板载芯片(COB)封装技术

文/[美]迈克·伍德 编译/施 端

（1.上海戏剧学院，上海 200040）

板载芯片是半导体的一种封装和使用方法，其缩写为COB（chip-onboard），这种方法已经应用于LED，也在演艺灯光产品中得到普遍应用。它是怎样一种器件，能给产品设计者带来哪些好处？

COB其实并不是一项新的技术，已问世多年，与半导体芯片或LED本身的设计制作无关。常规的封装方式是将半导体芯片组装进一个塑料或陶瓷壳体中，制成一个组件。这些封装体构成了业界熟知的计算机芯片。每一块电路板上都有这种芯片，它们配有标准引脚或标准接插件，以便装配到电路板上。常规封装可以保护半导体芯片，但其不足之处在于，大大增加了半导体的体积。原本1 mm厚的2 mm×2 mm芯片变成了5 mm厚的10 mm×20 mm封装体，体积增大了250倍。而采用COB封装技术后，半导体芯片就可以直接装配在电路板或基板上。COB封装技术在减少体积方面具有很大潜力，也是被其选用的首要因素之一。

图1展示的是便携式计算器中的一块采用COB技术封装的芯片。图片右侧的圆形黑点就是处理器，它全权负责计算工作。如按常规方式封装，一块复杂的数字式半导体的面积可能达到3 cm2才能装下所有的接插件。而硅半导体芯片可直接附着在绿色的电路板上，并通过纤细的金丝来连接，芯片与电路板上的连接点用金丝直接相连，无需中间接口。然后整个组件被包裹在黑色环氧树脂斑点中，起到保护作用。与常规封装芯片相比，其最终成品要小得多。

LED是如何封装的？它们还能从COB技术中获得哪些益处？图2展示的是大家最熟悉和最早采用的LED封装体。

这是一个穿孔式封装体，LED芯片与引线（它还起到散热作用）的一端相连，整个组件的外围环绕着透明的圆顶状封装体。2根引线穿过电路板上的小孔，与电路板上的铜制线路焊接在一起。图2展示了大致的比例关系，与内部的微小芯片相比，该封装体的体积“庞大”。

图3展示了表贴式封装。这种情况中，芯片被安装在一块散热块上，有利于将LED芯片发出的热量传导到基板或外部散热器上。电气接插件通过电路板表面上封装体周边的连接片来连接；它们没有采用穿孔方式。对于自动化的贴装机器而言，操作表贴式封装要更容易一些，并能大大改善LED的热接触性能。封装体内的LED芯片与纤细的结合线相连，并与内部连接点焊接在一起。同穿孔式封装一样，与芯片相比，该封装体也是很大的。

图1 计算器中采用COB技术封装的处理器

图2 穿孔式封装方式

图4展示的LED芯片与图3展示的完全一样，只是改用了COB封装技术。

使用某种导电粘合剂（常采用环氧树脂导电胶），将LED芯片与基板或电路板上的连接片直接相连。这样既提供了LED一端的电气连接部件，又提供了散热路径。另一端电气连接部件与一根接合线相连，如同表面贴装式封装体内部采用的方式一样，不同点只是将其直接连接到基板上的镀金片上。与图3相比，组件小得多。它还提供尽可能短的通往基板的热流路径，因此，这种方式可让LED在大功率状态运行时依然能汲取热量，使其保持冷却状态。

图4展示的封装方式十分简单；LED芯片被安装在平坦的基板上，它在器件的光学控制方面没有什么作用。但对更复杂的COB封装而言，这方面的性能好一些。如图5所示，这套系统的基板上带有一个光杯，相当于一个反射器，以引导从LED芯片发出的光，同时依然能保持其体积小巧、热传导性能良好的优势。更多的精巧设计正日益普及，这些结构也融入了更为精良的光学元件。

该组件中要求最苛刻的要数芯片与基板之间的这根接合线。这种连线极细，典型尺寸为15μm～50μm，通常由黄金制成，但大功率LED中也采用铜，因为此时需要流过的电流较大。在这种情况下，为承载一定量的电流，通常还将多根接合线并联连接。由于这些连线极其纤细，总需要采取保护措施（可以用透明的硅胶或环氧树脂等），对LED而言，还可增设外置透镜组件、窗口或其他光学器件加以保护。

