LED显示领域COB和SMD两种不同封装技术有什么优劣

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LED显示领域COB和SMD两种不同封装技术有什么优劣
来源: www.kszled.cn 作者: 康硕展 发布时间:2017-11-10 11:37

    COB封装在LED显示屏应用领域已渐趋成熟,尤其在户外小间距领域以其独特的技术优势异军突起。特别是在最近两年,随着生产技术以及生产工艺的改进,COB封装技术已经取得了质的突破,以前一些制约发展的因素,也在技术创新的过程中迎刃而解。
    那么,COB封装技术优势到底在哪里?它与传统的SMD封装又有哪些不同?未来它会取代SMD成为LED显示屏的主流吗?
    一般来说,某种封装技术是否有生命力,是要从产业链的头部(LED芯片)一直看到它尾部(客户应用端)。通过全面的分析来评估。其中,对某种封装技术的最终评判权一定是来自客户应用端,而不是产业链上的某个环节。本文将通过COB与SMD两种封装形式进行分析和比较,探讨LED显示领域最佳的封装形式。
    总体来说,COB封装和SMD封装在LED芯片的选择上是站在同一个起跑线上,之后选择了不同的技术路线。
    一、封装环节分析评估
    1. 技术不同

    COB封装是将LED芯片直接用导电胶和绝缘胶固定在PCB板灯珠灯位的焊盘上,然后进行LED芯片导通性能的焊接,测试完好后,用环氧树脂胶包封。
    SMD封装是将LED芯片用导电胶和绝缘胶固定在灯珠支架的焊盘上,然后采用和COB封装相同的导通性能焊接,性能测试后,用环氧树脂胶包封,再进行分光、切割和打编带,运输到屏厂等过程。
    2. 优劣势比较 
    SMD封装厂能造出高质量的灯珠是勿容置疑的,只是生产工艺过多,成本会相对高些。还会增加从灯珠封装厂到屏厂之间的运输、物料仓储和质量管控成本。
    而SMD认为COB封装技术过于复杂,产品的一次通过率没有单灯的好控制,甚至是无法逾越的障碍。失效点无法维修,成品率低。
    事实上,COB封装以目前的设备技术和质量管控水平,0.5K的集成化技术可以使一次通过率达到70%左右,1K的集成化技术可以达到50%左右、2K的集成化技术可以使该项指标达到30%左右。即使有没有通过一次通过率检测的模组,但整板不良点也就1-5点,超过5个不良点位以上的模组很少,封胶前经过测试与返修是可以使成品合格率达到90%-95%左右。随着技术的进步和经验的积累,这项指标还会不断提升。同时我们还拥有封胶后的坏点逐点修复技术。
    3.技术分析评估
    技术分析评估表

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    分析评估说明:
    技术实现难易程度:

    SMD封装:显而易见,这种单灯珠单体化封装技术已积累多年的实战经验,各家都有绝活,也有规模,技术成熟,实现起来相对容易。
    COB封装:是一项多灯珠集成化的全新封装技术,实践过程中在生产设备、生产工艺装备、测试检测手段等很多的技术经验是在不断的创新实践中来积累和验证,技术门槛高难度大。目前面临的最大困难就是如何提高产品的一次通过率。COB封装所面临的是一座技术高峰,但它并非不可逾越,只是实现起来相对困难。
    出厂失效率控制水平:
    COB和SMD封装都可以控制得非常好,交给客户时都能保证0失效率。
    成本控制:
    从理论上说COB在这一环节的成本控制应该略胜一筹,但是目前产能有限,尚未形成规模化,所以暂时还是SMD占有优势。
    可靠性隐患:
    SMD封装中使用的四角或六角支架为后续的生产环节带来了技术困难和可靠性隐患。比如灯珠面过回流焊工艺需要解决数量庞大的支架管脚焊接良率问题。如果SMD要应用到户外,还要解决好支架管脚的户外防护良率问题。
    而COB技术正是由于省去了这个支架,在后续的生产环节中几乎不会再有太大的技术困难和可靠性隐患。只面临两个技术丘陵:一个是如何保证IC驱动芯片面过回流焊时灯珠面不出现失效点,另一个就是如何解决模组墨色一致性问题。
    二、回流焊环节的分析评估
    灯珠面过回流焊工艺
    1. 技术区别
    COB封装由于没有支架,所以不存在这项工艺。
    SMD封装是由显示屏厂采购SMD封装厂的灯珠, 然后贴片加工到PCB板上。
    2. 几点问题
    A. 竞争问题

