LED全彩显示屏配光解决方案.docx
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LED全彩显示屏配光解决方案
LED全彩显示屏配光解决方案
摘要:
本文主要介绍了LED全彩显示屏的全套配光方案,包括投产晶片的K-factor管理、封装工艺的控制、白平衡的调节以及LED光学Lens的设计,代表着业界先进的配光解决理念.
关键词:
LED显示屏,白平衡,光学Lens设计
中国大陆的LED显示屏产业最早起步于1987年前后,经过十来年的共同发展,现已初具规模.目前,LED显示屏的生产厂家越来越多,其中不乏一些优秀的企业,他们共同繁荣了这个新兴的高科技产业.二十一世纪是个平板显示的时代,LED显示屏作为平板显示的主流产品之一,也必将会有更大的前景.
LED显示屏是一种由计算机技术、信息处理技术、电子技术、光学及色度学等高新技术相结合的电子显示器,一般地说,LED显示屏又分为单色屏,双色屏及全彩屏.所谓单色屏,顾名思义,显示器是由单一的某种颜色的LED组成.把红色和绿色LED作为一个像素的显示屏叫双色屏或彩色屏.把红、绿、兰三种LED放在一起作为一个像素的显示屏叫三色屏或全彩屏.伴随绿色晶片亮度不断地提升,全彩屏正以一种前所未有的速度在普及和推广.特别是北京申奥的成功,它提出"绿色奥运"的号召,使得LED全彩屏的市场前景更为诱人.
LED全彩屏又分为室内屏（Indoor）和户外屏（Outdoor）,我们先介绍几个全彩屏的常用术语.点（Pixel）:
像素点的简称,一般由R/G/B三种颜色的LED组成.按组成的方式不同,又分为1R/1G/1B、2R/1G/1B、2R/2G/1B等不同的组合方式,它是全彩屏的基本成像单位.
点间距（Pitch）:
显示屏各像素的中心点之间的距离,一般用mm表示,它决定了一个全彩屏的像素数量.灰度等级（GrayScale）:
显示屏亮度调节的精细度就叫做显示屏的灰度等级,一般地说,灰度等级越高,显示颜色就越丰富.LED改变颜色的驱动方式一般有两种,一种是改变LED的电流.一般来说,LED的工作电流最好设定在20mA以下,以保证LED的抗衰减性.另外一种是利用人眼的视觉惰性,用脉冲调制来实现灰度控制.人对像素平均亮度的感觉可取决于它的衰/灭（占空比）,即周期性地改变占空比,只要这个周期足够短,人眼就感觉不出它的衰/灭.
一般地说,室内屏的点间距（Pitch）为2-12mm,其中2-8mm的室内屏一般使用TOP型的贴片方式或现在发展起来的亚表贴方式.户外屏的点间距（Pitch）为14-26mm,以现在绿色LED亮度水平,Pitch为20mm的显示屏是其中最主流的产品.国内的显示屏制造商,经过这十几年的发展,进步非常快,但和欧美日等发达国家相比,还是有一定的差距,特别是其中最主要的显示器件LED的封装工艺及设计水平,还是有很多不足之处.深圳雷曼光电科技有限公司作为中国光学光电子行业协会LED显示屏分会的成员之一,长期专注于显示屏用LED的配光研究,公司汇集了一批长期致力于LED研究的精英,投入大量设备及人力对国外领先同行的产品进行深入研究,并结合自身的特点,总结出一套LED配光、配色的解决方法,现与大家分享,以共同提高各LED封装厂的工艺和配光水平,为中国LED全彩显示屏的技术提升尽一份自己的责任.LED配光方法是一整套技术,它包括投产晶片的K-factor管理、封装工艺的控制、白平衡的调配及LEDLens的光学设计等等.现分别陈述如下:
一、晶片的K-factor管理雷曼光电对每一批量产产品的晶片都进行了严格地控制.我们为每一产品都建立了自己的档案,从这份档案中我们可以清楚知道某一生产令的投产晶片资料,而且会把所有的分级数据存档分析,这样我们就有了公司所有产品的K-factor明细,从而也从源头开始就把产品列入控制,我们就能根据客户的具体需求,精确地计算出我们所需要晶片的规格.特别是生产全彩显示屏用的产品,我们对晶片的控制特别严格,不仅仅是达到客户的亮度要求就够了,我们要站在客户的角度上,实实在在地为他们解决白平衡调节中所遇到的困难,除了要达到客户的波长要求和亮度要求外,以下两点细节要特别引起注意,一是成品的亮度要成正态分布,不能出现亮度不连续的现象,对波长的要求也一样,而且要特别注意晶片投料时一定要把所投晶片的波长平均值明细以及每板晶片的数量列出,要在电脑上进行分析,也可以作一个直方图,以明确晶片的波长分布是否成正态分布.如果以上细节不注意,显示屏制造商在调白平衡时,由于LED的亮度和波长不成正态分布,调整起来就特别不容易.
