利用200V SOI工藝有效降低LED TV背光方案成本

CCFL和LED是當前LCD僅有的兩種背光源，CCFL是傳統的背光方式，而LED作為L(cháng)CD背光的后起之秀，正在迅速搶占LCD背光市場(chǎng)。

電視機廠(chǎng)商和面板廠(chǎng)商之所以積極推動(dòng)LED背光液晶電視，原因在于全球各國的耗電量規定以及其環(huán)保因素（不含汞等重金屬），再加上其輕、巧、薄等特點(diǎn)。LED作為電視背光關(guān)注度大幅提升，同時(shí)大大改善了LCD的性能，不少廠(chǎng)家甚至直接稱(chēng)使用LED背光的LCD電視為“LED電視”，可見(jiàn)LED在顯示領(lǐng)域發(fā)揮著(zhù)相當重要的作用?，F在LED背光已被提到了一個(gè)相當重要的高度，因為它是節能降耗的關(guān)鍵，也是提升清晰度的關(guān)鍵，同時(shí)也因其價(jià)值不菲成為控制成本的關(guān)鍵。CCFL大勢已去，LED背光迅猛的增長(cháng)速度已無(wú)可阻擋。

LED取代CCFL勢如破竹，發(fā)展速度超乎人們的預想。DisplaySearch的調研結果顯示，2010年全球使用LED背光的液晶電視機達三千七百萬(wàn)臺，約占LCD電視市場(chǎng)的20%份額。這個(gè)預測大大超過(guò)了之前的估計，以至于引起部分原材料短缺，比如導光板及其生產(chǎn)材料樹(shù)脂、光學(xué)板、半導體和電源用變壓器等部件的供應緊缺，否則2010年的LED電視市場(chǎng)規模還會(huì )更大。即便如此，2010年的LED液晶電視仍是2009年的10倍以上。

液晶電視的LED背光模式

液晶面板中LED背光的設置方式，主要有兩種：側投式和直投式。人們普遍認為直投式LED背光電視的畫(huà)面感更強。在直投式電視里，要用到數千個(gè)LED作為背光并被均勻地排列在整個(gè)顯示屏的背后。它們在明亮的圖像區域發(fā)出更強的光亮，并且在暗色彩區完全變暗，節約能源并最大限度提升圖像對比度，在圖片上產(chǎn)生強烈的對比效果，色彩分明。這種方案的不足之處在于：使用大量LED燈的同時(shí)還需要更多符合要求的LED驅動(dòng)芯片，因此造成直投背光模式成本很高。鑒于該方案的高成本和高復雜度，如今的直投背光模式只應用在高端LED電視方面。

另一種更常用的背光方式是側投式。側投式背光是將燈沿著(zhù)液晶面板四周邊緣排列，與導光板結合均勻地將光線(xiàn)照射在整個(gè)面板上。由于側投式顯示所需要單獨控制的LED數量、組數比直投式少，所以在構建LED驅動(dòng)方式時(shí)更有靈活性；無(wú)論高/低電壓均可使用，使得系統工程師能夠專(zhuān)注于性能和可行性方案的成本方面。由于具有成本低、性能優(yōu)異以及機身較薄的優(yōu)勢，目前側投式LED背光已占據了市場(chǎng)主導地位。表1簡(jiǎn)單總結了這兩種背光模式的差異和優(yōu)缺點(diǎn)。

200V SOI工藝技術(shù)

工程師選擇LED背光驅動(dòng)芯片時(shí)，會(huì )發(fā)現市場(chǎng)上已經(jīng)有眾多的供應商，但絕大多數供應商的產(chǎn)品都集中在40V～60V電壓等級范圍內，其原因在于40V的半導體工藝門(mén)檻比較低。這給OEM設計師在對系統構架選擇時(shí)帶來(lái)重大影響。使用40V的LED驅動(dòng)芯片可以有兩個(gè)主要的設計方案：1）每路串聯(lián)不超過(guò)10顆燈；2）一些設計方案中串聯(lián)10顆燈以上。通常情況下，后一種方案會(huì )犧牲一定的可靠性，包括在故障條件下的保護功能，諸如發(fā)光二極管LED內部短路故障或過(guò)電壓擊穿，所以那些對可靠性和品質(zhì)要求都很高的液晶電視廠(chǎng)家并不接受這種方案。

為有效降低LED TV背光驅動(dòng)方案的成本，芯凱電子科技有限公司(Kinetic Technologies)針對 LED背光和照明開(kāi)發(fā)了全新的200V的SOI晶圓技術(shù)。與CMOS或BiCMOS工藝相比，SOI降低了寄生電容從而可以允許更高的速度和更低的功耗，同時(shí)也降低了噪音，沒(méi)有閉鎖問(wèn)題。同時(shí)SOI在制造流程上與現有的CMOS工藝兼容，因此生產(chǎn)成本得到有效的控制。

圖1 40V LED驅動(dòng)方案和200V LED驅動(dòng)方案的背光結構

圖2 高壓 SOI和高壓BCD工藝的比較

芯凱電子的200V SOI器件是制作于薄硅層上的二氧化硅（SiO2）絕緣層；其200V SOI工藝的晶體管器件被掩埋的氧化絕緣層和溝道隔離層所環(huán)繞。因為絕緣層將NMOS井和PMOS井隔離開(kāi)，從而避免了常見(jiàn)的高壓閉鎖問(wèn)題。同樣，掩埋的氧化絕緣層作為介質(zhì)阻擋，防止基板漏電，并減少基板噪聲。

將典型的高電壓BCDMOS和芯凱的200V SOI對比可發(fā)現，用于高電壓BCDMOS芯片需要很厚的保護環(huán)，這會(huì )使其芯片面積增加，達到芯凱同等電壓SOI芯片面積的三倍以上，如圖２所示。一個(gè)直觀(guān)的例子是，通常BCDMOS工藝里的LDMOS間的間距需要18um，而 SOI只有1.4um。

SOI工藝的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以與低電壓器件兼容保存而沒(méi)有明顯的成本和大小差距。相反地，典型的BCDMOS工藝由于需要與低壓元件有很大間距，因而使得高低壓兼容的芯片成本大幅提高。當然SOI襯底材料成本相較于一般的CMOS或BCDMOS硅片更高，這無(wú)疑將被視為劣勢。然而，SOI里元件實(shí)現以及單芯片中高/低壓元件的有機結合，相比于典型的高壓柵極隔離工藝，SOI芯片會(huì )更小，因此SOI芯片的成本反而相當合理。

基于200V SOI工藝的LED驅動(dòng)方案

根據LED驅動(dòng)芯片的電壓等級和背光的要求，LED背光架構可分為少路多串聯(lián)和多路少串聯(lián)兩種。從電器特性來(lái)講，系統設計者可以選擇一路串聯(lián)很多個(gè)LED或者一串很少LED的結構。

作為一個(gè)極端的例子，如果一個(gè)電視機里全部背光LED都串聯(lián)在一起，那就只需要一個(gè)單路的LED驅動(dòng)芯片，LED的亮度會(huì )完美匹配。但是通常一個(gè)普通尺寸的液晶電視需要上百顆乃至數百上千的LED，驅動(dòng)這樣一串LED所需的驅動(dòng)電壓將達數百伏（>300V）甚至上千伏，這對家用電器的安全性和效率是一個(gè)很大的挑戰。另外，該方式無(wú)法對不同的LED進(jìn)行調光，因此只能用于側投式的驅動(dòng)架構。