专利名称：Led二维发光模块及led显示屏的制作方法
技术领域：
本发明涉及以半导体发光二极管(LED)为发光体的显示屏，尤其涉及LED二维发光模块，以及以此模块作为基础部件组合而成的LED显示屏，属于LED与显示技术领域。
背景技术：
LED被发明以后，其应用范围不断扩大从最初的仪表显示到现在的照明应用，LED已全面进入我们生活当中。在LED各种应用当中，显示屏占据了较大部分的市场。随着LED技术不断进步，LED显示屏得到很大发展，从最初的室内单色屏发展到现在的户外全彩屏，LED显示屏在户外全彩屏中一枝独秀，已基本上取代以前的CRT电视墙。但是应当看到有些LED显示屏，特别是一些户外屏，在使用一段时间后相继出现色差、死点等问题，图像出现花屏、色彩失真，产生这些问题的主要原因是目前的LED显示屏结构上存在缺陷。
现有技术中LED显示屏是将LED晶粒封装成8×8数码点阵模块，若干只数码点阵模块组装于一块控制线路板上，再由若干块控制线路板组合成需要的LED显示屏。数码点阵模块的基本构成如图1所示LED晶粒1固定于一侧焊有金属针连接件4的印刷电路板2上面，再将印刷电路板2装入塑料制作的反射盖3当中，灌以环氧树脂胶5，将印刷电路板2上的晶粒1前后都包住，烘烤成型，从而形成阵点6。数码点阵模块制作完毕，通过金属针连接件4利用锡焊组装到控制线路板上，进而组合成LED显示屏。这里，金属针连接件4承担导电和传热双重作用。
众所周知，环氧树脂胶的导热性能比较差，LED晶粒在发光时产生的热量无法迅速传导出去，只能在晶粒周围慢慢累积，使LED芯片内部温度逐渐上升。而LED晶粒的发光特性对于晶粒内部温度非常敏感，LED晶粒内部温度上升将导致发光效率下降；当LED晶粒内部温度上升到一定程度会导致LED失效，LED晶粒的预期使用寿命将难以保证。所以，现有技术中的这种数码点阵模块在使用一段时间后发光性能衰减，出现色差、死点等现象，不能有效传热是主要原因。
其次，现有技术在生产数码点阵模块过程中，用于灌封的环氧树脂胶的性能指标和灌封用量在每一生产批次中都可能存在差异，灌胶后的烘烤条件也不可能始终控制在最为合适的状态，致使胶体烘烤过程中可能会产生硬化不完全或者胶裂等不良现象。在将印刷电路板放入反射盖时，往往会有一些微小气泡附在印刷电路板上无法逸出，这些小气泡容易附着于晶粒边缘或金属连接线附近，当LED晶粒发热时这些气泡受热膨胀，可能会将LED晶粒挤压得崩裂或者挤断LED连接线，造成该模块使用一段时间后就出现色差和死点。
第三，LED数码点阵模块使用的反射盖的材质多为PC塑料，采用注塑方式成型。而封装所用的环氧树脂，其玻璃转化温度Tg比较高，在环氧树脂从液态转化成固态时发出大量的热，胶体中心温度会高达150℃，在此温度下PC材质的反射盖四周会发生变形。这种变形在组装成显示屏之后存在肉眼明显可见的拼接缝。同时，PC材质的反射盖在注塑成型时，由于温度较高材料会产生较大的热应力，大面积模块可能会出现翘曲变形等现象。这对于单个模块肉眼可能不容易察觉，但是采用若干LED数码点阵模块组装成大型显示屏时，这些问题将显得非常突出，影响显示屏的可观看性。
此外，传统的LED数码点阵模块在制作过程中不可能对所有的晶粒进行严格筛选和老化，在组成显示屏时会明显呈现亮度和色彩不均匀，需花费大量的时间进行一致性调试。而不同模块的使用条件并不相同，经过一段时间运行之后，各模块的亮度和色彩又会不一致，对显示屏的色彩质量构成较大影响。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，从改变LED晶粒的封装方式入手，提供一种性能更为优越的LED二维发光模块，进而利用这种模块组合成散热效果好、使用寿命长、图像质量优的LED显示屏。
