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技术前沿:Mini LED背光(下)

技术前沿:Mini LED背光(下)

* 发表时间 :2021-10-05 21:51

  显示器品质决定因素包括分辨率(像素数量)、PPI(像素密度)、观赏距离等。一般而 言,3 米以上使用 LCD、LED屏幕,3 米以下包括 OLED、2~3 米的 Mini LED 显示、1 米 以内的 Micro OLED(VR/AR 领域)。其中,LCD 屏幕背光模组中,也可以通过使用 Mini LED 技术提升显示效果。因此,Mini LED 技术既可以直接用于 RGB 显示,也可以用于 LCD 的背光模组。

  小间距:300 微米以上,芯片间距在 2.5~1mm 之间,采用传统 SMD 封装方式。

  Mini LED 背光+LCD 与 Mini LED 显示两条创新路径双轮驱动。从原组件的视角,Mini LED 的应用主要分为作为使用 Mini LED 芯片+LCD 的背光方案与直接使用 Mini RGB显示屏的自发光方案。当前 Mini LED 背光方案已经进入爆发期,苹果、三星等多家品牌 厂商都已开始推出相关产品;Mini RGB 直显注重商用显示器等市场需求,在商业显示、 电子产品装饰灯、车尾灯或气氛灯等领域具有优势。由于两方案在产业规律和技术原理 上有相同之处,可共享部分设备,多数企业都选择两个方向同时发力,享受范围经济效 应。

  Mini LED 背光是液晶显示技术路径的重要创新方向。OLED 相较于 LCD 而言是显示技 术的替代创新,Mini LED 则是 LCD 的升级创新,用于对标竞品 OLED。相较于 OLED 主 打优势诸如对比度、色彩等,Mini LED 背光产品表现并不逊色,并且具有资本开支低(成 本低)、规格灵活(应用广)、适应于面板/LED 两大光电板块产业链发展的需求(供给推 动),同时具备使用寿命长(尤其适用 TV 场景)的重要优势。

  Mini LED 背光市场正式起量,TV、IT 应用商业化有望加速渗透。据 Arizton 预测,2021- 2024 全球 Mini LED 市场规模有望从 1.5 亿美元增至 23.2 亿美元,其间每年同比增速皆 高达 140%以上。根据我们测算和产业跟踪,这个数据显著低估市场的增长弹性。随着 三星、苹果等主流品牌导入 Mini LED 背光,引领终端市场创新热潮。据 TrendForce 预 测,TV 和平板是率先启动商业化的终端;智能手机,汽车,VR 等有望在 2022~2023 年 开启商业化元年。

  iPad Pro 显示屏具有高对比度、高亮度、广色域、原彩显示等优点。Mini LED 赋予 Liquid Retina XDR 屏幕极致动态范围,高达 1000000:1 的对比度,细节感大幅提升。同时,这 款 iPad 屏幕亮度表现非常抢眼,全屏亮度 1000 尼特,峰值亮度高达 1600 尼特,并且 搭载 P3 广色域、原彩显示和 ProMotion 自适应刷新率这些先进的显示技术。

  苹果引领新风尚,加速 Mini LED 在笔电平板终端导入。据 Digitime苹果后续将进一 步发布 Mini LED 相关产品。苹果春季发布会前,mini LED 笔电平板相关产品仅微星,华 硕于 20 年发布了 mini LED 笔电。苹果在终端产品中极大的影响力,有望发挥示范效应, 加速笔电平板产品对 Mini LED 的采用。同时,苹果对供应链要求严格,苹果对 Mini LED技术的采用有望培育供应链企业的严格技术要求,成熟工艺等,加速Mini LED产业发展。

  三星 QLED 技术推至全新境界,刷新电视体验新高度。2021 年 1 月 CES 上三星发布了 Neo QLED 量子电视。该新品采用量子 Mini LED 技术,摒弃透镜散光与封装形式,其大小仅传统 LED1/40。同时,超薄微型涂层(Micro layers)的采用,叠加三星自研 AI 量子程式演算科 技,可精细控制紧密排列的 LED 晶粒,呈现精细影像,避免光晕产生。

  众多知名品牌 2021 发布首款 Mini LED 电视,龙头示范效应有望加速 Mini LED 渗透。三星、LG、创维、TCL 等一系列知名品牌纷纷发布首款 Mini LED 电视,终端应用推进加 速。在龙头厂商示范效应下,更多厂商有望推出 Mini LED 背光产品。

  智能汽车渗透率的提升助力 Mini LED 显示屏放量。随着智能网联汽车覆盖率的逐步提 升,车载显示市场增速可观。Mini LED 技术可以满足汽车制造商对于高对比度、高亮度、 耐久性以及对曲面的适应性等需求,很好地适应车内复杂的光线环境,未来发展前景广 阔。

