LED在大尺寸液晶顯示面板中的應(yīng)用

　　介紹

　　過去幾年，發(fā)光二極管(LED, Light Emitting Diode)的應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行了巨幅的擴(kuò)展，其中成長最快也最具潛力的市場是液晶顯示屏(LCD)的背光應(yīng)用，幾年間白色發(fā)光二極管已經(jīng)隨著小型顯示屏的背光應(yīng)用逐漸普遍，目前幾乎所有移動(dòng)電話中的彩色液晶面板都由發(fā)光二極管提供背光，最近白色發(fā)光二極管更開始邁入需要更高性能和更長工作時(shí)間的膝上型顯示屏背光應(yīng)用，然而發(fā)光二極管在進(jìn)入大尺寸顯示屏，如個(gè)人電腦顯示屏與電視應(yīng)用的路途上并未順利，因?yàn)槌烁研阅芎透L工作時(shí)間外，大型液晶面板需要使用如紅、綠、藍(lán)(RGB)這類發(fā)光二極管來創(chuàng)造更豐富的色彩范圍，才能提供比使用CCFL背光更好的采購誘因。

　　采用RGB發(fā)光二極管背光的主要考慮包括需要進(jìn)行色彩混合、較差的效率以及發(fā)光二極管在組裝上的較高成本，雖然市場上已經(jīng)出現(xiàn)許多面向這個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域設(shè)計(jì)的RGB發(fā)光二極管解決方案，但卻沒有一個(gè)能夠真正滿足客戶的要求，因此，我們需要新的封裝方式來真正滿足發(fā)光二極管背光市場。分立式發(fā)光二極管的封裝由于體積較大，同時(shí)在色彩混合與溫度管理上的處理上也較復(fù)雜，因此無法取代CCFL解決方案，為了加速RGB 發(fā)光二極管背光在大尺寸液晶顯示屏與電視上應(yīng)用，安華高科技(Avago Technologies)開發(fā)了如圖1中的芯片直焊基板(COB, Chip-On-Board)封裝RGB 發(fā)光二極管發(fā)光模塊。

圖1 安華高科技公司的即插即用COB發(fā)光二極管模塊產(chǎn)品

　　COB芯片直焊基板封裝

　　傳統(tǒng)的封裝方式是將發(fā)光二極管芯片安裝在基體上做為架構(gòu)分立式發(fā)光二極管器件的載體，然后再把發(fā)光二極管器件安排在印刷電路板上來完成RGB 發(fā)光二極管光源的組合，其中較低功率器件采用FR4材料的普通印刷電路板，在高功率應(yīng)用則采用金屬內(nèi)核印刷電路板(MCPCB, Metal Core PCB)來加強(qiáng)散熱，傳統(tǒng)的作法在需要較高光度輸出密度時(shí)會面臨限制，原因是分立式發(fā)光二極管基體與焊接點(diǎn)所需要的空間相當(dāng)大，同時(shí)發(fā)光二極管基體的設(shè)計(jì)方式通常也為在單一封裝中設(shè)計(jì)多重芯片電路帶來限制。

　　新的作法是將發(fā)光二極管芯片直接安裝在印刷電路板上，并在封裝上使用MCPCB來取得最低熱阻，MCPCB的典型結(jié)構(gòu)是在鋁質(zhì)平板上方安排電路走線，并以一厚度相當(dāng)薄的隔離層分開，這個(gè)隔離層必須能夠避免短路，但卻犧牲了散熱效果。由于傳導(dǎo)路徑較短，因此工作中發(fā)光二極管芯片所產(chǎn)生的熱就可以高效率地通過MCPCB有效傳導(dǎo)到散熱片，請參考圖2。

