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小间距LED显示屏给芯片端带来的挑战
编辑:天啸 [ 2018-5-28 10:50:07 ] 文章来源:LED大屏网
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LED显示屏相比其他显示技术,具有自发光、色彩还原度优异、刷新率高、省电、易于维护等优势。高亮度、通过拼接可实现超大尺寸这两个特性,是led显示屏在过去二十年高速增长的决定性因素。在超大屏幕室外显示领域,迄今还没有其他技术能够与LED显示技术相抗衡。

但是在过去,led显示屏也有其不足,?#28909;?#23553;装灯珠之间间距大,造成分辨率较低,不适合室内和近距离观看。为了提高分辨率,必需缩小灯珠之间间距,但是灯珠的尺寸缩小,虽然能够提升整屏分辨率,成本也会快速上升,过高的成本影响了小间距led显示屏的大规模商业应用。

近几年来,借助于芯片制造和封装厂商、IC电路厂商和屏幕制造厂商等的多方努力,单封装器件成本越来越低,LED封装器件越来越小,显示屏像素间距越来越小、分辨率越来越高,使得小间距led显示屏在户内大屏显示方面的优势越来越明显。

目前,小间距LED主要应用于广告传媒、体育场馆、舞台背景、市政工程等领域,并且在交通、广播、军队等领域?#27426;?#24320;拓市场。预计到2018年,市场规模接近百亿。可以预测,在未来几年内,小间距led显示屏将?#27426;?#25193;展市场份额,并挤占DLP背投的市场空间。据光大证券?#33455;?#25152;预测,到2020年,小间距led显示屏对DLP背投的替代率将达到70%~80%。

?#25910;?#20174;业于蓝绿LED芯片制造行业,从事产品开发工作多年。下面从产品设计、工艺技术的角度来论述小间距led显示屏的发展对蓝绿LED芯片提出的需求,以及芯片端可能采取的应对方案。

  二、小间距led显示屏对LED芯片提出的需求 

作为led显示屏核心的LED芯片,在小间距LED发展过程中起到了至关重要的作用。小间距led显示屏目前的成就和未来的发展,都依赖于芯片端的不懈努力。

一方面,户内显示屏点间距从早期的P4,逐步减小到P1.5,P1.0,还有开发中的P0.8。与之对应的,灯珠尺寸从3535、2121缩小到1010,有的厂商开发出0808、0606尺寸,甚至有厂商正在研发0404尺寸。

众所周知,封装灯珠的尺寸缩小,必然要求芯片尺寸的缩小。目前,市场常见小间距显示屏用蓝绿芯片的表面积为30mil2 左右,部分芯片厂已经在量产25mil2 ,甚至20mil2 的芯片。

另一方面,芯片表面积的变小,单芯亮度的下降,一系列影响显示?#20998;?#30340;问题也变得突出起来。

首先是对于灰度的要求。与户外屏不同,户内屏需求的难点不在于亮度而在于灰度。目前户内大间距屏的亮度需求是1500 cd/m2 -2000 cd/m2左右,小间距led显示屏的亮度一般在600 cd/m2 -800 cd/m2 左右,而?#23460;?#20110;长期注目的显示屏最佳亮度在100 cd/m2 -300cd/m2 左右。

目前小间距LED屏幕的难题之一是“低亮低灰”。即在低亮度下的灰度?#36824;弧?#35201;实现“低亮高灰?#20445;?#30446;前封装端采用的方案是黑支架。由于黑支架对芯片的反光偏弱,所以要求芯片有足够的亮度。

其次是显示均匀性问题。与常规屏相比,间距变小会出现余辉、第一扫偏暗、低亮偏红以及低?#20063;?#22343;匀等问题。目前,针对余辉、第一扫偏暗和低灰偏红等问题,封装端和IC控制端都做出了努力,?#34892;?#30340;减缓了这些问题,低灰度下的亮度均匀问题也通过逐点校正技术有所缓解。但是,作为问题的根源之一,芯片端更需要付出努力。具体来说,就是小电流下的亮度均匀性要好,寄生电容的一致性要好。

第三是可靠性问题。?#20013;行?#19994;标准是LED死灯率?#24066;?#20540;为万分之一,显然不适用于小间距led显示屏。由于小间距屏的像素密度大,观看距离近,如果一万个就有1个死灯,其效果令人无法接受。未来死灯率需要控制在十万分之一甚至?#21069;?#19975;分之一才能满足长期使用的需求。

总的来说,小间距LED的发展,对芯片段提出的需求是:尺寸缩小,相对亮度提升,小电流下亮度一致性好,寄生电容一致性好,可靠性高。

  三、芯片端的解决方案  

1. 尺寸缩小芯片尺寸缩小

表面上看,就?#21069;?#22270;设计的问题,似乎只要根据需要设?#32856;?#23567;的版图就能解决。但是,芯片尺寸的缩小是否能无限的进行下去呢?#30475;?#26696;是否定的。有如?#24405;?#20010;原因制约着芯片尺寸缩小的程度:

