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COB LED在全彩显示领域的应用

类别:行业新闻发表于:2018-12-05 11:14

摘要:显示用途的LED器件面世以来,经历了DIP直插,点阵模块,单色CHIP型,全彩TOP型,全彩CHIP型,多灯集成封装,COB等封装类型。每种新的封装形式的出现,都丰富了LED显示屏产品的应用类型。COB LED的出现,也将带来大量新的产品和应用。

摘要:显示用途的LED器件面世以来,经历了DIP直插,点阵模块,单色CHIP型,全彩TOP型,全彩CHIP型,多灯集成封装,COB等封装类型。每种新的封装形式的出现,都丰富了LED显示屏产品的应用类型。COB LED的出现,也将带来大量新的产品和应用。


一、引言


单个像素类型的全彩SMD LED 封装器件,已经做到了0606规格了,向更小尺寸发展,LED灯的可靠性,SMT工艺难度,遇到了巨大的挑战。此时,COB显示应运而生,SONY Crystal LED以惊艳的效果面世,宣告了COB时代的到来。随后三星展示了The Wall,达科、Deepsky、LEDMAN、LUMENS、聚积科技等,也展示了各自的COB LED显示屏产品。同时GOB(Glue On Board,SMD产品表面灌胶)、集成封装(多灯合一的SMD器件)产品的出现,改进了SMD LED的某些特性,丰富了SMD产品的应用类型。


COBLED和SMDLED显示屏产品的有本质区别,首先是封装结构上的差异:

SMD(Surface Mounted Devices)分立器件显示产品,是把LED发光芯片,通过支架封装成分立发光器件,再通过表面贴装工艺SMT,焊接到驱动PCB板上。


COB(Chip On Board)显示产品,是把LED发光芯片,直接封装在PCB驱动板上,省去中间封装成独立器件再SMT的环节。Micro LED与Mini LED,从工艺过程划分,也属于COB范畴,区别是使用的LED发光芯片的类型(正装芯片、倒装芯片)与尺寸不同,发光芯片的转移贴装方式不同。


其次,由于COB是直接把LED发光芯片密封固定在驱动板上,没有SMT过程,没有导电管脚外露。所以产品的防水,防潮,防尘,抗静电,抗撞击,防虚焊等性能得到了大幅提高。像素间距也可以做到更小,进而拓宽了LED显示屏产品的应用领域,或对原有SMD LED显示屏的效果进行了提升。


二、COB LED在全彩显示领域的应用


1.小间距LED租赁显示屏领域


LED租赁显示屏产品的应用特点:1.需要经常安装拆卸,易产生磕碰。2.不使用时候,会存放在航空箱里,容易受潮。


LED灯珠磕碰损坏和灯珠受潮失效,是SMD分立器件类型小间距租赁产品损坏的重要原因。需要花费大量的时间检修,给使用者带来巨大的使用成本。


影响LED灯珠抗冲击的因素,主要是LED灯珠的附着力、附着面积和受磕碰时候受到的力矩大小。M(力矩)=F(作用力)*L(力臂)。在同样作用力的情况下,LED灯珠高度越高,所受的力臂L越大,越容易被损坏。


以P1.5为例,假设SMD和COB灯体和PCB单位面积附着力相等。


1010灯珠的高度L一般为1mm,长宽尺寸为1mm*1mm,有效的附着面积是4个焊盘的尺寸,约0.8mm²。


COB封装的高度通常在0.5mm左右,单个像素长宽约为1.5mm*1.5mm,附着面积为2.25 mm²。


通过简单计算,COB封装单个像素,所能承受的最大推力F,是SMD的5.6倍。(实际测试,LEDMAN P1.5 COB  LED 单个像素可以承受的推力,是1010规格SMD LED的5倍左右。)所以能大幅减少磕碰造成的LED结构损坏。

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LED分立器件受潮损坏的原因,是水蒸汽进入LED灯体内部,与金属发生化学反应,导致断路或短路。水蒸汽进入LED灯内部的通道,通常是两种材料的结合面。


CHIP型SMD LED,每个LED灯的材料结合面四面都外露。水蒸气容易进入LED灯体内部导致损坏。

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COB类型,PCB中部不存在缝隙。只有在PCB边缘一周,有结合面外露。因此水蒸气不易进入LED灯体内部导致的损坏。


2.家用大尺寸LED屏电视领域


110寸以上的家用电视机,液晶、OLED因工艺、成本、安装运输等问题,目前无法大规模量产;投影、激光电视,以低成本优势,占据了部分市场份额,但是在亮度,对比度,色域等方面,表现差强人意。


一些公司用SMD小间距显示产品,在家用LED电视机领域进行了探索。因像素失效率高,售价过高等原因,始终未能大规模打开市场。


像素失效率过高的主要原因,是连接点过多。一个像素,其LED灯内部,有5根金线10个焊球,加上1个红色芯片底部银胶连接点,共需11个连接点,其外部需加4个锡膏焊点,共计15个连接点。以1920*1080分辨率的屏为例,共有3110万个连接点。如果按1PPM的连接点不良率计算,就有31个不良的LED灯。再加上金属迁移引起的不良,使用过程中是无法接受的。


COB显示产品,若采用正装芯片,连接点个数比SMD减少26%。若采用倒装芯片,连接点个数比SMD减少60%,而且采用倒装芯片,红灯不用银胶,没有金属迁移的隐患。再加上COB采用全密封的工艺,杜绝了LED成品受潮损坏的可能。整体LED显示屏的失效率,可做到5 PPM以内,接近液晶面板的表现。


