MiniLED電視背光技術淺析與顯示標準介紹

1   技術背景

目前市場主要電視產品為不帶分區或分區較少LCD（liquid crystal display，液晶顯示器）產品，亮度普遍在200 ~ 400 nits（1 nit = 1 cd/m²） 范圍， 不帶峰值亮度。一般直下式產品如65 英寸（144 cm×81 cm）背光僅包含LED 50 ~ 70 顆左右。大部分背光工作狀態為全亮，當顯示黑畫面的時候整個背光仍然為開啟狀態，導致整個黑畫面不夠黑。一些搭配IPS（in-plane switching，同場面切換）面板的電視黑畫面亮度通?？梢愿哌_0.5 ~ 1.1 nits，對比度遠低于采用VA 面板的電視，同時IPS 具有對壓迫滲光敏感等特性，邊緣角落受力不均容易出現滲光現象，影響用戶體驗。如何對畫面精細化控制，實現高對比度、高亮度、寬動態HDR（high dynamic range，寬動態范圍）成為需要攻關的問題?；诂F有目前LCD 存在的痛點，第一種可通過液晶面板技術進行改善，如Dual cell 雙面板技術，將兩個面板貼合可實現百萬級分區控光，但兩個面板疊加導致面板穿透率大幅下降，不利于高亮度實現，且增加背光功耗不利于節能，整體成本大幅上升，故未得到推廣。第二種采用MiniLED 搭配超多分區的背光技術從更精細的背光光源控制出發，提升電視整體對比度，黑畫面下通過動態背光控制對應區域LED 不發光，達到類似于OLED（organic light-emitting diode，有機發光二極管）黑畫面像素點不發光的全黑效果，且更加節能，理論上分區越多越精細，畫質效果越好。通過大幅增加LED使用數量，LED 排布更加精細化，可實現單位面積的能量密度大幅提升，boost 電流驅動下，可實現峰值亮度較常態亮度翻倍，整體顯示畫面效果呈現白場更亮，暗場更暗，實現HDR 超寬動態范圍顯示，大幅提升畫質效果。得益于優秀的畫質表現，被越來越多消費者認可，MiniLED 背光技術從上游外延芯片到中游貼片封裝再到終端電視廠商，已形成了成熟的垂直供應鏈布局。

基于人眼生理特性，人眼對亮度和色彩的感知是由錐狀細胞和桿狀細胞控制，大部分人眼亮度適應范圍實際可達0.01 ~ 10 000 nits 以適應白晝黑夜，如大自然中花朵高光部分在太陽下可達14 700 nits。顯示技術最理想的設計目標是符合人眼動態感知范圍100 000:1，然而現有電視所能呈現的亮度范圍大部分在0.05-1 000 nits，最大亮度也無法實現上萬尼特，但可以通過將暗場亮度降到更低甚至無背光，實現接近100 000:1的寬動態HDR 效果。提升顯示畫質需要考量的維度主要有高動態、高亮度、WCG 高色域以及面板相關的高分辨率、高刷新率、高位深等?；诂F有MiniLED 技術，部分高端產品峰值可達3 000 nits( 短時間驅動)，加上更精細的動態區域背光Local dimming 技術可實現階段性的畫質飛躍。

作為LCD 電視的下一代技術，MiniLED 將傳統的LED 燈珠做得更小，其芯片大小僅為傳統LED 燈珠的四十分之一左右，整體光源布局更精密，通過超多分區技術實現對背光源的精細化控制。在實際應用中，MiniLED 也可細分為背光和直顯兩大方向，直顯產品受制于良率、LED 間距控制、售價成本等因素，目前主要以多場景商用為主，可實現模塊化超大尺寸，如創維133.7”英寸（1 英寸= 2.54 cm）4K 產品、三星The Wall 等。家用主要通過MiniLED 背光技術實現，同時在移動、車載等領域均有推廣普及，如蘋果2021 發布Ipad PRO 12.9”英寸采用了MiniLED 背光技術，電視端創維Q70 鳴麗屏采用MiniLED 多分區背光技術，除此之外各家電視廠商均推出了基于MiniLED 的主打產品。新技術推出的同時，同樣也帶來了規范標準化不統一的問題，導致出現市場產品雜亂、概念模糊，消費者被誤導等現象，隨著產品技術普及，相關的標準規范也在逐步完善。

