小間距LED 顯示屏的PCB 可制造性設(shè)計(jì)

徐明亮，羅玉華，高 雄，樓曉景*，趙一鳴，王炳程

（1.浙江大華技術(shù)股份有限公司中央研究院，浙江 杭州 310053；2.浙江省視覺物聯(lián)融合應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310053）

0 引 言

電視的核心顯示技術(shù)一直進(jìn)行著變革，從老式笨重的陰極射線顯像管變?yōu)槌〉囊壕э@示，再到今天的有機(jī)發(fā)光二極管（Organic Light Emitting Diode，OLED）、ULED（Ultra LED）、Mini LED、Micro LED 等多線發(fā)展。LED 屏幕尺寸越做越大，得益于整體工業(yè)水平的提高，液晶屏的價(jià)格越來越低。然而，液晶屏受限于自身玻璃切割工藝，其最大尺寸局限在120 英寸，盡管有拼接屏技術(shù)，但拼接處較大的縫隙導(dǎo)致顯示效果不佳。小間距LED屏憑借自身無限的擴(kuò)展性在大屏領(lǐng)域擁有不可取代的優(yōu)勢屬性[1]。本文將以燈距1.2 mm（以下簡稱P1.2）的小間距LED 顯示屏為例，重點(diǎn)介紹小間距LED 顯示屏的印制電路板（Printed Circuit Board，PCB）可制造性設(shè)計(jì)。

1 小間距LED 顯示屏種類

1.1 通用小間距LED 顯示屏

小間距LED 顯示屏由多塊相同尺寸的顯示模組拼接而成，單個(gè)顯示模組的外形尺寸、燈珠數(shù)量及排布方式都是固定的[2]。其中，外層線路層一面布滿焊盤（一般4 個(gè)pad 為一組，用于安裝LED 燈）設(shè)計(jì)，稱為LED 顯示面，簡稱LED 面；另一面設(shè)計(jì)用來安裝驅(qū)動(dòng)芯片，稱為驅(qū)動(dòng)面。單顆燈珠的間距為0.45 ～1.6 mm，設(shè)計(jì)規(guī)格主要取決于燈的焊點(diǎn)規(guī)格。目前，主流燈距為0.9 ～1.2 mm，燈珠的封裝越小，相應(yīng)燈距越小，線路更加密集，分辨率越高，顯示效果越好。

LED 發(fā)光源由RGB 燈珠產(chǎn)生。RGB 燈珠封裝分為表面貼裝器件（Surface Mount Devices，SMD）、COB（打金線、倒裝芯片）、Micro LED 三大類。SMD 是將LED 發(fā)光芯片通過支架封裝成獨(dú)立的發(fā)光器件，通過表面貼裝工藝焊接在印制電路板表面。經(jīng)過多年的發(fā)展，這種方式目前已經(jīng)非常成熟。因此，SMD 型的小間距產(chǎn)品一直是行業(yè)主流。傳統(tǒng)的SMD 型小間距LED 屏，其燈珠尺寸一般在100 ～300 μm，能夠使用傳統(tǒng)的工藝及測試方法進(jìn)行制造和測試[3]。但當(dāng)屏幕的燈距小于1.2 mm 時(shí)，其燈珠尺寸在80 ～150 μm，SMD 型小間距LED屏的可制造性開始面臨技術(shù)和成本的挑戰(zhàn)，可制造性的良率和成本成為限制因素。

1.2 COB 顯示屏

如圖1 所示，COB 封裝指將裸芯片用導(dǎo)電或非導(dǎo)電的膠黏附于印刷線路板表層，使用引線鍵合技術(shù)實(shí)現(xiàn)其電氣連接，最后用樹脂對(duì)芯片和鍵合引線進(jìn)行二次包封[4]。COB 封裝相比其他裝配方式，具有節(jié)約空間、簡化封裝作業(yè)、更具高效性等優(yōu)點(diǎn)。尤其在Mini LED 屏領(lǐng)域，COB 正裝和IMD（多合一封裝）技術(shù)已相對(duì)成熟，相比于傳統(tǒng)的SMD 分立器件，P1.0 及更小間距的顯示屏是COB 正裝和IMD 技術(shù)具有相對(duì)優(yōu)勢的間距范圍。其中，P0.9顯示屏在2020 年有顯著成長，COB 正裝和IMD 技術(shù)主要集中使用于P0.9 的項(xiàng)目，但P0.7 以下的項(xiàng)目應(yīng)用較少，且P0.7 是COB 正裝和倒裝芯片的臨界點(diǎn)。

