長久以來大型化、低價化一直是平面顯示器的競爭主軸，2007年日本廠商卻另闢戰場，預定2020年之前內實現系統外形厚度10mm，以及影像傳輸無線化的平面顯示器。

雖然畫面尺寸與價格一直是液晶電視普及化不可欠缺的重要要素，不過電視的核心魅力，亦即影像畫質卻不曾改變，尤其是色彩緻密的畫面可以徹底感動觀視者，感性的商品說明與廣告，反而成為多餘而且不必要。

有關提升畫質特性的技術，以往焦點大多都集中在面板本身的畫質改善。LED背光照明模組的畫質提升效果，最明顯就是色域的擴大。SONY在2004年發表全球第一款使用LED背光照明模組的46吋液晶電視「QUALIA005」，CIExy座標色域為NTSC比105％，2007年發表的70吋同類型液晶電視「KDL-70X7000」，色域更高達NTSC比107％。在此同時同樣備受關注的色域擴大技術，就是美國杜比研討會發表部份輝度控制技術，亦即所謂的「Local Dimming（峰值與減光）」技術。

隨著LED背光照明模組的實用化，使用Local Dimming技術的背光照明模組，輝度可以在0％（減光）～200％（峰值）之間變化，面內輝度可作2次元控制，全面點燈造成的黑色輝度降低問題可以獲得徹底改善，不過使用冷陰極燈管的背光照明模組，只能作1次元控制無法作2次元控制。

LED背光照明模組除了畫質提升效果之外，LED本身也具備許多優秀特性，例如長使用壽命、低消費電力、輕巧、耐衝擊、無水銀、高環保性，因此吸引全球各液晶電視系統廠商，積極開發LED背光照明模組。

LED背光照明模組機構上只是將冷陰極燈管的光源改成半導體LED光源，然而實際商品化設計時卻面臨許多技術問題，因此本文要探討LED背光照明模組商品化時的光源選擇，以及量產與散熱等技術性問題。

發展經緯

使用RGB LED背光照明模組的液晶電視問世以來，由於LED背光照明模組具備下列特徵，一般認為未來勢必吸引全球液晶電視機系統廠商加入開發行列。

然而目前RGB LED背光照明模組，還未完全取代傳統冷陰極燈管，主要原因是成本問題，特別是液晶電視的價格競爭激化，同時要兼顧優質（Premium）性能與價格競爭優勢相當困難，此外還必需滿足輝度、色彩均勻性要求，實現冷陰極燈管同等級的模組厚度。

有關消費電力相較於以往的環境，以消費者注意的觀點而言，消費者要求比傳冷陰極燈管更優秀的消費電力特性。LED光源的可靠性，一般要求最少5萬小時以上。

由於新技術不斷的問世，光源的可靠性預測卻比預期更困難，若考慮LED本質上具備的分佈特性時，如何建立具有量產性的背光照明模組用LED供應系統，才是系統廠商覺得最棘手的課題，特別是目前仰賴全數檢查方式，根本無法提供市場需求的數量。

成本、模組厚度、消費電力彼此都有互動關係，隨著重視項目不同，最佳化設計也出現明顯差異，此時造成影響的變數反而是LED的使用數量、驅動電流與工作比（Duty Rate）。

減少LED的使用數量成本勢必降低，然而為獲得必要的輝度，必需提高驅動電流，不過如此一來消費電力則大幅增加，高驅動電流會影響LED的使用壽命，此外高電流領域的LED特性則急遽劣化，為彌補均勻性的劣化，必需增加模組厚度。

為改善動畫特性一般都採用脈衝驅動，此時若減低工作比，獲得相同輝度必需增加峰值電流，其結果與上述提高驅動電流的結果相同。

如上所述即使進行互動（Trade-off）設計，理論上還是無法徹底解決問題，根本對策是開發LED背光照明模組最適宜的LED光源，以及薄型、高效率、高混色性、高演色性的背光照明模組結構，利用最少的LED使用數量，建構高成本效益的LED背光照明模組。

