小間距LED-TV的機遇、挑戰及對策
——論小間距LED-TV走入家庭之艱辛路程

2017-03-08 01:23:15程德詩孫富華

智能建筑電氣技術 2017年6期

程德詩 / 孫富華

(上海三思科技發展有限公司，上海 201199)

0 概述

近年來，小間距LED-TV發展勢頭較猛，但細究之下發現，其技術仍有待完善、成本仍居高不下，且輿情營銷與公眾需求的互動過少。筆者作為業內人士對小間距LED-TV的發展有一些自己的理解。現簡要敘述下。

1 技術探索

基于LED顯示像素顆粒大、亮色均勻性差、色彩失真重、填充因子低、光品質劣、灰度層次淺、可靠性弱、電磁兼容性低下等現象積弱難返，實現“LED-TV走入家庭”尚不可能。因此，將這些技術困難逐一攻破，依然任重而道遠。

1.1 關于電磁兼容(EMC)

EMC包括EMI(電磁騷擾)和EMS(抗電磁騷擾)。EMC定義為:設備或系統在其電磁環境中能正常工作且不對該環境中任何設備的任何事物構成不能承受的電磁騷擾的能力。

LED-TV作為一種家用電器，在國家標準和國家強制性認證中，其輻射騷擾場強限值、輻射騷擾功率限值、電源端子騷擾電壓限值及各類信號端口的傳導共模騷擾電壓電平限值等，均等同于信息技術設備類國標GB 9254-2008《信息技術設備的無線電騷擾限值和測量方法》中CLASS-B級。

近年來，業內一些優秀企業已在此項研究上取得成果，單個顯示箱體電磁兼容性能已真實達到CLASS-B級。然而，家用電視須將LED-TV作為一個整機看待，故其中的單個箱體達到CLASS-B級并不等同于整機就能達到CLASS-B級。作為家用電器的強制性認證，萬萬不可有蒙混過關的念頭。

1.2 關于“毛毛蟲”現象

“毛毛蟲”現象是業內對由一顆LED故障導致相鄰一串LED失效情況的一種俗稱，其產生的原因有多種。這其中由單顆三合一LED內部短路而造成的“毛毛蟲”現象，當下業內尚未找到徹底解決的辦法。

小間距LED-TV采用的是體積極小Molding工藝封裝的表貼三合一LED，常用的有三種規格：1)1010：外形尺寸1.0mm×1.0mm×0.65mm=0.65mm3；2)0808：外形尺寸0.8mm×0.8mm×0.6mm=0.384mm3；3)0606：外形尺寸0.6mm×0.6mm×0.5mm=0.18mm3。封裝空間中堆積了眾多的金屬導電材料：1)紅、綠、藍3顆LED芯片，每顆芯片都包含了正、負2個金屬電極；2)用于固晶的紅、綠、藍3個芯片的金屬支架,通常由銅材沉金制成；3)4個輸出電極觸點，通常由銅材沉金制成；4)將芯片和支架粘結的導電銀膠；5)5根連接紅、綠、藍芯片電極與4個輸出電極觸點的金屬鍵合導線，通常采用純金線或銅線制成；6)5根金屬導線的10個端頭，共10個金屬焊球。

上述眾多的金屬導電材料堆積在非常狹小的空間(0.18mm3～0.65mm3)中，其中部分材料在金屬元素的活動性序列中并非處于最穩定段，當LED處于高溫或高濕環境中，濕氣滲透到內部，部分金屬材料發生氧化反應或水解，并游離出金屬離子，這些金屬離子在一定的電場作用下易產生遷移現象。由此內部發生短路現象也就在所難免，這中間尤以銀膠過高形成紅綠(或紅藍)負極短路現象為主。一塊普通的2K-LED電視屏具有207萬像素，假設三合一LED內部短路率只有微乎其微的百萬分之一，那么這塊電視屏就會出現兩條“毛毛蟲”。

綜上分析發現，“毛毛蟲”現象產生的根源是在LED狹小空間內堆積了大量的金屬導電材料。假如能夠從芯片、封裝上游著手，大量減少LED內部金屬導電材料的使用(尤其是摒棄銀膠的使用)，或能從根本上消除“毛毛蟲”產生的機理，可喜的是，業內有識之士早已著手進行眾多新材料、新工藝的研究探索。在眾多技術路線中，筆者認為有三個探索方向值得關注。

1)方向一

紅、綠、藍均采用水平結構的雙電極芯片，繼而固晶時全部采用絕緣膠作為粘合劑，徹底杜絕銀膠的使用，從而最大限度地消除“毛毛蟲”產生的主因。此方案帶來的缺點是鍵合線從5根增加至6根，原本狹小的空間打線更顯局促，而優點是徹底摒棄了導電銀膠的使用，并且技術方案切實可行。

