局部調光走向實用 LED微型化是關鍵
LED的晶片技術這幾年在microLED下世代顯示技術的驅動下，晶片愈做愈小，微小晶粒的轉移與封裝技術日趨成熟，加上OLED顯示技術在產業商品化的驅動下，逐漸侵蝕LCD產品市場的態勢日趨明顯。因此，採用miniLED輔以局部調光的背光需求應運而生。
2021年四月，蘋果(Apple)推出採用miniLED背光的12.9吋iPad Pro；華為則於八月推出採用miniLED背光的智慧螢幕V 75 Super，顯示終端應用商對miniLED背光改善LCD影像的效果，已經給予肯定，也讓miniLED背光登上了產品的舞台。
雖然miniLED背光的許多技術是承襲LED顯示板(如LED看板、小間距LED螢幕)而來，但是應用到背光仍有許多與LCD面板相關的光學特性需要考量。過去背光模組廠只要考慮背光模組出光效率、均勻度即可滿足面板廠需求，而miniLED局部調光模組就需要考慮到光斑大小、光擴散的設計，局部調光的區數與配置，此外如何驅動能兼顧到成本、驅動模組體積、散熱等。這些設計指引就要與面板的特性(如VA、IPS mode)等密切配合，才能設計出可以發揮效益的局部調光miniLED背光源。
局部調光大幅提升LCD對比度
傳統LCD面板的亮暗態是單獨靠液晶的轉動來控制，但是當影像為暗態時，液晶高分子材料遮擋光線的能力有限，無法實現全黑，是造成LCD黑階狹窄，對比度不如OLED的主要原因。
局部調光的原理是讓在背光源的LED根據影像的需求決定亮暗，如此一來LCD的光線調控就由液晶與背光源共同來調控。當影像暗態時，LED就不發光，影像的黑就達到徹底的黑，佐以亮態的高亮度，一舉把LCD的黑階擴大，達到高畫質的效果，如圖1所示。同時由於背光點不必一直處於亮態，該亮才亮的結果也帶來功耗降低的好處。
局部調光最理想的配置是每一個LCD像素配置一顆LED作對應的調光，但無論是技術上或成本上都不可能達到(以後會達到，不過那就變成miniLED顯示器)。因此LED燈珠出光特性、燈珠配置與顯現出來的光學效應等因素都會影響LCD最後的影像品質。
直下式LED背光必須同時滿足光源面板覆蓋率與背光模組出光均勻度兩個基本要求。LED燈珠的亮度分布(Light Spread Function, LSF)是中間最亮的點光源，因此需要加上擴散板，並增加燈珠到擴散板的距離(Optical Distance, OD)，擴大點光源分布。高效率LED燈珠矩陣的配置，就是要使LED燈珠經過擴散板、OD值與燈珠間距(Pitch)達到配光最佳化。一般準則是光強度半波寬除以燈珠間距的值大於1.5，此時LED背光源的均勻度即可達到要求。藉此準則，我們可以在背光均勻度與減少LED燈珠使用量之間，取得最佳平衡點，如圖2所示。
四大因素影響區域調光效果
每顆燈珠在局部調光都要承擔暗亮的任務，因此每顆燈珠的亮度分布也會呈現到影像點的亮暗。前述每顆LED光強度是一個分布型態，當中心點亮度提高時，分布區就變寬廣，造成燈珠的光學行為與理想狀況有所差異。當燈珠中心亮度無法達到設計理想值時，稱為Clip effect，這會造成峰值亮度偏低，但是把峰值量度調高，則亮區會溢出設計像素，形成光暈，稱為Halo effect(圖3)。
LED晶片的尺寸與光暈現象也有密切關係，晶片大時，光點涵蓋面廣，溢出設計像素範圍自然大，因此把LED尺寸縮小到百微米等級的miniLED，對於局部調光有其實際的需求。光暈效果是目前miniLED背光被詬病的缺陷，尤其在顯示黑畫面的光點或是側看亮點影像時特別明顯。降低光暈效應最有效的方法，就是採用較多的LED燈來降低LED間的峰值亮度與間距，惟付出的代價就是LED晶片成本增加。
光學調控的精確度與局部調光分區的數目有密切的關係。分區愈多，每個區域能夠涵蓋的LCD像素愈少，影像的亮度調控愈精細，背光影像的明暗度也能愈接近原始畫面。圖4是京東方在2020年發表75吋局部調光設計與模擬，結果顯示在一個調光區涵蓋40×40像素下的20,736分區，局部調光可以達到與原始圖像明暗分布相近的效果。
