小間距LED顯示屏的PCB設計

高 雄，徐明亮，賀雪輝*

（1.浙江大華技術股份有限公司中央研究院，浙江 杭州 310053；2.浙江省視覺物聯融合應用重點實驗室，浙江 杭州 310053；3.浙江大華技術股份有限公司產品研發部，浙江 杭州 310053）

0 引 言

近年來，小間距發光二極管（Light Emitting Diode，LED）顯示屏技術飛速發展，市場需求量不斷增加，我國已經成為全球最主要的小間距LED顯示屏生產基地。LED是將氮、磷等元素組成的化合物制成二極管，并控制半導體二極管發光的顯示方式[1]。與液晶顯示器（Liquid Crystal Display，LCD）拼接屏和數字光處理（Digital Light Processing，DLP）拼接屏相比，小間距LED顯示屏具有如下優勢。

（1）燈珠密度高，間距小，可以實現無縫拼接。

（2）顯示采用自發光方式，每個像素點中的紅綠藍三原色由發光二極管自發光產生，不再是LCD采用的背光加濾色片產生三原色方式，其色彩極其鮮艷靚麗[2]。

（3）LCD液晶顯示單元的屏前亮度值為700 cd·m-2；DLP背投顯示單元投影機光輸出流明數最高在1 000～1 200 lm，換成實際屏前亮度應在450～500 cd·m-2；小間距LED點陣屏前亮度可高達2 500 cd·m-2[3]。因此，從亮度來看，小間距LED點陣屏最亮，并且可配合智能控制系統進行亮度調節，避免視覺疲勞。

（4）小間距LED顯示屏的刷新頻率更高，畫面更連貫。

（5）小間距LED顯示屏配合逐點校正技術，可以完整地保留色彩的真實性。

目前，小間距LED顯示屏的生產規模在不斷擴大，成本也因此快速下降，市場占有率隨之提升，逐漸替代了DLP和LCD拼接屏。為了讓更多人了解這個行業，本文以LED間距為0.9 mm（以下簡稱P0.9），采用SMD封裝方式的4合1小間距LED顯示屏為例，介紹小間距LED顯示屏的技術發展情況、印制線路板（Printed Circuit Board，PCB）設計思路以及可能存在的問題。

1 P0.9小間距LED顯示屏技術發展情況

小間距LED顯示屏是由一塊一塊相同規格的顯示單元矩陣拼接而成，每個顯示單元的尺寸和物理分辨率是固定的[4]。目前，小間距LED顯示屏主要有兩種，一種是SMD小間距、以4合1為代表的“N合1”小間距產品。SMD（Surface Mount Devices）是指表面貼裝器件，是將LED發光芯片通過支架封裝成獨立的發光器件，然后通過表面貼裝工藝焊接到PCB板上。經過多年的發展，這種技術是最成熟的，因此SMD小間距產品一直是行業主流。然而，當SMD小間距顯示屏間距發展到1.2 mm以下時，其開始面臨技術和成本的挑戰。一是SMD封裝的氣密性和保護性差，導致經常出現死燈、毛毛蟲等可靠性問題。二是燈珠焊盤焊接面積小，搬運和安裝過程中產生的磕碰容易導致掉燈。另外，由于是裸露的焊盤，人體接觸時也容易產生靜電，損壞燈珠。點間距越小，SMD小間距LED顯示屏的可靠性和穩定性問題越突出。為了解決SMD小間距的痛點，4合1的SMD小間距LED顯示屏產品被研發出來。

另一種是COB小間距LED顯示屏。COB（Chip-On-Board）是板上芯片封裝，首先在基底表面使用導熱環氧樹脂覆蓋硅片安放點，然后通過熱處理硅片固定在基底表面，隨后通過絲焊將硅片和基底進行電氣連接。該工藝相比SMD較為簡化，因此便于量產化。當點間距發展到1 mm時，COB也遇到了瓶頸，開始向倒裝COB推進。倒裝COB封裝是指將RGB倒裝芯片，使用固晶錫膏直接焊接在PCB燈面焊盤上，再進行灌封裝膠、固化、切割，形成COB單元，是小間距LED顯示屏的發展新趨勢。

小間距LED顯示屏的PCB設計，難點在于燈珠數量。一個2.0點間距的產品，每平方米大約要使用三色燈珠25萬顆；一個1.0點間距的產品，每平方米要使用燈珠大約100萬顆。隨著點間距的縮小，燈珠的數量大幅增加，小間距LED顯示屏的PCB設計面臨更大的挑戰。