選擇背光照明模組用LED

考慮LED光源最佳化時，一開始就必需檢討使用高功率LED或是晶片型LED，這兩種方式各自具備以下特徵：

高功率LED

晶片型LED

LED背光照明模的散熱

接著以SONY開發使用LED背光照明模組的「QUALIA005」液晶電視為範例，探討LED背光照明模組的散熱設計。

如圖一LED所示，本身屬於半導體元件點燈時會發熱，發熱造成的溫升特性改變。若與其它光源比較，LED的光輸出溫度依存性比較少，不過使用AlInGaP系材料的紅光LED，高溫時的光輸出降低比藍光、綠光LED大，因此RGB 3色LED混光的場合，紅光輸出降低成為LED背光照明模組色不均勻的主要原因。

此外根據Vf的溫度特性可知，溫度上升順電流會降低，其結果造成電流增加，LED更熱的惡性循環。

換句話說設計LED背光照明模組時，首先需要考慮如何處理LED溫升造成的色不均勻問題。例如利用背光照明模組本身適度散熱，積極補正發熱造成的色不均勻，或是不作任何處理，完全仰賴背光照明模組本身的自然空冷，避免光源基板的銲接溫度，或是LED的接點溫度超越可靠性基準的上限設定，依此才能夠決定LED背光照明模組的散熱設計方針。

《圖一　溫升造成紅光LED的相對輝度降低》

LED造成的發熱，除了本身之外還會引發諸多問題。由於LED產生的熱會經由各種路徑，傳遞至背光照明模組的筐體（Chassis），液晶面板則直接固定在背光照明模組筐體上方，因此液晶面板本身也會受到溫度的影響，特別是液晶面板本身直接與LED背光照明模組接觸的周圍端緣溫度，通常都比中心部位高溫。

在此同時LED透過輻射的熱移動很少，液晶面板中心部位的溫升，比冷陰極光源背光照明模組低。動作時液晶面板面內的局部性溫度分佈，容易造成液晶面板本身熱變形，進而產生色不均、漏光等問題。

此外高溫背光照明模組筐體本身也受到熱應力影響，如圖二、圖三所示，通常LED背光照明模組的框體接中央與靠近上方會變成高溫，並以該部位為中心產生外凸變形，從電視機正面觀察時，背光照明模組整體呈內凹狀，畫面尺寸很大時會形成壓縮液晶面板的應力，設計上必需格外謹慎。

冷陰極光源背光照明模組的燈管兩端緣同樣是高溫部位，不過該部位被懸空支撐，因此對筐體的熱影響反而很輕微。圖四是LED背光模組背面的溫度對輝度特性的影響測試結果。

LED背光照明模組商品化時，會面臨每個LED的特性分佈都不相同的難題，尤其是量產LED對預期的相對光度，每顆LED的順電流值都不相同，設計液晶電視用直下型LED背光照明模組時，必需使用特性相同的LED，或是使用經過選別具備某種程度以上特性的LED，或是依照各等級適度組合不同特性的LED。

《圖二　LED背光模組背面的溫度分佈》

《圖三　LED背光模組背面的溫度－輝度特性》

LED背光照明模的光學特性與成本、消費電力

決定LED背光照明模消費電力的主要要素，分別LED的使用數量、LED的發光效率，與背光照明模要求的必要輝度。

LED背光照明模的LED使用數量，直接影響LED背光照明模的製作成本，以及液晶電視的價格，對輝度不均、光學距離（混光距離）、可靠性，等背光照明模的基本性能也有深遠的影響。一般液晶電視要求的背光照明模，要求在照光面全領域製作無色不均的均一輝度。

使用點光源LED製作背光照明模組的時，通常光學距離亦即光源至擴散板的距離越大，背光照明模阻的厚度越厚，越容易獲得均勻的輝度，如果可以取得充分的混光距離，理論上越容易降低RGB 3色LED混光造成的色不均勻問題（單晶片白光LED除外）。

有關各點光源元件之間的間距，LED彼此的距離越狹小，亦即畫面整體密集鋪設LED，越容易獲得無色不均勻的均一輝度。

換句話說設計無色不均、輝度不均的薄型LED背光照明模時，單純增加LED的使用數量即可。圖13是光源數量與混光距離的關係，圖六是光源之間的距離、數量與混光距離的關係。

