采用180° Mini-CSPLED与量子点薄膜实现超高均匀性白光背光

摘要

本文展示了一种高均匀性、直下式微芯片级封装LED（mini-CSPLED）背光单元（BLU），集成了量子点（QD）薄膜、扩散板和双棱镜膜。研究制备了发光角度分别为120°、150°和180°的三款mini-CSPLED。180°器件虽在10 mA下相比150°器件有约4%的功率损耗，但其显著更宽的发光锥角改善了平面光均匀性，并降低了单位面积所需LED数量。通过在蓝光mini-CSPLED上调节QD薄膜厚度（60、90、150 µm），实现了CIE色度向白光区的转换并提升了背光亮度。搭载150 µm QD薄膜的180° mini-CSPLED背光达成了86%的亮度均匀性，显著优于120°和150°设计。

背景

液晶显示器（LCD）主导现代视觉技术，但其性能受限于荧光粉基背光，后者存在效率低、光谱宽、衰减快、均匀性差等问题。蓝光LED激发YAG黄色荧光粉已成标准背光源，但发出的冷白光显色指数（CRI）不足75。提升发光效率与色彩品质仍是核心研究目标。

量子点（QD）凭借高光致发光量子产率、窄发射峰和光谱可调性，成为极具吸引力的固态色转换材料。QD已在太阳能电池、LED、光电探测器甚至电催化中展现潜力。在显示背光领域，QD薄膜可替代传统荧光粉，扩展CIE色域并改善色彩还原度。

背光架构大致分为侧入式和直下式。直下式背光将LED直接置于面板下方，能提供更优的亮度均匀性和光学效率，尤其适用于超薄电视面板。然而，随着器件变薄，实现面板全区均匀照明仍具挑战。本研究探讨发光角度工程与QD薄膜厚度优化如何提升背光均匀性。

方法

GaN LED外延片（λ=460 nm）经MOCVD在c面蓝宝石衬底上生长。结构包含2 µm非掺杂GaN缓冲层、2 µm Si掺杂n-GaN包层、六层InGaN/GaN多量子阱、25 nm Mg掺杂p-AlGaN阻挡层和0.2 µm Mg掺杂p-GaN包层。Ni/Ag/Ni/Pt电极经电子束蒸发沉积。利用薄膜转移与CSP封装技术，制备了发光锥角分别为120°、150°和180°的三款mini-CSPLED。180°设计采用透明TiO₂/硅树脂纳米复合侧壁及顶部漫反射层。

将CdSe/ZnS核壳量子点（绿光≈525 nm，红光≈617 nm）与PMMA混合，制备60、90、150 µm厚度的QD薄膜，作为450 nm蓝光mini-CSPLED芯片的色转换层。背光单元由18 mm×18 mm的3×3 mini-LED阵列、扩散板、QD薄膜和两层棱镜膜组成，芯片至扩散板光学距离为2.5 mm。

电性能用Keithley 2400源表和校准功率计（CAS 140B）测量。空间辐射模式经旋转光度计（LEDGON-100）捕捉。发光光谱与电致发光光谱用光谱亮度计（SRI-RL-5000）记录。亮度均匀性按公式（1）在五点（L1–L5）评估。

结果与讨论

三款mini-CSPLED呈现相同I-V特性，20 mA下正向电压约2.72 V，200 mA下约3.12 V，证实CSP工艺保持了电学完整性。光输出随电流线性增至约250 mW（200 mA）。180°器件输出略降约5%，归因于漫反射层与更宽发光角。

辐射模式验证了设计发光角：120°器件实测110.6°，150°器件148.7°，180°器件达180°。180°设计产生蝴蝶状分布，利于平面照明；120°器件因侧壁全覆盖呈朗伯分布。

10 mA正向电压24 V下，所有背光CIE坐标均为(x≈0.15, y≈0.027)，蓝光输出功率147–153 mW。增厚QD薄膜使色度向白光区偏移且亮度成比例提升：60 µm → 90 µm → 150 µm。搭载150 µm QD薄膜的180°背光实现最高亮度与最均匀配光，扩散板图像条纹明显减少。

五点测得亮度均匀性：180°背光+150 µm QD薄膜达86%，远高于120°（35%）和150°（39%）设计，分别提升1.47倍和1.19倍。

加装LCD面板后，所有背光CIE坐标进一步进入白光区，证明QD转换背光可有效支撑高色准显示。

结论

结合180° mini-CSPLED与150 µm QD薄膜，实现了86%亮度均匀性的超高均匀平面白光背光，适配超薄显示模组。CSP技术保护芯片、拓宽发光角、降低LED密度，为新一代高性能显示铺平道路。

缩略语

BLU

背光单元

CCFL

冷阴极荧光灯

CdSe

硒化镉

GaN

氮化镓

LCD

液晶显示器

mini-CSPLED

微芯片级封装发光二极管

OLED

有机发光二极管

PLED

聚合物发光二极管

QDs

量子点

YAG

钇铝石榴石