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從直插到Micro LED 顯示器件封裝發展趨勢

來源:中國照明電器  發布時間:2018-01-12

    LED顯示屏器件朝著全彩化、小尺寸、低電流、高可靠性和低成本的不斷發展,使得LED封裝器件封裝技術在越發重要的同時也面臨著巨大的挑戰。本文對LED顯示屏器件封裝方式的發展作簡要概述,主要由直插式(lamp)、亞表貼、表貼三合一(SMD);并淺談了LED顯示屏器件封裝的未來前景技術,如小間距、COB封裝以及Micro  LED封裝,以及新技術所面臨的問題。


    從LED顯示屏市場的產業化歷程來看,LED顯示屏器件封裝的發展經歷了20世紀80年代的點陣模塊封裝,20世紀90年代后出現的直插式封裝,亞表貼、表貼封裝,以及2011年以后出現的比較熱門的小間距器件封裝。從簡單的組裝到現在對于生產工藝的管控,LED顯示封裝經歷了一個個技術革新的階段。封裝環節不再是簡單的組裝環節,而是一個考驗生產工藝及技術水平的環節。


1    LED顯示器件封裝的發展歷程


    LED顯示屏器件的封裝方式主要包括點陣模塊、直插式、亞表貼、表貼三合一、COB、Micro LED等等,不同的封裝方式,各有優缺點,適用于不同的LED顯示屏應用領域。相應地,LED顯示屏也經歷了從單色(如單紅、單綠、單黃等)、雙色以及目前主流的RGB全彩,從早期主要用于戶外到目前戶內小間距的興起,從低分辨率朝向寬色域、高分辨率的演變。這些不同的封裝方式不僅推動了LED顯示屏的進步,同時也是對不斷自我革新的過程。下面就LED顯示屏器件封裝的發展過程中的幾種方式以及現狀進行介紹。


    點陣模塊和亞表貼已經被淘汰,很少被使用,目前主流的LED顯示屏器件封裝方式主要為lamp、SMD三合一,兩者占顯示市場的95%以上。所以下面就lamp和SMD三合一進行介紹;而COB和Micro LED在發展趨勢中介紹。


1.1    直插引腳式


    LED芯片的直插引腳式(Lamp)最先研發成功并投放市場的LED產品,技術成熟、品種繁多。圖1為常見的Lamp LED封裝結構示意圖, 通常支架的一端有“碗杯形”結構,將LED芯片固定在“碗杯形”結構內,然后采用灌封封裝。灌封是先在LED模腔內注入液態環氧樹脂,然后插入壓焊好的引腳式LED支架并放到烘箱中讓環氧樹脂固化,再從模腔中脫離出LED即成型,成為LED產品。


圖1.jpg


    直插式封裝技術的制造工藝簡單、成本低,有著較高的市場占有率。目前,直插式引腳封裝的LED通常是單色(紅色、綠色、藍色)發光應用于大屏幕點陣顯示、指示燈等領域。早期,全彩的LED顯示屏是通過將紅色、綠色和藍色的3個或4個Lamp  LED器件做為一個像素點拼接成的。近年來,RGB三合一Lamp  LED器件也在研發中,以滿足高亮、高分辨、高效率拼接的要求。目前直插式LED主要應用于戶外點間距在P10以上的大屏,其亮度優勢、可靠性優勢較明顯,但由于戶外點間距也朝著高密方向發展,直插受限于紅綠藍3顆器件單獨插裝,很難高密化,所以在戶外點間距P10以下逐漸被SMD器件所替代。


1.2    SMD


    表貼三合一(SMD)LED于2002年興起,并逐漸占據LED顯示屏器件的市場份額,從引腳式封裝轉向SMD。表貼封裝是將單個或多個LED芯片粘焊在帶有塑膠“杯形”外框的金屬支架上(支架外引腳分別連接LED芯片的P、N極),再往塑膠外框內灌封液態封裝膠,然后高溫烘烤成型,最后切割分離成單個表貼封裝器件。由于可以采用表面貼裝技術(SMT),自動化程度較高。與引腳式封裝技術相比,SMD LED的亮度、一致性、可靠性、視角、外觀等方面表現都良好。


    SMD LED體積更小,重量更輕,且適合回流焊接,尤其適合戶內、外全彩顯示屏的應用。SMD LED可分為支架式TOP LED和片式(Chip)LED。前者常采用PLCC(Plastic Leaded Chip Carrier)支架,后者采用PCB線路板作為LED芯片的載體。PLCC支架成本低,但是在應用中存在氣密性差、散熱不良、發光不均勻和發光效率下降等問題。此外,還有性能和光效更好的PCT及EMC材質的支架,但考慮到價格較貴,暫未在LED顯示屏器件上廣泛應用。


