超高清超高分辨率大尺寸LED顯示器

曹 慧， 鄭喜鳳,2*， 汪 洋， 程宏斌

(1. 長春希達電子技術(shù)有限公司， 吉林 長春 130103；2. 季華實驗室， 廣東 佛山 528200)

1 引 言

發(fā)光二極管(Light Emitting Diode，LED)按照一定的間距排列成點陣，通過行列尋址控制LED顯示文字、圖像或者視頻等信息，形成LED顯示屏。1993年，基于 GaN高亮度藍色 LED的開發(fā)，實現(xiàn)了全彩色顯示所需的紅、綠、藍三基色，隨后LED顯示在原材料、工藝、顯示效果和應用方面都有了突飛猛進的提高。經(jīng)過20余年的快速發(fā)展，LED顯示的像素間距從戶外商業(yè)廣告、交通信息等大點間距，以每年1 mm左右縮小，目前已經(jīng)取代液晶顯示(Liquid Crystal Display，LCD)、數(shù)字投影(Digital Light Procession，DLP)廣泛應用在戶內(nèi)指揮監(jiān)控中心、文化傳媒、廣電演播室、院線超級屏幕、智慧城市等領(lǐng)域[1]。

戶內(nèi)小間距LED顯示一般是指LED像素間距≤2.5 mm的顯示屏，主要有兩條技術(shù)路線，即表面貼裝(Surface Mounted Devices，SMD)技術(shù)路線和集成封裝(Chip on Board，COB)技術(shù)路線。SMD技術(shù)路線是上游燈珠廠商將燈杯、支架、發(fā)光芯片、引線、樹脂等材料封裝成不同規(guī)格的燈珠，下游顯示屏廠商用高速貼片機以高溫回流焊將燈珠和驅(qū)動器件分別焊在電路板(Printed Circuit Board，PCB)上，制成不同間距的陣列模組，拼接為顯示單元和LED大屏幕。COB技術(shù)路線是將發(fā)光芯片直接綁定(Bonding)到PCB板正面，省去燈珠制作的環(huán)節(jié)，然后通過回流焊將驅(qū)動器件焊在PCB板背面，再進行整體灌封防護，由陣列模組、顯示單元組裝實現(xiàn)LED超大屏幕拼接顯示。從上述兩種技術(shù)路線的對比來看，COB集成封裝技術(shù)路線具有以下優(yōu)勢：采用基于芯片的工藝方案，直接對LED發(fā)光芯片進行轉(zhuǎn)移和固晶(Die Bonding)，不受發(fā)光管封裝物理尺寸、支架、引線限制，不但可以實現(xiàn)更小點間距、更高像素密度，而且大幅降低產(chǎn)品成本；無二次焊接，避免芯片熱損傷，實現(xiàn)產(chǎn)品高可靠性；整體防護、抗潮、防撞、易清潔，具有高穩(wěn)定性，適用于潮濕、鹽霧環(huán)境及租賃市場使用；通過顯示面封裝方式、摻雜材料和光學設(shè)計，將“點”光源變?yōu)椤懊妗惫庠?，消除摩爾紋，減少眩光及強光刺目對視網(wǎng)膜傷害，不易產(chǎn)生視覺疲勞。

隨著LED顯示技術(shù)不斷進步，人們對更清晰畫質(zhì)視覺體驗的極致需求，像素單元微小化已成為高端應用領(lǐng)域的必然趨勢，超高密度微小間距LED顯示擁有傳統(tǒng)LCD液晶顯示、DLP顯示無法比擬的高亮度、超高清晰度、高色彩飽和度、廣視角、無縫無限拼接等優(yōu)勢，受到行業(yè)內(nèi)國內(nèi)外企業(yè)的高度重視[2]。在2020年荷蘭ISE展會上，長春希達電子展出了Infinity系列全倒裝COB小間距LED顯示屏，引領(lǐng)LED顯示發(fā)展方向并進入微間距時代。

