LED显示模块及其制造方法与流程

本发明涉及电子封装，更具体地说，涉及一种可用于各种照明应用的发光二极管(led)显示模块。

背景技术：

led封装是容纳led芯片的组件。当今使用的led封装种类众多，每种都有特定的应用和优点。led封装的功能包括保护led芯片和焊接引线不与环境直接接触，用环氧树脂或硅树脂固定和封装芯片，并实现在led照明应用中的多功能性和标准化。表面贴装器件(smd)led、板上芯片(cob)led，多cob(mcob)led是一些常见的led封装技术。作为led的最新发展之一，cob技术提供比普通smdled更好的每瓦流明比和效率。

cob或mcobled模块具有直接粘合到基板(例如印刷电路板(pcb))上的led芯片阵列。由于cobled不需要诸如引线框之类的附件，因此它在pcb上占用的空间较少，因而cobled模块可具有比smdled模块更大的led密度。当cobled封装通电时，它看起来更像是一块照明板而不是多个单独的灯的阵列，就像使用紧密安装在一起的多个smdled一样。

cobled模块可以是两种类型的cob之一，即，引线键合cob和倒装芯片cob。在引线键合cob中，横向led芯片通过粘性环氧树脂粘合在pcb基板上，并通过两根键合线连接至pcb上的导电焊盘。横向led芯片产生的热能通过芯片的蓝宝石衬底、粘接环氧树脂、pcb基板依次消散。与此相反，倒装芯片cob的led芯片直接粘合在pcb上的导电焊盘上，而无需键合线和环氧树脂。这种led产生的热量通过芯片焊盘、导电焊盘、pcb依次消散。与引线键合cob相比，倒装芯片cob表现出较小的热阻，因为其散热路径不包括属于具有较高热阻的材料的蓝宝石衬底和粘接环氧树脂。而且，由于没有键合线及其相关的键合工艺，因此降低了封装成本。因此，希望cobled模块在不需要键合线的同时保持较高的热阻。

ledpcb板往往会产生大量的热量，这可能需要主动冷却。因此，常常为led应用选择金属芯pcb，因为它们具有较强的散热能力。虽然金属芯pcb的传热和散热效率比传统硬pcb高，但是价格昂贵。在cobled模块中，其pcb的制造成本甚至更高，因为它需要在pcb中采用更多层或更精细的图案印刷以在有限空间中容纳高密度led以及配套的导电垫和导电线道。具有复杂金属图案的多层pcb还可能难以抑制pcb上的噪声和控制其它性能参数。因此，需要一种能够制造成本更低、功能相同或更好的led模块的新方法。

技术实现要素：

本发明提供一种led显示模块及其制造方法，该模块和方法能降低制造成本并提供更高的设计灵活性，同时无需键合线就能实现更高的热阻。

根据本发明的一个实施例，所述led显示模块包括：具有布置在其表面上的多个导电焊盘的印刷电路板(pcb)；布置在pcb的表面上的一个或多个模制材料层；布置在远离pcb的所述一个或多个模制材料层的表面上的导电线道网；穿过所述一个或多个模制材料层的多个通孔，每个通孔通向多个导电焊盘之一；以及布置在所述一个或多个模制材料层中的led芯片阵列。led芯片阵列中的每一个led芯片具有p电极和n电极，并且p电极和n电极中的每一个经由导电路径连接至多个导电焊盘之一。该导电路径包括多个通孔中之一内的导电材料以及导电线道网的一部分。

在本发明的一些实施例中，所述模块包括第一模制材料层或第二模制材料层，并且所述导电线道网位于第二模制材料层内部或上面。该导电线道网是通过喷墨印刷施加的。所述模块还包括封装led芯片阵列和导电线道网的第三模制材料层。所述模块还包括部分地遮盖第二模制材料层的黑色树脂部分。该黑色树脂部分是通过喷墨印刷施加的。该黑色树脂部分由黑色颜料与树脂、环氧树脂和硅树脂之一的混合物制成。