圖1 兩種背光技術對比

2   MiniLED電視背光技術

1.MiniLED芯片定義

依據中國電子視像行業協會給出的定義：單顆芯片( 不含封裝) 短邊尺寸在100 ~ 300 μm 范圍內的稱為MiniLED芯片。早期行業對MiniLED芯片定義較為模糊，如臺系、韓系各大芯片廠商均有各自的定義標準，普遍認為芯片短邊尺寸在50 ~200 μm 范圍為MiniLED 芯片。按照視像協會給出的明確定義，即短邊尺寸最大不能超過約11.8 mil(300 μm)。

圖2 ncsp封裝1030MiniLED芯片燈板

2.MiniLED主要封裝技術

2.1 ncsp

ncsp 全稱Near Chip Scale Package，整體尺寸稍大于芯片級封裝，MiniLED 燈珠常用封裝有1010、1616 等，燈珠結構包含MiniLED 芯片、支架、BT 玻纖板、蓋板等。如創維Q70 鳴麗屏產品采用了ncsp 封裝技術，為增加LED 發光角，支架可采用半透材料，可實現五面發光，同時頂部增加TiO2 等蓋板材料，提升光擴散性，改善燈顆影等視效不良。

2.2 POB

POB 全稱Package-on-Board，封裝技術同傳統燈珠，其差異為將傳統LED 大芯片變更為MiniLED 小芯片，常用封裝有3030、2835、2016 等。針對小間距視效問題，支架可改良為半透設計，以提升LED 發光角，支架頂部熒光膠可通過凸杯點膠設計進一步打開發光角，提升LED 間距，減少LED 用量。除此之外，也可以考慮采用LENS+POB 方案，實現更大LED 間距。

2.3.COB/COG

全稱Chips on Board/Glass，區別在于將MiniLED 芯片用導電或非導電膠黏附在互連印刷線路板或者玻璃基板上，然后進行引線鍵合實現其電氣連接。相比于POB 技術，COB/COG 技術使用的物料更少，不需要支架、金線等，制程上可少一次回流焊，避免二次回流風險，白油反射率更高。但工藝精度要求更高，同時不良品返工難度相對更高。為提升出光效率和出光角，可采用DBR（distributed Bragg reflector) 結構芯片，由兩種不同折射率的材料以ABAB的方式交替排列組成周期性結構如圖4 所示，每層材料的光學厚度為中心反射波長的1/4，利用這種周期性結構特征，其反射率可達99% 以上。

COB/COG 點膠方式可分為整面封膠、圍壩+ 透明膠、單點封膠。其中單點封膠通過調整凸膠PV 值可進一步提升發光角，提升LED pitch。如蘋果21 年發布Ipad PRO12.9”英寸采用COB 圍壩封膠方式，創維Q72MiniLED 產品采用了COG 技術單點封膠，可實現2000+ 分區，同時優秀的散熱表現可支持峰值亮度達1 500 nits+。

COB 制程相比POB 也更加復雜同時精度要求更高，對比POB 制程需要增加精度更高的固晶機、高像素SPI掃描、氮氣爐回流焊、高像素AOI 檢測、專用點膠機、多溫區烘烤設備、測試返修設備等要求，設備需要重新投資，為保證100% 出貨良率，出貨前還需要進行Vf 和光效測試。因工藝復雜性、設備成本分攤，目前COB 方案較POB、nscp 方案成本更高。

圖3 LENS+POB和POB點凸膠設計

3.MiniLED PCB選型

3.1 鋁基單面板

單面鋁基板是目前背光應用中最常見的PCB 材料，成本較低，一般價格在150 RMB/ ㎡左右，基于COB的方案因工藝要求更高，單價會更貴。鋁基板可制作成MiniLED燈條或燈板形式，通常線寬75 μm 左右，難以實現復雜線路。適用于中低端MiniLED 產品，燈板方案優化布線一般可實現500 分區以下背光方案。燈條方案可采用轉接板方式實現更多分區。

圖4 帶DBR反射的COB MiniLED

3.2 雙面玻纖板

對于有更多分區要求的產品，如中高端上千分區的產品，通常會用到雙面板，以滿足布線、端子及IC 貼片需求。但雙面板單價更貴，一般價格為單面鋁基板3倍左右，是背光綜合成本最高的一種方式。一般百級分區建議通過優化布線、背出端子等方式優先考慮單面板方案，若無法實現再調整為雙面板方案。