  京东方车载 BD Cell 显示屏、车载 Mini LED 显示屏卡位汽车高端显示,将柔性显示应 用于汽车仪表、车载显示、车尾灯等领域。2020 年京东方车载显示出货面积已经跃居全 球第二,同时 8 英寸以上车载显示面板市占率已跃居全球第一。大屏化、个性化、超高 清的车载显示逐渐成为趋势,京东方智能座舱解决方案将智能导航、后视影像、车载中 控、娱乐信息等功能融为一体。

  2.2、Mini LED 背光实现区域控光,是 LCD 升级的重要创新方向

  Mini LED 背光是当前 LCD 升级的重要创新方向,通过更小的背光 LED 尺寸、点间距 实现区域控光能力。背光源主要由光源、导光板、光学膜、塑胶框等组成。目前主要有EL、CCFL 及 LED 三种背光源类型,依光源分布位置不同则分为侧光式和直下式(底背 光式),Mini LED 是一种新的背光创新方式。Mini LED 背光拥有精细化分区,结合区域 调光技术(Local Dimming)可以极大提高 LCD 显示画质,在宽色域、超高对比度、高动 态范围显示方面可以与 OLED 媲美。同时,结合倒装封装等技术,可精确控制封装厚度, 实现更小的 OD,在超薄背光方面具有广阔的应用前景。最重要的是,Mini LED 背光 LCD 产品比 OLED 具有更长使用寿命,更贴近于 TV 的场景需求。

  Mini LED 背光方案直接影响 LCD 显示器成像质量。LCD液晶显示器通过施加不同电压, 使液态分子在不同电流电厂的状态下产生透光度的差别,依此控制每一个像素,构成所 需图像。背光源是位于液晶 LCD 背后的一种光源,发光效果将直接影响到显示模块的视 觉效果。液晶本身并不发光,显示图形或字符是它对光线调制的结果。

  主流 LCD 电视或显示器采用整体控制别光,不能实现分区调光,一般而言只需要几十 颗 LED 灯珠。Mini LED 背光方案通过上千颗灯珠实现分区调光,是 LCD 背光方式的 重要创新方向。背光源性能的好坏除了会直接影响 LCD 显像质量外。典型的背光源主要 由光源、导光板、光学用膜片、塑胶框等组成。目前主流主要有 EL、CCFL 及 LED 三种 背光源类型,依光源分布位置不同则分为侧光式和直下式(底背光式)。AIOT大数据认为随着 LCD 模组 不断向更亮、更轻、更薄方向发展,侧光式 CCFL 式背光源成为背光源发展的主流,随着 显示效果进一步提高,Mini LED 背光方式出现。Mini LED 背光模组的成本包括 LED、SMT 打件、驱动 IC、背板等,目前大多采用 PCB 背板及被动式驱动搭配。

  目前AIOT大数据认为市场上 MiniLED 背光电视技术方案主要包括 COB、POB 两种;按基板不同,分为 PCB 基板和玻璃基板。COB 即 Chip on Board,LED 芯片直接打在基板上,再进行整体封装;POB 即 Package on Board,行业内俗称的满天星方案,首先将 LED 芯片封装成单 颗的 SMD LED 灯珠,再把灯珠打在基板上。

  Mini LED 背板主要有 PCB、玻璃基板、FPC 三种方案。根据研究,从传统背光光源所 发射出来的光,经过反射膜、扩散膜等等的光学薄膜之后,只会有约 60%的光通过背光 模块进入到偏光膜,最后经过 LC、Surface 出来只剩下 4%的光,因此背光方案结构的设 计尤为重要。Mini LED 背板三种主流方案 PCB、玻璃基板、FPC 的优缺点各不相同,背 光方案技术设计也会因此改变,基板的选材直接决定了 Mini LED 背光方案的效果。

  PCB 基本背板承载着驱动 IC 及布线的功能。当电路板制程完成后再将所需的驱动 IC 放 置于电路板上完成驱动背板制程。目前,PCB 背板与驱动 IC 有两种连接方式:第一种是 将每个像素连接至背板背后各自集成的驱动 IC 上的被动驱动方式;第二种是每个像素旁 都有自己的驱动 IC 的主动驱动方式。

  PCB 板材质的选择与 LED 的功率相关。在 PCB 背板方案中,LED 产生的热能需要借由 基板上的基材协助散热,因此高散热基材可以有效地进行大面积扩散降温,而低散热基 材无法有效散热,将导致基板温度过高的情况。

  PCB 背板尺寸受限,目前主要通过拼接的方式实现背光技术。PCB 板制作过程中,需要 经过许多次回火,内部材料释放内应力时会产生板弯、板翘等状况,此现象随着 PCB 板 尺寸越大而越发严重,从而导致光学显示差异。因此单体 PCB 尺寸一般不超过 24 寸, 大尺寸的背光往往需要多块 PCB 板拼接。

