LED在大尺寸液晶显示面板中的应用.doc

1、LED 在 大 尺 寸 液 晶 显 示 面 板 中 的 应 用介 绍过 去 几 年 ， 发 光 二 极 管 (LED, Light Emitting Diode)的 应 用 领 域 进 行 了 巨 幅的 扩 展 ， 其 中 成 长 最 快 也 最 具 潜 力 的 市 场 是 液 晶 显 示 屏 (LCD)的 背 光 应 用 ， 几年 间 白 色 发 光 二 极 管 已 经 随 着 小 型 显 示 屏 的 背 光 应 用 逐 渐 普 遍 ， 目 前 几 乎 所 有 移 动 电话 中 的 彩 色 液 晶 面 板 都 由 发 光 二 极 管 提 供 背 光 ， 最 近 白 色 发 光 二 极 管 更

2、 开 始 迈 入 需 要更 高 性 能 和 更 长 工 作 时 间 的 膝 上 型 显 示 屏 背 光 应 用 ， 然 而 发 光 二 极 管 在 进 入 大 尺 寸 显示 屏 ， 如 个 人 电 脑 显 示 屏 与 电 视 应 用 的 路 途 上 并 未 顺 利 ， 因 为 除 了 更 佳 性 能 和 更 长 工作 时 间 外 ， 大 型 液 晶 面 板 需 要 使 用 如 红 、 绿 、 蓝 (RGB)这 类 发 光 二 极 管 来 创 造更 丰 富 的 色 彩 范 围 ， 才 能 提 供 比 使 用 CCFL 背 光 更 好 的 采 购 诱 因 。采 用 RGB 发 光 二 极 管 背

3、光 的 主 要 考 虑 包 括 需 要 进 行 色 彩 混 合 、 较 差 的 效 率 以 及发 光 二 极 管 在 组 装 上 的 较 高 成 本 ， 虽 然 市 场 上 已 经 出 现 许 多 面 向 这 个 应 用 领 域 设 计 的RGB 发 光 二 极 管 解 决 方 案 ， 但 却 没 有 一 个 能 够 真 正 满 足 客 户 的 要 求 ， 因 此 ， 我 们 需要 新 的 封 装 方 式 来 真 正 满 足 发 光 二 极 管 背 光 市 场 。 分 立 式 发 光 二 极 管 的 封 装 由 于 体 积较 大 ， 同 时 在 色 彩 混 合 与 温 度 管 理 上 的 处

4、理 上 也 较 复 杂 ， 因 此 无 法 取 代CCFL 解 决 方 案 ， 为 了 加 速 RGB 发 光 二 极 管 背 光 在 大 尺 寸 液 晶 显 示 屏 与 电 视 上 应用 ， 安 华 高 科 技 (Avago Technologies)开 发 了 如 图 1 中 的 芯 片 直 焊 基 板 (COB, Chip-On-Board)封 装 RGB 发 光 二 极 管 发 光 模 块 。图 1 安 华 高 科 技 公 司 的 即 插 即 用 COB 发 光 二 极 管 模 块 产 品COB 芯 片 直 焊 基 板 封 装传 统 的 封 装 方 式 是 将 发 光 二 极 管 芯

5、片 安 装 在 基 体 上 做 为 架 构 分 立 式 发 光 二 极 管器 件 的 载 体 ， 然 后 再 把 发 光 二 极 管 器 件 安 排 在 印 刷 电 路 板 上 来 完 成 RGB 发光 二 极 管 光 源 的 组 合 ， 其 中 较 低 功 率 器 件 采 用 FR4 材 料 的 普 通 印 刷 电 路 板 ， 在高 功 率 应 用 则 采 用 金 属 内 核 印 刷 电 路 板 (MCPCB, Metal Core PCB)来 加 强 散 热 ，传 统 的 作 法 在 需 要 较 高 光 度 输 出 密 度 时 会 面 临 限 制 ， 原 因 是 分 立 式 发 光 二 极