    目前LED顯示屏市場應用最多的是頂部出光型TOP LED器件(如圖2),其次是常用于戶內小間距的Chip LED。常見的SMD LED的幾種尺寸,如2020、1515、3528,一般以焊盤尺寸劃分。焊盤是其散熱的重要渠道,常見的SMD  LED的焊盤包括戶外的3.5mm×2.5mm、2.7mm×2.7mm,戶內的1.5mm×1.5 mm、1.0mm×1.0mm等。這幾年,隨著LED顯示屏市場應用環境的細分,對SMD  LED器件要求不一樣。比如,針對戶外LED顯示屏,要求高防水、高亮度、抗紫外。其中,高防水功能主要是通過支架的防水結構設計,折彎拉伸延長水汽的路徑,同時在器件內部增加防水槽、防水臺階、防水孔等方式實現多重防水。而高亮度,主要通過在杯內壁噴涂高反射墻,增強光反射。對于戶外抗紫外方面,逐漸采用高性能硅樹脂封裝膠以取代傳統的環氧樹脂。


圖2.jpg


    又如,戶內LED顯示屏,業內普遍追求的是高對比度、高分辨率。SMD LED器件封裝正朝著小尺寸發展(如0808、0606、0505)以滿足高分辨率LED顯示屏市場需要,但SMD器件尺寸具有一定的局限性。當封裝尺寸往0808更小尺寸封裝發展時,封裝的工藝難度急劇增大,良率下降,導致成本增加。這主要是受限于固晶、焊線、劃片(沖切)、焊線的設備精度等因素。另外,在終端應用的成本也會增加,主要體現在貼裝設備的精度、貼裝效率等。


2    LED封裝發展趨勢


    LED顯示屏的分辨率是由封裝元器件的尺寸和間距決定的,而在傳統技術限制下,LED器件之間間距較大,從而分辨率較低,只適合在戶外遠距離觀看,難以在室內應用,因此過去在室內顯示領域,則是由LCD、DLP(Digital  Light  Procession)拼接墻和投影技術等占據主要地位。而隨著技術的進步,上游產能的擴大,小間距顯示成本逐漸下降,已具有商業應用基礎,使得LED顯示屏在室內顯示領域逐漸和傳統顯示技術形成了競爭。


    隨著LED芯片封裝技術、顯示屏驅動控制技術及顯示屏組裝制造工藝的進步,LED顯示屏的分辨率得到了大幅提升,戶內高密度LED顯示屏的像素中心距不斷取得突破,2017年己邁入點間距0.Xmm時代。較于DLP  、LCD等顯示產品,小間距LED顯示屏具有高清顯示、高刷新頻率、無縫拼接、散熱系統良好、拆裝方便等特點,即使在相對較近距離觀看,其顯示畫面超清晰,無閃爍也無顆粒感。而近幾年出現的無縫、高對比度、高分辨率的COB  LED、Micro  LED顯示屏更是讓傳統的LED顯示屏客戶眼前一亮。戶內高密度LED顯示屏在未來幾年將不斷蠶食拼接墻市場,成為室內高密度大屏幕的主流顯示媒介,在商用顯示、指揮控制中心、高端車展、演播會議中心、電影院等室內顯示場所將有廣泛的應用。在室外應用方面,近年隨著室外表貼LED 封裝技術的改進以及室外模塊防護水平的提高,室外全彩屏的像素間距極限也在不斷地被刷新。


    LED顯示屏朝著高分辨率發展已成為不可逆轉的趨勢,而LED器件(芯片)小型化、模塊高密度集成化這是其關鍵技術,但其發展主要依賴于倒裝芯片封裝技術、COB封裝技術以及Micro  LED封裝技術的發展。


2.1    COB 封裝


    隨著人們對戶內外的LED顯示屏的分辨率要求越來越高,如果還是采用傳統的SMD  LED器件進行貼片組裝LED顯示屏,那么一方面,由于LED顯示器件越做越小,工藝難度急劇增大,良率低,導致單顆LED器件成本增大;其次,小尺寸LED器件對貼片設備的精度也要求非常高;第三,LED顯示屏的點間距越小,所需貼片的LED器件成幾何數量級增加,大大降低LED屏的制造效率。而COB顯示模塊,采用集成封裝的方式,省去單顆LED器件封裝后再貼片的工藝,正好解決以上問題。板上封裝(Chip on Board)是一種將多顆LED芯片直接安裝在散熱PCB基板上來直接導熱的結構。COB封裝集合了上游芯片技術,中游封裝技術及下游顯示技術,因此COB封裝需要上、中、下游企業的緊密合作才能推動COB LED顯示屏大規模應用。如圖3所示,為一種COB集成封裝LED顯示模塊,正面為LED燈模組構成像素點,底部為IC驅動元件,最后將一個個COB顯示模塊拼接成設計大小的LED顯示屏。


