高密度LED顯示屏設(shè)計(jì)問(wèn)題分析

許 寧

(南京洛普股份有限公司，江蘇 南京 210061)

0 引言

伴隨著LED顯示屏技術(shù)的迅猛發(fā)展，高密度產(chǎn)品已經(jīng)成為市場(chǎng)的新寵，精細(xì)、逼真的顯示效果讓客戶(hù)對(duì)其青睞有加，目前顯示屏市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)異常激烈，傳統(tǒng)顯示業(yè)務(wù)增速緩慢，高密度LED顯示屏已成新寵。對(duì)此，本文著重分析了目前高密度LED顯示屏在設(shè)計(jì)中的問(wèn)題及解決辦法。

1 高密度LED顯示屏設(shè)計(jì)方面的問(wèn)題

從2012年開(kāi)始，“高清”、“超高清”、“高密度”、“小間距”等詞語(yǔ)頻繁出現(xiàn)在各大公司的宣傳冊(cè)上。短短幾年的時(shí)間，點(diǎn)間距從4mm到3mm、2.5mm、1.9mm、1.6mm、1.4mm、1.2mm，再到目前的1.0mm甚至是0.8mm，高密度LED顯示產(chǎn)品已經(jīng)初步實(shí)現(xiàn)了系列化、產(chǎn)業(yè)化、規(guī)模化。高密度產(chǎn)品像是企業(yè)管理與設(shè)計(jì)水平的放大鏡，將原本存在但不突兀的問(wèn)題放大，如原有的大間距顯示屏如果出現(xiàn)一些帶亮問(wèn)題，用戶(hù)可能不會(huì)太過(guò)在意，因?yàn)橛^看距離較遠(yuǎn)不會(huì)影響整體顯示效果。但如果放在高密度顯示屏上，隨著分辨率越來(lái)越高，最佳的觀看距離也會(huì)變近，反而會(huì)影響觀看效果，所以需要對(duì)高密度顯示屏上出現(xiàn)的一些“通病”進(jìn)行分析并提出一些改進(jìn)方法與構(gòu)想。

1.1 鬼影現(xiàn)象

隨著高密度LED顯示屏的發(fā)展，點(diǎn)間距也變得越來(lái)越小，這也就意味著相同面積內(nèi)的LED數(shù)量會(huì)越來(lái)越多，而LED數(shù)量的增多會(huì)帶來(lái)一系列的設(shè)計(jì)問(wèn)題，例如：板層增加、驅(qū)動(dòng)芯片數(shù)量增多、亮度和電流的關(guān)系等。綜合以上因素，高密度LED顯示屏多會(huì)采用1/16以上的掃描方式，稱(chēng)之為“高掃描方式”。鬼影現(xiàn)象是高掃描設(shè)計(jì)中被發(fā)現(xiàn)的顯示問(wèn)題之一，主要原因是顯示屏換行與換列的運(yùn)行間，由于PCB上寄生電容的充放電因素，致使不該點(diǎn)亮的LED點(diǎn)亮，使用斜掃圖案檢驗(yàn)時(shí)更為明顯。鬼影現(xiàn)象也可分為上鬼影現(xiàn)象與下鬼影現(xiàn)象，這里主要討論上鬼影現(xiàn)象，下鬼影現(xiàn)象可以通過(guò)驅(qū)動(dòng)芯片自帶的功能進(jìn)行消除。

如圖1所示，若第一行第一列導(dǎo)通時(shí)，LED1點(diǎn)亮，此時(shí)也會(huì)對(duì)第一行C1進(jìn)行充電，而當(dāng)?shù)诙械诙袑?dǎo)通時(shí)，應(yīng)只有LED4點(diǎn)亮，但LED2也會(huì)隨之點(diǎn)亮，因?yàn)樵趽Q列時(shí)經(jīng)由LED2形成泄放路徑至驅(qū)動(dòng)IC會(huì)使其發(fā)亮，這就是所說(shuō)的上鬼影。

圖1 消除鬼影原理圖

如圖2所示，在顯示斜線(xiàn)掃描的時(shí)候上行鬼影尤為明顯。

圖2 十字架現(xiàn)象

目前的常用解決方案是在行上外加泄放電路做為寄生電容的泄放路徑，如圖3所示，在換至下一行的時(shí)候?qū)⑸闲屑纳娙莸碾姾蛇M(jìn)行泄放，則可解決上鬼影現(xiàn)象。

