高密度LED显示屏存在的几大技术问题与改进方法
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从2011年开始，“高清”、“超高清”、“高密度”、“小间距”等词语频繁出现在各类招投标文件、宣传册上。短短几年的时间，点间距从4mm到 3mm、2.5mm、1.9mm、1.6mm、1.2mm，再到目前的1.0mm，高密度LED显示产品已经初步实现了系列化、产业化、规模化。高密度产品像是企业管理与设计水平的放大镜，它将原本存在但不突兀的问题放大，例如，稍有一点精度控制不佳，就可能导致整屏效果差的局面。本文将客观的从原材料、设计、结构工艺、生产等方面归纳高密度LED显示产品存在的几大特有的技术问题，提出改进方法与构想。 1.PCB表面处理问题 尽管LED显示屏在工作状态下才可以实现其价值，但是从专业角度，我们依然关注黑屏的效果。本文中黑屏指的是LED显示屏在不工作的状态下的视觉效果。 在高密度产品的面阵驱动板设计时，我们遇到两个问题影响黑屏效果。一是PCB表面的色差，行业内，批量生产的PCB的色差暂时还没有数据能够反映，大多数靠人眼去观察，但PCB表面的一致性做的再好，也很难同面罩的一致性媲美。如果不加面罩，则需在PCB上进行二次加工。但这种二次加工精度控制要求很高，需要专门的工艺设计。二是扫描线分割问题。分割线指的是在设计扫描电路中，分别共用驱动芯片某一I/O口的两组发光二极管连接线之间的空隙，这个间隙就像是将印制板分割成为两部分，故称分割线(如图1)。 分割线的产生是扫描电路设计的必然结果，一直存在，仅因高密度而凸显。对于这种问题，有三种方法去除，一是加装面罩，二是使用高度更高的发光管起到遮挡作用，三是添加假线设计，假线是指在PCB layout时，设计的没有任何信号定义的线。 在分割线区域，绘制没有信号的数据线，以避免出现断层。图1左图是未加假线的设计，图中有明显分割线，图1右图是增加假线的设计，已无分割线。 面对上述两大问题，目前最好的解决方法依然是加装面罩。只是面罩的强度以及加工难易将会是设计的难点。 2.PCB尺寸精度问题 大多数高密度显示屏，点亮时存在亮线和暗线的问题。亮线和暗线的出现是整行或整列像素点间隔不均造成的，一个重要的原因是PCB尺寸不精确造成的拼装瑕疵。根据经验，当模块边缘像素点之间的间距误差超过像素间距的10%，亮线和暗线的问题就会出现。市场上高精度的PCB裁板机精度是±0.1mm，激光切割机的精度≤±0.01mm。从数据上来看，使用高精度PCB裁板机不会导致亮线与暗线的出现，但事实并非如此。我们用高精度裁板机裁开的PCB边缘与用激光切割机切割的PCB边缘放大数倍进行比较。可以发现高精度PCB裁板机的确可以做到±0.1mm的精度，但是其裁边不光滑，易造成毛刺，而激光切割不仅可以保证切割精度，还能保证PCB边缘较为平整。因此，为了避免PCB边缘尺寸不准造成的拼装问题，高密度PCB切割应该使用激光切割技术。 3.贴装问题 高密度LED显示屏的贴装是难点之一。焊盘的设计、网板的设计、贴装的过程都是控制要点。 1010SMD发光管的焊盘尺寸只有0.3mm，若按照常规的在网板厚度不变的情况下，以小于焊盘的尺寸开孔，那么，当锡膏本身流动性差时，容易阻塞网板孔，影响生产效率，如果锡膏未落在焊盘上，该焊点会造成焊接不良。目前，采用的方法是降低网板的厚度，增加网板开孔的尺寸。 图2中， h表示网板厚度，a表示网板开孔尺寸，在保证锡膏总量不变的情况下，a2>a1，h1>h2，则右图中锡膏与焊盘的接触面大，由于锡膏与焊盘的附着力与接触面大小成正比，因此，采用右图方式开网板孔有利于锡膏附着在焊盘上，避免了网板孔阻塞的情况。但是，要注意的是，网板开孔不能大于焊盘尺寸，否则锡膏在融化过程中散开，过回流后，多余的锡爬上发光管引脚，造成显示屏引脚闪闪发光，黑屏效果欠佳。 以往贴装SMD发光二极管时，肉眼较难看出偏移，除非使用面罩作为基准，偏移较明显的发光管才会现出原形。