圖5 86吋燈板拼板方案對比

3.3 玻璃基PCB

已上市的如創維Q72 MiniLED 產品采用玻璃基COG方案，目前可量產的玻璃基一般基于5 代線進行切割，可支持最大寬幅在1100 mm 左右，單板尺寸相比PCB更大，可減少拼板數量，有利于弱化拼縫mura。如創維86Q70 機型采用16 塊雙面板PCB 拼版，86Q72 僅采用4塊玻璃基COG 拼版。COG 玻璃基方式相比鋁基板或玻纖板平整度更高，抗翹曲≤ 0.05%，布線線寬玻璃基可做到40/30 μm，僅單面板即可實現2 000+ 分區布線。同時玻璃材料FR4 材料散導熱性能可達0.6 ~ 1.2W/mk，是熱性能的3 倍。熱膨脹系數僅（32~99）×10^-7，過回流焊后變形更小。

玻璃基主要制程工藝流程為：真空鍍銅、曝光顯影、蝕刻、脫模、封膠涂層、曝光顯影。相比玻纖雙面板，玻璃基因前期需開光罩作業，前期成本較高，規?；?，綜合成本反而更低。FR4 存在易翹曲變形影響晶片巨量轉移良率，綜合成本更高。

3   MiniLED背光方案

1.分區

多分區是實現寬動態HDR 效果的必要條件，分區越多，背光控光越精細，其實現原理如圖6。實現分區的同時需要SOC 和恒流IC 支持，背光方案開發時需考慮電流電壓是否在IC 規格內。常用主板SOC 如海思811可支持8 000+ 分區、9950 可支持2 000+ 分區。恒流IC 如聚積MBI6328/6329、集創ICND8603 等可支持48CH 帶掃描，iwatt IW7039 可支持32CH 直驅。板載AM 小IC 如顯芯BX7D831、華源智信HY8802 等可支持4CH，主控IC 一般基于恒流IC 廠家配套開發。

同樣分區規格下，搭配不同的液晶面板畫質效果也不同。IPS/ADS面板存在暗場較亮、對比低、容易滲光等特性問題，容易導致光暈比較明顯。VA 面板具有暗場亮度低、高對比度優勢，可有效抑制光暈現象。所以面板選型建議優選VA 面板，若采用IPS/ADS，需增加更多分區數才能達到相同畫質效果?；诔杀竞彤a品定位，MiniLED產品可進一步細分為高中低端，中低端實現方式主要為帶MiniLED 芯片的POB 白光燈條加反射LENS方案，可減少LED和PCB用量節省升本，對應分區主要以百級分區為主，因分區精細度有限和光暈較大實際畫質效果相對有限。中高端MiniLED 產品主要以POB/ncsp燈板或白光燈珠加折射LENS方案，分區數量一般為300-500區， 控光更加精細，光暈相對更小，整體畫質優秀。高端MiniLED產品如創維Q72 系列，采用COG AM方案，可達千級分區，控光精細光暈小，AM 驅動實現無屏閃，但單整體成本和售價較高，性價比較低。開發中可根據不同的定位需求采用對應檔位的MiniLED 方案。

2.OD/pitch值

OD全稱optical distance，一般指PCB 表面到擴散板下表面的距離。Pitch 主要是指相鄰LED的間距，可分為橫向和縱向。根據產品定位，目前采用較多的方案有OD0/3/5/10/18mm，同一背光方案條件下，OD 值越大，相應光暈擴散越大，不利于畫質效果，但OD 加大可提升LED pitch 值，減少LED 用量，有利于成本降低。所以開發中需結合產品定位，同時考量成本和畫質效果，評估最終背光方案。

影響pitch 值除了OD 大小，還受LED 發光角、封裝、光源藍光白光等影響，通過凸杯點膠、DBR 反射結構、封裝調整、增加透鏡等方式可進一步提升提升LED pitch值。通常藍光帶DBR結構COB芯片可實現OD/pitch 1:3，藍光POB 如2016 封裝半透支架可實現OD/pitch 1:2.3，白光POB 一般可實現OD/pitch 1:1.4 左右，可依據OD 和LED pitch 值關系進行初步的燈顆數用量估算。

