【艾比森】Micro LED大屏顯示技術分析 ——芯片及封裝結構

　　Micro LED技術分析

　　——芯片及封(feng)裝結構

　　引言

　　日前，工(gong)業(ye)(ye)和信息化部、國家廣播(bo)電(dian)視(shi)(shi)總局、中央廣播(bo)電(dian)視(shi)(shi)總臺聯合印(yin)發(fa)了《超高(gao)(gao)清視(shi)(shi)頻產(chan)業(ye)(ye)發(fa)展行動計(ji)劃(2019—2022年(nian))》，預計(ji)到(dao)2022年(nian)，我國超高(gao)(gao)清視(shi)(shi)頻產(chan)業(ye)(ye)總體規(gui)模將超過4萬(wan)億元，4K產(chan)業(ye)(ye)生態體系基本完善，8K關鍵技(ji)(ji)術(shu)(shu)產(chan)品(pin)研發(fa)和產(chan)業(ye)(ye)化取(qu)得突破(po)。另外(wai)人(ren)們對顯(xian)示(shi)(shi)產(chan)品(pin)的畫(hua)質和分(fen)辨率等規(gui)格提出了更高(gao)(gao)的要求，這(zhe)標志著顯(xian)示(shi)(shi)行業(ye)(ye)已經進入超高(gao)(gao)清時代，各種新型顯(xian)示(shi)(shi)技(ji)(ji)術(shu)(shu)蓬勃(bo)發(fa)展，尤其(qi)是新一代顯(xian)示(shi)(shi)技(ji)(ji)術(shu)(shu)Micro LED，其(qi)已經成(cheng)為國內外(wai)顯(xian)示(shi)(shi)廠商搶灘(tan)的技(ji)(ji)術(shu)(shu)高(gao)(gao)地，包括在(zai)內也已于(yu)2021年(nian)3月12日面向全球(qiu)重磅發(fa)布Micro LED顯(xian)示(shi)(shi)技(ji)(ji)術(shu)(shu)。

　　1 超高清時代，新一代顯示技術Micro LED來臨

　　Micro LED 是(shi)(shi)將 LED 微(wei)縮化到微(wei)米(mi)級(ji)的(de)顯示(shi)技(ji)(ji)術(shu)，具(ju)有(you)高亮度、高對比、廣(guang)色域、長(chang)壽命和(he)(he)高可(ke)(ke)靠性等(deng)優點，被認為是(shi)(shi)近乎(hu)完美的(de)顯示(shi)技(ji)(ji)術(shu)。其亮度和(he)(he)節能優勢(shi)在(zai)0.X英(ying)寸(cun)和(he)(he)X英(ying)寸(cun)的(de)可(ke)(ke)穿戴產(chan)(chan)品上(shang)有(you)廣(guang)闊的(de)應用前景，以蘋果為代表，有(you)望將Micro LED技(ji)(ji)術(shu)用于Apple Watch等(deng)2C產(chan)(chan)品中;而可(ke)(ke)實現無縫拼(pin)接(jie)的(de)特點使得Micro LED成為85英(ying)寸(cun)以上(shang)的(de)大尺(chi)寸(cun)電視產(chan)(chan)品的(de)最佳解(jie)決方案，目前，包括、以及國內(nei)一些(xie)顯示(shi)廠商均已(yi)推(tui)出(chu)基于Micro LED技(ji)(ji)術(shu)的(de)大尺(chi)寸(cun)消費級(ji)產(chan)(chan)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(gao)(gao)清化已經(jing)成為趨(qu)勢(shi)，顯(xian)(xian)示畫質越來(lai)越細膩，應(ying)用(yong)(yong)(yong)場(chang)景也從傳統(tong)的(de)(de)工程級向(xiang)商顯(xian)(xian)和(he)高(gao)(gao)端(duan)消費級擴展(zhan)，如(ru)2B顯(xian)(xian)示的(de)(de)應(ying)用(yong)(yong)(yong)場(chang)景電影院、商場(chang)、會議室、控制室等(deng)室內大屏、戶外(wai)顯(xian)(xian)示等(deng)。可以窺見，Micro LED因其獨特的(de)(de)優勢(shi)，在2C和(he)2B市場(chang)均有(you)極強的(de)(de)競爭力，傳統(tong)的(de)(de)面板廠商和(he)LED顯(xian)(xian)示屏廠商均在積極布局這一技術，作為全球領先的(de)(de)至真LED顯(xian)(xian)示應(ying)用(yong)(yong)(yong)與服(fu)務提供商的(de)(de)艾比(bi)森也不例(li)外(wai)。目前艾比(bi)森面向(xiang)全球發(fa)布的(de)(de)Micro LED商用(yong)(yong)(yong)顯(xian)(xian)示產品(pin)(pin)是2K 55英(ying)(ying)寸(cun)(P0.6)，2K 73英(ying)(ying)寸(cun)(P0.8)，2K 82英(ying)(ying)寸(cun)(P0.9)，4K 110 英(ying)(ying)寸(cun)(P0.6)，4K 138英(ying)(ying)寸(cun)(P0.7)，4K 165英(ying)(ying)寸(cun)(P0.9)，8K 220英(ying)(ying)寸(cun)(P0.6)等(deng)產品(pin)(pin)。