在本发明的另一个实施例中，所述第三模制材料层布置在一组r、g和bled芯片上以形成颜色混合窗口。该颜色混合窗口由透明环氧树脂或布置在其中的环氧树脂光学漫射材料构成。

根据本发明的另一个方面，所述led显示模块的制造方法包括：提供面板和在面板上布置led芯片阵列的步骤，每个led芯片具有p电极和n电极；在pcb表面上提供具有多个导电焊盘的印刷电路板(pcb)的步骤；翻转面板使其上具有led芯片阵列并使该面板与pcb对准从而使led芯片面向pcb的步骤；在具有led芯片阵列的面板与pcb之间的空间中填充不透明的模制材料以形成不透明层的步骤；从不透明层移除面板的步骤，其中led芯片阵列从面板分离，并部分地埋在不透明层中；在不透明层上覆盖透明层的步骤，其中该透明层具有多个过孔以及连接两个或多个过孔的多个沟槽；以及在透明层上布置导电材料以使用导电材料填充多个过孔和多个沟槽从而使多个led芯片电连接至pcb并且多个led芯片中的两个或更多个互连的步骤。

在本发明的又一个方面中，所述提供面板和布置led芯片阵列的步骤包括制备玻璃基板的步骤、向基板上附接热释放胶带的步骤、以及在热释放胶带上按行和列布置led芯片阵列的步骤。所述提供面板的步骤还包括将led芯片阵列压在热释放胶带上以最大限度减小led芯片阵列与热释放胶带之间的缝隙的步骤。所述基板具有附着在基板表面上的多个基准标记。所述提供pcb的步骤包括制备pcb基板的步骤、在pcb基板上进行表面贴装技术(smt)过程以将一个或多个电子元件置于pcb基板的底面上的步骤、以及在pcb基板的顶面上的多个导电焊盘上布置多个无铅焊料柱的步骤。所述方法还包括在将面板与pcb对准之后将具有led芯片阵列的面板压在pcb上从而使多个焊料柱中的每一个的端部部分地埋在热释放胶带中的步骤。所述移除面板的步骤包括移除玻璃基板和热释放胶带的步骤、以及露出led芯片阵列中的每一个的触点和多个焊料柱中的每一个的端部的步骤。所述在不透明层上覆盖透明层的步骤包括：在不透明层上模制透明层的步骤；雕刻透明层以形成多个过孔的步骤，其中多个过孔中的每一个通向多个焊料柱中的每一个或led芯片阵列中的每个led芯片的p电极和n电极中的每一个；以及蚀刻透明层以形成多个沟槽的步骤，其中多个沟槽中的每一个与两个或多个过孔相互连接。所述透明层由树脂、环氧树脂或硅树脂制成。所述雕刻透明层的步骤包括通过激光蚀刻雕刻透明层以形成多个过孔的步骤、以及通过等离子体除渣清理透明层的表面的步骤。所述在透明层上布置导电材料的步骤是通过喷墨印刷进行的。所述方法还包括在透明层上布置黑色树脂以形成部分地覆盖透明层的黑色树脂部分的步骤。所述在透明层上布置黑色树脂的步骤是通过喷墨印刷进行的。该黑色树脂是黑色颜料与树脂、环氧树脂和硅树脂之一的混合物。

在本发明的一些其它方面中，所述方法还包括在透明层和黑色树脂上覆盖第二透明层以封装led芯片阵列和填充在多个过孔和多个沟槽中的导电材料的步骤。所述方法还包括在透明层上覆盖黑色树脂层的步骤。该黑色树脂是黑色颜料与树脂、环氧树脂和硅树脂之一的混合物。所述方法还包括蚀刻黑色树脂层并露出一组r、g和bled芯片以形成颜色混合腔体的步骤、以及用透明环氧树脂或布置在其中的环氧树脂光学漫射材料填充颜色混合腔体以形成颜色混合窗口的步骤。

