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筆記型電腦的LED背光設計趨勢

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運用於筆記型電腦的LED背光模組設計。劉家任攝
運用於筆記型電腦的LED背光模組設計。劉家任攝

前言:新一代的筆記型電腦,為求效能,所採用的處理器運算時脈多達數GHz等級,加上開發置入更多感測器,如環境光感測器、震動感測器...等元件裝置,整體系統的電源管理控制越來越複雜與困難,而市場趨向朝超省電的長效運算目標進行產品開發,原藉由導入LED背光設計所達成的省電目標要求也越來越高,以因應更複雜、大量運算需求...

本文:
觀察LED元件特性,其實會發現,LED(Light-emitting diode)相較於使用更久的CCFL(Cold cathode fluorescent lamps)冷陰極管背光設計而言,具有更高的色彩飽和度表現,另在無汞製程與元件本身的環保與節能等優勢,也造成一波導入電子裝置的設計風潮,近來LED背光源已成為筆記型電腦的成熟設計,從入門到中、高階產品,都能看到取代CCFL的LED背光源設計產品。

TMD製LED背光面板。劉家任攝

TMD製LED背光面板。劉家任攝

LED背光設計,能夠使筆記型電腦的面板厚度變得更薄,因為LED的晶粒封裝成品高度遠比CCFL燈管總成高度更小,利用面狀或側光方式配置,或多或少都能以小於CCFL設計方案的產品創造更薄化的產品設計。目前LED背光源,為達高效率使用光源的需求,其導光板表面結構有Dot和V-Cut兩種區別,配置大多有平板與楔型兩大設計方式。

極致薄化面板設計所需付出的代價相對較高

若要辦到極致薄化的設計目標,雖然V-Cut結構的楔型設計概念,可以在近似發光效率的條件下,減少使用LED元件的數量,在LED成本與散熱輔助設計的成本均能顯著降低,但楔型設計畢竟在高度有一定的空間需求,長期若朝薄化產品目標方向努力,可能V-Cut結構的楔型設計將會碰到較難克服的物理限制。在薄化設計需求的開發目標下,採用Dot結構的平板化設計,會是比較具有發展潛力的解決方案,也較有可能成為未來產品的設計主流。

即便是LED目前觀察其元件特性,具備多項導入產品設計的技術亮點,但實際上在元件與製造成本,也成為終端產品銷售的極大限制,例如,多數廠商開發高階輕薄型筆記型電腦的同時,也積極推出採廉價設計方案的側光型或改良型LED背光面板設計,但在產品體積的壓縮成效,就不如平面式的Dot結構設計來得輕薄。因為目前楔形設計的導光板結構,厚度少說也有0.5~2.5mm水準,若是礙於產製成本沿用CCFL發光元件總成的結構,儘是略微修正LED電路與導光板結構,其面板厚度多半落在2~2.5mm水準。

LED元件構造也會影響產品最終表現

此外,在LED發光元件的本身,也有不同的元件採用成本與效益考量,例如,高階筆記型電腦強調輕薄設計,務必採行可用表面黏著側光型LED(side-view LED),目前這種元件高度僅3~3.5mm的LED元件,主力的供應廠商多集中於日系業者,元件即便具備產品薄化設計優勢,但成本也會因此居高不下。相對入門產品多半延續採行基本款傳統LED結構設計,目前這類元件高度最低可做到4~4.5mm,加上採非表面黏著設計造成元件在插件焊接後還會有些微高度差異,產品的薄化設計有一定限制存在,但卻擁有極佳的元件成本價格優勢。

中、大型筆電面板 多數仍延續CCFL背光設計

在中、大型面板的筆電市場,由於毛利本來就不高,成本考量驅使下,大多仍未採行生產良率高達九成以上的CCFL背光設計方案,即便成品會略顯厚重,但成本遠低於大面板所需要的LED配置與特殊導光板的開發成本。 若是相較目前中、高階CCFL背光源設計的筆記型電腦面板厚度,已經可以達到1~2mm水準,直接轉採LDE的楔形導光板光源配置,除了達到行銷的LED元件亮點外,在薄化與成本的條件下,並未具備全面導入LED設計的急迫需求,這也是為什麼目前中、低階筆記型電腦仍有多數未積極改採LED背光的主因。

觀察平板與楔形設計的差異,主要在於表面結構採Dot與V-Cut之不同,若以相同厚度進行測試比較,Dot結構的導光板亮度效能,受限於光線的物理特性,其亮度效能明顯遜於V-Cut結構設計,目前產製導光板的工法,為求快速精密生產,大多採塑膠快速射出成形的導光設計,而Dot與V-Cut在結構設計上的不同,造成Dot表面平整、良率表現佳,反而是V-Cut因為結構略顯複雜,生產良率就明顯偏低一些,也讓V-Cut導光結構在元件與組裝的複雜度因此提高,相關業者產生望而卻步的現象。

其他輔助設計方案

整體觀察,LED背光設計在筆記型電腦的設計方案中,「成本」依舊是考量導入與否的關鍵,除非是高單價的輕薄機種,否則導入LED的設計方案並非等於產品薄化設計的保證,有些低成本的設計方式還會產生終端設計顯得較厚的狀況。在成本與效益的考量方面,大量導入LED背光的產品尺寸,目前以13吋中、小型螢幕為多,因為不管是Dot或是V-Cut配置,中、小型螢幕尺寸的LED元件用量就已經是大幅壓低,而導光板的面積也能有效減少,其成本還在業者可吸收的範圍內。

但若在15~20吋的大螢幕機種來觀察,導入LED背光的成本即明顯增加,若還同時要求薄化設計,更會因此大幅墊高產品的料件成本,良率問題也必須納入考量。LED背光的設計關鍵除了元件與導光板外,其實以前CCFL常用的光學膜、增亮膜、擴散片等設計,也可延用於LED背光設計中,例如,特殊光學膜在LED或是CCFL兩者不同背光元件間的表現差異不大,用以搭配擴散片或光學膜並沒有設計上的限制條件,但多數低價產品較不會選擇這類方案,因為雖可增加15~20%發光效率或是改善邊角的光源均勻度,但也是礙於成本較高昂,採行的業者並不多。

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