6、 管 基 体 与焊 接 点 所 需 要 的 空 间 相 当 大 ， 同 时 发 光 二 极 管 基 体 的 设 计 方 式 通 常 也 为 在 单 一 封 装 中设 计 多 重 芯 片 电 路 带 来 限 制 。新 的 作 法 是 将 发 光 二 极 管 芯 片 直 接 安 装 在 印 刷 电 路 板 上 ， 并 在 封 装 上 使 用MCPCB 来 取 得 最 低 热 阻 ， MCPCB 的 典 型 结 构 是 在 铝 质 平 板 上 方 安 排 电 路 走 线 ，LED 在 大 尺 寸 液 晶 显 示 面 板 中 的 应 用并 以 一 厚 度 相 当 薄 的 隔 离 层 分 开 ， 这 个

7、 隔 离 层 必 须 能 够 避 免 短 路 ， 但 却 牺 牲 了 散 热 效果 。 由 于 传 导 路 径 较 短 ， 因 此 工 作 中 发 光 二 极 管 芯 片 所 产 生 的 热 就 可 以 高 效 率 地 通 过MCPCB 有 效 传 导 到 散 热 片 ， 请 参 考 图 2。图 2 分 力 式 器 件 与 COB 封 装 方 式 的 温 度 传 导 路 径 比 较信 赖 度 的 强 化基 于 生 产 上 的 方 便 性 ， 塑 胶 材 料 广 泛 使 用 在 目 前 的 发 光 二 极 管 封 装 上 ， 例 如 塑胶 塑 模 反 射 罩 就 被 用 来 将 由 发 光 二

8、极 管 芯 片 所 发 出 的 侧 面 光 反 射 到 目 标 方 向 ， 而 塑 胶封 装 则 可 以 用 来 保 护 芯 片 本 身 并 形 成 光 折 射 透 镜 ， 但 塑 胶 在 长 期 暴 露 于 紫 外 光 或 高 温下 会 开 始 劣 化 ， 其 中 泛 黄 效 应 更 会 造 成 反 射 器 反 射 能 力 以 及 封 装 材 料 穿 透 性 的 劣 化 ，因 此 经 过 一 段 时 间 以 后 ， 光 度 输 出 就 会 下 降 ， 这 个 劣 化 问 题 也 就 成 为 发 光 二 极 管 背 光进 入 大 尺 寸 显 示 应 用 的 挑 战 。 通 常 电 视 与 显

9、示 屏 需 要 最 少 50000 个 小 时 的 更 长工 作 时 间 ， 移 动 电 话 只 需 1000 小 时 ， 膝 上 型 则 要 求 15000 个 小 时 。COB 封 装 使 用 金 属 反 射 器 与 硅 树 脂 封 装 来 解 决 劣 化 的 问 题 ， 如 图 3， 实际 的 信 赖 度 计 量 结 果 显 示 ， 在 高 温 情 况 下 工 作 7000 小 时 后 并 没 有 劣 化 的 征 兆 ，图 4 则 是 COB 封 装 在 70 高 温 下 工 作 的 劣 化 倾 向 曲 线 图 。图 3 采 用 硅 树 脂 封 装 与 金 属 反 射 器 的 COB 封

10、 装 结 构LED 在 大 尺 寸 液 晶 显 示 面 板 中 的 应 用图 4a 高 温 工 作 情 况 下 的 AllnGAP 发 光 二 极 管 劣 化 速 度图 4b 高 温 工 作 情 况 下 的 InGaN 发 光 二 极 管 劣 化 速 度紧 凑 尺 寸 与 更 好 的 混 色 效 果目 前 液 晶 显 示 技 术 正 与 CRT、 背 投 影 和 等 离 子 显 示 屏 竞 逐 较 大 尺 寸 市 场 ，CRT 与 背 投 影 方 式 成 本 较 低 ， 但 等 离 子 与 液 晶 显 示 屏 则 在 尺 寸 上 较 薄 ， 为 了 能 够 让发 光 二 极 管 进 入 液 晶

