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LED在大尺寸液晶顯示面板中的應用
 

【作者: Mok Thye Linn】   2007年01月17日 星期三

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介紹

過去幾年,發光二極體(LED)的應用領域大幅擴展,其中成長最快同時也最具潛力的市場是液晶顯示器(LCD)的背光應用。過去幾年,白光LED已經隨著小型顯示器的背光應用而逐漸普及,目前幾乎所有行動電話中的彩色液晶面板都由LED來提供背光,最近白光LED更開始邁入需要更高效能與更長運作時間的膝上型顯示器背光應用。不過LED在進入大尺寸顯示器,如個人電腦顯示器與電視應用上並未成功,因為除了更佳的效能以及更長的運作時間外,大型液晶面板需要使用如紅、綠、藍(RGB)這類的LED來創造更豐富的色彩範圍,才能提供比使用CCFL背光更好的採購誘因。


採用RGB LED背光的主要取捨考量,包括因為LED需要進行色彩混合、效率可待提升、以及在組裝上需要較高的成本,雖然市場上已經出現許多針對這個應用領域所設計的RGB LED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地滿足LED背光市場。離散式的LED封裝,由於體積較大,同時在色彩混合與溫度管理上的處理上也較為複雜,因此無法取代CCFL解決方案。為了擴展RGB LED背光在大尺寸液晶顯示器與電視上的應用,廠商便開發晶粒直焊基板(Chip-On-Board;COB)封裝RGB LED發光模組,如(圖一)所示。


《圖一 隨插即用的COB LED模組 》
《圖一 隨插即用的COB LED模組 》資料來源:Avago Technologies

COB晶粒直焊基板封裝

傳統的封裝方式,是將LED晶片安裝在基體上,作為架構離散式LED元件的載體,然後再將LED元件安排在印刷電路板上,來達成RGB LED光源的組合。其中較低功率的元件,採用以FR4為材料的普通印刷電路板,在高功率應用上則採用金屬核心印刷電路板(Metal Core PCB;MCPCB)來加強散熱。傳統的作法在需要較高光度輸出密度時會面臨限制,原因是離散式LED基體與焊接點所需要的空間相當大,同時LED基體的設計方式通常也會為在單一封裝中設計多重晶片電路帶來限制。


新的作法是將LED晶片直接安裝在印刷電路板上,目前絕大部分直接使用MCPCB來取得最低熱阻。MCPCB的典型結構是在鋁質平板上方安排電路走線,並以一厚度相當薄的隔離層分開,這個隔離層必須能夠避免短路,但卻會犧牲了散熱效果。由於傳導路徑較短,因此運作中LED晶片所產生的熱就可以高效率地透過MCPCB有效傳導到散熱片,如(圖二)所示。



《圖二 離散式元件與COB封裝方式的溫度傳導路徑比較》
《圖二 離散式元件與COB封裝方式的溫度傳導路徑比較》

可靠度的強化

由於製造上的方便性,塑膠材料廣泛被使用在目前的LED封裝上,例如塑膠塑模反射罩,就被用來把LED晶片所發出的側面光反射到目標方向,而塑膠封裝則可以用來保護晶片本身並用來形成光折射用透鏡。但是塑膠在長期暴露在紫外光或高溫下會開始劣化,其中泛黃效應會造成反射器反射能力以及封裝材料穿透性的劣化,因此經過一段時間以後,光度輸出就會下降,這個劣化問題也就成為LED背光進入大尺寸顯示應用的挑戰。通常電視與顯示器需要最少50000個小時的較長運作時間,行動電話只需1000小時,膝上型則要求15000個小時。


COB封裝使用金屬反射器與矽樹脂封裝,來解決劣化的問題,如(圖三)所示。實際的可靠度測量結果顯示,在高溫情況下運作7000小時後並沒有劣化的徵兆,另外(圖四)則是COB封裝在70oC高溫下運作的劣化傾向曲線圖。



