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Micro LED大屏顯示技術分析——芯片及封裝結構

Micro LED大屏顯示技術分析——芯片及封裝結構

2021-11-12 12:57:35 0

文章來源:投影時代

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日前,工業和信息化部、國家廣播電視總局、中央廣播電視總臺聯合印發了《超高清視頻產業發展行動計劃(2019—2022年)》,預計到2022年,我國超高清視頻產業總體規模將超過4萬億元,4K產業生態體系基本完善,8K關鍵技術產品研發和產業化取得突破。當前人們對顯示產品的畫質和分辨率等規格提出了更高的要求,這標志著顯示行業已經進入超高清時代,各種新型顯示技術蓬勃發展。作為新一代顯示技術的Micro LED,已經成為國內外顯示廠商搶灘的技術高地,多家廠商已于2021年上半年面向全球重磅發布Micro LED顯示技術。

1. 超高清時代,新一代顯示技術Micro LED來臨

    Micro LED 是將 LED 顯示屏微縮化到微米級的顯示技術,具有高亮度、高對比、廣色域、長壽命和高可靠性等優點,被認為是近乎完美的顯示技術,其亮度和節能優勢在0.X英寸和X英寸的可穿戴產品上有廣闊的應用前景,以蘋果為代表,有望將Micro LED技術用于Apple Watch等2C電子產品中;而可實現無縫拼接的特點使得Micro LED成為85英寸以上的大尺寸電視產品的最佳解決方案。目前,包括索尼、三星以及國內一些顯示廠商均已推出基于Micro LED技術的大尺寸消費級產品。


 另外,隨著點間距的減小,特別是Micro LED技術的發展,LED顯示屏超高清化已經成為趨勢,顯示畫質越來越細膩,應用場景也從傳統的工程級向商顯和高端消費級擴展,如2B顯示的應用場景電影院、商場、會議室、控制室等室內大屏、戶外顯示等??梢愿Q見,Micro LED因其獨特的優勢,在2C和2B市場均有極強的競爭力。傳統的面板廠商和LED顯示屏廠商均在積極布局這一技術,目前各家廠商發布的Micro LED商用顯示產品主要有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)等產品。


  Micro LED顯示技術可以認為是傳統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光點,LED芯片結構和封裝方式直接影響著Micro LED顯示器件的性能。


2. Micro LED發光芯片結構對比

    LED芯片通常由襯底、P型半導體層、N型半導體層、P-N結和正負電極組成,當在正負電極之間加正向電壓后,從P區注入到N區的空穴和由N區注入到P區的電子在P-N結處復合,電能轉換為光能,發出不同波長的光。LED芯片的結構主要有正裝結構、倒裝結構和垂直結構三種。

Micro LED大屏顯示技術分析——芯片及封裝結構

圖1為三種芯片結構示意


(1)正裝芯片結構

    正裝芯片是最早出現的芯片結構,該結構中從上至下依次為:電極,P型半導體層,發光層,N型半導體層和襯底,該結構中PN結處產生的熱量需要經過藍寶石襯底才能傳導到熱沉,藍寶石襯底較差的導熱性能導致該結構導熱性能較差,從而降低了芯片的發光效率和可靠性。正裝芯片結構中p電極和n電極均位于芯片出光面,電極的遮擋會影響芯片的出光,導致芯片發光效率較低;正負電極位于芯片同一側也容易出現電流擁擠現象,降低發光效率;此外,溫度和濕度等因素可能導致電極金屬遷移,隨著芯片尺寸縮小,正負電極間距減小,電極遷移可能導致短路問題。

    (2)倒裝芯片結構

    倒裝芯片結構從上至下依次為藍寶石襯底、N型半導體層,發光層,P型半導體層和電極,與正裝結構相比,該結構中PN結處產生的熱量不經過襯底即可直接傳導到熱沉,因而散熱性能良好,芯片發光效率和可靠性較高;倒裝結構中,p電極和n電極均處于底面,避免了對出射光的遮擋,芯片出光效率較高;此外,倒裝芯片電極之間距離較遠,可減小電極金屬遷移導致的短路風險。

    (3)垂直結構芯片

    與正裝芯片相比,垂直結構芯片采用高熱導率的襯底(Si、Ge和Cu等襯底)取代藍寶石襯底,極大的提高了芯片的散熱性能,同時,垂直結構芯片的正負電極分別位于芯片上下兩側,電流分布更加均勻,避免了局部高溫,進一步提升了芯片可靠性,但是目前垂直芯片成本較高,量產能力較低。

    表1中列出了三種芯片的性能對比,通過以上分析,可以發現,倒裝芯片發光效率高、散熱性好、可靠性高、量產能力強,更適用于小間距和微間距顯示產品。

Micro LED大屏顯示技術分析——芯片及封裝結構

表1:芯片結構及性能對比


3. Micro LED封裝方案對比

    單獨的LED發光芯片無法滿足使用要求,需要對其進行封裝,合理的封裝結構和工藝可以為發光芯片提供電輸入、機械保護、有效的散熱通道,并有利于實現光的高效和高品質輸出。

Micro LED大屏顯示技術分析——芯片及封裝結構

 LED芯片尺寸和顯示屏間距的減小對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

Micro LED大屏顯示技術分析——芯片及封裝結構

圖2:Micro LED常用封裝結構示意圖

  (1)Chip型SMD封裝

    Chip型SMD封裝是將單個LED像素固晶在BT板上,然后使用封裝膠封裝發光芯片,得到Chip型封裝的單個像素;使用SMD技術將Chip型封裝的單個像素貼片在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,焊點面積較小、焊點數目較多,隨著LED芯片尺寸及顯示屏像素間距的減小,單個SMD器件氣密性較差,容易受到水汽侵蝕,同時易磕碰,防護性較差,焊點距離過近也容易造成短路風險,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個像素單元(多為2個或4個)固晶在BT板上,之后使用封裝膠將N個像素單元整體封裝,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SMD器件氣密性和防護性較差等問題,容易受到水汽侵蝕,同時易磕碰,防護性較差,同時繼承了單個SMD器件的成熟工藝、技術難度和成本較低,但N合一IMD封裝集成度仍然較低,對于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。

Micro LED大屏顯示技術分析——芯片及封裝結構

(3)COB封裝

    COB封裝方案是將多個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LED芯片整體封裝,防護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品。同時,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,導熱通道短,散熱性能更好,更適用于高像素密度顯示。

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

Micro LED大屏顯示技術分析——芯片及封裝結構

表2:Micro LED顯示屏產品的封裝方式及性能對比

4. 總結

    Micro LED因其具有高亮度、高對比、廣色域、可實現無縫拼接等優點,被認為是近乎完美的顯示技術,在85英寸以上的大屏顯示領域具有廣闊的應用前景,國內外各大顯示屏廠商均在Micro LED顯示領域積極布局。芯片結構和封裝方式直接決定了Micro LED顯示產品的性能,目前行業內采用的芯片結構主要有正裝結構、倒裝結構和垂直結構,對比三種結構可知,倒裝芯片發光效率高、散熱性好、可靠性高、量產能力強,更適用Micro LED顯示產品。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,可實現最小的像素間距、最高的可靠性和最長的顯示壽命,是公認的Micro LED的最佳封裝方案。

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