本发明的目的通过以下技术方案来实现LED二维发光模块，包括表面层、中间层、底层。表面层内含有排列整齐的二维阵点，每个阵点内部设置有一只LED晶粒，底层安装有控制和驱动该模块使用的元器件和连接件。在中间层与表面层相接触的一面、对应于每个阵点位置均设有焊盘，中间层的另一面设置有印刷电路，LED晶粒固定在焊盘上，并且通过金属导线穿过中间层与印刷电路进行电气连接，LED外表面涂有保护胶。
进一步地，上述LED二维发光模块中，表面层在每个阵点位置设置圆形或椭圆形直孔或者锥孔；是锥孔时广口朝外，孔的内壁是LED发射光线的反射壁，反射壁上镀有金属镍或银。
更进一步地，上述LED二维发光模块中，所述直孔或者锥孔的底部最大直径为2～5mm。
而且，上述LED二维发光模块中，该模块还设有用于电气连接或导热的横向通孔，通孔内部可以填有金属铜或者其它导热材料。
另外，上述LED二维发光模块中，所述LED晶粒外表面涂的保护胶是硅胶或者环氧树脂胶；此外，上述LED二维发光模块中，常用的点阵模式是16×32、32×32或者32×64。
LED显示屏，用上述任意一种LED二维发光模块作为基础模块，经组合后形成单色、双色或者全彩色LED显示屏。
本发明提供了一种采用多层线路板的点阵晶片封装的LED二维发光模块，并以此作为基础部件组合成半导体发光二极管显示屏。与现有技术相比，本发明具有以下独特的优点(1)结构简单。本发明LED二维发光模块是将晶片直接封装于多层线路板上，多层板同时具备固定晶粒、连接线路和散热等多项功能，模块厚度薄、体积小、组合简便，可以单个使用，也可以组合使用。用它作为基础部件，可以非常容易地组装成大面积、高清晰度的LED显示屏。
(2)改善了散热，提高了可靠性。本发明基于多层控制线路板，采用的材料机械和热稳定性比较好，产品能够适应较宽的温度范围。LED采用多重路径以提高散热效果，LED晶粒贴装的碗壁镀有金属进行反光和传热，多层线路板金属化电路过孔以及填埋的导热材料，均有利于LED晶粒散热。
(3)阵列规模大、点距小。传统的LED数码点阵模块规模通常为8×8，而LED二维发光模块阵列的规模大，间距可以做得很小，增加了显示像素，能显著提高显示屏图像的清晰度，在同样的应用背景下，其生产成本大为降低，成品率大幅度提高。
(4)提高显示屏图像质量。传统的LED数码点阵模块在其制作之前不可能对所有的LED晶粒进行严格筛选和老化，封装之后即使检测到不良晶粒也难以进行返修，影响显示屏的图像质量。而本发明可以在制作过程中进行老化测试，对不良晶粒可以立即返修，使显示屏图像质量得到可靠保证。
图1是现有技术LED显示屏的使用的8×8数码点阵模块。
图2是图1的基本封装模式示意图。
图3是本发明LED二维发光模块的一种形式(阵列规模32×16)。
图4是图3中间层对应于LED发光阵点一面的焊盘分布图。
图5是本发明LED二维发光模块的封装模式示意图。
具体实施例方式
本发明是为了改善现有LED数码点阵模块的散热性能，从根本上解决LED二维发光模块用于显示屏——特别是一些户外屏，在使用一段时间以后相继出现的色差、死点、整体屏上图像发生花屏、色彩失真等问题，而提出的一种全新技术方案。发明的出发点是将LED晶粒直接封装于控制线路板上，达到固定发光晶粒、连接线路和散热的目的。