1.2 使用假線(xiàn)設(shè)計(jì)

在顯示屏技術(shù)高速發(fā)展的今天，用戶(hù)對(duì)顯示屏觀看效果的要求也變得越來(lái)越高，不僅是在屏幕顯示圖案的時(shí)候，甚至對(duì)屏幕不亮?xí)r的效果也提出了較高的要求。所謂“假線(xiàn)”是一種提高顯示屏黑屏狀況下觀看效果的設(shè)計(jì)方式。并且假線(xiàn)目前也基本只在LED高密顯示屏的設(shè)計(jì)上才會(huì)使用。可以通過(guò)圖4來(lái)了解什么情況下才會(huì)使用假線(xiàn)設(shè)計(jì)。

圖3 消鬼影原理圖

圖4 黑屏顯示效果

圖4是一塊1.9mm的高密度LED顯示屏，在黑屏狀態(tài)下，如果從屏幕的側(cè)面觀看就會(huì)發(fā)現(xiàn)有一道道的黑線(xiàn)，這些黑線(xiàn)將模塊分成了一個(gè)個(gè)的長(zhǎng)條區(qū)域，這樣就會(huì)影響黑屏狀態(tài)下屏幕的一致性。這種黑線(xiàn)是掃描屏設(shè)計(jì)的必然結(jié)果，針對(duì)這種情況，在設(shè)計(jì)時(shí)就會(huì)采用假線(xiàn)設(shè)計(jì)。這樣的黑線(xiàn)在高密屏上被更多關(guān)注的原因：1)高密度顯示屏觀看的距離會(huì)比普通大間距室內(nèi)LED顯示屏更近，近距離會(huì)暴露出很多以前沒(méi)有關(guān)注過(guò)的問(wèn)題；2)高密度屏的發(fā)光管越來(lái)越小，通常使用1010或0808封裝，發(fā)光管之間的間距也變的越來(lái)越小，所以這樣的黑線(xiàn)問(wèn)題會(huì)變的尤為明顯；3)目前高密度顯示屏由于間距非常小，導(dǎo)致面罩難以生產(chǎn)加工，沒(méi)有面罩遮蓋，黑線(xiàn)問(wèn)題就會(huì)暴露出來(lái)。

圖5所標(biāo)注的斷頭線(xiàn)即為假線(xiàn)，假線(xiàn)將掃描區(qū)所分開(kāi)的區(qū)域連接在一起，這樣在觀看時(shí)就看不出分割的黑線(xiàn)。但假線(xiàn)也會(huì)使設(shè)計(jì)上出現(xiàn)問(wèn)題，因?yàn)榧倬€(xiàn)有斷開(kāi)的網(wǎng)絡(luò)連接，這樣會(huì)給查板帶來(lái)一定的麻煩，稍有不慎就會(huì)使印制板設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，所以，查圖時(shí)需要尤為仔細(xì)。另外，LED層的走線(xiàn)放置在內(nèi)層也可以解決此類(lèi)問(wèn)題，但將LED層走線(xiàn)完全放置在內(nèi)層就會(huì)導(dǎo)致板層的增加，及相應(yīng)成本的增加，所以只有當(dāng)顯示屏的密度<1.2mm時(shí)才會(huì)考慮將LED層的所有走線(xiàn)放置在內(nèi)層。

圖5 假線(xiàn)示意圖

1.3 熱量分布問(wèn)題

熱量問(wèn)題一直都是影響電子元件產(chǎn)品成敗的重要因素，對(duì)LED高密度顯示屏也是一樣，但LED顯示屏和其他電子產(chǎn)品的區(qū)別在于LED顯示屏是要給人看的，所以在設(shè)計(jì)時(shí)不但要考慮散熱問(wèn)題，還要考慮熱量分布的均勻性。由于LED管芯RGB的顏色對(duì)溫度影響的變化不一樣，所以當(dāng)溫度不一致時(shí)屏幕的顏色也會(huì)有所變化。

