LED顯示屏的亮度一致性和失效性等問題探討

LED顯示屏是集電子、電力、計算機(jī)、通訊、信息、圖像處理、光學(xué)、材料、結(jié)構(gòu)等多學(xué)科技術(shù)于一體的高科技工程產(chǎn)品。這其中的任何一門學(xué)科領(lǐng)域里的相關(guān)工程技術(shù)問題均會影響整個顯示屏的最終運(yùn)行效果。一個完美的led顯示屏必然是多學(xué)科技術(shù)的有機(jī)結(jié)合體。

LED是led顯示屏的最重要的基本元素，本文主要就led顯示屏的亮度、一致性和失效性等問題簡要闡述了其成因，與LED的相互關(guān)系及相關(guān)改進(jìn)的有效舉措。

一、led顯示屏亮度問題

LED亮度是顯示屏亮度的重要決定因素。LED亮度越高，使用電流的余量越大，對節(jié)省耗電、保持LED穩(wěn)定有好處。LED有不同的角度值，在芯片亮度已定的情況下，角度越小，LED則越亮，但顯示屏的視角則越小。一般應(yīng)選擇100度的LED以保證顯示屏足夠的視角。針對不同點(diǎn)間距和不同視距的顯示屏，應(yīng)在亮度、角度和價格上找到一個平衡點(diǎn)。

LED單管亮度物理上限制了屏的最高亮度，而實(shí)際亮度影響因素還有掃描方式，信號點(diǎn)亮效率，色彩校正因素等。選擇的符合色彩和亮度要求的某個亮度值，led顯示屏的最高亮度可以表示為：Lm=（η*L* gmax）/S，Lm 是實(shí)際需要的顯示屏亮度值，L是所選LED的亮度，η是屏體信號點(diǎn)亮效率，gmax是色彩校正因素，S是系統(tǒng)的掃描方式（可取1，2……）。在進(jìn)行全彩LED顯示屏設(shè)計應(yīng)用時，在選擇單基色的亮度的時候，我們需要考慮三基色的白平衡亮度的問題，盡量使三基色的標(biāo)稱值接近3:6：1（紅：綠：藍(lán)）。

受半導(dǎo)體技術(shù)和封裝技術(shù)的限制，早期的LED燈管光效低，紅、綠、藍(lán)基色的發(fā)光強(qiáng)度小， 所以整個顯示屏的亮度值低是主要問題。由于燈管光效低，為了滿足顯示屏亮度需要，LED驅(qū)動電流設(shè)定值一般較高，電流設(shè)定高必然導(dǎo)致LED工作溫度升高，這將不利于顯示屏的長期使用；通過恰當(dāng)設(shè)計像素點(diǎn)組合來提高像素點(diǎn)亮度，如采用多個LED燈管串聯(lián)來提高單基色的亮度值，從而達(dá)到提高led顯示屏的亮度，是以前工程應(yīng)用中常使用的設(shè)計方法，但是這樣必然增加整個顯示屏的成本。隨著LED芯片及封裝技術(shù)的發(fā)展，LED燈管的光效得到大大提升，已經(jīng)完全能夠滿足led顯示屏的戶內(nèi)外的亮度需求，并且可以將LED的工作電流設(shè)定在額定安全工作電流之下以確保系統(tǒng)可靠性。

用于室外的led顯示屏應(yīng)該在陽光下也能觀看，所以亮度必須與背景有亮度差（比）。如果顯示的是文字可以是2:1，如果是圖像其中還有差別，經(jīng)驗(yàn)上10:1是容許的最低限度，20:1是標(biāo)準(zhǔn)，希望在40:1以上。在暗室測定最大圖像信號輸入的亮度Lm及某種外光無信號亮度Lb，然后可以計算出對比度V=（Lm+Lb）/Lb.實(shí)際工程中從結(jié)構(gòu)上，增加面罩的色深，增加面罩的帽檐和反光臺階的設(shè)計，均可以有效地提高戶外顯示屏的對比度效果。

led顯示屏點(diǎn)陣模塊驅(qū)動一般采用恒流驅(qū)動芯片來完成，該芯片內(nèi)部包括串行移位寄存器、串并轉(zhuǎn)換和恒流驅(qū)動等功能電路組成如圖一所示。恒流芯片是將控制器的亮度信號轉(zhuǎn)換成驅(qū)動LED發(fā)光的恰當(dāng)?shù)尿?qū)動電流的轉(zhuǎn)換器件。恒流器件的開關(guān)恒流的品質(zhì)因素將影響led顯示屏的有效亮度。特別是當(dāng)顯示屏的刷新頻率和顯示灰度級數(shù)越高的情況下，恒流芯片將更加明顯地影響整個顯示屏的亮度。如圖一所示，顯示屏的供電電壓V-LED也將是影響亮度的一個重要因素之一，特別是當(dāng)其電壓低于LED正常導(dǎo)通電壓時，LED發(fā)光效果受到影響，從而影響了整個顯示屏的亮度。