11、 显 示 背 光 市 场 ， 尺 寸 就 成 为 一 个 不 可 被 忽 略 的 重 要 条 件 ， 而 如 何在 目 前 液 晶 显 示 背 光 模 块 所 使 用 的 空 间 内 更 有 效 地 将 RGB 光 线 输 出 加 以 混 合就 成 为 工 程 师 面 临 的 一 项 重 要 挑 战 。COB 封 装 方 式 让 光 源 在 与 现 有 解 决 方 案 比 较 时 显 得 相 当 紧 凑 ， 请 参 考 图5， 其 中 发 光 二 极 管 芯 片 间 的 间 距 大 幅 被 缩 小 ， 通 常 发 光 二 极 管 器 件 间 的 最 小 间 距 为5mm， COB 方 式 则

12、能 够 将 它 降 低 到 2mm， 此 外 ， 由 于 不 再 需 要 基 体 ， 因 此 光 源的 厚 度 也 可 降 低 ， 通 过 这 样 的 作 法 达 到 相 当 薄 的 尺 寸 。图 5 分 离 式 器 件 与 COB 解 决 方 案 的 尺 寸 比 较LED 在 大 尺 寸 液 晶 显 示 面 板 中 的 应 用当 发 光 二 极 管 间 距 缩 小 后 ， 进 行 混 色 所 需 的 区 域 大 小 也 同 时 得 以 缩 减 ， 请 参 考图 6。 要 达 到 由 光 源 到 导 光 板 (LGP, Light Guide Plate)的 高 光 耦 合 效 率 ， COB

13、封 装 中 采 用 了 反 射 器 来 产 生 所 需 的 发 光 模 式 ， 透 光 孔 是 一 个 长 型 的 正 方 形 条 状 物 体 ，安 装 在 导 光 板 侧 面 ， 由 发 光 二 极 管 芯 片 所 发 出 的 光 可 以 在 极 小 的 损 失 下 传 导 到 导 光 板 ，通 过 这 样 的 强 化 动 作 可 以 将 背 光 模 块 中 所 需 的 色 彩 混 合 区 缩 到 最 小 。图 6 COB 作 法 可 以 缩 小 所 需 的 混 色 区即 插 即 用目 前 在 大 尺 寸 液 晶 显 示 屏 幕 上 业 界 通 常 还 是 使 用 CCFL， 因 此 在 安

14、 装 时 不需 回 焊 的 程 序 ， 同 时 并 面 向 不 同 尺 寸 的 显 示 屏 提 供 各 种 不 同 长 度 的 CCFL 灯管 ， CCFL 的 亮 度 可 以 通 过 在 背 光 模 块 中 加 入 更 多 的 灯 管 来 提 高 ， 也 就 是 说 ， 整 个安 装 程 序 是 方 便 的 即 插 即 用 方 式 ， 因 此 我 们 必 须 要 能 够 将 背 光 模 块 制 造 商 由CCFL 转 换 到 发 光 二 极 管 所 增 加 的 额 外 付 出 减 到 最 低 才 能 够 让 这 项 选 择 变 得 更 具 吸 引力 。COB 发 光 二 极 管 模 块 在

15、设 计 时 采 用 长 条 型 ， 目 的 是 能 够 依 面 板 尺 寸 和 亮 度 要 求采 水 平 或 垂 直 方 式 堆 栈 组 合 ， 每 个 COB 模 块 都 具 备 用 来 进 行 电 气 连 接 的 标 准 连接 器 ， 同 时 每 个 色 彩 信 道 都 可 以 分 别 定 址 ， 带 来 高 弹 性 的 驱 动 电 路 设 计 ， 安 装 则 可 以使 用 M3 螺 丝 ， 因 此 ， 可 以 免 除 发 光 二 极 管 组 装 程 序 中 复 杂 的 回 焊 过 程 。结 果我 们 在 24 英 寸 CCFL 背 光 模 块 中 放 入 两 列 的 COB 封 装 来

16、进 行 性 能 研 究 ，背 光 模 块 包 含 一 个 导 光 板 ， 并 在 导 光 板 下 方 加 入 反 射 板 ， 上 方 则 加 上 扩 散 膜 与 棱 镜 片 ，并 在 棱 镜 片 上 进 行 计 量 。简 单 的 温 度 管 理COB 封 装 直 接 焊 接 在 背 金 属 板 上 ， 因 此 由 发 光 二 极 管 芯 片 所 产 生 的 热 可 以 有 效地 在 大 型 金 属 框 上 扩 散 ， 达 到 散 热 效 果 ， 在 现 有 的 金 属 框 架 外 ， 背 光 模 块 不 需 加 入 其他 散 热 片 ， 以 这 样 的 配 置 而 言 ， 整 个 背 光 模

