小间距LED显示屏的PCB可制造性设计.pdf

电视技术第47 卷第6 期（总第57 1期）34.023,ideoEngineeringP器件与设计ARTS&DESIGN器件与设计文献引用格式：徐明亮，罗玉华，高雄，等.小间距LED显示屏的PCB可制造性设计 J.电视技术，2 0 2 3，47（6）：34-37.XU M L,LUO Y H,GAO X,et al.PCB manufacturability design for small pitch LED displayJJ.Video Engineering,247(6):34-37.中图分类号：TN873文献标识码：AD0I:10.16280/j.videoe.2023.06.008小间距LED显示屏的PCB可制造性设计徐明亮1.2,罗玉华1.2 高雄1.2,楼晓景1.2 ,赵一鸣12,王炳程1.2（1.浙江大华技术股份有限公司中央研究院，浙江杭州310053;2.浙江省视觉物联融合应用重点实验室，浙江杭州310053)摘要：随着小间距LED显示屏的飞速发展，其相关的印制线路板（PrintedCircuitBoard，PC B）的加工难度增加，一致性要求变高。对此，从印制电路板的外形尺寸、激光孔、线路层等几方面来阐述小间距LED的PCB可制造性设计。关键词：小间距LED显示屏；印制电路板（PCB）；可制造性PCB Manufacturability Design for Small Pitch LED DisplayXU Mingliang*2,LUO Yuhua2,AO Xiong2,LOU Xiaojing,ZHAO Yiming*2,WANG Bingcheng1.2(1.Central Research Institute,Zhejiang Dahua Technology Co.,Ltd.,Hangzhou 310053,China;2.Zhejiang Provincial Key Laboratory of Harmonized Application of Vision&Transmission,Hangzhou 310053,China)Abstract:With the rapid development of small pitch LED displays,the processing difficulty of their related Printed Circuit Board(PCB)has increased,and the consistency requirements have become higher.This article elaborates on the manufacturability design of smallpitch LED PCB from several aspects such as the overall dimensions of printed circuit boards,laser holes,and circuit layers.Keywords:LED display screen;Printed Circuit Board(PCB);manufacturability0引言电视的核心显示技术一直进行着变革，从老式笨重的阴极射线显像管变为超薄的液晶显示，再到今天的有机发光二极管（OrganicLightEmittingDiode，O LED）、U LED（U l t r a LED）、M i n i LED、MicroLED等多线发展。LED屏幕尺寸越做越大，得益于整体工业水平的提高，液晶屏的价格越来越低。然而，液晶屏受限于自身玻璃切割工艺，其最大尺寸局限在12 0 英寸，尽管有拼接屏技术，但拼接处较大的缝隙导致显示效果不佳。小间距LED屏凭借自身无限的扩展性在大屏领域拥有不可取代的优势属性。本文将以灯距1.2 mm（以下简称P1.2）的小间距LED显示屏为例，重点介绍小间距LED显示屏的印制电路板（PrintedCircuitBoard，PCB）可制造性设计。1小间距LED显示屏种类1.1通用小间距LED显示屏小间距LED显示屏由多块相同尺寸的显示模组拼接而成，单个显示模组的外形尺寸、灯珠数量及排布方式都是固定的 2 。其中，外层线路层一面布满焊盘（一般4个pad为一组，用于安装LED灯）设计，称为LED显示面，简称LED面；另一面设计用来安装驱动芯片，称为驱动面。单颗灯珠的间距为0.451.6 mm，设计规格主要取决于灯的焊点规格。目前，主流灯距为0.91.2 mm，灯珠的封装越小，相应灯距越小，线路更加密集，分辨率越高，作者简介：徐明亮（1991一），男，本科，工程师，研究方向为电子电路以及仿真。通信作者：楼晓景（198 0 一），女，硕士，高级工程师，研究方向为电子电路以及仿真。E-mail：l o u x i a o j i n g 16 3.c o m。电视技术第47 卷第6 期（总第57 1期）35ideoEngineeringHHARTS&DESIGN器件与设计显示效果越好。LED发光源由RGB灯珠产生。