直接附著在綠色的電路板上，并通過纖細的金絲來連接，芯片與電路板上的連接點用金絲直接相連，無需中間接口。然后整個組件被包裹在黑色環氧樹脂斑點中，起到保護作用。與常規封裝芯片相比，其最終成品要小得多。

LED是如何封裝的？它們還能從COB技術中獲得哪些益處？圖2展示的是大家最熟悉和最早采用的LED封裝體。

這是一個穿孔式封裝體，LED芯片與引線（它還起到散熱作用）的一端相連，整個組件的外圍環繞著透明的圓頂狀封裝體。2根引線穿過電路板上的小孔，與電路板上的銅制線路焊接在一起。圖2展示了大致的比例關系，與內部的微小芯片相比，該封裝體的體積“龐大”。

圖3展示了表貼式封裝。這種情況中，芯片被安裝在一塊散熱塊上，有利于將LED芯片發出的熱量傳導到基板或外部散熱器上。電氣接插件通過電路板表面上封裝體周邊的連接片來連接；它們沒有采用穿孔方式。對于自動化的貼裝機器而言，操作表貼式封裝要更容易一些，并能大大改善LED的熱接觸性能。封裝體內的LED芯片與纖細的結合線相連，并與內部連接點焊接在一起。同穿孔式封裝一樣，與芯片相比，該封裝體也是很大的。

圖1 計算器中采用COB技術封裝的處理器

圖2 穿孔式封裝方式

圖4展示的LED芯片與圖3展示的完全一樣，只是改用了COB封裝技術。

使用某種導電粘合劑（常采用環氧樹脂導電膠），將LED芯片與基板或電路板上的連接片直接相連。這樣既提供了LED一端的電氣連接部件，又提供了散熱路徑。另一端電氣連接部件與一根接合線相連，如同表面貼裝式封裝體內部采用的方式一樣，不同點只是將其直接連接到基板上的鍍金片上。與圖3相比，組件小得多。它還提供盡可能短的通往基板的熱流路徑，因此，這種方式可讓LED在大功率狀態運行時依然能汲取熱量，使其保持冷卻狀態。

圖4展示的封裝方式十分簡單；LED芯片被安裝在平坦的基板上，它在器件的光學控制方面沒有什么作用。但對更復雜的COB封裝而言，這方面的性能好一些。如圖5所示，這套系統的基板上帶有一個光杯，相當于一個反射器，以引導從LED芯片發出的光，同時依然能保持其體積小巧、熱傳導性能良好的優勢。更多的精巧設計正日益普及，這些結構也融入了更為精良的光學元件。

該組件中要求最苛刻的要數芯片與基板之間的這根接合線。這種連線極細，典型尺寸為15μm～50μm，通常由黃金制成，但大功率LED中也采用銅，因為此時需要流過的電流較大。在這種情況下，為承載一定量的電流，通常還將多根接合線并聯連接。由于這些連線極其纖細，總需要采取保護措施（可以用透明的硅膠或環氧樹脂等），對LED而言，還可增設外置透鏡組件、窗口或其他光學器件加以保護。

圖6展示的是一款混合器件，其上的RGBW四色LED芯片以COB方式附著在單片基板上。其基板采用一塊銅芯電路板，上面還帶有一個熱敏電阻器和所有的連接線路。裸露的LED芯片和接合線受透明玻璃窗的保護。每一塊芯片（共4塊）的上表面與組件側面的連接片之間用多根接合線連接。筆者之所以稱它為混合器件，是因為整個組件先由廠家預先裝配好，再用到常規的電路板上。這種混合模型有助于解決COB技術封裝器件的一個主要問題：可維修性。采用COB封裝技術后，由于連接點的數量變少了，所以COB器件的工作性能好，比其他封裝方式的可靠性高一些。但COB器件一旦出現問題，卻幾乎無法維修。有時可將COB器件從其基板上拆除后再換上新的，但這種更換實現起來相當困難，還需要用到專業設備。如果單片電路板上含有50個彼此獨立的采用COB技術封裝的LED器件，一旦某個器件出現問題，只能將整塊電路板更換掉，別無他法。而混合設計模式則避免了這個問題。

圖3 表面貼裝式封裝方式

圖4 COB技術封裝方式

圖5 帶有光杯的COB式封裝方式

圖6 COB式混合器件

許多年前，有些廠家已經開始采用COB技術封裝LED組件，通常可提供緊湊、高密度的LED陣列。現在，這類產品的應用范圍得到了拓展，不僅僅局限在專業級大功率器件中。如今基板可采用常規的電路板或諸如陶瓷制品等熱傳導性能較好的材料，一旦LED陣列把COB技術和高性能的基板結合起來，其優勢就非常明顯。如圖7所示。

圖7展示的是一款典型的RGB三色LED陣列，它由表面貼裝式封裝體構成，目前很多LED產品采用這種方式，很多染色燈具也能見到這種組裝方式。每一塊獨立的封裝體內含有光學器件和接插件，通常它們被盡可能緊密地裝配在下層基板上。相比而言，圖7中展示的圖a是與圖b產品功能完全一樣的LED芯片，但采用的是COB技術封裝，其體積明顯小得多。在本例中，可在同一位置處安裝兩倍數量的芯片，同時依然能把熱量高效地傳導到基板中。每一塊芯片仍可配置單獨的光學器件，或者如該圖所示，可共用該陣列的同一個大體量光學器件。這一技術被廣泛應用在LED顯視器方面，現在又在演藝燈光產品中得到越來越廣的應用。芯片排列得更緊密，改善了顏色的均勻度，有利于消除多色陰影。但如前文所言，其不足仍是難以維修。所以混合解決方案或者由較小的子板構成的電路板，能把更換成本降到最低限度。最常見的混合器件是單個封裝體內含有3塊或4塊芯片，即RGB或RGBW，配置公用透鏡。如今還有一些非混合解決方案，在這些方案中，多塊芯片以真正的COB方式封裝。

圖7 比較兩類封裝體

圖8 COB式白光LED陣列

圖8所示的這類LED封裝體很常見。這些器件也是混合式COB封裝體。在本例中，有一個藍光LED陣列，它采用COB技術封裝在基板上，然后在整個陣列上覆上一層熒光粉材料。這樣既可對芯片起到保護作用，又可將LED發出的大部分藍光轉換為黃光。由LED發出的藍光和經熒光粉層轉換而來的黃光相混合后就產生了白光。圖中，該封裝體成品不僅光效相當高——超過100 lm/W，而且也便于設計者安裝使用。緊湊安裝的小芯片陣列降低了制造成本，其產生的光束很均勻，如同從單顆大光源發出的一樣。

COB封裝技術還有一大改進：直接安裝在金屬制品上，這也對演藝設備行業有利。設計者通常選擇把LED安裝在帶金屬背襯的電路板上，以便提高熱傳導效率。采用COB技術后，芯片可通過電路板頂層的小孔直接安裝在該金屬背襯上。它可使熱接觸性能盡可能達到最佳狀態，芯片和散熱器之間幾乎是緊密無間的。

LED技術繼續迅猛發展，產品飛速更新。今后，LED燈具可能會越來越多地采用COB技術。