  玻璃背板将逐步取代 PCB 背板,成为 Mini LED 背板的新方案。随着 Mini LED 制程的 逐渐缩小,转移的过程将变得更加困难。相比而言,玻璃背板拥有更好的平坦度,无需 拼接,且具备更好的制程精度、高导热率和出色的散热性能,有趋势成为 Mini LED 背光 的新方案。

  Mini LED 直显弥补传统 LED 显示与 Micro LED 技术空白。20 世纪 90 年代起,随着 LED 显示屏的计算机化全动态显示系统和以蓝色发光灯等领域取得重要突破,LED 显示 屏逐渐从单色、双色升级到全彩屏。

  经过十余年的发展,LED 芯片尺寸不断微缩,像素间间距也不断缩小,PPI 也因此不断 提高。

  2010 年利亚德的首发 2.5mm 小间距 LED 电视,小间距 LED 显示屏自 2013 年起得到高速 发展。2015~2016 年在政府、公共服务等专用显示领域快速渗透。

  随着像素间距进一步减小到 1mm 以内,LED 显示被称为 Mini LED 显示。Mini LED 尺寸 相较于小间距 LED 更小,LED 灯珠排列更紧密,PPI 更高,生产、封测、维护技术升级 难度也更高。

  Mini LED 技术与 Micro LED 相似,Micro LED 将实现更优秀的显示效果。相比于小间 距 LED,Mini LED 制程微缩化,去封装化与 Micro LED 技术路径有相似之处,有利于相 关生产、封测技术的发展,加速 Micro LED 落地进程。Micro LED 理论上可以更出色地实 现 RGB 三原色,目前存在着巨量转移、驱动 IC、外延晶圆、检修维护等方面的技术挑 战,并且成本高昂,尚处于技术积累阶段。

  LED 显示具有高亮度、可实现超大尺寸等特点,而目前其他显示技术均难以实现超大尺 寸显示。传统 LED 显示屏主要应用于户外超大屏显示领域。AIOT大数据认为小间距 LED 显示具有无拼 缝、显示效果好、使用寿命长等优势,且近年来成本下降较快,形成对 LCD 与 DLP 替代 的趋势,其应用范围已从政府的公共信息显示扩展到商业显示。随着 LED 显示屏在租赁 市场、HDR 市场应用、零售百货、会议室市场需求增加,小间距乃至于超小间距显示屏 市场需求持续增长。Mini LED TV 直显潜力巨大。

  Mini LED 是小间距 LED 的进一步延伸。在直接显示领域,Mini LED 作为小间距显示屏的升级产品,提升可靠性和像素密度,其对应的 LED 芯片尺寸在 0.08-0.20mm,可以用 于 RGB 显示屏。在背光领域,采用 Mini LED 背光技术的 LCD 显示屏,在亮度、对比度、 色彩还原等方面远优于普通 LED 做背光的 LCD 显示屏,与 OLED 直接竞争。Micro LED (微型发光二极管)是将传统的 LED 阵列微小化,形成高密度集成的 LED 阵列,像素点 尺寸在 50um 以下。

  Mini/Micro LED 被看作未来 LED 显示技术的主流和发展趋势,是继 LED 户内外显示屏、 LED 小间距之后 LED 显示技术升级的新产品,具有“薄膜化,微小化,阵列化”的优势, 将逐步导入产业应用。

  Mini RGB 自发光方案更多应用于商显市场,诸如院显示、交通广告、租赁显示、体育 显示等场景具有较大应用潜力。公共显示领域,拼接电视墙是原本主要应用之一,技术 包括 LCD、DLP 以及小间距 LED。DLP 色彩饱和度低、耗电量较大,LCD 电视墙会有接 缝,因此没有接缝、可以灵活设置大小的小间距 LED 显示屏呈现高速增长的趋势。

  显示屏是 LED 下游重要的应用领域之一。根据国家半导体照明工程研发及产业联盟的 数据,2018 年中国 LED 下游应用领域市场规模为 6080 亿元,其中 LED 通用照明、LED 景观照明、LED 显示、LED 背光照明应用分别占比 48%、14%、13%、12%。AIOT大数据认为随着 LED 封装器件技术的不断成熟,LED 显示屏基本实现了高清晰度、高分辨率以及长时间性能 稳定。LED 显示屏应用场景日益多元化,广泛应用于广告传媒、文化演艺、体育场馆、 高端会议室、交通控制、高端车展、安防、夜景经济等领域,其中户外广告、舞台租赁 等市场已较为成熟。根据中国 LED 显示应用行业协会数据,2015 年-2019 年,我国 LED 显示销售额从 310 亿元增长到 626 亿元,年均复合增长率为 19.21%。

