OLED显示模块的加固方案

2021-08-26卢业能

中国新技术新产品 2021年10期

卢业能

（1.中航华东光电有限公司，安徽芜湖 241002；2.特种显示技术国家工程实验室，安徽芜湖 241002；3.安徽省现代显示技术重点实验室，安徽芜湖 241002）

0 前言

OLED显示技术具有自发光、低功耗、高对比度等技术特点，目前已广泛应用于手机、平板电脑等中小尺寸的显示领域，并逐渐成为消费电子行业的主流显示技术[1]。早期的OLED显示屏往往存在随着使用显示画面增加出现烧屏、发黄等显示缺陷，随着显示技术的进步，早期产品的显示缺陷问题已被攻克，OLED显示屏可靠性大幅提升，并逐步应用于中小尺寸的加固显示模块产品中[2]。

典型的加固显示为标准的黑底白字显示画面，自发光的OLED显示技术相较于LCD显示的黑背景亮度更低，显示画面的黑白反差明显，识别度高；同时OLED显示屏的色域范围比LCD显示明显增大，色彩还原能力显著增强。OLED 的高对比度、广色域设计特别适合用于高亮环境下的清晰显示。该文结合OLED的显示技术特点及加固显示需求提供了一种常用的OLED显示模块加固设计方案。

1 加固设计

OLED显示屏是一种主动发光的显示设备，在低温-40℃下可正常启动，无须参照液晶显示模块的加固方案设计背光系统和低温加热系统；振动产生的盒厚变化不会对显示质量产生明显影响，整体抗振动性能相对明显优于液晶显示屏；整体加固设计方案相对简洁，架构示意图见图1。

图1 OLED显示模块加固架构

产品加固设计的主要零部件包括结构件、屏蔽滤光片、OLED显示屏及电路板，各部件实现相应的功能。采用成熟可靠的装配工艺将各零部件有机结合，满足加固显示模块的功能及环境试验设计要求。

1.1 结构件

结构设计在整个产品中起安装固定的作用，将各设计零部件安装在一起，并与显示系统进行安装匹配，实现产品功能。

为满足整机的减重及结构强度要求，结构件一般选用国家标准牌号的铝合金材料。铝合金材料具有强度高、质量轻等优点，考虑加固显示模块的环境适应性要求，结构表面通常会采用导电氧化及喷漆等防腐处理，提升铝合金的抗腐蚀能力。

结构件为产品的外轮廓设计尺寸，需要按照显示系统的设计布局及显示模块内部的零部件尺寸进行设计，外部安装固定方案按照用户要求执行。结合整机的减重、密封、方便维修及电磁兼容等要求，一般OLED加固显示模块的结构件采用整体设计，不采用拼接布局（可按需求设计压块用于辅助固定安装），如图1所示。

1.2 屏蔽滤光片

屏蔽滤光片设计在显示模块中主要起减反、屏蔽及加固作用。

显示模块是整个显示系统的显示器件，当强光照射显示器件表面时，由于器件内部材料的反射特性，显示器件表面会产生反射光线，降低强光照射时的对比度，一定程度下影响显示性能，显示模块的反射简化模块见图2。

图2 显示模块反射简化模型

L1为入射光线，R1屏蔽滤光片表面的反射光线，R2显示器件整体产生的反射光线，总反射率为两者之和。为消除屏蔽滤光片与显示器件之间的界面反射，一般会采用折射率相近的光学胶水进行填充设计，降低整机的反射率；显示器件自身的反射率为材料自身的固有属性，无法改变；显示模块的低反射设计主要集中在屏蔽滤光片，表面采用光学折射率匹配镀膜设计，降低屏蔽滤光片表面反射，进而控制显示模块产品的反射性能，光学镀膜设计时采用透明的ITO导电膜为其中的镀膜材料，形成导电层，实现电磁屏蔽功能。屏蔽滤光片一般会采用玻璃基材进行设计开发，玻璃材料具有一定的机械强度及光学镀膜可加工性。采用光学胶水将屏蔽滤光片与OLED显示屏进行面黏后形成黏接整体，有效地提高了显示器件的整体强度，起到加固作用。