附图说明

通过参照附图阅读以下详细说明更容易理解本发明的内容。在附图中：

图1是示出本发明的一个实施例的cobled封装的侧向横截面的示意图。

图2是示出本发明的另一个实施例的cobled封装的侧向横截面的示意图。

图3a、3b、3c和3d示出了本发明的一个实施例的提供具有led芯片阵列的面板的方法；

图4a、4b和4c示出了本发明的一个实施例的提供pcb的方法；

图5a、5b和5c示出了本发明的一个实施例的倒装具有led芯片阵列的面板并使其与pcb对准的方法；

图6a和6b示出了本发明的一个实施例的在具有led芯片阵列的面板与pcb之间的空间中进行填充并从pcb移除面板的方法；

图7a、7b和7c示出了本发明的一个实施例的在不透明层上覆盖透明层并雕刻透明层的方法；

图8a、8b和8c示出了本发明的一个实施例的在透明层上印刷导电材料并封装led芯片阵列和导电线道的方法；

图9a、9b、9c和9d示出了本发明的另一个实施例的在透明层上印刷金属油墨并封装led芯片阵列和金属线道的方法。

具体实施方式

现在将参照附图对本发明的示例性实施例进行详细说明。应注意，在可行的情况下，在附图中可能使用类似或相似的附图标记，并且这些附图标记可指示类似或相似的元件。

附图仅出于说明的目的描绘了本发明的一些实施例。本领域技术人员从以下说明中很容易认识到，在不脱离本发明的总体原理的情况下，存在替代实施例。

图1是示出本发明的一个实施例的cobled封装的侧向横截面的示意图。如图1所示，led显示模块100包括印刷电路板(pcb)110、覆盖pcb110的不透明模制材料层(不透明层120)、覆盖不透明层120的透明模制材料层(第一透明层130)，以及覆盖第一透明层130的透明模制材料层(第二透明层140)。

pcb110具有布置在pcb110的顶面上的多个导电焊盘112-1和112-2以及布置在pcb基板的底面上的一个或多个电子元件111。该电子元件可包括集成电路(ic)无源元件，例如电感、电阻、电容等。这些电子元件111可通过表面贴装技术(smt)安装在pcb基板的表面上。在一些实施例中，导电焊盘112-1和112-2是平坦的，通常是镀有锡-铅、银或金的无孔铜焊盘。该pcb还可包括驱动电路。虽然在本发明中未示出驱动电路的细节，但是在一些实施例中，驱动电路可包括锁相环、多个脉宽调制引擎、配置寄存器、多个增益可调快速充电电流源、以及串行输入/输出接口。

led芯片阵列布置在不透明层120中。led芯片阵列可包括rgbled单元的矩阵，每个led单元指聚集在一起的三个led，即，红色led、绿色led和蓝色led，它们限定显示像素。每个led芯片150具有p电极151-1和n电极151-2。

在该实施例中，每个led芯片150不具有由蓝宝石或碳化硅(sic)制成的基底，因为芯片是与pcb的表面分开布置的，如图1所示。在这种led中，led芯片或管芯通常由氮化铟镓(ingan)和蓝宝石衬底的组合构成。最常见的蓝宝石替代材料是碳化硅(sic)。通常使用蓝宝石衬底，因为它具有与ingan相同的热学特性。但是，蓝宝石的最大缺点是其晶格结构与ingan的晶格结构之间存在较大的不匹配。这种不匹配在制造期间会向led结构中引入微裂纹，这会降低led的功效。由于在该实施例中每个led芯片不具有这种蓝宝石衬底，因此降低了制造成本并能提高led的功效。

