電視機直下式低成本背光系統(tǒng)研究與應用

1   開發(fā)背景

近年來LCD 產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，液晶顯示領域不斷提出縮減成本的技術方案，各電視機廠的直下式顯示技術（背光方案）差異化也越來越小。隨著LED 的技術發(fā)展，單燈功率得以不斷提升，背光系統(tǒng)也不斷地從減少背光燈珠及膜片使用數(shù)量方向進行成本優(yōu)化，以55英寸OD35 為例，從11×3 燈條減少到現(xiàn)階段的13×2燈條，膜片保持為DOP。經(jīng)統(tǒng)計，現(xiàn)階段的32~55 英寸直下式OD35 基本采用多燈條背光系統(tǒng)，膜片則采用單擴散片或DOP 的方案。從顯示行業(yè)技術發(fā)展角度來看，直下式背光系統(tǒng)的成本優(yōu)化依舊是從減LED 燈和減膜片的方向發(fā)展。燈條成本主要由LED 燈珠、LENS及PCB 三大部分組成，如果僅減少LED 燈數(shù)量則無法降低PCB 的成本，所降低的成本空間有限。因此，我們以減少燈條數(shù)量為方向進行成本優(yōu)化，通過提升單燈功率及新型LENS 的相關技術研究，開發(fā)全新的單燈條直下式背光系統(tǒng)。單燈條背光系統(tǒng)從32、43、55 英寸三個尺寸同時展開，拓展至40 英寸和50 英寸，實現(xiàn)55 英寸以下直下式OD35 產(chǎn)品單燈條背光系統(tǒng)技術開發(fā)閉環(huán)目標。

隨著背光技術光學LENS 的發(fā)展，OD38/OD35 已趨向同背光方案，系統(tǒng)價格相差趨于相同。OD28 背光技術相比OD35，在同一光電參數(shù)及主觀評價標準下，需要比OD35 多LED 和LENS（相同方案折射款LENS 發(fā)光效率明顯優(yōu)于反射款），最終評估結(jié)果為OD35 價格優(yōu)勢明顯。目前行業(yè)所使用LED 燈珠為EMC3030 小芯片燈珠，驅(qū)動電流在600 mA 左右，但韓系品牌已在大功率芯片在持續(xù)研發(fā)創(chuàng)新并產(chǎn)品化，特別是在新材料、新工藝等技術上有明顯提升，其可靠性對比也有明顯改善，以下表格為搜集背光系統(tǒng)光電方案。

在中低端市場中，產(chǎn)品趨于同質(zhì)化，產(chǎn)品價格是各廠商競爭的主要手段，未來中低端市場的競爭方向仍是價格的競爭。新型背光系統(tǒng)的應用可為產(chǎn)品降本提供有力支撐，同時為新一代中低產(chǎn)端為的開發(fā)提供技術降本支持。新型背光系統(tǒng)的應用有效實現(xiàn)燈條物料的減少，便于供應鏈物料管理及產(chǎn)線產(chǎn)生產(chǎn)組裝，提升系統(tǒng)效率。新型背光系統(tǒng)以單燈條為目標，相對現(xiàn)階段產(chǎn)品減少了PCB、燈珠及LENS 的用量，有效降低背光模組的物料和生產(chǎn)成本，實現(xiàn)節(jié)能減排、綠色照明的設計理念。新型背光系統(tǒng)可以滿足背板收邊極致設計，實現(xiàn)視效薄型化的效果（圖1），可應用于新一代中低端產(chǎn)品設計中，帶來造型的變化。與此同時，單燈條背光系統(tǒng)對外銷產(chǎn)品的裝柜量也有相應的提升，背板的緩邊設計可將機芯/ 電源板下降一定距離，實現(xiàn)整機厚度減少。

圖1 新型背光系統(tǒng)背板示意圖

新型背光系統(tǒng)是行業(yè)內(nèi)一大技術創(chuàng)新，突破目前市場上液晶顯示背光領域技術?，F(xiàn)階段32 英寸電視機OD35 的背光系統(tǒng)基本使用6×2 兩燈條方案，通過LENS 的擴散實現(xiàn)產(chǎn)品亮度指標要求及均勻度指標要求。通過前期調(diào)研與分析，單燈條背光系統(tǒng)主要難點有兩點：① LED 功率達到極限，減燈后無法滿足產(chǎn)品的亮度指標要求；② LENS 在減燈后無法解決背光的視效不均問題。

