新型的高密度LED封裝顯示屏探討

廈門強力巨彩光電科技有限公司 張余濤

廈門大學電子科學系 福建省半導體照明工程技術研究中心 肖菁菁 郭自泉

1 引言

發光二極管（Light-emit t ing diode，LED）是一種新型的固態照明器件，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、響應速度快、單色性強、魯棒性好、光效高、壽命長、可靠性高等諸多優點，因此被廣泛地用于顯示屏領域[1]。

隨著LED顯示屏技術快速發展，其點間距越來越小，LED的封裝從3528、2020、1515、1010、0505延續到更小尺寸以滿足高密度需求，成為LED業內炙手可熱的產品。高密度LED具有高像素密度、高掃描比、高刷新率、高灰度等級四個發展趨勢[3]。高密度LED可以用于結合觸摸、裸眼3D、智能應用、云播控等概念，擴寬了LED顯示屏的應用領域。

當前，小間距LED顯示屏市場潛力巨大。小間距LED顯示屏具有無拼縫、低能耗、長壽命、顯示效果優等特點，隨著光效的不斷提升及集成控制技術不斷成熟，LED小間距屏將會逐漸替代原有DLP、LCD，其市場的空間規模也不斷擴展。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顯示屏的發展[4]。同時，高密度LED顯示屏間距越來越小，散熱問題也凸顯出來，嚴重影響其色彩均勻性和顯示屏壽命[5]。為了解決高密度LED顯示屏散熱問題，我們在本文中提出了一種新型封裝方式，可有效地解決散熱、貼裝困難等問題。

2 傳統封裝方式

傳統顯示屏是在印制電路板（PCB）的一面貼裝驅動集成電路（IC），另外一側貼裝燈體，通過恒流芯片驅動燈體發光。恒流芯片的布局是否合理直接影響顯示屏的顯示效果，所產生的熱影響LED正常發光特性；進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導致表面貼片封裝技術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越小外，恒流芯片輸出腳也增加，散熱問題凸顯成為亟需解決的難題，不良的散熱會導致屏體熱度不均，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。國星的1010和晶臺的0505均采用方形扁平無引腳封裝（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。通過外露引線框架及具有直接散熱通道的焊盤釋放封裝內芯片的熱量，具有出色的散熱性能。同時，由于內部引腳與焊盤之間的導電路徑較短，所以自感系數以及封裝體內布線電阻很低，所以能提供良好的電性能，且整體電磁干擾小。但其焊接點完全位于底部，返修需要把整個器件移除，對于高密度LED顯示屏返修難度大。

3 新型封裝方式

為了解決傳統封裝方式中散熱問題及返修困難這兩個困難，本文提出了一種新型封裝方式，可以有效地解決這些問題，并可以大大提升產品的可靠性，使得極高密度像素LED排列成為可能。LED技術發展的規律總結起來說就是，可以在更小的LED芯片面積上耐受更大的電流驅動，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構和芯片級封裝的LED新型封裝方式，如下圖1所示。將恒流驅動邏輯芯片和LED晶元封裝在一起，結構主要有7部分：環氧樹脂填充、LED晶元、支架體、IC芯片、互連層、焊球（或凸點、焊柱）和保護層。互連層是通過載帶自動焊接、引線鍵合、倒裝芯片等方法來實現芯片與焊球（或凸點、焊柱）之間內部連接的，是封裝的關鍵組成部分。

圖1 新型封裝示意圖

LED的壽命與散熱息息相關，長時間高溫運行將加快衰減，降低使用壽命。而且隨著溫度升高，LED的光色性能也會發生明顯變化，色彩偏移、色彩失真，進一步影響LED顯示屏的質量。該新型的封裝形式中，將使用散熱錫球及散熱通道協助散熱，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。

新型封裝方式的應用需要驅動IC廠家與LED封裝廠家資源進行整合，使得微間距LED顯示屏推廣成為可能。

4 結論

本文主要介紹了LED顯示屏的一種新型的高密度級LED封裝形式。LED新型封裝是IC與燈珠模塊化的產物，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的散熱問題，對微間距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顯示屏應用對芯片的要求[J].電子科學技術,2014,1(3):350-353.

[4]徐恒.三大瓶頸制約小間距LED顯示屏發展[J].中國電子報,2013,第12版,LED顯示應用專題.

[5]鄭文盛.利用QFN封裝解決LED顯示屏散熱問題[J].現代顯示,2009,102:43-46.