    这个环节和封装环节不同,封装环节处于产业链的中游,企业数量屈指可数,还会有一定的利润空间。而屏厂环节在SMD产业链中处于下游,企业众多,技术门槛相对较低,竞争激烈、利润薄、生存压力大。在众多的屏厂企业中通过融资上市的公司凭借资金实力、品牌优势和国外市场渠道优势占据主要地位,其它的中小企业如果没有差异化的产品只能是大浪淘沙。企业参差不齐的发展水平必然导致产品质量的差异化程度扩大。在这样的环境中企业会如何做,怎样做?
    要想在这个环节上做好,尽量减少产品可靠性下降的问题,采用的技术看似简单,其实不然。以下三个因素值得大家关注?
    PCB板的设计质量、材质、制作工艺、制程和仓储的质量管控水平。
    SMT设备的精度和SMT生产制程质量管控水平。
    面对市场竞争,管理者的成本意识和质量意识。
    我们认为,以降低原材料品质和牺牲产品质量的竞争是会给产业链带来灾难性的后果。
    B. 产品成本问题
    COB封装没有这道工序,在此环节上的成本永远是零。
    SMD封装随着产品点密度的增加,贴片技术难度增加,产品的成本也会增加。而且点密度越高,成本增加越多,呈非线性加快增长关系。
    C. 可靠性问题
    COB封装没有这道工序,在此环节上不存在可靠性降低问题。
    SMD封装由于每个支架一般存在4个焊脚,在此环节就一定存在可靠性降低问题。这是由可靠性理论所决定的。根据可靠性原理,一个产品的控制环节越少,可靠性越高。请看下表:

    模组灯珠面回流焊工艺COB封装和SMD封装质量控制环节对比

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    从表中我们可以清楚地看到这样一个事实,COB封装随着点间距的变小和点密度的增加,它的灯珠面的控制环节永远是0,而SMD封装随着点间距的变小和点密度的增加,它的每平米的控制环节会随相应的每平米点密度的增加成4倍数的增加。
    D. 回流焊炉温造成的灯珠失效问题
    SMD灯珠器件在过回流焊时通常需要240度左右的温度,无铅焊接甚至要达到260度-280度的炉温。灯珠器件在通过回流焊机时存在两种失效可能。
    一种失效是LED芯片在高温作用下的龟裂碎化隐患:LED芯片如同人类,也存在正常和异常的个体差异,当弱、残的个体通过高温时,经受不住考验,就会出现此种问题。如果过炉后立即失效,问题还不大,换掉就可以。致命的是过炉后有这种隐患还能点亮,也能通过老化测试,运输震动以后,或到客户端使用一段时间后失效。
    另一种失效是LED芯片焊接导线的拉断失效。
    E. 应用过程的友好性问题
    COB封装灯珠是由环氧树脂固封在PCB板上,环氧树脂胶和PCB板的亲合力极强,具有以下物理性能:
    抗压强度:8.4kg/mm²
    剪切强度:4.2kg/mm²
    抗冲击强度:6.8kg*cm/cm²
    硬度:Shore D 84
    所以不怕静电、不怕磕碰、不怕冲击、可弯曲变形、耐磨、易清洗。所以和人的接触友好性强,不娇气,耐用。
    SMD封装灯珠是通过支架的管脚焊接到PCB板上的,物理强度测试性能不高。娇气怕碰,怕触摸引起的静电失效,和人的接触友好性不强。
    3.分析评估
    在这个环节上,COB封装的优势已显现出来,不存在恶性竞争的环境,也不存在成本和可靠性问题的困扰。所以说COB易于实现小间距不仅仅指的是物理空间的概念,还有成本和可靠性的优势。
    而SMD封装在这个环节上面临如何提高支架管脚焊接良率技术的突破,需要花费大量的人力,物力和财力。而且随着点密度变得越密,成本和可靠性问题变得越越来越突出。
    三、墨色处理环节的分析评估
    1.技术区别

    COB封装长期以来受到墨色一致性问题的困扰,目前已可以从技术上解决这个问题。
    SMD封装是采用面罩工艺来解决墨色问题。
    2.分析评估
    两种封装在解决墨色问题时成本大体相当,也都不会有产品可靠性降低的影响。
    四、户外防护处理环节的分析评估
    1.技术区别