  小间距 LED 在大屏幕拼接市场对 DLP、LCD 的替代效应明显。LED 小间距显示屏一般 指分辨率在 P2.5 以下(含)的 LED 显示屏。随着 SMD LED 技术的成熟,小间距 LED 显 示屏逐步呈现出替代 DLP 和 LCD 等传统显示屏的趋势。相比于 DLP 与 LCD,小间距 LED 具有无缝拼接、宽色域、低功耗和长寿命等优点;以及小间距 LED 价格不断下降,其在 大屏幕拼接领域的市场渗透率不断提高。2020 年小间距 LED 占中国大屏幕拼接市场的 61.2%,相比于 2019 年的 56.4%相比,提高 4.8%。小间距 LED 在室内大屏幕拼接市场 持续渗透,加速替代 DLP、LCD。

  影院显示:Mini LED 电影屏幕带来优质视觉体验。一般 10 米宽(对角线 寸)的电 影屏幕可以满足 150-240 人的观影空间,14 米宽的屏幕可以容纳 273 个座位。因为观 众距离荧幕有一段距离,所以,P2.5 即可满足场景需求。Mini LED 荧幕可以实现 HDR 及 高亮度 3D 体验。凭借着 Mini LED 显示的独到优势,尽管目前成本高于传统镭射投影, Mini LED 电影屏幕有机会在高阶影院取得一席之地。

  大交通广告:优异特性,更好地匹配不同场景要求。当前,国内外各大机场、车站已经 大量投放使用 LED 显示屏,从信息显示到广告投放,LED 显示均已渗透。全球大型机场 不乏 LED 显示的出色案例。Mini LED 显示具有更小的 LED 晶体颗粒、更稳固的整屏幕 坚固性、更好的密封性和光学设计等特点,克服了小间距 LED 屏幕易损坏、COB 产品不 可现场维修显示亮色一致性等问题,可以出色匹配相应场景要求。

  租赁显示:超高清显示为观众带来震撼的视觉体验和艺术效果。目前,租赁显示主要集 中于高端需求,如:舞台演绎、大型展览、工业设计等。随着文娱产业的发展,LED 显 示屏的高质量需求也快速增长。对于高端音乐会、展览会将会有更多的 4K/8K 显示屏呈 现出来,此外,租赁显示领域往往伴随着个性化定制的需求,因此具备提供硬件设施和 控制方案的全套 LED 显示企业有望获得较强市场竞争力。

  体育显示:大型国际赛事 LED 需求强劲。LED 显示在体育赛事方面有较早的使用历史。大型体育赛事往往需要清晰、及时、准确的响应实时赛况,因此 Mini LED 显示方案有望 进一步渗透。未来,上至国际赛事,下至国家、区域赛事将成为驱动体育显示的重要因 素。

  Mini LED 在背光、显示等具有广阔应用前景。电视、显示器、笔记本、平板及车载显示 都是 Mini LED 背光有望渗透的潜在领域。Mini LED RGB 显示在商业领域也逐渐替代传 统的小间距等超大尺寸显示方案,不断提升显示效果。根据我们测算,Mini LED 背光带 来的芯片市场超百亿人民币,Mini/Micro LED 显示未来空间非常大,市场空间远高于背 光市场,且技术成熟度仍有较大提升空间。

  TV Mini 背光出货量假设:假设全球 TV 出货量保持不变,55 寸及以上渗透率持续上行, 其中部分高端产品搭载 Mini LED 背光方案,渗透率中期看 10~15%。

  Mini LED 直显需求量测算:假设 10%的显示设备以 Mini/Micro RGB 显示形式,意味着 每年需求量 5 亿片,约为当前全球产能的 2.5 倍。其中电视机是消耗最大的应用,4K 电 视对应 2500 万颗芯片。Mini/Micro LED 显示未来空间非常大,市场空间远高于背光市 场,且技术成熟度仍有较大提升空间。

  Mini LED 高端膜材需求增加,有望带动百亿级市场空间。Mini LED 背光电视需要采用 高端的新型复合膜和量子点膜,以提升显示效果,实现彩色发光方案。基于上述的出货 量假设,我们测算 Mini LED 所带动的高端膜材市场,以目前的方案新型复合膜及量子点 膜都采用的情况,测算市场空间在 2024 年有望达到百亿级别。随和技术成熟,量子点膜 也有可能被整合进复合膜里,届时复合膜价值量将提升。

  转移设备先后受益于 Mini LED 背光和直显的放量,具有较大弹性。从转移设备角度而 言,由于业内不同规格的设备效率、价格差异较大,取行业中枢位置作为参考。通 过测算发现,Mini LED 转移固晶设备在这两年受益于 Mini LED 背光迅速放量;未来受益 于 Mini/Micro LED 直显 TV 产品的商用化和放量,将具有更大的弹性。

  Mini/Micro LED 技术持续升级,参与产业链环节众多。相较而言,Mini LED 显示技术 相对成熟,在 2020/2021 年逐步开始商用渗透;Micro LED 由于较高的技术规格,目前 仍处于技术导入期,微型 LED、巨量转移等都是关键技术难度。对于一个微型 LED 显示 产品,基本构成包括基板、微型 LED 晶粒、驱动 IC 等材料,产业链环节包括 LED 芯片 厂、面板厂、IC 厂商、材料厂商、LED 封装厂、LED 应用厂等。

