新型的高密度LED封裝顯示屏探討

廈門強(qiáng)力巨彩光電科技有限公司 張余濤

廈門大學(xué)電子科學(xué)系 福建省半導(dǎo)體照明工程技術(shù)研究中心 肖菁菁 郭自泉

1 引言

發(fā)光二極管（Light-emit t ing diode，LED）是一種新型的固態(tài)照明器件，是繼白熾燈、熒光燈、高壓氣體放電燈之后的第四代照明光源。LED具有體積小、響應(yīng)速度快、單色性強(qiáng)、魯棒性好、光效高、壽命長(zhǎng)、可靠性高等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛地用于顯示屏領(lǐng)域[1]。

隨著LED顯示屏技術(shù)快速發(fā)展，其點(diǎn)間距越來(lái)越小，LED的封裝從3528、2020、1515、1010、0505延續(xù)到更小尺寸以滿足高密度需求，成為L(zhǎng)ED業(yè)內(nèi)炙手可熱的產(chǎn)品。高密度LED具有高像素密度、高掃描比、高刷新率、高灰度等級(jí)四個(gè)發(fā)展趨勢(shì)[3]。高密度LED可以用于結(jié)合觸摸、裸眼3D、智能應(yīng)用、云播控等概念，擴(kuò)寬了LED顯示屏的應(yīng)用領(lǐng)域。

當(dāng)前，小間距LED顯示屏市場(chǎng)潛力巨大。小間距LED顯示屏具有無(wú)拼縫、低能耗、長(zhǎng)壽命、顯示效果優(yōu)等特點(diǎn)，隨著光效的不斷提升及集成控制技術(shù)不斷成熟，LED小間距屏將會(huì)逐漸替代原有DLP、LCD，其市場(chǎng)的空間規(guī)模也不斷擴(kuò)展。但小間距LED顯示屏的顯示效果、大分辨率帶載、拼接縫隙這三大瓶頸制約了LED顯示屏的發(fā)展[4]。同時(shí)，高密度LED顯示屏間距越來(lái)越小，散熱問(wèn)題也凸顯出來(lái)，嚴(yán)重影響其色彩均勻性和顯示屏壽命[5]。為了解決高密度LED顯示屏散熱問(wèn)題，我們?cè)诒疚闹刑岢隽艘环N新型封裝方式，可有效地解決散熱、貼裝困難等問(wèn)題。

2 傳統(tǒng)封裝方式

傳統(tǒng)顯示屏是在印制電路板（PCB）的一面貼裝驅(qū)動(dòng)集成電路（IC），另外一側(cè)貼裝燈體，通過(guò)恒流芯片驅(qū)動(dòng)燈體發(fā)光。恒流芯片的布局是否合理直接影響顯示屏的顯示效果，所產(chǎn)生的熱影響LED正常發(fā)光特性；進(jìn)而影響整塊顯示屏的色彩均勻度。此外，LED燈體尺寸微型化將會(huì)導(dǎo)致表面貼片封裝技術(shù)的貼裝工藝和返修的困難。除了高密度顯示屏像素間距越來(lái)越小外，恒流芯片輸出腳也增加，散熱問(wèn)題凸顯成為亟需解決的難題，不良的散熱會(huì)導(dǎo)致屏體熱度不均，而影響顯示的均勻度和壽命。

LED封裝1515、2020、3528的燈體，管腳外形采用J或者L封裝方式。國(guó)星的1010和晶臺(tái)的0505均采用方形扁平無(wú)引腳封裝（QFN）。QFN是一種焊盤尺寸小、體積也小、以塑料作為密封材料的新型的表面貼裝型封裝技術(shù)。通過(guò)外露引線框架及具有直接散熱通道的焊盤釋放封裝內(nèi)芯片的熱量，具有出色的散熱性能。同時(shí)，由于內(nèi)部引腳與焊盤之間的導(dǎo)電路徑較短，所以自感系數(shù)以及封裝體內(nèi)布線電阻很低，所以能提供良好的電性能，且整體電磁干擾小。但其焊接點(diǎn)完全位于底部，返修需要把整個(gè)器件移除，對(duì)于高密度LED顯示屏返修難度大。

3 新型封裝方式

為了解決傳統(tǒng)封裝方式中散熱問(wèn)題及返修困難這兩個(gè)困難，本文提出了一種新型封裝方式，可以有效地解決這些問(wèn)題，并可以大大提升產(chǎn)品的可靠性，使得極高密度像素LED排列成為可能。LED技術(shù)發(fā)展的規(guī)律總結(jié)起來(lái)說(shuō)就是，可以在更小的LED芯片面積上耐受更大的電流驅(qū)動(dòng)，并獲得更好的光通量以及薄型化等特性，從而獲得更好的性能。

新型封裝是一種基于球柵陣列結(jié)構(gòu)和芯片級(jí)封裝的LED新型封裝方式，如下圖1所示。將恒流驅(qū)動(dòng)邏輯芯片和LED晶元封裝在一起，結(jié)構(gòu)主要有7部分：環(huán)氧樹脂填充、LED晶元、支架體、IC芯片、互連層、焊球（或凸點(diǎn)、焊柱）和保護(hù)層?；ミB層是通過(guò)載帶自動(dòng)焊接、引線鍵合、倒裝芯片等方法來(lái)實(shí)現(xiàn)芯片與焊球（或凸點(diǎn)、焊柱）之間內(nèi)部連接的，是封裝的關(guān)鍵組成部分。

圖1 新型封裝示意圖

LED的壽命與散熱息息相關(guān)，長(zhǎng)時(shí)間高溫運(yùn)行將加快衰減，降低使用壽命。而且隨著溫度升高，LED的光色性能也會(huì)發(fā)生明顯變化，色彩偏移、色彩失真，進(jìn)一步影響LED顯示屏的質(zhì)量。該新型的封裝形式中，將使用散熱錫球及散熱通道協(xié)助散熱，而增加散熱的最好方式是使用散熱錫球。散熱錫球是指直接安裝在芯片正下方基板下的錫球，可以借著錫球直接將熱傳到PCB上，而減少空氣造成的熱阻。一般為了使散熱到球更迅速，可用散熱通道穿透基板。

新型封裝方式的應(yīng)用需要驅(qū)動(dòng)IC廠家與LED封裝廠家資源進(jìn)行整合，使得微間距LED顯示屏推廣成為可能。

4 結(jié)論

本文主要介紹了LED顯示屏的一種新型的高密度級(jí)LED封裝形式。LED新型封裝是IC與燈珠模塊化的產(chǎn)物，裝配更加容易、效率更高。這種新型的封裝形式還可有效改善微間距LED的散熱問(wèn)題，對(duì)微間距LED顯示屏的推廣起到重要作用。

[1]M.H.Crawford.LEDs for solid-state lighting:performance challenges and recent advances[J].IEEE J.Sel.Topics Quantum Electron.,2009,15(4):1028-1040.

[2]http://www.ledinside.cn/qiye/20140526-31056.html.

[3]董彬忠.淺談高密度LED顯示屏應(yīng)用對(duì)芯片的要求[J].電子科學(xué)技術(shù),2014,1(3):350-353.

[4]徐恒.三大瓶頸制約小間距LED顯示屏發(fā)展[J].中國(guó)電子報(bào),2013,第12版,LED顯示應(yīng)用專題.

[5]鄭文盛.利用QFN封裝解決LED顯示屏散熱問(wèn)題[J].現(xiàn)代顯示,2009,102:43-46.