提升Mini LED顯示屏墨色一致性的封裝技術研究與應用

陳亞勇

(1.廈門市信達光電科技有限公司，福建 廈門 361008;2.廈門信達信息科技集團有限公司，福建 廈門 361008)

引言

戶外LED顯示屏白天用于廣場信息發布，夜晚在城市景觀舞臺化方面起到重要作用[1]。2018年LED業界將自發光顯示像素間距低于50 μm的定義為Micro LED[2]。如今，Micro LED還未成為主流顯示技術[3]。2020年《Mini LED商用顯示屏通用技術規范》團體標準發布，將顯示像素間距P0.3～1.5 mm定義為Mini LED顯示模塊[4]，戶內Mini LED顯示技術高速發展[5]。

P1.0及以下Mini LED顯示屏，目前主要采用IMD(Integrated Module Device)Chip型封裝方式，封裝模塊本身是顯示屏的外觀面，需要提升封裝模塊本身的黑度和封裝模塊間的墨色一致性。目前，評判Mini LED顯示屏黑度和墨色一致性基本以人眼觀察評判為主，缺乏統一的檢測方法和成熟的評價測試標準。

本文以IMD 4合1 P0.9 Mini LED封裝模片為主要研究對象，采用便攜式分光色度儀，定量提升Mini LED顯示屏黑度和墨色一致性并應用于實際生產。

1 Mini LED顯示屏黑度與墨色一致性的評價方法

顏色作為物體的一種基本屬性，根據物體識別的“形態”與“表面”模型將顏色區分為物體表面顏色和顏色知識[6]。Mini LED顯示屏外觀表面顏色在人們認知中與傳統LCD表面黑色做對比，其外觀應當是黑色的。

色差是從人眼辨識的角度進行顏色差異評價[7]。基于CIELAB色差理論，色差是樣品件與標準件之間的色相、明度、彩度存在的差異。分光光度儀通過測量光源的光譜功率分布或物體反射光的光譜功率，計算顏色三刺激值，進而計算出各種顏色參數[8]。分光光度儀的色差測試原理模擬了人眼感官感受的色差等級，而且便攜式分光光度儀操作簡便、攜帶方便、應用廣泛，適用于企業生產色差管控[9]。

物體顏色常采用物體反射色測量，用L，H，C，a,b5個值評價，H和C僅表示視覺容差和色彩鮮艷度；L表示明度，L值越大越接近白色，反之越靠近黑色；a代表紅綠飽和度，b代表黃藍飽和度。物體顏色最主要的影響因素為L、a、b。

圖1 色差計算中樣品色與標準色的矢量距離Fig.1 The vector distance between sample color point and standard’s in chromatism calculation

2 LED封裝膜片黑化工藝與色差控制實驗

集成矩陣封裝IMD四合一P0.9封裝模塊切割前為片式的LED封裝膜片，此封裝膜片的黑度與批量生產膜片間的黑度一致性直接決定著組裝成Mini LED顯示屏的黑度和墨色一致性。影響LED封裝膜片黑度和墨色一致性的主要因素包括：PCB板不同區域間的色差、PCB板批次間色差、固晶焊線后露銅面積、封裝膠與黑色素比例、膠體厚度、膠體表面啞光處理等。

將IMD四合一P0.9封裝膜片進行黑化工藝處理，黑化后的LED封裝模塊組裝成應用于室內不同場所的LED顯示屏，通過使用者對LED顯示屏眼觀黑度的要求，用分光色度儀測試其L、a、b值，并將其設定為該LED顯示屏需要的黑度值，標定為L*標準、a*標準、b*標準值。

2.1 黑化工藝流程與黑度測量

由于PCB裸露金屬與阻焊層批次間存在一定色差，固晶焊線后，除了芯片表面，對其他金屬裸露部分進行油墨噴涂，并用UV-LED進行固化[11]，對IMD封裝膜片增加黑度工藝流程如圖2所示。

