Mini LED COB基板压合整平工艺平台技术

苏宏波

深圳市聚飞光电股份有限公司  广东省深圳市  518111

【摘要】Mini LED又称为次毫米发光二极管，与传统的侧面背光或者直下式背光相比，Mini LED能够具有更好的动态背光效果，并且还能够很好的降低发生眩光的现象。本项目的目标是通过技术开发，研究Mini LED COB 基板压合整平技术，降低基板翘曲度，使后续印刷、固晶等工艺可以正常作业，减少芯片坏点，提升产品良率的目的。输出技术平台文件，完善技术标准，最终应用到相关的Mini led产品上，缩短Mini LED新产品开发周期，满足客户需求，加速布局抢占市场先机。通过本项目的开发，预计Mini LED COB 基板压合整平技术可用于2021年之后的Mini LED量产项目中，随着市场需求逐渐放量，年销售额将呈现递增趋势，该技术可缩减大约10%成本。

【关键词】Mini LED ；COB 基板；压合整平

引言：

随着时代的发展，面板显示技术也在不断发生着演进。现如今，面板显示技术也开始从以往的LCD显示逐步发展到LED显示。为了追求更高分辨率、对比度与色彩更加饱和，近来由韩国三星所独霸的OLED面板技术，更成为高阶智能型手机与液晶电视屏幕的首选[1]。然而，面对成本考虑，且必须保有高效能的显示技术，如今不少厂商都积极往Micro LED发展。Mini LED技术具有轻薄、高画质、高分辨率、低功耗等优势，备受各界瞩目，在直显应用上，Mini LED起到从小间距LED到MicroLED的过渡作用[2]。而Mini LED背光方案，则更加匹配当下的技术能力及市场需求.

1相关背景

Mini/Micro LED被视为新一代显示技术领导者，Mini/Micro LED消息不断，产业前景备受市场期待，随著产业链的成熟，工艺制程改善，成本趋于合理，Mini LED有望率先形成规模化的市场，Micro LED短期内仍将定位于超高端产品市场[3]。Mini LED直显的应用普及与价格有密切关系，Mini直显的渗透提升还需要一段时间。Micro LED作为业界公认的终极显示技术一直备受关注，而Micro LED应用也主要侧重“超大”和“超小”两个尺寸的下游市场，即超大尺寸的Micro LED超高清显示和VR\AR等超小尺寸的Micro LED应用。总体来看，目前，MiniLED自发光是小间距LED的升级，也是MicroLED的过渡。三种类型对比如表1所示：

表1    MiniLED、小间距LED、MicroLED相关项目对比分析

编号	比较项目	MicroLED	小间距LED	MiniLED
（1）	尺寸	小于50微米	大于200微米	50-200微米
（2）	技术	自发光	自发光	背光/自发光
（3）	封装技术	巨能转移	SMD/COB	SMT/COB
（4）	NTSC色域	1.4	1.1	80-110%
（5）	最大可视角	178度	160-170度	178度
（6）	寿命	8-10万小时	10万小时	10万小时
（7）	反应时间	纳秒级	大于纳秒级	纳秒级
（8）	平均能耗	低	高	低

Mini LED的应用方向分为直显和背光两种。而MiniLED直显围绕超大尺寸、柔性、透明、高可靠性HDR等几个方面进行技术突围，增加新的功能同时也获得更广泛的应用场景。Mini LED背光围绕着高色域、高亮度、HDR、超博、高对比度、降低成本等多方面进行技术升级，并通过与LCD相结合，有效提升LCD的性能与OLED技术竞争[4]。Mini LED可取代现有LCD中的背光模块，展现出省电、轻薄及提升发光效率的特性以及与OLED产品的竞争态势。