一对通孔h-1和h-2在每个led芯片150的两侧分开布置。每个通孔(h-1或h-2)穿过第一透明层130和不透明层120，并通向多个导电焊盘之一(112-1或112-2)。每个通孔的上部也可称为过孔(v-1或v-2)。可在每个led芯片150周围形成另一对过孔v-3和v-4，并且每个过孔(v-3或v-4)穿过第一透明层130，并通向每个led芯片150的n电极151-1或p电极151-2。在第一透明层130的表面上还布置有多个沟槽t-1和t-2。多个沟槽中的每一个(t-1或t-2)使两个或更多个过孔彼此连接。这些过孔和沟槽可通过激光蚀刻或雕刻或者其它适当的方式形成。

通孔h-1和h-2(或过孔v-1至v-4)填充有导电材料，例如锡-铅、银或金，或者锡-铅与银的混合物。每个沟槽(t-1或t-2)也填充有导电材料，以形成导电线道。可通过喷墨印刷或电子束蒸发来完成通孔(或过孔)或沟槽的填充。当使用导电材料填充时，连接通孔(h-1或h-2)、导电焊盘(112-1或112-2)、过孔(v-3或v-4)和p或n电极(151-1或151-2)以及沟槽(t-1或t-2)的通道形成导电路径，使得p电极和n电极中的每一个(151-1或151-2)经由导电路径连接至多个导电焊盘之一(112-1或112-2)。

图1示出了沿x方向布置的led阵列的一行中的三个led芯片150。还有其它行的led芯片150，这些行优选沿y方向平行于图1中所示的行布置。每行led芯片连接至pcb，如图1所示。此外，沟槽t-1或t-2沿y方向延伸，连接相邻行中的相邻led芯片。这样，led芯片阵列的导电路径经由形成在第一透明层130的顶面上的导电线道网互连。

在该实施例中，导电线道网布置在第一透明层130的顶面上而不是在pcb110上，从而产生附加的表面以容纳密集的导电线道。由于led芯片阵列150通过布置在第一透明层130上的导电线道网互连，因此pcb110不需要具有过多分层的结构或复杂的导线图案，这种过多分层结构或复杂导线图案会增加pcb的制造成本并降低其设计灵活性。而且，根据该实施例，在具有有限表面积的pcb上可安装更多的led芯片，因为不需要印刷导线图案来互连pcb表面上的led芯片。该优点尤其实现了在同一块板上具有更高密度的led芯片的cobled封装，这使得显示屏具有更高的分辨率。

通过本实施例中的导电线道网，led芯片阵列可具有共阳极和共阴极扫描配置，其中led芯片的共阳极可操作地连接至电源，而led芯片的共阴极连接至电流驱动装置的输出。

该实施例的led显示模块100还可包括部分地覆盖第一透明层130的黑色树脂部分160。尤其是，黑色树脂部分160可覆盖led芯片150之间的通孔h-1和h-2的顶部，从而防止通孔h-1和h-2中的导电材料上的光反射，以提高led显示屏的对比度。在该实施例中，可在第一透明层130上有选择性地模制或印刷黑色树脂部分160(优选通过喷墨印刷进行)。在另一个实施例中，黑色树脂部分160可通过光刻法形成，在该方法中，黑色树脂部分160的模制可通过旋涂光刻胶来进行，该光刻胶在固化过程之后留在结构中作为模制材料，然后通过紫外线或激光蚀刻进行雕刻。该黑色树脂部分160具有较低透明度(例如小于20％)，并由黑色颜料与树脂、环氧树脂和硅树脂之一的混合物制成。

为了进行封装，可用由模制材料构成的第二透明层140覆盖第一透明层130和黑色树脂部分160。第二透明层140可以是透明环氧树脂或具有光学漫射材料的环氧树脂，使得来自每个rgb单元的不同颜色可在第二透明层140中混合，以提供白光。

