提升Mini LED顯示屏墨色一致性的封裝技術(shù)研究與應(yīng)用

陳亞勇

(1.廈門市信達光電科技有限公司，福建 廈門 361008;2.廈門信達信息科技集團有限公司，福建 廈門 361008)

引言

戶外LED顯示屏白天用于廣場信息發(fā)布，夜晚在城市景觀舞臺化方面起到重要作用[1]。2018年LED業(yè)界將自發(fā)光顯示像素間距低于50 μm的定義為Micro LED[2]。如今，Micro LED還未成為主流顯示技術(shù)[3]。2020年《Mini LED商用顯示屏通用技術(shù)規(guī)范》團體標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布，將顯示像素間距P0.3～1.5 mm定義為Mini LED顯示模塊[4]，戶內(nèi)Mini LED顯示技術(shù)高速發(fā)展[5]。

P1.0及以下Mini LED顯示屏，目前主要采用IMD(Integrated Module Device)Chip型封裝方式，封裝模塊本身是顯示屏的外觀面，需要提升封裝模塊本身的黑度和封裝模塊間的墨色一致性。目前，評判Mini LED顯示屏黑度和墨色一致性基本以人眼觀察評判為主，缺乏統(tǒng)一的檢測方法和成熟的評價測試標(biāo)準(zhǔn)。

本文以IMD 4合1 P0.9 Mini LED封裝模片為主要研究對象，采用便攜式分光色度儀，定量提升Mini LED顯示屏黑度和墨色一致性并應(yīng)用于實際生產(chǎn)。

1 Mini LED顯示屏黑度與墨色一致性的評價方法

顏色作為物體的一種基本屬性，根據(jù)物體識別的“形態(tài)”與“表面”模型將顏色區(qū)分為物體表面顏色和顏色知識[6]。Mini LED顯示屏外觀表面顏色在人們認知中與傳統(tǒng)LCD表面黑色做對比，其外觀應(yīng)當(dāng)是黑色的。

色差是從人眼辨識的角度進行顏色差異評價[7]。基于CIELAB色差理論，色差是樣品件與標(biāo)準(zhǔn)件之間的色相、明度、彩度存在的差異。分光光度儀通過測量光源的光譜功率分布或物體反射光的光譜功率，計算顏色三刺激值，進而計算出各種顏色參數(shù)[8]。分光光度儀的色差測試原理模擬了人眼感官感受的色差等級，而且便攜式分光光度儀操作簡便、攜帶方便、應(yīng)用廣泛，適用于企業(yè)生產(chǎn)色差管控[9]。

物體顏色常采用物體反射色測量，用L，H，C，a,b5個值評價，H和C僅表示視覺容差和色彩鮮艷度；L表示明度，L值越大越接近白色，反之越靠近黑色；a代表紅綠飽和度，b代表黃藍飽和度。物體顏色最主要的影響因素為L、a、b。

圖1 色差計算中樣品色與標(biāo)準(zhǔn)色的矢量距離Fig.1 The vector distance between sample color point and standard’s in chromatism calculation

2 LED封裝膜片黑化工藝與色差控制實驗

集成矩陣封裝IMD四合一P0.9封裝模塊切割前為片式的LED封裝膜片，此封裝膜片的黑度與批量生產(chǎn)膜片間的黑度一致性直接決定著組裝成Mini LED顯示屏的黑度和墨色一致性。影響LED封裝膜片黑度和墨色一致性的主要因素包括：PCB板不同區(qū)域間的色差、PCB板批次間色差、固晶焊線后露銅面積、封裝膠與黑色素比例、膠體厚度、膠體表面啞光處理等。

將IMD四合一P0.9封裝膜片進行黑化工藝處理，黑化后的LED封裝模塊組裝成應(yīng)用于室內(nèi)不同場所的LED顯示屏，通過使用者對LED顯示屏眼觀黑度的要求，用分光色度儀測試其L、a、b值，并將其設(shè)定為該LED顯示屏需要的黑度值，標(biāo)定為L*標(biāo)準(zhǔn)、a*標(biāo)準(zhǔn)、b*標(biāo)準(zhǔn)值。

2.1 黑化工藝流程與黑度測量

由于PCB裸露金屬與阻焊層批次間存在一定色差，固晶焊線后，除了芯片表面，對其他金屬裸露部分進行油墨噴涂，并用UV-LED進行固化[11]，對IMD封裝膜片增加黑度工藝流程如圖2所示。

圖2 IMD LED封裝膜片增加黑度工藝流程圖Fig.2 The process flow of increase blackness for IMD LED package film

