基于有限元的Mini-LED灭灯分析

刘 硕， 吴仁杰， 杨 贤， 刘 阳， 马 可， 朱红丽， 周 昊， 孙海威

(北京京东方显示技术有限公司，北京 100176)

1 引 言

Micro-LED显示是目前显示行业最有潜力的显示技术之一，Mini-LED技术作为Micro-LED技术的过渡技术，已成为显示行业研究的热点。Micro-LED的芯片尺寸小于50 μm，而Mini-LED的芯片尺寸在100～500 μm，Mini-LED除了可以独立显示，还可以作为LCD的背光光源[1-2]。Mini-LED背光可为LCD显示的局域调光技术提供几百至上万分区，为局域调光技术更精准地控制LCD显示提供了可能[3]。

随着HDR标准的进一步提高，对Mini-LED背光的亮度也提出了更高的要求，亮度提升导致Mini-LED灯板的功率进一步提高，随之而来的是灯板的发热量增加、温度升高。灯板温度的升高不仅会导致LED寿命的显著下降[4-7]，也导致了灯板内部的热应力的显著升高，使灯板在高温下出现板翘曲、局部灭灯等不良现象。

本文选取Mini-LED灭灯问题作为研究对象，从Mini-LED灯板的结构和制作工艺出发，对灯板的灭灯机理进行分析。并根据Mini-LED灯板的结构，建立有限元仿真模型，通过有限元热-力学耦合对Mini-LED背光模组点亮过程中，灯板受热膨胀产生的应力、芯片所受到的推力进行了计算。将芯片推力值进行实测，与模拟值进行比较，并基于比较结果，调整芯片制作工艺参数，并将改善前后灭灯数据进行统计，验证结果改善程度。

2 Mini-LED灭灯现象

Mini-LED背光模组室温下点灯过程中、高温试验点灯过程中，在不受外力影响的情况下，可能会在模组点亮后的一段时间内出现个别芯片灭灯的现象。灭灯芯片大多分布在灯板的边界位置，如图1所示。

由于Mini-LED灯板功率较高，热功率较大，在模组状态下点亮后，灯板产生的热量不能及时传出，且在灯板点亮到灭灯过程不会受到外力影响，因此考虑灭灯现象可能与灯板点亮过程产生的热应力相关。

图1 Mini-LED灭灯示意图Fig.1 Schematic diagram of Mini-LED light-off

3 灯板制作工艺及灭灯机理探讨

3.1 Mini-LED灯板制作工艺

Mini-LED灯板的制作过程应用了COB(Chip On Board)工艺，即将灯板的发光芯片直接集成在印刷电路板上。Mini-LED灯板的基板为多层印刷电路板PCB板，PCB板是导电铜层通过菲林处理曝光、蚀刻，产生所设计的各层导电线路后，各导电层之间插入绝缘材料压合而成，压合后在裸露的铜层电路，进行防焊油墨的印刷，主要起保护导电铜层和提高灯板反射率的作用。同时，在防焊油墨印刷时，应避开将焊接芯片的焊盘位置，防止后期芯片焊接不良、虚焊。在完成以上工艺后需要对焊盘位置进行化金处理，防止在印刷线路板制作完成到芯片焊接的过程中，焊盘被氧化腐蚀。

在灯板制作完成后，灯板发光芯片的集成过程用到了回流焊工艺。回流焊工艺需要将灯板的焊盘位置涂刷焊接锡膏，随后在相应位置贴放发光芯片，经固化后利用外部热源将灯板加热，使锡膏能够再次流动，使焊盘和发光芯片之间产生可靠的电气连接和机械连接，以达到芯片焊接的目的[8-9]。

发光芯片焊接完成后，为防止芯片受到外力的影响，保证发光芯片到扩散板之间的混光距离(OD)，还需在基板以及芯片上部喷涂一定厚度的透明保护胶。保护胶喷涂完成后，在灯板上侧会形成一个平整的平面。Mini-LED制作工艺流程如图2所示。

3.2 Mini-LED灯板灭灯机理分析

Mini-LED灯板保护胶喷涂工艺在室温环境下进行，因此认为在室温环境下，灯板和保护胶处于零应力状态，芯片所受到应力为0。模组状态点亮后(尤其是在高温信赖性测试点亮状态下)，Mini-LED灯板的温度迅速上升，由于灯板产生热量无法及时散去，灯板处于高温状态，导致灯板受热膨胀，由于保护胶热膨胀率大于灯板基板材料热膨胀率，灯板基板和保护胶之间会产生轻微位移，导致芯片受到保护胶的挤压推力，如图3所示。当芯片所受推力达到一定强度，将会使芯片与灯板基板之间的焊锡产生破裂，造成发光芯片与焊盘间电气连接失效，发生灭灯现象。

图2 Mini-LED制作工艺流程Fig.2 Manufacture process of Mini-LED light board

图3 芯片受应力示意图Fig.3 Schematic diagram of chip stress

4 有限元模型建立及仿真

针对Mini-LED背光灯板的灭灯不良现象，有限元进行建模分析的思路是：首先使用热学仿真模块建立热学仿真模型，并对所建立模型进行仿真计算，将所计算结果与实测结果进行对比，验证分析模型的可靠性。之后将热学仿真所得到的灯板的温度场导出到力学仿真模块，进行力学耦合仿真，以获得灯板由于热膨胀作用所导致的热应力最大值。