1.3 OLED显示屏

OLED显示屏是显示模块的显示器件，决定了显示模块的绝大部分显示指标及显示性能。

OLED显示屏选型需要根据用户的具体技术指标要求开展，主要指标包括有效显示面积、分辨率、灰度等级、对比率、观察视角、显示色度、显示亮度等指标要求。OLED显示屏作为主动发光显示器件，特别适合应用于以黑底显示为主的加固显示模块，工作时功耗低；OLED显示屏的对比率指标较高，一般可达100000∶1，在黑白反差显示上具有明显的优势。

OLED显示屏在不同的温度下工作时，受到发光材料自身特性的影响，显示亮度与色度会产生一定程度地漂移；另外高低温会影响OLED显示屏的寿命，工作温度范围越大，环境应力越大，寿命越短。

1.4 电路板

电路板是显示模块的电气控制组件，主要进行电源转换、视频信号处理及控制模块，主要由电路印制板、电子元器件及连接器构成，电路原理框图见下图3。

图3 电路原理框图

电源转换是根据用户接口所提供电压，经过DC/DC电源芯片转化为电路需要的稳定直流电压。电压转换主要有2路设计，一路通过DC/DC模块生成低电压给内部控制器供电，实现控制器正常工作；另一路通过DC/DC模块生成OLED屏工作的电压，供OLED正常工作使用。

视频信号控制包括对用户输入信号的处理及控制，经过缓冲均衡、格式转化等操作后转化成OLED显示屏匹配的数据格式，供给OLED显示屏。

控制模块包括显示模块内部功能控制、对外通信及自检电路。用户通过标准的数字通信接口按照约定的数据格式传输相应的控制命令要求，内部控制模块接收到控制命令后实现相应的显示模块内部亮度控制、显示模式转换等功能；自检测电路主要检测内部功能电路是否正常工作，如出现故障，及时发出报警。

2 环境适应性设计

环境适应性指的是产品实际使用的环境条件，产品设计时需要综合考虑各类复杂环境下的应用，属于产品整体性能综合设计。显示模块是显示器类产品的显示部件，环境适应性设计需要匹配整机的设计及模块自身的功能需求，通俗来说就是显示模块先要保证自身在环境条件下的正常工作，同时需要配合显示产品整机在需求的环境条件下的正常工作。

2.1 高低温贮存

高低温贮存考核的是产品设计采用设计材料及工艺材料的耐高低温性能。

该设计原则是按照项目要求的温度范围进行材料选型，并对选型的材料开展相应的摸底验证试验；同时需要兼顾各设计材料组合后产生的应力集中及受力不均的情况，加固的OLED显示模块一般采用玻璃基的OLED显示屏相对较多，屏蔽滤光片由于需要高温光学镀膜一般采用的是玻璃基材，结构组件采用铝合金材料。不同类型的材料在高低温下产生的形变不同，需要进行相应的缓冲设计。

2.2 高低温工作

高低温工作考核的是产品宽温条件下工作性能。OLED显示屏采用的固态主动发光器件设计，低温-30°下可正常启动工作，一般不设计加热系统。高温工作时，OLED显示屏驱动芯片、显示区域及电路板的局部位置会产生热量，易造成局部热量不均匀，产生局部显示缺陷，影响显示器件的寿命，需要进行针对性高温散热设计。OLED显示模块的产品设计相对轻薄，散热设计空间有限，可在OLED屏与电路板之间设计一层导热匀热材料，用于控制产品的热量分布，实现热量均匀化。

OLED显示屏在高低温工作时受到红、绿、蓝发光材料自身的效率影响，宽温工作时可能会出现显示颜色的漂移。不同的OLED显示屏漂移的程度不同，如差异较小，基本不影响整体显示性能，一般不进行额外处理；如差异较大，可采用的温度与显示颜色补偿方案进行优化。温度与显示颜色补偿方案是在摸底OLED显示屏的高低温显示数据的基础上进行数据分析，获得其显示颜色在高低温下的变化规律，进行适应性调整，输出相应的随温度变化的驱动参数，并进行试验验证，满足需求即可固化参数；不满足需求继续重新调整优化至满足要求，原理框图见下图4。

