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，如個人電腦顯示屏與電視應(yīng)用的路途上并未順利，因為除了更佳性能和更長工作時間外，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)許多面向這個應(yīng)用領(lǐng)域設(shè)計的RGB發(fā)光二極管解決方案，但卻沒有一個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)來加強散熱，傳統(tǒng)的作法在需要較高光度輸出密度時會面臨限制，原因是分立式發(fā)光二極管基體與焊接點所需要的空間相當(dāng)大，同時發(fā)光二極管基體的設(shè)計方式通常也為在單一封裝中設(shè)計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)過一段時間以后，光度輸出就會下降，這個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個小時的更長工作時間，移動電話只需1000小時，膝上型則要求15000個小時。

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，實際的信賴度計量結(jié)果顯示，在高溫情況下工作7000小時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，通過這樣的強化動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，因此在安裝時不需回焊的程序，同時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選擇變得更具吸引力。

COB 發(fā)光二極管模塊在設(shè)計時采用長條型，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，同時每個色彩信道都可以分別定址，帶來高彈性的驅(qū)動電路設(shè)計，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，背光模塊包含一個導(dǎo)光板，并在導(dǎo)光板下方加入反射板，上方則加上擴散膜與棱鏡片，并在棱鏡片上進(jìn)行計量。

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)行了點的計量來取得距離邊緣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)行均勻度特性計量的位置

圖9b 整個背光模塊的色彩均勻度

圖9c 整個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即插即用連接器達(dá)成，因此這個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。