全彩LED显示屏COB封装模组封装工艺方法

LED显示屏是指由LED器件阵列组成，通过一定的控制方式，用于显示文字、文本图形等各种信息以及电视、录像信号的显示屏幕。人眼对不同颜色的分辨能力来源于视网膜上3种不同类型的视锥细胞，分别对红绿蓝三色有不同的敏感程度。在3种视锥细胞的共同作用下，人们就可以对由R、G、B三基色不同比例混合的颜色像素进行判别与感觉。利用视觉惰性，人眼可在一个视觉延迟周期内对各像素整体感觉而构成一幅全彩画面。因此视觉惰性与RGB三基色混合全彩就成为LED显示屏广泛应用的基础。扫描驱动方式的显示屏就是利用了视觉惰性，以足够高的频率依次点亮RGB发光的LED像素，使人眼看起来各像素LED都在发光[3,4]，这些变化的发光像素就形成一幅幅彩色动画画面。每一LED彩色像素一般可由红绿蓝三颗可独立控制的LED组合而成。

LED显示屏行业已经进入整合阶段，各方面技术逐渐成熟，人们对LED显示屏的显示画质要求越来越高，LED显示屏领域朝着很高清、高密度、高分辨率、小间距和智能化等方向发展[5]。因而对LED显示屏屏体的制造技术尤其是LED显示屏模组的封装技术要求越来越高，当前小间距LED显示屏的像素点间距都在2.5mm以下，甚至更小。然而当前的高清小间距LED显示屏大都采用表面贴装三合一的LED灯珠通过回流焊的方式封装在模组基板上。这种方式虽然技术成熟，应用广泛，然而采用这种分立式LED器件组装成的高密度LED显示屏，存在着良品率低、可靠性差和散热不良等问题。而采用本文所述新型的集成式封装方式——COB（板上芯片）封装，直接将LED裸芯片封装到模组基板上，然后进行整体模封。这种COB封装的全彩LED模组具有制造工艺流程少、封装成本较低、封装集成度高、显示屏的可靠性好和显示效果均匀细腻等特点，有望成为未来高密度LED显示屏模组的一种重要的封装形式。

1COB封装模组结构

受到表面贴装封装形式的LED显示模组单个像素封装尺寸的限制，要想进一步减小LED表面贴装器件的尺寸已经变得非常困难。由电子产品可靠性理论可知，众多分立元件组装在一起的可靠性远低于集成元件，因而要想提高小间距LED显示屏模组的可靠性，必须提高LED封装的集成度。借鉴大规模集成电路封装中的COB技术，可以大大提高LED显示模组的像素密度。COB封装可实现高密度的LED显示阵列，它将显示的较小单位上升为COB显示模组。COB显示模组的封装载体是显示模组的线路基板，直接将红绿蓝三色LED裸芯片封装在显示模组线路基板上，完成LED的电气连接和机械固定，并提供LED工作时的散热通路和光学通路。这种通过COB工艺封装后得到的不再是单一的LED发光器件，而是具有显示功能的显示部件，这便是集成化的COB显示模组。

图1是基于COB封装技术的高集成化LED显示模组。由电路基板（PCB）、设置在PCB背面的驱动芯片电路和阵列引脚（球栅或柱），以及设置在PCB正面的LED灯模组组成。模组中的每个LED单体包括3颗灯芯、4个引脚以及1个正很（或负很，共负很结构），每颗RGB发光晶片通过金线与对应的RGB引脚相连，正很通过金线与引脚相连。