2)方向二

紅、綠、藍采用如圖1所示的倒裝LED芯片。此方案可大大減少LED內部金屬導電材料的使用，包括導電銀膠、5根金線(或銅線)、10個金屬焊球。內部大量金屬導電材料的減少，特別是銀膠的棄用，可以說是清除了“毛毛蟲”現象產生的機理，并且因為鍵合線的摒棄，根治了以往A、B、C、D、E五個點斷線點及金球脫落等痼疾，同時LED的外形尺寸也可以相應做得更小，也即LED-TV的像素密度可以做得更高，甚至有朝一日4K-LED-TV可以走入家庭。

圖1 LED芯片倒裝結構

3)方向三

“倒裝芯片+覆晶焊”工藝一旦在顯示領域成熟應用，則為LED顯示面陣進入“倒裝+CSP+COB”的融合帶來了無限的可能。

1.3 關于色彩還原

LED具有眾多的技術優勢，其中之一就是紅、綠、藍三基色的色純度較高，構成更寬的色域范圍，由此構成的LED-TV其色域范圍可高達NTSC色域范圍的120%以上。因此LED顯示在需要奪人眼球的傳媒界應用廣泛。而LED-TV走入家庭不僅需要高色純度(即寬色域)，更需要逼真的色彩還原。表1給出了國家廣播電影電視總局頒布的標準GY/T 155-2008《高清晰度電視節目制作及交換用視頻參數值》與LED色度性能的對比，從中可以看出造成LED-TV色彩還原性低，尤其是人的膚色失真(偏紅)的緣由。圖2所示為波長差人眼敏感度閾值圖。

表1 GY/T 155-2008與LED色度性能的對比表

圖2 波長差人眼敏感度閾值圖

從表1和圖2可知：1)LED三基色與GY/T155-2008三基色在波長、色純度均存在明顯偏差；2)以GY/T 155-2008三基色波長為參照，根據圖2對波長差人眼敏感度進行分析，主波長為612nm的紅色波長差人眼敏感度閾值只有1nm左右(敏感度最高)，主波長為548nm的綠色波長差人眼敏感度閾值約為2nm(敏感度次之)，主波長為465nm的藍色波長差人眼敏感度閾值達到2.7nm左右(敏感度最低)；3)造成LED-TV色彩失真的主因是紅色LED和綠色LED，雖然通過色空間變換技術可以修正紅、綠色LED的主波長偏差，但是修正主波長偏差之后LED寬色域范圍的優勢變成了劣勢，而低灰圖像的色彩失真依舊存在，并且圖像常常呈現灰蒙蒙之狀。如果再對LED波長一致性進行校正，那帶來的色域損失將是無法接受的；4)紅、藍LED色純度均高于GY/T 155-2008，但紅、藍高出的幅度卻不一致，紅色高出6%左右，藍色高出3.6%左右，而綠色LED色純度卻略低于GY/T 155-2008。這也是無法在LED全色域范圍內尤其是在人眼敏感度最高的人體膚色區域內保持良好的色彩還原的原因之一。

雖然上述問題確實存在，但并非不可解決，真正的LED-TV所用的LED應該是按照GY/T 155-2008標準中要求的紅、綠、藍三基色進行調整配色，具體可分成三層境界進行實踐。

1)主波長匹配

紅色LED主波長匹配為612nm左右，綠色LED主波長匹配為548nm左右，藍色LED主波長匹配為465nm左右。按此配置要求，InGaAlP半導體發光材料支持紅、橙、黃波長段的發光，因此612nm的紅色LED技術上無障礙；而InGaN半導體發光材料理論上支持從紫外到紅色的發光波段，因而465nm的藍色LED及548nm的綠色LED也非難事，只是綠色LED在波長大幅度長移之后外延材料的內量子效率會略有下降(這對室內小間距LED-TV完全不是問題)。同時還可以結合數字顯示技術中的色空間變換技術來對紅綠藍三基色的主波長進行適度微調整。

2)三基色色純度更高

在實現了“主波長匹配”之后發現：如果以犧牲色純度(又可表述為色域范圍)來實現“主波長匹配”得不償失。可以考慮從上游芯片材料著手，或者通過多基色配色技術來全面實現紅綠藍“主波長匹配”和“色純度更高”。

3)三基色色純度均衡提升

除匹配波長、提高色純度外，還需要均衡三基色色純度的提升率。故須上游從外延材料著手、中游從封裝著手(多基色封裝)、下游從色空間變換著手，努力實現在三基色主波長匹配的情況下色純度的均衡提升(圖3)。