(1)封装加工的限制。封装加工过程中,两个因素限?#23631;?#33455;片尺寸的缩小。一是吸嘴的限制。固晶需要吸取芯片,芯片短边尺寸必须大于吸嘴内径。目前?#34892;约?#27604;的吸嘴内径为80um左右。二是焊线的限制。首先是焊线盘即芯片电极必须足够大,否则焊线可靠性不能保证,?#30340;?#25253;道最小电极?#26412;?5um;其次是电极之间的间距必须足够大,否则两次焊线间必然会相互干扰。

(2)芯片加工的限制。芯片加工过程中,也有两方面的限制。其一?#21069;?#22270;布局的限制。除了上述封装端的限制,电极大小,电极间距有要求外,电极与MESA距离、划道宽度、不同层的边界线间距等?#21152;?#20854;限制,芯片的电流特性、SD工艺能力、光刻的加工能力决定了具体限制的?#27573;А?#36890;常,P电极到芯片边缘的最小距离会限定在14μm以上。

其二是划裂加工能力的限制。SD划片+机械裂片工艺?#21152;?#26497;限,芯片尺寸过小可能无法裂片。当晶圆片?#26412;?#20174;2英寸增加到4英寸、或未来增加到6英寸?#20445;?#21010;片裂片的?#35759;?#26159;随之增加的,也就是说,可加工的芯片尺寸将随之增大。以4寸片为例,如果芯片短边长度小于90μm,长宽比大于1.5:1的,良率的损失将显著增加。

基于上述原因,?#25910;?#22823;胆预测,芯片尺寸缩小到17mil2后,芯片设计和工艺加工能力接近极限,基本再无缩小空间,除非芯片技术方案有大的突破。

2. 亮度提升

亮度提升是芯片端永恒的主题。芯片厂通过外延程式优化提升内量?#26377;?#24212;,通过芯片结构调整提升外量?#26377;?#24212;。

?#36824;?#19968;方面芯片尺寸缩小必然导致发光区面积缩小,芯片亮度下降。另一方面,小间距显示屏的点间距缩小,对单芯片亮度需求有下降。两者之间是存在互补的关系,但要留有底线。目前芯片端为了降低成本,主要是在结构上做减法,这通常要付出亮度降低的代价,因此,如何权衡取舍是业者要注意的问题。

3. 小电流下的一致性

所谓的小电流,是相对常规户内、户外芯片试用的电流来说的。如下图所示的芯片I-V曲线,常规户内、户外芯片工作于线性工作区,电流较大。而小间距LED芯片需要工作于靠近0点的非线性工作区,电流偏小。

在非线性工作区,LED芯片受半导体开关阈值影响,芯片间的差异更明显。对大批量芯片进行亮度和波长的离散性的分析,容易看到非线性工作区的离散性远大于线性工作区。这是目前芯片端的固有挑战。

应对这个问题的办法首先是外延?#36739;?#30340;优化,?#36234;?#20302;线性工作区下限为主;其次是芯片分光上的优化,将不同特性芯片区分开来。

4. 寄生电容一致性

目前芯片端没有条件直接测量芯片的电容特性。电容特性与常规测量项目之间的关系尚不明朗,有待业者去总结。芯片端优化的?#36739;?#19968;是外延上调整,一是电性分档上的细化,但成本很高,不推荐。

5. 可靠性

芯片端可靠性可以用芯片封装和老化过程中的各项参数来描述。但总的说来,芯片上屏以后的可靠性的影响因素,重点在ESD和IR两项。

ESD是指抗静电能力。据IC行业报道,50%以上芯片的失效与ESD有关。要提高芯片可靠性,必须提升ESD能力。但是,在相同外延片,相同芯片结构的条件下,芯片尺寸变小必然带来ESD能力的削弱。这是与电流密度和芯片电容特性直接相关的,无法抗拒。

IR是指反向漏电,通常是在固定反向电压下测量芯片的反向电流值。IR?#20174;?#30340;是芯片内部缺陷的数量。IR值越大,则?#24471;?#33455;片内部缺陷越多。

要提升ESD能力和IR表现,必须在外延结构和芯片结构方面做出更多优化。在芯片分档?#20445;?#36890;过?#32454;?#30340;分档标准,可以?#34892;?#30340;把ESD能力和IR表现较弱的芯片剔除掉,从而提升芯片上屏后的可靠性。

四、总结

综上,?#25910;?#20998;析了随着小间距led显示屏的发展,LED芯片端面临的系列挑战,并逐一给出了改?#21697;?#26696;或?#36739;頡?#24212;该说,目前LED芯片的优化还有很大的空间。如何提升,还待业者发挥聪明才智,?#20013;欢?#30340;努力。

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