二、封装工艺的控制全彩显示屏用LED的封装工艺有自己的特点.我们首先要做的是控制原物料,因为户外全彩屏的使用环境恶劣,不是长期在高温下工作就是长期在低温下工作,而且长期受雨水的腐蚀,如LED的信赖度不是很好,很容易出现瞎点的现象,所以我们很注意对原物料品质的控制.公司有一整套物料检查的先进设备,可以帮助我们严格地控制原物料.我们全彩屏LED产品上,都是使用具有高导热、导电性能的优质铜支架,这样可以大大地降低LED的热阻.另外,我们对支架的镀层也作了特别规定,以保证我们的品质需求.为了提高成品的亮度,我们还对支架碗杯作了亚光处理.在环氧树脂的选择上,我们针对显示屏的工作特点,特别选用了能够抗UV的高Tg胶水.在烘烤工艺上,我们使用的是缓冷缓热的烘烤工艺,这种烘烤工艺经我们大量的实验,可以提高胶水的Tg点,而且最为关键的是它可以有效地降低胶水的内应力,这就大大地提高了产品的信赖性.
三、白平衡设计我们根据客户的需求,总结出一套自己的计算方式.客户只要将你所需要的亮度和显示屏的点间距告诉我们,我们就可以全方位地为客户服务,为客户的显示屏作一个完美的配光方案.为方便下面的介绍,我先介绍几个术语及定义.白平衡:
将三种颜色调配到一种设想的白色的过程.调配可分两个内容:
颜色和亮度.
1:
设定固定条件:
温度、电压、选用电源线.
2:
设定颜色目标及范围（公差）,一般是指目标颜色的X,Y值.
3:
进行白色亮度调节.混合色的总亮度等于组成混合色的各种颜色的亮度总合称为亮度相加定律.颜色外观相同的光,不管它们的光谱成份是否一样,在颜色混合中具有相同的效果,就是说,凡是在视觉上相同的颜色都是等效的,由此定律可导出颜色的代替律.颜色匹配方程若以（C）代表被匹配颜色的单位,（R）（G）（B）代表产生混合色的红、绿、蓝三原色的单位,R、G、B、C分别代表红、绿、蓝和被匹配颜色的数量,当达到匹配时:
C（C）≡R（R）≡G（G）≡B（B）
≡表示视觉上相等,R、G、B为代表量,可以为负值.
请参看下图:
我们先介绍一个重心定律给大家,图中B为颜色1,G为颜色2,R为颜色3,C为G+R的混合色,W为B+C的混合色,这其实就是一个白平衡的示意图,我们可以把C作为绿色和红色的混合色,从图中可以看出,它大约位于黄色的区域,C再和蓝色混合,它可以通过我们的白色区间,是可以混出白光的.其中B=X1+Y1+Z1C=X2+Y2+Z2
X1、Y1、Z1;X2、Y2、Z2为蓝光和混合色C的三刺激值.重心定律就是:
CM/BM=B/C=（X1+Y1+Z1）/（X2+Y2+Z2）
也就是CM的距离与C成反比,即混合色中C所占的比重越大,CM的距离越短,这就和白灯制作时大家的经验一样,荧光粉的量越多,光色越偏黄（即CM越短）.下面给大家介绍我们的计算方法:
1.首先要将面光源转为点光源,得出W点的亮度值,我们知道面光源的单位是Nit,即cd/m2,而我们LED的亮度是mcd,我们注意将单位转mcd.用显示屏的总亮度除以每平方米的点数即可.
2.寻找R、G两种颜色配色后的座标（已知R、G、B、W四点座标计算BW直线的延长线的交点可得出C点座标）.