  芯片端良率及一致性要求较高。Mini LED 芯片的一致性包括高低位一致性、颜色一致性 等,同时 Mini LED 显示屏的维修困难都是重要的技术挑战。其中,红光倒装 LED 芯片一 般需要进行衬底转移以及固晶焊接,因而良率挑战更高一些。

  Mini LED 像素点间距的急剧微缩大幅度提升了芯片端的设计难度,这也直接导致了 Mini LED 芯片良率低下的问题。与 LED 芯片正装技术、垂直技术不同,倒装芯片具有 低电压、高亮度、高可靠性、高饱和度等优点。加之能在倒装焊的衬底上集成保护电路, 对芯片的可靠性有明显帮助。同时,倒装技术由于无需在电极上打金线,能够节约很多 成本,非常适合小空间密布的应用需求。倒装芯片饱和电流高,特别是在高电流下,更能展现出优势。目前,业界在 Mini LED 芯 片设计上一律采用了倒装芯片结构。其中,蓝绿光倒装芯片技术较成熟,良率较高,然而,由于红光倒装芯片一般需要进行沉底转移以及固晶焊接容易受到工艺环境和不可控 因素的影响,在良率和可靠性方面存在挑战。

  巨量转移主要是指以吸附、贴合等方式将大批量的微型 LED 晶粒进行转移至基板上,核 心在于转移的效率以及良率。市场上拥有较多转移技术方案。目前以应力吸附并转移为 主流方式,能实现更精确、更微小的 LED 晶粒转移,但每次转移吸附晶粒数量较小。其他 方式包括隆达采用的静电转移、Mikro Mesa 采用的低温键结技术等。巨量转移必须突破的 瓶颈包括设备的精密度、转移良率、转移时间、制程技术、检测方式、可重工性及加工 成本。

  Rohinni 大幅提升转移良率和效率,不断增加规模量产的成本竞争力。Rohinni 新型复 合转移头可实现 99.999%以上的放置良率,速率方面,每秒可转移超过 100 颗芯片(即 每秒 100+次)。这项技术可结合在多头系统上,相比现有的 Pick & Place 取放技术,该 技术具有显著的速度优势,对于消费电子显示器的大规模量产来说,是一个性价比高的 技术方案。Rohinni 及其合资公司 BOE Pixey 正在进入 Mini LED 显示器的规模化量产阶 段。

  COB 封装具有低功率、散热效果好、高饱和度、高分辨率、屏幕尺寸无限制等优点。然 而,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。IMD 可以看成一个小的 COB,所面临的挑战和 COB 封装技术类似,但是难度有所降低。相比于 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。

  UV/蓝光 LED+发光介质法是目前实现光源全彩化的重要方式。传统发光介质采用荧光 粉,由于荧光粉转化率较低且颗粒度较大,量子点(纳米晶)技术逐渐体现优越性。量 子点具有电致发光与光致放光的效果,受激后可以发射荧光,发光颜色由材料和尺寸决 定,因此可通过调控量子点粒径大小来改变其不同发光的波长。量子点的化学成分多样, 发光颜色可以覆盖从蓝光到红光的整个可见区;量子点具有高能力的吸光-发光效率、很 窄的半高宽、宽吸收频谱等特性,因此拥有很高的色彩纯度与饱和度;且量子点技术结 构简单,薄型化,可卷曲。

  Mini LED 产业链可大致分为芯片、封装/巨量转移与打件、面板、系统(组装)、品牌 五个环节。

  芯片:芯片制造环节是通过一系列半导体工艺将外延片制备成发光颗粒,并通过关键指标测试,再进行磨片、切割、分选和包装等。当前 Mini LED 芯片的难点在于:1)红光倒装芯片面临工艺一致性和小尺寸切割光效过低的问题。2)芯片尺寸微缩 化对设备刻蚀/光刻精度要求提升。3)LED 芯片的一致性和可靠性、维修要求提升。

  封装/巨量转移:封装主要包括两种方案:COB 是将 LED 芯片直接封装到模组基板上, 在对每个单元进行整体模封;IMD 则是将多组(两组、四组或六组)RGB 灯珠集成 封装在一个小单元中。巨量转移技术环节分芯片分选和转移芯片,难点在设备的分选算 法、转移效率和良率控制。

  系统(组装):即对 Mini LED 终端应用的组装供货以及最终的测试。

  芯片:直显芯片方面,显示 LED 芯片厂商较多开始进入,三安光电、华灿光电、乾 照光电皆有批量出货产品。背光芯片方面, Mini LED 背光芯片量产并规模出货企业 相对较少,具备相应客户、良率与量产能力的企业更为稀缺,主要集中在拥有技术 支持、产能布局合理、产能规模大等具有竞争优势的头部企业,主要的供应商有晶 电、三安光电、欧司朗、日亚化学、华灿光电等。