圖2 分力式器件與COB封裝方式的溫度傳導(dǎo)路徑比較

　　信賴度的強(qiáng)化

　　基于生產(chǎn)上的方便性，塑膠材料廣泛使用在目前的發(fā)光二極管封裝上，例如塑膠塑模反射罩就被用來將由發(fā)光二極管芯片所發(fā)出的側(cè)面光反射到目標(biāo)方向，而塑膠封裝則可以用來保護(hù)芯片本身并形成光折射透鏡，但塑膠在長期暴露于紫外光或高溫下會開始劣化，其中泛黃效應(yīng)更會造成反射器反射能力以及封裝材料穿透性的劣化，因此經(jīng)過一段時(shí)間以后，光度輸出就會下降，這個(gè)劣化問題也就成為發(fā)光二極管背光進(jìn)入大尺寸顯示應(yīng)用的挑戰(zhàn)。通常電視與顯示屏需要最少50000個(gè)小時(shí)的更長工作時(shí)間，移動(dòng)電話只需1000小時(shí)，膝上型則要求15000個(gè)小時(shí)。

　　COB封裝使用金屬反射器與硅樹脂封裝來解決劣化的問題，如圖3，實(shí)際的信賴度計(jì)量結(jié)果顯示，在高溫情況下工作7000小時(shí)后并沒有劣化的征兆，圖4則是COB封裝在70℃高溫下工作的劣化傾向曲線圖。

圖3 采用硅樹脂封裝與金屬反射器的COB封裝結(jié)構(gòu)

圖4a 高溫工作情況下的AllnGAP發(fā)光二極管劣化速度

圖4b 高溫工作情況下的InGaN發(fā)光二極管劣化速度

　　緊湊尺寸與更好的混色效果

　　目前液晶顯示技術(shù)正與CRT、背投影和等離子顯示屏競逐較大尺寸市場，CRT與背投影方式成本較低，但等離子與液晶顯示屏則在尺寸上較薄，為了能夠讓發(fā)光二極管進(jìn)入液晶顯示背光市場，尺寸就成為一個(gè)不可被忽略的重要條件，而如何在目前液晶顯示背光模塊所使用的空間內(nèi)更有效地將RGB光線輸出加以混合就成為工程師面臨的一項(xiàng)重要挑戰(zhàn)。

　　COB封裝方式讓光源在與現(xiàn)有解決方案比較時(shí)顯得相當(dāng)緊湊，請參考圖5，其中發(fā)光二極管芯片間的間距大幅被縮小，通常發(fā)光二極管器件間的最小間距為5mm，COB方式則能夠?qū)⑺档偷?mm，此外，由于不再需要基體，因此光源的厚度也可降低，通過這樣的作法達(dá)到相當(dāng)薄的尺寸。

圖5 分離式器件與COB解決方案的尺寸比較

　　當(dāng)發(fā)光二極管間距縮小后，進(jìn)行混色所需的區(qū)域大小也同時(shí)得以縮減，請參考圖6。要達(dá)到由光源到導(dǎo)光板(LGP, Light Guide Plate)的高光耦合效率，COB封裝中采用了反射器來產(chǎn)生所需的發(fā)光模式，透光孔是一個(gè)長型的正方形條狀物體，安裝在導(dǎo)光板側(cè)面，由發(fā)光二極管芯片所發(fā)出的光可以在極小的損失下傳導(dǎo)到導(dǎo)光板，通過這樣的強(qiáng)化動(dòng)作可以將背光模塊中所需的色彩混合區(qū)縮到最小。

圖6 COB作法可以縮小所需的混色區(qū)

　　即插即用

　　目前在大尺寸液晶顯示屏幕上業(yè)界通常還是使用CCFL，因此在安裝時(shí)不需回焊的程序，同時(shí)并面向不同尺寸的顯示屏提供各種不同長度的CCFL燈管，CCFL的亮度可以通過在背光模塊中加入更多的燈管來提高，也就是說，整個(gè)安裝程序是方便的即插即用方式，因此我們必須要能夠?qū)⒈彻饽K制造商由CCFL轉(zhuǎn)換到發(fā)光二極管所增加的額外付出減到最低才能夠讓這項(xiàng)選擇變得更具吸引力。