3.根据重心定律可计算出C点的IV值（已知W点的IV值）.
4.根据补色原理,可以得出B、G、R的IV值.
5.根据所需的IV值计算所需用的电流值（前提是已知20mA的IV值,且近似认为IV与电流成正比）.说明:
1.该方法可计算R/G/B各需要的LED数.
2.可近似的计算在使用过程中R/G/B所需要的电流值,这里的电流只能是近似值,有以下原因:
①IV与电流不一定完全成正比关系.
②所知道的LED的IV、WD为一平均值.故在调白平衡时,还要根据实际情况,略作调整,不能完全照此数值来进行调节.也许你认为上述方法过于专业和繁琐,那我们还有一种比较简便的方法供你参考,为解说方便,我们以举例的方式来介绍.我们知道,混合一种白光的R/G/B大致比例为3:
6:
1,我们根据这个知识就很方便地计算出每种颜色LED所需的亮度值.比如有一客户需要一块Pitch为16mm,亮度为5000Nit的户外全彩屏,那么我们应该怎样来计算我们的LED每种颜色到底需要多高亮度.1.先计算每一平方米的Pixel数量=1m2/（16mmX16mmX10-6）=3906pcs/m2
2.每一Pixel的亮度=5000Nit/3906pcs/m2=1.28cd/m2
3.如果像素组成方式为1:
1:
1时,则可按以下方法计算
Red=1.28X30%X1000=384mcd
Green=1.28X60%X1000=768mcd
Blue=1.28X10%X1000=128mcd
这样我们很快就知道了答案,很方便是吗?
但以上计算方法只能很粗略地计算,而且有一点要特别注意,由于LED装上屏后,要封上一层黑胶,这会降低LED的亮度,再加上各种不同的LED在老化后都有不同程度的衰减,根据我们多年的经验,为使显示屏达到在阳光下图像清晰所必需的5000Nit,最好将设计值提高30%,即为6500Nit比较安全.四、Lens的光学设计LED是一个十分精密的光学系统,碗杯、晶片和Lens的搭配要十分得当才是一个好的光学设计.一般地说,我们原来大部份封装厂都没有很重视这一点,这也是我们的显示屏技术赶不上欧美等发达国家的一个很重要的原因.我们经过大量的分析,发现红色晶片和双垫极的绿、蓝色晶片,在晶片的材质、各结构层的厚薄、折射率以及它们裸晶光斑都有很大的差异,且它们的物理尺寸也相差太大,要想使R/G/B三种颜色的LED亮度变化在左右各90度的范围内保持高度一致,须使用不同的光学Lens.
雷曼光电公司投入力量研制出了两幅光学Lens（模条）,一幅为红色晶片专用,另一幅为绿、蓝色专用.这样我们就成功地解决了这个多年的难题.下面我们将雷曼光电LED的R/G/B三色配光图与市面常见LED的R/G/B三色配光图作一比较,以便大家更明确.上两幅图是使用雷曼光电自行研制光学透镜的LED产品的配光效果,分别为水平和垂直方向的亮度、角度变化曲线.下两幅图是目前市面常见LED产品的配光效果.从图中可以看出,市面LED产品在50度角度左右可能会偏红,要调整到比较理想的效果比较困难.雷曼光电自行研制的产品考虑到了客户的这种需求,在左右90度范围内的红绿蓝三种颜色的配光曲线平滑,一致性好,达到理想水平,这就为显示屏的白平衡调节提供了强有力的支持.以上是雷曼光电在LED封装及配光、配色方面的一些经验,借此机会与大家分享.愿我们与各LED显示屏企业共同齐心协力,为提高我国LED显示屏的整体技术水平而共同努力.
关于提高LED功率的若干问题的讨论
——LED器件的温升效应及其对策
文章较详尽地阐述了结温升高对LED光输出强度、LEDP-N结的正向电压及发光颜色的影响.指出当结温升高时,输出光强变弱,正向电压减小,发光波长发生红移.在结温升得足够高时,这些变化将从可逆变为不可恢复的永久性衰变.文章进一步指出,LED输入功率是器件热效应的唯一来源,设法提高器件的电光转换效率及提高器件的散热能力是减小LED温升效应的主要途径.
