杨梅慧，林伟瀚*，于 海，胡文党，谢沛川

（1. 康佳集团股份有限公司，广东 深圳 518057；2. 深圳康佳电子科技有限公司，广东 深圳 518107）

1 引 言

目前液晶显示（LCD）在市场上仍然占据主导位置，有机电致发光显示（OLED）占据了部分高端市场。新型显示领域主要的技术系统有量子点电致发光显示（QLED）和微发光二极管（Micro LED）显示。Micro LED 显示利用微米尺寸（一般小于50 μm）［1］无机LED 器件作为发光像素，来实现主动发光矩阵式显示。随着第三代显示的需求推动和技术发展，Micro LED 由于其优异的电流饱和密度［2］、更高的量子效率以及高可靠性，已经成为目前技术的热点，在Micro LED 的器件设计制造和全彩显示解决方案［3］，以及VLC 通 讯［4-5］、全 集 成 多 功 能 化 新 型 显 示 器件［6］等方面被广泛研究。根据现代TRIZ 理论的技术系统S 曲线进化趋势，QLED 和Micro LED 目 前 处 于 婴 儿 期［7］。作 为Micro LED 前驱的次微发光二极管（Mini LED），器件尺寸为50～200 μm［8］，由 于 尺 寸 小，使 用 板 上 固 晶（COB）工艺可以将屏幕像素间距做到P1.25 mm 以下，形成微间距Mini LED 显示产品。Mini LED 器件也可以应用在液晶显示背光灯板上，通过精细化的分区实现局域动态调光来实现高亮度、高动态对比度的优秀画质［9-10］。Mini LED 显示目前产业已经成熟，市场规模逐年增加，并逐渐抢占常规商业显示的市场。Mini LED 微间距显示产品具有高PPI、高亮度、高对比度等特性。Mini LED 微间距拼接显示产品随着拼接技术和驱动技术的优化，将产生4K/8K户内影院产品，有望打开家电消费市场。

Mini LED 主动式显示技术使用红绿蓝倒装的Mini LED 芯片器件，使用固晶的方式贴在印制电路板（PCB）或者玻璃驱动基板上面（COB 或COG）。相较于使用常规的支架封装的LED 显示屏，COB 产品因为没有LED 封装支架的反光杯，像素之间容易发生光串扰，在大角度观看Mini LED 显示屏幕时容易出现色偏现象。

2 实 验

本文采用尺寸100 µm 的4 mil×8 mil Mini LED 芯片，通过COB 固晶、表面封胶工艺，制作红绿蓝全彩显示的Mini LED 灯板。表面封胶材料为混合碳粉的有机硅改性环氧树脂，封胶厚度为250 µm。样品1 固晶后表面膜压50 µm 厚的黑色膜层，黑胶填缝于Mini LED 芯片缝隙之间，等离子清洗芯片表面残胶后，再膜压一层200 µm厚度的半透膜，表面为光面。样品2 固晶后注塑模压40% 透过率的改性环氧树脂，封胶厚度250 µm，胶体表面为雾面，样品如图1 所示。屏幕像素间距P为0.68 mm。Mini LED 芯片器件长边方向朝向水平方向。

图1 Mini LED 灯板样品Fig.1 Mini LED light board

样品1 和样品2 采用CS2000 进行亮度和色坐标光学测试，CS2000 镜头光学角度为1°。将屏幕按角度旋转，旋转测试角度为-90°～90°，测试角度间隔为5°，使用CS2000 测试样品在不同角度条件下的色坐标值及亮度值。结合主观观测，得出显示屏幕的色偏现象及数值。测试Mini LED RGB 裸晶芯片长边方向光学数据，将其与屏幕角度色坐标变化及色偏现象进行对比，分析屏幕色偏原因。

3 结果与讨论

3.1 实验结果

通过主观观测，正视屏幕，视线与屏幕法线呈0°时为标准白场，随着角度的增加，屏幕右角度方向先呈现淡青色再变为浅红色再变为淡青色，左方向则呈现浅红色现象。使用CS2000 将屏幕按角度旋转进行亮度色度测试。

表1 为样品1 和样品2 在不同角度下测试的色坐标（CIE1931）数据，图2 为依据表1 绘制的屏幕不同角度下的色坐标分布图，其中横坐标为CIE 1931 颜色坐标的x坐标，纵坐标为颜色坐标的y坐标。如图2，样品1 在右方向色坐标60°处呈 现 拐 点，依 据 表1 数 据，0°～60°视 角 时x值 增加+0.012 7，y值增加+0.001 8，x值增加明显，即红色光强增加明显。60°～85°范围x值基本不再增加，y值增加0.010 4，即此范围红颜色光强降幅明显。样品1 左方向拐点依然在60°，0°～60°时x值增加+0.023 1，y值增加+0.003 7，x值增加比右方向明显，即左边角度偏红现象比右边明显。60°～85°范围x值变化为-0.009，y值增加0.005 1，大角度视角出现偏淡青色现象。

