大屏幕LED背光液晶显示器批量生产的问题

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摘要:对环境的保护,包括减少有害物质的使用、减少能源消耗以及延长产品使用寿命的需求,正在成为非冷阴极(non-CCFL-based)背光技术发展的动力。虽然批量生产的问题现在正在发生变化,但成本和技术上的壁垒曾经使得基于LED方案的产量难以提高。

关键词:LED背光液晶显示器;老化控制;大批量生产

中图分类号:TN141.9 文献标识码:B

引言

多年来,发光二极管(light-emitting diodes,LEDs)作为平板显示的背光源已经用于笔记本电脑和小型台式机,与其它背光相比,LED使显示器变得更薄,功耗也更低。这项技术的发展本应自然而然地向大尺寸显示器进一步发展,但实际进展却很缓慢。早期的大屏幕使用数百至数千个led组成直接照亮式矩阵,用以取代传统背光源所使用的荧光灯。最近,一些大尺寸显示器开始使用边缘发光法,以前该方法通常只应用于较小尺寸的显示器(如图1所示)。以LED为基础的系统通常面临着成本和成品率的问题,但最近LED在发光效率和低成本封装上的突破,使得它的应用比以往任何时候都更加广泛。这些技术的先进程度的提高以及OEM生产过程中对环保日益提高的要求,都为未来2～3年内LED背光赢得更大的市场份额铺平了道路。

无论采用哪种解决方案(直接照亮法或边缘发光法),从样机生产到批量生产的转变过程中都必须考虑一些重要因素。文中探讨了这些挑战中最重要的影响因素,并提供了一些咨询意见,来说明如何处理这些问题。

1 LED的问题

在LED行业不难理解,大批量生产中LED色坐标和光强会存在较大的偏差,这种偏差需要LED进行分级。在某些应用中,光强和色坐标的偏差对用户最终的视觉体验可能影响不大,但是如果用作显示器背光源,这种偏差却让人无法忍受,因为它会影响亮度和色彩均匀性。通常亮度均匀度要大于85%,色彩均匀度要求与理想色坐标的偏差为±0.03。

LED制造商正在进行多种努力,以实现更小的偏差,并可以提前控制LED的偏差量。飞利浦的Lumiramic荧光粉技术就是这种努力之一,其目的是更严格地控制产品的色温(correlated color temperature,CCT),从而减少75%的色温分级或得到更纯的白光LED。在LED产业能够严格控制LED的偏差前,大批量生产中必须能够接受这些偏差,或者采用指定的LED分级,但同时就要承受相关的额外费用,以及可能造成的供应短缺。

无论背光是由白色LED还是RGB LED构成,一个强大的LED驱动器应当解决LED的光强输出差别。当使用少量高功率LED时,可以通过控制每个LED的电流来实现;当使用大量低功率LED时,可以通过调整一串LED的电流来实现。这些调整必须在制造过程中完成,并校准背光单元(backlight unit,BLU)的亮度均匀性。

在白光LED的应用中,几乎无法解决色坐标(白色)的偏差问题,因此必须使用预先定义的发光二极管颜色级别来实现匹配。在RGB LED应用中,通过调整每种颜色的驱动占空比进行修正,可以获得预期的色坐标,但有时会以牺牲亮度为代价。

另一个问题是LED会随着时间的推移而退化。由于市场上缺乏LED背光源的长期应用经验,很多事情往往取决于具体的设计师,如:确定LED随时间变化产生的偏差是否可以接受,或者是否根据预测使用周期采用某种类型的老化校正,如果没有老化校正,白色/彩色的色坐标就会发生漂移。在多个LED组合在一起的背光系统中,这些LED随时间的衰减变化将略微不同。这样的结果需要调整单个或者一小组LED的工作状态,从而使整个背光源工作一段时间后仍保持均匀的亮度和色坐标。这种老化校正可以用类似初始化校准的方式进行,系统中必须增加一个或多个光/色彩传感器,以便提供反馈,用LED的白色/彩坐标及光强输出来重新校准。

2 边缘发光及老化控制

下文讨论边缘发光的RGB LED背光液晶电视的设计,并演示如何处理LED的老化问题。

图2为边缘发光LED背光液晶电视,含有RGB LED和用于校正老化的色彩传感器,它采用条状光导法(bladed-light-guide approach)(使用附有LED导光板的水平剖面)。该系统采用以微处理器为基础的自适应控制系统,逐步控制每个条带,以保持一致的色坐标。色彩传感器安装在每一个条带后面,测量给定LED的色彩饱和度和三刺激值。这些数值将发给自适应微处理器,用于修正发光二极管由于老化和温度变化而产生的非线性偏差。