一、引言
众所周知,LED是一种电发光器件,其基本的物理过程是电能向光能的转变.所谓提高LED的功率,即是提高电输入能量,同时又能获得尽可能大的光功率输出.通常将单位输入功率所产生的光能（光通量）谓之光电转换功率,简称光效.早期的LED由于光效很低（-0.1lm/w）,亮度很低,通常只用于表示亮、暗的状态,作指示灯之用.上世纪九十年代初,超高亮四元系LED的出现,使器件亮度有了数量级的增长,特别是紧接着的GaN基蓝、绿光及白光LED的出现,使LED的应用方向发生了巨大的改变.固态照明已成为21世纪人类追求的重要目标.显然,不断地提高LED的输入功率与发光效率是实现通用照明的必由之路.假设LED的光效为100lm/w,那么要达到一只40支光（瓦）的白炽灯所发出的600lm的光通量,LED的输入功率必须达到6w.然而,目前一只Φ5的标准LED的输入功率通常为0.04~0.07w,远不能满足实用照明的需要.大量实践表明,LED不能加大输入功率的基本原因,是由于LED在工作过程中会放出大量的热,使管芯结温迅速上升,输入功率越高,发热效应越大.温度的升高将导致器件性能的变化与衰减,甚至失效.本文就功率器件中的升温效应对性能的影响及其如何减小这种升温效应的途径作一些简明的讨论.
二、LED器件温升估计
设芯片面积为1.2×1.2mm2,厚度为200um,GaAs衬底.由于外延层很薄,忽略外延层材料与衬底之间的差异,不考虑电极的影响,那么芯片的体积约为2.88×10×4cm3.GaAs晶体的比重为5.318（克/cm3）,故芯片重量约为15.3×10-4克.设器件的工作电流为100mA,如其中约90%的电功率转变为热,那么在不考虑芯片向周围环境散热的条件下,器件在接通电流20分钟后,计算得芯片的温度可达到5×105˚C,计算中使用的GaAs晶体比热数据为0.33焦耳/克•度.可见其温升效应的严重性.这里只是把芯片作为一个均匀的发热体加以考虑,如考虑到结处温升的集中效应,情况将更加严重.庆幸的是,在芯片的升温过程中,芯片不可能处于绝热状态,而总是以某种方式与其周围的介质或环境进行着热交换,最终达到热平衡,使芯片的温度维持在一个较低的水准上.
三、结温对LED性能的影响
1、结温对LED光输出的影响
实验指出,发红、黄光的InGaAlPLED与发蓝、绿光的InGaNLED,其光输出强度均明显依赖于器件的结温.也就是说,当LED的结温升高时,器件的输出光强度将逐渐减小;而当结温下降时,光输出强度将增大,一般情况下,这种变化是可逆与可恢复的,当温度回到原来的值,光强也会回复到原来的状态.图1（a）指出了InGaAlPLED的光输出相对量随温度的变化,这里以25˚C作为器件性能的基准点.由图可知,InGaAlP橙色的LED比红色的LED具有更高的温度灵敏度.当结温升至100˚C时,琥珀色器件的输出通量降去了75%.图1（b）是InGaAlPLED的另一组光输出的温度数据,设25˚C时LED的值为100,那么当结温升至100˚C时,640nm、620nm与590nm的InGaAlPLED的光输出分别为原始值的42%、30%与20%.
结温对光输出影响的数学表达式如式
（1）所示:
ΦV（T2）=ΦV（T1）e-kΔT
（1）
其中,ΦV（T2）表示结温T2的光通量输出;ΦV（T1）表示结温T1的光通量输出;K为温度系数;ΔT=T2-T1.
一般情况下,K值可由实验测定,对于InGaAlPLED相关的K值如表1所示:
由上表可知,对于InGaAlPLED,温度系数仅与器件的发光波长有关,而与衬底是否透明无关,进一步的实验指出,InGaAlP的发光波长越短,K值越大.器件的出光通量随温度增加衰减得越快.对于InGaN系列的LED,出光通量随温度的变化远小于InGaAlPLED.典型结果如图2所示.由图可知,随着发光波长变短,光输出通量随温度的变化越不明显.表2列出了相对于25˚C而言,100˚C结温时光输出通量的相对数值.