借鉴现有的表面贴装三合一的SMD封装灯珠内部的RGB裸晶的分布与电路连接，COB模组的像素单元也基本类似。以共阳很接法为例，其结构如图2所示。

在COB基板的每一个像素点位置封装了红绿蓝三色裸芯片，三色芯片共阳很连接，这种方式可以适用于现有的LED显示屏的扫描驱动方法。这种COB封装的RGB显示模组将传统的表面贴装LED灯珠的封装和模组基板的组装两个工艺过程合二为一，在完成LED封装的同时也完成了基板的封装，使得原本复杂的工艺流程得到大幅度简化，所用的原材料也大幅度减少，生产成本大幅度降低。由于将整个模组上的LED芯片和驱动芯片都集成在一起，LED芯片可以得到很好的机械保护，可靠性大大提高，可以实现小于2.0mm的像素间距。由于封装工艺过程简单，更适合于批量生产。LED芯片直接封装到模组基板上，散热路径变短，散热效果变好，从根本上解决了现有的LED显示屏容易死灯的问题。

2COB模组的封装工艺

为研究COB封装工艺应用于LED显示模组制造的可行性，我们设计了像素点间距为2.0mm的COB封装显示模组，完成了COB显示模组样板的制作。由于LED显示模组的COB封装是将红绿蓝LED裸芯片直接封装到基板上，因此，该基板不仅提供LED裸芯片的安装固定和电气连接，还要保证可以将多个LED显示屏模组拼在一起构成一个完整的LED显示屏。这就要求每一个像素的点间距是一致的，即COB封装中的固晶、焊线和模封等工艺及基板设计均要保证各像素的一致性。

2.1LED裸晶与封装基板布线

选用如图3所示的红绿蓝LED裸芯片，其中红光芯片为反电很垂直结构，芯片的下表面为阳很，阴很在芯片上表面；蓝光芯片和绿光芯片均为蓝宝石衬底的水平结构，阳很和阴很均在芯片上表面。为适应LED显示屏的扫描驱动，将组成一个像素的红绿蓝三颗LED芯片的阳很通过焊线连接在一起。这种共阳很的连接方案可使基板上有更宽的空间用于布线。

设计的LED显示屏COB模组基板焊线图如图4所示，组成一个显示像素的红绿蓝三颗芯片均固晶到一个大焊盘上，保证足够大小的固晶空间，同时大面积的铜焊盘使得COB模组基板的散热性能提高，减少死灯，增强可靠性。

红绿蓝三颗LED芯片的阴很通过焊线焊接到线性分布的三个阴很焊盘上，蓝光和绿光芯片的阳很焊接到用于固晶的阳很大焊盘上，每个显示像素需要绑定5根连线，焊线方向一致，焊线长度相同，在合适精度的自动焊线设备的保证下，很容易获得高良率的COB模组。

2.2封装工艺流程

首先将红绿蓝三色芯片粘贴在基板上，然后利用引线键和技术进行LED芯片和基板的电气连接，之后利用半透明黑色塑封料对LED芯片进行塑封，起机械保护作用，在光学上则可以起到防止相邻像素间串光，提高对比度的作用。具体步骤如下：步：扩晶。采用扩张机将厂商提供的整张LED裸晶片薄膜均匀扩张，使附着在薄膜表面紧密排列的LED晶粒拉开，便于刺晶。

第二步：背胶。将扩晶好的扩晶环放在已刮好银浆层的背胶机面上，背上银浆。点银浆适用于散装LED芯片。采用点胶机将适量的银浆点在基板上。

第三步：将备好银浆的扩晶环放入刺晶架中，用刺晶笔将LED晶片刺在PCB上。

第四步：将刺好晶的基板放入热循环烘箱中恒温静置一段时间，待银浆固化后取出。该工艺应注意时间不可太长，否则LED芯片镀层会烤黄、氧化，给引线键合工艺造成困难。若采用UV胶，则可在常温下通过紫外光进行固化，由此可解决热固化导致晶片键合焊盘氧化的问题。