Mini LED除了较一般背光模块有更好的对比度、亮度及色域，且相较于OLED寿命更长、更可耐高温等特性之外；Mini LED的直下式背光具有区域调光（Local Dimming）特性，可比拟OLED自发光的高对比度效果，加上Mini LED直下式背光更可制作出高曲面的显示器，增加卖点，能与OLED显示器相抗衡，并在以电视产品为基准，采用Mini LED直下式背光的成本将低于OLED 20～30%，有助于厂商获利表现。背光LED方案上，传统的LED封装方式以SMD正装为主。而在LED微缩化时代，随着倒装芯片技术的成熟，倒装SMD、COB封装技术也正式推向市场，MiniLED背光方案如POB、COB和COG渐渐崭露头角[5]。当前，从产业链上游芯片、中游封装到下游显示的相关厂商都在积极布局MiniLED，MiniLED在产能、技术、产品等方面逐步成熟。

近年来MiniLED技术日趋成熟，同时，受到下游应用的持续推动，行业不断发展。2020年中国miniled行业市场规模41.70亿元，同比增长139.8%。随着行业的不断发展，预计2026年市场规模将超过400亿元。

表2  近年来中国miniled行业市场规模统计与预测分析

编号	时间	中国miniled行业市场规模
（1）	2019年	17.39亿元
（2）	2020年	41.70亿元
（3）	2021年	98.00亿元
（4）	2022年E	150.00亿元
（5）	2026年E	431.00亿元

表格数据来源：2022年中国Mini LED行业产业链上中下游市场分析（附产业链全景图）-中商情报网 https://m.askci.com/news/chanye/20220830/1600431972879.shtml

据不完全统计，截至2022年10月底，投向Mini/Micro LED等领域新增投资超过了600亿元人民币。而在这其中非LED产业链企业占据了投资的超过四成。设备、材料等配套产业链也成为今年投资的重点之一。另外，据市场研究机构Markets and markets最新报告，微型显示市场预计在2025年有望达到199亿美元，并在2019至2025年间保持54.7%的复合年增长率。当然，由于Micro LED存在较高的门槛以及技术障碍，各大厂商转而把Mini LED视为Micro LED的前哨战。Mini LED高端背光市场需求看旺，因兼具媲美OLED的显示效果、大规模量产成本更低以及应用端适应性强等优良特性。2019 到2020 年该市场将正式进入高速发展阶段，尤其是2020 年随着各一线大厂产能的大规模释放，Mini LED 在全球各大主要应用市场的渗透率将会陡升。尽管MiniLED目前仍处于突破技术、提升产能，以降低成本的阶段，但技术、产能与成本之间的博弈正在带动市场的繁荣。在MiniLED背光产品方面，相关统计结果显示，2022年整体MiniLED背光电视出货量将挑战450万台。除了电视外，MiniLED背光液晶监视器、MiniLED背光笔电等产品的出货也将获得不同程度的成长。RGB直显产品的发展速度虽然不及MiniLED背光，但随着供应链的逐步成熟，RGB直显的价格终将下降到符合市场预期的程度，并在高端定制化市场、高端商显市场等领域扩大应用规模。

2Mini LED COB 基板压合整平工艺

2.1总体设计

在Mini LED背光源封装过程中，需要经过印刷锡膏、固晶、回流焊等步骤[6]。一些情况下，因为基板的尺寸较大，在进行封装的时候，可能会出现整个基板受热不够均匀的情况。因此，基板会因受热不均产生翘曲；基板尺寸越大，翘曲会越严重。而Mini LED芯片的尺寸则相对较小，在进行封装的时候，对精度的要求较高。如果基板发生翘曲，便会直接导致封装过程中的错位，降低生产的良率。为了实现更多的分区，高端的Mini LED背光源，其芯片间距更小，封装过程中对基板的平整度要求较高。Mini LED背光源可用于不同尺寸的显示产品，如TV、电竞、手机曲面屏背光或可穿戴设备等。在相关产品的生产过程中，需要使用一定尺寸的基板。目前，可供选择的基板类型有很多，在生产中可能会应用一些柔性基板，相应的基板存在材质较软的问题，在生产过程中极易发生翘曲、变形等问题。如果将mini LED芯片封装在这些柔性基板上，则封装的良率与基板的平整度之间存在十分密切的关联。如果基板的平整度不足，存在翘曲等问题，则最终所生产产品的良率也会受到明显的影响。由于Mini LED背光源中LED芯片尺寸小、芯片间距窄、芯片数量多，所以对于故障的LED芯片，难以人工返修，要利用返修设备来完成。在mini LED背光源封装加工过程中，检测设备会进行多次检测，并标记故障的LED芯片的坐标，然后传送给返修设备，如果基板产生翘曲，标记的坐标点会移位，从而影响返修效果，降低生产良率[7]。为此，在本文的研究中，我们尝试提出一种Mini LED COB基板压合整平工艺技术。在本文的研究中，本项技术的基本方案为，通过热压机在真空环境下高温压合方式，把翘曲度大的基板压合整平，降低基板翘曲度，使后续印刷、固晶等工艺可以正常作业，达到锡膏印刷准确、芯片放置位置准确、回流后芯片粘接牢固，芯片的偏移和旋转角度小，空洞率小，产品信赖性高,减少芯片坏点，提升产品良率的目的，为Mini LED产品保驾护航。

