全垂直晶片結構憑何立足 Mini/Micro LED 顯示行業?

在高清 RGB 顯示螢幕晶片領域,正裝、倒裝和垂直結構「三足鼎立」,其中以普通藍寶石正裝和倒裝結構較為常見,垂直結構通常是指經過襯底剝離的薄膜 LED 晶片,襯底剝離後邦定新的基板或者可以不邦定基板,做成垂直晶片。

對應不同間距的顯示螢幕,正裝、倒裝和垂直三種結構的優劣勢各異,但無論是對比正裝結構還是倒裝結構,垂直結構在某些方面的優勢顯而易見。


P1.25-P0.6:四大優勢脫穎而出

晶能光電江西總經理梁伏波(下圖)在 2021 年集邦諮詢新型顯示產業研討會現場介紹,晶能通過實驗對比了晶能的垂直 5×5mil 晶片與 JD 公司的正裝 5×6mil 晶片的性能。結果證明,相比正裝晶片,垂直晶片因單面發光、無側光,隨著間距的變小而產生光干擾更少,換言之,間距越小亮度損失越少。因此,垂直晶片在越小間距上的發光強度和顯示清晰度都有明顯的優勢。


 

具體來看,垂直晶片呈朗勃發光形貌,出光均勻,容易配光,散熱性能好,所以顯示效果清晰;此外,垂直電極結構,電流分佈更均勻,IV 曲線一致性好,而水平晶片因電極在同側,有電流堵塞,光斑均勻性差。

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

在顯示螢幕應用中,「毛毛蟲」現象一直以來都是困擾廠商的主要問題,而這種現象發生的根源就是金屬遷移。

梁伏波介紹,金屬遷移與晶片的溫度、濕度、電位差和電極材料緊密相關,在更小間距的顯示螢幕中更容易出現。而全垂直晶片結構在解決金屬遷移方面也有著天然的優勢。

一是垂直結構晶片正負極之間距離大於 135μm,由於正負極在物理空間的距離較大,即便發生金屬離子遷移,垂直晶片燈珠壽命也能夠比水平晶片長 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晶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晶片一樣。

三是垂直結構晶片採用銀膠,導熱性能好,燈內溫度相對於正裝水平低很多,可以大幅度降低金屬離子遷移速度。

由此可見,相比普通正裝方案,垂直方案性能表現更佳,良率和可靠性更高。

現階段,在 P1.25-P0.9 應用中,儘管普通正裝方案因低價優勢而占據主要市場,但倒裝方案和垂直方案憑藉更高的性能,在高端應用領域扮演主要角色。成本方面,垂直方案的 RGB 一組晶片價格是倒裝方案的二分之一,因此垂直結構的性價比高出一籌。

在 P0.6-P0.9mm 應用中,普通正裝方案受限於物理空間極限,難以保證良率,量產可能性低,倒裝和垂直晶片方案則能夠滿足要求。值得注意的是,對於封裝廠而言,選用倒裝結構方案需增加大批設備,且由於倒裝晶片的兩個焊盤極小造成錫膏焊接良率不高,而垂直晶片方案封裝製程成熟度高,現有封裝廠設備可以通用,加上垂直晶片一組 RGB 的成本只有倒裝晶片一組 RGB 的一半,垂直方案整體的性價比亦高於倒裝方案。

因此,在性能水平相當的條件下,現階段垂直結構的性價比高於倒裝結構。總的來說,垂直晶片結構在 1.25-P0.6 顯示螢幕應用中將以四大優勢占據一方市場。

P0.6-P0.3:兩大技術路線加持

對於 P0.6-P0.3 應用,晶能主打去襯底薄膜晶片技術 Thin Film LED,涵蓋垂直結構和倒裝結構。Thin film LED 一般指經過襯底剝離的薄膜 LED 晶片,襯底剝離後邦定新的基板或者可以不邦定基板做成垂直結構,稱為 Vertical thin film,簡稱 VTF。同時,還可以不邦定基板,做成倒裝結構,稱為 thin film flip chip,簡稱 TFFC。

梁伏波介紹,針對 P0.6-P0.3 等超小間距顯示螢幕的需求,晶能基於 Thin Film LED 技術,研發出兩種相對成熟的技術路線方案。

技術路線一:VTF/TFFC 晶片 + 量子點紅光(QD + 藍光 InGaN LED)