  封装/巨量转移:企业积极加码产能,LED 封装企业大多布局 Mini LED 封装技术, 木林森在 CSP、COB 技术具有优势;国星光电同时布局 COB 和 IMD;瑞丰光电加码 布局 COB 产线;兆驰股份垂直产业链布局更全。

  面板:2021 年为量产关键一年。面板厂在 Mini LED 产业链中扮演更为重要的角色。其中,京东方 Mini LED 玻璃基直显产品将在 2021 年内推向市场。

  系统(组装):产业链公司在产品导入、研发、出货方面持续取得进展。富士康给国 际大客户组装新款 Mini LED 背光的 iPad。洲明科技P0.7 产品已批量出货。利亚德 液晶模块(LCM)厚度 2.2mm 背光模组已可量产,2.0mm 及以下背光模组已向国 际、国内客户送样。

  产业链包括上游芯片制造、中游封装和下游模组。其中上游芯片制造是在蓝宝石、 SiC 或者硅片等衬底上制造 GaN 基/GaAs 基外延片,再经过刻蚀、清洗等环节得到不同类 别的 LED 芯片。LED 芯片供应商包括三安光电、华灿光电和乾照光电等大陆厂商,晶元光 电等中国台湾厂商以及欧司朗、日亚化学等国外厂商。中游封装端是将芯片在固晶、焊线、配胶、灌胶固封环节后,形成颗粒状成品,主要起到机 械保护、加强散热、提高 LED 性能和出光效率以及优化光束分布等作用。LED 封装厂主要 包括国星光电、木林森和鸿利智汇等大陆厂商以及隆达电子等中国台湾厂商。

  直显和背光模组制造是 mini LED 产业链的下游应用端。其中,直显制造商包括利亚德、洲 明科技和雷曼光电等,背光模组制造商包括兆驰股份和瑞仪光电等。此外,面板厂也已涉足 Mini LED 产品制造,TCL 科技和京东方均有布局。TCL 于 2019 年全球首发 Mini LED 星耀 屏,使用玻璃基板集成 LED 方案,较现有的 PCB 集成解决方案具有更好的性能优势,并于 2020 年量产。京东方在 2019 年与美国 Rohinni 联合成立一家合资公司,共同研发 Mini/Micro LED 解决方案,经过技术攻关后,京东方的玻璃基 Mini LED 背光产品已于 4Q20 实现量产 出货,并于近期交付客户,初期以 65 寸、75 寸 TV 产品为主,后续将根据客户需求和产能 情况布局更多的产品种类。

  目前,大陆 LED 产业链正积极布局 Mini LED 相关技术和产品。LED 芯片龙头三安光电, 已于 2020 年向国内外下游客户如 TCL 华星、三星电子等批量出货 Mini LED 芯片。此外, 三安光电全资子公司泉州三安半导体还与华星光电共同出资 3 亿元,成立联合实验室,重点 攻克 Micro-LED 显示工程化技术中包含 Micro-LED 芯片技术、转移、Bonding、彩色化、检 测、修复等关键技术难题。而在封测端,大陆厂商如国星光电、鸿利智汇和瑞丰光电均已实 现成熟产品出货。其中,国星光电已与多家国内外显示企业深度合作,多款大尺寸 TV 背光 产品已实现量产。瑞丰光电已与国内外知名电子企业在平板、笔记本电脑、电视等显示应用 上紧密合作开发了各类 Mini LED 背光和显示产品方案,并领先市场发布了多项 Mini LED 产 品。同时,下游应用端厂商也动作频频,2020 年,利亚德与晶元光电在无锡成立全球首家 Mini/Micro LED 量产基地,主要研发 Mini/Micro LED 的巨量转移技术,同时基于对全产业链 的整合,生产自发光与背光模组。此外,其他厂商公司也积极推进 Mini LED 产业化,洲明 科技已拥有 Mini LED 显示屏标准产品线 Mini LED 产品批量生产,公司还于 2020 年 11 月公布拟在惠州基地新增数条 Mini LED 智能化产线,以扩大生产规模。兆驰股份Mini RGB 产品已完成产品定义,并实现 110 寸、135 寸、162 寸下的 4K 显示,公司还 向上游芯片端延伸,Mini LED 芯片已进入小批量试产阶段。

  由于 Mini LED 需要精细度更高的转移、打件及分选设备,因此相关设备公司如 ASM 太平洋 也在积极布局相关技术和解决方案。ASM Pacific 推出了全自动巨量焊接产线 Ocean Line, 通过独有的巨量焊接技术,每次可转移的数量最多达到 10000颗LED,同时,配合优良的 平整度控制,使其灰度效果达到更佳,即使在不同视角,也不会有色差问题。此外在 PCB 端,全球龙头鹏鼎是业内少数掌握 Mini LED 背光电路板技术的厂商,且公司已 于淮安园区进行相关产能布局,一期工程已于 2020 年年底投产,二期预计于 2021 年下半 年投产。