《圖三 採用矽樹脂封裝與金屬反射器的COB封裝結構》
《圖三 採用矽樹脂封裝與金屬反射器的COB封裝結構》

《圖四 高溫運作情況下的AlInGaP LED劣化速度與InGaN LED劣化速度》
《圖四 高溫運作情況下的AlInGaP LED劣化速度與InGaN LED劣化速度》

精簡尺寸與更佳的混色效果

目前液晶顯示技術正與CRT、背投影以及電漿顯示器競逐較大尺寸市場,CRT與背投影方式成本較低,但電漿與液晶顯示器則在尺寸上較薄。為了能夠讓LED進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組所使用的空間內,有效將RGB光線加以混合,就成為工程師面臨的一項重要挑戰。


COB封裝方式讓光源在與現有解決方案比較時顯得更為精簡,如(圖五)所示。



《圖五 離散式元件與COB解決方案的尺寸比較》
《圖五 離散式元件與COB解決方案的尺寸比較》

其中LED晶片間的間距大幅被縮小,通常LED元件間的最小間距為5mm,COB方式則能夠將它降低到2mm,此外,由於不再需要基體,因此光源的厚度也被降低,透過這樣的作法可以達到相當薄的尺寸。


當LED的間距縮小後,進行混色所需的區域大小也同時縮減,如(圖六)所示。



《圖六 COB作法可以縮小所需的混色區》
《圖六 COB作法可以縮小所需的混色區》

要達到由光源到導光板(Light Guide Plate;LGP)的高光耦合效率,COB封裝中採用了反射器來產生所需的發光模式。透光孔是一個長型的正方形條狀物體,安裝在導光板的側面,由LED晶片所發出的光可以在很少的損失下傳導到導光板,藉由這樣的強化動作,可以把背光模組中所需的色彩混合區域縮到最小。


隨插即用

目前在大尺寸液晶顯示螢幕,業界通常還是使用CCFL,因此在安裝時,不需回焊的程序,同時可針對不同尺寸的顯示器,提供各種不同長度的CCFL燈管。並且,CCFL的亮度可以透過在背光模組中加入更多的燈管來提升,亦即整個安裝程序,就是方便的隨插即用方式。因此我們必須要能夠將背光模組製造商由CCFL轉換到LED所增加的額外付出減到最低,才能夠讓這項選擇更具備吸引力。


COB LED模組在設計時採用長條型設計,目的是能夠依面板的尺寸以及亮度要求,採取水平或垂直方式堆疊組合。每個COB模組都具備用來進行電氣連接的標準連接器,同時每個色彩通道都可以被分別定址,具有高彈性的驅動電路設計,安裝則可以使用M3螺絲,因此可以免除LED組裝程序中複雜的回焊過程。


結果

我們在24吋CCFL背光模組中,放入兩列的COB封裝來進行效能的研究。背光模組包含一個導光板,並在導光板下方加入反射板,上方則加上擴散膜與棱鏡片,並在棱鏡片上進行測量。


簡單的溫度管理

COB封裝直接焊接在背金屬板上,因此由LED晶片所產生的熱,可以有效地在大型金屬框上擴散,達成散熱效果。在現有的金屬框架外,背光模組不需加入其他散熱片,以這樣的組態而言,整個背光模組能夠將溫度維持在低於70oC,如(圖七)所示。



《圖七 COB封裝在背光模組側光式應用的溫度分析》
《圖七 COB封裝在背光模組側光式應用的溫度分析》

良好的混色能力

由紅、綠、藍光LED所發出的光,會在反射罩內進行混合,而預先混合的白光,則在剛進入背光模組後的區域立即檢視,du’v’的色彩一致度大約在0.01,如(圖八)所示。



《圖八a 棱鏡片層所取得的影像》
《圖八a 棱鏡片層所取得的影像》

《圖八b 色彩亮度差(d u’v’)》
《圖八b 色彩亮度差(d u’v’)》

我們進行了點的測量來取得距離邊緣10cm處背光模組的色彩一致度,如(圖九a)所示,接近光源邊緣的區域,通常會有色彩一致性的問題,原因是光的混合需要適當的距離。目前的解決方式是覆蓋或隱藏這些混色區,覆蓋或隱藏的區域越大,光的損失就越高。在這項評估中,色彩一致度在95%,如(圖九b)所示,亮度一致度則超過85%,如(圖九c)所示,這項一致度結果在主動區上應該可以接受。