图2是示出本发明的另一个实施例的cobled封装的侧向横截面的示意图。如图2所示，该实施例的led显示模块200包括透明层230上的黑色树脂层260。与图1的实施例不同的是，图2中的led显示模块200在一组r、g和bled芯片250上具有透明窗口240。该透明窗口240可由透明环氧树脂或具有光学漫射材料的环氧树脂构成，使得来自每个rgb单元的不同颜色可在该透明窗口中混合，以提供白光。该实施例的led显示模块200的其它结构与图1中示出的led显示模块100的相同，在此省略了对这种结构的细节的说明。

图3a至图8c示出了本发明的一个实施例的制造led显示模块的方法。

图3a、3b、3c和3d示出了提供具有led芯片阵列的面板的方法。在该方法中，制备具有与pcb相同的宽度的玻璃基板10(参见图3a)。为了防止在制造过程中发生破裂，可对该基板进行边缘研磨。多个基准标记11附着在基板10的表面上，以便通过机器进行对准。将热释放胶带20附着到玻璃基板上(参见图3b)。将压敏胶涂装在热释放胶带20的顶面上，并将热释放胶涂在热释放胶带20的底面上，将该底面直接附着在基板10上。将包括rgbled单元矩阵(每个led单元都具有红色led、绿色led和蓝色led)的led芯片阵列布置在热释放胶带20上(参见图3c)。在该实施例中，led芯片150具有相同的高度。每个led芯片150具有p电极151-1和n电极151-2。在将led芯片150置于热释放胶带20上时，翻转led芯片150，使得它们的p电极151-1和n电极151-2直接连接至压敏胶表面处的热释放胶带20。然后，将led芯片阵列压在热释放胶带20上，以最大限度减小led芯片阵列与热释放胶带20之间的缝隙(参见图3d)。这样，led芯片150的p电极151-1和n电极151-2埋在热释放胶带20的压敏胶的表面层中，如图3d所示。

图4a、4b和4c示出了pcb的制备。pcb基板110在顶面上具有多个导电焊盘112(图4a)。在一些实施例中，导电焊盘112是平坦的，通常是镀有锡-铅、银或金的无孔铜焊盘。在pcb基板110上进行表面贴装技术(smt)过程，以将一个或多个电子元件111布置在pcb基板110的底面上(图4b)。电子元件111可包括集成电路(ic)无源元件，例如电感、电阻、电容等。还可在元件侧进行丝网印刷，以标识元件、测试点、部件号等。然后，作为回流焊接过程，将多个无铅焊料柱113布置在pcb基板110的顶面上的多个导电焊盘112上(图4c)。在该实施例中，每个焊料柱113的高度大于led芯片150的高度。

图5a、5b和5c示出了倒装具有led芯片阵列的面板并将其与pcb对准的步骤。具有led芯片阵列的面板10和20被翻转(图5a)，并与pcb基板110对准，使得led芯片150面向pcb基板110(图5b)。由于焊料柱113的高度大于led芯片150的高度，因此led芯片150不会与pcb基板110的表面接触。然后，将具有led芯片阵列的面板10和20压在pcb基板110上，使得多个焊料柱113中的每一个的端部部分地埋在热释放胶带20中，同时led芯片150仍然不与pcb基板110的表面接触。

图6a和6b示出了在具有led芯片阵列的面板10和20与和pcb基板110之间的空间进行填充并从pcb基板110移除面板10和20的步骤。将不透明的模制材料填充到具有led芯片阵列的面板10和20与pcb基板110之间的空间中并固化，以形成不透明层120(图6a)。然后，通过进行必要的加热以松开热释放胶，从pcb基板110移除玻璃基板10和热释放胶带20。结果，led芯片阵列从面板10和20分离，并部分地埋入并固定在不透明层120中(图6b)。led芯片阵列中的每一个的p电极151-1和n电极151-2以及多个焊料柱113中的每一个的端部都露出。