控制线路板可以为三层或更多层板结构，但是无论多少层，都可以归结为三大功能层面。其中表面层部分为出光传热层，表面层均匀制作若干个圆形或椭圆形状的碗杯，碗壁镀银、镍等金属进行反光和传热。表面层带有反射碗，碗底与中间层的线路有导热接触。中间层部分的线路起固定晶粒和焊接金属连接线作用。
中间层为晶粒粘贴层，晶粒利用银胶、铟金或其它合金固定于碗杯底部区域正中部位，通过金属丝与线路进行电气连接。芯片工作时所产生的热量通过镀有金属的碗杯和晶粒固定的焊盘过孔传出。中间层线路与表面层及底层线路之间通过金属过孔相连，也可以将部分热量散发出去。
底层部分是控制线路层，可以对每个发光点进行控制。LED点阵晶粒控制和驱动的集成电路及元件贴装在底层部分印刷电路板上，再焊接必要的电路连接件，以作为控制和扩展用。
表面层的反光碗杯最后再用硅胶或环氧树脂胶进行封胶，碗底的晶粒发光经过硅胶或环氧树脂导出后经过碗壁的反光和聚光得到一个发光点。保护胶的表面再用模具进行二次透镜成型，以获得最佳出光角度和效果。
图3是本发明LED二维发光模块的一种形式，其阵列规模为32×16，图4是图3中间层对应于LED发光阵点一面的焊盘分布图。图5是本发明LED二维发光模块的一种典型的封装模式，其结构特征是它总体上可分为表面层11、中间层12和底层13三层，表面层11上面排列着整齐的二维阵点，每个阵点内部设置有一只LED晶粒15，底层13安装有控制和驱动该模块使用的元器件和连接件，在中间层12与表面层11相接触的一面、对应于每个阵点位置均设有焊盘，中间层12的另一面设置有印刷电路，LED晶粒15固定在焊盘上，并且通过金属导线穿过中间层与印刷电路进行电气连接，LED晶粒15的外表面涂有硅胶或者环氧树脂胶等保护胶16，其周围是反射壁17，它是在表面层11每个阵点位置设置圆形或椭圆形直孔或者锥孔、并且在侧壁镀上金属镍或银之后形成的光反射壁，上述所述直孔或者锥孔的底部最大直径为2～5mm。另外，该模块上还设置有若干只横向通孔14，以用于电气连接或导热，其内部可以填有金属铜或者其它导热材料，如14b，也可以不填充其它材料，如14a。
制作本发明LED二维发光模块，可以分成以下两大步骤一、多层控制线路板的制备表面层部分线路板的基板采用厚度在1.5～4mm的双面板。根据最终产品的面积和点阵晶粒发光点的数量在基板上首先加工孔径2～5mm的通孔以制作碗杯，根据产品的设计，通孔可以成形为圆形孔，也可以为椭圆形孔；可以为直孔，也可以是锥孔，锥度可以在10～90度之间选取。对于碗壁需通过镀镍或镀银进行反光层处理，以获得良好的反光和聚光效果。镀镍层的厚度不得少于3um，镀银层厚度不少于1um。
基板还需要加工若干孔径0.2～1.0mm的电气和导热过孔，利用化学沉积的方法对孔进行沉铜处理，利用化学镀铜的工艺对沉铜层加厚，再用导热材料将过孔填满以达到最佳导热效果，但对于小功率微热的单色产品，过孔也可不进行填埋。
中间层部分为厚度为1～2mm的多层印刷电路板上，其中一面用作底层部分，制作控制功能的印刷线路，另一面则制作固定晶粒的线路，多层板中根据需要也可以制作线路。固定晶粒部位的加工是先镀铜，铜层厚度控制在10um以上，再电镀一层厚度3um的镍和一层厚度0.3um的金。
在多层印刷电路板上加工若干孔径0.2～1.0mm的电气和导热过孔，通过成像、显影、蚀刻、检验等工序，完成多层线路板制作。