通過調(diào)整噴涂油墨的厚度、UV固化的時間等工藝參數(shù)，調(diào)整外觀黑度，而后進行模造工藝將環(huán)氧或硅樹脂膠材密封在表面，LED封裝器件黑化工藝處理前后外觀如圖3所示。LED封裝膜片黑化前后外觀實物對比照片如圖4所示。

圖3 IMD Mini LED封裝器件黑化工藝處理前(左)后(右)外觀圖Fig.3 The appearance of w/o (left)and w/(right)blackness process for IMD Mini LED package

圖4 IMD Mini LED封裝膜片黑化工藝前(左圖)后(右圖)的實物照片F(xiàn)ig.4 The photos of w/o (left)and w/(right)blackness process for IMD Mini LED package films

2.2 黑度測量與標(biāo)定方法

模造后的LED封裝膜片表面需要進行啞光處理，由于噴涂油墨、UV固化、模造工藝微變等因素，雖然微變影響因素在公差容許范圍內(nèi)，但受綜合因素影響，仍有可能導(dǎo)致LED封裝膜片半成品的黑色均勻度不完全一致，局部區(qū)域可能出現(xiàn)發(fā)灰或發(fā)白的現(xiàn)象，稱為“片內(nèi)色差”。批量制造過程中，一般要將片內(nèi)色差工藝技術(shù)問題解決后，才能批量生產(chǎn)。

選取IMD 4合1 P0.9模造后的封裝膜片半成品一片，從左到右分A、B、C三個區(qū)域，每個區(qū)域采用5點法進行數(shù)據(jù)采樣與分析，即取每個封裝片小區(qū)域的大約四角位置和中心區(qū)域位置進行色度測量，如圖5所示。測出色度值E后再進行單因子方差分析，以判斷封裝膜片上某一區(qū)域位置的色度是否存在顯著性差異。

圖5 IMD Mini LED封裝膜片不同區(qū)域色度測試示意圖Fig.5 The diagram of chromaticity testing value in different areas of IMD Mini LED package film

為了保證黑度和批次色度測試數(shù)據(jù)穩(wěn)定，數(shù)據(jù)采集采取人、機器、材料、方法、測量、環(huán)境5M1E進行配置，具體包括：(1)數(shù)據(jù)采集人員固定一人；(2)測量儀器為同一臺便攜式精密分光色度儀(廠家：愛色麗有限公司，型號Ci6X)；(3)測試對象為同一車間、同一班次產(chǎn)出的模造后LED封裝膜片半成品；(4)分光色度儀白度和黑度矯正、參數(shù)設(shè)置、測量時間等均不改變；(5)測試的地點不變，確保測量環(huán)境和條件一致。

2.3 數(shù)據(jù)采集與分析

分光色度儀設(shè)置D65光源條件，并將色度儀分別在標(biāo)準(zhǔn)白板和黑板進行校正。使用Excel軟件數(shù)據(jù)處理中的單因素方差分析ANOVA功能，通過P值與0.05大小關(guān)系來分析判斷某一LED封裝膜片上不同位置的色度是否存在差異。某一LED封裝膜片上不同區(qū)域色度值與測量位置的單因素方差分析如圖6所示。

圖6 IMD Mini LED封裝膜片上不同區(qū)域色度值與測量位置的單因素方差分析Fig.6 One way ANOVA of chromaticity values Vs.testing points for one IMD Mini LED package film

P值大于0.05，表明LED封裝膜片上的色度值與測試位置沒有顯著差異。為方便快捷操作，選整個LED封裝膜片的中心點，即B區(qū)域的中心點為測試基準(zhǔn)點，再隨機取樣N=30，對中心點進行測色，其色度值散布圖和統(tǒng)計數(shù)據(jù)描述如圖7所示。E平均值為33.32，數(shù)據(jù)標(biāo)定為L*標(biāo)準(zhǔn)、a*標(biāo)準(zhǔn)、b*標(biāo)準(zhǔn)值。并將其中10片作為標(biāo)準(zhǔn)色板進行保存，作為批次量產(chǎn)前確定黑化工藝的標(biāo)準(zhǔn)色板。

圖7 若干IMD Mini LED封裝膜片色度值分布與數(shù)據(jù)統(tǒng)計Fig.7 Chromaticity value distribution and data statistics for some IMD Mini LED package films

