LED顯示屏是指由LED器件陣列組成，通過一定的控制方式，用于顯示文字、文本圖形等各種信息以及電視、錄像信號(hào)的顯示屏幕。人眼對(duì)不同顏色的分辨能力來源于視網(wǎng)膜上3種不同類型的視錐細(xì)胞，分別對(duì)紅綠藍(lán)三色有不同的敏感程度。在3種視錐細(xì)胞的共同作用下，人們就可以對(duì)由R、G、B三基色不同比例混合的顏色像素進(jìn)行判別與感覺。利用視覺惰性，人眼可在一個(gè)視覺延遲周期內(nèi)對(duì)各像素整體感覺而構(gòu)成一幅全彩畫面。因此視覺惰性與RGB三基色混合全彩就成為LED顯示屏廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)。掃描驅(qū)動(dòng)方式的顯示屏就是利用了視覺惰性，以足夠高的頻率依次點(diǎn)亮RGB發(fā)光的LED像素，使人眼看起來各像素LED都在發(fā)光[3,4]，這些變化的發(fā)光像素就形成一幅幅彩色動(dòng)畫畫面。每一LED彩色像素一般可由紅綠藍(lán)三顆可獨(dú)立控制的LED組合而成。

LED顯示屏行業(yè)已經(jīng)進(jìn)入整合階段，各方面技術(shù)逐漸成熟，人們對(duì)LED顯示屏的顯示畫質(zhì)要求越來越高，LED顯示屏領(lǐng)域朝著很高清、高密度、高分辨率、小間距和智能化等方向發(fā)展[5]。因而對(duì)LED顯示屏屏體的制造技術(shù)尤其是LED顯示屏模組的封裝技術(shù)要求越來越高，當(dāng)前小間距LED顯示屏的像素點(diǎn)間距都在2.5mm以下，甚至更小。然而當(dāng)前的高清小間距LED顯示屏大都采用表面貼裝三合一的LED燈珠通過回流焊的方式封裝在模組基板上。這種方式雖然技術(shù)成熟，應(yīng)用廣泛，然而采用這種分立式LED器件組裝成的高密度LED顯示屏，存在著良品率低、可靠性差和散熱不良等問題。而采用本文所述新型的集成式封裝方式——COB（板上芯片）封裝，直接將LED裸芯片封裝到模組基板上，然后進(jìn)行整體模封。這種COB封裝的全彩LED模組具有制造工藝流程少、封裝成本較低、封裝集成度高、顯示屏的可靠性好和顯示效果均勻細(xì)膩等特點(diǎn)，有望成為未來高密度LED顯示屏模組的一種重要的封裝形式。

1COB封裝模組結(jié)構(gòu)

受到表面貼裝封裝形式的LED顯示模組單個(gè)像素封裝尺寸的限制，要想進(jìn)一步減小LED表面貼裝器件的尺寸已經(jīng)變得非常困難。由電子產(chǎn)品可靠性理論可知，眾多分立元件組裝在一起的可靠性遠(yuǎn)低于集成元件，因而要想提高小間距LED顯示屏模組的可靠性，必須提高LED封裝的集成度。借鑒大規(guī)模集成電路封裝中的COB技術(shù)，可以大大提高LED顯示模組的像素密度。COB封裝可實(shí)現(xiàn)高密度的LED顯示陣列，它將顯示的較小單位上升為COB顯示模組。COB顯示模組的封裝載體是顯示模組的線路基板，直接將紅綠藍(lán)三色LED裸芯片封裝在顯示模組線路基板上，完成LED的電氣連接和機(jī)械固定，并提供LED工作時(shí)的散熱通路和光學(xué)通路。這種通過COB工藝封裝后得到的不再是單一的LED發(fā)光器件，而是具有顯示功能的顯示部件，這便是集成化的COB顯示模組。

圖1是基于COB封裝技術(shù)的高集成化LED顯示模組。由電路基板（PCB）、設(shè)置在PCB背面的驅(qū)動(dòng)芯片電路和陣列引腳（球柵或柱），以及設(shè)置在PCB正面的LED燈模組組成。模組中的每個(gè)LED單體包括3顆燈芯、4個(gè)引腳以及1個(gè)正很（或負(fù)很，共負(fù)很結(jié)構(gòu)），每顆RGB發(fā)光晶片通過金線與對(duì)應(yīng)的RGB引腳相連，正很通過金線與引腳相連。

借鑒現(xiàn)有的表面貼裝三合一的SMD封裝燈珠內(nèi)部的RGB裸晶的分布與電路連接，COB模組的像素單元也基本類似。以共陽很接法為例，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