RGB灯珠封装分为表面贴装器件（SurfaceMountDevices，SM D）、COB（打金线、倒装芯片）、MicroLED三大类。SMD是将LED发光芯片通过支架封装成独立的发光器件，通过表面贴装工艺焊接在印制电路板表面。经过多年的发展，这种方式目前已经非常成熟。因此，SMD型的小间距产品一直是行业主流。传统的SMD型小间距LED屏，其灯珠尺寸一般在100300m，能够使用传统的工艺及测试方法进行制造和测试 3。但当屏幕的灯距小于1.2 mm时，其灯珠尺寸在8 0 150 m，SM D 型小间距LED屏的可制造性开始面临技术和成本的挑战，可制造性的良率和成本成为限制因素。1.2COB显示屏如图1所示，COB封装指将裸芯片用导电或非导电的胶黏附于印刷线路板表层，使用引线键合技术实现其电气连接，最后用树脂对芯片和键合引线进行二次包封 4。COB封装相比其他装配方式，具有节约空间、简化封装作业、更具高效性等优点。尤其在MiniLED屏领域，COB正装和IMD（多合一封装）技术已相对成熟，相比于传统的SMD分立器件，P1.0及更小间距的显示屏是COB正装和IMD技术具有相对优势的间距范围。其中，PO.9显示屏在2 0 2 0 年有显著成长，COB正装和IMD技术主要集中使用于P0.9的项目，但P0.7以下的项目应用较少，且PO.7是COB正装和倒装芯片的临界点。金属线连接胶体压合气密性SMD焊脚裸露基板PCB基板驱动IC图1COB单板侧面图COB封装很好地弥补了SMD封装技术的缺陷，其主要优势如下。（1）性能更可靠。无灯珠封装的回流焊工序，能有效避免因高温焊接而导致的灯珠损坏。（2）观看更舒适。高填充因子光学设计，发光均匀，能够有效消除摩尔纹；哑光涂层技术，显著提高对比度，不易产生视觉疲劳。（3）适应性更强。无裸露灯脚，表面平滑，防潮、防静电、防磕碰、防尘，减少死灯和坏灯问题。（4)散热面积大。相对于SMD通过四个焊脚散热，COB灯芯直接贴装在板面上，散热良好。然而，COB单板的可制造性同样面临挑战，需要不断优化。1.3MicroLED显示屏MicroLED是指将数百万颗LED巨量图形转移到基板上，其LED灯珠尺寸可小到微米级别，但在驱动电路设计、色彩转换方式、检测设备及方法、晶圆波长均匀度控制等方面存在技术瓶颈 5，目前实现量产比较困难。2小间距LED屏幕的印制线路板可制造性设计印制电路板（PCB）作为小间距LED显示屏的重要组成部分，其主要作用是提供灯珠和驱动芯片之间电气互联的基底。区别于普通的电路板，小间距LED显示屏的PCB设计受限于灯面焊盘间距，大多采用高密度互连（HighDensityInterconnector，HDI)技术,所以其可制造性设计的可靠性至关重要。下面阐述提高小间距LED显示屏的可制造性设计的方法。2.1外形尺寸可制造性设计一块屏幕由多个箱体组成，一个箱体由多块模组（PCB）组成，模组（PCB）为箱体尺寸的倍数关系。因实际加工中存在外形尺寸的正公差（0.1mm），PCB图纸设计尺寸值需减小0.0 5mm，避免累计公差导致模组无法放人箱体。例如，模组（PCB）尺寸的理论值为2 0 0 mm150mm时，外形尺寸可设计为 199.95 mm 149.95 mm。由于LED面需装配大量密集的LED灯，PCB的高平整度才能满足装配条件和显示效果，因此对PCB翘曲度的要求较高，需严格控制PCB的翘曲度小于0.5%。影响PCB翘曲度的主要因素如下：（1）板厚设计偏小（小于1mm），刚性强度下降,易翘曲；（2）单板尺寸设计过大，易翘曲；（3）PC B叠层互相对称面的线路层残铜率差异过大，易翘曲；（4）PC B板材的TG值（TG指基板由固态融化为橡胶态流质的临界温度)太小，板材强度较低；电视技术第47 卷第6 期（总第57 1期36ideoEngineeringARTS&DESIGN器件与设计（5）驱动面的器件集中于单板中间区域放置，导致中间塌陷。通过优化外形尺寸的可制造性设计，减少PCB翘曲度的方法有：（1）板厚推荐2 mm，板厚公差控制在0.13mm；(2)尺寸不大于2 0 0 mm200mm;（3）PC B叠层互相对称面的线路层（如6 层板，则L1和L6对称，L2和L5对称，L3和L4对称）的残铜率差异小于8%；对称面的残铜率差异无法降低，则残铜率大的层面，将大铜面改为网格设计（一般线宽和线距按不小于0.2 mm）；残铜率小的层面，在空白处增加平衡铜；（4）使用TG值不小于150 的板材，增加板材强度；（5）驱动面的芯片需分散于单板四边放置，中间区域禁布芯片。2.2安装孔的可制造性设计为将LED板固定在箱体上，LED板一般设计有安装孔，可通过铆钉固定在箱体上。由于LED面焊盘密集，若安装孔设计为通孔则会与LED的焊盘干涉，影响显示效果，所以将安装孔设计为NPTH(非金属化)不透孔，其孔径及深度可根据铆钉规格而定。一般铆钉底部是平的，而PCB加工所用钻嘴的钻头为尖角且有角度（常规为16 5），如图2 所示。由于钻出来的不透孔底部非平整，加工时需严格管控钻头深度公差，确保开孔深度不伤及LED面的焊盘和线路层D驱动面HTLED面图2不透孔侧面示意图2.3激光孔可制造性设计激光孔（孔径一般为0.1mm）应按错开孔设计，避免设计为激光叠孔，如图3所示。