2 P0.9小間距LED顯示屏PCB設計

2.1 LED顯示屏的基本原理

LED顯示屏基本上由發光二極管和顯示驅動芯片組成[5]，其原理如圖1所示。數字圖像信息傳送到顯示驅動芯片，顯示驅動芯片將對應的發光二極管點亮。紅、黃、藍三個發光二極管組成一個像素，兩個像素之間的距離就是單位面積內的分辨率。由于發光二極管數量太多，需要用一個芯片驅動多個發光二極管，所以采用行列分控的模式來控制發光二極管的亮滅，從而實現圖像的顯示。

圖1 LED顯示屏的基本原理

2.2 小間距LED顯示屏PCB布局建議

小間距LED顯示屏初期設計受限于燈面焊盤的限制，都是采用高密度互連（High Density Interconnector，HDI）設計。常規P1.6，P1.5采用四層一階HDI，如圖2所示。P1.2，P0.9采用6層二階HDI。隨著市場競爭的加劇，各個廠家都在PCB上降成本，現在主流的P1.6采用全通孔板，P1.5，P1.2采用四層一階HDI，P0.9設計疊層用6層一階HDI，如圖3所示。

圖2 四層一階HDI疊層參考

圖3 六層一階HDI疊層參考

以P0.9小間距顯示屏為例，PCB布局首先考慮的是燈面（燈面為Top面）。為便于后期檢查，一般建議燈面LED1位于PCB的右上角。LED的位號先由右向左依次增大，再由上往下依次增大，具體排列要根據原理圖點亮邏輯進行調整。每個燈的間距需要保持一致。LED數量太多，有個取巧的做法是先計算好數量，使用陣列復制放置一個LED在（0，0），把所有LED的位置占好，這樣得到的是假器件。之后，需要使用Allegro軟件的Show Element的功能把假器件的坐標顯示并保存下來，使用Excel賦上位號，整理成一個TXT文件，通過Allegro軟件的Import Placement功能導入，完成LED的放置。這個過程比較久，建議中途時常保存。

導入成功之后，建議隨機抽樣檢查下點間距是否有異常。為了避免拼接間隙，四邊最外圍的LED要內縮0.01 mm。檢查無誤后鎖定LED。燈面同樣需要Mark點。Mark點要放到LED旁邊，不能放到LED器件本體的內部。由于點間距比較小，Mark點的尺寸建議為0.28 mm。Mark點附近的LED焊盤需要切角，保證Mark點到焊盤間距0.28 mm，留出阻焊橋位置，如圖4所示。

圖4 Mark點放置位置

Bottom面用來放置驅動芯片。Bottom的器件除了規定位置外，驅動芯片按照其控制的LED的位置就近放置，隨著信號流向均勻分布，保證均熱性，并且盡量靠板邊放置，減少翹曲。

2.3 P0.9小間距LED顯示屏PCB布線建議

小間距LED顯示屏PCB布線時，前期要合理規劃好，還要注意殘銅率，對稱層面殘銅率的差異要小于8%。當Top面為燈面時，Top第二層走LED與LED之間的列驅動信號線。因為LED是分區域的，Top走線在各區域之間需要鋪斷線頭，且斷線頭要壓到LED本體內部，否則PCB會有一條明顯的黑線，做法如圖5所示。第二層走線要鋪銅皮，銅皮要盡可能寬，保證與第五層的殘銅率相近。

圖5 Top面LED各區域之間走線處理方式

第三層走LED與LED之間的行驅動信號線、芯片到LED的驅動信號橫向的線，以及其他信號橫向的線。第四層走芯片到LED的驅動信號豎向的線和其他信號豎向的線，在第三層的空白處要鋪銅皮打過孔，第四層的銅皮要挖空或使用網格銅，保證三、四層的殘銅率相近。

第五層橫向鋪驅動LED的電源和地的銅皮，Bottom面豎向鋪驅動LED的電源和地的銅皮同上。為了保證與對稱層面的殘銅率相近，銅皮要挖空或使用網格銅。

最后，一定要確保小間距LED顯示屏的PCB板邊不能漏銅。LED間距太小，板邊的LED、其內層過孔和走線離板邊都很近，建議前期設置Route Keepin保證線距離板邊8 mil。

3 結 語

本文介紹了小間距LED顯示屏的特點和相關技術的發展趨勢，以LED間距為0.9 mm的產品為例，介紹了這類PCB的設計思路以及可能存在的問題，希望能為更多想了解和設計該類產品的廣大同仁提供一定的參考。