2.4 LED封裝膜片間的色差

從上述單一封裝膜片的ANOVA分析得出測試點的不同位置不影響測色的判斷，因此后續(xù)及批量測試中以每一片的中心點位置來表征整片封裝膜片的色度。分光色度儀在標(biāo)準(zhǔn)封裝膜片的中心區(qū)域點所測的數(shù)據(jù)均值標(biāo)定為L*標(biāo)準(zhǔn)、a*標(biāo)準(zhǔn)、b*標(biāo)準(zhǔn)值，儀器會根據(jù)色差計算公式，自動計算出ΔE。

選取樣本量N=50，隨機進行測色，不同LED封裝膜片間的ΔE色差分布如圖8所示，剔除1個偏差較大值，以空心點標(biāo)識，其余實心點ΔE基本在1.0以內(nèi)，通過一定樣本量的數(shù)據(jù)采集，以及結(jié)合LED顯示屏的實際應(yīng)用需求，將LED封裝膜片間的色差設(shè)為ΔE≤0.95。

圖8 不同IMD Mini LED封裝膜片的色差分布Fig.8 Color difference distribution for some IMD Mini LED package films

3 Mini LED顯示屏墨色一致性與人眼感知色差關(guān)系

上述LED封裝膜片的黑度標(biāo)定與LED封裝膜片間的色差評定，直接影響著組裝成的Mini LED顯示屏的黑度和墨色一致性?？紤]到人眼評級與色差之間存在著關(guān)聯(lián)性，將人眼評級與色差值進行等級劃分[12]，即將Mini LED顯示屏墨色一致性與人眼評級的結(jié)果進行對應(yīng)，色差等級設(shè)為1～5級，1級為色差最小，5級為色差最大，如表1所示。

表1 人眼評判色差等級與實測色差對應(yīng)關(guān)系Table 1 The corresponding relationship between the color difference grade by eyes and the measured

片間色差ΔE在0.6及以下的，通過若干名觀測人員實際觀察Mini LED顯示屏表觀顏色，均分辨不出色差，設(shè)為優(yōu)秀1級；人眼分辨不出明顯色差的，設(shè)為良好2級等等，以滿足不同市場和客戶對Mini LED顯示屏黑度和墨色一致的要求。

圖9中左圖和右圖分別是人眼能明顯分辨出色差和分辨不出明顯色差的IMD 4合1 P0.9 LED封裝體組裝成Mini LED顯示屏的實物照片。實測LED封裝膜片的片間色差ΔE分別為1.69和0.91，人眼評判色差等級分別為5級和2級。

圖9 色差5級(左圖)與2級(右圖)的Mini LED顯示屏實物對比照片F(xiàn)ig.9 The color difference grade 5 (left)Vs.grade 2 (right)for the Mini LED display screens

4 結(jié)論與展望

本文通過對Mini LED顯示屏封裝膜片增黑工藝處理，研究通過分光色度儀定量標(biāo)定LED封裝膜片的片內(nèi)色度和片間色差范圍，并應(yīng)用于提升Mini LED顯示屏的黑度和墨色一致性。結(jié)論與展望如下：

1)在P1.0及以下Mini LED顯示屏領(lǐng)域，將噴墨工藝用于IMD LED封裝膜片，有效提升LED顯示屏表觀黑度和顯示對比度；

2)色差值與人眼主觀評價Mini LED顯示屏墨色一致性有關(guān)系，色差值越大，LED顯示屏眼觀“花屏”現(xiàn)象越嚴(yán)重；色差值越小，LED顯示屏墨色一致性與視覺感受越好；

3)分光色度儀可以定量標(biāo)定單個LED封裝模塊的黑度與LED封裝膜片間的色差允許范圍，有效避免人眼主觀判斷引起的偏差和人眼無法察覺的細微顏色差異；

4)將分光色度儀定量評判LED封裝外觀黑度及Mini LED顯示屏墨色一致性與人眼評判進行關(guān)聯(lián)，并進行人眼評判色差分級；

5)將Mini LED顯示屏墨色一致性定量評價結(jié)果，與批次性質(zhì)量控制工具和手段相結(jié)合，應(yīng)用于實際產(chǎn)業(yè)化中，以解決Mini LED顯示屏墨色一致問題；

6)本研究IMD封裝方式及其組裝的Mini LED顯示屏墨色一致性的評價辦法，可進一步拓展應(yīng)用于COB模組封裝等方式的LED顯示屏領(lǐng)域；

7)便攜式分光色度儀智能化程度較低，其基本原理引進到自動化生產(chǎn)線，實現(xiàn)實時在線檢測，可批量進行LED封裝膜片的黑度標(biāo)定與膜片間的色差卡控，進而可量化評定組裝成的LED顯示屏的黑度和墨色一致性。