式
（2）指出了光输出通量随结温变化的另一种表示形式
ΦT2=ΦT1e-（T2-T1/T0）
（2）
这里T0代表一种特征温度.T0值与材料有关,实验指出,对于红色的InGaAlPLED,T0=85˚C;对于琥珀色的InGaAlPLED,T0≈85˚C;而对于InGaNLED,T0值约为840˚C,表明InGaN器件的温度系数远小于发红、黄光的InGaAlP器件,也即光通量随温度增加而减小的速率要比InGaAlPLED小得多.
一般情况下,光输出通量随结温的增加而减小的效应是可逆的,也即当温度回复到初始温度时,光输出通量会有一个恢复性的增长.这种效应的发生机制显然是由于材料的一些相关参数会随温度发生变化,从而导致器件参数的变化.如随温度的增加,电子与空穴的浓度会增加,禁带宽度会减小,电子迁移率也将减小.这些参量的变化必须引致器件输出光通量的改变.然而当温度恢复至初态时,器件参数的表化也将随之消失,输出光通量也会恢复至初态值.
表3是大功率器件AP-HLR-01的测试结果,每一次测量之间进行了-40˚C-140˚C的冷热循环老化试验.测量数据指出,每次测量的数据都能很好地重复,冷热循环老化试验也未改变器件的性能,表明在一定的条件下,LED器件的性能随电流的变化是可逆的.显然,在大电流时光效的变小是由于温度上升所引起的,当测试电流减至小电流时,光效数据又恢复到初始值.
2、高温下器件性能的衰变
在高温下,LED的光输出特性除会发生可恢复性的变化外,还将随时间产生一种不可恢复的永久性的衰变.图3指出了Lumileds公司型号为Luxeon大功率器件的光输出通量随时间的衰变情况.由图可见,对于同一类LED器件,在相同的工作电流时,结温越高器件的输出光强衰减得越快.对于一个确定的器件而言,一般来说,结温的大小取决于工作电流与环境温度.工作电流固定以后,环境温度越高,结温就越高,器件性能的衰减速率就越快.反之,当环境温度确定后,器件的工作电流越大,结温也将越高,器件性能衰减的速率就越快.
图4指出了一只典型的InGaAlP器件在不同的工作电流时,输出光通量的相对值随时间的衰减曲线.很显然,当器件的工作电流加大时,器件的光输出特性将衰变得更快.
为确保一个LED器件的正常工作条件,让器件的结温低于某一个确定的值Tj,是十分必要的.为此,当环境温度升高时,应适当减小工作电流,直至当环境温度升至临界温度Tj时,将工作电流减至零,此时结温将等于环境温度,如图5所示.
通常有二种原因促成高温条件下LED器件输出性能的永久性衰减,一个原因是材料内缺陷的增殖,众所周知,现代的高亮LED器件通常都采用MOCVD技术在GaAs,蓝宝石等异质衬底上外延生长InGaAlP或InGaN等材料制成,为提高发光效率,外延材料均含有多层结构,由于各外延层之间存在着或多或少的晶格失配,从而在界面上形成大量的诸如位错等结构缺陷,在较高温度时,这些缺陷会快速增殖,繁衍,直至侵入发光区,形成大量的非辐射复合中心,严重降低器件的注入效率与发光效率.另外,在高温条件下,材料内的微缺陷及来自界面与电板的快扩杂质也会引入发光区,形成大量的深能级,同样会加速LED器件的性能衰变.
高温时,LED封装环氧的变性,是LED性能衰变乃至失效的又一个主要原因.通常,LED用的封装环氧存在着一个重要特性,即当环氧温度超过一个特定温度Tg=125˚C时,封装环氧的特性将从一种刚性的类玻璃状态转变成一种柔软的似橡胶态状物质.此时材料的膨胀系数急剧增加,形成一个明显的拐点,如图6所示.这个拐点所对应的温度即为环氧树脂的玻璃状转换温度,其值通常为125˚C.当器件在此温度附近或高于此温度变化时,将发生明显的膨胀或收缩,致使芯片电板与引线受到额外的压力,而发生过度疲劳乃至脱落损坏.此外,当环氧处于较高温度时（即使未超过转变温度Tg）,特别是与芯片临近部分的封装环氧会逐渐变性,发黄,影响封装环氧的透光性能.这是一个潜移默化的过程,随着工作时间的延长,LED将逐渐失去光泽.显然工作温度越高,这种过程将进行得越快.为解决这一困难,特别在大功率器件的制作过程中,一些先进的封装结构已摒弃了环氧树脂材料而改用一些性能更为稳定的诸如玻璃、PC等材料制作透镜;另一个重要方法是让环氧不直接接触芯片表面,之间填充一种膠状的,性能稳定的透明硅胶.实践证明,通过如此改进,器件的性能与稳定度获得了明显改善.
