基于有限元的Mini-LED滅燈分析

劉 碩， 吳仁杰， 楊 賢， 劉 陽， 馬 可， 朱紅麗， 周 昊， 孫海威

(北京京東方顯示技術(shù)有限公司，北京 100176)

1 引 言

Micro-LED顯示是目前顯示行業(yè)最有潛力的顯示技術(shù)之一，Mini-LED技術(shù)作為Micro-LED技術(shù)的過渡技術(shù)，已成為顯示行業(yè)研究的熱點。Micro-LED的芯片尺寸小于50 μm，而Mini-LED的芯片尺寸在100～500 μm，Mini-LED除了可以獨立顯示，還可以作為LCD的背光光源[1-2]。Mini-LED背光可為LCD顯示的局域調(diào)光技術(shù)提供幾百至上萬分區(qū)，為局域調(diào)光技術(shù)更精準地控制LCD顯示提供了可能[3]。

隨著HDR標準的進一步提高，對Mini-LED背光的亮度也提出了更高的要求，亮度提升導(dǎo)致Mini-LED燈板的功率進一步提高，隨之而來的是燈板的發(fā)熱量增加、溫度升高。燈板溫度的升高不僅會導(dǎo)致LED壽命的顯著下降[4-7]，也導(dǎo)致了燈板內(nèi)部的熱應(yīng)力的顯著升高，使燈板在高溫下出現(xiàn)板翹曲、局部滅燈等不良現(xiàn)象。

本文選取Mini-LED滅燈問題作為研究對象，從Mini-LED燈板的結(jié)構(gòu)和制作工藝出發(fā)，對燈板的滅燈機理進行分析。并根據(jù)Mini-LED燈板的結(jié)構(gòu)，建立有限元仿真模型，通過有限元熱-力學(xué)耦合對Mini-LED背光模組點亮過程中，燈板受熱膨脹產(chǎn)生的應(yīng)力、芯片所受到的推力進行了計算。將芯片推力值進行實測，與模擬值進行比較，并基于比較結(jié)果，調(diào)整芯片制作工藝參數(shù)，并將改善前后滅燈數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，驗證結(jié)果改善程度。

2 Mini-LED滅燈現(xiàn)象

Mini-LED背光模組室溫下點燈過程中、高溫試驗點燈過程中，在不受外力影響的情況下，可能會在模組點亮后的一段時間內(nèi)出現(xiàn)個別芯片滅燈的現(xiàn)象。滅燈芯片大多分布在燈板的邊界位置，如圖1所示。

由于Mini-LED燈板功率較高，熱功率較大，在模組狀態(tài)下點亮后，燈板產(chǎn)生的熱量不能及時傳出，且在燈板點亮到滅燈過程不會受到外力影響，因此考慮滅燈現(xiàn)象可能與燈板點亮過程產(chǎn)生的熱應(yīng)力相關(guān)。

圖1 Mini-LED滅燈示意圖Fig.1 Schematic diagram of Mini-LED light-off

3 燈板制作工藝及滅燈機理探討

3.1 Mini-LED燈板制作工藝

Mini-LED燈板的制作過程應(yīng)用了COB(Chip On Board)工藝，即將燈板的發(fā)光芯片直接集成在印刷電路板上。Mini-LED燈板的基板為多層印刷電路板PCB板，PCB板是導(dǎo)電銅層通過菲林處理曝光、蝕刻，產(chǎn)生所設(shè)計的各層導(dǎo)電線路后，各導(dǎo)電層之間插入絕緣材料壓合而成，壓合后在裸露的銅層電路，進行防焊油墨的印刷，主要起保護導(dǎo)電銅層和提高燈板反射率的作用。同時，在防焊油墨印刷時，應(yīng)避開將焊接芯片的焊盤位置，防止后期芯片焊接不良、虛焊。在完成以上工藝后需要對焊盤位置進行化金處理，防止在印刷線路板制作完成到芯片焊接的過程中，焊盤被氧化腐蝕。

在燈板制作完成后，燈板發(fā)光芯片的集成過程用到了回流焊工藝。回流焊工藝需要將燈板的焊盤位置涂刷焊接錫膏，隨后在相應(yīng)位置貼放發(fā)光芯片，經(jīng)固化后利用外部熱源將燈板加熱，使錫膏能夠再次流動，使焊盤和發(fā)光芯片之間產(chǎn)生可靠的電氣連接和機械連接，以達到芯片焊接的目的[8-9]。

發(fā)光芯片焊接完成后，為防止芯片受到外力的影響，保證發(fā)光芯片到擴散板之間的混光距離(OD)，還需在基板以及芯片上部噴涂一定厚度的透明保護膠。保護膠噴涂完成后，在燈板上側(cè)會形成一個平整的平面。Mini-LED制作工藝流程如圖2所示。