2 超高清、超高分辨率、大尺寸LED顯示器

203.2～444.5 cm(80～175 in) 4K、8K超高清大尺寸LED顯示器制式產(chǎn)品，像素點間距在0.4～0.8 mm，發(fā)光芯片尺寸及像素間距進入微顯示及亞毫米顯示范疇(表1)，配套紅外觸控、人機交互和內(nèi)置應用程序，適合于超級電視、高端商務、遠程視頻會議、高端醫(yī)療以及教育、展覽等領(lǐng)域，能夠填補市場空白。

表1 大尺寸LED顯示及其像素間距Tab.1 Large LED display and its pixel spacing

目前，COB集成封裝技術(shù)成為高密度小間距LED顯示技術(shù)熱點，將產(chǎn)業(yè)鏈的上游芯片、中游封裝、下游組裝一體化完成，易于實現(xiàn)低成本、高可靠性、更小點間距，在平板顯示領(lǐng)域向超大尺寸、超高像素密度發(fā)展具有更大的發(fā)展空間，被認為是微小間距LED顯示產(chǎn)品的發(fā)展方向[3]，但同時在集成封裝產(chǎn)業(yè)化、表面墨色一致性、顯示均勻性等方面存在需要解決的技術(shù)難點和問題。本文對超高清、超高分辨率、大尺寸LED顯示器進行了系統(tǒng)介紹，分析了采用倒裝LED集成封裝技術(shù)實現(xiàn)超高清、超高分辨率、大尺寸LED顯示器，為滿足人眼視覺感觀，從顯示驅(qū)動控制、均一性調(diào)控和補償?shù)确矫嫣岣唢@示效果所做的一些工作和研究進展。

3 倒裝LED集成封裝技術(shù)

LED發(fā)光芯片結(jié)構(gòu)主要有正裝結(jié)構(gòu)、垂直結(jié)構(gòu)和倒裝結(jié)構(gòu)3種，如圖1所示。倒裝LED芯片由上至下其結(jié)構(gòu)分別為：襯底、n型GaN層、發(fā)射層(多重量子阱，MQWs)、p型GaN層、金屬電極與凸點。

圖1 3種LED發(fā)光芯片結(jié)構(gòu)。(a)正裝結(jié)構(gòu)LED；(b)垂直結(jié)構(gòu)LED；(c)倒裝結(jié)構(gòu)LED。Fig.1 Three kind of LED light-emitting chip structures. (a) Front mounted LED; (b) Vertical LED; (c) Flip LED.

采用COB集成封裝技術(shù)路線實現(xiàn)像素間距在0.8 mm及以下的微小間距的LED顯示屏，主要采用倒裝發(fā)光芯片及COB集成封裝技術(shù)路線，物理空間只受發(fā)光芯片尺寸限制。隨著產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)工藝的完善，像素微小間距的極限不斷被突破。正裝芯片需要為焊線預留一定的弧度和距離，倒裝芯片無需焊線(Wire Bonding)。正裝COB每個像素單元共計5根金屬線(垂直紅芯片，正裝藍綠芯片)，10個金屬焊點，倒裝COB每個像素單元6個金屬鍵合面，有效解決了由于焊線虛焊、斷線不良問題，可靠性進一步提升。而且倒裝無焊線環(huán)節(jié)，簡化生產(chǎn)流程，降低了材料成本；封裝層厚度降低，可以有效解決顯示模塊間的彩線及亮暗線問題；倒裝LED芯片兩個電極凸點向下與PCB載板直接相連，熱途徑最短，增強了芯片的導熱能力，同時正面無電極提供了更大的發(fā)光面積，降低像素內(nèi)光源面積占比(Low Fill Factor)，同樣的亮度下，對比度提升幅度更大[4]。正裝和倒裝COB技術(shù)對比如圖2所示。