在COB基板的每一個(gè)像素點(diǎn)位置封裝了紅綠藍(lán)三色裸芯片，三色芯片共陽很連接，這種方式可以適用于現(xiàn)有的LED顯示屏的掃描驅(qū)動(dòng)方法。這種COB封裝的RGB顯示模組將傳統(tǒng)的表面貼裝LED燈珠的封裝和模組基板的組裝兩個(gè)工藝過程合二為一，在完成LED封裝的同時(shí)也完成了基板的封裝，使得原本復(fù)雜的工藝流程得到大幅度簡化，所用的原材料也大幅度減少，生產(chǎn)成本大幅度降低。由于將整個(gè)模組上的LED芯片和驅(qū)動(dòng)芯片都集成在一起，LED芯片可以得到很好的機(jī)械保護(hù)，可靠性大大提高，可以實(shí)現(xiàn)小于2.0mm的像素間距。由于封裝工藝過程簡單，更適合于批量生產(chǎn)。LED芯片直接封裝到模組基板上，散熱路徑變短，散熱效果變好，從根本上解決了現(xiàn)有的LED顯示屏容易死燈的問題。

2COB模組的封裝工藝

為研究COB封裝工藝應(yīng)用于LED顯示模組制造的可行性，我們?cè)O(shè)計(jì)了像素點(diǎn)間距為2.0mm的COB封裝顯示模組，完成了COB顯示模組樣板的制作。由于LED顯示模組的COB封裝是將紅綠藍(lán)LED裸芯片直接封裝到基板上，因此，該基板不僅提供LED裸芯片的安裝固定和電氣連接，還要保證可以將多個(gè)LED顯示屏模組拼在一起構(gòu)成一個(gè)完整的LED顯示屏。這就要求每一個(gè)像素的點(diǎn)間距是一致的，即COB封裝中的固晶、焊線和模封等工藝及基板設(shè)計(jì)均要保證各像素的一致性。

2.1LED裸晶與封裝基板布線

選用如圖3所示的紅綠藍(lán)LED裸芯片，其中紅光芯片為反電很垂直結(jié)構(gòu)，芯片的下表面為陽很，陰很在芯片上表面；藍(lán)光芯片和綠光芯片均為藍(lán)寶石襯底的水平結(jié)構(gòu)，陽很和陰很均在芯片上表面。為適應(yīng)LED顯示屏的掃描驅(qū)動(dòng)，將組成一個(gè)像素的紅綠藍(lán)三顆LED芯片的陽很通過焊線連接在一起。這種共陽很的連接方案可使基板上有更寬的空間用于布線。

設(shè)計(jì)的LED顯示屏COB模組基板焊線圖如圖4所示，組成一個(gè)顯示像素的紅綠藍(lán)三顆芯片均固晶到一個(gè)大焊盤上，保證足夠大小的固晶空間，同時(shí)大面積的銅焊盤使得COB模組基板的散熱性能提高，減少死燈，增強(qiáng)可靠性。

紅綠藍(lán)三顆LED芯片的陰很通過焊線焊接到線性分布的三個(gè)陰很焊盤上，藍(lán)光和綠光芯片的陽很焊接到用于固晶的陽很大焊盤上，每個(gè)顯示像素需要綁定5根連線，焊線方向一致，焊線長度相同，在合適精度的自動(dòng)焊線設(shè)備的保證下，很容易獲得高良率的COB模組。

2.2封裝工藝流程

首先將紅綠藍(lán)三色芯片粘貼在基板上，然后利用引線鍵和技術(shù)進(jìn)行LED芯片和基板的電氣連接，之后利用半透明黑色塑封料對(duì)LED芯片進(jìn)行塑封，起機(jī)械保護(hù)作用，在光學(xué)上則可以起到防止相鄰像素間串光，提高對(duì)比度的作用。具體步驟如下：步：擴(kuò)晶。采用擴(kuò)張機(jī)將廠商提供的整張LED裸晶片薄膜均勻擴(kuò)張，使附著在薄膜表面緊密排列的LED晶粒拉開，便于刺晶。

第二步：背膠。將擴(kuò)晶好的擴(kuò)晶環(huán)放在已刮好銀漿層的背膠機(jī)面上，背上銀漿。點(diǎn)銀漿適用于散裝LED芯片。采用點(diǎn)膠機(jī)將適量的銀漿點(diǎn)在基板上。

第三步：將備好銀漿的擴(kuò)晶環(huán)放入刺晶架中，用刺晶筆將LED晶片刺在PCB上。

第四步：將刺好晶的基板放入熱循環(huán)烘箱中恒溫靜置一段時(shí)間，待銀漿固化后取出。該工藝應(yīng)注意時(shí)間不可太長，否則LED芯片鍍層會(huì)烤黃、氧化，給引線鍵合工藝造成困難。若采用UV膠，則可在常溫下通過紫外光進(jìn)行固化，由此可解決熱固化導(dǎo)致晶片鍵合焊盤氧化的問題。

第五步：引線鍵合(打線)。采用引線鍵合機(jī)將LED裸芯片與PCB上對(duì)應(yīng)的焊盤進(jìn)行引線鍵合，即COB的內(nèi)引線焊接。

第六步：前測。使用專用檢測工具檢測COB板。

第七步：整板模封。將焊完線并經(jīng)檢測無誤的LED顯示屏模組放入與基板對(duì)應(yīng)大小的模具中，注入適量的導(dǎo)熱塑封硅膠，靜置，使得模組上液體硅膠處于一個(gè)水平面。

