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LED显示屏一体化设计趋势

来源:深圳灯具供应商   发布时间:2016-5-5 9:04:24   点击量:

导读: 一体化LED显示模组类产品的实现,不仅可以带来降低成本、简化工艺、提高产能的优越性,而且还可以实现LED模组类产品的全自动化生产。

1907年,Henry Joseph Round 首次在一块碳化硅里观察到电致发光现象开始,到上世纪50年代,英国科学家在电致发光的实验中使用半导体砷化镓发明了第一个具有现代意义的LED,并于60年代面世。

  当时,商用的LED仅仅只能发出不可视的红外光,被迅速应用于感应与光电领域。发展到60年代末,在砷化镓基体上使用磷化物发明了第一个可见的红光LED,磷化镓的改变使得LED更高效、发出的红光更亮。

  在随后的若干年内,在LED方面的研究也不断发展,一直到20世纪90年代中期,半导体材料的快速进步,建立在铟铝磷化镓、氮化镓、铟氮镓等材料上的.超高亮度红、绿、蓝三基色LED相继问世,从此LED的运用进入了迅猛发展的阶段。

  随着亮度的提高和颜色种类的增加,LED在单色屏和双色屏中得到使用,被广泛运用在交通诱导屏、证券期货等信息发布场所。

  当LED三基色出现后,全彩显示屏应运而生,LED以其寿命长、亮度高、功耗低、方向性好、色泽鲜艳等优点,成为户外广告行业的新宠。

  显示屏进入高速发展期

  随着LED半导体芯片的不断发展,在亮度均匀性、色度均匀性、方向性、光效等方面都有了很大的提高。产品的划分、成本的控制越来越精细化,形成了适应不同要求的众多规格产品。户外系列产品有636、446、546、346、236、3636等;户内系列产品有:3528、3535、2828、2121、1515、1010等等;市场运用的成熟,导致在产品设计上更趋于标准化。与此同时,建立在标准化基础上的差异化创意也得到广泛运用,现阶段户内显示产品主要有P10、P8、P6、P5、P4、P3、P2.5、P1.875、P1.6等,户外系列产品有P20、P16、P12、P10、P8等。

  目前,LED显示屏发展已进入规模化、机器化生产阶段。成本控制、产能提升成为各个企业努力的方向。总的来说,LED显示屏的发展进入一段稳定的发展期,从上游芯片、封装再到配套设备等不同专业领域,在技术、工艺、产能等方面都得到快速发展。

  近两年来,小尺寸芯片、小封装新产品也不断问世,助推了LED在小间距高密度运用产品的发展。随着市场的扩大,小间距高密度LED产品不断快速的发展,将成为户内平板显示工程类运用的主要产品之一。

  LED显示在拼接、亮度、色彩、视角、寿命、一致性等方面都优于传统户内平板显示工程类产品如:DLP、液晶等。当然,若想进军家居领域,似乎还很遥远,需要在现有的基础上,实现大的突破,寄希望于材料的革新、产品的突破、技术的创新、产业链的整合等。

  配套芯片及封装工艺革新

  现阶段采用的绝大多数的LED芯片,都适用于固晶和焊线的封装形式,也有芯片厂家开始(或进行中)研制“倒装”芯片,采用这种方式的芯片,可以直接将芯片焊接到基板或骨架上,实现电气连通,不需要再通过焊线的方式实现电气连通。

  这种制造工艺的实现,在降低成本的同时,还可以提高产能。从市场反馈的非公开信息来看,已有厂家研制出倒装红、绿、蓝LED芯片,因成本、工艺、技术、设备等相关因素的限制,可适应的产品范围较窄。

  更有甚者,还有公司研制出在同一基板上长出RGB三晶的倒装三合一,目前尚在实验探索阶段,无法实现规模化生产,加上原有封装厂家前期大规模的设备投入,全面闲置或更换,势必造成较大的损失,在市场上大力推广的意愿上也不强烈。

  因此,倒装芯片的研制与探索,一但在成本、技术及工艺等方面的问题得到解决,将会强有力的推动低成本、高产能的倒装LED芯片在显示屏市场的运用,给LED芯片、封装及配套设备行业带来新的发展机会。

 

一体化设计成趋势

  组成显示屏箱体单元的基本单元就是模组,就使用环境来分有户内与户外两大类型,按常规产品来讲,户内产品的构成是:底壳、面罩、灯板及附件等;户外产品的构成是:密封圈、底壳、面罩、灯板、密封胶及附件等。

  针对模组类产品的组成架构,撇开原有的设计思维模式,按照“一体化”模组的设计思路,进行各组成部分的非独立(具有相关性)设计,将会大幅降低模组类产品的成本,具体可从以下几大方面分别叙述:  

         灯板的一体化设计:灯板作为模组的重要组成部分,其成本的高低会直接影响到终端产品的销售价格,换句话讲与产品带来的利润息息相关。通常,灯板主要是由以下几部分组成的LED、线路板、驱动电路等构成。

  对于显示屏制造商来说,设计人员是将这些分开独立的部件产品,设计在一个模组产品上,通过电子加工的方式组合到一起,形成模组产品,倘若在模组产品的设计上,可以将这些独立的部件进行局部整合或全部整合,将会使模组产品的成本大幅降低。

  首先是LED芯片及封装的一体化:将LED芯片直接绑定在线路板中间层面上,然后在绑定的凹孔处直接灌入密封胶,便形成一体化模组不可分割的LED显示部分。如下图1、图2所示,绿色部分表示LED芯片,红色部分表示密封胶、黑色部分表示多层电路板。