除了晶片尺寸、陣列擺置等光源因素影響局部調光效果外，LCD液晶本身關閉光源的能力(液晶對比度)也影響分區數的規畫。LCD有TN、VA和IPS三種型態，這三種型態的液晶對比度不一，VA型液晶對光開關能力較強，致使液晶對比度較大，大約5,000，而IPS就只有約2,000。因此，要達到相同的局部調光效果，IPS型態的LCD面板所需要調光區要比VA型的多很多，從模擬數據來看，差距將有近十倍之多。
考量驅動IC成本 掃描驅動更具吸引力
局部調光miniLED背光板的驅動自然比傳統的LED背光板驅動要複雜很多，但是LED顯示屏發展已經非常成熟，部分驅動方法可以應用到局部調光miniLED背光板。
全矩陣局部區域調光(Full Array Local Dimming, FALD)大致分為靜態直接驅動與掃描驅動，靜態直接驅動能夠對每個miniLED灌入較大電流，峰值亮度比較高。然而，當miniLED數量很多時，所需的驅動IC數量就很龐大。因此，目前局部調光miniLED背光大都採用掃描驅動，以降低驅動IC的數量。
當然，最理想的狀況是每顆miniLED都可以直接利用薄膜電晶體TFT驅動的主動式驅動(Active Matrix)，惟LED的亮度取決電流密度大小，屬於電流驅動的元件，驅動技術比較類似應用於OLED的主動驅動，與TFT LCD的電壓驅動不一樣。儘管如此，TFT驅動的成本非常高，即使簡單的2T1C，也要用到5道光罩製程。付出這麼昂貴的代價，卻只得到增加LCD的黑階效果，其成本效益是否值得，還有待商榷。
miniLED燈板結構與製程挑戰
miniLED背光燈板的結構與傳統LED背光有許多不同，傳統直下式LED背光多採燈條的設計，光源是數毫米等級的LED晶片與透鏡組成燈珠。而miniLED則採用燈板設計，LED晶片只有百微米等級，沒有透鏡，但是覆蓋有一層具有光學擴散效益的塗層如圖5。除了燈板以外，miniLED背光模組也和傳統背光模組一樣搭配擴散膜、量子點膜、增亮膜等相關的光學膜。
miniLED的晶片只有百微米，固晶方式存在許多挑戰。傳統LED是正裝結構做成燈珠，採用電路板成熟的表面黏著技術(SMT)將表面貼裝LED(SMD LEDs)焊到電路板(PCB)上。由於miniLED晶片很小，晶片間距也只有4~6毫米之間，不只點間距小，焊點也會只有幾十微米，傳統焊錫製程條件的偏移量大，導致晶片容易在高溫焊接時滑動、脫落，導致良率低下。
此外，SMD的生產工藝需要經過固晶、焊線、點膠、烘烤、衝壓、編帶、貼片等環節，製作流程很長，難以控制。SMD目前在miniLED組裝應用上，已經逐漸無法滿足需求，取而代之的是倒裝結構(Flip Chip)的COB(Chip on Board)製程(圖6)。未來在晶片和間距愈來愈小之下，倒裝結構的COB製程應該會成為miniLED固晶製程的主流。
倒裝覆晶結構的固晶製程大致上可分成在PCB基板上直接印刷焊料、進行高精度貼裝LED晶片與回流焊接三個步驟。由於晶片微小，數量大，因此實際生產有幾大技術挑戰，包括位置要精準，miniLED晶片大約百微米等級，焊接金屬點位約幾十微米，因此晶片對位精度要求到幾微米，傾斜角度小於1微米，這不只挑戰設備動作精度，還挑戰SMT製程的穩定度。
此外，背光模組的miniLED晶片動輒數萬顆，數量非常龐大，轉移、貼覆速度與良率都是製程的考驗；最後還需要檢測與修補等程配合，這些都是miniLED背光模組製造的挑戰(圖7)。
目前miniLED背光製造技術大都採用多層PCB電路板，但是PCB先天就有平整度不夠，以及散熱不佳會造成熱翹曲的缺陷，在LED晶片間距愈來愈小，數量愈來愈多時，這些問題日益嚴重。因此，目前也有許多廠家著力於開發玻璃基板覆晶貼附的COG製程。這些新製程除了解決miniLED背光模組問題外，也會為將來microLED顯示技術打下基礎。
miniLED局部調光為影像品質帶來大幅提升
