全垂直結(jié)構(gòu)MiniLED RGB顯示方案的三大關(guān)鍵詞

作者 | 發(fā)布日期 2021 年 01 月 15 日 14:35 | 分類 產(chǎn)業(yè)

2020年中國(guó)成為全球LED制造擔(dān)當(dāng),而Mini/Micro LED當(dāng)之無(wú)愧地成為L(zhǎng)ED最閃耀的領(lǐng)域。據(jù)公開資料統(tǒng)計(jì),2020年立項(xiàng)的項(xiàng)目有24個(gè),其中一半是十億級(jí)大項(xiàng)目。一方面,是用戶對(duì)顯示產(chǎn)品的分辨率、色彩還原度和畫質(zhì)等規(guī)格的追求永無(wú)止境,從1K到8K;另一方面,成熟的LED行業(yè)太需要新的技術(shù)、新的產(chǎn)品和新的市場(chǎng),牽引產(chǎn)業(yè)大發(fā)展。也正因?yàn)槿绱耍a(chǎn)品開發(fā)商擁有了前進(jìn)的動(dòng)力,不斷探索新技術(shù),勇于挑戰(zhàn)新高度。

目前,Mini高清顯示屏RGB方案主要有三種:

① 普通藍(lán)寶石正裝方案:R采用垂直正極性紅光芯片,G、B采用普通正裝水平芯片;
② 倒裝方案的R采用倒裝結(jié)構(gòu)紅光芯片,G、B采用倒裝結(jié)構(gòu)芯片;
③ 垂直方案的R采用正極性或者反極性紅光,G、B采用垂直結(jié)構(gòu)芯片。

普通正裝和倒裝已為大家熟知,而垂直結(jié)構(gòu)通常是指經(jīng)過(guò)襯底剝離的薄膜LED芯片,襯底剝離后邦定新的基板或者可以不邦定基板,做成垂直芯片。

對(duì)應(yīng)屏的不同間距,三種方案優(yōu)劣勢(shì)也很明顯:

P0.9-P1.25mm間距現(xiàn)階段是普通正裝水平芯片的舞臺(tái),憑借價(jià)格低的優(yōu)勢(shì),占據(jù)主要市場(chǎng),垂直和倒裝方案亦可實(shí)現(xiàn),但更多聚焦高端應(yīng)用市場(chǎng)。不過(guò),綜合來(lái)看,倒裝方案相對(duì)垂直方案的RGB一組芯片價(jià)格高約2倍。

P0.6-P0.9mm間距的應(yīng)用上,普通正裝方案由于物理空間極限限制基本很難量產(chǎn),倒裝和垂直方案皆可滿足要求。但是,倒裝方案需增加大批設(shè)備,而垂直方案封裝工藝成熟度高,現(xiàn)有封裝廠設(shè)備可以通用。此外,一組RGB垂直芯片成本是倒裝芯片的1/2。

而在更小的P0.3-P0.6mm間距的應(yīng)用上,倒裝芯片工藝面臨較大的挑戰(zhàn),垂直結(jié)構(gòu)方案因工藝的優(yōu)勢(shì)可以較好地實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞一 殺死“毛毛蟲”

越小間距的顯示屏越容易遇到“毛毛蟲”的侵蝕,大部分的毛毛蟲是由金屬遷移導(dǎo)致。2018年1010器件出現(xiàn)的嚴(yán)重金屬遷移問(wèn)題,引起業(yè)界廣泛的關(guān)注和廠商的重視。

一般使用條件下,LED芯片電極的金屬不會(huì)遷移,但隨著芯片尺寸越來(lái)越小,加上濕度和溫度、電解質(zhì)深度等引發(fā)電位差發(fā)生變化,在芯片表面的P、N區(qū)域間、燈內(nèi)PCB導(dǎo)電線條間,燈外電極與線條間,以及模組PCB電極或線條間,只要存在這種電位差,潛在的金屬遷移趨勢(shì)就已經(jīng)形成,而且往往從最薄弱(即距離電小電位差最大)的地方首先發(fā)生遷移,造成漏電。對(duì)于各種RGB方案來(lái)說(shuō),我們所能做的,只是設(shè)法延長(zhǎng)從開始形成遷移的趨勢(shì)到因遷移而導(dǎo)致產(chǎn)品失效的過(guò)程時(shí)間而已。

