Micro LED大屏顯示技術(shù)分析

　　——芯片及封裝結(jié)構(gòu)

　　引言

　　日前，工業(yè)和信息化部、國家廣播電視總局、中央廣播電視總臺(tái)聯(lián)合印發(fā)了《超高清視頻產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃(2019—2022年)》，預(yù)計(jì)到2022年，我國超高清視頻產(chǎn)業(yè)總體規(guī)模將超過4萬億元，4K產(chǎn)業(yè)生態(tài)體系基本完善，8K關(guān)鍵技術(shù)產(chǎn)品研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化取得突破。另外人們對(duì)顯示產(chǎn)品的畫質(zhì)和分辨率等規(guī)格提出了更高的要求，這標(biāo)志著顯示行業(yè)已經(jīng)進(jìn)入超高清時(shí)代，各種新型顯示技術(shù)蓬勃發(fā)展，尤其是新一代顯示技術(shù)Micro LED，其已經(jīng)成為國內(nèi)外顯示廠商搶灘的技術(shù)高地，包括艾比森在內(nèi)也已于2021年3月12日面向全球重磅發(fā)布Micro LED顯示技術(shù)。

　　1 超高清時(shí)代，新一代顯示技術(shù)Micro LED來臨

　　Micro LED 是將 LED 顯示屏微縮化到微米級(jí)的顯示技術(shù)，具有高亮度、高對(duì)比、廣色域、長壽命和高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是近乎完美的顯示技術(shù)。其亮度和節(jié)能優(yōu)勢在0.X英寸和X英寸的可穿戴產(chǎn)品上有廣闊的應(yīng)用前景，以蘋果為代表，有望將Micro LED技術(shù)用于Apple Watch等2C產(chǎn)品中;而可實(shí)現(xiàn)無縫拼接的特點(diǎn)使得Micro LED成為85英寸以上的大尺寸電視產(chǎn)品的最佳解決方案，目前，包括索尼、三星以及國內(nèi)一些顯示廠商均已推出基于Micro LED技術(shù)的大尺寸消費(fèi)級(jí)產(chǎn)品。

　　另外，隨著點(diǎn)間距的減小，特別是Micro LED技術(shù)的發(fā)展，LED顯示屏超高清化已經(jīng)成為趨勢，顯示畫質(zhì)越來越細(xì)膩，應(yīng)用場景也從傳統(tǒng)的工程級(jí)向商顯和高端消費(fèi)級(jí)擴(kuò)展，如2B顯示的應(yīng)用場景電影院、商場、會(huì)議室、控制室等室內(nèi)大屏、戶外顯示等?？梢愿Q見，Micro LED因其獨(dú)特的優(yōu)勢，在2C和2B市場均有極強(qiáng)的競爭力，傳統(tǒng)的面板廠商和LED顯示屏廠商均在積極布局這一技術(shù)，作為全球領(lǐng)先的至真LED顯示應(yīng)用與服務(wù)提供商的艾比森也不例外。目前艾比森面向全球發(fā)布的Micro LED商用顯示產(chǎn)品是2K 55英寸(P0.6)，2K 73英寸(P0.8)，2K 82英寸(P0.9)，4K 110 英寸(P0.6)，4K 138英寸(P0.7)，4K 165英寸(P0.9)，8K 220英寸(P0.6)等產(chǎn)品。

　　Micro LED顯示技術(shù)可以認(rèn)為是傳統(tǒng)LED顯示屏的微間距化和高清化，Micro LED 顯示將微小的LED晶體顆粒作為像素發(fā)光點(diǎn)，LED芯片結(jié)構(gòu)和封裝方式直接影響著Micro LED顯示器件的性能。

　　2 Micro LED發(fā)光芯片結(jié)構(gòu)對(duì)比

　　LED芯片通常由襯底、P型半導(dǎo)體層、N型半導(dǎo)體層、P-N結(jié)和正負(fù)電極組成，當(dāng)在正負(fù)電極之間加正向電壓后，從P區(qū)注入到N區(qū)的空穴和由N區(qū)注入到P區(qū)的電子在P-N結(jié)處復(fù)合，電能轉(zhuǎn)換為光能，發(fā)出不同波長的光。LED芯片的結(jié)構(gòu)主要有正裝結(jié)構(gòu)、倒裝結(jié)構(gòu)和垂直結(jié)構(gòu)三種，圖1為三種芯片結(jié)構(gòu)示意圖。

