2020年中國成為全球LED制造擔(dān)當(dāng)，而Mini/Micro LED當(dāng)之無愧地成為LED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，其中一半是十億級大項(xiàng)目。一方面，是用戶對顯示產(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，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(yīng)屏的不同間距，三種方案優(yōu)劣勢也很明顯：
P0.9-P1.25mm間距現(xiàn)階段是普通正裝水平芯片的舞臺，憑借價(jià)格低的優(yōu)勢，占據(jù)主要市場，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。不過，綜合來看，倒裝方案相對垂直方案的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遷移，但隨著芯片尺寸越來越小，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。對于各種RGB方案來說，我們所能做的，只是設(shè)法延長從開始形成遷移的趨勢到因遷移而導(dǎo)致產(chǎn)品失效的過程時(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)過相對更長的時(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題上有天然的優(yōu)勢。其優(yōu)勢主要有三：
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)芯片會隨著芯片尺寸的減小，其正負(fù)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(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、無側(cè)光，隨著間距變小，產(chǎn)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(jié)構(gòu)由于RGB三色都是單面出光，相對于普通正裝和普通倒裝結(jié)構(gòu)的五面出光，RGB三個顏色不會出現(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數(shù)量級。
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。綜合來看，現(xiàn)階段垂直結(jié)構(gòu)方案是Mini顯示推進(jìn)千家萬戶的最優(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，未來在2021年第四季度會量產(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、遠(yuǎn)程視頻會議等場景。
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），相對于Micro LED技術(shù)難度大幅度降低，預(yù)計(jì)未來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。但無論如何，超大顯示屏的發(fā)展必定會對顯示產(chǎn)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(jié)構(gòu)RGB技術(shù)的潛力已經(jīng)顯而易見。(文：LEDinside)
感謝晶能光電為本文提供技術(shù)內(nèi)容
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