在对基板进行压合整平的时候，首先对来料的翘曲度进行检验。在具体的检验过程中，包含测量方法、测量标准规则制定等内容。其次，进行压合整平操作。在这一操作过程中，所包含设备需要进行最优压合参数验证、压合模具设计、操作手法规定、压合后翘曲度检验规范制作。在进行光源封装的过程中，首先进行刷锡处理，处理的范围包含钢网设计、锡膏选择，载具设计，PCB板设计，刷锡工艺控制；其次，开展SPI，包含锡膏检测方法、标准制定；第三，进行固晶操作，具体内容包含材质选择、芯片、顶针、吸嘴、点胶头选型，胶水选择，固晶工艺控制；第四，回流，包含载具设计，回流焊温度曲线设计；AOI：包含检测方法、标准制定；第五，AOI：包含检测方法、坏点数量管控标准制定。为了验证本次研究所提出的 Mini LED COB 基板压合整平技术可靠性，还开展了相关的可靠性试验，试验内容涉及到不同温度下的存储情况与老化情况，以及冷热冲击所产生的效果等等。具体试验项目与试验条件等情况如表3所示：

表3    Mini LED COB 基板压合整平技术可靠性试验

编号	试验项目	试验条件	试验标准	周期	数量
（1）	高温高湿	60℃，90%RH，504H	GB/T2423.3	504H	2
（2）	高温老化	55℃，504H	GB/T2423.2	504H	2
（3）	高温存储	100℃，1000H	GB/T2423.2	1000H	2
（4）	冷热冲击	-45℃~125℃，时间：15min ，10s ，15min ，100cycles	GB/T2423.22	1000回合	2
（5）	低温储存	-40℃，1000H	GB/T2423.1	1000H	2

2.2核心技术

目前Mini/Micro LED 规模化应用主要为两个方向，一种是RGB直接显示，另一种是以Mini/Micro LED作为背光模组方案。当 Mini/Micro LED 应用于背光模组时，厚度越薄越好，目前主流PCB基板拥有低胀缩以及平整度等特点，可以很好地支持MiniLED芯片的COB封装。本次研究所提出的Mini LED COB 基板压合整平技术涉及到一定的技术参数指标，并具有一定的应用范围，具体情况如表4、表5所示：

表4   Mini LED COB 基板压合整平技术相关性能指标

编号	检测项目	规格	量测机台
（1）	基板翘曲度	翘曲度＜0.2mm	塞规、红外测量仪
（2）	坏点数量	坏点数量≤10PCS	AOI

表5   Mini LED COB 基板压合整平技术适用范围

编号	项目	适用范围
（1）	基板类型	FR4多层层压板
（2）	基板尺寸	＜350*350mm
（3）	基板厚度	＞0.2mm
（4）	表面处理方式	化金工艺

同时，在操作过程中，在对基板进行放置的时候，需要注意将其放置在模具的中间位置。模具的放置和拿取过程中，工作人员注意保持平稳的移动，不可发生倾斜，以防止基板出现跌落损坏。另外，在压合完成之后，需要静置一段时间，模具不可马上打开。在完成压合之后，需要将模具放置在导热台上，置于室温环境下保持自然冷却，避免降温速度过快导致基板翘曲变形回弹[7]。除此之外，对于所使用的压合模具，需要设计锁紧方式。在压合后冷却的过程中，需始终保持锁紧状态，以避免基板翘曲回弹。

