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​全垂直芯片结构凭何立足MiniLED/MicroLED显示行业?

MicroLED.cn 技术文章 2021-04-15 14:29:05 22578 0 | 文章出自:ledinside MiniLED
在高清RGB显示屏芯片领域,正装、倒装和垂直结构“三足鼎立”,其中以普通蓝宝石正装和倒装结构较为常见,垂直结构通常是指经过衬底剥离的薄膜LED芯片,衬底剥离后邦定新的基板或者可以不邦定基板,做成垂直芯片。
对应不同间距的显示屏,正装、倒装和垂直三种结构的优劣势各异,但无论是对比正装结构还是倒装结构,垂直结构在某些方面的优势显而易见。

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                                                                        晶能光电江西总经理梁伏波
P1.25-P0.6:四大优势脱颖而出
晶能光电江西总经理梁伏波在2021年集邦咨询新型显示产业研讨会现场介绍,晶能通过实验对比了晶能的垂直5×5mil芯片与JD公司的正装5×6mil芯片的性能。结果证明,相比正装芯片,垂直芯片因单面发光、无侧光,随着间距的变小而产生光干扰更少,换言之,间距越小亮度损失越少。因此,垂直芯片在越小间距上的发光强度和显示清晰度都有明显的优势。
具体来看,垂直芯片呈朗勃发光形貌,出光均匀,容易配光,散热性能好,所以显示效果清晰;此外,垂直电极结构,电流分布更均匀,IV曲线一致性好,而水平芯片因电极在同侧,有电流堵塞,光斑均匀性差。
在生产良率方面,垂直结构相比普通正装结构能少打两根线,器件内打线面积更充足,可有效增加设备产能,使器件由于焊线原因造成的不良率下降一个数量级。
在显示屏应用中,“毛毛虫”现象一直以来都是困扰厂商的主要问题,而这种现象发生的根源就是金属迁移。
梁伏波介绍,金属迁移与芯片的温度、湿度、电位差和电极材料紧密相关,在更小间距的显示屏中更容易出现。而全垂直芯片结构在解决金属迁移方面也有着天然的优势。
一是垂直结构芯片正负极之间距离大于135μm,由于正负极在物理空间的距离较大,即便发生金属离子迁移,垂直芯片灯珠寿命也能够比水平芯片长4倍以上,极大地提高了产品的可靠性和稳定性。
二是垂直结构的蓝绿芯片表面为全惰性金属电极Ti/Pt/Au,较难发生金属迁移,主要性能与红光垂直芯片一样。
三是垂直结构芯片采用银胶,导热性能好,灯内温度相对于正装水平低很多,可以大幅度降低金属离子迁移速度。
由此可见,相比普通正装方案,垂直方案性能表现更佳,良率和可靠性更高。
现阶段,在P1.25-P0.9应用中,尽管普通正装方案因低价优势而占据主要市场,但倒装方案和垂直方案凭借更高的性能,在高端应用领域扮演主要角色。成本方面,垂直方案的RGB一组芯片价格是倒装方案的1/2,因此垂直结构的性价比高出一筹。
在P0.6-P0.9mm应用中,普通正装方案受限于物理空间极限,难以保证良率,量产可能性低,倒装和垂直芯片方案则能够满足要求。值得注意的是,对于封装厂而言,选用倒装结构方案需增加大批设备,且由于倒装芯片的两个焊盘极小造成锡膏焊接良率不高,而垂直芯片方案封装工艺成熟度高,现有封装厂设备可以通用,加上垂直芯片一组RGB的成本只有倒装芯片一组RGB的一半,垂直方案整体的性价比亦高于倒装方案。
因此,在性能水平相当的条件下,现阶段垂直结构的性价比高于倒装结构。总的来说,垂直芯片结构在1.25-P0.6显示屏应用中将以四大优势占据一方市场。
