MiniLED產業網 - 基於有限元的Mini-LED滅燈分析－鑽石舞台

摘要

Mini-LED背光模組具有精準的局域控光能力且可實現超薄ＨＤＲ顯示，目前其已成為顯示行業研究熱點之一。針對Mini-LED在點燈過程中發生的滅燈現象，從燈板製作工藝入手，探討了滅燈現象發生的機理。並基於有限元模擬方法，結合燈板製作工藝、燈板結構等實際情況合理建立了Mini-LED模組仿真模型，模型仿真溫度值與實測值對比誤差在５％以內。將燈板在高溫試驗條件下極限狀態溫度場導入力學仿真模塊進行力學模擬，獲得極限狀態下的熱應力值大小及分布，並進一步推算出芯片所受最大推力值。將芯片所受推力值模擬結果與實測結果進行對比後，發現模擬結果位於實測結果的上下四分位數之間，且大於實測結果平均值，符合實際情況。基於模擬結果，改善了芯片錫膏，在芯片最大推力提高15％的情況下，實測芯片推力值的下四分位數值大於模擬值，且Mini-LED滅燈的發生概率從1.13×10^-4降低到了1×10^-5以下，改善效果明顯。

關鍵詞

有限元仿真；Mini-LED；滅燈；熱-力耦合模擬

１、引言

Micro-LED顯示是目前顯示行業最有潛力的顯示技術之一，Mini-LED技術作為Micro-LED技術的過渡技術，已成為顯示行業研究的熱點。Micro-LED的芯片尺寸小於５０μｍ，而Mini-LED的芯片尺寸在100~500μｍ，Mini-LED除了可以獨立顯示，還可以作為LCD的背光光源。Mini-LED背光可為LCD顯示的局域調光技術提供幾百至上萬分區，為局域調光技術更精準地控制LCD顯示提供了可能。

隨着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，亮度提升導致Mini-LED燈板的功率進一步提高，隨之而來的是燈板的發熱量增加、溫度升高。燈板溫度的升高不僅會導致LED壽命的顯著下降，也導致了燈板內部的熱應力的顯著升高，使燈板在高溫下出現板翹曲、局部滅燈等不良現象。

本文選取Mini-LED滅燈問題作為研究對象，從Mini-LED燈板的結構和製作工藝出發，對燈板的滅燈機理進行分析。並根據Mini-LED燈板的結構，建立有限元仿真模型，通過有限元熱-力學耦合對Mini-LED背光模組點亮過程中，燈板受熱膨脹產生的應力、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，並基於比較結果，調整芯片製作工藝參數，並將改善前後滅燈數據進行統計，驗證結果改善程度。

２、Mini-LED滅燈現象

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，可能會在模組點亮後的一段時間內出現個別芯片滅燈的現象。滅燈芯片大多分布在燈板的邊界位置，如圖１所示。由於Mini-LED燈板功率較高，熱功率較大，在模組狀態下點亮後，燈板產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，因此考慮滅燈現象可能與燈板點亮過程產生的熱應力相關。

３、燈板製作工藝及滅燈機理探討

3.1　Mini-LED燈板製作工藝

Mini-LED燈板的製作過程應用了COB（Chip on Board）工藝，即將燈板的發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板是導電銅層通過菲林處理曝光、蝕刻，產生所設計的各層導電線路後，各導電層之間插入絕緣材料壓合而成，壓合後在裸露的銅層電路，進行防焊油墨的印刷，主要起保護導電銅層和提高燈板反射率的作用。同時，在防焊油墨印刷時，應避開將焊接芯片的焊盤位置，防止後期芯片焊接不良、虛焊。在完成以上工藝後需要對焊盤位置進行化金處理，防止在印刷線路板製作完成到芯片焊接的過程中，焊盤被氧化腐蝕。在燈板製作完成後，燈板發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塗刷焊接錫膏，隨後在相應位置貼放發光芯片，經固化後利用外部熱源將燈板加熱，使錫膏能夠再次流動，使焊盤和發光芯片之間產生可靠的電氣連接和機械連接，以達到芯片焊接的目的。

發光芯片焊接完成後，為防止芯片受到外力的影響，保證發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塗一定厚度的透明保護膠。保護膠噴塗完成後，在燈板上側會形成一個平整的平面。Mini-LED製作工藝流程如圖２所示。

3.2 Mini-LED燈板滅燈機理分析

Mini-LED燈板保護膠噴塗工藝在室溫環境下進行，因此認為在室溫環境下，燈板和保護膠處於零應力狀態，芯片所受到應力為０。模組狀態點亮後（尤其是在高溫信賴性測試點亮狀態下），Mini-LED燈板的溫度迅速上升，由於燈板產生熱量無法及時散去，燈板處於高溫狀態，導致燈板受熱膨脹，由於保護膠熱膨脹率大於燈板基板材料熱膨脹率，燈板基板和保護膠之間會產生輕微位移，導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生破裂，造成發光芯片與焊盤間電氣連接失效，發生滅燈現象。

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象，有限元進行建模分析的思路是：首先使用熱學仿真模塊建立熱學仿真模型，並對所建立模型進行仿真計算，將所計算結果與實測結果進行對比，驗證分析模型的可靠性。之後將熱學仿真所得到的燈板的溫度場導出到力學仿真模塊，進行力學耦合仿真，以獲得燈板由於熱膨脹作用所導致的熱應力最大值。