綜上所述，為了解決顯示屏應(yīng)用出現(xiàn)的亮度問題，我們可以采取的切實(shí)可行的舉措包括：采用高亮度晶片，高取光率選LED燈管，在保證白平衡亮度要求的同時設(shè)計預(yù)先留足余量；進(jìn)行恰當(dāng)?shù)南袼攸c(diǎn)組合設(shè)計，保證像素點(diǎn)合理的出光視角，通過燈的合理排布和結(jié)構(gòu)設(shè)計，增加顯示屏的視覺對比度；選用高品質(zhì)的恒流驅(qū)動芯片，進(jìn)行合理的驅(qū)動電流和電壓設(shè)計，以保證LED高效的驅(qū)動。

當(dāng)然，保證LED高效的驅(qū)動需要企業(yè)強(qiáng)大的研發(fā)和技術(shù)實(shí)力為支撐，LED顯示行業(yè)經(jīng)過近幾年的高速發(fā)展，也成長起來了一批優(yōu)秀的顯示屏應(yīng)用及顯示光源封裝企業(yè)，如顯示光源封裝企業(yè)--柏獅，經(jīng)過數(shù)年的發(fā)展壯大，現(xiàn)在擁有自己的顯示研發(fā)實(shí)驗(yàn)室，致力于LED顯示技術(shù)的研究，并聯(lián)合國內(nèi)著名重點(diǎn)科研院所進(jìn)行了大量的led顯示屏應(yīng)用方面的技術(shù)研究工作。

二、led顯示屏白平衡一致性問題

led顯示屏是由大量的LED燈管組成，特別是采用直插燈的戶外led顯示屏，白平衡一致性問題相當(dāng)普遍，這是業(yè)界經(jīng)常遇到的棘手問題。

全彩顯示屏是由無數(shù)個紅、綠、藍(lán)LED組成的像素拼成的，每種顏色LED的亮度、波長的一致性決定了整個顯示屏的亮度一致性、白平衡一致性、色度一致性。一般來說，顯示屏廠家要求器件供應(yīng)商提供5nm的波長范圍及1:1.3的亮度范圍的LED，這些指標(biāo)可由器件供應(yīng)商通過分光分色機(jī)進(jìn)行分級達(dá)到。電壓的一致性一般不做要求。一般來說，LED亮度差異在1:1.3的亮度范圍，紅光波長差異小于5nm，藍(lán)綠波長差異小于3nm，這樣的燈管組成的顯示屏（led顯示屏其他條件完美無缺）將是白平衡一致性相當(dāng)好的，相反條件下的顯示屏可能會出現(xiàn)花屏、一致性不好的效果。

由于LED是有角度的，故全彩LED顯示屏同樣具有角度方向性，即在不同角度觀看時，其亮度是會遞增或遞減的。這樣，紅、綠、藍(lán)三種顏色LED的角度一致性將嚴(yán)重影響不同角度白平衡的一致性，直接影響顯示屏視頻顏色的保真度。要做到紅、綠、藍(lán)三種LED在不同角度時亮度變化的匹配一致性，需要在封裝透鏡設(shè)計、原物料選擇上嚴(yán)格進(jìn)行科學(xué)設(shè)計，這取決于封裝供應(yīng)商的技術(shù)水平。法線方向白平衡再好的顯示屏，如果LED的角度一致性不好，整屏不同角度的白平衡效果將是糟糕的。LED器件的角度一致性特性可用LED角度綜合測試儀測出，對于中、高檔顯示屏尤為重要。紅綠藍(lán)LED的光形曲線圖一致性越好，整個顯示屏的一致性將更好。由于R/G/B在不同角度亮度不一致而造成色澤不均勻，難以達(dá)到不同角度白平衡一致性；并且單色光型曲線的離散分布嚴(yán)重，將造成顯示屏的一致性差。