3.2 Mini-LED燈板滅燈機理分析

Mini-LED燈板保護膠噴涂工藝在室溫環(huán)境下進行，因此認為在室溫環(huán)境下，燈板和保護膠處于零應(yīng)力狀態(tài)，芯片所受到應(yīng)力為0。模組狀態(tài)點亮后(尤其是在高溫信賴性測試點亮狀態(tài)下)，Mini-LED燈板的溫度迅速上升，由于燈板產(chǎn)生熱量無法及時散去，燈板處于高溫狀態(tài)，導(dǎo)致燈板受熱膨脹，由于保護膠熱膨脹率大于燈板基板材料熱膨脹率，燈板基板和保護膠之間會產(chǎn)生輕微位移，導(dǎo)致芯片受到保護膠的擠壓推力，如圖3所示。當芯片所受推力達到一定強度，將會使芯片與燈板基板之間的焊錫產(chǎn)生破裂，造成發(fā)光芯片與焊盤間電氣連接失效，發(fā)生滅燈現(xiàn)象。

圖2 Mini-LED制作工藝流程Fig.2 Manufacture process of Mini-LED light board

圖3 芯片受應(yīng)力示意圖Fig.3 Schematic diagram of chip stress

4 有限元模型建立及仿真

針對Mini-LED背光燈板的滅燈不良現(xiàn)象，有限元進行建模分析的思路是：首先使用熱學(xué)仿真模塊建立熱學(xué)仿真模型，并對所建立模型進行仿真計算，將所計算結(jié)果與實測結(jié)果進行對比，驗證分析模型的可靠性。之后將熱學(xué)仿真所得到的燈板的溫度場導(dǎo)出到力學(xué)仿真模塊，進行力學(xué)耦合仿真，以獲得燈板由于熱膨脹作用所導(dǎo)致的熱應(yīng)力最大值。

4.1 熱學(xué)分析模型建立及可靠性驗證

圖4 Mini-LED模組基本架構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of Mini-LED module structure

Mini-LED顯示模組的架構(gòu)由圖4所示，其中Mini-LED燈板用導(dǎo)熱雙面膠貼附在鐵背板上，光源Mini-LED燈板出射后經(jīng)擴散板調(diào)制光源、各層膜材后光透過顯示屏幕，使顯示屏處于點亮狀態(tài)。由于Mini-LED燈板結(jié)構(gòu)的特殊性，需將燈板所含材料屬性進行分析。燈板的基板主要由導(dǎo)電銅層和絕緣層FR-4兩種材料組成，這兩種材料的熱膨脹系數(shù)如表1、表2及圖5所示[9]。由于燈板受熱區(qū)間主要在低溫區(qū)(<90 ℃)環(huán)境下，考慮到在低溫區(qū)該兩種材料的膨脹系數(shù)比較接近，因此可將燈板基板模型進行簡化，建模時不再將FR-4層和銅箔層分開考慮。由于在低溫區(qū)保護膠的熱膨脹系數(shù)在1×10-4左右，與燈板基板材料熱膨脹系數(shù)值相差較大，為分析燈板與保護膠之間膨脹應(yīng)力，將燈板分為燈板基板層和保護膠層進行建模。

表1 FR-4隨溫度變化熱膨脹系數(shù)Tab.1 CTE of FR-4 with temperature

表2 銅箔隨溫度變化熱膨脹系數(shù)Tab.2 CTE of copper foil with temperature

圖5 FR4與銅箔CTE值對比圖Fig.5 Comparison diagram of FR-4 and copper foil CTE with temperature

由于模組散熱主要方式為自然對流散熱，其控制方程為：

(1)

其中：ρg項為自然對流浮力項，考慮到模組散熱所處空間氣體密度變化不大，由布辛尼斯克模型對模型進行計算，即在控制方程中認為流體密度為溫度的線性函數(shù)，在其他求解方程中，認流體密度為常數(shù)。控制方程中，浮力項的密度公式為：

ρ-ρ=ρβ(t-t)，

(2)

其中：ρ為周圍環(huán)境空氣密度，t為周圍環(huán)境空氣溫度，β為周圍環(huán)境空氣的熱膨脹系數(shù)。

在自然對流狀態(tài)下，通常由瑞利數(shù)作為流態(tài)的判據(jù)，可對流體的流態(tài)進行判斷：

(3)

其中：g為重力加速度9.8 m/s2，β熱膨脹系數(shù)取3.66×10-3，溫差ΔT取30 K，運動黏度ν=1.62×10-5m2/s，熱擴散系數(shù)α=2.19×10-5m2/s，特征長度L=0.3 m。