目前，倒裝LED集成封裝技術(shù)在工藝路線上主要從芯片轉(zhuǎn)移、鍵合、封裝及光學設(shè)計等方面進行優(yōu)化和提升。芯片轉(zhuǎn)移主要通過高速固晶機臺，采用多擺臂針轉(zhuǎn)移的方式實現(xiàn)：一種方法是將單顆倒裝LED芯片直接從藍膜轉(zhuǎn)移到PCB載板焊盤上；另一種方法是將單顆倒裝LED芯片從藍膜上取出后預排列到過渡載板，過渡載板與顯示陣列PCB載板對齊完成整體批量轉(zhuǎn)移。芯片轉(zhuǎn)移和固晶后，通常采用高溫回流焊、激光回流焊等方法固化錫膏等焊接材料，實現(xiàn)倒裝芯片與PCB載板的鍵合[5]。在轉(zhuǎn)移、固晶和鍵合的過程中，一方面要提升轉(zhuǎn)移效率，同時要確保固晶精度和角度精度。固晶精度XY是指芯片落點與目標固晶位置XY坐標的精準匹配度，角度精度θ是指倒裝芯片的電極與焊點接觸面的角度精準匹配度。在微小間距LED顯示設(shè)計下，倒裝芯片尺寸≤200 μm，芯片電極間的距離≤100 μm，±25 μm的固晶精度XY和±n+2°的角度精度 θ 產(chǎn)生的誤差會被明顯放大，如圖3所示。

圖3 倒裝芯片固晶精度示意圖Fig.3 Schematic diagram of solid crystal precision of flip chip

除了設(shè)備本身的對位精度誤差，在工藝鏈上，發(fā)光芯片從外延上切割下來轉(zhuǎn)移到藍膜上會出現(xiàn)角度的偏轉(zhuǎn)，固晶抓取芯片過程中拉扯藍膜，有可能造成偏轉(zhuǎn)更嚴重，同時在錫膏回流焊的過程中，由于高溫熔焊致使倒裝芯片漂移，這些都會進一步影響倒裝芯片轉(zhuǎn)移、固晶和鍵合的精度，影響產(chǎn)品的可靠性。因此通常在回流焊前后增加兩次檢測環(huán)節(jié)，通過AOI(Automatic Optic Inspection)檢測設(shè)備針對印刷后進行錫膏的量、芯片偏移、斷路、連錫、污染、缺陷等檢測，為優(yōu)化工藝提供依據(jù)。

倒裝LED芯片鍵合后，采用封裝材料、摻雜材料和模壓(Molding)封裝技術(shù)，實現(xiàn)顯示面發(fā)光芯片與PCB載板整體一次性封裝。封裝材料主要采用環(huán)氧樹脂、有機硅樹脂或者膠膜一體，主要的評價指標有耐藍光、膨脹系數(shù)、固化后硬度等。耐藍光是指樹脂分子構(gòu)型重組而發(fā)生封裝膠層黃變，導致LED芯片光衰；膨脹系數(shù)是指樹脂固化后形變量大小，顯示陣列載板尺寸一般較大，需要注意固化時應力和高低溫時材料膨脹、縮小的應力，減小封裝后顯示陣列模組的翹曲率，避免邊緣燈珠及鍵合點損壞。樹脂固化后要求硬度指標在邵氏D65及以上，保障顯示陣列模組封裝后表面不粘連灰塵，利于周邊精準切割實現(xiàn)無縫拼接。環(huán)氧與有機硅樹脂的優(yōu)缺點對比如表2所示。

表2 環(huán)氧樹脂與有機硅樹脂封裝材料對比

擴散劑和黑色素這兩種摻雜材料在環(huán)氧樹脂中的分散均一性，最終會影響COB集成封裝顯示模組在組屏后出光效果及表面墨色一致性，容易造成顯示模組批次性差異。擴散劑摻雜量與膠層厚度密切相關(guān)，過多、過少都會影響顯示的亮度與人眼可視不偏色角度。黑色素摻雜量主要影響顯示模組的亮度和對比度，摻雜不均會造成顯示模組“花屏”。因此為實現(xiàn)超高清超高分辨率大尺寸LED顯示器的批量化生產(chǎn)，還需要進一步通過優(yōu)化封裝工藝和光學設(shè)計，提高顯示模組厚度、尺寸一致性，表面墨色一致性，擴大可視角度，提升顯示效果和防護能力。