图2 样品在不同角度的色坐标分布Fig.2 Color coordinate distribution of samples at different angles

表1 样品不同角度色坐标值Tab.1 Color coordinate values of samples at different angles

如图2 所示，样品2 色坐标视角变化趋势与样品1 相似。其中右向角度色坐标趋势拐点在55°，0°～55°时x值增加+0.012 1，y值增加+0.003 1，55°～85°范围时x值变化-0.028 3，y值增加0.007 3，即55°以后白场颜色逐渐偏青。左向角度色坐标趋势拐点在50°，拐点角度比右方向角度小，0°～50°时x值增加+0.019 8，y值增加+0.003 3，左方向红色光强比右方向高。50°～85°范围x值变化-0.028 4，y值变化-0.006 2，即50°以后颜色逐渐偏蓝。

将样品不同角度测试的亮度数据进行归一化处理后制成光型分布图。两块样品测试的亮度光型分布图如图3 所示。屏幕样品1 的RGB颜色场光型形状不匹配而且左右不对称。GB 颜色场光型图形状基本重合，红颜色场右方向大于30°角后形状突出于蓝绿，左方向-5°以后红颜色场形状突出于蓝绿。即随着灯板光线出射角度的增大，蓝绿芯片亮度衰减趋势大于红光的衰减趋势。其中，红颜色场左边方向视角亮度大于右边方向亮度，而蓝绿光颜色场则右边方向视角亮度大于左边方向亮度。样品2 的光型图与样品1的形状和趋势相同。光型的不对称与前述左右方向色坐标的不对称对应。

图3 样品光型分布Fig.3 Light type distribution of samples

将Mini LED RGB 芯片沿着长边方向，测试-90°～ 90°之间的光强分布值，将3 种芯片的角度光强值归一化后描绘芯片的光型分布图，结果如图4 所示。

如图3 和图4，裸晶芯片的光型分布与屏幕的光型分布趋势类似，均为左右不对称，但具体形状不一样，尤其是红光，裸晶芯片的收拢程度强于屏幕光型。

图4 Mini LED RGB 裸晶芯片长边方向光型分布图（单位：（º））Fig.4 Light distribution along the long side of Mini LED RGB die chip（unit：（º））

3.2 结果分析

3.2.1 色坐标拐点分析

Mini LED 直显屏幕出现视角色偏现象有两种情况，现象1 是随视角变化对应颜色发生变化，即视角色偏且变色。现象2，视角色偏现象左右两边变化不一样。归一化后RGB 光型视角亮度幅值变化程度数据如图5。

图5 为样品的红光与绿光、红光与蓝光的视角光强幅度变化差值。样品1 幅度变化差异值在60°达到峰值，样品2 在50°达到峰值，这与色坐标拐点位置吻合。对于样品1 而言，在出射光0°～60°范围，随着出射角度变大，红光的光强衰减程度弱于蓝绿光，出射光大于60°之后，红光的光强衰减程度强于蓝绿光。

图5 RGB 光型光强变化差值Fig.5 Light intensity changes of RGB light type

样品1 屏幕在60°～85°之间的大角度范围红光强度占比迅速减小，一是因为裸晶片本身大角度光强弱，二是因为蓝绿光散射效果强于红光，改性环氧树脂介质中存在微小碳粉颗粒及气泡，在此大角度低光强条件下散射效果要强于折反射效果。样品2 的色坐标拐点角度小于样品1 的色坐标拐点角度，是因为样品1 的封胶表面是光面，样品2 的封胶表面是雾面，雾面改变了界面的光线逃逸角方向，即光提取效率增加。

随着红绿蓝光强衰减程度比例变化，色坐标对应发生了突变出现拐点。屏幕视角光强衰减程度的变化，估计与RGB 裸晶片的发光光型及RGB 色散程度不同有关。

3.2.2 光型变化分析

如图4，裸芯片RGB 光型形状不匹配，同时左右不对称。R 光型比GB 光型左右两边对称。GB光型一致，角度光强对称性较差。R 光型左方向角度强度稍强于右方向，而GB 右方向角度强度高于左方向。以上两点与Mini LED 屏幕的光型不对称趋势一致。说明屏幕角度色坐标变化和色偏与Mini LED 裸晶芯片RGB 光型不匹配相关。

