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LED显示屏使用寿命的影响因素分析

2016-02-19 市场动态
 LED显示屏由一列发光二极管排列组合而成,因此LED的质量直接影响显示屏的整体品质。决定LED品质的指标有五个:亮度与视角、均匀性与清晰度、像素失控率、寿命、能耗与能效。影响LED显示屏寿命的因素有内因和外因,内因有外围部件性能、LED发光器件的性能、产品抗疲劳性能;内因有LED显示屏的工作环境等等。散热就是影响LED显示屏质量和使用寿命的关键因素。
 
  LED显示屏五大关键指标
 
  LED(发光二极管)对显示屏的重要性就好比汽车的引擎、空调的压缩机。选择一款性能优良的LED是完成一个高性能LED显示屏的基本条件。然而,即使同样的配菜、同样的调料、同样的灶具,不同水平的厨师也可能烹饪出千差万别的菜肴。因此,能否用好LED更是检验显示屏制造商的试金石。一般认为显示屏有以下五大关键性能指标与LED品质参数息息相关:亮度与视角、均匀性与清晰度、像素失控率、寿命、能耗与能效。
 
     一、亮度与视角
 
  显示屏亮度主要取决于LED的发光强度和LED密度。近几年LED在衬底、外延、芯片及封装等方面的新技术层出不穷,尤其是氧化铟锡(ITO)电流扩展层技术及工艺的稳定与成熟,使LED的发光强度有了大幅提高。目前,国际一流品牌小功率LED在水平视角为110度、垂直视角为50度的情况下,绿管的发光强度已高达4000mcd,红管达1500mcd,蓝管达1000mcd.在像素间距为20mm时,显示屏亮度可达到10000nit以上。显示屏可在任何环境下全天候工作。
在谈到显示屏视角时,有一个值得我们思考的现象:LED显示屏尤其是室外显示屏,人们的观察角度基本是从下而上,而以现有LED显示屏的产品形态来看,有一半的光通量消失在茫茫天空中。在能源紧张的今天,我们是否有更合理的解决之道?值得深思。
 
  二、均匀性与清晰度
 
  LED显示屏技术发展到今天,均匀性已成为衡量显示屏优劣的最重要指标。人们常说LED显示“点点灿烂,片片辉煌”,就是对像素之间和模块之间严重不均匀的一种形象比喻。专业一点的说法是“灰尘效应”和“马赛克现象”。
  造成不均匀现象的根源主要有:LED各项性能参数的不一致;显示屏在生产、安装过程中组装精度的不足;其他电子元器件的电参数一致性不够;模块、PCB设计的不规范等。
  其中“LED各项性能参数的不一致”是主因。这些性能参数的不一致主要包括:光强不一致、光轴不一致、色坐标不一致、各基色光强分布曲线不一致以及衰减特性不一致等。如何解决LED性能参数的不一致现象,目前业内主要有两种技术途径:一是通过对LED规格参数的进一步细分,提高LED各项性能的一致性;二是通过后续校正的方式来改善显示屏均匀性。后续校正也从早期的模组校正、模块校正,发展到今天的逐点校正。校正技术则从单纯的光强校正,发展到光强色坐标校正。
  但是,我们认为后续校正并不是万能的。其中,光轴不一致、光强分布曲线不一致、衰减特性不一致、拼装精度差以及设计的不规范等是无法通过后续校正来消除的,甚至这种后续校正会使光轴、衰减、拼装精度方面的不一致更加恶化。
  因此,通过实践我们的结论是:后续校正仅仅是治表,而LED参数细分才是治本,才是LED显示产业未来的主流。
  而论到显示屏均匀性与清晰度的关系,业界则常常存在一个认识上的误区,即以分辨率替代清晰度。其实显示屏清晰度是人眼对显示屏分辨率、均匀性(信噪比)、亮度、对比度等多项因素综合的主观感受。单纯缩小物理像素间距提高分辨率,而忽视均匀性,对提高清晰度是毫无疑义的。试想一个存有严重“灰尘效应”和“马赛克现象”的显示屏,即使它的物理像素间距再小,分辨率再高,也不可能得到一个良好的图像清晰度。
  因此,从某种意义上讲,目前制约LED显示屏清晰度改善的主因是“均匀性”而不是“物理像素间距”。
 