以消費電力的觀點而言，增加LED的使用數量，確實可以降低單位LED的光輸出，並在比較高效率領域進行發光，其結果使得單位LED的發熱量降低，因此成本允許的範圍內，筆者認為增加LED的使用數量，反而容易設計薄型、低消費電力的LED背光照明模。

《圖四　光源數量與混光距離的關係》

《圖五　光源之間的距離數量與混光距離的關係》

實際上液晶電視面臨的周遭環境與理想截然不同，新機型的規劃最終價格設定已經被視為最優先項目，為徹底抑制總製作成本，往往要求占總製作成本相當高比重的光源使用數量降低至極限邊緣。

LED背光照明模組的光源成本一旦決定，LED光源的使用數量幾乎定案，必要輝度一旦決定，驅動電流也幾乎定案。

如上所述LED光源的使用數量與消費電力有互動關係，削減LED光源的使用數量，以目前LED的發光效率，必需覺悟消費電力會呈某種程度上升，電視系統為滿足設計規格，冷卻LED的溫度成為常用的手段。

LED的發光效率幾乎每年更新記錄，因此LED背光照明模組的單位尺寸消費電力也隨著逐年降低。

LED背光模組的冷卻系統要求的冷卻能力需要何種程度，基本上取決於預期LED晶片的溫度降至幾度。如上所述LED屬於半導體元件，有所謂的接點溫度限制，LED的接點溫度最高大約是100～150℃，超過LED接點溫度Tj的上限時，LED可能無法點燈。

此外即使在接點溫度容許範圍內，隨著接點溫度的上升，順電壓Vf與光束ΦV會降低，其結果造成順電流If變動色座標（Cx , Cy）發生變化，換句話說晶片的溫度變動直接影響輝度與色度。

另一個溫度的限制是光源基板的銲接溫度。一般LED光源是將LED晶片的底部作晶片固定（Die Bonding）在基板上，之後再作電極的導線固定（Wire Bonding），LED背光模組用光源，最後必需將此LED晶片模組封裝於光源基板上。

光源基板大多使用玻璃環氧基板，或是重視散熱特性的鋁金屬核心基板，此時考慮電極與基板之間的銲接循環造成的可靠性問題，通常會規定上限溫度Tsol。

至於各LED晶片溫度如何估算，常用手法使用熱電路網路法（熱等價電路法），單純系統的場合，使用Excel等表單（Spreadsheet）就可以計算，或是使用日本Thermal Design Laboratory開發的Thermocal散熱最佳化設計軟體亦可。

一般所謂的背光模組消費電力是指各光源的消費電力總合。

上述熱阻抗包含熱的三大法則，亦即：

根據到目前為止累積的經驗，筆者認為LED背光模組的場合，包含元件之間接觸熱阻抗在內的傳導熱阻抗扮演支配性角色，因此只要將焦點鎖定在傳導熱阻抗即可。

基板與筐體之間如果使用散熱膜片，可以獲得某種程度的面接觸，反面缺點是製作成本會急遽上升，而且組立時會發生作業性等問題。

結語

以上介紹高階液晶電視用LED背光模組的光源與散熱系統設計。隨著LED發光效率的提升與價格的下跌，一般認為用LED背光模組可望逐漸應用在普及機型。

市場可以接受的條件是系統價格必需降低至與傳統冷陰極光源背光模組相同水準，占整體成本極高比重的光源成本與散熱相關成本，因此成為主要削減目標。其實散熱相關成本對背光模組，原本的功能根本是額外支出，原則上必需盡量抑制，充分掌握LED背光模組的熱特性，最低限度使用最適當的散熱元件，使成本最小化是未來設計主軸。

有關LED背光模組的散熱，技術上可供選擇的分析軟體、元件比預期來的欠缺，其實過去數百年以來，各種散熱元件不斷的推陳出新，然而散熱技術根本上還是由傳導、對流、放射三大動作機制構成，散熱對策的三大手法，增加散熱面積、增加熱傳達率、降低周圍溫度並未改變，即使是LED背光模組常用使用的降低各元件之間的熱阻抗，將熱集中一處強制冷手法，根本上它還是熱設計的三大對策的範疇。