LED-Hinterleuchtung

RGB-LEDs als Chip-on-Board

16.07.2007 | Autor / Redakteur: Mok Thye Linn* / Andreas Mühlbauer

LED-Hinterleuchtungen sind im Vergleich zu CCFLs sehr kompakt. Doch Chips, die auf ein Substrat und danach auf die Leiterplatte aufgebracht werden, unterliegen Einschränkungen in der Platzierung. Mit einer Chip-on-Board-Lösung gelingt es, den Abstand zwischen den einzelnen LEDs zu verringern.

Jedes Jahr werden mehrere hundert Millionen LCD-Flachbildschirme produziert. Bis heute ist allerdings weniger als 1% davon mit RGB-LEDs als Hintergrundbeleuchtung ausgestattet. Um in Flüssigkristall-Displays einen großen Farbraum darzustellen, ist der Einsatz von RGB-Leuchtdioden als Hintergrundbeleuchtung unumgänglich. Nachteile bei der Hinterleuchtung mit RGB-LEDs sind der niedrigere Wirkungsgrad und die höheren Kosten der LED-Module.

Es gibt viele Lösungsvorschläge, jedoch ist es schwierig, die Anforderungen hinsichtlich flacher Bauform, guter Farbmischung, einfachen Wärmemanagements sowie Plug-&-Play und kostengünstigen Einsatzes zu erfüllen. Kaltkathoden-Fluoreszenzlampen (CCFL) sind bei LCD-Monitoren und Fernsehern immer noch der Industriestandard. Diskrete LED-Module können CCFL-Lösungen vom Preis her nicht ersetzen, da sie größer sind und der Aufwand für die Farbmischung und das Wärmemanagement höher ist. Um die Einführung von Hintergrundbeleuchtungen mit RGB-LED in LCD-Monitoren zu beschleunigen, hat Avago die in Bild 1 dargestellte RGB-LED-Lichtquelle im Chip-On-Board-Package entwickelt.

Das LED-Chip-on-Board-Modul

Die herkömmliche Lösung sieht wie folgt aus: Die LED-Chips werden auf dem Substrat angebracht, um ein diskretes LED-Bauteil zu erhalten. Anschließend werden die LED-Bauteile auf der Leiterplatte (PCB) so angeordnet, dass sie eine kombinierte RGB-LED-Lichtquelle ergeben. Avago hat die LED-Chips direkt auf der Leiterplatte montiert. Diese Bauform ergibt eine im Vergleich zu bisherigen Techniken sehr kompakte Lichtquelle (Bild 2). Der Abstand zwischen den LED-Chips ist deutlich kleiner. Normalerweise beträgt der Mindestabstand der LED-Komponenten 5 mm. Mit der COB-Lösung lässt sich ein Abstand von 2 mm erreichen. Da das Substrat entfällt, entsteht ein insgesamt flacheres Bauteil.

Wegen des geringeren Abstands der LEDs wird auch weniger Fläche zur Farbmischung benötigt (Bild 3). Für eine hohe Effizienz der Lichtkopplung zwischen Lichtquelle und Lichtleiterplatte (LGP) ist der Reflektor Teil des COB-Package, um eine ovale Abstrahlcharakteristik zu erreichen. Durch eine engere Bündelung auf der X-Achse gelangt mehr Licht in die LGP. Ein größerer Winkel auf der Y-Achse verbessert die Farbmischung. Dadurch minimiert sich der Bereich zur Mischung der Farben in der Hintergrundbeleuchtung.

Um einen möglichst geringen Wärmewiderstand zu erreichen, kommt bei diesem Package eine Leiterplatte mit Metallkern zum Einsatz. Die von den LEDs im Betrieb erzeugte Wärme lässt sich durch das Metall wirksamer zum Kühlkörper abführen, da die Wege entsprechend kurz sind (Bild 4). Die Lichtaustrittsöffnung ist länglich und rechteckig. Sie erstreckt sich bis zum Rand der LGP. Das Licht gelangt von den LED-Chips ohne große Verluste zur LGP.

Um die Leistung zu untersuchen, wurde die CCFL-Hintergrundbeleuchtung durch zwei Reihen COB-Packages ersetzt. Die BLU enthielt eine Lichtleiterplatte. Unterhalb dieser wurde ein Reflektor angebracht, oberhalb ein Diffusor und eine Prismenfolie. Die Messung erfolgte auf der Prismenfolie.

LED-Chips erlauben einfaches Wärmemanagement und gute Farbmischung

Die Montage der COB-Packages erfolgt direkt auf dem rückseitigen Metall, sodass die LED-Chips die erzeugte Wärme effizient und gleichmäßig an den großen Metallrahmen abgeben können. Die große Fläche des Metallrahmens strahlt die Wärme daraufhin ab. Ein weitrer Kühlkörper ist nicht notwendig. Bei dieser Konfiguration bleibt die Temperatur der gesamten Hintergrundbeleuchtung, wie in Bild 5 gezeigt, unterhalb von 70 °C.

Das rote, grüne und blaue Licht wird im Reflektorhohlraum gut gemischt. Um die Gleichmäßigkeit der Hintergrundbeleuchtung zu überprüfen, wurde das vorgemischte Weißlicht an neun Punkten unmittelbar nach dem Eintritt in die LGP gemessen. Die Gleichmäßigkeit der Lichtfarbe in du’v’-Farbdarstellung beträgt 0,007 (Tabelle 1). Die Gleichmäßigkeit der Ausleuchtung liegt über 85% (Tabelle 2). Diese Ergebnisse entsprechen der Leistung einer CCFL.

Die Kosten dieser Lösung sind vergleichsweise niedrig, da sie eine vorhandene CCFL-Hintergrundbeleuchtung ohne größere Änderungen ersetzen kann. Eine COB-Lösung ist bei der LCD-Hintergrundbeleuchtung im Vergleich zu konventionellen diskreten LED-Bauteilen die günstigere Lösung. Hinzu kommen die niedrige Bauhöhe, die bessere Farbmischung und das einfache Wärmemanagement.

Gleichmäßige Ausleuchtung bei kompakter Bauweise

Mit einer LED-Hinterleuchtung lässt sich ein größerer Farbraum darstellen als mit CCFL-Backlights. Daher eignen sich LEDs besonders für Displays im Bereich der Bildverarbeitung und Videotechnik. Um die Nachteile wie niedrigen Wirkungsgrad und hohe Kosten auszugleichen, hat Avago eine Chip-on-Board-Lösung (COB) entwickelt. Dabei sind die LED-Chips direkt auf der Leiterplatte montiert. Dies erlaubt niedrige Bauhöhen und eine räumlich dichtere Anordnung der Leuchtdioden. Eine Leiterplatte mit Metallkern sorgt für die Wärmeableitung. Das COB-System erreicht eine sehr gleichmäßige Lichtfarbe und Ausleuchtung, entsprechend derer von CCFLs.

*Mok Thye Linn, Abteilung Forschung und Entwicklung, Geschäftsbereich Halbleiter-Leuchtmittel bei Avago Technologies

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