隨著點(diǎn)間距變小，單位面積內(nèi)的LED數(shù)量和控制芯片的數(shù)量也相應(yīng)地大幅增加。例如前兩年比較常用的戶(hù)內(nèi)模塊點(diǎn)間距是6mm，那么每平方米的點(diǎn)數(shù)約為3萬(wàn)個(gè)，而對(duì)于現(xiàn)在的1.2mm，點(diǎn)數(shù)接近每平方米70萬(wàn)個(gè)，是原來(lái)的20多倍。而隨著同面積LED數(shù)量的增加，對(duì)應(yīng)控制芯片的數(shù)量也會(huì)增加。

在常規(guī)的設(shè)計(jì)中，大多都不會(huì)考慮將器件均勻放置在PCB上，因?yàn)榇箝g距的戶(hù)內(nèi)LED顯示屏由于密度低，散熱通常比較好，并且由于間距大，所以即使有熱量過(guò)高的地方也無(wú)法看出。但對(duì)于高密度LED顯示屏，如果在設(shè)計(jì)時(shí)仍然將發(fā)熱量高的芯片集中放置，就會(huì)很明顯地在屏上看出區(qū)域性的偏色現(xiàn)象。

如圖6所示，左圖為芯片密集放置的熱成像圖片，右圖為集成芯片均勻放置的熱成像圖片。通過(guò)圖6很容易看出，如果芯片密集放置會(huì)使熱量過(guò)于集中，在LED顯示屏上的表現(xiàn)為熱量過(guò)高的地方顏色偏紅色，即圖6的紅色區(qū)域；熱量不高的地方顏色相比較而言會(huì)偏青色，即圖6的藍(lán)色區(qū)域。所以LED高密度顯示屏并不是只考慮散熱就可以，只有均勻地分布熱量才能使屏幕的顏色看上去一致。

圖6 熱成像對(duì)比圖

1.4 LED焊盤(pán)設(shè)計(jì)問(wèn)題

通常在設(shè)計(jì)高密度印制板時(shí)會(huì)放置通孔，這種通孔通常的作用是將驅(qū)動(dòng)IC的LED控制信號(hào)和LED的焊盤(pán)連接起來(lái)。但一般設(shè)計(jì)師會(huì)將這種通孔放置在LED的焊盤(pán)上，這是因?yàn)辄c(diǎn)間距過(guò)小造成LED面焊盤(pán)相互之間的間隔很近，導(dǎo)致通孔沒(méi)有多余的空間放置。通孔放焊盤(pán)上會(huì)使PCB廠家較難處理焊盤(pán)，往往會(huì)導(dǎo)致焊盤(pán)不平整，出現(xiàn)LED焊接后發(fā)光面和PCB面呈現(xiàn)出一定的角度問(wèn)題，一旦出現(xiàn)角度就會(huì)影響到觀看的效果。

這樣的設(shè)計(jì)方式在普通大間距LED顯示屏上是不會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題的，因?yàn)槠胀@示屏的LED焊盤(pán)相對(duì)較大且較重，焊盤(pán)的不平整和回流焊時(shí)產(chǎn)生的力不會(huì)對(duì)焊接造成影響。但高密度屏則不然，隨著LED尺寸變小，重量也會(huì)越來(lái)越輕，目前1010尺寸的LED焊盤(pán)的尺寸只有0.3mm×0.3mm左右，在這樣的焊盤(pán)上放置通孔就會(huì)使焊接后的LED產(chǎn)生角度。目前常用的解決方式是用盲孔和埋孔相結(jié)合，盲孔可以采用鐳射或激光鉆孔使孔更小，并且在焊盤(pán)的處理上采用沉金工藝來(lái)替代原有的噴錫工藝，這樣就可以保證LED焊盤(pán)的平整度。

2 結(jié)束語(yǔ)

LED顯示屏行業(yè)正處于高速發(fā)展期，隨著應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，小間距產(chǎn)品開(kāi)始大規(guī)模進(jìn)入市場(chǎng)，其使用場(chǎng)合要求高刷新率、低亮度、高灰階，更要求近距離觀看的細(xì)致顯示效果。想要做出高顯示效果的顯示屏就必須從元器件材料選擇、電子線(xiàn)路設(shè)計(jì)、熱量控制、工藝等各個(gè)環(huán)節(jié)著手。相信隨著技術(shù)的進(jìn)步、價(jià)格的民眾化，高密度顯示屏將會(huì)取得更大、更廣的市場(chǎng)占有率。