圖3.jpg


    COB集成封裝不但能夠減少支架成本和簡化LED屏制造工藝,還可以降低芯片熱阻,實現高密度封裝。選用COB封裝的LED顯示屏在一定程度上擴展了器件的散熱面積,從而讓產生的熱量更為容易擴散到外界。成本上,與傳統的封裝方式相比,COB  LED顯示模塊在實際應用中能夠節省器件的封裝成本。在相同功能的顯示屏系統中,采用COB LED的顯示屏模塊比傳統顯示屏板總體成本少30%以上,這對于廣泛推廣COB LED顯示屏有著舉足輕重的意義。從應用端看,COB  LED顯示模塊可以為顯示屏應用方的廠家提供更加簡便、快捷的安裝生產方式,大大地提高生產效率。在生產制備上,現有的大批量生產制造技術和生產設備已經能夠很好地支持COB LED顯示模塊的大規模生產,最重要的是還能保持高的良品率。


    因此,從性能、成本和應用的角度來比較,COB會成為未來LED顯示屏封裝的主流方向。但目前COB顯示屏還未大規模量產,其主要原因有封裝的一次通過率不高、對比度低、維護成本高等,另外其顯色均勻性遠不如采用分光分色的SMD器件貼片后的顯示屏?,F有的COB封裝,仍舊采用正裝芯片,需要固晶、焊線工藝,因此焊線環節問題較多且其工藝難度與焊盤面積成反比。而一旦倒裝小芯片技術發展成熟,省去芯片的焊線工藝,芯片組裝的一次通過率將會極大提高。此外,通過減小COB單個模塊面積來提高封裝的一次通過率也是一個很好的方向。至于顯示均勻性的問題,可通過從提高上游芯片一致性和COB顯示模塊的單燈逐點矯正技術來改善??傊?,COB集成封裝技術所面臨的問題需要產業的上、中、下游協力解決。


2.2    Micro LED 封裝


    微發光二極體顯示器(Micro LED Display)為新一代顯示技術,其LED結構的薄膜化、微小化與陣列化,使其體積約為主流LED大小的1%,每1個畫素都能定址、單獨驅動發光,將像素點間距由毫米級降到微米級,從而理論達1500 ppi以上甚至2000 ppi超高分辨率。Micro LED繼承了LED低功耗、高亮度、超高解析度、色彩飽和度、反應速度快、超省電、壽命較長、效率較高等優點,其功率消耗量約為LCD的10%、OLED的50%。因此,Micro LED被視為可能顛覆產業的新一代顯示技術。


圖4.jpg


    Micro LED顯示經過了十多年的技術積累,直到最近幾年才逐漸進入市場。目前分為兩個方向發展,一個以Apple公司為代表主打小尺寸、可穿戴Micro LED顯示屏;另一個則是以Sony公司為代表主攻中、大尺寸顯示。但不管應用在何領域,Micro LED封裝技術的最大的難題是固晶工藝中如何解決LED芯片在巨量轉移過程保證“高良率(99.9999%以上)及轉移率”。而Sony在2016年6月美國Infocomm上推出的CLEDIS則采用了“模塊化拼接”的方式提高轉移良率,即通過降低單位面積像素密度做出小尺寸的Micro LED顯示模塊,最后拼接成大屏。圖4所示為Micro-Transfer-Printing  (μTP)、Mass Transfer技術。Micro LED封裝技術目前處于高速發展階段,需要大量的投入,目前在中國大陸還沒有成型的產業鏈,且核心技術主要被國外企業掌握。因此,國內LED封裝廠商需加快布局Micro LED技術。


結論


    LED顯示屏器件經歷了點陣模塊、直插式、亞表貼、表貼三合一封裝等30多年的發展,在色彩表現、分辨率、可靠性等方面不斷邁向新臺階,逐漸在大屏顯示領域中凸顯優勢。隨著LED顯示屏在朝著高分辨率發展,LED器件封裝在小型化、集成化、高可靠性、高亮度的發展中面臨巨大挑戰,而COB LED封裝、Micro LED封裝技術的發展又將給LED器件封裝帶來全新的技術革新。


來源:佛山市國星光電股份有限公司

作者:劉傳標、趙強、劉曉峰


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