高 雄，徐明亮，贺雪辉*
（1.浙江大华技术股份有限公司中央研究院，浙江 杭州 310053；
2.浙江省视觉物联融合应用重点实验室，浙江 杭州 310053；
3.浙江大华技术股份有限公司产品研发部，浙江 杭州 310053）
近年来，小间距发光二极管（Light Emitting Diode，LED）显示屏技术飞速发展，市场需求量不断增加，我国已经成为全球最主要的小间距LED显示屏生产基地。LED是将氮、磷等元素组成的化合物制成二极管，并控制半导体二极管发光的显示方式[1]。与液晶显示器（Liquid Crystal Display，LCD）拼接屏和数字光处理（Digital Light Processing，DLP）拼接屏相比，小间距LED显示屏具有如下优势。
（1）灯珠密度高，间距小，可以实现无缝拼接。
（2）显示采用自发光方式，每个像素点中的红绿蓝三原色由发光二极管自发光产生，不再是LCD采用的背光加滤色片产生三原色方式，其色彩极其鲜艳靓丽[2]。
（3）LCD液晶显示单元的屏前亮度值为700 cd·m-2；
DLP背投显示单元投影机光输出流明数最高在1 000～1 200 lm，换成实际屏前亮度应在450～500 cd·m-2；
小间距LED点阵屏前亮度可高达2 500 cd·m-2[3]。因此，从亮度来看，小间距LED点阵屏最亮，并且可配合智能控制系统进行亮度调节，避免视觉疲劳。
（4）小间距LED显示屏的刷新频率更高，画面更连贯。
（5）小间距LED显示屏配合逐点校正技术，可以完整地保留色彩的真实性。
目前，小间距LED显示屏的生产规模在不断扩大，成本也因此快速下降，市场占有率随之提升，逐渐替代了DLP和LCD拼接屏。为了让更多人了解这个行业，本文以LED间距为0.9 mm（以下简称P0.9），采用SMD封装方式的4合1小间距LED显示屏为例，介绍小间距LED显示屏的技术发展情况、印制线路板（Printed Circuit Board，PCB）设计思路以及可能存在的问题。
小间距LED显示屏是由一块一块相同规格的显示单元矩阵拼接而成，每个显示单元的尺寸和物理分辨率是固定的[4]。目前，小间距LED显示屏主要有两种，一种是SMD小间距、以4合1为代表的“N合1”小间距产品。SMD（Surface Mount Devices）是指表面贴装器件，是将LED发光芯片通过支架封装成独立的发光器件，然后通过表面贴装工艺焊接到PCB板上。经过多年的发展，这种技术是最成熟的，因此SMD小间距产品一直是行业主流。然而，当SMD小间距显示屏间距发展到1.2 mm以下时，其开始面临技术和成本的挑战。一是SMD封装的气密性和保护性差，导致经常出现死灯、毛毛虫等可靠性问题。二是灯珠焊盘焊接面积小，搬运和安装过程中产生的磕碰容易导致掉灯。另外，由于是裸露的焊盘，人体接触时也容易产生静电，损坏灯珠。点间距越小，SMD小间距LED显示屏的可靠性和稳定性问题越突出。为了解决SMD小间距的痛点，4合1的SMD小间距LED显示屏产品被研发出来。
另一种是COB小间距LED显示屏。COB（Chip-On-Board）是板上芯片封装，首先在基底表面使用导热环氧树脂覆盖硅片安放点，然后通过热处理硅片固定在基底表面，随后通过丝焊将硅片和基底进行电气连接。该工艺相比SMD较为简化，因此便于量产化。当点间距发展到1 mm时，COB也遇到了瓶颈，开始向倒装COB推进。倒装COB封装是指将RGB倒装芯片，使用固晶锡膏直接焊接在PCB灯面焊盘上，再进行灌封装胶、固化、切割，形成COB单元，是小间距LED显示屏的发展新趋势。
小间距LED显示屏的PCB设计，难点在于灯珠数量。一个2.0点间距的产品，每平方米大约要使用三色灯珠25万颗；
一个1.0点间距的产品，每平方米要使用灯珠大约100万颗。随着点间距的缩小，灯珠的数量大幅增加，小间距LED显示屏的PCB设计面临更大的挑战。
2.1 LED显示屏的基本原理