图7a、7b和7c示出了在不透明层上覆盖透明层并雕刻透明层的方法。第一透明层130模制在不透明层120上(图7a)。在该实施例中，第一透明层130可通过光刻法形成，在该方法中，第一透明层130的模制可通过旋涂光刻胶来进行，该光刻胶在固化过程之后留在结构中作为模制材料，然后通过紫外线或激光蚀刻进行雕刻。第一透明层130由树脂、环氧树脂或硅树脂制成。对第一透明层进行雕刻，以形成多个过孔v-1至v-4(图7b)。多个过孔v-1至v-4中的每一个通向多个焊料柱113中的每一个或者每个led芯片150的p电极151-1和n电极151-2中的每一个。可通过激光蚀刻进行过孔v-1至v-4的雕刻。在雕刻之后，可通过等离子体除渣来清理第一透明层130的表面。然后，雕刻第一透明层130，以在两个或更多个过孔v-1至v-4之间形成多个沟槽t-1和t-2(图7c)。也可通过激光蚀刻来进行沟槽t-1和t-2的雕刻。

图8a、8b和8c示出了在透明层上印刷导电材料并封装led芯片阵列和导电线道的步骤。

在第一透明层130上印刷导电材料，以填充多个过孔v-1至v-4以及多个沟槽t-1和t-2，使得多个led芯片150电连接至pcb基板110，并使多个led芯片150中的两个或更多个通过导电线道互连(图8a)。印刷导电材料可通过喷墨印刷或电子束蒸发来进行。该导电材料可以是锡-铅、银或金，或者是锡-铅与银的混合物。在第一透明层130上布置黑色树脂，以形成部分地覆盖第一透明层130的黑色树脂部分160(图8b)。在第一透明层130上布置黑色树脂可通过模制或喷墨印刷进行。在另一个实施例中，黑色树脂部分160可通过光刻法形成，在该方法中，黑色树脂部分160的模制可通过旋涂光刻胶来进行，该光刻胶在固化过程之后留在结构中作为模制材料，然后通过紫外线或激光蚀刻进行雕刻。该黑色树脂可以是黑色颜料与树脂、环氧树脂和硅树脂之一的混合物。然后，在第一透明层130和黑色树脂部分160上模制第二透明层140，以封装led芯片阵列和填充在多个过孔v-1至v-4和多个沟槽t-1和t-2中的导电材料(图8c)。第二透明层140可由透明环氧树脂或具有光学漫射材料的环氧树脂构成，使得来自每个rgb单元的不同颜色可在第二透明层140中混合，以提供白光。

图9a、9b、9c和9d示出了本发明的另一个实施例的在透明层上印刷金属油墨并封装led芯片阵列和金属线道的步骤。在该实施例中，在透明层230上印刷导电材料以填充用于led芯片阵列的多个过孔和多个沟槽之后，在透明层230上为每个rgbled单元形成一对附加孔231(图9a)。然后用黑色树脂在透明层230上模制或印刷黑色树脂层260(图9b)。该黑色树脂还可填充在透明层230上的附加孔231中，以形成黑色壁。该黑色树脂可以是黑色颜料与树脂、环氧树脂和硅树脂之一的混合物。然后，雕刻黑色树脂层260，以露出该组r、g和bled芯片，从而形成颜色混合腔体(图9c)。为了覆盖颜色混合窗口240，可在颜色混合腔体中填充透明环氧树脂或具有光学漫射材料的环氧树脂(图9d)。在该实施例中，填充有黑色树脂的附加孔231可使黑色树脂层260锚固在其它模制层中，并支撑颜色混合窗口240。在另一个实施例中，黑色树脂层260可通过光刻法形成，在该方法中，黑色树脂层260的模制可通过旋涂光刻胶来进行，该光刻胶在固化过程之后留在结构中作为模制材料，然后通过紫外线或激光蚀刻进行雕刻。

上文中详细说明了本发明的一些实施例。在考虑和实践本发明的基础上，对于本领域技术人员来说，其它实施例也是显而易见的。因此，本说明书和附图应仅视为示例性和说明性的，本发明的实际范围由所附权利要求限定。