图6展示的是一款混合器件，其上的RGBW四色LED芯片以COB方式附着在单片基板上。其基板采用一块铜芯电路板，上面还带有一个热敏电阻器和所有的连接线路。裸露的LED芯片和接合线受透明玻璃窗的保护。每一块芯片（共4块）的上表面与组件侧面的连接片之间用多根接合线连接。笔者之所以称它为混合器件，是因为整个组件先由厂家预先装配好，再用到常规的电路板上。这种混合模型有助于解决COB技术封装器件的一个主要问题：可维修性。采用COB封装技术后，由于连接点的数量变少了，所以COB器件的工作性能好，比其他封装方式的可靠性高一些。但COB器件一旦出现问题，却几乎无法维修。有时可将COB器件从其基板上拆除后再换上新的，但这种更换实现起来相当困难，还需要用到专业设备。如果单片电路板上含有50个彼此独立的采用COB技术封装的LED器件，一旦某个器件出现问题，只能将整块电路板更换掉，别无他法。而混合设计模式则避免了这个问题。

图3 表面贴装式封装方式

图4 COB技术封装方式

图5 带有光杯的COB式封装方式

图6 COB式混合器件

许多年前，有些厂家已经开始采用COB技术封装LED组件，通常可提供紧凑、高密度的LED阵列。现在，这类产品的应用范围得到了拓展，不仅仅局限在专业级大功率器件中。如今基板可采用常规的电路板或诸如陶瓷制品等热传导性能较好的材料，一旦LED阵列把COB技术和高性能的基板结合起来，其优势就非常明显。如图7所示。

图7展示的是一款典型的RGB三色LED阵列，它由表面贴装式封装体构成，目前很多LED产品采用这种方式，很多染色灯具也能见到这种组装方式。每一块独立的封装体内含有光学器件和接插件，通常它们被尽可能紧密地装配在下层基板上。相比而言，图7中展示的图a是与图b产品功能完全一样的LED芯片，但采用的是COB技术封装，其体积明显小得多。在本例中，可在同一位置处安装两倍数量的芯片，同时依然能把热量高效地传导到基板中。每一块芯片仍可配置单独的光学器件，或者如该图所示，可共用该阵列的同一个大体量光学器件。这一技术被广泛应用在LED显视器方面，现在又在演艺灯光产品中得到越来越广的应用。芯片排列得更紧密，改善了颜色的均匀度，有利于消除多色阴影。但如前文所言，其不足仍是难以维修。所以混合解决方案或者由较小的子板构成的电路板，能把更换成本降到最低限度。最常见的混合器件是单个封装体内含有3块或4块芯片，即RGB或RGBW，配置公用透镜。如今还有一些非混合解决方案，在这些方案中，多块芯片以真正的COB方式封装。

图7 比较两类封装体

图8 COB式白光LED阵列

图8所示的这类LED封装体很常见。这些器件也是混合式COB封装体。在本例中，有一个蓝光LED阵列，它采用COB技术封装在基板上，然后在整个阵列上覆上一层荧光粉材料。这样既可对芯片起到保护作用，又可将LED发出的大部分蓝光转换为黄光。由LED发出的蓝光和经荧光粉层转换而来的黄光相混合后就产生了白光。图中，该封装体成品不仅光效相当高——超过100 lm/W，而且也便于设计者安装使用。紧凑安装的小芯片阵列降低了制造成本，其产生的光束很均匀，如同从单颗大光源发出的一样。

COB封装技术还有一大改进：直接安装在金属制品上，这也对演艺设备行业有利。设计者通常选择把LED安装在带金属背衬的电路板上，以便提高热传导效率。采用COB技术后，芯片可通过电路板顶层的小孔直接安装在该金属背衬上。它可使热接触性能尽可能达到最佳状态，芯片和散热器之间几乎是紧密无间的。

LED技术继续迅猛发展，产品飞速更新。今后，LED灯具可能会越来越多地采用COB技术。