应用于中高端液晶电视的芯片级封装LED背光源的应用研究

应用于中高端液晶电视的芯片级封装LED背光源的应用研究

张妮 

深圳市聚飞光电股份有限公司  广东省深圳市  518111

【摘要】随着液晶电视的不断发展，对背光源的要求也越来越高。近年来，在中高端液晶电视中，开始越来越多的应用LED背光源。在本文的研究中，针对芯片级封装LED背光源器件进行开发，建立芯片级LED封装材料、设备、工艺，分析其在中高端液晶电视中的应用情况，以更好的推动中高端液晶电视背光产品的性能提升和持续健康发展。

【关键词】液晶电视；芯片级封装；LED背光源

HDR、UHD（4K）、SUHD(8K)是目前液晶LED电视的三大发展趋势，UHD（4K）、SUHD(8K)电视玻璃的透光率低，需要LED有更大光通量，因此要有大功率的LED光源[1]。芯片级封装最早出现在IC产业中，由日本三菱公司在1994年提出来。其封装形式根据J-STD-012标准定义是指封装尺后尺寸不超过LED芯片1.2倍的一种新型封装形式。

1中高端液晶电视与芯片级封装LED背光源

芯片级作为一种新型LED封装形式，具有以下优点：①稳定性较好，去掉了传统封装中的金线，使其可靠性大大增加，避免因金线断裂造成的死灯隐患；②尺寸小，可以任意组合成各种功率和形状，有利于在特殊需求的产品上使用；③结构简单，减少了芯片底部材料层数，减少了热传导的路径，使其整体热阻更低；④产品从120°的面光源，变为180°的体光源，增加出光效率，给需要大出光角度的产品设计提供了方便；⑤芯片由正装芯片变更为倒装芯片，相同面积的芯片，电流可以大幅度增加[2]；⑥封装制造流程中，去掉了支架，金线，固晶胶，同时也减少了封装胶水及荧光粉的用量，成本大大降低；⑦由传统的逐个点胶方式变为整个面的模压或喷涂方式，大大提高生产作业效率。传统带支架的LED产品工作电流和光通量受限于热阻高，体积大等原因已无法胜任UHD和SUHD电视的需求，因此有必要开发芯片级封装LED背光源。

2芯片级封装LED背光源在中高端液晶电视中的应用

2.1芯片级封装LED背光源技术路线

本次研究所开发的芯片级封装LED，与传统的LED产品所用的设备及工艺都有比较大的差异，技术路线的选择对产品能否成功开发起到关键的作用，所选用的技术路线如下：

图1   芯片级封装LED背光源技术路线示意图

2.2相关技术要点

 2.2.1 CSP切割产生的毛刺问题

基于可靠性的考虑，CSP使用的封装胶水为硅胶系列，其普遍硬度在Shore D60左右，属于硬度偏低的胶水，在切割过程中，刀轮上会粘黏部分胶体，导致切割产生毛刺，或者切割出现胶体被拉起的情况[3]。通过进刀速度、刀片厚度、切割刀高三个参数进行对比验证，最终的数据结果显示，传统的刀轮式切割机对于切割硅胶模压制程的CSP产品，设置不同的机台参数均无法改变产品存在毛刺的问题。具体结果验证数据如表1所示，

表 1 不同进刀速度、不同刀片厚度、不同切割刀高情况下的毛刺情况对比

基于软胶特点，与供应商联合开发，优化切割方式，实验多种切割方法，采用全新设计的刀片式切割，利用刀片垂直向下对材料进行切割，类似于“铡刀”的原理，切割后的材料几乎不产生毛刺。解决切割后材料边缘出现“毛刺”“形变”等情况。并且切割时不会产生热量，也无需用水冷却，更节能环保，工艺更简洁。

2.2.2CSP切割产生的切偏问题

由于基板的制作精度、芯片的排列精度、切割机的切割精度等问题，导致产品切割时存在切偏问题，甚至出现切坏芯片的情况。经多次测试优化，将芯片直接排列在透明膜上，制作一张透明膜，放置在排列机上固定的位置，排列机根据设定好的起始位置及设置的行列数量，以步进移动的方式，自动进行排列，不需要识别Mark点，其排列设备精度达到±25um，切偏几率下降一半。目前，常见的使用正面切割方式，经实验对比，利用材料背面芯片与芯片之间的缝隙进行对位，可以有效解决产品切偏问题。

2.2.3CSP使用过程中的胶体开裂问题

CSP产品由于没有支架保护，在使用过程中，由于热量的聚集，会使胶体温度升高，从而导致胶体开裂，甚至胶体剥离的情况发生。通过开展胶体厚度实验，制作胶体厚度分别为0.1mm、0.15mm、0.2mm、0.25mm、0.3mm的产品，进行1000小时的85℃高温老化实验，为了排除贴片因素的影响，老化实验前，对材料进行X-Ray检测，并挑选空洞率相差不大的材料进行实验，为产品结构设计做参考。实验结果显示：胶体表面温度与胶体厚度有直接关系，胶体厚度越后，胶体表面温度越高，当胶体表面温度大于120℃后，85℃高温老化实验，会出现胶体开裂的情况，温度越高，胶体开裂情况越严重。通过开展胶体开裂实验，在不同的实验条件下，测试产品的Tj温度，并进行3000H的老化实验，寻找不会出现胶体开裂的最大Tj温度，为客户端产品使用环境做参考。实验结果显示：在Tj≤110℃时，3000H老化实验，不会出现胶体开裂情况，Tj＞110℃，老化实验均会出现不同程度的胶体开裂的情况。

2.3芯片级封装LED背光源在中高端液晶电视中的具体应用

芯片级封装LED背光源开发完成，并应用于中高端液晶电视的背光模组中。此次研究所设计的芯片级封装LED背光源通过缩小芯片级封装LED的尺寸及其透镜的尺寸，减小PCB板的宽度，使得在不损失光品味的前提下，大幅缩减背光源产品的尺寸，为液晶电视的轻薄化提供支持。          

3小结

总体来看，本文所设计的芯片级封装LED背光源开发过程中，利用刀片垂直向下对材料进行切割，类似于“铡刀”的原理，切割后的材料几乎不产生毛刺。利用材料背面芯片与芯片之间的缝隙进行对位，可以有效解决产品切偏问题。胶体表面温度与胶体厚度有直接关系，胶体厚度越后，胶体表面温度越高，当胶体表面温度大于120℃后，85℃高温老化实验，会出现胶体开裂的情况，温度越高，胶体开裂情况越严重。通过分析芯片级封装LED背光源在中高端液晶电视中的应用情况发现，芯片级封装LED背光源可以小PCB板的宽度，使得在不损失光品味的前提下，大幅缩减背光源产品的尺寸，为液晶电视的轻薄化提供支持，整体应用效果十分理想。

作者简介：张妮，1986年5月，女，汉族，本科，微电子制造工程。

【参考文献】

[1] 胡向峰. LED电视高效无屏闪分段调光技术的应用[J]. 电子产品世界,2020,27(7):22-25.

[2] 何胜斌. 直下式液晶电视背光源控制技术[J]. 山西电子技术,2020(3):71-73,93.

[3] 曾广智. LED液晶电视动态调光技术及应用研究[J]. 电子制作,2020(12):97-98,15.

作者简介：张妮，1986年5月，女，汉族，本科，微电子制造工程。