由瑞利數(shù)計算可知模型瑞利數(shù)小于109，因此將該模型的自然對流散熱過程，流體流態(tài)設(shè)置為層流狀態(tài)。

Mini-LED燈板發(fā)熱量，由積分球測試得出燈板出光功率值52.08 W，燈板輸入功率為102.38 W。假設(shè)燈板能量損耗全部轉(zhuǎn)換為熱能，可知燈板熱功率為50.3 W。設(shè)置模型初始環(huán)境溫度為25 ℃，與空氣自然對流，并考慮模組豎直放置狀態(tài)下的重力影響，設(shè)置重力方向為Y軸負向。燈板中銅箔層與FR4層復(fù)合，計算得出燈板綜合導(dǎo)熱率為66 W·m-1·K-1。模組中各部品熱物性參數(shù)如表3所示，背板為沖壓板材，輻射率較低，取0.26；其他非金屬材料輻射系數(shù)均在0.9左右[10]，基于此將非金屬材料設(shè)置輻射系數(shù)為0.9。

表3 熱模擬各部品熱物性輸入?yún)?shù)[10]

Tab.3 Thermal parameters of each component thermal in simulation[10]

部品名稱部品材料導(dǎo)熱系/(W·m-1·K-1)輻射系數(shù)背 板SECC720.26雙面膠PSA1燈 板FR466保護膠硅基樹脂0.16擴散板PS0.15膠 框PC0.23膜 材PET基材0.2顯示屏玻璃1.20.9

為驗證模擬可靠性，選用685.8 mm(27 in)Mini-LED模組進行溫度實測，如圖6所示。同時為保證測試結(jié)果嚴謹性，溫度測試在模組點亮狀態(tài)下分別在模組的正面和反面共取13點，用熱電偶進行溫度監(jiān)測。在熱模擬軟件中，利用探針Probe工具可測量出相應(yīng)溫度測點的模擬值，將模擬結(jié)果與實測結(jié)果進行對比，以確認熱學(xué)分析模型的可靠性。模擬結(jié)果與實測結(jié)果的對比如表4及圖7所示。

表4 模擬溫度與實測溫度對比值Tab.4 Comparison of simulation and measurement

圖6 模組溫度模擬結(jié)果與實測示意圖Fig.6 Simulation result and measuring schematic of MDL

圖7 實測溫度與模擬溫度值對比圖Fig.7 Comparison diagram of simulation and measurement

由實測結(jié)果與模擬結(jié)果的對比可知，模擬所得到溫度分布與實測值基本吻合，最大差異點誤差為：

(4)

由于模擬結(jié)果與實測結(jié)果小于5%，模擬在誤差范圍內(nèi)，因此認為熱學(xué)分析模型是可靠的。

4.2 熱力耦合有限元計算分析過程

為模擬在極限狀態(tài)下，燈板與保護膠表面的芯片受力，模擬條件選則高溫試驗條件下環(huán)境溫度為60℃。通過已建立模型，計算得到60 ℃環(huán)境溫度下模組溫度分布如圖8所示。

圖8 高溫試驗條件下模組溫度分布模擬結(jié)果 Fig.8 Thermal field of module under high temperature

在燈板受熱膨脹變形過程中，燈板與雙面膠有可能會產(chǎn)生分離，為去除背板固定影響，模擬燈板受熱狀態(tài)下燈板基板和保護膠所產(chǎn)生的極限熱應(yīng)力，力學(xué)模擬過程將燈板單獨取出做應(yīng)力分析。力學(xué)模型輸入?yún)?shù)如表5所示。

表5 力學(xué)模型部品力學(xué)性能輸入?yún)?shù)

Tab.5 Mechanics parameters of each component in simulation

部品名稱楊氏模量/MPa泊松比CTE/℃-1燈板基板1 8400.1116e-6雙面膠2900.48100e-6

在力學(xué)模型中，設(shè)置燈板和保護膠接觸為Bonded，導(dǎo)入熱模型中燈板基板及保護膠溫度場作為負載進行熱應(yīng)力仿真。經(jīng)計算，燈板基板表面的最大主應(yīng)力分布如圖9所示。由燈板最大主應(yīng)力分布可知，最大應(yīng)力處位于燈板邊界位置，通過主應(yīng)力方向分布可知，最大主應(yīng)力方向與燈板基板近似平行，且方向指向燈板短邊。

(a) 燈板基板表面最大主應(yīng)力分布(a) Major principle stress field of light board on substrate surface

(b) 最大主應(yīng)力最高處應(yīng)力大小分布(b) Major principle stress field in maximum position

(c) 最大主應(yīng)力最高處應(yīng)力方向分布(c) Direction of major principle stress in maximum position圖9 燈板基板表面最大主應(yīng)力分布情況Fig.9 Major principle stress of light board on substrate surface