GB 芯片光型对称性较差则由芯片的结构引起。Mini LED 芯片为倒装芯片，出光面为蓝宝石衬底。裸晶芯片及灯板的光型测试均为沿着芯片的长边方向从左到右，即从芯片的N 极到P极转动角度测试。LED 芯片制程工艺中N 极位置台阶偏低，发光反应层将被蚀刻掉。其中，GaN 型芯片的PN 两极分布在长边方向左右两侧的角部位置，因此GB 芯片的N 极方向的光强会降低，光型左右不对称。而红光R 芯片的PN 两极分布在长边方向左右两侧的居中位置，因此相对于GB 来说R 光型要对称。4×8 R 芯片P 极方向的电流阻挡层（CBL）及电极PAD 面积占比比GB 大，吸光程度较强，因此R 芯片右边P 极方向的光型强度比左边稍低。

如图3 和图4，封胶后的屏幕灯板光型发散程度均高于裸晶光型发散程度，红光R 的发散程度最大，即封胶后光逃逸角大于裸晶状态的光逃逸角。这可能与封胶前后折射率变化有关。Mini LED 芯片出光面介质为蓝宝石，折射率为1.768［11］。Mini LED 灯 板 用 的 环 氧 树 脂 为 有 机硅改性环氧树脂，折射率约为1.51［12-14］，空气折射率约为1，以上折射率均据于589.3 nm 标准钠黄光测试数据。芯片反应层发射的光从蓝宝石衬底逃逸。封胶后光线在蓝宝石衬底与环氧树脂界面发生折射和全反射，折射出的光线进入环氧树脂层，光线到达环氧树脂与空气的界面时再次发生折射和全反射。

依据折射定律公式（1）和全反射公式（2），算出Mini LED 裸芯片的光线逃逸角为34.5°，封胶后的Mini LED 灯板中芯片的光线进入胶体的逃逸角为59.1°，芯片光取出率增加，如图6，光线到达环氧树脂与空气界面逃逸角为41.3°，出射光线进行了发散。环氧树脂折射率介于蓝宝石衬底及空气折射率之间，由于界面处折射率发生改变，增加了界面处的耦合光效，使器件的侧方向上的光通量增加［15］，因此灯板封胶后出射光型会发散。其中树脂层大于41.3°逃逸角的光线反射回蓝宝石界面上，蓝宝石表面进行PSS（Patterned Sap⁃phire Substrate）处理［16-17］，同时环氧树脂表面进行了雾面处理，用来破坏界面全反射条件从而增加光取出率，并增加光型发散程度。

图6 Mini LED 芯片及灯板逃逸角Fig.6 Mini LED chip and light board escape angle

如图4，Mini LED 裸芯片R 光型收拢程度比GB 强；如图3，封胶后的灯板R 光型发散程度却高于GB 的角度发散程度。这可能与不同波长的光线在同一介质中折反射角度不一致有关，即色散现象。

依据柯西（A.L.Cauchy）色散经验公式（3）［18］，参考与封装胶体折射率相近的BK7 玻璃500 nm折 射 率1.520 942［11］，计 算 出 改 性 环 氧 树 脂 柯 西公 式 常 数A为1.481 88，B为9.77E+03。蓝 宝石 衬 底RGB 折 射 率 如 表2 所 示［11］。RGB Mini LED芯片的波长分别为630，530，470 nm，算出3种颜色光在介质中的折射率及界面逃逸角数据如表2 所示。

表2 RGB 颜色介质折射率及表面逃逸角Tab.2 Refractive index and surface escape angle of RGB color

如表2 中计算的逃逸角数据，RGB 在蓝宝石衬底与树脂界面逃逸角均约59°，已包含裸晶片大部分高能量出射光线，红光R 的聚拢程度比GB 强。而在树脂与空气界面，红光的逃逸角大于蓝绿光逃逸角，因此红光裸芯片发出的光为聚拢光型，但是灯板封胶后红光的光型转变为发散光型，且发散程度强于蓝绿光。

4 结 论

Mini LED 直显屏幕随着出射角度变大，将产生从正视白场到偏淡红色再到偏淡青色的角度色偏现象。通过测试及计算发现，在50°～60°视角位置出现色坐标拐点。拐点前面角度x坐标明显增加，y坐标基本不变，大于拐点的角度x坐标停滞或减小，y坐标增加明显。通过光型分析，Mini LED 屏幕表面的色偏现象与RGB 裸晶片的光型不匹配及光型左右不对称有关，同时由于RGB 颜色在介质中的色散现象，红光在树脂界面的逃逸角大于蓝绿光，光线经过介质后红光光型发散程度强于蓝绿光，红绿蓝光强衰减程度的差异引起了出射光角度色偏现象。