即使发光管有偏移，并不会影响焊接可靠性。而高密度则不同，发光管偏移不仅仅影响观看效果，严重的会导致虚焊，稍有外力，发光管就会发生脱落。因此，必须在贴片前设置发光管中心与焊盘中心对准，同时注意回流焊炉内风速的控制。 调试一块高密度模块时，若出现盲点，首先要做的是在放大镜下观察，因为盲点未必都是LED坏点或虚焊，有时是发光管翻转造成的，这种概率并不高。通过研究分析，其主要原因如下： 1)贴片机吸嘴吸取发光管时，控制精度不佳或是吸嘴与PCB不垂直。另外，发光管进料时在传送带上有抖动，发光管在载带中，有的偏左，有的偏右，吸嘴未必都能够吸在发光管的中心位置。 2)抛料补焊的过程中，人为的碰触导致发光管偏移或翻转。 因此，在高密度产品的生产过程中，我们特别强调人的影响。同时，在回流焊前加自动光学检查(AOI)可以避免类似问题的出现。 4.画面画质问题 近两年，高密度LED显示屏成为了DLP、PDP、LCD等显示产品的主要竞争对手，其最大的优势在于无缝、高亮、高刷新、色彩丰富。但是这里需要强调的是LED显示屏的高亮优势仅仅是在环境亮度比较高的情况下，才可以显现。而DLP、PDP、LCD等显示产品主要的应用场合均为室内环境，环境照度大多不会超过300lx，为此，我们通过实验与主观评价，得出了环境照度与显示屏亮度之间的关系(见表1)，我们认为在环境照度小于300lx时，高密度 LED显示屏的亮度仅需要120-600nit即可满足要求。但是，部分客户不接受低亮度，这与早期的显示屏宣传有关，因此，我们需要积极的引导客户，同时，注意高亮和低亮下开关电源的配置，使用亮度自适应功能。 目前，行业内，解决高密度显示屏低亮度高灰阶高刷新率的驱动芯片已经较为成熟，典型的有聚积的MBI515*和日月成的SUM203*等。作为LED显示屏应用厂家，在高密度产品的设计方面，我们关注以下参数： 1)最小输出电流 目前，行业内恒流驱动芯片的最小输出电流低至0.5mA，可满足高密度LED显示屏的低亮度需求，但是小电流下的稳定可靠是我们关注的重点。 2)电流输出精度 电流输出精度较大程度的影响到LED显示屏的均匀性，驱动芯片的电流输出精度主要分为两种，一种是同一芯片的各通道间电流误差，一种是芯片与芯片之间的电流误差。通道与通道之间的电流误差造成的颜色不均，肉眼观察不明显，片间电流误差在±3%-±6%，芯片与芯片之间的误差可以明显显示出色块，这是现阶段我们关注的重点。 3)数据移位时钟 该数据决定了显示数据的传输速率，它是影响显示屏刷新率的关键指标。目前，一部分厂家的时钟频率已做到30MHz，显示屏刷新率可达到4000-16000Hz。 4)灰阶 灰阶值越大，画面的层次就越多，画质就越细腻。在高密度LED显示屏设计中，我们更关注100级以下的画面层次效果，当然，这是驱动芯片与控制系统联调的结果。 5.消隐问题 高密度显示屏的扫描数越来越高，鬼影的问题也就变得越来越严重。系统在驱动下一行时，上一行出现暗亮的现象我们称之为“上带亮”。原因在于：上一行线关断的时候，电路中残留的电量无处释放，只通过LED发光的形式释放。现阶段上带亮主要通过增加消隐电路解决(例如使用CD4051、595芯片)，通过错行或串行放电，将行上的寄生电荷泄放掉，但要同时避免击穿/短路/断路三个问题都出现，这就会有较大难度。尤其是反向电压会造成发光二极管的反向击穿，在电路设计方面，要降低可能的反向电压。 系统在驱动上一行时，下一行出现暗亮的现象我们称之为“下带亮”，LED显示屏的面板存在LED灯珠及电路板寄生电容，而形成下行鬼影。下带亮主要通过带消隐功能的驱动芯片解决。 高密度LED显示产品正处于快速成熟期，价格高利润大，需求猛增。它是现阶段LED显示市场里的一片蓝海。但是要做好并不容易，设计、生产过程中稍有不慎都会影响全局。因此，厂家都应在早期发展各自优势，并适当运用专利保护手段，以免在不久的将来，高密度产品也会同其他LED显示常规产品一样成为价格战的又一个牺牲品。 |
