小间距LED：灯珠缩小对显示屏的影响

1 LED灯珠的点间距和灯珠尺寸对显示屏整体显示的影响

　　全彩 LED显示屏的点间距已经降低到 0.8 mm。与此同时，LED灯珠的尺寸也在降低：目前全彩 LED显示屏普遍使用的是 0808(尺寸：0.8 mm ×0.8 mm )或 0606(尺寸：0.6 mm ×0.6 mm )规格的 LED灯珠。相信不久的将来高清LED 显示屏上将出现0404 (尺寸：0.4 mm ×0.4 mm )规格的 LED 灯珠。

　　为了追求更细腻的高分辨率，就需要更小尺寸的LED灯珠。要生产更小尺寸的 LED灯珠，就必须缩小LED 芯片的表面积。目前小间距芯片最常见的表面积有30 m il2 、25 m il 2和 20 m il2 这三个规格。

　　似乎只要能继续缩小芯片的表面积就可以得到更高的显示分辨率，达到 4K、8K 甚至更高分辨率的 LED 显示屏，但是芯片制造商答复：在目前的工艺制造水平下，LED 芯片表面积达到 17 m il2 后，基本再无缩小的可能性。为什么芯片表面积无法继续缩小下去呢?主要有三方面因素制约着：

　　1）封装吸嘴内径的限制

　　在封装固晶过程中，需要使用工业吸嘴(见图 2)吸取 LED芯片，目前工业用的吸嘴内径只能达到 80μm ，因此只有当芯片的尺寸大于 80μm 才能被吸嘴有效吸住。

　　2）芯片电极的限制

　　目前最小芯片电极(焊线)的直径只能达到 45μm ，再细的电极无法保证芯片的可靠性，灯珠失效率将大大增加。同时为了保证芯片正常工作的电流特性，两极之间也需要有一定的间距。上述两点限制了芯片尺寸无法继续缩小。

　　3）芯片布局工艺的限制

　　如图3 所示：芯片版图的布局、划道宽度、不同层的边界线间距、光刻加工能力等都会影响 LED芯片无法继续缩小。

　　2 LED灯珠类型对显示屏视角的影响

　　如图 4 所示：站在不同的角度位置，主观感受亮度是不一样的，越大的视角其感受亮度必然越低。不同的LED灯珠类型有不同的角度值，LED灯珠的视角决定了LED显示屏的视角，见表1。

　　3 LED 灯珠的角度一致性对显示屏显示均匀性的影响

　　继续用图4 进行分析：站在不同的角度位置，全彩LED显示屏的白平衡和色度也是不一样的。如果同一批 LED灯珠的三基色角度和波长差异很大，那么用这批LED灯珠组成的 LED显示屏，其不同角度的显示白平衡将非常糟糕，即显示屏的显示均匀性很差。要做到 LED灯珠三基色在不同角度时，亮度变化匹配一致，就需要有一个技术指标。目前全彩 LED灯珠的角度一致性指标为：①波长范围 ±5 nm ;②亮度范围小于 1/1.5。

　　对比全彩 LED显示屏，高清 LED显示屏在显示均匀性方面处于劣势。如图6 是 LED芯片 I-V 曲线 分析形成图，表2 是 LED芯片电流特性比对表。高清 LED芯片在非线性工作区的离散性远大于线性工作区。目前采取的解决方案：

　　1）优化外延方向，降低线性工作区下限；

　　2）优化芯片分光，筛选不同特性芯片。 高清 LED显示屏还有如下缺点：余辉荧光效应、扫描偏色、低亮度时色泽偏红以及低灰度时亮度不均匀等问题，在目前阶段只能通过调节 IC 控制端与逐点校正来缓解上述问题。

　　4 LED 灯珠的可靠性和失效率指标

　　LED 显示屏被经常诟病的一个技术指标就是“LED显示屏的寿命 10万h”。应该指出理论上合格的 LED灯珠，其使用寿命可以达到 10万h。但是 LED灯珠的使用寿命还跟模块的工作电流、显示模块 PCB 散热方式、显示屏现场安装工艺，使用环境温湿度、环境污染等级等因素相关。如何科学地反应 LED显示屏的寿命，需要分析 LED芯片的可靠性影响因素。

　　按照目前 LED灯珠的工艺流程，采用相同的外延片、采用相同的芯片结构，LED芯片的抗静电能力(ESD)和反向漏电(IR)是影响 LED 显示屏寿命的重要因素。高清 LED显示屏使用的灯珠越来越小，随着芯片尺寸的不断变小，芯片内部的缺陷数呈几何倍数增长，LED芯片抗静电能力(ESD)快速降低。反向漏电(IR)跟芯片内部的缺陷数成正相关，IR 值越大意味着 LED 片内部的缺陷越多。因此在高清 LED 显示屏工程验收指标中应该加入抗静电能力(ESD)和反向漏电(IR)两项指标作为屏体寿命的支持参数。

　　对传统全彩 LED显示屏来说，1㎡显示模块由 1万个 LED灯珠组成，这 1万个 LED灯珠中有 1个 LED灯珠失效，观众基本可以接收。对高清 LED 显示屏来说，1㎡显示模块有 20 万个 LED灯珠组成，如果还是允许每 1万个灯珠可以有 1个 LED灯珠失效，那么 1㎡显示模块就会出现 20个失效 LED灯珠，观众很难接收这样的成像效果。

　　在工程验收中，全彩 LED显示屏的的失效率指标通常是不高于万分之一。对于高清 LED显示屏，其失效率指标有必要提升到十万分之一甚至是百万分之一。

　　5 LED 灯珠亮度衰减特性指标

　　LED 显示屏使用 9~10 个月后常常会出现“花屏”现象，分析原因：① LED灯珠亮度衰减导致 LED显示屏整体亮度降低;② LED灯珠中红、绿、蓝三种颜色的亮度衰减幅度不一致。

　　全彩 LED显示屏亮度衰减特性的工程验收指标见表3。

　　LED 灯珠亮度衰减特性除与芯片电流特性相关外，显示模块 PCB 板的散热设计、使用环境的污染等级等因素都会影响 LED灯珠的亮度衰减。按照目前的经验，为了降低 LED灯珠的亮度衰减，通常使用 70 % ~80 % 的额定电流给全彩 LED显示模块供电。

　　随着高清 LED芯片表面积的减小，LED灯珠的亮度明显降低，灰度也不够。目前提升芯片亮度只能通过调节芯片结构来提升，而芯片结构又受到芯片尺寸的约束。

　　“低亮低灰”是目前高清 LED显示屏最大的短板，如果亮度衰减特性指标还继续沿用全彩 LED 显示屏的工程验收指标 , “花屏”现象将非常严重。因此建议收紧亮度衰减特性指标：高清 LED显示屏红色亮度衰减指标控制在 1.5 % 之内，蓝、绿色亮度衰减指标控制在 5 %之内。