圖1 不同位置金屬遷移典型示例

圖2 金屬遷移原理圖

如果要避免或減少離子遷移,需要滿足以下幾點(diǎn):

1、PN區(qū)電極之間的距離L:L越大越不易遷移,或者相同條件下要經(jīng)過(guò)相對(duì)更長(zhǎng)的時(shí)間才能形成遷移失效;
2、電位差U:U越小電化學(xué)反應(yīng)速度越慢,越不易形成遷移,消隱電壓越低越不容易形成遷移;
3、濕度RH:RH越低越干燥電化學(xué)反應(yīng)速度V越慢,越不易形成遷移,70 RH是警戒線;
4、電解質(zhì)濃度:電極或不同電位線條之間的電解質(zhì)雜質(zhì)濃度越低,越潔凈越不易形成遷移;
5、溫度T:T越低,電化學(xué)反應(yīng)速率越小,越不易形成遷移。

垂直結(jié)構(gòu)方案在解決金屬遷移問(wèn)題上有天然的優(yōu)勢(shì)。其優(yōu)勢(shì)主要有三:

一是垂直結(jié)構(gòu)芯片正負(fù)極之間距離大于135μm,而正裝水平結(jié)構(gòu)芯片會(huì)隨著芯片尺寸的減小,其正負(fù)極距離越來(lái)越小,如6×8mil芯片電極間距68μm,而4×5.5mil芯片電極間距就小至26μm了。由于正負(fù)極在物理空間的距離較大,即使假設(shè)發(fā)生金屬離子遷移后,垂直芯片燈珠壽命會(huì)比水平芯片高4倍以上,極大地提高了產(chǎn)品的可靠性和穩(wěn)定性。

二是垂直結(jié)構(gòu)的藍(lán)綠芯片表面為全惰性金屬電極Ti/Pt/Au,較難發(fā)生金屬遷移,主要性能與紅光垂直芯片一樣,而水平芯片電極材料使用ITO/Cr/Al,這些材料活性較強(qiáng),極容易發(fā)生金屬遷移。

三是普通正裝水平芯片主要使用絕緣膠,散熱性極差,且芯片尺寸越小,燈內(nèi)溫度越高;而垂直結(jié)構(gòu)芯片采用銀膠,導(dǎo)熱性能好,燈內(nèi)溫度相對(duì)于正裝水平低很多,可以大幅度降低金屬離子遷移速度。

圖3 水平電極結(jié)構(gòu)因電極間距和溝道寬度小極易發(fā)生PN區(qū)金屬遷移

圖4 垂直電極結(jié)構(gòu)較好的間距空間大幅度降低正負(fù)極金屬遷移

關(guān)鍵詞二:高性價(jià)比

性價(jià)比是商家規(guī)模應(yīng)用的決定因素。

在顯示效果方面,相比正裝結(jié)構(gòu),垂直結(jié)構(gòu)的芯片是單面發(fā)光、無(wú)側(cè)光,隨著間距變小,產(chǎn)生的光干擾會(huì)更少。也就是說(shuō),間距越小,亮度損失越少,因此,垂直芯片相對(duì)于正裝水平芯片的亮度有大幅度提高;而且垂直結(jié)構(gòu)由于RGB三色都是單面出光,相對(duì)于普通正裝和普通倒裝結(jié)構(gòu)的五面出光,RGB三個(gè)顏色不會(huì)出現(xiàn)混光,從而在顯示清晰度方面更勝一籌(此為Micro顯示的芯片必然要去襯底的原因之一)。

圖5 垂直結(jié)構(gòu)與正裝水平的結(jié)構(gòu)芯片亮度測(cè)試數(shù)據(jù)

在生產(chǎn)良率方面,垂直結(jié)構(gòu)相比普通正裝結(jié)構(gòu)還能少打兩根線,器件內(nèi)打線面積更充足,可有效增加設(shè)備產(chǎn)能,可以使器件由于焊線原因造成的不良下降一個(gè)數(shù)量級(jí)。