圖2 IMD LED封裝膜片增加黑度工藝流程圖Fig.2 The process flow of increase blackness for IMD LED package film

通過調整噴涂油墨的厚度、UV固化的時間等工藝參數，調整外觀黑度，而后進行模造工藝將環氧或硅樹脂膠材密封在表面，LED封裝器件黑化工藝處理前后外觀如圖3所示。LED封裝膜片黑化前后外觀實物對比照片如圖4所示。

圖3 IMD Mini LED封裝器件黑化工藝處理前(左)后(右)外觀圖Fig.3 The appearance of w/o (left)and w/(right)blackness process for IMD Mini LED package

圖4 IMD Mini LED封裝膜片黑化工藝前(左圖)后(右圖)的實物照片Fig.4 The photos of w/o (left)and w/(right)blackness process for IMD Mini LED package films

2.2 黑度測量與標定方法

模造后的LED封裝膜片表面需要進行啞光處理，由于噴涂油墨、UV固化、模造工藝微變等因素，雖然微變影響因素在公差容許范圍內，但受綜合因素影響，仍有可能導致LED封裝膜片半成品的黑色均勻度不完全一致，局部區域可能出現發灰或發白的現象，稱為“片內色差”。批量制造過程中，一般要將片內色差工藝技術問題解決后，才能批量生產。

選取IMD 4合1 P0.9模造后的封裝膜片半成品一片，從左到右分A、B、C三個區域，每個區域采用5點法進行數據采樣與分析，即取每個封裝片小區域的大約四角位置和中心區域位置進行色度測量，如圖5所示。測出色度值E后再進行單因子方差分析，以判斷封裝膜片上某一區域位置的色度是否存在顯著性差異。

圖5 IMD Mini LED封裝膜片不同區域色度測試示意圖Fig.5 The diagram of chromaticity testing value in different areas of IMD Mini LED package film

為了保證黑度和批次色度測試數據穩定，數據采集采取人、機器、材料、方法、測量、環境5M1E進行配置，具體包括：(1)數據采集人員固定一人；(2)測量儀器為同一臺便攜式精密分光色度儀(廠家：愛色麗有限公司，型號Ci6X)；(3)測試對象為同一車間、同一班次產出的模造后LED封裝膜片半成品；(4)分光色度儀白度和黑度矯正、參數設置、測量時間等均不改變；(5)測試的地點不變，確保測量環境和條件一致。

2.3 數據采集與分析

分光色度儀設置D65光源條件，并將色度儀分別在標準白板和黑板進行校正。使用Excel軟件數據處理中的單因素方差分析ANOVA功能，通過P值與0.05大小關系來分析判斷某一LED封裝膜片上不同位置的色度是否存在差異。某一LED封裝膜片上不同區域色度值與測量位置的單因素方差分析如圖6所示。

圖6 IMD Mini LED封裝膜片上不同區域色度值與測量位置的單因素方差分析Fig.6 One way ANOVA of chromaticity values Vs.testing points for one IMD Mini LED package film

P值大于0.05，表明LED封裝膜片上的色度值與測試位置沒有顯著差異。為方便快捷操作，選整個LED封裝膜片的中心點，即B區域的中心點為測試基準點，再隨機取樣N=30，對中心點進行測色，其色度值散布圖和統計數據描述如圖7所示。E平均值為33.32，數據標定為L*標準、a*標準、b*標準值。并將其中10片作為標準色板進行保存，作為批次量產前確定黑化工藝的標準色板。

圖7 若干IMD Mini LED封裝膜片色度值分布與數據統計Fig.7 Chromaticity value distribution and data statistics for some IMD Mini LED package films

2.4 LED封裝膜片間的色差

從上述單一封裝膜片的ANOVA分析得出測試點的不同位置不影響測色的判斷，因此后續及批量測試中以每一片的中心點位置來表征整片封裝膜片的色度。分光色度儀在標準封裝膜片的中心區域點所測的數據均值標定為L*標準、a*標準、b*標準值，儀器會根據色差計算公式，自動計算出ΔE。