　　Micro LED顯(xian)示技術可以認為是傳統(tong)LED顯(xian)示屏的微(wei)間距化和高(gao)清化，Micro LED 顯(xian)示將微(wei)小的LED晶體顆(ke)粒作為像(xiang)素發光點(dian)，LED芯片結(jie)構和封裝方式直接影響著Micro LED顯(xian)示器(qi)件(jian)的性能。

　　2 Micro LED發光芯片結構對比

　　LED芯片通(tong)常由(you)襯底、P型半(ban)導體(ti)層、N型半(ban)導體(ti)層、P-N結(jie)(jie)和(he)(he)正負電極(ji)組成，當在正負電極(ji)之間(jian)加(jia)正向電壓后，從P區(qu)注(zhu)入到N區(qu)的(de)空穴和(he)(he)由(you)N區(qu)注(zhu)入到P區(qu)的(de)電子在P-N結(jie)(jie)處復合(he)，電能轉換(huan)為光能，發出不同波長的(de)光。LED芯片的(de)結(jie)(jie)構(gou)主要(yao)有正裝結(jie)(jie)構(gou)、倒裝結(jie)(jie)構(gou)和(he)(he)垂直結(jie)(jie)構(gou)三種，圖(tu)1為三種芯片結(jie)(jie)構(gou)示意圖(tu)。

　　圖1 芯(xin)片結構示意圖

　　(1)正裝芯片結構

　　正(zheng)(zheng)裝(zhuang)芯(xin)片(pian)(pian)是最(zui)早出現的(de)(de)芯(xin)片(pian)(pian)結構(gou)，該(gai)結構(gou)中從上至下依(yi)次為(wei)：電(dian)(dian)極(ji)(ji)(ji)，P型(xing)半導(dao)體層(ceng)(ceng),發光層(ceng)(ceng)，N型(xing)半導(dao)體層(ceng)(ceng)和(he)(he)襯底(di)，該(gai)結構(gou)中PN結處產生的(de)(de)熱(re)量需要經過藍寶石襯底(di)才能(neng)傳導(dao)到熱(re)沉，藍寶石襯底(di)較(jiao)(jiao)差(cha)的(de)(de)導(dao)熱(re)性能(neng)導(dao)致(zhi)(zhi)該(gai)結構(gou)導(dao)熱(re)性能(neng)較(jiao)(jiao)差(cha)，從而降低了芯(xin)片(pian)(pian)的(de)(de)發光效率(lv)和(he)(he)可(ke)靠性。正(zheng)(zheng)裝(zhuang)芯(xin)片(pian)(pian)結構(gou)中p電(dian)(dian)極(ji)(ji)(ji)和(he)(he)n電(dian)(dian)極(ji)(ji)(ji)均(jun)位于(yu)芯(xin)片(pian)(pian)出光面，電(dian)(dian)極(ji)(ji)(ji)的(de)(de)遮擋會影(ying)響芯(xin)片(pian)(pian)的(de)(de)出光，導(dao)致(zhi)(zhi)芯(xin)片(pian)(pian)發光效率(lv)較(jiao)(jiao)低;正(zheng)(zheng)負電(dian)(dian)極(ji)(ji)(ji)位于(yu)芯(xin)片(pian)(pian)同一側也容易出現電(dian)(dian)流(liu)擁擠現象(xiang)，降低發光效率(lv);此外，溫(wen)度和(he)(he)濕度等因素(su)可(ke)能(neng)導(dao)致(zhi)(zhi)電(dian)(dian)極(ji)(ji)(ji)金屬遷移(yi)，隨著芯(xin)片(pian)(pian)尺寸縮小(xiao)，正(zheng)(zheng)負電(dian)(dian)極(ji)(ji)(ji)間距減小(xiao)，電(dian)(dian)極(ji)(ji)(ji)遷移(yi)可(ke)能(neng)導(dao)致(zhi)(zhi)短(duan)路問題。