　　圖1 芯片結(jié)構(gòu)示意圖

　　(1)正裝芯片結(jié)構(gòu)

　　正裝芯片是最早出現(xiàn)的芯片結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)中從上至下依次為：電極，P型半導(dǎo)體層,發(fā)光層，N型半導(dǎo)體層和襯底，該結(jié)構(gòu)中PN結(jié)處產(chǎn)生的熱量需要經(jīng)過藍(lán)寶石襯底才能傳導(dǎo)到熱沉，藍(lán)寶石襯底較差的導(dǎo)熱性能導(dǎo)致該結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱性能較差，從而降低了芯片的發(fā)光效率和可靠性。正裝芯片結(jié)構(gòu)中p電極和n電極均位于芯片出光面，電極的遮擋會(huì)影響芯片的出光，導(dǎo)致芯片發(fā)光效率較低;正負(fù)電極位于芯片同一側(cè)也容易出現(xiàn)電流擁擠現(xiàn)象，降低發(fā)光效率;此外，溫度和濕度等因素可能導(dǎo)致電極金屬遷移，隨著芯片尺寸縮小，正負(fù)電極間距減小，電極遷移可能導(dǎo)致短路問題。

　　(2)倒裝芯片結(jié)構(gòu)

　　倒裝芯片結(jié)構(gòu)從上至下依次為藍(lán)寶石襯底、N型半導(dǎo)體層,發(fā)光層，P型半導(dǎo)體層和電極，與正裝結(jié)構(gòu)相比，該結(jié)構(gòu)中PN結(jié)處產(chǎn)生的熱量不經(jīng)過襯底即可直接傳導(dǎo)到熱沉，因而散熱性能良好，芯片發(fā)光效率和可靠性較高;倒裝結(jié)構(gòu)中，p電極和n電極均處于底面，避免了對(duì)出射光的遮擋，芯片出光效率較高;此外，倒裝芯片電極之間距離較遠(yuǎn)，可減小電極金屬遷移導(dǎo)致的短路風(fēng)險(xiǎn)。

　　(3)垂直結(jié)構(gòu)芯片

　　與正裝芯片相比，垂直結(jié)構(gòu)芯片采用高熱導(dǎo)率的襯底(Si、Ge和Cu等襯底)取代藍(lán)寶石襯底，極大的提高了芯片的散熱性能，同時(shí)，垂直結(jié)構(gòu)芯片的正負(fù)電極分別位于芯片上下兩側(cè)，電流分布更加均勻，避免了局部高溫，進(jìn)一步提升了芯片可靠性，但是目前垂直芯片成本較高，量產(chǎn)能力較低。

　　表1中列出了三種芯片的性能對(duì)比，通過以上分析，可以發(fā)現(xiàn)，倒裝芯片發(fā)光效率高、散熱性好、可靠性高、量產(chǎn)能力強(qiáng)，更適用于小間距和微間距顯示產(chǎn)品。

　　表1 芯片結(jié)構(gòu)及性能對(duì)比

　　3 Micro LED封裝方案對(duì)比

　　單獨(dú)的LED發(fā)光芯片無法滿足使用要求，需要對(duì)其進(jìn)行封裝，合理的封裝結(jié)構(gòu)和工藝可以為發(fā)光芯片提供電輸入、機(jī)械保護(hù)、有效的散熱通道，并有利于實(shí)現(xiàn)光的高效和高品質(zhì)輸出。

　　LED芯片尺寸和顯示屏間距的減小對(duì)封裝提出了更高的要求。目前，常用的Micro LED封裝方式主要有Chip型SMD封裝、N合一IMD封裝和COB封裝，如圖2所示。