4 顯示驅(qū)動控制

LED的顯示驅(qū)動有無源選址驅(qū)動(Passive Matrix，PM)和有源選址驅(qū)動(Active Matrix，AM)兩種實現(xiàn)方式。PM驅(qū)動通過行列選址，點亮交叉點的LED，在選址結(jié)束后掉電熄滅，通過逐行掃描選通和人眼視覺殘留效應，實現(xiàn)一幀圖像畫面的顯示和呈現(xiàn)。AM驅(qū)動對每個LED都具有獨立的像素驅(qū)動電路，驅(qū)動電流由驅(qū)動晶體管提供，在選址信號結(jié)束后，所選像素在一幀圖像時間內(nèi)仍保持供電，直到進入下一幀圖像顯示周期(圖4)。目前基于玻璃基板、薄膜晶體管[6](Thin Film Transistor，TFT)AM驅(qū)動小間距、大尺寸LED顯示技術(shù)已經(jīng)有顯示樣機，但是在像素電路、驅(qū)動器件、可批量化方案上還不夠成熟，產(chǎn)業(yè)鏈配套未完善，行業(yè)內(nèi)主流的驅(qū)動方式還是以PM為主[7]。

圖4 (a)有源驅(qū)動LED顯示陣列結(jié)構(gòu)示意圖； (b) 有源驅(qū)動LED顯示陣列PWM控制示意圖。Fig.4 (a) Structure diagram of AM-LED display array; (b) PWM control diagram of AM-LED display array.

像素間距越小，像素密度指數(shù)級增高，同等亮度下要求單點LED的亮度和驅(qū)動電流更小。為了解決PM驅(qū)動方式下PCB版上驅(qū)動芯片密集布局、布線困難，匹配驅(qū)動器件0.5 mA的恒流能力與倒裝發(fā)光芯片在0.5 mA更小電流下的分選和光電特性，目前主要采用高集成度的小尺寸行列驅(qū)動集成的驅(qū)動器件，充分利用器件可布局空間，提高掃描行數(shù)，增加單點驅(qū)動電流的幅值，同時降低行與行之間的寄生電容效應，如圖5所示。目前采用封裝尺寸為6 mm×6 mm的高集成度驅(qū)動器件，已經(jīng)實現(xiàn)像素間距0.47 mm的全倒裝微小間距LED顯示樣機。

圖5 (a)P0.9顯示模組常規(guī)驅(qū)動器件布局；(b) P0.9顯示模組行列高集成驅(qū)動器件布局。Fig.5 (a) Layout of normal drivers for P 0.9 display module; (b) Layout of high integration drivers for P 0.9 display module.

驅(qū)動器件集成列預充電、行放電及增加反向電壓的功能，能夠有效消除PM驅(qū)動方式下的顯示串擾現(xiàn)象；內(nèi)部集成倍頻器，通過單個移位時鐘能夠自我倍頻，實現(xiàn)在脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation，PWM)控制方式下更窄的脈沖，提高整體的顯示灰度等級；采用共陰極PM驅(qū)動和動態(tài)節(jié)能技術(shù)，能夠有效地節(jié)省小間距顯示的整機功耗[8]。

在集成封裝小間距LED顯示的控制方法上引入LCD領(lǐng)域內(nèi)成熟的幀比率控制像素抖動算法(Frame Rate Control，F(xiàn)RC)，主要利用人眼的視覺惰性，通過時間和空間混色實現(xiàn)目標灰階顯示，擴展顯示的低灰度等級[9]，解決顯示數(shù)據(jù)與校正系數(shù)相乘后，低灰顯示精度不足，校正后造成低灰系數(shù)花紋的一種不均勻顯示的問題。

5 均一性調(diào)控和補償

LED顯示屏所用發(fā)光芯片多采用波長-亮度分檔方法。每個檔位內(nèi)的發(fā)光芯片其波長和亮度在一定范圍內(nèi)，但是相同波長的管芯存在不同程度的飽和度差異，尤其是不同爐生產(chǎn)的不同批次晶圓，這種差異在小間距顯示屏上表現(xiàn)尤為明顯。由于超高密度COB小間距顯示產(chǎn)品，采用的是集成封裝發(fā)光芯片技術(shù)路線，發(fā)光芯片不能像單顆LED燈珠一樣在編帶前進行混燈。因此，為了提高產(chǎn)品最終的亮色度顯示一致性，主要通過發(fā)光芯片分選和混編方法、顯示屏采集校正技術(shù)的交叉實施，進行顯示均一性調(diào)控和補償[10]。