　　(2)倒裝芯片結構

　　倒(dao)裝(zhuang)(zhuang)芯片結(jie)構從上至(zhi)下依次(ci)為(wei)藍寶石襯底、N型半導(dao)(dao)體層,發(fa)光層，P型半導(dao)(dao)體層和電極(ji)，與(yu)正裝(zhuang)(zhuang)結(jie)構相比(bi)，該結(jie)構中PN結(jie)處(chu)產生的熱(re)量(liang)不經(jing)過襯底即可直接(jie)傳導(dao)(dao)到熱(re)沉，因而(er)散熱(re)性(xing)能良好，芯片發(fa)光效(xiao)率(lv)和可靠性(xing)較(jiao)高(gao)(gao);倒(dao)裝(zhuang)(zhuang)結(jie)構中，p電極(ji)和n電極(ji)均(jun)處(chu)于底面(mian)，避免了對(dui)出射光的遮擋，芯片出光效(xiao)率(lv)較(jiao)高(gao)(gao);此外，倒(dao)裝(zhuang)(zhuang)芯片電極(ji)之間距離較(jiao)遠，可減(jian)小電極(ji)金屬遷移導(dao)(dao)致的短路(lu)風(feng)險。

　　(3)垂直結構芯片

　　與正(zheng)裝(zhuang)芯片(pian)(pian)相(xiang)比，垂(chui)直結構芯片(pian)(pian)采用高熱導率的(de)襯(chen)(chen)底(di)(Si、Ge和Cu等襯(chen)(chen)底(di))取(qu)代藍寶(bao)石(shi)襯(chen)(chen)底(di)，極大的(de)提(ti)高了芯片(pian)(pian)的(de)散熱性能，同時，垂(chui)直結構芯片(pian)(pian)的(de)正(zheng)負電極分(fen)別位于芯片(pian)(pian)上下兩側，電流(liu)分(fen)布更(geng)加均勻，避免(mian)了局部高溫，進一(yi)步提(ti)升了芯片(pian)(pian)可靠性，但是目前垂(chui)直芯片(pian)(pian)成本較高，量產(chan)能力較低。

 　　表1中列出(chu)了三種芯(xin)片的性(xing)能對比，通(tong)過以上分析，可以發現，倒(dao)裝芯(xin)片發光(guang)效率高(gao)、散熱性(xing)好、可靠性(xing)高(gao)、量產(chan)(chan)能力強，更適(shi)用(yong)于小間距和微間距顯示產(chan)(chan)品。

　　表1 芯片結構及性能對比

　　3 Micro LED封裝方案對比

　　單獨的(de)(de)LED發(fa)光(guang)(guang)芯片無法(fa)滿足使用要求，需(xu)要對(dui)其進(jin)行封裝，合(he)理的(de)(de)封裝結構和工藝可(ke)以為發(fa)光(guang)(guang)芯片提供電輸入(ru)、機械保護、有(you)效的(de)(de)散熱通道，并有(you)利于實現光(guang)(guang)的(de)(de)高效和高品質輸出。

　　LED芯(xin)片尺寸和顯示屏間(jian)距的減(jian)小對封(feng)(feng)裝(zhuang)提出(chu)了更高的要(yao)求。目前，常用的Micro LED封(feng)(feng)裝(zhuang)方式主要(yao)有Chip型SMD封(feng)(feng)裝(zhuang)、N合(he)一IMD封(feng)(feng)裝(zhuang)和COB封(feng)(feng)裝(zhuang)，如圖2所示。

　　圖(tu)2 Micro LED常用封(feng)裝結構示(shi)意圖(tu)

