长久以来大型化、低价化一直是平面显示器的竞争主轴，2007年日本厂商却另辟战场，预定2020年之前内实现系统外形厚度10mm，以及影像传输无线化的平面显示器。

虽然画面尺寸与价格一直是液晶电视普及化不可欠缺的重要要素，不过电视的核心魅力，亦即影像画质却不曾改变，尤其是色彩致密的画面可以彻底感动观视者，感性的商品说明与广告，反而成为多余而且不必要。

有关提升画质特性的技术，以往焦点大多都集中在面板本身的画质改善。LED背光照明模块的画质提升效果，最明显就是色域的扩大。SONY在2004年发表全球第一款使用LED背光照明模块的46吋液晶电视「QUALIA005」，CIExy坐标色域为NTSC比105％，2007年发表的70吋同类型液晶电视「KDL-70X7000」，色域更高达NTSC比107％。在此同时同样备受关注的色域扩大技术，就是美国杜比研讨会发表部份辉度控制技术，亦即所谓的「Local Dimming（峰值与减光）」技术。

随着LED背光照明模块的实用化，使用Local Dimming技术的背光照明模块，辉度可以在0％（减光）～200％（峰值）之间变化，面内辉度可作2次元控制，全面点灯造成的黑色辉度降低问题可以获得彻底改善，不过使用冷阴极灯管的背光照明模块，只能作1次元控制无法作2次元控制。

LED背光照明模块除了画质提升效果之外，LED本身也具备许多优秀特性，例如长使用寿命、低消费电力、轻巧、耐冲击、无水银、高环保性，因此吸引全球各液晶电视系统厂商，积极开发LED背光照明模块。

LED背光照明模块机构上只是将冷阴极灯管的光源改成半导体LED光源，然而实际商品化设计时却面临许多技术问题，因此本文要探讨LED背光照明模块商品化时的光源选择，以及量产与散热等技术性问题。

发展经纬

使用RGB LED背光照明模块的液晶电视问世以来，由于LED背光照明模块具备下列特征，一般认为未来势必吸引全球液晶电视机系统厂商加入开发行列。

然而目前RGB LED背光照明模块，还未完全取代传统冷阴极灯管，主要原因是成本问题，特别是液晶电视的价格竞争激化，同时要兼顾优质（Premium）性能与价格竞争优势相当困难，此外还必需满足辉度、色彩均匀性要求，实现冷阴极灯管同等级的模块厚度。

有关消费电力相较于以往的环境，以消费者注意的观点而言，消费者要求比传冷阴极灯管更优秀的消费电力特性。LED光源的可靠性，一般要求最少5万小时以上。

由于新技术不断的问世，光源的可靠性预测却比预期更困难，若考虑LED本质上具备的分布特性时，如何建立具有量产性的背光照明模块用LED供应系统，才是系统厂商觉得最棘手的课题，特别是目前仰赖全数检查方式，根本无法提供市场需求的数量。

成本、模块厚度、消费电力彼此都有互动关系，随着重视项目不同，优化设计也出现明显差异，此时造成影响的变量反而是LED的使用数量、驱动电流与工作比（Duty Rate）。

减少LED的使用数量成本势必降低，然而为获得必要的辉度，必需提高驱动电流，不过如此一来消费电力则大幅增加，高驱动电流会影响LED的使用寿命，此外高电流领域的LED特性则急遽劣化，为弥补均匀性的劣化，必需增加模块厚度。

为改善动画特性一般都采用脉冲驱动，此时若减低工作比，获得相同辉度必需增加峰值电流，其结果与上述提高驱动电流的结果相同。

如上所述即使进行互动（Trade-off）设计，理论上还是无法彻底解决问题，根本对策是开发LED背光照明模块最适宜的LED光源，以及薄型、高效率、高混色性、高演色性的背光照明模块结构，利用最少的LED使用数量，建构高成本效益的LED背光照明模块。