發(fā)光芯片的分選和混編目前在技術(shù)路線和產(chǎn)業(yè)鏈上可以分別在兩個階段實現(xiàn)。在發(fā)光芯片制備過程的產(chǎn)業(yè)鏈前端，主要通過晶圓廠的點測、分選設(shè)備完成。一種方法是進行色坐標分選。根據(jù)色度學理論中的麥克亞當顏色橢圓寬容量范圍結(jié)合屏幕顯示效果確定紅、綠、藍三基色的人眼恰可識別CIE1931色坐標范圍R(δx，δy)、G(δx，δy)、B(δx，δy)并劃定分選檔位。測試每顆LED發(fā)光芯片的CIE1931色坐標(x,y)，將屬于同檔位的該基色發(fā)光芯片放置在同一張藍膜上，使顯示屏上所用同色發(fā)光芯片都屬于同一檔位，或者在顯示屏橫向或縱向上，同色發(fā)光芯片的檔位遞增或遞減，使人眼看不出單個陣列模組內(nèi)同色發(fā)光芯片的顏色差異。另一種方式是在波長-亮度分選時進行混編。將產(chǎn)自不同的多個晶圓LED芯片按照主發(fā)光波長、亮度分檔要求，按照一定的數(shù)量分配到多張藍膜上，每張藍膜在每個晶圓上同擋位拾取的芯片數(shù)量受限，打散同個晶圓芯片過度集中造成顯示屏上色塊的現(xiàn)象。進一步將波長-亮度分檔后的藍膜再次進行混編，對分檔后的藍膜再次按照一定順序和數(shù)量拾取到新的藍膜上，形成同擋位混編后的藍膜，進一步減小了顯示的差異性?；蛘咴谏鴺朔诌x時減少分檔數(shù)量，在X坐標方向擴大2～4倍或者Y坐標方向擴大2～4倍，或者X、Y坐標方向各擴大2～4倍作為標準檔位，在每顆LED發(fā)光芯片根據(jù)其色坐標規(guī)劃到相應的標準檔位內(nèi)后，對各標準檔位內(nèi)的LED發(fā)光芯片在藍膜上進行混編處理。

在COB顯示屏制造產(chǎn)業(yè)鏈后端，在集成封裝的固晶環(huán)節(jié)也可以實現(xiàn)發(fā)光芯片的混編，達到一定的顯示均一性補償目的。采用多臺固晶機輪換將對應的多張藍膜上的芯片分別固定到顯示模塊上的一組區(qū)域，然后再以同樣的方式完成其他區(qū)域的固晶，使得顯示模塊上的各組區(qū)域內(nèi)的芯片按照預先設(shè)定的混編方式排布，多張藍膜對應完成多塊顯示陣列模組，打散同一晶圓集中分選在一張藍膜并且固晶在一塊顯示模組上的情況，減弱顯示屏點亮后亮色度按塊狀分布的不均勻現(xiàn)象。

LED顯示屏的校正技術(shù)是提高LED均勻性的重要技術(shù)之一[10-11]。由于半導體自身的離散性導致LED顯示像素之間的亮色度不一致，而校正技術(shù)就是對這些不一致性進行補償，提升顯示效果。傳統(tǒng)的校正技術(shù)只針對顯示屏的亮度和色度進行校正，但隨著發(fā)光芯片應用電流的減小，顯示屏在低灰度條件下發(fā)光特性發(fā)生漂移，使低灰度顯示均勻性明顯差于高灰度顯示均勻性，影響整體顯示質(zhì)量，針對上述問題提出了低灰度校正技術(shù)[12]。

設(shè)分辨率為m×n的顯示屏，在某一高灰度上進行逐點采集得到每個像素的亮度數(shù)據(jù)L(i,j)(i,j)∈(m,n)，根據(jù)公式(1)得到逐點高灰度校正系數(shù)：

(1)