　　(1)Chip型SMD封裝

　　Chip型(xing)SMD封(feng)裝(zhuang)是將(jiang)單(dan)個(ge)LED像(xiang)素(su)固晶在(zai)BT板(ban)(ban)上(shang)，然后(hou)使用封(feng)裝(zhuang)膠封(feng)裝(zhuang)發光芯片(pian)，得到(dao)Chip型(xing)封(feng)裝(zhuang)的單(dan)個(ge)像(xiang)素(su);使用SMD技術將(jiang)Chip型(xing)封(feng)裝(zhuang)的單(dan)個(ge)像(xiang)素(su)貼(tie)片(pian)在(zai)PCB板(ban)(ban)上(shang)，即(ji)可得到(dao)LED顯(xian)示(shi)(shi)模組。Chip型(xing)SMD封(feng)裝(zhuang)為單(dan)像(xiang)素(su)封(feng)裝(zhuang)，尺寸較(jiao)小(xiao)(xiao)，焊點(dian)(dian)面積較(jiao)小(xiao)(xiao)、焊點(dian)(dian)數目較(jiao)多(duo)，隨(sui)著LED芯片(pian)尺寸及顯(xian)示(shi)(shi)屏(ping)像(xiang)素(su)間(jian)距的減小(xiao)(xiao)，單(dan)個(ge)SMD器件氣(qi)密性較(jiao)差，容易受到(dao)水汽侵蝕，同(tong)時易磕(ke)碰，防護性較(jiao)差，焊點(dian)(dian)距離過近也容易造成短路(lu)風險，因(yin)而不適(shi)用Micro LED 微間(jian)距顯(xian)示(shi)(shi)。

　　(2)N合一IMD封裝

　　N合一IMD封(feng)裝(zhuang)將N個(ge)像(xiang)素(su)單(dan)元(yuan)(多(duo)為2個(ge)或4個(ge))固晶在(zai)BT板上，之后使(shi)用封(feng)裝(zhuang)膠將N個(ge)像(xiang)素(su)單(dan)元(yuan)整體封(feng)裝(zhuang)，與單(dan)像(xiang)素(su)SMD分立封(feng)裝(zhuang)相比具(ju)有較(jiao)(jiao)高的(de)集成度，可有效(xiao)(xiao)改善單(dan)個(ge)SMD器(qi)件氣密性(xing)和(he)防(fang)護性(xing)較(jiao)(jiao)差(cha)等問(wen)題，容易(yi)受到水汽(qi)侵蝕，同時(shi)易(yi)磕(ke)碰，防(fang)護性(xing)較(jiao)(jiao)差(cha)，同時(shi)繼(ji)承了單(dan)個(ge)SMD器(qi)件的(de)成熟工(gong)藝、技術(shu)難(nan)度和(he)成本較(jiao)(jiao)低(di)，但N合一IMD封(feng)裝(zhuang)集成度仍然(ran)較(jiao)(jiao)低(di)，對于(yu)0.6mm以(yi)下的(de)微間距顯(xian)示(shi)，N合一IMD封(feng)裝(zhuang)工(gong)藝難(nan)度較(jiao)(jiao)大，且顯(xian)示(shi)效(xiao)(xiao)果、可靠性(xing)及壽(shou)命較(jiao)(jiao)差(cha)。

　　(3)COB封裝

　　COB封(feng)(feng)(feng)(feng)裝(zhuang)(zhuang)(zhuang)(zhuang)方案是(shi)將多(duo)個像素的裸芯(xin)片直接固(gu)晶在(zai)PCB板(ban)上(shang)，之后整(zheng)體封(feng)(feng)(feng)(feng)裝(zhuang)(zhuang)(zhuang)(zhuang)膠層。與Chip型SMD封(feng)(feng)(feng)(feng)裝(zhuang)(zhuang)(zhuang)(zhuang)和N合一IMD封(feng)(feng)(feng)(feng)裝(zhuang)(zhuang)(zhuang)(zhuang)相比，COB封(feng)(feng)(feng)(feng)裝(zhuang)(zhuang)(zhuang)(zhuang)將多(duo)個LED芯(xin)片整(zheng)體封(feng)(feng)(feng)(feng)裝(zhuang)(zhuang)(zhuang)(zhuang)，防(fang)護性(xing)和氣密性(xing)極大提升，更適(shi)用(yong)于(yu)小尺寸芯(xin)片封(feng)(feng)(feng)(feng)裝(zhuang)(zhuang)(zhuang)(zhuang)和微間距顯(xian)示(shi)(shi)產品(pin)。同(tong)時，COB封(feng)(feng)(feng)(feng)裝(zhuang)(zhuang)(zhuang)(zhuang)中不額外(wai)使用(yong)BT板(ban)，而是(shi)將LED芯(xin)片直接封(feng)(feng)(feng)(feng)裝(zhuang)(zhuang)(zhuang)(zhuang)到PCB板(ban)上(shang)，導熱通道短，散熱性(xing)能更好，更適(shi)用(yong)于(yu)高像素密度顯(xian)示(shi)(shi)。