若激光钻孔设计为叠孔，必须采用电镀填盲孔工艺，增加孔内铜箔厚度，可增大叠孔之间铜箔连接面积，改善电气性能，可靠性更高，但在激光钻孔时会产生焦渣附着在孔壁，且会导致第二层铜箔被氧化甚至击穿（铜厚在15m以内时有可能发生），激光孔电镀前需清理焦渣，叠孔工艺较复杂且成本较高。图3激光孔优化示意图2.4线路层可制造性设计PCB板边焊盘边缘距外形中心线间距需严格管控，确保间距不小于0.12 mm，主要原因如下（1）若间距不足，锣刀加工的精度较低，极易伤及板边焊盘。（2）当外形加工精度存在正负公差时，则以0.05mm或0.1mm等公差中值为前提；若出现非对称正负公差，如+0/-0.1mm、+0.0 8/-0.0 2 m m 等，需通过换算将外形数据修改为公差中值，再确保焊盘距外形满足最小间距0.12 mm。若无法满足间距要求，设计时需削减板边焊盘以满足加工间距要求，但会降低焊盘的焊接强度或导致焊接中心偏移，需对板边焊盘进行铜箔补偿，增大其焊接强度。2.5焊盘可制造性设计LED面灯珠焊盘小，数量多，密集程度大，加工难度大，其焊盘尺寸需参考灯珠规格，且确保设计尺寸不小于0.3mm0.3mm。若焊盘尺寸太小，加工良率低，焊盘一致性较差。为确保焊盘尺寸一致性，可设计为SMD（窗定义盘），推荐焊盘铜皮比阻焊开窗单边不小于2 mil（0.0 5m m），若不足2 mil（0.0 5m m），最小可至1mil（0.0 2 5m m），但极限值易导致阻焊窗对偏而单边露基材，导致灯珠焊接偏位。2.6组焊层可制造性设计阻焊油墨颜色选用哑黑（非亮黑），LED面需去除封装白色丝印，显示效果较好。阻焊色差需严格管控，可使用比目显微镜分栋。若各批次之间阻焊色差过大，可替换PCB叠层的外层双面板材为黑色PP（PP指半固化片，是树脂与玻纤布合成的一种片状黏结材料），能有效改善色差过大问题2.7运输可靠性设计PCB单板文件中需添加工艺边。工艺边外角可导圆角，能有效避免因单板尖角刺破包装而导致的漏气和吸湿的风险。在实际加工时，外形锣边及通断测试均需用到不小于直径0.7 mm的固定孔，且数量不少于4个。添加工艺边后，会有足够空间可添加此类固定孔，能有效提高外形加工的精度和通断测试的效率。根据实际的产品需求，可灵活选择电视技术第47 卷第6 期（总第57 1期）37编辑：张玉聪(上接第33页）S编辑：张玉聪ARTS&DESIGN技ideoEngineering器件与设计高精度锣机（如金刚石锣机)或者廉价的低精度锣机去除工艺边，单板物料适用性更强，物料归一化程度高。3结语本文阐述了提高小间距LED屏幕的可制造性设计的方法，涉及PCB设计、PCB加工，再到后期物料管控等领域，可有效提高生产良率，降低生产成本。参考文献：1洪震.LED显示屏产业发展综述 J.信息技术与标准化，电梯内乘客表现为站立、跌倒以及乘客暴力行为时电梯系统界面显示情况。当乘客为正常站立状态时，电梯状态会显示为正常，乘客状态显示为乘客站立；当乘客行为表现异常时，系统会显示乘客异常行为.如图6 中出现暴力行为以及乘客跌倒，此时电梯状态显示为异常，系统会同步对相关人员进行预警。本系统目前完成初版的功能设计和实验，能实现正常流畅运行每秒30 的视频流输入显示及识别，基本实现对电梯轿厢内乘客的行为识别以及实时演示，实现系统设计的基本目标和要求。5结语本文在前述架构以及推理模型的基础上完成了基于B/S架构的远程监控系统，对于梯内乘客行为，基于C3D深度学习网络实现了高准确性以及高实时性的识别。整体系统的流畅性和功能性完成度较高，能基本实现对小批量电梯监控视频源进行实时的监控。但是在大批量监控源的情况下，现有的视频架构可能无法满足要求。后续可以从提高视频2010(10):22-25.2孙铮.浅谈小间距LED显示屏的拼接处理技术 J.电子科学技术,2 0 14,1(3）：396-398.3 深圳市照明与显示工程行业协会.MiniLED商用显示屏通用技术规范：T/SLDA0012022EB/0L.2023-05-19https:/ D.绵阳：中国工程物理研究院，2 0 14.5 建鹏，郭伟玲.MicroLED显示技术研究进展 .照明工程学报，2 0 19,30（1）：18-2 5.分析并发能力以及推理模型更多分类识别能力等方面进行优化和改进。参考文献：1 李钊，梁栋，褚燕燕.基于Evacnet模型的高层建筑电梯疏散特性研究 J.安全与环境工程，2 0 16，2 3（6）：16 0-16 5.2 朱亚兴，余爱民，王夷.基于Redis+MySQL+MongoDB存储架构应用 J.微型机与应用，2 0 14，33（13）：3-5.3 JI S,XU W,YANG M,et al.3D convolutional neuralnetworks for human action recognitionJJ.IEEE Transactions onPattern Analysis and Machine Intelligence,2013,35(1):221-231.4TRAN D,BOURDEV L,FERGUS R,et 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