由應(yīng)力分布可對芯片受力進行計算，所用 Mini-LED模組中所使用發(fā)光芯片型號為1021，芯片尺寸為254 μm×530 μm×110 μm (10 mil×21 mil×4.3 mil)，由最大主應(yīng)力方向分布可知，芯片長邊側(cè)面垂直于最大主應(yīng)力方向，芯片所受最大推力為：0.0749 mm2×16.88 MPa=1.26 N=128.48 gf。

4.3 改善過程及結(jié)果分析

對Mini-LED滅燈機理的分析結(jié)果可知，通過增加芯片與燈板基板間的錫膏附著力，可有效減小芯片的滅燈風險。在錫膏的熔點偏高的情況下，會導(dǎo)致在回流焊工藝過程中，未發(fā)生完全熔化，容易在錫膏中發(fā)生分層界面，對芯片附著力產(chǎn)生影響。改善方式主要是調(diào)整錫膏組成成分，略降低錫膏熔點，使錫膏在回流焊過程中熔融程度提高，從而使芯片附著力提升。為對比改善前后錫膏附著力，使用推力測試機對改善前后燈板芯片進行最大推力測試，所推芯片表面為芯片長邊側(cè)面。改善前后芯片最大推力數(shù)據(jù)如表6所示，改善后實測推力值與改善前推力值對比如圖10所示。

表6 錫膏改善前后芯片最大推力值對比

Tab.6 Comparison of maximal chip thrust value before and after solder paste improvement

測試組數(shù)改善后推力/gf改善前推力/gf1144.3147.12129.7153.13162.6135.44144.3141.05128.0114.36138.8103.87142.7127.48153.1120.89140.6127.410152.5127.411145.6126.512172.1116.513140.3112.9

續(xù) 表

圖10 芯片錫膏改善前后芯片最大推力對比圖Fig.10 Comparison diagram of simulation and measurement before and after improvement

由實測結(jié)果與模擬值對比可看出，模擬值處于改善前實測值下四分位數(shù)與上四分位數(shù)范圍內(nèi)，且大于改善前芯片平均推力值，說明模擬所得數(shù)值符合實際情況，且在極限狀態(tài)下，有較大風險發(fā)生滅燈現(xiàn)象。錫膏改善后，平均推力較之前增加15%，且實測值的下四分位數(shù)值已大于芯片在極限狀態(tài)下所受應(yīng)力值，因此發(fā)生滅燈風險大大降低。

比較改善前后燈板滅燈的數(shù)據(jù)，對改善前燈板進行統(tǒng)計，在高溫信賴性試驗中，總共116 640顆芯片出現(xiàn)滅燈的芯片數(shù)量為13顆，滅燈出現(xiàn)概率為1.13×10-4；對錫膏進行改善后，抽取改善樣品進行信高溫賴性測試狀態(tài)下點燈檢測，共51 840顆芯片，滅燈數(shù)量為0，因此認為錫膏改善后滅燈出現(xiàn)概率降低至<1×10-5，改善效果明顯。

根據(jù)分析結(jié)果，除了直接提高芯片錫膏推力，可以降低滅燈風險外，溫度也是決定基板與保護膠界面應(yīng)力的關(guān)鍵因素。因此，提升模組的散熱能力，降低模組整體溫度，從而間接地降低基板與保護膠界面的應(yīng)力值，同樣是降低滅燈風險的有效途徑。

5 結(jié) 論

本文針對Mini-LED滅燈現(xiàn)象，從Mini-LED燈板制作工藝入手，分析滅燈現(xiàn)象發(fā)生機理，得出燈板基板與導(dǎo)熱膠之間產(chǎn)生的熱應(yīng)力是導(dǎo)致Mini-LED芯片脫焊滅燈的直接原因。基于有限元模擬方法，建立了Mini-LED模組的熱模擬模型，經(jīng)過與實測溫度數(shù)據(jù)對比，模型模擬精度在5%以內(nèi)。將模組在高溫試驗下的燈板溫度分布，導(dǎo)入力學(xué)仿真模塊進行模擬，得出極限狀態(tài)下燈板基板上芯片所受最大推力為128.48 gf，該數(shù)值位于實測芯片推力最大值下四分位數(shù)與上四分位數(shù)范圍內(nèi)，且高于實測芯片最大推力的平均值，因此滅燈現(xiàn)象發(fā)生風險較高，模擬結(jié)果與事實情況符合，具有可信性。基于此，將芯片錫膏進行改善后，芯片最大推力在提高15%的情況下，燈板的滅燈概率從1.13×10-4降低至<1×10-5，改善效果明顯。