小间距LED-TV的机遇、挑战及对策<br/>——论小间距LED-TV走入家庭之艰辛路程

小间距LED-TV的机遇、挑战及对策
——论小间距LED-TV走入家庭之艰辛路程

2017-03-08程德诗孙富华

智能建筑电气技术 2017年6期

关键词：色域导电纯度

程德诗 / 孙富华

(上海三思科技发展有限公司，上海 201199)

0 概述

近年来，小间距LED-TV发展势头较猛，但细究之下发现，其技术仍有待完善、成本仍居高不下，且舆情营销与公众需求的互动过少。笔者作为业内人士对小间距LED-TV的发展有一些自己的理解。现简要叙述下。

1 技术探索

基于LED显示像素颗粒大、亮色均匀性差、色彩失真重、填充因子低、光品质劣、灰度层次浅、可靠性弱、电磁兼容性低下等现象积弱难返，实现“LED-TV走入家庭”尚不可能。因此，将这些技术困难逐一攻破，依然任重而道远。

1.1 关于电磁兼容(EMC)

EMC包括EMI(电磁骚扰)和EMS(抗电磁骚扰)。EMC定义为:设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何设备的任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。

LED-TV作为一种家用电器，在国家标准和国家强制性认证中，其辐射骚扰场强限值、辐射骚扰功率限值、电源端子骚扰电压限值及各类信号端口的传导共模骚扰电压电平限值等，均等同于信息技术设备类国标GB 9254-2008《信息技术设备的无线电骚扰限值和测量方法》中CLASS-B级。

近年来，业内一些优秀企业已在此项研究上取得成果，单个显示箱体电磁兼容性能已真实达到CLASS-B级。然而，家用电视须将LED-TV作为一个整机看待，故其中的单个箱体达到CLASS-B级并不等同于整机就能达到CLASS-B级。作为家用电器的强制性认证，万万不可有蒙混过关的念头。

1.2 关于“毛毛虫”现象

“毛毛虫”现象是业内对由一颗LED故障导致相邻一串LED失效情况的一种俗称，其产生的原因有多种。这其中由单颗三合一LED内部短路而造成的“毛毛虫”现象，当下业内尚未找到彻底解决的办法。

小间距LED-TV采用的是体积极小Molding工艺封装的表贴三合一LED，常用的有三种规格：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。封装空间中堆积了众多的金属导电材料：1)红、绿、蓝3颗LED芯片，每颗芯片都包含了正、负2个金属电极；2)用于固晶的红、绿、蓝3个芯片的金属支架,通常由铜材沉金制成；3)4个输出电极触点，通常由铜材沉金制成；4)将芯片和支架粘结的导电银胶；5)5根连接红、绿、蓝芯片电极与4个输出电极触点的金属键合导线，通常采用纯金线或铜线制成；6)5根金属导线的10个端头，共10个金属焊球。

上述众多的金属导电材料堆积在非常狭小的空间(0.18mm3～0.65mm3)中，其中部分材料在金属元素的活动性序列中并非处于最稳定段，当LED处于高温或高湿环境中，湿气渗透到内部，部分金属材料发生氧化反应或水解，并游离出金属离子，这些金属离子在一定的电场作用下易产生迁移现象。由此内部发生短路现象也就在所难免，这中间尤以银胶过高形成红绿(或红蓝)负极短路现象为主。一块普通的2K-LED电视屏具有207万像素，假设三合一LED内部短路率只有微乎其微的百万分之一，那么这块电视屏就会出现两条“毛毛虫”。

综上分析发现，“毛毛虫”现象产生的根源是在LED狭小空间内堆积了大量的金属导电材料。假如能够从芯片、封装上游着手，大量减少LED内部金属导电材料的使用(尤其是摒弃银胶的使用)，或能从根本上消除“毛毛虫”产生的机理，可喜的是，业内有识之士早已着手进行众多新材料、新工艺的研究探索。在众多技术路线中，笔者认为有三个探索方向值得关注。

1)方向一

红、绿、蓝均采用水平结构的双电极芯片，继而固晶时全部采用绝缘胶作为粘合剂，彻底杜绝银胶的使用，从而最大限度地消除“毛毛虫”产生的主因。此方案带来的缺点是键合线从5根增加至6根，原本狭小的空间打线更显局促，而优点是彻底摒弃了导电银胶的使用，并且技术方案切实可行。