圖6 普通正裝RGB(左)需要打5根線,垂直結(jié)構(gòu)RGB(右)只需打3根線

成本上,垂直結(jié)構(gòu)藍(lán)綠LED芯片可以采用最普通的垂直結(jié)構(gòu)紅光LED芯片,對(duì)于高端應(yīng)用或更小間距的屏而言,一組RGB垂直結(jié)構(gòu)芯片成本是倒裝芯片的1/2。同時(shí),垂直結(jié)構(gòu)方案封裝工藝成熟度高,現(xiàn)有封裝廠設(shè)備可以完全通用,無(wú)需投入新設(shè)備,但倒裝方案就需要增加大批設(shè)備,封裝良率提升難度極大。綜合來(lái)看,現(xiàn)階段垂直結(jié)構(gòu)方案是Mini顯示推進(jìn)千家萬(wàn)戶的最優(yōu)選擇。

關(guān)鍵詞三:不止于Mini

晶能認(rèn)為顯示的本質(zhì)是像素,芯片結(jié)構(gòu)和尺寸只是實(shí)現(xiàn)的手段,因此,晶能建議按照像素間距來(lái)定義Mini LED和Micro LED顯示,即將P0.3-P1.25或者1.5mm歸類為Mini LED,P0.3mm以下歸類為Micro LED。

現(xiàn)階段,晶能垂直方案已經(jīng)量產(chǎn)了硅襯底垂直芯片尺寸在5×5mil至7×7mil的藍(lán)綠Mini LED芯片,未來(lái)在2021年第四季度會(huì)量產(chǎn)4×4mil垂直芯片,再匹配正極性或反極性紅光LED芯片。

針對(duì)不同間距主要包括三種方案:P1.25mm的1010單顆封裝產(chǎn)品、P1.25mm至P0.625mm間距IMD 4合1及COB產(chǎn)品。這些方案可制造全垂直結(jié)構(gòu)LED芯片的超高清全彩顯示屏,主要應(yīng)用在戶內(nèi)顯示、高清娛樂(lè)、遠(yuǎn)程視頻會(huì)議等場(chǎng)景。

晶能光電根據(jù)客戶端的驗(yàn)證發(fā)現(xiàn),5×5mil產(chǎn)品能夠滿足顯示屏的各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo),相比藍(lán)寶石方案可達(dá)到更高的亮度水平。同時(shí),還能夠?qū)崿F(xiàn)更高的設(shè)備稼動(dòng)率和效率,并有效避免金屬遷移所造成的屏幕壞點(diǎn),即毛毛蟲等失效異常。

而對(duì)于P0.3-P0.6Mini顯示,晶能光電也提出了可行的方案,使用其多年研發(fā)的Micro芯片技術(shù)的70%,即用Micro級(jí)別的硅襯底LED材料去除襯底后,制成3-5μm厚的薄膜藍(lán)綠芯片,做成2×4mil的自帶焊接金屬柱的薄膜倒裝結(jié)構(gòu)(TFFC)芯片或者2.5×2.5mil薄膜垂直結(jié)構(gòu)(VTF)芯片,紅光采用藍(lán)光搭配QD量子膜或硅襯底GaN紅光薄膜芯片。該方案由于芯片尺寸遠(yuǎn)大于Micro LED芯片(5-40um),相對(duì)于Micro LED技術(shù)難度大幅度降低,預(yù)計(jì)未來(lái)2-3年內(nèi)能夠量產(chǎn)。

圖7 P0.3-P0.6的TFFC方案(左)和VTF方案(右)

小結(jié)

當(dāng)前,顯示領(lǐng)域也是多種技術(shù)和方案并存,選擇哪種方案取決于終端客戶的需求。但無(wú)論如何,超大顯示屏的發(fā)展必定會(huì)對(duì)顯示產(chǎn)品的性能與成本效益提出越來(lái)越高的要求。未來(lái)會(huì)有怎樣的變化暫且不說(shuō),但垂直結(jié)構(gòu)RGB技術(shù)的潛力已經(jīng)顯而易見(jiàn)。(文:LEDinside)

感謝晶能光電為本文提供技術(shù)內(nèi)容

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