LED显示屏基本上由发光二极管和显示驱动芯片组成[5]，其原理如图1所示。数字图像信息传送到显示驱动芯片，显示驱动芯片将对应的发光二极管点亮。红、黄、蓝三个发光二极管组成一个像素，两个像素之间的距离就是单位面积内的分辨率。由于发光二极管数量太多，需要用一个芯片驱动多个发光二极管，所以采用行列分控的模式来控制发光二极管的亮灭，从而实现图像的显示。
图1 LED显示屏的基本原理
2.2 小间距LED显示屏PCB布局建议
小间距LED显示屏初期设计受限于灯面焊盘的限制，都是采用高密度互连（High Density Interconnector，HDI）设计。常规P1.6，P1.5采用四层一阶HDI，如图2所示。P1.2，P0.9采用6层二阶HDI。随着市场竞争的加剧，各个厂家都在PCB上降成本，现在主流的P1.6采用全通孔板，P1.5，P1.2采用四层一阶HDI，P0.9设计叠层用6层一阶HDI，如图3所示。
图2 四层一阶HDI叠层参考
图3 六层一阶HDI叠层参考
以P0.9小间距显示屏为例，PCB布局首先考虑的是灯面（灯面为Top面）。为便于后期检查，一般建议灯面LED1位于PCB的右上角。LED的位号先由右向左依次增大，再由上往下依次增大，具体排列要根据原理图点亮逻辑进行调整。每个灯的间距需要保持一致。LED数量太多，有个取巧的做法是先计算好数量，使用阵列复制放置一个LED在（0，0），把所有LED的位置占好，这样得到的是假器件。之后，需要使用Allegro软件的Show Element的功能把假器件的坐标显示并保存下来，使用Excel赋上位号，整理成一个TXT文件，通过Allegro软件的Import Placement功能导入，完成LED的放置。这个过程比较久，建议中途时常保存。
导入成功之后，建议随机抽样检查下点间距是否有异常。为了避免拼接间隙，四边最外围的LED要内缩0.01 mm。检查无误后锁定LED。灯面同样需要Mark点。Mark点要放到LED旁边，不能放到LED器件本体的内部。由于点间距比较小，Mark点的尺寸建议为0.28 mm。Mark点附近的LED焊盘需要切角，保证Mark点到焊盘间距0.28 mm，留出阻焊桥位置，如图4所示。
图4 Mark点放置位置
Bottom面用来放置驱动芯片。Bottom的器件除了规定位置外，驱动芯片按照其控制的LED的位置就近放置，随着信号流向均匀分布，保证均热性，并且尽量靠板边放置，减少翘曲。
2.3 P0.9小间距LED显示屏PCB布线建议
小间距LED显示屏PCB布线时，前期要合理规划好，还要注意残铜率，对称层面残铜率的差异要小于8%。当Top面为灯面时，Top第二层走LED与LED之间的列驱动信号线。因为LED是分区域的，Top走线在各区域之间需要铺断线头，且断线头要压到LED本体内部，否则PCB会有一条明显的黑线，做法如图5所示。第二层走线要铺铜皮，铜皮要尽可能宽，保证与第五层的残铜率相近。
图5 Top面LED各区域之间走线处理方式
第三层走LED与LED之间的行驱动信号线、芯片到LED的驱动信号横向的线，以及其他信号横向的线。第四层走芯片到LED的驱动信号竖向的线和其他信号竖向的线，在第三层的空白处要铺铜皮打过孔，第四层的铜皮要挖空或使用网格铜，保证三、四层的残铜率相近。
第五层横向铺驱动LED的电源和地的铜皮，Bottom面竖向铺驱动LED的电源和地的铜皮同上。为了保证与对称层面的残铜率相近，铜皮要挖空或使用网格铜。
最后，一定要确保小间距LED显示屏的PCB板边不能漏铜。LED间距太小，板边的LED、其内层过孔和走线离板边都很近，建议前期设置Route Keepin保证线距离板边8 mil。
本文介绍了小间距LED显示屏的特点和相关技术的发展趋势，以LED间距为0.9 mm的产品为例，介绍了这类PCB的设计思路以及可能存在的问题，希望能为更多想了解和设计该类产品的广大同仁提供一定的参考。
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