在極小晶片尺寸下,傳統的 AlGaInP 紅光 LED 因其去襯底後機械性能很差,在轉移過程中極容易碎裂,很難進行後續的批量製程生產。因此,一種解決方案就是採用印刷、噴塗、打印等技術,在 GaN 藍光 LED 表面放置量子點,獲得紅色 LED。

技術路線二:RGB 三色均採用 InGaN LED

由於現有四元紅光去襯底後機械強度不夠,很難進行後續的製程生產,而另一個解決方案就是 RGB 三色均為 InGaN LED,同時實現外延、晶片製程的統一。據介紹,晶能已經展開在矽襯底上生長氮化鎵紅光研發,且矽基 InGaN 紅光 LED 取得了一些成績,為該技術提供可能。

值得注意的是,晶能通過對比 TFFC、FC、Micro 三種晶片在襯底、晶片分離、發光效率和巨量轉移等方面的優缺點,得出一個結論:用 Micro 的技術路線與晶能的 Mini 晶片相結合,在降低技術難度的同時,可大幅降低晶片成本。這也意味著 4K、8K Mini 超高清顯示的 LED 大螢幕產品有望走進千家萬戶。


Mini LED:技術研發和專利布局並進

早在 2018 年下半年,晶能就開始研發 Mini RGB 顯示螢幕應用 5×5mil 矽襯底垂直晶片,發光區為 90×90um,研究期間克服了外延晶片製程良率、ESD 等難題。

梁伏波介紹,垂直 Mini LED 的藍綠晶片和紅光晶片有相同的晶片高度,且都是單面出光,顯示對比度、發光角度有優異表現;同時,垂直結構的藍綠晶片可完全避免客戶端長時間使用產生的金屬離子遷移導致的螢幕黑點異;此外,得益於成熟的封裝製程,封裝廠現有大部分設備可以無縫對接,大幅度降低封裝廠固定資產投入。

目前,晶能 5×5mil 矽襯底垂直晶片已於 2020 年 7 月開始正式量產,目前處於小批量出貨階段,同時繼續配合更多客戶進行產品測試和驗證。

根據規劃,晶能預計適用 P1.25-P0.7 間距的 4×4mil 矽垂直藍綠晶片將於 2021 年第四季度末實現量產。而 2×4mil 矽垂直紅藍綠晶片預計 2023 年第四季度末實現量產,適用於 P0.6-P0.3 間距,根據實際性價比,應用間距可向上至 P0.7。

顯然,晶能的技術研發工作正在循序漸進地推進,而專利技術佈局也盡在掌握之中。

目前,晶能已擁有超過 420 項全球專利,涵蓋了外延材料、晶片應用的整個產業鏈,其中,基於矽襯底的垂直結構 Mini LED 晶片在國內外都擁有技術專利保護。基於戰略客戶對矽襯底 Mini LED 產品的反饋,晶能接下來會考慮進一步擴產。

小結:當下,4K、8K Mini 超高清顯示大螢幕在 5G 技術的驅動下勢不可擋,矽襯底垂直 Mini LED 晶片有機會成為一種超高性價比光源解決方案。

「是金子總會發光」,垂直晶片結構擁有高性能、高性價比、高可靠性和高良率等優勢,立足於 Mini/Micro LED 顯示領域自然是毋庸置疑的。隨著以晶能為代表的廠商持續挖掘垂直結構的潛力,未來矽襯底垂直 Mini LED 晶片的應用觸角將不斷延伸。

(作者:LEDinside Janice)

RSS RSS     print 列印         announcements 線上投稿        
瀏覽人次:615
【免責聲明】
1、「LEDinside」包含的內容和資訊是根據公開資料分析和演釋,該公開資料,屬可靠之來源搜集,但這些分析和資訊並未經獨立核實。本網站有權但無此義務,改善或更正在本網站的任何部分之錯誤或疏失。
2、任何在「LEDinside」上出現的資訊(包括但不限於公司資料、資訊、研究報告、產品價格等),力求但不保證資料的準確性,均只作為參考,您須對您自主決定的行為負責。如有錯漏,請以各公司官方網站公佈為準。
【版權聲明】
「LEDinside」所刊原創內容之著作權屬於「LEDinside」網站所有,未經本站之同意或授權,任何人不得以任何形式重制、轉載、散佈、引用、變更、播送或出版該內容之全部或局部,亦不得有其他任何違反本站著作權之行為。