4.1 熱學分析模型建立及可靠性驗證

Mini-LED顯示模組的架構由圖４所示，其中Mini-LED燈板用導熱雙面膠貼附在鐵背板上，光源Mini-LED燈板出射後經擴散板調製光源、各層膜材後光透過顯示屏幕，使顯示屏處於點亮狀態。由於Mini-LED燈板結構的特殊性，需將燈板所含材料屬性進行分析。燈板的基板主要由導電銅層和絕緣層FR4兩種材料組成，這兩種材料的熱膨脹係數如表1、表2及圖5所示。

由於燈板受熱區間主要在低溫區（＜90℃）環境下，考慮到在低溫區該兩種材料的膨脹係數比較接近，因此可將燈板基板模型進行簡化，建模時不再將FR4層和銅箔層分開考慮。由於在低溫區保護膠的熱膨脹係數在1×10^-4左右，與燈板基板材料熱膨脹係數值相差較大，為分析燈板與保護膠之間膨脹應力，將燈板分為燈板基板層和保護膠層進行建模。由於模組散熱主要方式為自然對流散熱，其控制方程為：

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，在其他求解方程中，認流體密度為常數。控制方程中，浮力項的密度公式為：

其中：ρ∞為周圍環境空氣密度，t∞為周圍環境空氣溫度，β 為周圍環境空氣的熱膨脹係數。在自然對流狀態下，通常由瑞利數作為流態的判據，可對流體的流態進行判斷：

其中：ｇ為重力加速度9.8m/s2，β熱膨脹係數取3.66×10^-3，溫差ΔT取30Ｋ，運動黏度ν ＝ 1.62×10^-5m2/s，熱擴散係數α ＝2.19×10^-5m2/s，特徵長度L＝0.3m。

由瑞利數計算可知模型瑞利數小於10^9，因此將該模型的自然對流散熱過程，流體流態設置為層流狀態。Mini-LED燈板發熱量，由積分球測試得出燈板出光功率值52.08Ｗ，燈板輸入功率為102.38Ｗ。假設燈板能量損耗全部轉換為熱能，可知燈板熱功率為50.3Ｗ。設置模型初始環境溫度為25℃，與空氣自然對流，並考慮模組豎直放置狀態下的重力影響，設置重力方向為Ｙ軸負向。燈板中銅箔層與FR4層複合，計算得出燈板綜合導熱率為66Ｗ·m-1·K-1。模組中各部品熱物性參數如表３所示，背板為衝壓板材，輻射率較低，取0.26；其他非金屬材料輻射係數均在0.9左右，基於此將非金屬材料設置輻射係數為0.9。

為驗證模擬可靠性，選用685.8mm（27in）Mini-LED模組進行溫度實測，如圖６所示。同時為保證測試結果嚴謹性，溫度測試在模組點亮狀態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測。在熱模擬軟件中，利用探針Probe工具可測量出相應溫度測點的模擬值，將模擬結果與實測結果進行對比，以確認熱學分析模型的可靠性。模擬結果與實測結果的對比如表４及圖７所示。

由實測結果與模擬結果的對比可知，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：

由於模擬結果與實測結果小於５％，模擬在誤差範圍內，因此認為熱學分析模型是可靠的。

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境溫度為60℃。通過已建立模型，計算得到60℃環境溫度下模組溫度分布如圖８所示。

在燈板受熱膨脹變形過程中，燈板與雙面膠有可能會產生分離，為去除背板固定影響，模擬燈板受熱狀態下燈板基板和保護膠所產生的極限熱應力，力學模擬過程將燈板單獨取出做應力分析。力學模型輸入參數如表５所示。

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

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

4.3 改善過程及結果分析

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

由實測結果與模擬值對比可看出，模擬值處於改善前實測值下四分位數與上四分位數範圍內，且大於改善前芯片平均推力值，說明模擬所得數值符合實際情況，且在極限狀態下，有較大風險發生滅燈現象。錫膏改善後，平均推力較之前增加15％，且實測值的下四分位數值已大於芯片在極限狀態下所受應力值，因此發生滅燈風險大大降低。比較改善前後燈板滅燈的數據，對改善前燈板進行統計，在高溫信賴試驗中，總共116640顆芯片出現滅燈的芯片數量為13顆，滅燈出現概率為1.13×10^-4；對錫膏進行改善後，抽取改善樣品進行信高溫賴性測試狀態下點燈檢測，共51840顆芯片，滅燈數量為0，因此認為錫膏改善後滅燈出現概率降低至＜1×10^-5，改善效果明顯。

根據分析結果，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力的關鍵因素。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力值，同樣是降低滅燈風險的有效途徑。

５、結論

本文針對Mini-LED滅燈現象，從Mini-LED燈板製作工藝入手，分析滅燈現象發生機理，得出燈板基板與導熱膠之間產生的熱應力是導致Mini-LED芯片脫焊滅燈的直接原因。基於有限元模擬方法，建立了Mini-LED模組的熱模擬模型，經過與實測溫度數據對比，模型模擬精度在5％以內。將模組在高溫試驗下的燈板溫度分布，導入力學仿真模塊進行模擬，得出極限狀態下燈板基板上芯片所受最大推力為128.48gf，該數值位於實測芯片推力最大值下四分位數與上四分位數範圍內，且高於實測芯片最大推力的平均值，因此滅燈現象發生風險較高，模擬結果與事實情況符合，具有可信性。基於此，將芯片錫膏進行改善後，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。

作者：劉碩，吳仁傑，楊賢，劉陽，馬可，朱紅麗，周昊，孫海威

來源：液晶與顯示第35卷第1期

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