新型背光系統(tǒng)預研重點研究LED 發(fā)光功率的提升及新型LENS 均勻性的提升。在LED 發(fā)光功率提升方向上，與LED/ 芯片廠商聯(lián)合開展相關技術研究，開發(fā)新型高發(fā)光功率的LED，通過與上游廠商的開發(fā)合作，LED 光效打下基礎。同時，新型高發(fā)光功率LED 可以滿足中低端產(chǎn)品對減燈降本需求，對現(xiàn)階段產(chǎn)品有明顯的成本優(yōu)化優(yōu)勢。在新 型LENS 開發(fā)上，通過光學模擬以及試驗模具驗證，配合優(yōu)化后的LED 解決單燈條的視效均勻性問題，實現(xiàn)單燈條背光系統(tǒng)的開發(fā)。

單燈條背光系統(tǒng)從物料上減少LED 數(shù)量及PCB 使用面積, 在綠色環(huán)保方面作出重要貢獻。同時單燈條背光系統(tǒng)從成本及造型方面有效提升我司中低端產(chǎn)品的競爭力。通過此預研項目，團隊可以掌握高發(fā)光功率LED的關鍵技術及新型LENS 設計開發(fā)技術，對公司未來產(chǎn)品設計提升有力保障。

2   研究事項

2.1 新型倒裝大功率LED背光源的光熱性能研究

散熱有3 種方式：對流散熱、輻射散熱和傳導散熱。本次研究的直下式LED 背光模組中的 LED 封裝體被固定在透鏡和 PCB 板之間，幾乎不存在對流散熱，其主要的散熱途徑是傳導散熱和輻射散熱。對SMC LED 封裝體，芯片產(chǎn)生的熱量除了少量通過熒光粉層向外輻射以外，向下層基板傳導是其最主要的散熱途徑。因此，主要研究對比考慮熱傳導方面的影響。

正裝LED芯片

倒裝LED芯片

圖2 LED對比熱分布圖

從LED 對比熱分布圖可以看出，倒裝LED 芯片的熱分布明顯優(yōu)于正裝LED 芯片，兩種不同封裝工藝光熱特性對比如圖3。

圖3 兩種不同封裝工藝光熱特性對比

2.2 新型大角度光學LENS方案設計及試驗模樣品驗證及確認

2.2.1 LENS設計及實驗模樣品驗證

光學透鏡涉及到光源選擇、光學透鏡光學/ 結(jié)構設計、材料選擇、超精密模具設計/ 制作、精密成型及量產(chǎn)品質(zhì)保證等，每個環(huán)節(jié)都直接關系到產(chǎn)品高品質(zhì)保證，并且需要反復的測試和修改。

2.2.2 光學透鏡設計及制造

在光學透鏡設計方面，需要通過光學仿真模擬，實現(xiàn)LED 點光源到均勻面光源，由于是短光距，要使入光面接收到大量可利用光源，需要做不同的菲尼爾特征，由于該特征都是微結(jié)構，需要尋找行業(yè)光學級超高精模具制造設備，并且要經(jīng)過反復試驗和測試，才能實現(xiàn)最佳效果。由于是短光距，要實現(xiàn)大角度，在出光面上也要加不同的光學微結(jié)構, 達到最佳均勻性的單模塊光源。材料選擇直接關系到產(chǎn)品注塑成型品質(zhì)，通過不同品牌、不同光學等級及牌號，測試光學透鏡出光品質(zhì)，為了使均勻性增加，通過反復測試和比對，最終確認材料型號。

重點研究模具制作，由于涉及產(chǎn)能/ 品質(zhì)等，主要針對設計方的圖紙，進行開模圖紙評估與改進，比如出模角度、分型面的設置、水口/ 穴數(shù)的安排、穴號位置、可容許偏差值、工藝圓角、包裝及上料方式、方向識別等等。

后期將配套透鏡量產(chǎn)性綜合評估，包括模具設計與制作、包裝的設計與制作、注塑機噸位、工藝制程的配套與規(guī)劃及量產(chǎn)模量產(chǎn)前匹配性驗證等。

圖4 新型大角度光學LENS方案設計及試驗模樣品

2.3 研究解決優(yōu)化實現(xiàn)矩形光斑

目前，在設計旋轉(zhuǎn)對稱的大角度直下式 LED 透鏡時，為了提高接收區(qū)域的照度均勻度，雙自由曲面設計方法常常被采用，這種設計方法可以避開全反射的抑制和減少菲涅爾損耗，雙自由曲面透鏡結(jié)構使得光線經(jīng)過兩次折射到達接收目標面。

一個較好的接收面光斑仿真結(jié)果，模型和仿真結(jié)果如圖4 所示。結(jié)果顯示，LED 光源出射的光經(jīng)透鏡折射在距光源35 mm 的目標接收面上形成了230 mm×230 mm 左右的均勻矩形光斑，與透鏡初始結(jié)構仿真結(jié)果相比，有比較明顯的提升。