實(shí)際生產(chǎn)中的LED燈是有亮度差異的，如果亮的LED集中在一個模塊，暗的LED集中在另一個模塊，這樣的差異就很明顯，所以一定要在生產(chǎn)采用混燈工藝使LED燈在顯示屏上成正態(tài)分布，從而使整屏的顯示一致性效果較好；如果直插燈在安裝時，燈不平整， LED燈的出光一致性較差，將直接影響顯示屏白平衡的一致性效果，所以必須增加“整燈工藝”來保證led顯示屏的平整度。

如圖一所示恒流芯片輸出電流精度的差異和調(diào)整電阻的精度差異可能會影響LED發(fā)光效果，從而影響顯示屏白平衡一致性；信號系統(tǒng)的編碼和信號傳輸?shù)膸挷町愐部赡苡绊憀ed顯示屏的白平衡一致性。在LED點(diǎn)陣模塊的設(shè)計中，像素點(diǎn)的組合排布合理與否，可能會影響LED燈的出光效果和像素點(diǎn)的光學(xué)疊加效果，從而影響顯示屏的一致性；PCB布局和走線合理與否，致使供電和溫度分布的差異，而影響了顯示屏的白平衡一致性。

LED的光學(xué)參數(shù)與pn結(jié)結(jié)溫有很大的關(guān)系。若環(huán)境溫度較高，LED主波長或λp就會向長波長漂移，尤其是點(diǎn)陣、大屏幕的溫升對LED的可靠性、穩(wěn)定性影響很大。LED器件發(fā)光區(qū)材料的禁帶寬度值直接決定了器件發(fā)光的波長或顏色。InGaAlP和InGaN等LED的芯片材料屬于III-V族化合物半導(dǎo)體，它們的性質(zhì)與GaAs相仿，當(dāng)溫度升高時，材料禁帶將減小，導(dǎo)致器件發(fā)光波長變長，顏色發(fā)生紅移，波長隨結(jié)溫變化表示為：λ（T2）=λ（T1）+？T*K （nm/℃）。一般K=0.1，每當(dāng)結(jié)溫升高10度，則波長向長波漂移1nm，且發(fā)光的均勻性、一致性變差。2~5nm的波長變化，人眼就可以感覺到，人眼對不同的顏色感知靈敏度存在很大的差異，在藍(lán)、綠區(qū)，很小波長就將導(dǎo)致人眼感覺上變化，從而對藍(lán)綠LED器件的溫升效應(yīng)提出了更高的要求。

綜上所述，為了解決白平衡一致性問題我們建議的舉措是：

1、對于led顯示屏產(chǎn)品而言，對產(chǎn)品采用一定的檢測的方法和手段固然重要，但鑒于產(chǎn)品不菲的價值且很多缺陷是無法通過事后維修解決，檢測和檢驗(yàn)?zāi)転楹罄m(xù)產(chǎn)品改善提供依據(jù)和方向，但不能改變既成事實(shí)的缺陷產(chǎn)品，因此事前控制顯得尤為珍貴。能夠穩(wěn)定有效地保證對LED封裝的整個制程的合理控制，包括物料分檔控制，保證亮度、波長的一致性；分光分色設(shè)備的嚴(yán)格管理，專人專機(jī)操作機(jī)臺及工位，保證產(chǎn)品的各項(xiàng)參數(shù)的一致性。

2、在封裝透鏡設(shè)計、原物料選擇上嚴(yán)格進(jìn)行科學(xué)設(shè)計，做到紅、綠、藍(lán)三種LED在不同角度時亮度變化的匹配一致性；在LED顯示模塊設(shè)計時，合理選用驅(qū)動電路和信號處理算法，并進(jìn)行PCB的合理優(yōu)化設(shè)計，以保證恒流精度和減小顯示屏模塊內(nèi)部溫差；在LED顯示模塊生產(chǎn)時采用合理的混燈工藝控制。

3、由于led顯示屏的像素LED的差異性，或者電子顯示屏在工作一段時間后，每一顆LED會出現(xiàn)不同程度的亮度和色度的下降，嚴(yán)重影響顯示效果。采用亮度和顏色矯正控制技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)亮度《1%，色度Cx/Cy《0.003精度的校正，迅速提升顯示屏顯示效果，使得更新以后的模塊與已經(jīng)工作過一段時間以后的模塊保持亮度和色度的一致。點(diǎn)校正運(yùn)算公式為：