3、结温对发光波长的影响
LED的发光波长一般可分成峰值波长与主波长二类,前者表示光强最大的波长,而主波长可由X、Y色度坐标决定,反映了人眼所感知的颜色.显然,结温所引致的LED发光波长的变化将直接造成人眼对LED发光颜色的不同感受.对于一个LED器件,发光区材料的禁带宽度值直接决定了器件发光的波长或颜色.InGaAlP与InGaN材料属III-V族化合物半导体.它们的性质与GaAs相仿,当温度升高时,材料的禁带宽度将减小,导致器件发光波长变长,颜色发生红移.
通常可将波长随结温的变化表示如下:
λ（T2）=λ（T1）+ΔT•K（nm/˚C） （3）
其中:
λ（T2）表示结温T2时的波长;λ（T1）表示结温T1时的波长;K表示波长随温度变化的系数.
表4指出了InGaAlP与InGaN器件的主波长与峰值波长K值,由表可知,对于InGaN有InGaAlPLED,峰值波长随温度的变化要大于主波长随温度的变化,其中InGaAlPLED尤甚.
人眼对不同波长的颜色感知灵敏度是存在着很大的差异,如图7所示:
在蓝、绿、黄区域,很小的波长变化就将引致人眼感觉上的变化.从而对蓝、绿、黄器件的温升效应提出了更高的要求.一般来说,2~5nm的波长变化人眼就可以感觉到;而对红光波长的变化,人眼的感觉就要相对迟钝一些,但也能感觉到15nm的波长差异.为定量地表明人眼对不同波长颜色的感知程度,有些公司的产品将颜色与波长的关系列出了主波长的颜色仓,如表5所示.
显然,对于琥珀（黄）颜色,由于人眼最为灵敏,因此颜色仓的波长间隔分得很细,仅为2-3nm,但对于红色区域,其间隔扩大到15nm.这就是说,为什么对黄色交通信号灯的颜色标定与均匀度的要求较高,而红色交通灯的颜色要求相对要低得多.
4、结温对LED正向电压的影响
正向电压是判定LED性能的一个重要参量,它的数值取决于半导体材料的特性,芯片尺寸以及器件的成结与电极制作工艺.相对于20mA的正向电流通常InGaAlPLED的正向电压在1.8V~2.2V之间,而发蓝、绿光的InGaNLED的正向电压处在3.0V—3.5V之间.在小电流近似下,LED器件的正向压降可由式（4）表示:
Vf=（nKT/q）ln（If/Io）+RsIf （4）
式中Vf为正向电压,If为正向电流,Io为反向饱和电流,q为电子电荷,K是玻尔兹曼常数,Rs是串联电阻,n是表征P/N结完美性的一个参量,处在1-2之间.分析式（4）的右边发现只是反向饱和电流Io与温度密切相关,Io值随结温的升高而增大,导致正向电压Vf值的下降.实验指出,在输入电流恒定的情况下,对于一个确定的LED器件,二端的正向压降与温度的关系可由式（5）表示:
VfT=VfTo+K（T-To） （5）
式中VfT与VFTo分别表示结温为T与To时的正向压降,K是压降随温度变化的系数,对于InGaAlP与InGaNLED,其K值大致可由表6所示.有人给出了详细的实验数据,如表7、表8所示.
电压随温度的变化是可恢复的,但如在高温情况下,由于结区缺陷与杂质的大量增殖与集聚,也将造成额外复合电流的增加,而使正向电压下降.通常,恒流是LED工作的较好模式,如在恒压条件下,由于温升效应使正向电压下降与正向电流增加,并形成恶性循环,最终导致器件损坏.
四、减小LED温升效应的对策
LED的输入功率是器件热效应的唯一来源,能量的一部分变成了辐射光能,其余部分最终均变成了热,从而抬升了器
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