選取樣本量N=50，隨機進行測色，不同LED封裝膜片間的ΔE色差分布如圖8所示，剔除1個偏差較大值，以空心點標識，其余實心點ΔE基本在1.0以內，通過一定樣本量的數據采集，以及結合LED顯示屏的實際應用需求，將LED封裝膜片間的色差設為ΔE≤0.95。

圖8 不同IMD Mini LED封裝膜片的色差分布Fig.8 Color difference distribution for some IMD Mini LED package films

3 Mini LED顯示屏墨色一致性與人眼感知色差關系

上述LED封裝膜片的黑度標定與LED封裝膜片間的色差評定，直接影響著組裝成的Mini LED顯示屏的黑度和墨色一致性。考慮到人眼評級與色差之間存在著關聯性，將人眼評級與色差值進行等級劃分[12]，即將Mini LED顯示屏墨色一致性與人眼評級的結果進行對應，色差等級設為1～5級，1級為色差最小，5級為色差最大，如表1所示。

表1 人眼評判色差等級與實測色差對應關系Table 1 The corresponding relationship between the color difference grade by eyes and the measured

片間色差ΔE在0.6及以下的，通過若干名觀測人員實際觀察Mini LED顯示屏表觀顏色，均分辨不出色差，設為優秀1級；人眼分辨不出明顯色差的，設為良好2級等等，以滿足不同市場和客戶對Mini LED顯示屏黑度和墨色一致的要求。

圖9中左圖和右圖分別是人眼能明顯分辨出色差和分辨不出明顯色差的IMD 4合1 P0.9 LED封裝體組裝成Mini LED顯示屏的實物照片。實測LED封裝膜片的片間色差ΔE分別為1.69和0.91，人眼評判色差等級分別為5級和2級。

圖9 色差5級(左圖)與2級(右圖)的Mini LED顯示屏實物對比照片Fig.9 The color difference grade 5 (left)Vs.grade 2 (right)for the Mini LED display screens

4 結論與展望

本文通過對Mini LED顯示屏封裝膜片增黑工藝處理，研究通過分光色度儀定量標定LED封裝膜片的片內色度和片間色差范圍，并應用于提升Mini LED顯示屏的黑度和墨色一致性。結論與展望如下：

1)在P1.0及以下Mini LED顯示屏領域，將噴墨工藝用于IMD LED封裝膜片，有效提升LED顯示屏表觀黑度和顯示對比度；

2)色差值與人眼主觀評價Mini LED顯示屏墨色一致性有關系，色差值越大，LED顯示屏眼觀“花屏”現象越嚴重；色差值越小，LED顯示屏墨色一致性與視覺感受越好；

3)分光色度儀可以定量標定單個LED封裝模塊的黑度與LED封裝膜片間的色差允許范圍，有效避免人眼主觀判斷引起的偏差和人眼無法察覺的細微顏色差異；

4)將分光色度儀定量評判LED封裝外觀黑度及Mini LED顯示屏墨色一致性與人眼評判進行關聯，并進行人眼評判色差分級；

5)將Mini LED顯示屏墨色一致性定量評價結果，與批次性質量控制工具和手段相結合，應用于實際產業化中，以解決Mini LED顯示屏墨色一致問題；

6)本研究IMD封裝方式及其組裝的Mini LED顯示屏墨色一致性的評價辦法，可進一步拓展應用于COB模組封裝等方式的LED顯示屏領域；

7)便攜式分光色度儀智能化程度較低，其基本原理引進到自動化生產線，實現實時在線檢測，可批量進行LED封裝膜片的黑度標定與膜片間的色差卡控，進而可量化評定組裝成的LED顯示屏的黑度和墨色一致性。