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浅谈Mini RGB显示COB技术和IMD技术难题
文章来源自:小间距LED大屏幕
2019-07-11 17:26:18 阅读:11975
摘要由于尺寸微缩化,芯片使用量大大提高,芯片的生产和检测等过程都存在高难度和效率低下的问题。

  随着LED技术进步与市场需求增多,以Mini/Micro LED为代表的新型显示技术应运而生。自新概念提出以来,Mini/Micro LED一直处于聚光灯之下,近两年来掀起一波又一波的浪潮。

  虽然Micro LED(<100μm)是新型显示时代的终极目标,但由于巨大的技术瓶颈问题,对于大部分厂商来说,目前还触不可及。

  而Mini LED(100μm—300μm)作为Micro LED的前哨站,技术相对较成熟。2018年下半年开始,相关厂商相继推出新产品,其中,有些产品在送样布局阶段,也有些产品已小量或批量生产。

  具体来看,Mini LED的应用分为两种:背光和RGB显示应用。现阶段,由于技术难度和成本问题,Mini RGB显示产品相对较少。从产业链来看,材料、设备、芯片、驱动IC、PCB设计、封装等各个环节都面临新的技术难题。从技术本身来看,主要是效率、良率、一致性和可靠性的问题。

  从芯片端看,由于尺寸微缩化,芯片使用量大大提高,芯片的生产和检测等过程都存在高难度和效率低下的问题。而且,Mini LED显示产品对芯片的电流和颜色等的一致性和可靠性要求很高。另外,红光倒装芯片的技术难度大,芯片转移过程的良率和可靠性仍不高。

  从封装端看,锡膏等材料的选择和固晶机的精度等也需要不断突破。效率、良率与成本息息相关,每一个环节都面临技术难题。同时,显示屏对画质和显示效果要求极高,而封装表面的处理工艺不同,像素间也存在光色差异,容易导致混光不一致,校正难度高等问题,进而影响高质量显示效果。

  Mini LED封装主要包括COB(Chip on Board)技术和IMD(Integrated Mounted Devices)集合封装技术两种方案。COB技术是将LED芯片直接封装到模组基板上,再对每个大单元进行整体模封。而IMD技术(N合1)则是将两组、四组或六组RGB灯珠集成封装在一个小单元中。

  采用COB方案的厂商主要有雷曼光电、希达电子和鸿利智汇。

  其中,希达电子表示,Mini COB封装技术的难题主要体现在光学一致性和PCB板墨色一致性两个方面,该公司在光学一致性校正上取得成效。同时,随着工艺技术的进步,其PCB板墨色一致性不断提升。产品包括正装芯片和全面倒装芯片两个系列,目前一次性生产良率已接近100%。

  除了良率和PCB墨色一致性问题,模块之间的缝隙也是技术难题之一。今年推出P0.7mm Mini LED产品的鸿利智汇就表示实现无缝拼接也是COB技术的一个难点,如果模块或单元之间的间隙太大,显示效果和整体美观都会受影响。鸿利智汇目前从工艺的优化以及设备的改良上均实现突破,产品一致性、良率,效率上都获得了长足的进步,预期产品在今年Q3至Q4正式推出。该公司认为,相较常规产品,COB封装的优点包括功率低,散热效果好,色彩饱和度高,分辨率更高清,屏幕尺寸无限制等。但其局限就在于良率不好会造成极高的成本。

  现阶段,相比COB技术,RGB显示市场上采用IMD技术的厂商占多数,例如宏齐、国星光电、晶台光电、东山精密及兆驰股份等。

  在Mini LED封装产品生产过程中,晶台光电强调像素间的混光一致性和表面一致性的问题,IMD器件对Mini LED芯片光电性能的一致性提出了更高的要求。来料芯片的差异较大,会导致显示花屏。并且,因封装的表面处理工艺不同,即使保证了芯片的一致性,同样会导致出光效果差异较大。同时,由于SMT技术的局限性,P0.7mm以下间距的产品基本难以实现量产。此外,随着间距微缩化,产品综合成本升高。目前,晶台光电的首款Mini LED产品蜂鸟MAX将贴片效率提升了一倍,通过新的表面处理技术,解决了表面一致性问题,单像素显示效果也能够保持一致。