　　圖2 Micro LED常用封裝結(jié)構(gòu)示意圖

　　(1)Chip型SMD封裝

　　Chip型SMD封裝是將單個(gè)LED像素固晶在BT板上，然后使用封裝膠封裝發(fā)光芯片，得到Chip型封裝的單個(gè)像素;使用SMD技術(shù)將Chip型封裝的單個(gè)像素貼片在PCB板上，即可得到LED顯示模組。Chip型SMD封裝為單像素封裝，尺寸較小，焊點(diǎn)面積較小、焊點(diǎn)數(shù)目較多，隨著LED芯片尺寸及顯示屏像素間距的減小，單個(gè)SMD器件氣密性較差，容易受到水汽侵蝕，同時(shí)易磕碰，防護(hù)性較差，焊點(diǎn)距離過近也容易造成短路風(fēng)險(xiǎn)，因而不適用Micro LED 微間距顯示。

　　(2)N合一IMD封裝

　　N合一IMD封裝將N個(gè)像素單元(多為2個(gè)或4個(gè))固晶在BT板上，之后使用封裝膠將N個(gè)像素單元整體封裝，與單像素SMD分立封裝相比具有較高的集成度，可有效改善單個(gè)SMD器件氣密性和防護(hù)性較差等問題，容易受到水汽侵蝕，同時(shí)易磕碰，防護(hù)性較差，同時(shí)繼承了單個(gè)SMD器件的成熟工藝、技術(shù)難度和成本較低，但N合一IMD封裝集成度仍然較低，對(duì)于0.6mm以下的微間距顯示，N合一IMD封裝工藝難度較大，且顯示效果、可靠性及壽命較差。

　　(3)COB封裝

　　COB封裝方案是將多個(gè)像素的裸芯片直接固晶在PCB板上，之后整體封裝膠層。與Chip型SMD封裝和N合一IMD封裝相比，COB封裝將多個(gè)LED芯片整體封裝，防護(hù)性和氣密性極大提升，更適用于小尺寸芯片封裝和微間距顯示產(chǎn)品。同時(shí)，COB封裝中不額外使用BT板，而是將LED芯片直接封裝到PCB板上，導(dǎo)熱通道短，散熱性能更好，更適用于高像素密度顯示。

　　表2對(duì)比了上述三種封裝方式的特點(diǎn)，COB封裝具有最高的集成度，理論上可實(shí)現(xiàn)最小的像素間距、最高的可靠性和最長的顯示壽命，是Micro LED的最佳封裝方案。

　　表2 Micro LED顯示屏產(chǎn)品的封裝方式及性能對(duì)比

　　4 總結(jié)

　　Micro LED因其具有高亮度、高對(duì)比、廣色域、可實(shí)現(xiàn)無縫拼接等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是近乎完美的顯示技術(shù)，在85英寸以上的大屏顯示領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，國內(nèi)外各大顯示屏廠商均在Micro LED顯示領(lǐng)域積極布局。芯片結(jié)構(gòu)和封裝方式直接決定了Micro LED顯示產(chǎn)品的性能，目前行業(yè)內(nèi)采用的芯片結(jié)構(gòu)主要有正裝結(jié)構(gòu)、倒裝結(jié)構(gòu)和垂直結(jié)構(gòu)，對(duì)比三種結(jié)構(gòu)可知，倒裝芯片發(fā)光效率高、散熱性好、可靠性高、量產(chǎn)能力強(qiáng)，更適用Micro LED顯示產(chǎn)品。Micro LED的常用封裝方式有SMD單像素封裝、IMD多合一封裝和COB封裝，三種封裝方式中，COB封裝集成度最高，可實(shí)現(xiàn)最小的像素間距、最高的可靠性和最長的顯示壽命，是公認(rèn)的Micro LED的最佳封裝方案。

　　艾比森發(fā)布的全系列Micro LED產(chǎn)品基于艾比森自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)HCCI技術(shù)，

　　1)采用倒裝COB封裝技術(shù)

　　2)集成艾比森核心HDR3.0算法

　　3)集成智慧顯示技術(shù)

　　在光學(xué)設(shè)計(jì)及畫質(zhì)處理等顯示效果方面有專業(yè)團(tuán)隊(duì)持續(xù)進(jìn)行研究，具備顯示畫面平滑流暢，色彩還原度高，畫面柔和且一致性效果好的特點(diǎn)，成果應(yīng)用于各產(chǎn)品系列，廣泛應(yīng)用于各大控制中心，會(huì)議中心等場景。