选择背光照明模块用LED

考虑LED光源优化时，一开始就必需检讨使用高功率LED或是芯片型LED，这两种方式各自具备以下特征：

高功率LED

芯片型LED

LED背光照明模的散热

接着以SONY开发使用LED背光照明模块的「QUALIA005」液晶电视为范例，探讨LED背光照明模块的散热设计。

如图一LED所示，本身属于半导体组件点灯时会发热，发热造成的温升特性改变。若与其它光源比较，LED的光输出温度相关性比较少，不过使用AlInGaP系材料的红光LED，高温时的光输出降低比蓝光、绿光LED大，因此RGB 3色LED混光的场合，红光输出降低成为LED背光照明模块色不均匀的主要原因。

此外根据Vf的温度特性可知，温度上升顺电流会降低，其结果造成电流增加，LED更热的恶性循环。

换句话说设计LED背光照明模块时，首先需要考虑如何处理LED温升造成的色不均匀问题。例如利用背光照明模块本身适度散热，积极补正发热造成的色不均匀，或是不作任何处理，完全仰赖背光照明模块本身的自然空冷，避免光源基板的焊接温度，或是LED的接点温度超越可靠性基准的上限设定，依此才能够决定LED背光照明模块的散热设计方针。

《图一 温升造成红光LED的相对辉度降低》

LED造成的发热，除了本身之外还会引发诸多问题。由于LED产生的热会经由各种路径，传递至背光照明模块的筐体（Chassis），液晶面板则直接固定在背光照明模块筐体上方，因此液晶面板本身也会受到温度的影响，特别是液晶面板本身直接与LED背光照明模块接触的周围端缘温度，通常都比中心部位高温。

在此同时LED透过辐射的热移动很少，液晶面板中心部位的温升，比冷阴极光源背光照明模块低。动作时液晶面板面内的局部性温度分布，容易造成液晶面板本身热变形，进而产生色不均、漏光等问题。

此外高温背光照明模块筐体本身也受到热应力影响，如图二、图三所示，通常LED背光照明模块的框体接中央与靠近上方会变成高温，并以该部位为中心产生外凸变形，从电视机正面观察时，背光照明模块整体呈内凹状，画面尺寸很大时会形成压缩液晶面板的应力，设计上必需格外谨慎。

冷阴极光源背光照明模块的灯管两端缘同样是高温部位，不过该部位被悬空支撑，因此对筐体的热影响反而很轻微。图四是LED背光模块背面的温度对辉度特性的影响测试结果。

LED背光照明模块商品化时，会面临每个LED的特性分布都不相同的难题，尤其是量产LED对预期的相对亮度，每颗LED的顺电流值都不相同，设计液晶电视用直下型LED背光照明模块时，必需使用特性相同的LED，或是使用经过选别具备某种程度以上特性的LED，或是依照各等级适度组合不同特性的LED。

《图二 LED背光模块背面的温度分布》

《图三 LED背光模块背面的温度－辉度特性》

LED背光照明模的光学特性与成本、消费电力

决定LED背光照明模消费电力的主要要素，分别LED的使用数量、LED的发光效率，与背光照明模要求的必要辉度。

LED背光照明模的LED使用数量，直接影响LED背光照明模的制作成本，以及液晶电视的价格，对辉度不均、光学距离（混光距离）、可靠性，等背光照明模的基本性能也有深远的影响。一般液晶电视要求的背光照明模，要求在照光面全领域制作无色不均的均一辉度。

使用点光源LED制作背光照明模块的时，通常光学距离亦即光源至扩散板的距离越大，背光照明模阻的厚度越厚，越容易获得均匀的辉度，如果可以取得充分的混光距离，理论上越容易降低RGB 3色LED混光造成的色不均匀问题（单芯片白光LED除外）。

