LED顯示屏器件朝著全彩化、小尺寸、低電流、高可靠性和低成本的不斷發(fā)展，使得LED封裝器件封裝技術在越發(fā)重要的同時也面臨著巨大的挑戰(zhàn)。本文對LED顯示屏器件封裝方式的發(fā)展作簡要概述，主要由直插式(lamp)、亞表貼、表貼三合一(SMD);并淺談了LED顯示屏器件封裝的未來前景技術，如小間距、COB封裝以及Micro  LED封裝，以及新技術所面臨的問題。

　　從LED顯示屏市場的產(chǎn)業(yè)化歷程來看，LED顯示屏器件封裝的發(fā)展經(jīng)歷了20世紀80年代的點陣模塊封裝，20世紀90年代后出現(xiàn)的直插式封裝，亞表貼、表貼封裝，以及2011年以后出現(xiàn)的比較熱門的小間距器件封裝。從簡單的組裝到現(xiàn)在對于生產(chǎn)工藝的管控，LED顯示封裝經(jīng)歷了一個個技術革新的階段。封裝環(huán)節(jié)不再是簡單的組裝環(huán)節(jié)，而是一個考驗生產(chǎn)工藝及技術水平的環(huán)節(jié)。

　　【敲黑板】COB以及Micro LED的部分認真看

　　1    LED顯示器件封裝的發(fā)展歷程

　　LED顯示屏器件的封裝方式主要包括點陣模塊、直插式、亞表貼、表貼三合一、COB、Micro LED等等，不同的封裝方式，各有優(yōu)缺點，適用于不同的LED顯示屏應用領域。相應地，LED顯示屏也經(jīng)歷了從單色(如單紅、單綠、單黃等)、雙色以及目前主流的RGB全彩，從早期主要用于戶外到目前戶內(nèi)小間距的興起，從低分辨率朝向?qū)捝颉⒏叻直媛实难葑儭＿@些不同的封裝方式不僅推動了LED顯示屏的進步，同時也是對不斷自我革新的過程。下面就LED顯示屏器件封裝的發(fā)展過程中的幾種方式以及現(xiàn)狀進行介紹。

　　點陣模塊和亞表貼已經(jīng)被淘汰，很少被使用，目前主流的LED顯示屏器件封裝方式主要為lamp、SMD三合一，兩者占顯示市場的95%以上。所以下面就lamp和SMD三合一進行介紹;而COB和Micro LED在發(fā)展趨勢中介紹。

　　1.1    直插引腳式

　　LED芯片的直插引腳式(Lamp)最先研發(fā)成功并投放市場的LED產(chǎn)品，技術成熟、品種繁多。圖1為常見的Lamp LED封裝結構示意圖, 通常支架的一端有“碗杯形”結構，將LED芯片固定在“碗杯形”結構內(nèi)，然后采用灌封封裝。灌封是先在LED模腔內(nèi)注入液態(tài)環(huán)氧樹脂，然后插入壓焊好的引腳式LED支架并放到烘箱中讓環(huán)氧樹脂固化，再從模腔中脫離出LED即成型，成為LED產(chǎn)品。

　　直插式封裝技術的制造工藝簡單、成本低，有著較高的市場占有率。目前，直插式引腳封裝的LED通常是單色(紅色、綠色、藍色)發(fā)光應用于大屏幕點陣顯示、指示燈等領域。早期，全彩的LED顯示屏是通過將紅色、綠色和藍色的3個或4個Lamp  LED器件做為一個像素點拼接成的。近年來，RGB三合一Lamp  LED器件也在研發(fā)中，以滿足高亮、高分辨、高效率拼接的要求。目前直插式LED主要應用于戶外點間距在P10以上的大屏，其亮度優(yōu)勢、可靠性優(yōu)勢較明顯，但由于戶外點間距也朝著高密方向發(fā)展，直插受限于紅綠藍3顆器件單獨插裝，很難高密化，所以在戶外點間距P10以下逐漸被SMD器件所替代。

　　1.2    SMD

　　表貼三合一(SMD)LED于2002年興起，并逐漸占據(jù)LED顯示屏器件的市場份額，從引腳式封裝轉向SMD。表貼封裝是將單個或多個LED芯片粘焊在帶有塑膠“杯形”外框的金屬支架上(支架外引腳分別連接LED芯片的P、N極)，再往塑膠外框內(nèi)灌封液態(tài)封裝膠，然后高溫烘烤成型，最后切割分離成單個表貼封裝器件。由于可以采用表面貼裝技術(SMT)，自動化程度較高。與引腳式封裝技術相比，SMD LED的亮度、一致性、可靠性、視角、外觀等方面表現(xiàn)都良好。

　　SMD LED體積更小，重量更輕，且適合回流焊接，尤其適合戶內(nèi)、外全彩顯示屏的應用。SMD LED可分為支架式TOP LED和片式(Chip)LED。前者常采用PLCC(Plastic Leaded Chip Carrier)支架，后者采用PCB線路板作為LED芯片的載體。PLCC支架成本低，但是在應用中存在氣密性差、散熱不良、發(fā)光不均勻和發(fā)光效率下降等問題。此外，還有性能和光效更好的PCT及EMC材質(zhì)的支架，但考慮到價格較貴，暫未在LED顯示屏器件上廣泛應用。