17、块 能 够 将 温 度 维 持 在 低 于 70 ，请 参 考 图 7。LED 在 大 尺 寸 液 晶 显 示 面 板 中 的 应 用图 7 COB 封 装 在 背 光 模 块 侧 光 式 应 用 的 温 度 分 析良 好 的 混 色 能 力由 红 、 绿 、 蓝 色 发 光 二 极 管 所 发 出 的 光 会 在 反 射 罩 内 进 行 混 合 ， 而 预 先 混 合 的白 光 则 在 刚 进 入 背 光 模 块 后 的 区 域 立 即 检 视 ， 请 参 考 图 8。图 8a 柃 镜 片 层 所 取 得 的 影 像LED 在 大 尺 寸 液 晶 显 示 面 板 中 的 应 用图 8b 色

18、彩 亮 度 差 (d u v)我 们 进 行 了 点 的 计 量 来 取 得 距 离 边 缘 10cm 处 背 光 模 块 的 色 彩 均 匀 度 ， 请 参考 图 9a， 接 近 光 源 边 缘 的 区 域 通 常 会 有 色 彩 均 匀 度 的 问 题 ， 原 因 是 光 的 混 合 需 要 适当 的 距 离 ， 目 前 的 解 决 方 式 是 覆 盖 或 隐 藏 这 些 混 色 区 ， 覆 盖 或 隐 藏 的 区 域 越 大 ， 光 的损 失 就 越 高 。 在 这 项 评 估 中 ， 色 彩 均 匀 度 在 95%， 请 参 考 图 9b， 亮 度 均 匀 度则 超 过 85%， 请

19、参 考 图 9c， 这 项 均 匀 度 结 果 在 有 效 区 上 应 该 可 以 接 受 。图 9a 背 光 单 元 上 进 行 均 匀 度 特 性 计 量 的 位 置LED 在 大 尺 寸 液 晶 显 示 面 板 中 的 应 用图 9b 整 个 背 光 模 块 的 色 彩 均 匀 度图 9c 整 个 背 光 模 块 的 亮 度 均 匀 度LED 在 大 尺 寸 液 晶 显 示 面 板 中 的 应 用以 上 的 结 果 基 本 上 能 够 和 CCFL 的 性 能 匹 敌 ， 同 时 封 装 到 背 光 模 块 的 组 合 也不 需 要 任 何 特 别 的 设 备 ， COB 封 装 可 以

20、 使 用 螺 丝 安 装 ， 而 电 气 连 接 则 通 过 一 个 即插 即 用 连 接 器 达 成 ， 因 此 这 个 解 决 方 案 的 成 本 较 低 ， 能 够 直 接 安 排 在 现 有 的CCFL 背 光 模 块 中 ， 不 需 背 光 模 块 产 品 设 计 上 以 及 组 装 流 程 的 大 幅 修 改 。结 语和 传 统 分 立 式 发 光 二 极 管 封 装 比 较 ， COB 解 决 方 案 是 液 晶 显 示 背 光 应 用 一个 较 具 吸 引 力 的 解 决 方 案 ， 在 薄 型 外 观 、 更 佳 混 色 能 力 以 及 简 单 温 度 管 理 上 的 优 势 可以 符 合 客 户 的 要 求 ， 而 使 用 硅 树 脂 封 装 与 金 属 反 射 器 则 能 够 延 长 产 品 的 寿 命 。此 外 ， 即 插 即 用 的 功 能 也 让 COB 封 装 背 光 模 块 的 组 装 程 序 与 CCFL 类 似 ，因 此 我 们 可 以 说 COB 封 装 是 帮 助 RGB 发 光 二 极 管 满 足 大 尺 寸 液 晶 显 示 背 光 市场 需 求 的 理 想 解 决 方 案 。更多技术性文章：www.big- 大比特商务网