    COB封装的LED灯芯已用环氧树脂胶包封,不存在裸露的焊脚,户外防护要解决的问题仅仅就是PCB板的防护处理和防水结构设计,技术非常简单。
    A. PCB板保护
    有二种防护等级。
    一般的户外应用等级(如租赁和固装):三防漆处理工艺。
    高低温、潮湿、盐雾环境应用等级:纳米镀膜+抗UV+三防漆处理工艺。
    B. 防水结构设计
    COB模组经过双面户外防护处理后,正反面都不怕水。为了使箱体内的电源、驱动卡和驱动IC能工作在一个良好的环境中和能工作更长的时间,在模组结构设计上采用了户外防护的全密封设计,COB模组驱动IC面有硅胶密封圈密封,密封圈下还有散热铝板,铝板嵌入固定在塑件套件内,套件和箱体之间还有一层硅胶密封圈,保证了模组和箱体内都不会有水进入。

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    SMD封装是需要将SMD器件的支架贴片管脚进行灌胶保护,尤其到P4以上的密度,技术难度相当大。
    2.面临问题
    A. 竞争问题

    COB 封装由于还未形成大规模产能,目前在P8-P10级别,尚未形成成本优势,目前只是在体育场馆和租赁市场需要不怕碰撞的户外显示屏和高低温、潮湿、盐雾应用环境等细分特殊应用市场具有应用优势。在P5-P6级别成本已与SMD相当。在P4-P3甚至更密级别纯户外应用上成本将占有绝对优势。一但未来形成产能,COB封装将在所有点密度级别上具有价格优势, 目前尚不存在COB同行之间的竞争。
    SMD面临同行之间的竞争如同前述,所以支架质量至关重要, 为节约成本而降低支架高度,反而会使灌胶技术难度增加,灌胶良率降低,不仅不能节省成本,反而会使可靠性降低和灌胶加工成本增加。
    B. 产品成本问题
     COB封装这道工序成本基本是按每平米的户外处理费用计算,与点密度的增加关系不大。
    SMD封装户外防护处理成本随着产品点密度的增加和灌胶技术难度增加而增加。而且点密度越密,成本增加越多,呈非线性加快增长关系。
    C. 可靠性问题
    COB封装灯面已有环氧树脂胶包封,在这道工序不存在裸露的芯片和管脚需要处理,只需把PCB板户外防护处理好,基本上不存在可靠性降低的问题。
    SMD封装灯面每个支架存在4个焊脚,需要灌胶包封处理,所以存在一个支架管脚的灌胶包封良率指标。如同回流焊环节,在此环节一样存在由支架管脚引起的可靠性降低问题。根据可靠性原理,一个产品的控制环节越少,可靠性越高。请看下表:
    模组灯珠面户外防护工艺COB封装和SMD封装质量控制环节对比。

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    从表中我们可以清楚地看到这样一个事实,COB封装随着点间距的变小和点密度的增加,它的灯珠面的控制环节依然是0,而SMD封装随着点间距的变小和点密度的增加,它的控制环节会继续随相应的点密度的增加成4倍增加。累积控制环节指的是SMD的回流焊工艺控制环节和灌胶工艺控制环节的累加。从表中数据可以看到,该数值随点密度的增加成8倍的增加。在过度竞争的环境中,户外SMD灯珠支架管脚的高度不断降低,更增加了这种技术的实施难度。如何在这么微小高度的空间内把胶灌好,把所有的管脚覆盖好,把模组的水平度掌控好,的确是一项超高难度级别的技术。
    D. 户外防护处理问题
    COB封装的灯珠表面是半球面曲线,灯面所有器件都由环氧树脂胶包封,没有任何的器件管脚裸露在外面,而且曲线过度圆滑,无棱角。如采用喷镀技术,不管是静电吸附原理还是真空气相沉积原理都可以做到处理无死角。所以不论是应用在室内,还是户外环境亦或是恶劣的高低温、潮湿、盐雾环境下,都不会有器件管脚氧化造成的灯珠失效担心。COB封装PCB板一定是沉金工艺的,保证了器件在整个制程过程中不易氧化,从而保证了在PCB板正反两面喷镀处理时无器件管脚的氧化隐患。

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    SMD封装灯珠会有很多凸起的四方体,棱角分明。灯珠面裸露出来的支架管脚需要经过户外防护处理来保护。如果室内灯珠想改良用到半户外,尤其是潮湿和盐雾环境下,必须要做喷镀处理。如果PCB板采用的是喷锡制造工艺,在制程过程中器件管脚极易产生氧化隐患,再做喷镀,效果也不理想。灯珠腹部下方的阴影区存在喷镀死角。