　　目前LED顯示屏市場應用最多的是頂部出光型TOP LED器件(如圖2)，其次是常用于戶內(nèi)小間距的Chip LED。常見的SMD LED的幾種尺寸，如2020、1515、3528，一般以焊盤尺寸劃分。焊盤是其散熱的重要渠道，常見的SMD  LED的焊盤包括戶外的3.5mm×2.5mm、2.7mm×2.7mm，戶內(nèi)的1.5mm×1.5 mm、1.0mm×1.0mm等。這幾年，隨著LED顯示屏市場應用環(huán)境的細分，對SMD  LED器件要求不一樣。比如，針對戶外LED顯示屏，要求高防水、高亮度、抗紫外。其中，高防水功能主要是通過支架的防水結構設計，折彎拉伸延長水汽的路徑，同時在器件內(nèi)部增加防水槽、防水臺階、防水孔等方式實現(xiàn)多重防水。而高亮度，主要通過在杯內(nèi)壁噴涂高反射墻，增強光反射。對于戶外抗紫外方面，逐漸采用高性能硅樹脂封裝膠以取代傳統(tǒng)的環(huán)氧樹脂。

　　又如，戶內(nèi)LED顯示屏，業(yè)內(nèi)普遍追求的是高對比度、高分辨率。SMD LED器件封裝正朝著小尺寸發(fā)展(如0808、0606、0505)以滿足高分辨率LED顯示屏市場需要，但SMD器件尺寸具有一定的局限性。當封裝尺寸往0808更小尺寸封裝發(fā)展時，封裝的工藝難度急劇增大，良率下降，導致成本增加。這主要是受限于固晶、焊線、劃片(沖切)、焊線的設備精度等因素。另外，在終端應用的成本也會增加，主要體現(xiàn)在貼裝設備的精度、貼裝效率等。

　　2    LED封裝發(fā)展趨勢

　　LED顯示屏的分辨率是由封裝元器件的尺寸和間距決定的，而在傳統(tǒng)技術限制下，LED器件之間間距較大，從而分辨率較低，只適合在戶外遠距離觀看，難以在室內(nèi)應用，因此過去在室內(nèi)顯示領域，則是由LCD、DLP(Digital  Light  Procession)拼接墻和投影技術等占據(jù)主要地位。而隨著技術的進步，上游產(chǎn)能的擴大，小間距顯示成本逐漸下降，已具有商業(yè)應用基礎，使得LED顯示屏在室內(nèi)顯示領域逐漸和傳統(tǒng)顯示技術形成了競爭。

　　隨著LED芯片封裝技術、顯示屏驅(qū)動控制技術及顯示屏組裝制造工藝的進步，LED顯示屏的分辨率得到了大幅提升，戶內(nèi)高密度LED顯示屏的像素中心距不斷取得突破，2017年己邁入點間距0.Xmm時代。較于DLP  、LCD等顯示產(chǎn)品，小間距LED顯示屏具有高清顯示、高刷新頻率、無縫拼接、散熱系統(tǒng)良好、拆裝方便等特點，即使在相對較近距離觀看，其顯示畫面超清晰，無閃爍也無顆粒感。而近幾年出現(xiàn)的無縫、高對比度、高分辨率的COB  LED、Micro  LED顯示屏更是讓傳統(tǒng)的LED顯示屏客戶眼前一亮。戶內(nèi)高密度LED顯示屏在未來幾年將不斷蠶食拼接墻市場，成為室內(nèi)高密度大屏幕的主流顯示媒介，在商用顯示、指揮控制中心、高端車展、演播會議中心、電影院等室內(nèi)顯示場所將有廣泛的應用。在室外應用方面，近年隨著室外表貼LED 封裝技術的改進以及室外模塊防護水平的提高，室外全彩屏的像素間距極限也在不斷地被刷新。

　　LED顯示屏朝著高分辨率發(fā)展已成為不可逆轉的趨勢，而LED器件(芯片)小型化、模塊高密度集成化這是其關鍵技術，但其發(fā)展主要依賴于倒裝芯片封裝技術、COB封裝技術以及Micro  LED封裝技術的發(fā)展。

　　2.1    COB 封裝

　　隨著人們對戶內(nèi)外的LED顯示屏的分辨率要求越來越高，如果還是采用傳統(tǒng)的SMD  LED器件進行貼片組裝LED顯示屏，那么一方面，由于LED顯示器件越做越小，工藝難度急劇增大，良率低，導致單顆LED器件成本增大;其次，小尺寸LED器件對貼片設備的精度也要求非常高;第三，LED顯示屏的點間距越小，所需貼片的LED器件成幾何數(shù)量級增加，大大降低LED屏的制造效率。而COB顯示模塊，采用集成封裝的方式，省去單顆LED器件封裝后再貼片的工藝，正好解決以上問題。板上封裝(Chip on Board)是一種將多顆LED芯片直接安裝在散熱PCB基板上來直接導熱的結構。COB封裝集合了上游芯片技術，中游封裝技術及下游顯示技術，因此COB封裝需要上、中、下游企業(yè)的緊密合作才能推動COB LED顯示屏大規(guī)模應用。如圖3所示，為一種COB集成封裝LED顯示模塊，正面為LED燈模組構成像素點，底部為IC驅(qū)動元件，最后將一個個COB顯示模塊拼接成設計大小的LED顯示屏。