2)方向二

红、绿、蓝采用如图1所示的倒装LED芯片。此方案可大大减少LED内部金属导电材料的使用，包括导电银胶、5根金线(或铜线)、10个金属焊球。内部大量金属导电材料的减少，特别是银胶的弃用，可以说是清除了“毛毛虫”现象产生的机理，并且因为键合线的摒弃，根治了以往A、B、C、D、E五个点断线点及金球脱落等痼疾，同时LED的外形尺寸也可以相应做得更小，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。

图1 LED芯片倒装结构

3)方向三

“倒装芯片+覆晶焊”工艺一旦在显示领域成熟应用，则为LED显示面阵进入“倒装+CSP+COB”的融合带来了无限的可能。

1.3 关于色彩还原

LED具有众多的技术优势，其中之一就是红、绿、蓝三基色的色纯度较高，构成更宽的色域范围，由此构成的LED-TV其色域范围可高达NTSC色域范围的120%以上。因此LED显示在需要夺人眼球的传媒界应用广泛。而LED-TV走入家庭不仅需要高色纯度(即宽色域)，更需要逼真的色彩还原。表1给出了国家广播电影电视总局颁布的标准GY/T 155-2008《高清晰度电视节目制作及交换用视频参数值》与LED色度性能的对比，从中可以看出造成LED-TV色彩还原性低，尤其是人的肤色失真(偏红)的缘由。图2所示为波长差人眼敏感度阈值图。

表1 GY/T 155-2008与LED色度性能的对比表

图2 波长差人眼敏感度阈值图

从表1和图2可知：1)LED三基色与GY/T155-2008三基色在波长、色纯度均存在明显偏差；2)以GY/T 155-2008三基色波长为参照，根据图2对波长差人眼敏感度进行分析，主波长为612nm的红色波长差人眼敏感度阈值只有1nm左右(敏感度最高)，主波长为548nm的绿色波长差人眼敏感度阈值约为2nm(敏感度次之)，主波长为465nm的蓝色波长差人眼敏感度阈值达到2.7nm左右(敏感度最低)；3)造成LED-TV色彩失真的主因是红色LED和绿色LED，虽然通过色空间变换技术可以修正红、绿色LED的主波长偏差，但是修正主波长偏差之后LED宽色域范围的优势变成了劣势，而低灰图像的色彩失真依旧存在，并且图像常常呈现灰蒙蒙之状。如果再对LED波长一致性进行校正，那带来的色域损失将是无法接受的；4)红、蓝LED色纯度均高于GY/T 155-2008，但红、蓝高出的幅度却不一致，红色高出6%左右，蓝色高出3.6%左右，而绿色LED色纯度却略低于GY/T 155-2008。这也是无法在LED全色域范围内尤其是在人眼敏感度最高的人体肤色区域内保持良好的色彩还原的原因之一。

虽然上述问题确实存在，但并非不可解决，真正的LED-TV所用的LED应该是按照GY/T 155-2008标准中要求的红、绿、蓝三基色进行调整配色，具体可分成三层境界进行实践。

1)主波长匹配

红色LED主波长匹配为612nm左右，绿色LED主波长匹配为548nm左右，蓝色LED主波长匹配为465nm左右。按此配置要求，InGaAlP半导体发光材料支持红、橙、黄波长段的发光，因此612nm的红色LED技术上无障碍；而InGaN半导体发光材料理论上支持从紫外到红色的发光波段，因而465nm的蓝色LED及548nm的绿色LED也非难事，只是绿色LED在波长大幅度长移之后外延材料的内量子效率会略有下降(这对室内小间距LED-TV完全不是问题)。同时还可以结合数字显示技术中的色空间变换技术来对红绿蓝三基色的主波长进行适度微调整。

2)三基色色纯度更高

在实现了“主波长匹配”之后发现：如果以牺牲色纯度(又可表述为色域范围)来实现“主波长匹配”得不偿失。可以考虑从上游芯片材料着手，或者通过多基色配色技术来全面实现红绿蓝“主波长匹配”和“色纯度更高”。

3)三基色色纯度均衡提升

除匹配波长、提高色纯度外，还需要均衡三基色色纯度的提升率。故须上游从外延材料着手、中游从封装着手(多基色封装)、下游从色空间变换着手，努力实现在三基色主波长匹配的情况下色纯度的均衡提升(图3)。