3.色域

MiniLED 電視色域指標目前主要分為高色域和全色域兩類。高色域主要指采用KSF 熒光粉的白光MiniLED燈珠， 搭配不同玻璃色域范圍一般在NTSC83-90%， 實現方案同傳統非MiniLED 燈珠。全色域主要指采用藍光MiniLED 芯片激發量子點實現NTSC100%+ 色域?？赏ㄟ^量子膜、量子功能板材料實現全色域激發，或采用鈣鈦礦等其他量子點材料實現全色域。需要注意目前COB 方案僅能實現發藍光，無法封裝熒光粉實現發白光，采用COB/COG 技術通常只能搭配量子點材料，一般應用于高端產品，開發中需注意依據產品指標需求進行LED 封裝方案選型。

圖6 MiniLED分區控光原理

4.AM/PM驅動

MiniLED 作為電流驅動型發光器件，驅動方式一般可分為AM（active matrix）和PM（passive matrix），即主動式和被動式發光矩陣。目前市場上MiniLED 設計方案主要采用PM 方式，當分區足夠多時，PM 可能存在布線困難、IC 數量多放置無空間、線材連接復雜、成本過高等問題。AM 通過做小IC 尺寸、更窄線寬布線等方式，可支持更多分區排布，如創維Q72 系列，采用AM 主動式發光矩陣，可支持2 000+ 分區，通過IC 做小，可將IC 直接貼片在LED 燈板同面，小尺寸IC 不影響LED 方案排布。目前行業對AM/PM 方式定義不太統一，部分認為采用玻璃基和板載小IC 方式才叫AM 驅動，采用大IC 及掃描方式為PM 驅動。本文更傾向于直驅方式為AM，掃描方式為PM。直驅可以為板載小IC 如顯芯BX7D831、可以為大IC 如聚積MBI6328，IC位置不限于板載同面、異面或電源恒流端，采用直驅非掃描方式驅動，即可實現高頻不閃，不局限于玻璃基和板載IC。相反采用多掃的方式為PM 驅動，分時分區點亮，高瞬態低頻率，尤其在低灰階下容易導致flicker。

圖7 PM/AM頻閃差異對比

5.RGB MiniLED

采用R/G/B 三色MiniLED 芯片獨立驅動，按照三原色各自不同的電流比例驅動混合成白光。三色獨立發光不需要熒光粉激光，增強了光色純度。相比于量子點方案，RGB 三色方案色域更高，可實現靜態色域NTSC110%+，動態色域NTSC120%+。同時RGB 自發光可依據人眼生理特性進行頻譜適配，用眼更舒適。通過對人眼明暗視覺研究進行SPD 技術配光，可匹配背光和Color filter 的光學特性，兼顧畫質和人眼舒適度。也可利用三色獨立發光的特性，配合軟件實現硬件級可變色溫調光，如暖色的客廳環境，電視通過光感偵測可自動調整RGB 電流分配，將背光調為暖色，提升人眼舒適度。

除了以上優勢RGB 也存在發熱量大、多分區光型分色、透鏡需特殊適配等問題。目前RGB 技術更多量產于非MiniLED產品，市場占比較小，采用MiniLED的背光方案也在開發中。

圖8 RGB MiniLED與SPD明暗視覺

4 MiniLED背光視效調試

1.燈板拼縫

采用燈板方案的MiniLED 背光，尤其是小OD 背光混光不夠充分，燈板之間容易出現橫豎調視效不良，PCB因單板尺寸限制，如86 英寸鋁基或者玻纖需要16塊拼版，采用玻璃基僅需要4 拼版，PCB 基橫豎條現象更加嚴重。燈板之間的拼縫間隙一般控制在0.4 ~ 1 mm，人工組裝一致性很難把控，以OD6 背光為例，縫隙小于0.4 mm，可能表現為亮條mura，縫隙大于0.8 mm，可能表現為暗條mura。通常解決方案為在燈板上貼整面反射片，但成本相對較高，86 英寸整面貼附成本在300元左右。相對便宜的方案為在燈板拼縫處貼附反射條，通過反射條特殊處理，以條代面，減少了膜材用量，可大幅降低反射片成本60%以上，同時作業效率提升。如果工藝控制精準，也可通過治具方式嚴格控制拼縫間隙，取消貼附反射片。