  近年来在小间距显示屏和Mini LED技术不断加大研发投入的兆驰股份认为,IMD也可以看成一个小的COB单元,所面临的技术难题与COB封装技术相似,但难度有所降低。目前市场上有正装和倒装IMD方案,相比之下,倒装技术难度更高,但可靠性更好。该公司主要研发倒装技术和CSP技术,现已通过精细化的工艺控制在Mini倒装4合1方案上取得进步,去年就已进入量产阶段。相比COB技术,IMD技术提升了应用端的贴装效率,提升了芯片RGB的封装可靠性。但该公司也指出,随着间距不断缩小,IMD方案存在一定的物理极限,无法无限缩小像素间距。

  从应用端来看,显示屏厂商奥拓电子表示,Mini LED IMD是在传统SMD成熟工艺基础上巧妙创新的产物,所以良率本身没有问题,产品的鲁棒性和可靠性也大大提升。一致性方面,该公司专利的沟槽设计及特别的校正技术能够解决COB及GOB技术难以逾越的实际问题。

  洲明科技则认为,对小厂而言,采用IMD方案降低了生产难度,良品率会有所提升,对于实力比较强的大厂而言,良率则基本一样。但从显示效果来看,IMD产品一致性微低于单颗封装灯珠的一致性。因为IMD方案中,波长可能比以前多1-2nm左右。亮度比方面,IMD方案的比值更大(约1:1.4或1:1.5)。因此,从不同角度看,整屏的均匀性和一致性均较弱。例如,采用4合1方案的显示屏会常出现以4个像素为单位(即一个封装体)的偏色,稍微偏一点角度看就能发现这个问题。直观而言,整屏颗粒感较强,一致性稍差。

  多种技术同台竞技,谁能独领风骚?

  随着小间距市场的爆发,市场对高密高清需求的提升,基于IMD技术的Mini-LED、COB(Chip On Board)、分立器件NPP(0606/0404等)三种不同技术路线的封装形式也开始同台竞技。

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  当小间距产品进入0.X时代时,基于分立器件(NPP)的小间距产品劣势开始逐渐显露出来。由于SMD器件变得更小导致了灯板上的焊点面积急剧缩小,这不仅对LED显示屏生产厂家的SMT贴片工艺要求大幅提升,同时生产效率也受极大影响。例如:P1.5的产品,每平米需要贴44万颗灯,而到了P1.0的产品,每平米需要贴1,000,000颗灯,不仅贴片的数量增加了约2.3倍,同时SMT机器的贴片速度也需要要大幅的下调,整体生产效率会受到极大的影响。不仅如此,过小的SMD器件,也给售后服务带来了极大困难,客户的使用现场,几乎无法完成1mm以内的产品维修。

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  同样,对于采用倒装COB技术的LED显示屏,其最主要的难点在于其制造工艺和产线设备布局与传统分立器件的企业差异极大。它需要整合芯片、封装、显示全产业链的环节,除了成本投入巨大以外,在各个环节面临的核心技术难点也需要企业去逐个进行突破。这不仅限制了企业的产能,同时也拉长了产品技术的更新周期。比如现阶段的产品良率不足、墨色一致性不高、死灯后只能送原厂维修、产品模块化等问题,仍旧无法得到很好的解决。可以预见的是,COB技术将会是一个小众的细分市场,而非主流的市场。

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               (Mini-LED)                  (COB)

  而基于IMD技术的Mini LED,即将对现有的显示技术进行全面革新!