第八步：固化。UV固化，或者將封好膠的PCB放入熱循環(huán)烘箱中恒溫靜置，根據(jù)要求可設(shè)定不同的烘干時(shí)間。

第九步：后測。將封裝好的LED顯示模組用專用的檢測工具進(jìn)行電氣性能測試，區(qū)分優(yōu)劣。

3COB模組的測試

圖5為經(jīng)過上述工藝封裝好的COB模組，由圖5可見經(jīng)過整板塑封后的LED顯示屏模組一致性非常好。

COB封裝過程中的固晶、焊線和模封是較關(guān)鍵的三個(gè)步驟。固晶不良會(huì)影響后續(xù)的焊線操作。如圖6所示，由于固晶的焊盤設(shè)計(jì)不合理，導(dǎo)致LED芯片下表面未完全覆蓋銀膠，使得在焊線時(shí)受力不均勻，造成焊線的良率下降。理想的固晶結(jié)果是LED芯片下表面的四邊都能壓在銀膠上，即所謂的四面包膠。固晶和焊線焊盤共同決定焊線的方式，不合理的基板設(shè)計(jì)也會(huì)增加焊線的難度，從而降低焊線良率。因而要提高LED顯示屏模組的COB封裝成品率和可靠性，一方面要保證所用LED芯片的光電性能盡量相差較小，可以選用經(jīng)過分選和測試的同一批次的LED芯片；另一方面，基板的設(shè)計(jì)要合理，在減小像素點(diǎn)間距的同時(shí)還要保證足夠的固晶空間，焊線方向盡量一致且焊線距離應(yīng)合適。

經(jīng)過固晶、焊線并經(jīng)電性能測試無誤之后，就要進(jìn)行LED芯片的塑封。針對(duì)LED顯示屏模組的特點(diǎn)，可以采用整板塑封的方法。整板塑封的優(yōu)點(diǎn)是塑封一致性較好，具有更好的顯示效果，并且整板塑封可靠性高。將待塑封的模組基板放入與之對(duì)應(yīng)的模具中，倒入液態(tài)塑封膠，蓋上蓋板，恒溫固化，將模組基板從模具中取出完成塑封。模封可以很好地控制塑封厚度和平整度，操作簡單，成本較低，是比較理想的整板塑封方法。

對(duì)于LED顯示屏的COB封裝，只是改變了像素單元的封裝方式，驅(qū)動(dòng)控制方式并未改變。針對(duì)COB封裝形式的P2.0LED顯示屏模組，設(shè)計(jì)了如圖7所示的驅(qū)動(dòng)電路。采用1/32動(dòng)態(tài)掃描驅(qū)動(dòng)方式，模組的分辨率為32×32，總共包含32×32×3顆LED芯片用于顯示。整個(gè)掃描驅(qū)動(dòng)電路可以劃分為四個(gè)模塊：外部I/O模塊、行掃描模塊、列驅(qū)動(dòng)模塊和LED陣列模塊。外部I/O模塊用于接收外部的控制信號(hào)和顯示數(shù)據(jù)信號(hào)，并分別傳遞給行掃描模塊和列驅(qū)動(dòng)模塊，行掃描模塊根據(jù)要顯示的行信號(hào)，給對(duì)應(yīng)行的LED陽很進(jìn)行供電，列驅(qū)動(dòng)模塊將串行的列顯示數(shù)據(jù)并行傳輸?shù)酱@示LED的陰很，LED陣列模塊接收行掃描模塊和列驅(qū)動(dòng)模塊的信息進(jìn)行顯示。

COB封裝顯示模組的驅(qū)動(dòng)原理和現(xiàn)有SMD封裝模塊是相同的。只需檢測COB封裝模組的32×32×3顆芯片能夠正常發(fā)光，就可判定COB顯示模組能夠正常使用。較方便的檢測方法是分別檢測紅綠藍(lán)三色顯示效果。從圖8可以看出，COB顯示模組顏色一致性較好，亮度高，顯示陣列尺寸精度高。

4結(jié)論

COB顯示模組具有工藝過程簡單、制造成本低廉、顯示效果優(yōu)良、可靠性高和使用壽命長等諸多優(yōu)點(diǎn)。可以很好地解決現(xiàn)有的表面貼裝三合一封裝形式所存在制造成本高、工藝過程復(fù)雜、容易死燈和燈珠容易碰掉等諸多缺陷，是高端小間距LED顯示屏較佳的選擇。

在進(jìn)行LED顯示屏COB封裝之前，必須對(duì)所用的LED晶圓進(jìn)行仔細(xì)的測試和篩選，確保各色LED亮度和色度均勻度滿足需求。在基板的設(shè)計(jì)時(shí)，要給固晶和焊線的焊盤提供足夠大小的空間，確保固晶時(shí)能夠達(dá)到四面包膠，形成牢固的粘接。焊線方向和焊線的距離盡量設(shè)計(jì)為相同，減小焊線操作的難度，同時(shí)優(yōu)化焊線的相關(guān)工藝參數(shù)，使得焊線良率滿足需求。在進(jìn)行整板模封時(shí)，不僅要保證每個(gè)模組都能很好地進(jìn)行塑封保護(hù)，還要保證每個(gè)模組塑封的厚度一致。