2.四周暗框

無透鏡方案因POB 燈珠發光為朗博體，本體發光角有限，光程較短，到達四周和四角的光能不足，容易出現四邊暗框，開發中需注意邊緣LED排布位置，盡量保證邊緣LED 位置離面板AA 區內縮10 mm 以內。同時需注意采用量子點的背光方案，四周藍光激發不充分，可能出現視效藍框，可通過反射片絲印黃色熒光油墨中和掉多余的藍光能量，校正顏色。

3.DOT、color mura

無透鏡方案因封裝差異、LED pitch 排布、OD 值大小等因素可能導致背光主觀視效出現DOT mura，即燈顆影現象。實際開發中如結構一致性差異可能影響局部OD值變化導致出現燈顆影，LED 排布pitch 較臨界、封裝選用不合理導致混光不充分產生燈影mura。通常解決方案可以減小LED pitch 增加LED 用量，同時選用發光角更大的芯片和封裝。但LED 數量變更同時會帶來如分區數量、電流、電壓等參數的變化，導致電源需要同步變更，不利于高效開發。如下圖通過采用發泡擴散板的方式可以改善燈顆影現象，通過光在擴散板發泡層多次折反射，提升光線橫向擴散性，達到改善燈影的目的，并且不影響背光電性能參數變化。

采用量子膜的小OD 背光方案，由于LED 藍光為朗博光源，通過量子點激發成紅綠光后混光不充分容易產生color mura，視效表現為黃圈mura，可通過在量子膜下方增加一張紅綠反射膜，如東麗的PICASUS.DC，這種膜對藍光具有高透過率，對紅綠光具有高反射率，可將量子膜反射回的紅綠光再次反射，通過多次反射使混光更加均勻，達到改善黃圈mura 的目的。

4.Demura均勻性補償

由于LED 芯片工藝的局限性，實際產出的LED 燈珠波長、電壓、光功率、色點、電子遷移率等存在差異，廠家無法按照完全單一規格產出，一般會通過分光提供多個規格的LED 給到客戶，同時PCB 板過回流焊后發黃程度可能不一致容易出現色差。由于miniled 背光OD較小，且采用陣列式排布，導致燈板之間亮度差、色差問題凸顯，需要進行光學均勻性補償，即Demura。一般亮度mura 可通過專業的成像系統進行光學校正，通過拍照抓取、圖像處理、提取原始數據亮度數據、演算光學補償數據、補償寫入、均勻性評估等步驟提升均勻性，通過校正可減少供應商燈板亮度分BIN，節省人力和物料管控成本，提升物料匹配性。但亮度校正同時會帶來整體亮度降低的問題，一般亮度跨度較大的mura 校正可損失20% 亮度。色度mura 改善需要聯合玻璃廠商通過TCON 算法進行校正。

圖9 發泡型擴散板改善燈影與紅綠反射膜改善黃圈

5 MiniLED顯示性能規范介紹

1.顯示性能指標要求

早期miniled 產品部分顯示指標定義不統一或未作定義，依據2021 年中國電子視像行業協會《Mini LED背光液晶電視技術要求》對相應指標進行了規范，對應測試方法也有所更新。如均勻性指標，由傳統電視背光取1/9 點變更為取1/5 點進行測量計算，同時對光暈、分區等指標進行標準定義，詳細測試方法可參考原規范。本文摘選部分重點需關注顯示性能指標如下：

2.能效方案探討

基于miniled 產品矩陣背光特性，評估LD 功能在能效測試過程中應用，如下圖創維86A63產品能效測試數據，矩陣背光打開可提升能效值1.36（無波動功率）↑ /1.88（波動功率25%）↑，若打開矩陣背光，理論上86A63通過軟件調試即可實現新標一級能效（4.0），需注意積分功率不應超過靜態功率，否則會按照積分功率計算能效，不利于提升能效。

圖10 Demua補償前后對比

6   結論

本文主要介紹了miniled 背光技術中涉及到的封裝選型、背光方案評估、視效調試方式、新規范標準重點指標介紹等，通過多個維度對背光開發方案進行評估，為高效開發提供方案參考。同時對市場中存在的miniled 概念誤區進行解讀，進一步明確miniled相關的顯示標準。

圖11 LD能效測試影響對比

參考文獻：

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（本文來源于《電子產品世界》雜志2022年5月期）