《圖九a 背光單元上進行均勻度特性測量的位置》
《圖九a 背光單元上進行均勻度特性測量的位置》

《圖九b 整個背光模組的色彩均勻度》 - BigPic:797x650
《圖九b 整個背光模組的色彩均勻度》 - BigPic:797x650

《圖九c 整個背光模組的亮度均勻度》 - BigPic:786x647
《圖九c 整個背光模組的亮度均勻度》 - BigPic:786x647

以上的結果表示基本上能夠和CCFL的效能匹敵,同時封裝到背光模組的組合也不需要任何特別的設備:COB封裝可以使用螺絲安裝,而電氣連接則透過一個隨插即用式連接器達成。因此這個解決方案的成本較低,能夠直接安排在現有的CCFL背光模組中,不需大幅修改背光模組產品設計以及組裝流程。


結論

與傳統離散式LED封裝比較,COB解決方案是液晶顯示背光應用一個較具吸引力的解決方案:在薄型外觀、更佳的混色能力以及簡單溫度管理上的優勢上,能夠符合客戶的要求;使用矽樹脂封裝與金屬反射器,也能夠延長產品的壽命。


此外,隨插即用的功能,可讓COB封裝背光模組的組裝程序類似於CCFL,因此COB封裝應是幫助RGB LED滿足大尺寸液晶顯示背光市場需求具體可行的解決方案之一。(作者任職於Avago Technologies安華高科技固態照明事業部;作者在此要感謝Alan Ng Yean Loon在顯示特性結果上的協助,以及Oon Siang Ling與Pang Siew It分享溫度分析的結果。)


<註:參考資料:[1] Hunjoo. Hahm, “LED BLU; Overview and Requirements”, LED Expo Seoul, 2006


[2] S.I. Pang, S.L. Oon, “Thermal Analysis Report”, Avago Technologies Malaysia, 2006


[3] T.L. Mok, “Ultra Thin Profile RGB LED Module for LCD Monitors and TV Backlighting”, International Display Workshop, Otsu, 2006>


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wonder發言於2007.06.29 09:21:11 AM

LED未來主要的用途便是照明了,其照明用途之多可說是應用廣泛,

看來LED即將照亮未來的每一天了。隨處都是LED。

Jalen Chung發言於2007.03.12 04:32:00 PM

LED科技與藝術的結合應用非常廣泛,近期有一個活動例子可以做為參考,這在表演藝術劇中已經演出好一陣子了,或許還有什麼其他新創意點子,可以把LED照明特質發揮地更適切的呢........

光之饗宴.一場難以遇見的
空間藝術、照明藝術與表演藝術的跨界演出

活動時間:313() 下午700~930 7時報到入場,745分正式開始)
活動地點:台北西門町紅樓2F
主持人:林書煒 (前新聞主播/知名主持人)
活動流程:

 

時間

議程

1900-1945

動 .光之勢力

耀動 .光之魅力

1945-1950

OPENING

1950-2005

貴賓致詞

1.台北縣政府縣長 周錫瑋(邀請中)

2.城邦集團PC OFFICE社長暨集團副總經理 謝斐如

3.億光電子工業股份有限公司董事長 葉寅夫

4.光拓彩通董事長 / 森海國際工程總經理—陳敦厚先生

2005-2020

舞動光之魔力 ─ 聲動劇團

2020-2050

主題座談—LED光照明設計如何演繹空間設計與藝術,打造空間新美學

1.光拓彩通科技總經理/孫啟能(照明設計整合專家)

2.DADA美術研發公司負責人/林舜龍(旅法公共藝術創作者)

3.森海工程顧問副總經理/周輝宏(空間設計整合專家)

2050-2055

點亮光之牆

2055-2130

採訪&交流


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 主辦單位:城邦集團PC OFFICE


協辦單位:

光拓彩通科技(股)
沈祖海聯合建築師事務所 森海國際顧問工程(股)
億光電子工業(股)
達達美術研究開發有限公司
數位時代
學學文創志業股份有限公司
中華民國室內設計協會

 

活動簡介:
 
在美學新經濟時代,LED光照明應用已是全球商業空間不可擋的趨勢,尤其是引領潮流的時尚界,早已將LED光的創意運用,發揮到令人驚呼的境界。如東京表參道的Dior,利用點光源方式拼湊,在平面的看版中,營造出模特兒走秀的磅礡氣勢;或是銀座的 LVCartierChannel等國際精品旗鑑店,皆透過LED的運用,打造出強烈而醒目的LOGO標誌,以簡單的元素,創造出引人注目的視覺印象,更成為遊客駐足留影的景點,讓品牌行銷的效益發揮到最大。
 
在強調體驗的年代裡,最直接的感官體驗即是來自於視覺,因此,「光」是一項非常重要的元素。「光」更是形塑空間氛圍與個性不可或缺的重要角色,之於現代的商業空間,益發突顯它的重要性,任何商業空間都必須透過好的光照明才能營造氛圍,賦予空間生命力。
 
拜科技發展之賜,LED在顏色種類、亮度和功率等方面都有極大步的躍進,在照明運用上,發揮了傳統光源無可比擬的作用,讓商業空間產生革命性的變化。LED光源輕巧、小型化、低電力和低發熱等特性,得以將其巧妙地融入商業空間,營造出多樣的環境氛圍,豐富使用者的感官體驗,為空間注入創意與美學的精神能量。
 
2007年3月13(二)晚上七時,在西門町紅樓,誠摯熱情邀請您參與一場別開生面的光照明藝術、空間藝術、表演藝術的整合跨界演出PARTY
,主辦單位『城邦集團PC OFFICE』匯集各產業翹楚,包括光照明整合先驅『光拓彩通』、擁有58年歷史的頂尖空間設計團隊『森海國際工程』、全球排名第七,國內排名第一的LED封裝大廠『億光電子工業』,以及知名公共藝術打造者『達達美術研究開發』,共同打造一個充滿藝術張力與美學意念的空間;並邀請在國內外備受讚譽,Discovery頻道專訪報導的台灣跨界藝術表演團體『聲動樂團』,首度以音樂與肢體演出,讓來賓透過視覺、聽覺、感覺一同感受透過音樂、人聲與肢體表演,演繹光的奇幻魔力。
 
在座談交流時間,業界先驅將與來賓分享如何結合空間、照明設計與公共藝術,在連續性的商業空間裡,形塑差異化,為品牌與商品加值。活動當天並將公佈消費者對於『光照明設計』與『商業空間』關係的認知與態度調查結果,期能透過體驗與交流,為台灣商業空間激盪出更多的創意運用,進而創造更大的美學經濟規模。


Korbin Lan發言於2007.02.13 01:25:00 PM

眼前看來LED用在背光版上的缺點多於優點,除了單顆發光和散熱問題之外,還有光源不均和色彩消退的問題,要克服上述的挑戰需要相當的成本,而且不見得能有突破性的進展,最有可能的發展就是LED背光板成為高單價的應用,僅佔有金字塔頂端的市場,而其餘的市場將會是CCFL背光所佔據....

台灣若想進軍此一市場,當然是要在專利下功夫,否則也只能成為大廠代產

Jalen Chung發言於2007.02.13 10:34:12 AM

業界對於LED的發光效能與市場應用抱以非常大的期待,不過大尺寸LED面板若單顆作用不佳,就會影響整個面板的發光品質;另外LED有過熱影響導致衰減的技術難題,這些都該如何克服繼而擴展LED在大尺寸面板以及照明的市場應用呢?

目前台灣光寶、億光都在試圖解決LED與電源管理供應器之間的設計解決方案,只是牽涉到專利問題,該如何突破呢?Philips跟Osram都在積極併購光學設計廠,用專利來掌握上游授權,台灣的學界與產業界該如何創造先機呢?

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