Rout = Rin * A（1，1） + Grnin * A（1，2） + Bluin * A（1，3）

Gout = Rin * A（2，1） + Grnin * A（2，2） + Bluin * A（2，3）

Bout = Rin * A（3，1） + Grnin * A（3，2） + Bluin * A（3，3）

目前，國內(nèi)有少數(shù)企業(yè)建立起來了顯示研發(fā)實(shí)驗(yàn)室，聯(lián)合國內(nèi)高校及科研院所，針對點(diǎn)校正進(jìn)行了大量研究，筆者所在的柏獅公司就已經(jīng)研發(fā)出行業(yè)領(lǐng)先的點(diǎn)校正技術(shù)，確保顯示屏長期有效使用。

三、LED失效問題

LED是全彩LED顯示屏的最關(guān)鍵器件，相當(dāng)于電腦的CPU.LED的選擇已經(jīng)決定了整個顯示屏50%以上的質(zhì)量。如果未能選擇好LED，顯示屏的其他部件再好也無法彌補(bǔ)顯示屏質(zhì)量的缺陷。由于全彩顯示屏由上萬甚至幾十萬組紅、綠、藍(lán)三種LED組成的像素點(diǎn)組成，任一顏色LED的失效均會影響顯示屏整體視覺效果。一般來說，按行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，在led顯示屏開始裝配至老化72小時出貨前的失效率應(yīng)不高于萬分之三（指LED器件本身原因引起的失效）。

LED失效一般包括以下三大類：短路（漏電）、開路、暗亮。短路（漏電）一般是由于模塊電路中的沖擊電流太大造成LED芯片性能發(fā)生變化，芯片漏電流增大引起；開路可能靜電或其他原因造成LED芯片被擊穿；暗亮，一般是由于LED不恰當(dāng)使用致使膠體里面進(jìn)水汽，影響了LED的光學(xué)效果。

針對LED失效問題。首先應(yīng)用設(shè)計出發(fā)，需要選好恰當(dāng)?shù)碾娐?，從電路接口減少靜電威脅，杜絕大電流脈沖損壞LED的工作狀態(tài)發(fā)生，需要設(shè)計合理的結(jié)構(gòu)保護(hù)密封LED，杜絕可能外力拉傷LED管腿的現(xiàn)象發(fā)生。

其次在生產(chǎn)中注意合理使用LED的細(xì)節(jié)掌控：注意物料的投料使用合理的掌控，對于過期的物料一定要做防潮工藝處理；注意防靜電措施的嚴(yán)格掌控，顯示屏裝配工廠應(yīng)有良好的防靜電措施，專用防靜電地、防靜電地板、防靜電烙鐵、防靜電臺墊、防靜電環(huán)、防靜電衣、濕度控制、設(shè)備接地（尤其切腳機(jī)）等都是基本要求，并且要用靜電儀定期檢測；須嚴(yán)格控制好波鋒焊的溫度及過爐時間。建議為：預(yù)熱溫度100℃±5℃，最高不超過120℃，且預(yù)熱溫度上升要求平穩(wěn)，焊接溫度為245℃±5℃，焊接時間建議不超過3秒，過爐后切忌振動或沖擊LED，直到恢復(fù)常溫狀態(tài)。

波峰焊機(jī)的溫度參數(shù)要定期檢測，這是由LED的特性決定的，過熱或波動的溫度會直接損壞LED或造成LED質(zhì)量隱患，尤其對于小尺寸如3mm的圓形和橢圓形LED；led顯示屏在出現(xiàn)LED不亮?xí)r，往往有超過50%概率為各種類型的虛焊引起的，如LED管腳虛焊、IC管腳虛焊、排針排母虛焊等。這些問題的改善需要嚴(yán)格地改善工藝并加強(qiáng)質(zhì)量檢驗(yàn)來解決。出廠前的高溫和常溫老化測試、振動測試也不失為一種好的檢驗(yàn)方法。

LED產(chǎn)品失效問題的有效控制是封裝、顯示屏設(shè)計、生產(chǎn)和顯示屏工程中需要注意預(yù)防控制的重要環(huán)節(jié)。而這些環(huán)節(jié)的有效保障需要我們行業(yè)孕育出更多像柏獅、國星、雷曼、利亞德等這樣的優(yōu)秀企業(yè)，推行更加嚴(yán)格的品質(zhì)管理體系，從設(shè)計、采購、生產(chǎn)、品質(zhì)檢測、包裝、運(yùn)輸、售前和售后跟蹤全過程進(jìn)行產(chǎn)品的品質(zhì)監(jiān)測，確保產(chǎn)品“品質(zhì)服務(wù)零缺陷”，推動整個行業(yè)的健康有序的成長。
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