相較於傳統LED背光模組，局部調光的miniLED背光模組無論是在晶片、組裝或是驅動技術上，都付出了很多代價，這些代價所帶來LCD影像品質的提升，是否和OLED影像品質相當甚至超越，並藉以阻擋OLED對LCD市場的侵蝕？我們分析2021年推出miniLED局部調光的LCD商品作為評判的依據。
蘋果於2021年4月推出iPad Pro，搭載miniLED背光的12.9吋液晶螢幕(蘋果命名為Liquid Retina XDR)，顯示器規格達HDR標準，LCD顯示的對比度高達 1,000,000:1，與OLED不相上下。全螢幕亮度高達1,000nits，峰值亮度更可達 1,600nits，反應到最亮到最暗的黑階的效果是全畫面可展示從0到1,600nits的空間，足以展示更細膩的影像細節，影像品質與OLED相比，有過之而無不及。
這麼高品質的影像，得力於miniLED局部調光的背光板的成效，該背光板以四個212×211um的miniLED為一區，整個面板設計有2,596個分區，用了10,384顆藍光LED晶片，這個出色的影像品質是用約90美元成本的背光模組打造而成。然而，在驚艷影像品質上，光暈現象非常明顯，尤其是側面或顯示黑背景的白亮點時更容易感受此現象，顯然光暈效應是iPad Pro 這款顯示仍待改善的敗筆。
同年七月，華為亦推出採用miniLED背光的華為V75 Super智慧螢幕，常規亮度為300nits，峰值可達3,000nits；對比度在官網資料是10,000,000:1(典型值)，色域達97% DCI-P3。miniLED背光板分區數為2,880區，每個分區有16顆152×508 um大小藍光LED，共計46,080顆，並輔以量子點膜來擴大色域。
特別的是，其miniLED面上塗佈了一層光學膜層來增加光的均勻性。整個75吋的背光板是由16個背光模組構成，每個模組有180個分區，這180個分區僅用2顆IC來驅動，每顆IC具有驅動90分區的能力(1,440顆LED)，相當的出色。圖8為2021年推出，能充分發揮局部調光miniLED背光特色的產品。
實際考察相同影片在OLED電視與局部調光miniLED背光LCD電視播放的影像品質，可以體會miniLED背光所帶來的效果。把2,880區miniLED背光的華為V75 Super螢幕、1,000區的Samsung QN85A與OLED的Sony A80J做比較，可以很清楚的看出miniLED對影像提升的效果。
相同影片在miniLED背光LCD呈現出來的影像品質不僅不亞於自發光的OLED面板，甚至由於miniLED背板可以達到比OLED更高的亮度，拉開黑階的效果使影像更加細膩有層次感，如圖9所示。實測可以發現採用miniLED背光的LCD面板，在暗部黑的表現低至3nits左右，直逼OLED面板；而在亮部則高達千nits以上，遠遠超過OLED所限制的600 nits，影像的品質是由亮度與色域組合的成效，因此，在影像上miniLED背光的LCD面板比OLED更能表現細緻的畫面。miniLED背光對LCD影像品質確實有極顯著的提升。
miniLED成本問題仍待解決
從1988年夏普(Sharp)展示第一個TFT LCD，至今已經超過三十年。三十幾年來，LCD挾著輕薄的優勢，首先在筆記型電腦應用上逐漸成長茁壯，並把笨重的CRT逐出市場。然而，自2017年以後，LCD面臨OLED的挑戰，目前已經慢慢喪失在手機中小尺寸應用的市場。而OLED產業也日漸成熟，近年來更以折疊、捲曲等LCD無法因應的特性開始侵蝕LCD中大尺寸的市場。
雖然「miniLED背光是LCD抵擋OLED最後一道防線」的說法有些危言聳聽，但是從工程的角度來看，miniLED背光的確是破解當下OLED在顯示指標優勢的解決方案。不過，要特別提出的是這些影像改善的方案是用成本堆積起來的，以目前成本分析來看，miniLED背光成本已經高過面板，成本下降是miniLED背光方案是否能夠普及的關鍵。miniLED技術再發展下去就是自發光的microLED顯示，如圖10所示，屆時，LCD與OLED是不是都會被microLED所取代，或許時間會給我們答案。
(本文作者為資深顯示技術專家)