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    3. 分析评估
    在这个环节上,COB封装的优势再次显现,不存在可靠性降低的问题,目前户外技术已突破到P3.0级别。
    SMD封装在这个环节上继续面临如何提高支架管脚户外防护灌胶良率技术问题。针对户外小间距,技术难度更大,需要花费大量的人力,物力和财力来突破这项技术。而且随着点密度变得越高,成本和可靠性问题变得突出。
    五、终端客户对可靠性体验环节
    两种封装经过不同的技术路线最终来到了终端客户面前,他们的体验才是最有发言权的。理论分析是需要通过他们的实际应用来评价的。
    随着COB 封装显示屏实际案例的不断增加,以及特殊应用领域的不断扩大,市场一定会对这两种封装技术做出分析和选择。这种选择的力量来自市场,来自产业链的最末端。
    在此我们仅给出COB户外产品在终端客户端使用一年后的可靠性数据(山寨版的COB产品除外):
    全彩屏点失效率:小于十万分之五
    单双色屏点失效率:小于百万分之八
    结束语:
    综上对各个环节的详细对比分析,用下面两张图对两种技术风格在LED显示行业产业链的情况做一个总结。
    COB封装技术:
    从封装开始,一直到显示屏制造完成,COB封装技术是整合了LED显示屏产业链的中下游环节,所有的生产都是在一个工厂内完成。这种生产组织形式简单、流程紧凑、生产效率更高、更加有利于全自动化生产布局。这种组织形式也更有利于产品全过程的质量管控。这种组织形式还是一个有机的整体,在产品研发阶段就要考虑各个生产环节可能遇到的问题,综合评估制定技术实施方案。这种组织形式还可以更好地为终端客户承担品质责任。
    从整个生产过程中技术实施的难易程度和对产品可靠性的影响角度来分析,从下图中可以看到,白色的横坐标表示产业链上的主要工艺环节,在白色横坐标的工艺环节节点上的白色柱状线表示技术难度。图中上方的红色线段表示从封装环节到客户端应用环节产品的可靠性变化曲线。蓝色线段代表产业链不同环节上的技术难度曲线。

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    从图中可以看出,COB封装在LED显示领域这种多灯珠集成化的封装技术道路上只面临一座技术高峰,它出现在灯珠的封装环节。而且这种技术并非不可逾越,但也不是谁都能爬得过去的,是一种综合技术的体现,需要无数次的失败和经验教训总结,需要多年的技术积累和沉淀,需要坚定、踏实、不怕困难勇于创新的工匠精神。一旦越过这项技术高峰,如同鲤鱼跳龙门, 山后的路将是一马平川,在整个生产环节上再也没有太大的技术难点。从红色的产品可靠性曲线可以看到,COB封装一旦将灯珠封好,后续的生产环节对其可靠性几乎影响不大,在客户端应用一年以后,可靠性指标和封装时相差无几。
    SMD封装技术:
    在SMD显示屏产业链中的封装企业和显示屏企业是两类独立的企业,产业利润是由这两类企业来分享的。蛋糕虽大,但企业多,竞争激烈,利润薄。这种生产组织形式复杂,会浪费掉一部分产业利润和效率,产品质量管控难度相对大。由于封装环节和显示屏厂环节互相独立,针对生产过程中的技术难关很难有效配合,协同攻关。终端客户使用产品一旦出现质量问题,涉及的环节多,追责难度大。
    从整个生产过程中技术实施的难易程度和对产品可靠性的影响角度来分析,下图中曲线颜色和意义同前图。图中可以看出SMD显示屏封装产业链上存在双驼峰式的技术高峰, 这两个技术难点都出现在屏厂环节,而封装环节由于技术成熟稳定,技术难度相对来说不大。所以SMD显示屏的技术难度叠加在一起一定会超过COB封装技术的难度。

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    竞争环境的恶化和利润分配的不平衡影响到从封装厂开始的产品可靠性红线的走向,虽然每个厂的红线有高有低,但它们在到达客户端应用时向下的趋势是毋容置疑的,是由可靠性理论决定的。这就是客户应用端对产品可靠性的感觉和封装厂的出厂标准不一致的真实原因。所以说SMD的产品可靠性主要是由屏厂环节决定的。
    未来在显示屏领域,哪种封装方式更具有生命力,相信最终用户会做出正确选择。为客户提供高性价比的显示屏产品是COB封装努力的方向,COB封装在产品可靠性和价格平民化方面将会为行业的发展做出重要贡献。

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