图4 温度与显示颜色补偿方案原理图

2.3 抗振动设计

加固显示模块往往需要工作在一定的振动环境下，自身需要进行抗振动加固设计。

OLED显示屏是一种固态自发光显示器件，内部没有液晶屏设计中采用背光组件及液晶材料，不存在加固液晶显示屏常见的振动Mura及光学膜组划伤等缺陷。

加固OLED显示模块前端的屏蔽滤光片与OLED显示屏进行光学绑定设计，形成整体组件结构，绑定后增加了OLED玻璃基板的强度，光学胶也对液晶屏起到减震、缓冲的作用，大幅度提升显示组件的抗振性能。OLED显示屏组件的薄弱点为OLED屏的基板根部的柔性电路板（FPC），在长期振动过程中，FPC因受力会导致内部的引线发生断裂，造成信号异常。显示模块装配时，采用有一定弹性性能的泡棉、硅橡胶等辅助材料进行密封加固，缓解振动冲击力度，保证抗振动设计的性能。

2.4 防潮设计

防潮设计时为了提升加固显示产品整体的使用寿命，显示模块的防潮设计主要针对密封及裸露表面进行处理。

显示模块采用整体式结构设计，显示组件与结构之间的显示屏开口、加热柔性带出线位置、灯板出线位置等必须在开口的位置进行密封加固处理，形成整体对外密封设计整体。硅橡胶除了具有的优良的耐老化性、防潮型性、电绝缘性和抗电弧性能等特点外，还具有表干时间短、对大多数金属和非金属材料黏接力强、无毒、无腐蚀等特点，起到绝缘、防潮、防震、定位作用。

对电路板进行三防处理，能有效地保护电路板上的电子元器件，避免元器件及焊点直接暴露在外部严苛的环境下，降低电路板及元器件的环境风险。

2.5 电磁兼容设计

电磁兼容设计是显示产品综合性能的设计，主要是对显示模块进行电磁屏蔽及自身辐射控制设计。

屏蔽就是利用屏蔽体阻止或减少电磁能量传输的一种措施。屏蔽体是用以阻止或减小电磁能传输，对装置进行封闭或遮蔽的一种阻挡层，可以是导电、导磁介质的，或带有非金属吸收填料的。若模块外壳设计成完全密闭的导电壳体，可以较好地实现上述2个屏蔽目的。但实际考虑到装配、散热、维护等因素，必然存在着缝隙和孔洞。这些缝隙和孔洞导致了屏蔽体电流的局部不连续，是使屏蔽效能降低的主要原因。在结构设计过程中，必须有效地处理这些缝隙和孔洞，使其最大程度地达到理想的电磁屏蔽效果。结构件采用铝合金材料，表面进行导电氧化处理，对电磁波起到阻止、隔离及吸收的作用；显示模块对外的屏蔽滤光片进行了相应的导电镀膜处理，形成屏蔽层并与结构紧密连接，同时与整机外壳连接形成一个连续密封的良好导电体，实现整体屏蔽设计。

自身辐射控制设计主要电路设计综合器件选型、PCB布局及信号隔离与干扰等设计控制。元器件选型时优先选择低辐射类器件，在电路布局以及工艺走线时，应合理布线（走线）及对电路功能进行分区。将电源回线之间隔离，电源回线与机壳地隔离；通过结构设计和搭接设计建立连续性良好的机壳屏蔽；合理的布线要求对不同类型的输入、输出电源线及信号线进行分类、分区处理。布线包括经由电连接器接入/出的输入/输出电源和信号线在产品内部的布局以及印制板布线，尤以印制板布线为重点，并进行分区接地，减小地环路面积，防止公共阻抗耦合，通过采取抑制共模干扰措施等，降低整版电磁辐射水平。