圖1 COB 單板側(cè)面圖

COB 封裝很好地彌補(bǔ)了SMD 封裝技術(shù)的缺陷，其主要優(yōu)勢如下。

（1）性能更可靠。無燈珠封裝的回流焊工序，能有效避免因高溫焊接而導(dǎo)致的燈珠損壞。

（2）觀看更舒適。高填充因子光學(xué)設(shè)計(jì)，發(fā)光均勻，能夠有效消除摩爾紋；啞光涂層技術(shù)，顯著提高對(duì)比度，不易產(chǎn)生視覺疲勞。

（3）適應(yīng)性更強(qiáng)。無裸露燈腳，表面平滑，防潮、防靜電、防磕碰、防塵，減少死燈和壞燈問題。

（4）散熱面積大。相對(duì)于SMD 通過四個(gè)焊腳散熱，COB 燈芯直接貼裝在板面上，散熱良好。

然而，COB 單板的可制造性同樣面臨挑戰(zhàn)，需要不斷優(yōu)化。

1.3 Micro LED 顯示屏

Micro LED 是指將數(shù)百萬顆LED 巨量圖形轉(zhuǎn)移到基板上，其LED 燈珠尺寸可小到微米級(jí)別，但在驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)、色彩轉(zhuǎn)換方式、檢測設(shè)備及方法、晶圓波長均勻度控制等方面存在技術(shù)瓶頸[5]，目前實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)比較困難。

2 小間距LED 屏幕的印制線路板可制造性設(shè)計(jì)

印制電路板（PCB）作為小間距LED 顯示屏的重要組成部分，其主要作用是提供燈珠和驅(qū)動(dòng)芯片之間電氣互聯(lián)的基底。區(qū)別于普通的電路板，小間距LED 顯示屏的PCB 設(shè)計(jì)受限于燈面焊盤間距，大多采用高密度互連（High Density Interconnector，HDI）技術(shù)，所以其可制造性設(shè)計(jì)的可靠性至關(guān)重要。下面闡述提高小間距LED 顯示屏的可制造性設(shè)計(jì)的方法。

2.1 外形尺寸可制造性設(shè)計(jì)

一塊屏幕由多個(gè)箱體組成，一個(gè)箱體由多塊模組（PCB）組成，模組（PCB）為箱體尺寸的倍數(shù)關(guān)系。因?qū)嶋H加工中存在外形尺寸的正公差（0.1 mm），PCB 圖紙?jiān)O(shè)計(jì)尺寸值需減小0.05 mm，避免累計(jì)公差導(dǎo)致模組無法放入箱體。例如，模組（PCB）尺寸的理論值為200 mm×150 mm 時(shí)，外形尺寸可設(shè)計(jì)為199.95 mm×149.95 mm。

由于LED 面需裝配大量密集的LED 燈，PCB的高平整度才能滿足裝配條件和顯示效果，因此對(duì)PCB 翹曲度的要求較高，需嚴(yán)格控制PCB 的翹曲度小于0.5%。影響PCB 翹曲度的主要因素如下：

（1）板厚設(shè)計(jì)偏?。ㄐ∮? mm），剛性強(qiáng)度下降，易翹曲；

（2）單板尺寸設(shè)計(jì)過大，易翹曲；

（3）PCB 疊層互相對(duì)稱面的線路層殘銅率差異過大，易翹曲；

（4）PCB 板材的TG 值（TG 指基板由固態(tài)融化為橡膠態(tài)流質(zhì)的臨界溫度）太小，板材強(qiáng)度較低；

（5）驅(qū)動(dòng)面的器件集中于單板中間區(qū)域放置，導(dǎo)致中間塌陷。

通過優(yōu)化外形尺寸的可制造性設(shè)計(jì)，減少PCB翹曲度的方法有：

（1）板厚推薦2 mm，板厚公差控制在0.13 mm；

（2）尺寸不大于200 mm×200 mm；

（3）PCB 疊層互相對(duì)稱面的線路層（如6 層板，則L1 和L6 對(duì)稱，L2 和L5 對(duì)稱，L3 和L4 對(duì)稱）的殘銅率差異小于8%；對(duì)稱面的殘銅率差異無法降低，則殘銅率大的層面，將大銅面改為網(wǎng)格設(shè)計(jì)（一般線寬和線距按不小于0.2 mm）；殘銅率小的層面，在空白處增加平衡銅；

（4）使用TG 值不小于150 的板材，增加板材強(qiáng)度；

（5）驅(qū)動(dòng)面的芯片需分散于單板四邊放置，中間區(qū)域禁布芯片。

2.2 安裝孔的可制造性設(shè)計(jì)