据估算,2K的108寸SMD LED显示屏,售价预计在人民币40万元左右,这超出了大部分人的承受范围。COBLED在生产过程中,省去了支架材料和SMT工序。在规模化生产之后,成本会比SMD LED产品更低,有较大的机会进入110寸以上高端家用LED电视机领域。


3.LED背光液晶显示领域


目前的LED白色背光液晶显示器,基本采用两种背光方式:侧入式白色背光和直下式白色背光。其优劣势对比见下表:


表一:侧入式与直下式白色背光

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采用COB LED红绿蓝三色直下式背光,可以兼有侧入式背光和直下式背光的优势。在比较薄的尺寸内,做到分区点亮,提高对比度。同时,采用红绿蓝三基色混合白光,比蓝光加荧光粉背光有更宽的显示色域。


因为COB LED比SMD LED高度尺寸更小,像素间距可以做到更密,从而可减小混光距离,把显示器做的更薄。COB LED背光像素间距更小时,分区点亮可做得更精细,对比度更高。因而能用较低的成本,达到和OLED显示器接近的对比度和厚度效果。


4.影院屏幕领域


三星在2018年发布了Onyx,P2.5 SMD影院显示屏,4K分辨率。,支持3D,HDR,,校正后亮度300-500nit,通过了DCI(Digital Cinema Initiatives)认证,开启了LED显示屏在影院应用的先河。韩国乐天影城使用LED显示屏开业后,上座率比使用投影机的影院上升了12%,观众满意度达到80%(据三星官网和宣传资料)。


目前采用投影放映机的影院,屏幕亮度只有50nit左右。若在电影院使用LED显示屏达到和投影机接近的亮度,就需要解决用SMD LED屏亮度过高的问题。但是,若把SMD LED屏最大亮度降到50nit使用,灰度一致性,刷新频率效果就会变差。


COB显示屏的出现,为低亮度LED显示提供了一个良好的解决方案。COB显示屏可以对密封LED芯片的透镜进行个性化定制。通过调整透镜形状、尺寸、厚度、掺杂物质,来改变显示屏的亮度、锐度、对比度,以达到舒适的观看效果。

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同时COB LED显示屏的高可靠性,高防护性,会大幅降低影院维护的频次,取得更好的经济效益。


5.户外高清LED显示领域


SMD 类型的户外LED器件,目前最小尺寸为1.4x1.5mm,可以实现P2以上的户外LED显示屏。更小像素间距的户外LED显示屏产品,若做到LED面IP65的防水级别,需要在LED表面做结构防水,会影响散热性能和显示效果。COB显示屏表面防水的特性,可以直接用来做室外P2以下的高清LED显示屏,应用于公交站台、城市信息发布板、近距离门店广告等场所。


户外高清显示屏,遇到的另一个挑战是灯珠表面过热。P3户外显示屏,亮度达到6000nit时,表面温度可达70℃以上。过高的温度会导致LED的寿命减短,亮度衰减,可靠性变差。


解决LED灯珠温度过高的方法之一,是使用共阴极的方案,对红和绿蓝分开供电。红灯使用2.8V左右的电压,绿蓝使用3.8V左右的电压。相比4.5V共阳极供电方式,大约节约25%的功耗。LED灯表面温度,也会大幅降低。实测P4.X产品,共阴极比共阳极灯体表面,降低了10℃以上。


目前共阴极方案使用的双路输出电源和IC方案基本成熟。共阴极的LED灯珠器件却屈指可数,并且价格比共阳极高很多。


若采用COB方案,只需要更改PCB的焊盘设计,更改LED芯片打线方式,就可以实现共阴极LED灯的驱动方式。不增加灯珠成本,LED芯片直接贴在PCB上,热传导路径比SMD灯珠的路径更短,热阻更小。LED芯片自身的工作温度更低,有利于延长使用寿命。

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6.触控LED显示屏领域


触控显示屏,一般采用显示屏四周加红外感应边框或表面声波控制的方式,实现触摸交互操作。


使用SMD类型LED显示屏,存在触摸不平滑,手指刮坏LED灯,人体静电损坏等方面的风险。一些公司采用在LED灯珠表面贴膜的方式来解决以上问题。但贴膜会带来模组维护困难,散热变差,亮度下降,贴膜反光不一致等新问题。


与之相比,于COB LED芯片被完全密封在驱动板上,没有LED灯管脚外露,在抗静电方面,有独特的优势。上文已分析COB LED显示屏抗磕碰能力更强,不用担心手指碰伤灯珠的问题。不需要贴膜,不影响散热和维护操作。


在教育显示、会议显示、展览显示等触控LED显示领域,有广阔的应用前景。


三、结论


结合COB LED显示屏失效率低,耐碰撞,散热好,防水防尘,可做更小的像素间距,体积小,可个性化定制等特点。COB LED显示屏在室内体育显示、个人移动终端、安防监控指挥中心、AR、VR等领域,也有显著的优势。


当然,COB LED显示屏现阶段还面临生产规模化程度不够,导致量产初期良品率偏低和成本较高,投资门槛高等问题。相信随着时间的推移,以上问题会得到彻底解决。


COB LED显示屏未来会在全彩显示领域迸发出强大活力。


参考文献:

[1] SJT 11141-2012 LED显示屏通用规范

[2]陈听《影响LED显示屏视觉质量的诸要素辨析》,慧聪LED屏显,2017年06月

[3]程德思,孙富华,《小间距LED-TV的机遇、挑战及对策》,中国LED显示应用技术与产品汇编,2017年4月第1版

[4]孙端《电视机是不是越薄越好》,泡泡网

来源:雷曼股份

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