P0.6-P0.3:两大技术路线加持
对于P0.6-P0.3应用,晶能主打去衬底薄膜芯片技术Thin Film LED,涵盖垂直结构和倒装结构。Thin film LED一般指经过衬底剥离的薄膜LED芯片,衬底剥离后邦定新的基板或者可以不邦定基板做成垂直结构,称为Vertical thin film,简称VTF。同时,还可以不邦定基板,做成倒装结构,称为thin film flip chip,简称TFFC。
梁伏波介绍,针对P0.6-P0.3等超小间距显示屏的需求,晶能基于Thin Film LED技术,研发出两种相对成熟的技术路线方案。
技术路线一:VTF/TFFC芯片+量子点红光(QD+蓝光InGaN LED)
在极小芯片尺寸下,传统的AlGaInP红光LED因其去衬底后机械性能很差,在转移过程中极容易碎裂,很难进行后续的批量工艺生产。因此,一种解决方案就是采用印刷、喷涂、打印等技术,在GaN蓝光LED表面放置量子点,获得红色LED。
技术路线二:RGB三色均采用InGaN LED
由于现有四元红光去衬底后机械强度不够,很难进行后续的工艺生产,而另一个解决方案就是RGB三色均为InGaN LED,同时实现外延、芯片制程的统一。据介绍,晶能已经展开在硅衬底上生长氮化镓红光研发,且硅基InGaN红光LED取得了一些成绩,为该技术提供可能。
值得注意的是,晶能通过对比TFFC、FC、Micro三种芯片在衬底、芯片分离、发光效率和巨量转移等方面的优缺点,得出一个结论:用Micro的技术路线与晶能的Mini芯片相结合,在降低技术难度的同时,可大幅降低芯片成本。这也意味着4K、8K Mini超高清显示的LED大屏幕产品有望走进千家万户。
MiniLED:技术研发和专利布局并进
早在2018年下半年,晶能就开始研发Mini RGB显示屏应用5×5mil硅衬底垂直芯片,发光区为90×90um,研究期间克服了外延芯片制程良率、ESD等难题。
梁伏波介绍,垂直Mini LED的蓝绿芯片和红光芯片有相同的芯片高度,且都是单面出光,显示对比度、发光角度有优异表现;同时,垂直结构的蓝绿芯片可完全避免客户端长时间使用产生的金属离子迁移导致的屏幕黑点异;此外,得益于成熟的封装工艺,封装厂现有大部分设备可以无缝对接,大幅度降低封装厂固定资产投入。
目前,晶能5×5mil硅衬底垂直芯片已于2020年7月开始正式量产,目前处于小批量出货阶段,同时继续配合更多客户进行产品测试和验证。
根据规划,晶能预计适用P1.25-P0.7间距的4×4mil硅垂直蓝绿芯片将于2021年第四季度末实现量产。而2×4mil硅垂直红蓝绿芯片预计2023年第四季度末实现量产,适用于P0.6-P0.3间距,根据实际性价比,应用间距可向上至P0.7。
显然,晶能的技术研发工作正在循序渐进地推进,而专利技术布局也尽在掌握之中。
目前,晶能已拥有超过420项全球专利,涵盖了外延材料、芯片应用的整个产业链,其中,基于硅衬底的垂直结构Mini LED芯片在国内外都拥有技术专利保护。基于战略客户对硅衬底Mini LED产品的反馈,晶能接下来会考虑进一步扩产。
小结:当下,4K、8K Mini超高清显示大屏在5G技术的驱动下势不可挡,硅衬底垂直Mini LED芯片有机会成为一种超高性价比光源解决方案。
“是金子总会发光”,垂直芯片结构拥有高性能、高性价比、高可靠性和高良率等优势,立足于Mini/Micro LED显示领域自然是毋庸置疑的。随着以晶能为代表的厂商持续挖掘垂直结构的潜力,未来硅衬底垂直Mini LED芯片的应用触角将不断延伸。
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