　　表2對比(bi)了上述三種(zhong)封(feng)裝方式的(de)(de)特(te)點(dian)，COB封(feng)裝具有(you)最(zui)高的(de)(de)集(ji)成度，理論(lun)上可實現最(zui)小的(de)(de)像素(su)間距、最(zui)高的(de)(de)可靠性(xing)和(he)最(zui)長(chang)的(de)(de)顯示壽命，是Micro LED的(de)(de)最(zui)佳封(feng)裝方案。

　　表2 Micro LED顯示屏產品的封(feng)裝方式及性能對比

　　4 總結

　　Micro LED因其具有(you)高亮度、高對比、廣(guang)色域(yu)、可(ke)實(shi)現(xian)無縫拼接(jie)等優點(dian)，被認為是近乎完美(mei)的(de)(de)(de)顯(xian)(xian)(xian)示(shi)技(ji)術，在85英寸以上(shang)的(de)(de)(de)大(da)屏(ping)顯(xian)(xian)(xian)示(shi)領域(yu)具有(you)廣(guang)闊的(de)(de)(de)應用前景(jing)，國(guo)內外各大(da)顯(xian)(xian)(xian)示(shi)屏(ping)廠商均在Micro LED顯(xian)(xian)(xian)示(shi)領域(yu)積極(ji)布局。芯片結構(gou)(gou)(gou)和(he)封(feng)(feng)(feng)裝(zhuang)方(fang)式(shi)直(zhi)接(jie)決定了Micro LED顯(xian)(xian)(xian)示(shi)產(chan)品的(de)(de)(de)性(xing)能，目前行業(ye)內采用的(de)(de)(de)芯片結構(gou)(gou)(gou)主要有(you)正裝(zhuang)結構(gou)(gou)(gou)、倒裝(zhuang)結構(gou)(gou)(gou)和(he)垂直(zhi)結構(gou)(gou)(gou)，對比三種結構(gou)(gou)(gou)可(ke)知，倒裝(zhuang)芯片發(fa)光(guang)效率(lv)高、散熱性(xing)好、可(ke)靠性(xing)高、量產(chan)能力強，更適用Micro LED顯(xian)(xian)(xian)示(shi)產(chan)品。Micro LED的(de)(de)(de)常用封(feng)(feng)(feng)裝(zhuang)方(fang)式(shi)有(you)SMD單(dan)像(xiang)素封(feng)(feng)(feng)裝(zhuang)、IMD多合一封(feng)(feng)(feng)裝(zhuang)和(he)COB封(feng)(feng)(feng)裝(zhuang)，三種封(feng)(feng)(feng)裝(zhuang)方(fang)式(shi)中，COB封(feng)(feng)(feng)裝(zhuang)集成度最(zui)(zui)高，可(ke)實(shi)現(xian)最(zui)(zui)小的(de)(de)(de)像(xiang)素間距、最(zui)(zui)高的(de)(de)(de)可(ke)靠性(xing)和(he)最(zui)(zui)長的(de)(de)(de)顯(xian)(xian)(xian)示(shi)壽命，是公認的(de)(de)(de)Micro LED的(de)(de)(de)最(zui)(zui)佳封(feng)(feng)(feng)裝(zhuang)方(fang)案(an)。

 　　艾比森發布的全系列Micro LED產(chan)品(pin)基于(yu)艾比森自主知識產(chan)權HCCI技術，

　　1)采用倒裝COB封裝技術

　　2)集(ji)成艾比(bi)森(sen)核心(xin)HDR3.0算法

　　3)集成智慧顯示(shi)技(ji)術

　　在光(guang)學設(she)計及畫質處理等(deng)顯示效果方(fang)面有專業團隊持續進行研究，具備顯示畫面平滑流暢(chang)，色彩(cai)還原(yuan)度高，畫面柔和且一致性(xing)效果好的特點，成果應(ying)(ying)用于各產品系列(lie)，廣泛應(ying)(ying)用于各大控(kong)制中(zhong)心(xin)，會議中(zhong)心(xin)等(deng)場(chang)景。