  采用这种设计方式的模组类产品,比生产点阵模块的传统工艺要简单许多,从固晶、焊线、点密封胶等相关环节均可采用自动化设备完成,在产能方面大幅提升,密封材料的使用量精准可控,并且其使用量也大幅减少。

  从成本来看,同采用常规工艺流程制造的模组类产品相比,主要减少两部分成本,第一是LED封装产品市场销售的利润及其部分材料成本(支架与外壳);第二封装产品的后续电子加工费用。

  当然,除以上直接成本降低外,还有无形成本的降低,比如加工工艺的简单化,带来的产能的提升,产品合格率的升高,降低了生产制造成本及售后服务费用;产品线制造环节的减少,缩短了产品的生产周期;效率的提高、人员的减少等诸多因素改善,带来管理费用的大幅降低,LED制造业将往高端制造业迈出一大步。

  综合考虑针对不同规格的模组产品,尤其是小间距高密度产品,采用这种COB绑定的生产方式,其成本同目前常规做法的同类产品相比,降低幅度在40-70%,亦或更高。

  其次是驱动及控制设计的一体化:对于高密度小间距模组产品,若采用现有的常规驱动方式与控制系统,在电气方面将会使用很多的元器件,造成设计上非常复杂,会对产品的可靠性及稳定性产生一定影响,增加在生产、加工、组装等制程中的难度,为了不降低产品的合格率,相对而讲,对产品的工艺控制要求就更严格。

  由于密度增加,单位面积内控制卡处理的信息量增大,为了不降低相关的技术指标,比如灰度、刷新率等等,单位面积内使用的控制卡数量将会增加,在狭小的空间内,要做到产品具备良好的工艺性,变得非常困难。如果采用智能化驱动的思路进行设计,可能会充分解决以上矛盾,具体可从以下两个主要方面简述:

  驱动部分(跟IC制造商或其它联合)将现有驱动IC的集成度大幅提升,根据目前小间距产品的规格信息以及设计的便利性与可靠性,确定驱动输出的端口数量,同时在输出的引脚分布上,最大限度满足PCB设计的方便性要求,至于驱动IC产品的形式可采用封装与绑定两种方式。

  对普通使用者,采用封装形式,在设计与使用方面会比较灵活;对于具有绑定设备的使用者,可采用直接将IC绑定在线路板的方式设计,使用这种方法容易做到驱动IC的体积更小,成本比采用封装形式的更低,缺点是不具有通用性,售后服务是难点。

  控制部分( 跟控制卡制造商或其它联合)建立在驱动I C集成度大幅提升的基础上,由此节省出的物理空间,可将接收控制卡的电路设计转移到驱动板上完成,这样驱动与控制设计在一起,就形成了智能型驱动,实现这种方案的效果不仅可以使产品的工艺性提升,而且与产品相关的稳定性、可靠性都会极大改善。

  同时,模组类产品的运用会更加灵活,比如模组自身的亮度校正数据、色度校正数据等方面将不受更换或位置的变化影响;模组的组合形式、显示的信息内容等等均可自由变换,这样不同创意的运用,将变得十分简单。通过这些改变与提升,对市场的再发展都将起到积极地推动作用。

  板材的一体化设计:考虑到小间距模组产品的散热或其它特殊环境要求的非风扇散热方式要求,将铝板和环氧板压合使用会较好的解决模组产品的散热问题,同时也有利于通过EMC测试要求;使得产品整体上符合安规认证的要求。

综上所述,芯片与封装的一体化设计以及驱动电路的一体化设计,二者通过线路板有机的结合在一起,便形成了本文所述的(室内用)一体化模组类产品;如果再能将接收控制卡的一体化设计有机的结合在驱动设计中,那么就形成了本文所述的(室内用)智能型驱动一体化模组类产品。

  户内外产品的一体化:现阶段市场使用的户内外模组类产品,套件设计完全不同,室内使用的套件不需要考虑防水,室外使用的套件需要考虑防水,并且大多数正面都需要灌封防水硅胶,固定结构端面都要安装防水密封圈。

  而一体化模组类室内产品可以不使用塑胶套件,安装连接装置可直接焊在线路板上,无需同常规模组那样,需要经过底壳过渡安装。同时,由于发光器件是嵌入到电路板中,使用和运输过程中,产品的防碰撞性能也比常规好了许多。

  至于一体化模组类的户外产品,只需将一体化模组类的户内产品,在长宽外形尺寸上缩小一定范围(比如0.5mm),能将一体化模组安装在出光面具有光学特性且完全密封的外壳内,加上配套的支架和密封圈,便形成了可在户外使用的一体化模组类产品,省去了常规模组需要灌封防水硅胶的环节。

  与此同时,光学特性的外壳,突破了现有LED封装产品配光曲线的限制,实现了在光学方面,产品可二次开发或满足市场特殊环境的定制运用。如下图所示,图3为室内型,图4为室外型;综上所述,一体化LED显示模组类产品的实现,不仅可以带来降低成本、简化工艺、提高产能的优越性,而且还可以实现LED模组类产品的全自动化生产,从某种意义上讲,一体化模组类产品是一种产业链整合的产品。

  不过,在带来诸多益处的同时,可能会对现有的一些封装产品产生冲击(主要是适用于小间距的封装产品);并且对产业链中的一些中间环节【比如纯封装企业、(仅限于显示屏行业的)电子加工业、驱动IC贸易商、塑胶套件厂、防水材料厂等】形成较大影响。

  与此同时,和显示屏配套的相关产业也会有新的发展机遇,如自动化配套生产设备、电路板厂、IC制造业、新型散热材料、封装材料等。本文阐述的一体化LED模组产品,仅代表个人对显示屏行业今后发展的预测,实际如何发展由市场自身决定。

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