4.1 热学分析模型建立及可靠性验证

图4 Mini-LED模组基本架构示意图Fig.4 Schematic diagram of Mini-LED module structure

Mini-LED显示模组的架构由图4所示，其中Mini-LED灯板用导热双面胶贴附在铁背板上，光源Mini-LED灯板出射后经扩散板调制光源、各层膜材后光透过显示屏幕，使显示屏处于点亮状态。由于Mini-LED灯板结构的特殊性，需将灯板所含材料属性进行分析。灯板的基板主要由导电铜层和绝缘层FR-4两种材料组成，这两种材料的热膨胀系数如表1、表2及图5所示[9]。由于灯板受热区间主要在低温区(<90 ℃)环境下，考虑到在低温区该两种材料的膨胀系数比较接近，因此可将灯板基板模型进行简化，建模时不再将FR-4层和铜箔层分开考虑。由于在低温区保护胶的热膨胀系数在1×10-4左右，与灯板基板材料热膨胀系数值相差较大，为分析灯板与保护胶之间膨胀应力，将灯板分为灯板基板层和保护胶层进行建模。

表1 FR-4随温度变化热膨胀系数Tab.1 CTE of FR-4 with temperature

表2 铜箔随温度变化热膨胀系数Tab.2 CTE of copper foil with temperature

图5 FR4与铜箔CTE值对比图Fig.5 Comparison diagram of FR-4 and copper foil CTE with temperature

由于模组散热主要方式为自然对流散热，其控制方程为：

(1)

其中：ρg项为自然对流浮力项，考虑到模组散热所处空间气体密度变化不大，由布辛尼斯克模型对模型进行计算，即在控制方程中认为流体密度为温度的线性函数，在其他求解方程中，认流体密度为常数。控制方程中，浮力项的密度公式为：

ρ-ρ=ρβ(t-t)，

(2)

其中：ρ为周围环境空气密度，t为周围环境空气温度，β为周围环境空气的热膨胀系数。

在自然对流状态下，通常由瑞利数作为流态的判据，可对流体的流态进行判断：

(3)

其中：g为重力加速度9.8 m/s2，β热膨胀系数取3.66×10-3，温差ΔT取30 K，运动黏度ν=1.62×10-5m2/s，热扩散系数α=2.19×10-5m2/s，特征长度L=0.3 m。

由瑞利数计算可知模型瑞利数小于109，因此将该模型的自然对流散热过程，流体流态设置为层流状态。

Mini-LED灯板发热量，由积分球测试得出灯板出光功率值52.08 W，灯板输入功率为102.38 W。假设灯板能量损耗全部转换为热能，可知灯板热功率为50.3 W。设置模型初始环境温度为25 ℃，与空气自然对流，并考虑模组竖直放置状态下的重力影响，设置重力方向为Y轴负向。灯板中铜箔层与FR4层复合，计算得出灯板综合导热率为66 W·m-1·K-1。模组中各部品热物性参数如表3所示，背板为冲压板材，辐射率较低，取0.26；其他非金属材料辐射系数均在0.9左右[10]，基于此将非金属材料设置辐射系数为0.9。

表3 热模拟各部品热物性输入参数[10]

Tab.3 Thermal parameters of each component thermal in simulation[10]

部品名称部品材料导热系/(W·m-1·K-1)辐射系数背 板SECC720.26双面胶PSA1灯 板FR466保护胶硅基树脂0.16扩散板PS0.15胶 框PC0.23膜 材PET基材0.2显示屏玻璃1.20.9

为验证模拟可靠性，选用685.8 mm(27 in)Mini-LED模组进行温度实测，如图6所示。同时为保证测试结果严谨性，温度测试在模组点亮状态下分别在模组的正面和反面共取13点，用热电偶进行温度监测。在热模拟软件中，利用探针Probe工具可测量出相应温度测点的模拟值，将模拟结果与实测结果进行对比，以确认热学分析模型的可靠性。模拟结果与实测结果的对比如表4及图7所示。

表4 模拟温度与实测温度对比值Tab.4 Comparison of simulation and measurement

图6 模组温度模拟结果与实测示意图Fig.6 Simulation result and measuring schematic of MDL

图7 实测温度与模拟温度值对比图Fig.7 Comparison diagram of simulation and measurement

由实测结果与模拟结果的对比可知，模拟所得到温度分布与实测值基本吻合，最大差异点误差为：

(4)

由于模拟结果与实测结果小于5%，模拟在误差范围内，因此认为热学分析模型是可靠的。

4.2 热力耦合有限元计算分析过程

为模拟在极限状态下，灯板与保护胶表面的芯片受力，模拟条件选则高温试验条件下环境温度为60℃。通过已建立模型，计算得到60 ℃环境温度下模组温度分布如图8所示。

图8 高温试验条件下模组温度分布模拟结果 Fig.8 Thermal field of module under high temperature

在灯板受热膨胀变形过程中，灯板与双面胶有可能会产生分离，为去除背板固定影响，模拟灯板受热状态下灯板基板和保护胶所产生的极限热应力，力学模拟过程将灯板单独取出做应力分析。力学模型输入参数如表5所示。