　　COB集成封裝不但能夠減少支架成本和簡化LED屏制造工藝，還可以降低芯片熱阻，實現(xiàn)高密度封裝。選用COB封裝的LED顯示屏在一定程度上擴展了器件的散熱面積，從而讓產(chǎn)生的熱量更為容易擴散到外界。成本上，與傳統(tǒng)的封裝方式相比，COB  LED顯示模塊在實際應用中能夠節(jié)省器件的封裝成本。在相同功能的顯示屏系統(tǒng)中，采用COB LED的顯示屏模塊比傳統(tǒng)顯示屏板總體成本少30%以上，這對于廣泛推廣COB LED顯示屏有著舉足輕重的意義。從應用端看，COB  LED顯示模塊可以為顯示屏應用方的廠家提供更加簡便、快捷的安裝生產(chǎn)方式，大大地提高生產(chǎn)效率。在生產(chǎn)制備上，現(xiàn)有的大批量生產(chǎn)制造技術和生產(chǎn)設備已經(jīng)能夠很好地支持COB LED顯示模塊的大規(guī)模生產(chǎn)，最重要的是還能保持高的良品率。

　　因此，從性能、成本和應用的角度來比較，COB會成為未來LED顯示屏封裝的主流方向。但目前COB顯示屏還未大規(guī)模量產(chǎn)，其主要原因有封裝的一次通過率不高、對比度低、維護成本高等，另外其顯色均勻性遠不如采用分光分色的SMD器件貼片后的顯示屏。現(xiàn)有的COB封裝，仍舊采用正裝芯片，需要固晶、焊線工藝，因此焊線環(huán)節(jié)問題較多且其工藝難度與焊盤面積成反比。而一旦倒裝小芯片技術發(fā)展成熟，省去芯片的焊線工藝，芯片組裝的一次通過率將會極大提高。此外，通過減小COB單個模塊面積來提高封裝的一次通過率也是一個很好的方向。至于顯示均勻性的問題，可通過從提高上游芯片一致性和COB顯示模塊的單燈逐點矯正技術來改善。總之，COB集成封裝技術所面臨的問題需要產(chǎn)業(yè)的上、中、下游協(xié)力解決。

　　2.2    Micro LED 封裝

　　微發(fā)光二極體顯示器(Micro LED Display)為新一代顯示技術，其LED結構的薄膜化、微小化與陣列化，使其體積約為主流LED大小的1%，每1個畫素都能定址、單獨驅(qū)動發(fā)光，將像素點間距由毫米級降到微米級，從而理論達1500 ppi以上甚至2000 ppi超高分辨率。Micro LED繼承了LED低功耗、高亮度、超高解析度、色彩飽和度、反應速度快、超省電、壽命較長、效率較高等優(yōu)點，其功率消耗量約為LCD的10%、OLED的50%。因此，Micro LED被視為可能顛覆產(chǎn)業(yè)的新一代顯示技術。

　　Micro LED顯示經(jīng)過了十多年的技術積累，直到最近幾年才逐漸進入市場。目前分為兩個方向發(fā)展，一個以Apple公司為代表主打小尺寸、可穿戴Micro LED顯示屏;另一個則是以Sony公司為代表主攻中、大尺寸顯示。但不管應用在何領域，Micro LED封裝技術的最大的難題是固晶工藝中如何解決LED芯片在巨量轉移過程保證“高良率(99.9999%以上)及轉移率”。而Sony在2016年6月美國Infocomm上推出的CLEDIS則采用了“模塊化拼接”的方式提高轉移良率，即通過降低單位面積像素密度做出小尺寸的Micro LED顯示模塊，最后拼接成大屏。圖4所示為Micro-Transfer-Printing  (μTP)、Mass Transfer技術。Micro LED封裝技術目前處于高速發(fā)展階段，需要大量的投入，目前在中國大陸還沒有成型的產(chǎn)業(yè)鏈，且核心技術主要被國外企業(yè)掌握。因此，國內(nèi)LED封裝廠商需加快布局Micro LED技術。

　　結論

　　LED顯示屏器件經(jīng)歷了點陣模塊、直插式、亞表貼、表貼三合一封裝等30多年的發(fā)展，在色彩表現(xiàn)、分辨率、可靠性等方面不斷邁向新臺階，逐漸在大屏顯示領域中凸顯優(yōu)勢。隨著LED顯示屏在朝著高分辨率發(fā)展，LED器件封裝在小型化、集成化、高可靠性、高亮度的發(fā)展中面臨巨大挑戰(zhàn)，而COB LED封裝、Micro LED封裝技術的發(fā)展又將給LED器件封裝帶來全新的技術革新。