当将两块线路板都处理好之后，即可将它们定位和重叠粘合，粘合时要保证碗杯孔的周围没有粘合剂，以保证碗底与中间层的线路有可靠的导电和导热接触。此外需要在50～130℃温度下烘烤10～60分钟。至此完成多层控制线路板的制备。
二、LED二维发光模块制作1、固晶粒。采用粘合剂粘合，粘合剂的选择主要考虑的是导热性能、导电性能及结合强度。粘合剂的种类有导电银胶、环氧树脂、荧光粉等但不限于此类。粘合剂可用加热的方式进行加快固化处理。加热时温度控制在100～150℃，时间10～60分钟。
2、焊接连接金属导线。利用焊线的设备进行金属导线的连接加工，选用的金属导线直径依发光晶粒的大小和类型不同而不同，一般在0.0254～0.05mm之间，材质可为金、铝或其它合金丝。随后再进行保护性封胶处理，选用的胶体有硅胶和(或)环氧树脂胶。
3、控制线路元器件的焊装。将控制和驱动集成电路以及相关的表面贴装电阻、电容等电气元器件全部贴装于相应的焊盘位置上，再焊接上必要的连接件，经过通电和检测，LED二维发光数码模块制作即告完成。
上述LED二维发光模块阵列规模可以大大超过8×8，常用的点阵模式是16×32、32×32或者32×64，阵列的间距可以做得很小。模块可以单个使用，也可以组合使用。以其作为基础部件组合成半导体发光二极管显示屏，可以制成单色、双色或者全彩色的大面积、高清晰度超薄LED显示屏。
权利要求
1.LED二维发光模块，包括表面层[11]、中间层[12]、底层[13]，表面层[11]内含有排列整齐的二维阵点，每个阵点内部设置有一只LED晶粒，底层[13]安装有控制和驱动该模块使用的元器件和连接件，其特征在于在中间层[12]与表面层[11]相接触的一面、对应于每个阵点位置均设有焊盘，中间层[12]的另一面设置有印刷电路，LED晶粒固定在焊盘上，并且通过金属导线穿过中间层与印刷电路进行电气连接，LED外表面涂有保护胶。
2.根据权利要求1所述的LED二维发光模块，其特征在于表面层[11]在每个阵点位置设置圆形或椭圆形直孔或者锥孔，是锥孔时广口朝外，孔的内壁是LED发射光线的反射壁，反射壁上镀有金属镍或银。
3.根据权利要求2所述的LED二维发光模块，其特征在于所述直孔或者锥孔的底部最大直径为2～5mm。
4.根据权利要求1或2所述的LED二维发光模块，其特征在于该模块上设有用于电气连接或导热的横向通孔[14]。
5.根据权利要求4所述的LED二维发光模块，其特征在于所述通孔[14]内部填有金属铜或者其它导热材料。
6.根据权利要求1所述的LED二维发光模块，其特征在于所述LED晶粒外表面涂的保护胶是硅胶或者环氧树脂胶。
7.根据权利要求1所述的LED二维发光模块，其特征在于模块的点阵模式为16×32、32×32或者32×64。
8.LED显示屏，其特征在于用上述任意一项权利要求所述的LED二维发光模块作为基础模块，经组合后形成单色、双色或者全彩色LED显示屏。
全文摘要
本发明涉及以LED为发光体的二维发光模块及显示屏。LED晶粒直接封装在多层线路板上，表面层是出光传热层，中间层是晶粒粘贴层，底层部分是控制线路层，使多层板兼具固定晶粒、连接线路和散热等多项功能，制成的模块厚度薄、体积小、散热效果好。该模块可以单个使用，也可以组合使用，用其作为基础部件可以非常容易地组装成大面积、高清晰度的LED显示屏。
文档编号G09F9/33GK1909028SQ2005100412
公开日2007年2月7日 申请日期2005年8月1日 优先权日2005年8月1日
发明者张佃环, 祁峰, 周鸣, 梁秉文 申请人:南京汉德森科技股份有限公司