有关各点光源组件之间的间距，LED彼此的距离越狭小，亦即画面整体密集铺设LED，越容易获得无色不均匀的均一辉度。

换句话说设计无色不均、辉度不均的薄型LED背光照明模时，单纯增加LED的使用数量即可。图13是光源数量与混光距离的关系，图六是光源之间的距离、数量与混光距离的关系。

以消费电力的观点而言，增加LED的使用数量，确实可以降低单位LED的光输出，并在比较高效率领域进行发光，其结果使得单位LED的发热量降低，因此成本允许的范围内，笔者认为增加LED的使用数量，反而容易设计薄型、低消费电力的LED背光照明模。

《图四 光源数量与混光距离的关系》

《图五 光源之间的距离数量与混光距离的关系》

实际上液晶电视面临的周遭环境与理想截然不同，新机型的规划最终价格设定已经被视为最优先项目，为彻底抑制总制作成本，往往要求占总制作成本相当高比重的光源使用数量降低至极限边缘。

LED背光照明模块的光源成本一旦决定，LED光源的使用数量几乎定案，必要辉度一旦决定，驱动电流也几乎定案。

如上所述LED光源的使用数量与消费电力有互动关系，削减LED光源的使用数量，以目前LED的发光效率，必需觉悟消费电力会呈某种程度上升，电视系统为满足设计规格，冷却LED的温度成为常用的手段。

LED的发光效率几乎每年更新记录，因此LED背光照明模块的单位尺寸消费电力也随着逐年降低。

LED背光模块的冷却系统要求的冷却能力需要何种程度，基本上取决于预期LED芯片的温度降至几度。如上所述LED属于半导体组件，有所谓的接点温度限制，LED的接点温度最高大约是100～150℃，超过LED接点温度Tj的上限时，LED可能无法点灯。

此外即使在接点温度容许范围内，随着接点温度的上升，顺电压Vf与光束ΦV会降低，其结果造成顺电流If变动色坐标（Cx , Cy）发生变化，换句话说芯片的温度变动直接影响辉度与色度。

另一个温度的限制是光源基板的焊接温度。一般LED光源是将LED芯片的底部作芯片固定（Die Bonding）在基板上，之后再作电极的导线固定（Wire Bonding），LED背光模块用光源，最后必需将此LED芯片模块封装于光源基板上。

光源基板大多使用玻璃环氧基板，或是重视散热特性的铝金属核心基板，此时考虑电极与基板之间的焊接循环造成的可靠性问题，通常会规定上限温度Tsol。

至于各LED芯片温度如何估算，常用手法使用热电路网络法（热等价电路法），单纯系统的场合，使用Excel等窗体（Spreadsheet）就可以计算，或是使用日本Thermal Design Laboratory开发的Thermocal散热优化设计软件亦可。

一般所谓的背光模块消费电力是指各光源的消费电力总合。

上述热阻抗包含热的三大法则，亦即：

根据到目前为止累积的经验，笔者认为LED背光模块的场合，包含组件之间接触热阻抗在内的传导热阻抗扮演支配性角色，因此只要将焦点锁定在传导热阻抗即可。

基板与筐体之间如果使用散热膜片，可以获得某种程度的面接触，反面缺点是制作成本会急遽上升，而且组立时会发生作业性等问题。

结语

基板与筐体之间如果使用散热膜片，可以获得某种程度的面接触，反面缺点是制作成本会急遽上升，而且组立时会发生作业性等问题。

以上介绍高阶液晶电视用LED背光模块的光源与散热系统设计。随着LED发光效率的提升与价格的下跌，一般认为用LED背光模块可望逐渐应用在普及机型。

市场可以接受的条件是系统价格必需降低至与传统冷阴极光源背光模块相同水平，占整体成本极高比重的光源成本与散热相关成本，因此成为主要削减目标。其实散热相关成本对背光模块，原本的功能根本是额外支出，原则上必需尽量抑制，充分掌握LED背光模块的热特性，最低限度使用最适当的散热组件，使成本最小化是未来设计主轴。