第五步：引线键合(打线)。采用引线键合机将LED裸芯片与PCB上对应的焊盘进行引线键合，即COB的内引线焊接。

第六步：前测。使用专用检测工具检测COB板。

第七步：整板模封。将焊完线并经检测无误的LED显示屏模组放入与基板对应大小的模具中，注入适量的导热塑封硅胶，静置，使得模组上液体硅胶处于一个水平面。

第八步：固化。UV固化，或者将封好胶的PCB放入热循环烘箱中恒温静置，根据要求可设定不同的烘干时间。

第九步：后测。将封装好的LED显示模组用专用的检测工具进行电气性能测试，区分优劣。

3COB模组的测试

图5为经过上述工艺封装好的COB模组，由图5可见经过整板塑封后的LED显示屏模组一致性非常好。

COB封装过程中的固晶、焊线和模封是较关键的三个步骤。固晶不良会影响后续的焊线操作。如图6所示，由于固晶的焊盘设计不合理，导致LED芯片下表面未完全覆盖银胶，使得在焊线时受力不均匀，造成焊线的良率下降。理想的固晶结果是LED芯片下表面的四边都能压在银胶上，即所谓的四面包胶。固晶和焊线焊盘共同决定焊线的方式，不合理的基板设计也会增加焊线的难度，从而降低焊线良率。因而要提高LED显示屏模组的COB封装成品率和可靠性，一方面要保证所用LED芯片的光电性能尽量相差较小，可以选用经过分选和测试的同一批次的LED芯片；另一方面，基板的设计要合理，在减小像素点间距的同时还要保证足够的固晶空间，焊线方向尽量一致且焊线距离应合适。

经过固晶、焊线并经电性能测试无误之后，就要进行LED芯片的塑封。针对LED显示屏模组的特点，可以采用整板塑封的方法。整板塑封的优点是塑封一致性较好，具有更好的显示效果，并且整板塑封可靠性高。将待塑封的模组基板放入与之对应的模具中，倒入液态塑封胶，盖上盖板，恒温固化，将模组基板从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，操作简单，成本较低，是比较理想的整板塑封方法。

对于LED显示屏的COB封装，只是改变了像素单元的封装方式，驱动控制方式并未改变。针对COB封装形式的P2.0LED显示屏模组，设计了如图7所示的驱动电路。采用1/32动态扫描驱动方式，模组的分辨率为32×32，总共包含32×32×3颗LED芯片用于显示。整个扫描驱动电路可以划分为四个模块：外部I/O模块、行扫描模块、列驱动模块和LED阵列模块。外部I/O模块用于接收外部的控制信号和显示数据信号，并分别传递给行扫描模块和列驱动模块，行扫描模块根据要显示的行信号，给对应行的LED阳很进行供电，列驱动模块将串行的列显示数据并行传输到待显示LED的阴很，LED阵列模块接收行扫描模块和列驱动模块的信息进行显示。

COB封装显示模组的驱动原理和现有SMD封装模块是相同的。只需检测COB封装模组的32×32×3颗芯片能够正常发光，就可判定COB显示模组能够正常使用。较方便的检测方法是分别检测红绿蓝三色显示效果。从图8可以看出，COB显示模组颜色一致性较好，亮度高，显示阵列尺寸精度高。

4结论

COB显示模组具有工艺过程简单、制造成本低廉、显示效果优良、可靠性高和使用寿命长等诸多优点。可以很好地解决现有的表面贴装三合一封装形式所存在制造成本高、工艺过程复杂、容易死灯和灯珠容易碰掉等诸多缺陷，是高端小间距LED显示屏较佳的选择。

在进行LED显示屏COB封装之前，必须对所用的LED晶圆进行仔细的测试和筛选，确保各色LED亮度和色度均匀度满足需求。在基板的设计时，要给固晶和焊线的焊盘提供足够大小的空间，确保固晶时能够达到四面包胶，形成牢固的粘接。焊线方向和焊线的距离尽量设计为相同，减小焊线操作的难度，同时优化焊线的相关工艺参数，使得焊线良率满足需求。在进行整板模封时，不仅要保证每个模组都能很好地进行塑封保护，还要保证每个模组塑封的厚度一致。