  重新定义高端Mini-LED小间距

  在5G技术的浪潮推动下,安防监控类的固装应用市场对4K乃至8K的需求均呈现出爆发式增长的态势。而在租赁应用市场,品牌车展、顶级发布会等高端应用场景对超高清显示的期待也从未减少过,但市场上一直以来都缺乏一款能让客户真正心动的明星产品。

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  虽然Mini LED的背光和显示产品均已开始小批量出货,但是产品主要集中在P0.9-0.7,P0.7以下的产品还处于技术开发阶段,Mini LED在持续缩小间距的过程中,还面临芯片、封装、驱动IC、背板等诸多难题,以下是GGII对目前Mini LED技术难点的梳理:

  1、芯片端

  a、芯片微缩化,由于Mini LED要求像素点的间距在1mm以下,这也要求Mini LED的芯片也需要变小,目前Mini LED的芯片普遍要求200um以下,这对LED芯片生产过程中的光刻和蚀刻提出了更高的要求,特别现有成熟的生产设备难以满足100um以下的芯片生产,在小尺寸芯片情况下,焊接面的平整度、电极结构的设计、易焊接性以及对焊接参数的适应性、封装宽容度都是芯片设计的难点与重点。而Mini LED芯片在生产过程中还采用作业效率偏低的全测全分模式,对于处理高密度、高精度的大量芯片,无论是生产还是检测均存在效率低下问题,这无形中也推高了Mini LED芯片的成本;

  b、红光倒装芯片,由于倒装芯片无需打线,适合Mini LED超小空间密布的需求,因此目前的Mini LED全部采用倒装芯片结构,目前蓝绿光倒装LED芯片生产较为成熟,但是红光倒装LED芯片技术难度高,由于需要进行衬底转移,而芯片在转移技术过程中生产良率和可靠性还不高。

  c、一致性和可靠性,Mini LED芯片作为显示芯片对产品一致性和可靠性的要求较高,一致性重点关注的指标包括小电流一致性、不通电流下一致性、高低位一致性、颜色均匀一致性、电容小且一致性等,而由于Mini LED显示屏复杂使用环境,维修难度较高,这就对Mini LED芯片的可靠性要求较高,总的来说Mini LED芯片生产企业在生产过程中进行严格的生产控制以保障产品各项指标的稳定;

  2、封装端

  a、高效率固晶与贴片,由于Mini LED的芯片尺寸主要是50-200um,同时Mini LED芯片和灯珠单位面积使用量巨大且排列十分紧密,对焊接面平整度、线路精度提出更高要求,对焊接参数的适应性和封装宽容度要求也更为严格。因此在高效率和高精度的Mini LED芯片固晶成为摆在Mini LED面前的一道难题。传统锡膏固晶容易导致芯片焊接漂移,孔洞率增大,无法满足Mini LED的高精度固精要求,更高精度固晶基板及固晶设备成为急需解决的问题。传统贴片机在对P1.0以下Mini LED封装器件进行贴片时,由于精度要求在25um以下,因此传统贴片机必须将贴片速度降低到原有贴片速度的30-50%,这将大大降低显示屏的生产制造效率,更高效的贴片机也是是未来Mini LED所面临的一大难题;

  b、薄型化封装,Mini LED作为背光时要求产品越薄越好,但是当PCB厚度低于0.4mm时,在回流焊、Molding工艺中,由于树脂基材与铜层热膨胀系统不同,会诱发芯片虚焊,而Molding封装过程中,封装胶与PCB热膨胀系数不同也会导致胶裂;

  c、混光一致性,由于芯片或者灯珠的光色差异或者电路问题,可能导致显示或者背光效果的差异,这将对Mini LED的显示效果造成不良影响;

  d、可靠性与良率,Mini LED显示屏的使用环境相对比较复杂,空气中的水汽如果透过封装材料或者支架渗入接触到LED芯片中电极,很容易产生短路等现象,同时由于Mini LED产品所大量密集排列,使用的封装器件成倍增长,考虑到Mini LED维修难度和成本较高,这就需要Mini LED封装器件具备相对高的可靠性。

  3、驱动IC方面

  a、电流控制与散热,由于Mini LED点间距越来越小,使用的LED芯片数量也越来越多芯片尺寸越来越小,这导致驱动的电流也越来越小,使得驱动IC对电流的精准控制也越来越难,未来针对小电流的精准控制也需要新的电路设计,再加上因为使用大量驱动IC和LED芯片,使得PCB快速散热也出现困难,而热量会使驱动IC模块产生偏色的问题,因此高集成和低功耗的驱动IC将是显示屏驱动IC的发展方向。

  b、区域调光,对于Mini LED的背光应用来说,目前的静态调光技术因为需要串联IC数量,驱动电路成本高昂,IC控制I/O数量庞大,驱动电路体积大,背光刷新频率低且容易有闪烁感,因此已经难以满足新型Mini LED背光技术的需求,区域调光的驱动IC恰好可以弥补静态调光的缺点,但是在采用区域调光的方案时,还面临Mini LED背光分区亮度和均匀度的提升、刷新频率的提升、背光光效的提升、高集成度、精细调光分辨率等一系列问题。