  三、显示屏像素失控
 
  造成显示屏像素失控的原因很多,其中最主要的原因就是“LED失效”。
  LED失效的主因又可分为两个方面:一是LED自身品质不佳;二是使用方法不当。通过分析我们归纳出LED失效模式和上述两个主因之间的对应关系。
  上述我们谈到很多LED的失效通常在LED的常规检验测试中是无法发现的。除了在受到静电放电、大电流(造成结温过高)、外部强力等不当使用外,很多LED失效是在高温、低温、温度快速变化或其他恶劣条件下,由于LED芯片、环氧树脂、支架、内引线、固晶胶、PPA杯体等材料热膨胀系数的差异,引发其内部应力的不同而产生的,因此,LED的质量检测是一项十分复杂的工作。
  再者,对于GaN基LED而言,静电放电是其失效的最大诱因。静电放电导致LED失效的机理非常复杂,设备、工具、器皿及人体均有可能带有静电并对其放电,这种静电少则几百伏,高则几万伏,放电时间在纳秒级水平。我们在显示屏生产、安装、使用过程中出现的蓝绿管失效,往往就是LED-PN结被静电放电击穿所至。国际静电协会严格规定了标准静电放电模式,主要分为人体放电模式(HBM)和机器放电模式(MM)。我国对器件的静电放电敏感度(ESDS)分为三个等级(人体模式):1级为0~1999V;2级为2000~3999V;3级为4000V以上。一般情况下LED的静电放电敏感度在人体模式下在几百伏~上万伏之间,而在机器模式下只有几十伏到五百伏左右。LED显示屏由于生产过程繁杂,静电放电防不胜防,因此,LED静电放电敏感度应选择2级或以上为妥(人体模式),而静电防护必须贯穿生产全过程。
 
  四、寿命
 
  影响LED显示屏寿命的因素有内因和外因,内因有外围部件性能、LED发光器件的性能、产品抗疲劳性能;内因有LED显示屏的工作环境等等。
 
  1.外围部件影响
 
  除了LED发光器件之外,LED显示屏还使用了许多其他的外围部件,包括电路板、塑胶壳体、开关电源、接插件、机壳等,任何一个部件出现问题,都可能导致显示屏的寿命降低。所以,显示屏的最长寿命是由最短寿的那个关键部件的寿命决定的。比如,LED、开关电源、金属外壳均按8年标准选料,而电路板的防护工艺性能只能支持其工作3年,3年之后因为锈蚀会发生损坏,那我们也只能得到一块3年寿命的显示屏。
 
  2、LED发光器件性能的影响
 
  LED发光器件是显示屏最关键也是与寿命最相关的部件。对于LED,主要是以下指标:衰减特性、防水汽渗透特性、抗紫外线性能。如果LED显示屏厂家对LED器件的指标性能评估不过关,就应用到显示屏中,会导致大量的质量事故,严重影响了LED显示屏的寿命。
 
  3.产品的抗疲劳性能影响
 
  LED显示屏产品的抗疲劳性能如何,取决于生产工艺。拙劣的三防处理工艺制作出的模组抗疲劳性能难以保证,在温湿度变化时,电路板防护表面会出现裂痕,导致防护性能下降。
  所以LED显示屏的生产工艺也是决定显示屏寿命的关键因素。显示屏制作所涉及到的生产工艺有:元器件储藏与预处理工艺、过炉焊接工艺、三防处理工艺、防水密封工艺等。工艺的有效性与材料选择与配比、参数控制以及操作工素质相关,对于绝大LED显示屏厂家来说,经验的积累很重要,一个拥有多年经验的工厂对生产工艺的把控会更加有效。
 
  4.工作环境的影响
 
  因用途不同,显示屏的工作条件千差万别。从环境方面来讲,户内的温差小,无雨雪及紫外线影响;户外的温差最大可达70度,外加风吹日晒雨淋。恶劣的环境会加剧显示屏的老化,工作环境是影响显示屏寿命的重要因素。
 
