全垂直結構MiniLED RGB顯示方案的三大關鍵詞

作者 | 發布日期 2021 年 01 月 15 日 14:35 | 分類 產業

2020年中國成為全球LED制造擔當,而Mini/Micro LED當之無愧地成為LED最閃耀的領域。據公開資料統計,2020年立項的項目有24個,其中一半是十億級大項目。一方面,是用戶對顯示產品的分辨率、色彩還原度和畫質等規格的追求永無止境,從1K到8K;另一方面,成熟的LED行業太需要新的技術、新的產品和新的市場,牽引產業大發展。也正因為如此,產品開發商擁有了前進的動力,不斷探索新技術,勇于挑戰新高度。

目前,Mini高清顯示屏RGB方案主要有三種:

① 普通藍寶石正裝方案: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采用倒裝結構紅光芯片,G、B采用倒裝結構芯片;
③ 垂直方案的R采用正極性或者反極性紅光,G、B采用垂直結構芯片。

普通正裝和倒裝已為大家熟知,而垂直結構通常是指經過襯底剝離的薄膜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。

對應屏的不同間距,三種方案優劣勢也很明顯:

P0.9-P1.25mm間距現階段是普通正裝水平芯片的舞臺,憑借價格低的優勢,占據主要市場,垂直和倒裝方案亦可實現,但更多聚焦高端應用市場。不過,綜合來看,倒裝方案相對垂直方案的RGB一組芯片價格高約2倍。

P0.6-P0.9mm間距的應用上,普通正裝方案由于物理空間極限限制基本很難量產,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備,而垂直方案封裝工藝成熟度高,現有封裝廠設備可以通用。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間距的應用上,倒裝芯片工藝面臨較大的挑戰,垂直結構方案因工藝的優勢可以較好地實現。

關鍵詞一 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致。2018年1010器件出現的嚴重金屬遷移問題,引起業界廣泛的關注和廠商的重視。

一般使用條件下,LED芯片電極的金屬不會遷移,但隨著芯片尺寸越來越小,加上濕度和溫度、電解質深度等引發電位差發生變化,在芯片表面的P、N區域間、燈內PCB導電線條間,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就已經形成,而且往往從最薄弱(即距離電小電位差最大)的地方首先發生遷移,造成漏電。對于各種RGB方案來說,我們所能做的,只是設法延長從開始形成遷移的趨勢到因遷移而導致產品失效的過程時間而已。

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:

1、PN區電極之間的距離L:L越大越不易遷移,或者相同條件下要經過相對更長的時間才能形成遷移失效;
2、電位差U:U越小電化學反應速度越慢,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越低越干燥電化學反應速度V越慢,越不易形成遷移,70 RH是警戒線;
4、電解質濃度:電極或不同電位線條之間的電解質雜質濃度越低,越潔凈越不易形成遷移;
5、溫度T:T越低,電化學反應速率越小,越不易形成遷移。

垂直結構方案在解決金屬遷移問題上有天然的優勢。其優勢主要有三:

一是垂直結構芯片正負極之間距離大于135μm,而正裝水平結構芯片會隨著芯片尺寸的減小,其正負極距離越來越小,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。由于正負極在物理空間的距離較大,即使假設發生金屬離子遷移后,垂直芯片燈珠壽命會比水平芯片高4倍以上,極大地提高了產品的可靠性和穩定性。

二是垂直結構的藍綠芯片表面為全惰性金屬電極Ti/Pt/Au,較難發生金屬遷移,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,極容易發生金屬遷移。

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,燈內溫度越高;而垂直結構芯片采用銀膠,導熱性能好,燈內溫度相對于正裝水平低很多,可以大幅度降低金屬離子遷移速度。

圖3 水平電極結構因電極間距和溝道寬度小極易發生PN區金屬遷移

圖4 垂直電極結構較好的間距空間大幅度降低正負極金屬遷移

關鍵詞二:高性價比

性價比是商家規模應用的決定因素。

在顯示效果方面,相比正裝結構,垂直結構的芯片是單面發光、無側光,隨著間距變小,產生的光干擾會更少。也就是說,間距越小,亮度損失越少,因此,垂直芯片相對于正裝水平芯片的亮度有大幅度提高;而且垂直結構由于RGB三色都是單面出光,相對于普通正裝和普通倒裝結構的五面出光,RGB三個顏色不會出現混光,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 垂直結構與正裝水平的結構芯片亮度測試數據

在生產良率方面,垂直結構相比普通正裝結構還能少打兩根線,器件內打線面積更充足,可有效增加設備產能,可以使器件由于焊線原因造成的不良下降一個數量級。

圖6 普通正裝RGB(左)需要打5根線,垂直結構RGB(右)只需打3根線

成本上,垂直結構藍綠LED芯片可以采用最普通的垂直結構紅光LED芯片,對于高端應用或更小間距的屏而言,一組RGB垂直結構芯片成本是倒裝芯片的1/2。同時,垂直結構方案封裝工藝成熟度高,現有封裝廠設備可以完全通用,無需投入新設備,但倒裝方案就需要增加大批設備,封裝良率提升難度極大。綜合來看,現階段垂直結構方案是Mini顯示推進千家萬戶的最優選擇。

關鍵詞三:不止于Mini

晶能認為顯示的本質是像素,芯片結構和尺寸只是實現的手段,因此,晶能建議按照像素間距來定義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。

現階段,晶能垂直方案已經量產了硅襯底垂直芯片尺寸在5×5mil至7×7mil的藍綠Mini LED芯片,未來在2021年第四季度會量產4×4mil垂直芯片,再匹配正極性或反極性紅光LED芯片。

針對不同間距主要包括三種方案:P1.25mm的1010單顆封裝產品、P1.25mm至P0.625mm間距IMD 4合1及COB產品。這些方案可制造全垂直結構LED芯片的超高清全彩顯示屏,主要應用在戶內顯示、高清娛樂、遠程視頻會議等場景。

晶能光電根據客戶端的驗證發現,5×5mil產品能夠滿足顯示屏的各項參數指標,相比藍寶石方案可達到更高的亮度水平。同時,還能夠實現更高的設備稼動率和效率,并有效避免金屬遷移所造成的屏幕壞點,即毛毛蟲等失效異常。

而對于P0.3-P0.6Mini顯示,晶能光電也提出了可行的方案,使用其多年研發的Micro芯片技術的70%,即用Micro級別的硅襯底LED材料去除襯底后,制成3-5μm厚的薄膜藍綠芯片,做成2×4mil的自帶焊接金屬柱的薄膜倒裝結構(TFFC)芯片或者2.5×2.5mil薄膜垂直結構(VTF)芯片,紅光采用藍光搭配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大于Micro LED芯片(5-40um),相對于Micro LED技術難度大幅度降低,預計未來2-3年內能夠量產。

圖7 P0.3-P0.6的TFFC方案(左)和VTF方案(右)

小結

當前,顯示領域也是多種技術和方案并存,選擇哪種方案取決于終端客戶的需求。但無論如何,超大顯示屏的發展必定會對顯示產品的性能與成本效益提出越來越高的要求。未來會有怎樣的變化暫且不說,但垂直結構RGB技術的潛力已經顯而易見。(文:LEDinside)

感謝晶能光電為本文提供技術內容

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