為將LED 板固定在箱體上，LED 板一般設(shè)計(jì)有安裝孔，可通過鉚釘固定在箱體上。由于LED 面焊盤密集，若安裝孔設(shè)計(jì)為通孔則會(huì)與LED 的焊盤干涉，影響顯示效果，所以將安裝孔設(shè)計(jì)為NPTH（非金屬化）不透孔，其孔徑及深度可根據(jù)鉚釘規(guī)格而定。一般鉚釘?shù)撞渴瞧降?，而PCB 加工所用鉆嘴的鉆頭為尖角且有角度（常規(guī)為165°），如圖2 所示。由于鉆出來的不透孔底部非平整，加工時(shí)需嚴(yán)格管控鉆頭深度公差，確保開孔深度不傷及LED 面的焊盤和線路層。

2.3 激光孔可制造性設(shè)計(jì)

激光孔（孔徑一般為0.1 mm）應(yīng)按錯(cuò)開孔設(shè)計(jì)，避免設(shè)計(jì)為激光疊孔，如圖3 所示。若激光鉆孔設(shè)計(jì)為疊孔，必須采用電鍍填盲孔工藝，增加孔內(nèi)銅箔厚度，可增大疊孔之間銅箔連接面積，改善電氣性能，可靠性更高，但在激光鉆孔時(shí)會(huì)產(chǎn)生焦渣附著在孔壁，且會(huì)導(dǎo)致第二層銅箔被氧化甚至擊穿（銅厚在15 μm 以內(nèi)時(shí)有可能發(fā)生），激光孔電鍍前需清理焦渣，疊孔工藝較復(fù)雜且成本較高。

圖3 激光孔優(yōu)化示意圖

2.4 線路層可制造性設(shè)計(jì)

PCB 板邊焊盤邊緣距外形中心線間距需嚴(yán)格管控，確保間距不小于0.12 mm，主要原因如下。

（1）若間距不足，鑼刀加工的精度較低，極易傷及板邊焊盤。

（2）當(dāng)外形加工精度存在正負(fù)公差時(shí)，則以±0.05 mm 或±0.1 mm 等公差中值為前提；若出現(xiàn)非對(duì)稱正負(fù)公差，如+0/-0.1 mm、+0.08/-0.02 mm等，需通過換算將外形數(shù)據(jù)修改為公差中值，再確保焊盤距外形滿足最小間距0.12 mm。若無法滿足間距要求，設(shè)計(jì)時(shí)需削減板邊焊盤以滿足加工間距要求，但會(huì)降低焊盤的焊接強(qiáng)度或?qū)е潞附又行钠疲鑼?duì)板邊焊盤進(jìn)行銅箔補(bǔ)償，增大其焊接強(qiáng)度。

2.5 焊盤可制造性設(shè)計(jì)

LED 面燈珠焊盤小，數(shù)量多，密集程度大，加工難度大，其焊盤尺寸需參考燈珠規(guī)格，且確保設(shè)計(jì)尺寸不小于0.3 mm×0.3 mm。若焊盤尺寸太小，加工良率低，焊盤一致性較差。為確保焊盤尺寸一致性，可設(shè)計(jì)為SMD（窗定義盤），推薦焊盤銅皮比阻焊開窗單邊不小于2 mil（0.05 mm），若不足2 mil（0.05 mm），最小可至1 mil（0.025 mm），但極限值易導(dǎo)致阻焊窗對(duì)偏而單邊露基材，導(dǎo)致燈珠焊接偏位。

2.6 組焊層可制造性設(shè)計(jì)

阻焊油墨顏色選用啞黑（非亮黑），LED 面需去除封裝白色絲印，顯示效果較好。阻焊色差需嚴(yán)格管控，可使用比目顯微鏡分揀。若各批次之間阻焊色差過大，可替換PCB 疊層的外層雙面板材為黑色PP（PP 指半固化片，是樹脂與玻纖布合成的一種片狀黏結(jié)材料），能有效改善色差過大問題。

2.7 運(yùn)輸可靠性設(shè)計(jì)

PCB 單板文件中需添加工藝邊。工藝邊外角可導(dǎo)圓角，能有效避免因單板尖角刺破包裝而導(dǎo)致的漏氣和吸濕的風(fēng)險(xiǎn)。在實(shí)際加工時(shí)，外形鑼邊及通斷測試均需用到不小于直徑0.7 mm 的固定孔，且數(shù)量不少于4 個(gè)。添加工藝邊后，會(huì)有足夠空間可添加此類固定孔，能有效提高外形加工的精度和通斷測試的效率。根據(jù)實(shí)際的產(chǎn)品需求，可靈活選擇高精度鑼機(jī)（如金剛石鑼機(jī)）或者廉價(jià)的低精度鑼機(jī)去除工藝邊，單板物料適用性更強(qiáng)，物料歸一化程度高。

3 結(jié) 語

本文闡述了提高小間距LED 屏幕的可制造性設(shè)計(jì)的方法，涉及PCB 設(shè)計(jì)、PCB 加工，再到后期物料管控等領(lǐng)域，可有效提高生產(chǎn)良率，降低生產(chǎn)成本。