  4、PCB背板

  在Mini LED轻薄化的前提下,显示和背光效果的高要求对PCB背板的厚度均匀性、平整性、对准度等加工精度都提出了新的挑战,再加上PCB背板上有大量的LED芯片和驱动IC,这就需要背板的Tg点要高于220℃,而PCB背板在Mini LED加工过程中需要受到各种外力,为了保持背板的厚度均匀性、尺寸稳定性等,还需要背板具有较高的耐撕拉强度、耐湿热性等物理特性。

  为了拓展Mini LED的应用,Mini LED产业上下游厂家积极在研发新技术和降低成本方面努力,目前国内外Mini LED厂家重点在研发或拓展的新技术包括出光调节芯片、COB和IMD封装、Mini LED巨量转移、TFT电路背板、柔性基板等。

  1、出光调节芯片

  在Mini LED作为背光使用时,往往采取大量LED芯片作为直下式的背光源,在为了调节芯片的出光,使其更容易实现超薄设计,华灿光电在传统的背光芯片上增加优化膜层,可以提升芯片出光角度,从而使得LED芯片的出光更加均匀,有效提升显示效果。

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  2、COB和SMD封装

  目前COB(板上芯片)封装,直接将LED裸芯片封装到模组基板上,然后进行整体模封,相对于传统的SMD封装。这种COB封装的全彩LED模组具有制造工艺流程少、封装成本较低、封装集成度高、显示屏的可靠性好和显示效果均匀细腻等特点,有望成为未来高密度LED显示屏模组的一种重要的封装形式。目前由于COB的产业链还没有建立完善起来,COB产品单位面积的成本比SMD高,未来随着COB显示封装产业链逐渐成熟,COB显示封装市占率将快速提升。在Mini LED应用中,COB封装具有更高的可靠性和稳定性,更容易实现超小间距显示,与Mini LED的技术趋势一致,因此,COB封装也是Mini LED的技术趋势之一。

  国星光电6月份发布的用于显示的MiniLED,采用集成封装技术(IntegratedMounted Devices,简称:IMD),即四合一阵列化封装,横向和纵向分别用2颗灯珠组成的小单元,其中每颗灯珠依然是RGB三色芯片封装而成,突破了传统的设计思维,集合了SMD和COB的优点,这将是COB封装的前奏。

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  3、Mini LED巨量转移

  相对于Micro LED的巨量转移技术,Mini LED的芯片尺寸较大,因此转移难度相对较小,结合巨量转移和COB封装技术,可以有效提升MiniLED的生产周期,目前Uniqarta的激光转移技术,可以透过单激光束或者是多重激光束的方式做移转,实现每小时转移约1400万颗130x160微米的LED芯片。

  4、TFT背板

  如果要在画面现实效果上与OLED竞争,Mini LED背光+LCD必须做到顶级的HDR才行,也就是LocalDimming背光源的调光分区数(LocalDimming Zones)必须要数百区甚至数千区才足够,但是若以传统的LED背光源驱动电路架构,这样的想法会因组件使用过多,而牺牲成本及轻薄设计。有鉴于此,群创提出使用主动式矩阵TFT电路来驱动的AM MiniLED架构。

  5、柔性基板

  Mini LED背光一般是采用直下式设计,通过大数量的密布,从而实现更小范围内的区域调光,由于其设计能够搭配柔性基板,配合LCD的曲面化也能够在保证画质的情况下实现类似OLED的曲面显示,但是由于MiniLED数量众多,产生热量巨大,而柔性基板的耐热性往往较差,因此研发具有高耐热性的柔性基板也将是未来的技术趋势之一。

  总的来说,Mini LED技术难题正在不断突破中。

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