　　COB 發(fā)光二極管模塊在設(shè)計(jì)時(shí)采用長條型，目的是能夠依面板尺寸和亮度要求采水平或垂直方式堆棧組合，每個(gè)COB模塊都具備用來進(jìn)行電氣連接的標(biāo)準(zhǔn)連接器，同時(shí)每個(gè)色彩信道都可以分別定址，帶來高彈性的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)，安裝則可以使用M3螺絲，因此，可以免除發(fā)光二極管組裝程序中復(fù)雜的回焊過程。

　　結(jié)果

　　我們在24英寸CCFL背光模塊中放入兩列的COB封裝來進(jìn)行性能研究，背光模塊包含一個(gè)導(dǎo)光板，并在導(dǎo)光板下方加入反射板，上方則加上擴(kuò)散膜與棱鏡片，并在棱鏡片上進(jìn)行計(jì)量。

　　簡單的溫度管理

　　COB封裝直接焊接在背金屬板上，因此由發(fā)光二極管芯片所產(chǎn)生的熱可以有效地在大型金屬框上擴(kuò)散，達(dá)到散熱效果，在現(xiàn)有的金屬框架外，背光模塊不需加入其他散熱片，以這樣的配置而言，整個(gè)背光模塊能夠?qū)囟染S持在低于70℃，請參考圖7。

圖7 COB封裝在背光模塊側(cè)光式應(yīng)用的溫度分析

　　良好的混色能力

　　由紅、綠、藍(lán)色發(fā)光二極管所發(fā)出的光會在反射罩內(nèi)進(jìn)行混合，而預(yù)先混合的白光則在剛進(jìn)入背光模塊后的區(qū)域立即檢視，請參考圖8。

圖8a 柃鏡片層所取得的影像

圖8b 色彩亮度差(d u' v')

　　我們進(jìn)行了點(diǎn)的計(jì)量來取得距離邊緣10cm處背光模塊的色彩均勻度，請參考圖9a，接近光源邊緣的區(qū)域通常會有色彩均勻度的問題，原因是光的混合需要適當(dāng)?shù)木嚯x，目前的解決方式是覆蓋或隱藏這些混色區(qū)，覆蓋或隱藏的區(qū)域越大，光的損失就越高。在這項(xiàng)評估中，色彩均勻度在95%，請參考圖9b，亮度均勻度則超過85%，請參考圖9c，這項(xiàng)均勻度結(jié)果在有效區(qū)上應(yīng)該可以接受。

圖9a 背光單元上進(jìn)行均勻度特性計(jì)量的位置

圖9b 整個(gè)背光模塊的色彩均勻度

圖9c 整個(gè)背光模塊的亮度均勻度

　　以上的結(jié)果基本上能夠和CCFL的性能匹敵，同時(shí)封裝到背光模塊的組合也不需要任何特別的設(shè)備，COB封裝可以使用螺絲安裝，而電氣連接則通過一個(gè)即插即用連接器達(dá)成，因此這個(gè)解決方案的成本較低，能夠直接安排在現(xiàn)有的CCFL背光模塊中，不需背光模塊產(chǎn)品設(shè)計(jì)上以及組裝流程的大幅修改。

　　結(jié)語

　　和傳統(tǒng)分立式發(fā)光二極管封裝比較，COB解決方案是液晶顯示背光應(yīng)用一個(gè)較具吸引力的解決方案，在薄型外觀、更佳混色能力以及簡單溫度管理上的優(yōu)勢可以符合客戶的要求，而使用硅樹脂封裝與金屬反射器則能夠延長產(chǎn)品的壽命。

　　此外，即插即用的功能也讓COB封裝背光模塊的組裝程序與CCFL類似，因此我們可以說COB封裝是幫助RGB 發(fā)光二極管滿足大尺寸液晶顯示背光市場需求的理想解決方案。(致謝：作者在此對Alan Ng Yean Loon在顯示特性結(jié)果上的協(xié)助以及Oon Siang Ling與Pang Siew It分享溫度分析的結(jié)果表示致謝。)

　　參考文獻(xiàn)：

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