其中coff(i,j)為顯示屏每個像素校正系數(shù)。隨著灰度級的降低，發(fā)光芯片光電特性發(fā)生漂移，每個像素的校正比例發(fā)生變化，如公式(2)所示：

(2)

其中coffk(i,j)為第k級灰度條件下的校正系數(shù)，Δk(i,j)為第k級灰度條件下發(fā)光芯片的亮度偏移量。公式(2)表明高灰度逐點采集的校正系數(shù)在低灰度條件下會產(chǎn)生失真，使校正后像素間亮度不一致，如圖6所示。

圖6 (a) 校正后高灰度級顯示；(b) 校正后低灰度級顯示。Fig.6 (a) High gray level display after correction; (b) Low gray level display after correction.

圖6(a)為灰度級為255級條件下的顯示屏顯示效果，圖6(b)為第1級顯示屏顯示效果。將255的顯示像素亮度值和第1級顯示像素亮度值分別帶入公式(3)中，求出亮度相對偏差：

(3)

其中μk(i,j)為顯示像素亮度均值。如表3所示，最終求得灰度255級亮度相對偏差為0.88%，灰度1級亮度相對偏差為8.45%。

所以為了保證低灰度校正系數(shù)的準確性，低灰度條件下對顯示屏每個顯示像素重新進行采集校正。第k級的校正系數(shù)如公式(4)所示，將k級校正系數(shù)下載到顯示屏上對低灰度顯示效果進行修正：

(4)

將低灰度校正系數(shù)與高灰度校正系數(shù)在中間某一灰度級kL處進行融合，多組校正系數(shù)值存儲在外部串行外設(shè)接口(SPI)存儲器中，通過現(xiàn)場可編程門陳列(FPGA)判斷數(shù)據(jù)閾值調(diào)用不同組的系數(shù)，提高每個灰度等級的顯示均勻性。同時，為了提高人眼視覺感官，在校正后采用Gamma逐級亮度修正，提高灰度過渡的平滑性[13-14]。結(jié)合低灰度等級(一般10級)顯示控制FRC抖動算法，消除低灰度校正系數(shù)花紋，如表3所示，1級顯示亮度均勻性提高6.75%，圖像實時顯示的動態(tài)對比度提高3倍。如圖7所示，將修正后的低灰度顯示像素亮度帶入公式(3)中求得亮度相對誤差為1.70%。

表3 FRC抖動算法下低灰顯示均勻性對比

圖7 (a)高灰度采集校正后低灰度顯示效果；(b)低灰度采集校正后低灰度顯示效果。Fig.7 (a) Low gray level display effect after high gray level acquisition correction; (b) Low gray level display effect after low gray level acquisition correction.

采用上述倒裝LED集成封裝技術(shù)路線和提升顯示效果的各種方法，完成的全倒裝、超高清、超高分辨率、大尺寸LED顯示器獲得第二十二屆中國國際工業(yè)博覽會大獎，顯示器樣機如圖8所示，主要指標如表4所示。

表4 全倒裝、超高清、超高分辨率、大尺寸LED顯示器測試數(shù)據(jù)

圖8 超高清、超高分辨率、大尺寸LED顯示器樣機。Fig.8 Ultra high definition ultra high resolution large size LED Display

6 結(jié) 論

新型顯示與驅(qū)動器件是電子信息產(chǎn)業(yè)的兩大基石，采用倒裝LED實現(xiàn)的超高清、超高密度、大尺寸LED顯示器具有廣泛的應用場景，能夠填補大尺寸顯示器市場空白，同時促進了尺寸100～200 μm倒裝LED芯片(Mini LED)的制備和廣泛應用。微小間距、大尺寸顯示器產(chǎn)品研制和顯示效果提升過程中的集成封裝、顯示驅(qū)動控制、均一性調(diào)控和補償?shù)燃夹g(shù)的不斷探索和進展，能夠為實現(xiàn)更小間距，采用Micro LED芯片、玻璃基板、有源驅(qū)動和巨量轉(zhuǎn)移技術(shù)的Micro LED新型顯示技術(shù)在未來的大尺寸應用奠定前期基礎(chǔ)。