  LED显示屏的寿命是由多种因素决定的,但是,由许多因素造成的寿命终结是可以通过零部件(比如开关电源)的更换来不断地延续寿命。而LED则是不可能被大量更换的,因此,一旦LED寿命终结,则意味着显示屏寿命的终止。一定意义上LED的寿命决定了显示屏的寿命。LED的寿命通常以发光强度衰减到初始值50%的时间为寿命期。LED作为一种半导体材料,人们常说有10万小时寿命,但那是在理想条件下的评估。而在实际使用状况下是达不到的。我们有一个简单的实验方法和计算公式可以测算LED的寿命:将LED放置于与实际工作环境相同的条件下工作1000小时,并测得光强的初始值和终值,然后通过公式就可推出LED的寿命期。我们选定某著名品牌蓝管在环境温度为50℃、电流为20mA的环境下工作1000小时后测得终值为0.88×初始值,根据公式我们可算出该蓝管在该环境下的寿命为5422小时。
  我们说LED寿命决定显示屏的寿命,但并不是说LED寿命等于显示屏寿命。由于显示屏在工作时并不是每只LED每时每刻都在满负荷工作,显示屏在正常播放视频节目的情况下,显示屏的寿命期应该是LED寿命期的6~10倍,当LED工作在小电流的状况下寿命可以更长。因此,选用该品牌LED的显示屏寿命期可达5万小时左右。
  怎样使LED寿命期更长?一般情况下我们可以从器件制造和器件应用两方面着手。从器件制造方面来讲:选择优质的外延材料;加大芯片面积,减小电流密度;均衡电流密度;降低热阻;选择性能优良而抗紫外能力强的封装材料等都可以使LED寿命更长。
  从器件应用方面讲:将散热作为从模块设计到工程实施甚至将来系统维护的一个中心工作;降低LED工作电流;正确配置LED,使各基色LED同步衰减等都是可以延长LED使用寿命的。
  有些厂商不察,以一般的白色文字油墨替代LED专用的背光油墨,相当于加上一层硬质油漆,把热度封住。在多次失败后,已有厂商接受新的观念与制程,从总体散热方案着眼。铝基板改用LED专用的散热型白色背光油墨涂布,若指定使用微黄色的背光油墨,会增强反射率到91%.以软陶瓷散热漆喷涂于铜箔基板与铝基板之间,可减少日系导热胶膜的使用量,以极低的成本提高耐击穿电压。
  LED灯是否稳定,品质的好坏与灯体本身散热至为重要,目前市场上高亮度LED全彩屏的散热,通常采用自然散热,效果并不理想。散热做的不理想,灯具本身的寿命也会受影响。
  业界对散热材料的应用,不应只关注散热系数,而忽略了热阻值。如果只看到某种散热贴片、散热膏、散热漆或导热胶膜的散热系数很好,就认为可以把高热传导出去,可能要大失所望。预期温度因此下降、不会因过热而光衰、路灯寿命可有效延长、验收顺利过关的情形,可能不会发生。
  从基板线路蚀刻上锡、涂布LED显示屏大屏幕背光油墨、上保护胶膜进烤箱烘烤、整板整平、贴导热胶膜,再以黏着胶或锁具将散热模组结合,在此一繁琐的过程中可发现:具备再好的导热系数材料,也会被热阻阻抗打败。空气、结合处不密合的孔隙、散热垫片、散热膏矽油挥发后形成的粉状物、多层导热胶膜的膜厚,都会形成热阻抗。这些多层次的热阻会妨碍热的传导速率,热传导很慢,甚至传导不到灯具表层,变成热度不断累积增加。铝基板表面的白色背光油墨不仅要能反射,还要能把下层的热度透过表面的背光油墨发散出去。
  要保护LED显示屏或灯具不受气候环境侵蚀,把热度有效传导出去,省钱又有效的方法是喷涂软陶瓷散热漆。惟有从总体散热观念出发,减少热阻干扰,才是LED大型灯具通过验收的关键。灯具保护外壳应摒弃传统电镀或烤漆,这两种工法会把热度封回灯具内户外LED显示屏长期暴露在自然环境下,当户外高温之际,LED显示屏散热则变成了一个重要的问题,LED显示屏散热间接影响着LED显示屏的使用寿命,更甚者,直接影响到LED显示屏的屏体正常使用和安全。
 
  五、能耗与能效
 
  提高LED光效,降低显示屏能耗是LED显示屏技术一个重要的发展方向,它具有如下积极意义:一是节能、减排,保护环境;二是降低电力增容、动力设备及散热设备的投入;三是节省电费降低运营成本;四是降低显示屏温升;五是延缓LED衰减速度;六是提高系统可靠性;七是延长显示屏寿命;八是减小显示屏光电参数的温漂,稳定图像效果。
  LED的发光效率(即外量子效率)是由LED内量子效率和逃逸率决定的。现今,LED的内量子效率已高达90%以上,但是由于逃逸率较低,因此外量子效率成为提高LED光效的瓶颈。为了突破这个制约行业发展的瓶颈,许多新颖的解决方案被提出,同时得到了理论验证,其中大多数已进入试验阶段,部分已获得了成功,并且为最终的产业化奠定了坚实的基础。
  LED作为一种绿色、节能光源受到人们的青睐,也必将作为一种主流媒体,引领显示技术的未来。
  总之,器件制造与器件应用本身是一个相辅相成的统一体,器件技术的进步给应用市场带来繁荣,而应用市场的需求则是器件技术进步的永恒动力。让我们上下游企业共同努力,开创LED显示技术新的未来。