使用的自适应算法(adaptive algorithm)采用“自校正调节器(Self-Tuning-Regulator)”机理,如图3所示。控制法和模型估算模块是机理的两个关键组成部分,这些模块按周期性取样时间被调用。在特定情况下,最适合的模型拟合是n阶多项式回归曲线。基于LED子系统的响应特性,参考回归多项式构建了一个时间,任何随时间发生的性能变化都通过新模式的推算进行动态补偿。基于这些新的输入,控制法将驱动系统来实现性能目标。

u(k)是基于性能目标、估算模型和性能测试的激活变量。该估算模型推算出在给定输入和预定模型下的系统行为,模型的推算是基于一次性系统学习方法。

基于上述几种情况,性能将随着时间的推移而变化,因此,模型预测、性能目标以及当前的性能测试成为实现目标的关键。

随着LED的老化,其亮度特性开始降低,对于这种衰减的研究有助于采用自适应算法定期修正这一效应。自适应算法通过内置色彩传感器监控LED的性能,以获得准确的衰变状态,然后实施补偿,以抵消这种变化。这一衰减的因子传递给动态亮度控制算法形成一个新的衰减变化的因子,这将有助于使白点不随时间变化而保持一段时间。

3 生产问题

LED背光源的电光效率取决于一系列参数。当然,驱动系统的效率也是很重要的,但一旦驱动系统的设计确定了,每个系统间的差别必须是最小的。光泄露和光耦合是另外两个方面,它们可以在很大程度上影响系统效率。对于边缘发光系统,光导是最重要的光学元件,它的设计决定了大部分的损耗。在精心设计的系统中,损耗范围可以控制在5～10%之间;但在设计得不好的系统中,损耗会达到15%甚至更高。一旦确定了光导模具(light-guide mold),系统间的差别将是微乎其微的。

导光板的机械定位对于最大量地捕获LED的光输出是至关重要的,必须仔细设计,以确保LED正确的位于导光板的光收集表面,此时LED要与导光板呈 90°夹角,同时LED芯片和导光板间的任何空气间隙都必须进行严格控制。控制空气间隙的距离是至关重要的,因为LED出射光的发散角在多数情况下是lambertion模式。理想情况是实现没有空气间隙的直接连接,但是这对LED芯片的引线接合要求太高,目前还实现不了。因此,非常小的空气间隙是不可避免的。

一个好的设计可以在制造工艺不是非常复杂的情况下实现这些严格的公差。图4为一个典型的设计方案,为了确保完善的设计,需要严格的公差配合。

大型导光板可以采用各种技术实现少量生产,但这些技术并不一定适合大批量生产的方案。出光控制构造可以铸塑在导光板中、印刷在导光板上或者在导光板表面切/刮来实现,每种方法,铸塑、印刷或切/刮,都有自己的优缺点,但能够始终如一地制造出同样出光控制构造的能力将影响到系统的均匀性。

在背光应用中,LED封装可能不太符合大多数制造商所执行的严格的LED标准。在某些情况下,为了改善接合情况可能会除去光学或保护玻璃窗,为了最大限度地提高热传导,LED可以直接通过引线接合到印刷电路板上,如图5所示。大批量生产中,在处理和放置这些器件的时候,如果没有采取适当的保护措施,这些器件的损坏会变成一个大问题。

在LED背光系统的大批量生产中,还需要更多地注意修复废品的返工流程,如图6所示。不仅是处理返工过程中的问题,还必须注意使用方法,不能使LED或LED封装产生过应力。与LED供应商保持密切联系,将有助于保证所用工艺不会造成灾难性或潜在的问题。

最后要注意其它系统组件的选择,最重要的是系统的能源供应。LED背光源中使用的LED寿命为50,000小时或更长,但如果系统中的其它元件没有经过精心挑选,不具备高可靠性的话,系统寿命可能也不会比现有产品更长。另外,LED的可靠性很大程度上取决于LED芯片的工作温度,因此必须注意选择散热组件。LED的结温对波长、亮度和寿命有很大影响,通常情况下,结温超过65℃就会使这些性能降低。

4 结 论

使用LED作为背光的光源并不是新鲜事,但用于大屏幕的大批量生产仍处于初级阶段。现在需要的是优秀的设计,在不需要指定一个非常狭窄级别的发光二极管的情况下,就可以满足所需的亮度和色彩规格。对于使用LED作为背光,但对此并不熟悉而进行大批量生产的制造商,需要进行培训以恰当地控制和修理这些系统。不久的将来肯定会实现大尺寸显示器用LED背光的大批量生产,通过完善产品设计和装配过程,这些产品一定会实现低功耗、高可靠性和加强用户体验的诺言。

作者简介:Bob Pantalone,Jabil研究公司(,一家电子咨询公司,为全球电子和技术公司提供电子设计、生产和产品管理服务)首席工程师,E-mail:。

(北京科技大学 石琳

译自《Information Display》 02/09)