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，并以一厚度相当薄的隔离层分开，这个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封装结构

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

    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，整个背光模块能够将温度维持在低于70℃，请参考图7。

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

图8b 色彩亮度差(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

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

    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。