表5 力学模型部品力学性能输入参数

Tab.5 Mechanics parameters of each component in simulation

部品名称杨氏模量/MPa泊松比CTE/℃-1灯板基板1 8400.1116e-6双面胶2900.48100e-6

在力学模型中，设置灯板和保护胶接触为Bonded，导入热模型中灯板基板及保护胶温度场作为负载进行热应力仿真。经计算，灯板基板表面的最大主应力分布如图9所示。由灯板最大主应力分布可知，最大应力处位于灯板边界位置，通过主应力方向分布可知，最大主应力方向与灯板基板近似平行，且方向指向灯板短边。

(a) 灯板基板表面最大主应力分布(a) Major principle stress field of light board on substrate surface

(b) 最大主应力最高处应力大小分布(b) Major principle stress field in maximum position

(c) 最大主应力最高处应力方向分布(c) Direction of major principle stress in maximum position图9 灯板基板表面最大主应力分布情况Fig.9 Major principle stress of light board on substrate surface

由应力分布可对芯片受力进行计算，所用 Mini-LED模组中所使用发光芯片型号为1021，芯片尺寸为254 μm×530 μm×110 μm (10 mil×21 mil×4.3 mil)，由最大主应力方向分布可知，芯片长边侧面垂直于最大主应力方向，芯片所受最大推力为：0.0749 mm2×16.88 MPa=1.26 N=128.48 gf。

4.3 改善过程及结果分析

对Mini-LED灭灯机理的分析结果可知，通过增加芯片与灯板基板间的锡膏附着力，可有效减小芯片的灭灯风险。在锡膏的熔点偏高的情况下，会导致在回流焊工艺过程中，未发生完全熔化，容易在锡膏中发生分层界面，对芯片附着力产生影响。改善方式主要是调整锡膏组成成分，略降低锡膏熔点，使锡膏在回流焊过程中熔融程度提高，从而使芯片附着力提升。为对比改善前后锡膏附着力，使用推力测试机对改善前后灯板芯片进行最大推力测试，所推芯片表面为芯片长边侧面。改善前后芯片最大推力数据如表6所示，改善后实测推力值与改善前推力值对比如图10所示。

表6 锡膏改善前后芯片最大推力值对比

Tab.6 Comparison of maximal chip thrust value before and after solder paste improvement

测试组数改善后推力/gf改善前推力/gf1144.3147.12129.7153.13162.6135.44144.3141.05128.0114.36138.8103.87142.7127.48153.1120.89140.6127.410152.5127.411145.6126.512172.1116.513140.3112.9

续 表

图10 芯片锡膏改善前后芯片最大推力对比图Fig.10 Comparison diagram of simulation and measurement before and after improvement

由实测结果与模拟值对比可看出，模拟值处于改善前实测值下四分位数与上四分位数范围内，且大于改善前芯片平均推力值，说明模拟所得数值符合实际情况，且在极限状态下，有较大风险发生灭灯现象。锡膏改善后，平均推力较之前增加15%，且实测值的下四分位数值已大于芯片在极限状态下所受应力值，因此发生灭灯风险大大降低。

比较改善前后灯板灭灯的数据，对改善前灯板进行统计，在高温信赖性试验中，总共116 640颗芯片出现灭灯的芯片数量为13颗，灭灯出现概率为1.13×10-4；对锡膏进行改善后，抽取改善样品进行信高温赖性测试状态下点灯检测，共51 840颗芯片，灭灯数量为0，因此认为锡膏改善后灭灯出现概率降低至<1×10-5，改善效果明显。

根据分析结果，除了直接提高芯片锡膏推力，可以降低灭灯风险外，温度也是决定基板与保护胶界面应力的关键因素。因此，提升模组的散热能力，降低模组整体温度，从而间接地降低基板与保护胶界面的应力值，同样是降低灭灯风险的有效途径。

5 结 论

本文针对Mini-LED灭灯现象，从Mini-LED灯板制作工艺入手，分析灭灯现象发生机理，得出灯板基板与导热胶之间产生的热应力是导致Mini-LED芯片脱焊灭灯的直接原因。基于有限元模拟方法，建立了Mini-LED模组的热模拟模型，经过与实测温度数据对比，模型模拟精度在5%以内。将模组在高温试验下的灯板温度分布，导入力学仿真模块进行模拟，得出极限状态下灯板基板上芯片所受最大推力为128.48 gf，该数值位于实测芯片推力最大值下四分位数与上四分位数范围内，且高于实测芯片最大推力的平均值，因此灭灯现象发生风险较高，模拟结果与事实情况符合，具有可信性。基于此，将芯片锡膏进行改善后，芯片最大推力在提高15%的情况下，灯板的灭灯概率从1.13×10-4降低至<1×10-5，改善效果明显。