2.3创新之处

本次研究所提出的Mini LED COB 基板压合整平技术工艺通过应用简易压合设备和治具，在不增加设备成本的情况下，改善管控基板翘曲度，达到工艺制程稳定性，提升产品良率，降低成本。与其他一些同类产品进行比较，也存在明显的竞争优势：产品良率至少提升15%，减少产品的维护和返修费用，提升产品交付能力，预计至少节约产品研发和生产制造费用约10%。随著销售额的逐年增长，成本优势会更加明显。

2.4达成目标状况

热压后基板翘曲在0.1-0.2mm，固晶稳定，漏固歪斜报警减少，不良坏点降低，基板上芯片总数量约40000pcs，坏点数量可管控到10pcs以下。Mini LED COB RGB基板压合整平技术达成目标状况如表6所示：

表6     Mini LED COB 基板压合整平技术达成目标状况

编号	合模压力	5KN	8/10/12KN	14/16KN
（1）	压合后基板翘曲	0.4~0.5mm	0.15~0.3mm	0.1~0.2mm
（2）	图示
（3）	坏点数量	30-50pcs	11-20pcs	5-10pcs

技术总结：压合整平后基板翘曲在0.1-0.2mm，固晶稳定，漏固歪斜报警减少，不良坏点降低，基板上芯片总数量约40000pcs，坏点数量可管控到10pcs以下。产品暗点数量符合客户品质管控标准，获得客户一致好评，客户满意度高。形成技术平台文件，明确适用范围和工艺最优参数，支持Mini LED COB新产品的开发和量产。

2.5经济效益分析

通过本次研究提出一种Mini LED COB 基板压合整平技术，通过对该技术的分析和研究开发，提供基础技术平台，提升公司技术能力储备，预计缩短新产品10%的开发周期，提升新产品开发成功率，产品良率至少提升15%，减少产品的维护和返修费用，提升产品交付能力，预计至少节约产品研发和生产制造费用约10%。随著销售额的逐年增长，成本优势会更加明显。

3结语

    总之，Mini LED行业快速发展的大背景下，针对Mini LED COB基板压合整平问题，还需要积极的对相关工艺和技术予以优化，提高了基板的平整度，以更好支持 Miniled 芯片 COB 封装，提高产品质量。通过本文的分析，提出了一种Mini LED COB 基板压合整平技术。通过应用该技术，可以将平整度控制在理想的范围之内，将基板曲翘影响降至最低，精准控制成品封装高度，产品可靠性能优良，产品已开始在多家客户端测试和试产，并获得了客户的好评。在未来的实践中，可以尝试对该技术予以进一步的推广应用。

【参考文献】

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[3] 陈亚勇. 提升Mini LED显示屏墨色一致性的封装技术研究与应用[J]. 照明工程学报,2021,32(4):58-62.

[4] 张广谱,朋朝明. Mini LED灯板及驱动方案技术研究[J]. 电子产品世界,2021,28(8):38-41,81.

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[6] 罗克研. Mini LED技术革命加速"屏联万物"[J]. 中国质量万里行,2021(6):79-80.

[7] 陈市伟,周建华,黄学. 一种Mini LED用超薄印制电路板工艺研究[J]. 印制电路信息,2021,29(6):49-51.

[8] 杨梅慧,林伟瀚,于海,等. Mini LED显示光学性能分析[J]. 液晶与显示,2022,37(6):680-686.

作者简介：苏宏波，1978年6月，男，汉族，河南省三门峡市，硕士，材料物理与化学。