電視機直下式低成本背光系統(tǒng)研究與應用

李圣 鄒文聰 蘭兵 王小培 劉欣 陳偉雄

摘 要：直下式LED背光模組廣泛應用于液晶電視、平板燈、廣告燈箱、警示牌等領域。常規(guī)性能直下式LED背光技術已趨成熟，高效轉換效率光電材料和廣角光學透鏡技術尚未十分成熟，如何進一步提高LED背光源高效光電轉換，實現(xiàn)背光模組同一混光距離透鏡使用數(shù)量進一步減少達到降成本目的，開發(fā)大發(fā)光角度透鏡提高背光模組的亮度均勻性及背光模組可靠性等問題十分關鍵，進行相關方法的研究具有重要意義。

關鍵詞：直下式背光模組；LED；光學透鏡；可靠性

1 開發(fā)背景

近年來LCD產業(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3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產品單燈條背光系統(tǒng)技術開發(fā)閉環(huán)目標。

隨背光技術光學LENS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，產品趨于同質化，產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)的應用可為產品降本提供有力支撐，同時為新一代中低產端為的開發(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線產生產組裝，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。

新型背光系統(tǒng)是行業(yè)內一大技術創(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)產品亮度指標要求及均勻度指標要求。通過前期調研與分析，單燈條背光系統(tǒng)主要難點有兩點：①LED功率達到極限，減燈后無法滿足產品的亮度指標要求；②LENS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，掌握新型高發(fā)光功率LED的關鍵技術，為持續(xù)提升LED光效打下基礎。同時，新型高發(fā)光功率LED可以滿足中低端產品對減燈降本需求，對現(xiàn)階段產品有明顯的成本優(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。

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。

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/結構設計、材料選擇、超精密模具設計/制作、精密成型及量產品質保證等，每個環(huán)節(jié)都直接關系到產品高品質保證，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構，需要尋找行業(yè)光學級超高精模具制造設備，并且要經過反復試驗和測試，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構，達到最佳均勻性的單模塊光源。

材料選擇直接關系到產品注塑成型品質，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，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，由于涉及產能/品質等，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)劃及量產模量產前匹配性驗證等。

2.3 研究解決優(yōu)化實現(xiàn)矩形光斑

目前，在設計旋轉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，雙自由曲面透鏡結構使得光線經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果，模型和仿真結果如圖4所示。結果顯示，LED光源出射的光經透鏡折射在距光源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，與透鏡初始結構仿真結果相比，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。

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35 mm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品競爭力，帶來中低端產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構優(yōu)化設計評估，結合光電技術的簡化設計，可以給結構很大的設計擴展空間，為提升裝柜量有較強指導意義。

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