新型的高密度LED封装显示屏探讨

2015-03-27厦门强力巨彩光电科技有限公司张余涛

电子世界 2015年20期

厦门强力巨彩光电科技有限公司张余涛

厦门大学电子科学系福建省半导体照明工程技术研究中心肖菁菁郭自泉

1 引言

发光二极管（Light-emit t ing diode，LED）是一种新型的固态照明器件，是继白炽灯、荧光灯、高压气体放电灯之后的第四代照明光源。LED具有体积小、响应速度快、单色性强、鲁棒性好、光效高、寿命长、可靠性高等诸多优点，因此被广泛地用于显示屏领域[1]。

随着LED显示屏技术快速发展，其点间距越来越小，LED的封装从3528、2020、1515、1010、0505延续到更小尺寸以满足高密度需求，成为LED业内炙手可热的产品。高密度LED具有高像素密度、高扫描比、高刷新率、高灰度等级四个发展趋势[3]。高密度LED可以用于结合触摸、裸眼3D、智能应用、云播控等概念，扩宽了LED显示屏的应用领域。

当前，小间距LED显示屏市场潜力巨大。小间距LED显示屏具有无拼缝、低能耗、长寿命、显示效果优等特点，随着光效的不断提升及集成控制技术不断成熟，LED小间距屏将会逐渐替代原有DLP、LCD，其市场的空间规模也不断扩展。但小间距LED显示屏的显示效果、大分辨率带载、拼接缝隙这三大瓶颈制约了LED显示屏的发展[4]。同时，高密度LED显示屏间距越来越小，散热问题也凸显出来，严重影响其色彩均匀性和显示屏寿命[5]。为了解决高密度LED显示屏散热问题，我们在本文中提出了一种新型封装方式，可有效地解决散热、贴装困难等问题。

2 传统封装方式

传统显示屏是在印制电路板（PCB）的一面贴装驱动集成电路（IC），另外一侧贴装灯体，通过恒流芯片驱动灯体发光。恒流芯片的布局是否合理直接影响显示屏的显示效果，所产生的热影响LED正常发光特性；进而影响整块显示屏的色彩均匀度。此外，LED灯体尺寸微型化将会导致表面贴片封装技术的贴装工艺和返修的困难。除了高密度显示屏像素间距越来越小外，恒流芯片输出脚也增加，散热问题凸显成为亟需解决的难题，不良的散热会导致屏体热度不均，而影响显示的均匀度和寿命。

LED封装1515、2020、3528的灯体，管脚外形采用J或者L封装方式。国星的1010和晶台的0505均采用方形扁平无引脚封装（QFN）。QFN是一种焊盘尺寸小、体积也小、以塑料作为密封材料的新型的表面贴装型封装技术。通过外露引线框架及具有直接散热通道的焊盘释放封装内芯片的热量，具有出色的散热性能。同时，由于内部引脚与焊盘之间的导电路径较短，所以自感系数以及封装体内布线电阻很低，所以能提供良好的电性能，且整体电磁干扰小。但其焊接点完全位于底部，返修需要把整个器件移除，对于高密度LED显示屏返修难度大。

3 新型封装方式

为了解决传统封装方式中散热问题及返修困难这两个困难，本文提出了一种新型封装方式，可以有效地解决这些问题，并可以大大提升产品的可靠性，使得极高密度像素LED排列成为可能。LED技术发展的规律总结起来说就是，可以在更小的LED芯片面积上耐受更大的电流驱动，并获得更好的光通量以及薄型化等特性，从而获得更好的性能。

新型封装是一种基于球栅阵列结构和芯片级封装的LED新型封装方式，如下图1所示。将恒流驱动逻辑芯片和LED晶元封装在一起，结构主要有7部分：环氧树脂填充、LED晶元、支架体、IC芯片、互连层、焊球（或凸点、焊柱）和保护层。互连层是通过载带自动焊接、引线键合、倒装芯片等方法来实现芯片与焊球（或凸点、焊柱）之间内部连接的，是封装的关键组成部分。

图1 新型封装示意图

LED的寿命与散热息息相关，长时间高温运行将加快衰减，降低使用寿命。而且随着温度升高，LED的光色性能也会发生明显变化，色彩偏移、色彩失真，进一步影响LED显示屏的质量。该新型的封装形式中，将使用散热锡球及散热通道协助散热，而增加散热的最好方式是使用散热锡球。散热锡球是指直接安装在芯片正下方基板下的锡球，可以借着锡球直接将热传到PCB上，而减少空气造成的热阻。一般为了使散热到球更迅速，可用散热通道穿透基板。

新型封装方式的应用需要驱动IC厂家与LED封装厂家资源进行整合，使得微间距LED显示屏推广成为可能。