  在大陆厂商产能压制下,台系厂商开启抱团:晶电、隆达联合成立富采控股,抢食苹果订单。近年来,随着大陆 LED 产业崛起,台系厂商话语权降低,多数厂商无力大规模扩充产能配 合品牌商,再加之近年大陆 LED 厂商与面板厂商结盟,增加资本支出,使得台厂危机意识 大增,主动寻求合作机会。2020 年 1 月,台系龙头芯片厂晶元光电与封测厂隆达电子联合 成立富采控股集团,其中晶电将专注于 LED 芯片的磊晶与晶粒,而隆达则主攻封装技术。台系厂商的抱团战略颇有成效,富采控股随即收获了苹果订单。据《电子时报》援引业内人 士透露,富采控股将在今年上半年开始为即将推出的 12.9 英寸 iPad Pro 生产 Mini LED 屏 幕。此外,台厂瑞仪光电将为苹果进行 Mini LED 背光模组代工。除台厂外,欧美厂商也积极争取苹果订单。欧司朗计划持续扩增设备投资 以生产 Mini LED 芯片,且有望在今年下半年向苹果出货用于 MacBook 的 Mini LED 背光板, 目前其已在马来西亚初步建立每月 1 亿颗产能的工厂。

  随着产业链上下游持续加码,Min LED 技术正处于落地的关键时点。因此在技术方面,包括 芯片、封装和基板选择等,均出现诸多新技术与新变量。本章我们将对 Mini LED 最新工艺 与技术进行梳理,探寻最适合 Mini LED 产业发展规律的技术方向,从而对 Mini LED 产业链 投资进行一定指引。

  LED 芯片制造流程主要包括前道外延片制造、中道磊晶和后道晶片切割,涉及具体流程多达 数十项,制造难度较高。但由于 LED 产业的多年的发展,传统 LED 芯片制造设备与工艺已 经较为成熟,且 Mini LED 对切割精度和转移设备的要求还未达到 Micro LED 那么严苛的程 度,因此 Mini LED 芯片制造难度相对 Micro LED 较低,芯片厂仅需通过优化工艺来提升良 率和产量即可实现从常规尺寸到 Mini 尺寸的跨越。在转移技术方面,相比于 Micro LED,Mini LED 有较大的尺寸和更加硬质的衬底。因此其转 移过程有更高的精度容忍度和更多的灵活性。当前主流厂商均有开发 Mini LED 相关的转移 技术,主要包括以下三种:1)方案一是对现有的抓取设备进行改进,通过设置多个的手臂来增加拾取和放置的效率。这种方案技术难度较低,因此更容易实现量产,不过其存在产能上的限制,无法实现数量级 上的增加。2)方案二是将芯片和背板相对放置,再使用顶针将芯片顶出,从而放置于基板 上。相比于方案一,这种方案减免了摆臂的反复移动,从而提升了转移效率。而且,若芯片 在蓝膜上放置位置同最终背板的控制电极位置一致,再配合多顶针,即可实现巨量转移,从 数量级上提升转移效率。3)方案三类似于方案二,芯片放置于 UV 膜上,通过 UV 光把 LED 芯片选择性地转移到背板上。该方案能实现真正的巨量转移,但是对芯片分选及其在 UV 膜 上的摆放精度有较高的要求。

  LED 封装技术正在经历从传统的支架型封装(如 SMD 技术)向新型无支架型集成封装(如 COB 技术)的过渡。传统的 LED 封装技术主要为 SMD(Surface Mounted Devices)技术,意为表面贴装器件。SMD 技术采用平面支架+点胶成型,并用表面贴装技术进行组装,采用合金铜材质扁平引脚, 可组装在铝基板或 PCB 上。其工艺流程包括固晶、焊线、成型、切割、分光和带装入库。SMD 技术最小可以做到稳定像素间距在 1.2-1.5mm 区间,拥有技术成熟稳定、制造成本低、 散热效果好和维修方便等优势,是十分成熟的 LED 封装技术。

  不过,随着 LED 向 Mini/Micro 方向发展,SMD 技术应用开始受限。其技术防护等级低、 寿命短等缺陷开始暴露出来,尤其是在制造像素间距 P1.2 以下的显示产品时,SMD 封装技 术开始出现诸多无法克服的技术瓶颈。例如 SMD 技术无法满足 Mini LED 显示产品的面板 级像素失控率要求。COB(Chip On Board)封装技术是一种无支架型集成封装技术,这种技术通过将 LED 芯片 直接贴装于 PCB 板上,在 PCB 板的一面做无支架引脚的 COB 高集成度像素面板级封装,在 PCB 板的另一面布置驱动 IC 器件,而不需要任何支架和焊脚。