上述方法實現(xiàn)矩形均勻光斑透鏡的設計與優(yōu)化，從光形通過透鏡整形前后的空間強度分布關系入手，以多組曲線對應旋轉(zhuǎn)對稱透鏡在接收面上形成照度均勻的圓形光斑為優(yōu)化目標，將傳統(tǒng)設計方法對面型上離散點優(yōu)化轉(zhuǎn)化為對多組擬合曲線的優(yōu)化，在一定程度上克服了傳統(tǒng)方法由于面型離散點數(shù)量龐大而難于優(yōu)化的問題。

圖5 反射紙極限收邊角度

2.4 研究整機造減薄設計方案

進過背光光電參數(shù)設計及樣機實裝，評估出反射紙極限收邊角度，如下：

通過收邊角度，各尺寸背板設計起邊尺寸如表2：

3   可行性評估驗證

1）基于Ansys 軟件的熱分析和實際可靠性試驗，對雙晶和倒裝單晶封裝形式封裝的背光光源SMC3030進行穩(wěn)態(tài)熱分析和測試，通過兩者分析結(jié)果的比較，發(fā)現(xiàn)倒裝大晶片LED 較正裝雙晶具有更好的熱學性能。

2）基于同模組不同光源對比，研究倒裝大晶片封裝形式背光光源的晶隙對燈珠熱學性能的影響，發(fā)現(xiàn)大晶片倒裝封裝形式的3030 背光光源可以通過控制焊錫空洞率得到器件的熱阻最小值。

3）基于Lightools 光學設計軟件的熒光粉模擬仿真模塊，對倒裝芯片和正裝雙晶封裝形式 SMC3030 燈珠的色溫進行模擬仿真分析，探討在相同色溫條件下，雙晶燈珠的熒光粉特性參數(shù)的變化規(guī)律。模擬結(jié)果顯示，要想獲得與倒裝大晶片LED 光源相同的色溫，倒裝 LED 光源需要增加熒光粉的粒徑或者提高熒光粉的密度。

4）基于Lightools 光學設計軟件的熒光粉模擬仿真模塊，研究大晶片倒裝封裝形式SMC3030 背光光源的晶隙對燈珠出光量的影響，倒裝封裝形式的LED 燈珠可以通過控制晶隙得到器件的光通量最大值。

5）基于非成像邊緣光線理論和自由曲面的剪切法設計原理，采用Zemax Optic Studio 光學設計軟件及其優(yōu)化模塊Visual Optimizer 設計并優(yōu)化出一款混光距離為35mm 的反射式背光透鏡；基于九點測試法，采用面式成像色度計對該透鏡應用于55 英寸直下式LED 液晶背光模組時的情形進行測試，測試結(jié)果基本滿足背光模組對光學性能的主要要求。

6）基于Zemax Optic Studio 光學設計軟件及其優(yōu)化模塊Visual Optimizer，設計實現(xiàn)均勻矩形光斑的背光透鏡，從光形通過透鏡整形前后的空間強度分布關系入手，以多組曲線對應旋轉(zhuǎn)對稱透鏡在接收面上形成照度均勻的圓形光斑為優(yōu)化目標，將傳統(tǒng)設計方法需要對面型上離散點優(yōu)化轉(zhuǎn)化為對多組擬合曲線的優(yōu)化，在一定程度上克服了傳統(tǒng)方法由于面型離散點數(shù)量龐大而難于優(yōu)化的問題。

4   結(jié)束語

32、43、55 英寸率先使用新型背光技術，屬行業(yè)首創(chuàng)實現(xiàn)低成本背光方案，可將該技術在中低端產(chǎn)品落地。其背光參數(shù)及性能可達現(xiàn)多燈條方案水準，并且同比價格彈性空間大。該技術很好迎合TV 系列直下式背光源技術降本優(yōu)勢，提升公司品牌信譽度和產(chǎn)品競爭力，帶來中低端產(chǎn)品的利潤增長并引領行業(yè)的發(fā)展趨勢。

隨著公司業(yè)務海外品牌擴充和ODM 業(yè)務量增加，物流成本是重點成本考量因素，需要全面對整機及模組結(jié)構優(yōu)化設計評估，結(jié)合光電技術的簡化設計，可以給結(jié)構很大的設計擴展空間，為提升裝柜量有較強指導意義。

參考文獻：

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[4] 宋繼東.基于自由曲面的大功率LED照明配光設計[D].杭州:浙江大學,2010.

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年2月期）