  与传统的 SMD 技术相比,COB 技术能显著地降低 LED 显示面板的像素失效问题,同时还 可以做到更小的点距,拥有更高的排列密度。因此 COB 技术可以显著提升 LED 显示屏系统 的像素密度和整体可靠性,为 LED 显示的 4K、8K 超高清视频显示产品、Mini LED 显示产 品提供底层高阶面板制造技术,是当前 LED 显示走向百万级的必然选择。此外,在 SMD 和 COB 之间,还有多种支架型有限集成封装技术,主要包括 2in1、4in1、 Nin1 封装技术。这种技术本质是 SMD 和 COB 的混合体封装技术,减少了支架引脚的数量, 体现 COB 封装集成化的思想,但无法真正摆脱万级或十万级的面板级像素失控,在 Mini LED 的 1.2-0.9mm 像素区间,会遇到与 SMD 封装技术相同的技术瓶颈问题。

  除了 COB 技术外,封装端还创新性的引入了倒装工艺来实现更高发光效率、排列密度和可 靠性。传统的正装技术存在着电极遮挡影响发光效率以及焊线较多工艺流程复杂等缺点。而 倒装技术通过将芯片倒置,使发光层激发出的光直接从电极的另一面发出,在封装工艺上实 现无电极遮挡、无焊线,因而可以最大程度提高发光面积、散热面积,并能够避免金属虚焊 和接触不良引起的问题。同时,无焊线还可以提升芯片排列密度,助力 LED 进一步提升显 示像素密度。

  目前在 1.2mm 以上像素间距范围,还可以使用正装芯片,在 1.2-0.7mm 像素间距范围内, 有红光正装、蓝绿光倒装的解决方案,在 0.7-0.3mm 像素范围内,RGB 都要使用倒装芯片。未来随着 LED 向 Mini/Micro 方向加速演进,倒装技术将迎来快速渗透。

  综上,对 Mini LED 产业来讲,SMD 封装技术是目前工艺较为成熟、成本更低的封装搭配, 其将在中低端 Mini LED 产品推广中使用。而倒装 COB 技术,则是面向未来的新型封装技 术,长期来看,其发光效果优势、可靠性优势和高密度排列优势将被进一步放大,有望实现 对 SMD 技术的替代。

  基板是 LED 芯片的载体,Mini LED 基板包括 PCB 方案和玻璃基方案。其中,PCB 是最常 用的 LED 基板,具有技术成熟、成本低等优势,主要由 LED 产业链厂商推广使用。而玻璃 基板是 LCD 的关键物料之一,后经面板厂推广至 LED 基板。随着 Mini LED 应用不断深化,基板被提出了更高的要求,相关产业格局也有望迎来转变, 本节我们将对两种基板在成本、性能、应用以及前景等方面进行比较和成本方面,从材料角度来看,PCB 基板的价格是玻璃基板的几倍,因此如果规模化生产,玻 璃基板的物料成本其实更低。但是从综合成本来看,由于玻璃基板走线需要开光罩,所以前 期投入成本较高,若是规模化程度不高,可能平均成本反而会超过 PCB 基板。此外,从良 品率来看,我国目前封装厂对于 PCB 基板的技术要更加成熟、可靠性更强,良品率也更高, 因此成本的可控性更强。而玻璃基板由于玻璃的易碎性,良品率较低。

  因此综合来看,当前 PCB 基板仍具成本优势,但长期来看,随着玻璃基板规模化程度和良品率提升,玻璃基板 成本有望大幅下降,甚至低于 PCB 基板。性能方面,PCB 基板散热性弱于玻璃基板,且在芯片焊接中由于热量密度较高,所以容易导 致翘曲变形的问题,尤其在大尺寸的应用中,在多组背光单位拼接过程中容易产生拼缝问题。而玻璃基板受热膨胀率低,散热性强,因此平坦性更高,更有利于 Mini LED 的焊接,因此 玻璃基板可以满足高精度需求。

  应用前景方面,PCB 基板是国内目前技术工艺条件下的首选,其被当前绝大部分 LED 产品 使用。而对于散热要求更高、平坦度要求更高或者高密度组装的情况,玻璃基板将是更好的 选择。2020 年 CES 展上,TCL 正式推出了采用玻璃基 Mini LED 方案的“MLED 星曜屏”。该产品拥有超高亮度,在逆光情况下也能出众地成像;其对比度高达 100 万比 1,相比传统 LCD 有指数级的提升;同时其在 HDR 及动态背光分区等细节也有不俗表现。

  综上,我们认为现阶段对于 Mini LED 产品,PCB 基板是终端厂商在市场需求量较小时,综 合成本和性能后的选择。放眼未来,随着 Mini LED 需求放量,玻璃基板有望形成规模化出货,其成本也将被摊薄。届时,玻璃基板竞争优势将充分展现,并有望实现对 PCB 基板的 替代。

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