小間距LED顯示屏給芯片端帶來(lái)的挑戰(zhàn)
LED顯示屏相比其他顯示技術(shù)，具有自發(fā)光、色彩還原度優(yōu)異、刷新率高、省電、易于維護(hù)等優(yōu)勢(shì)。高亮度、通過(guò)拼接可實(shí)現(xiàn)超大尺寸這兩個(gè)特性，是LED顯示屏在過(guò)去二十年高速增長(zhǎng)的決定性因素。在超大屏幕室外顯示領(lǐng)域，迄今還沒(méi)有其他技術(shù)能夠與LED顯示技術(shù)相抗衡。
但是在過(guò)去，led顯示屏也有其不足，比如封裝燈珠之間間距大，造成分辨率較低，不適合室內(nèi)和近距離觀看。為了提高分辨率，必需縮小燈珠之間間距，但是燈珠的尺寸縮小，雖然能夠提升整屏分辨率，成本也會(huì)快速上升，過(guò)高的成本影響了小間距l(xiāng)ed顯示屏的大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用。
近幾年來(lái)，借助于芯片制造和封裝廠商、IC電路廠商和屏幕制造廠商等的多方努力，單封裝器件成本越來(lái)越低，LED封裝器件越來(lái)越小，顯示屏像素間距越來(lái)越小、分辨率越來(lái)越高，使得小間距l(xiāng)ed顯示屏在戶內(nèi)大屏顯示方面的優(yōu)勢(shì)越來(lái)越明顯。
目前，小間距LED主要應(yīng)用于廣告?zhèn)髅?、體育場(chǎng)館、舞臺(tái)背景、市政工程等領(lǐng)域，并且在交通、廣播、軍隊(duì)等領(lǐng)域不斷開拓市場(chǎng)。預(yù)計(jì)到2018年，市場(chǎng)規(guī)模接近百億?？梢灶A(yù)測(cè)，在未來(lái)幾年內(nèi)，小間距l(xiāng)ed顯示屏將不斷擴(kuò)展市場(chǎng)份額，并擠占DLP背投的市場(chǎng)空間。據(jù)光大證券研究所預(yù)測(cè)，到2020年，小間距l(xiāng)ed顯示屏對(duì)DLP背投的替代率將達(dá)到70%~80%。
筆者從業(yè)于藍(lán)綠LED芯片制造行業(yè)，從事產(chǎn)品開發(fā)工作多年。下面從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝技術(shù)的角度來(lái)論述小間距l(xiāng)ed顯示屏的發(fā)展對(duì)藍(lán)綠LED芯片提出的需求，以及芯片端可能采取的應(yīng)對(duì)方案。
二、小間距l(xiāng)ed顯示屏對(duì)LED芯片提出的需求
作為led顯示屏核心的LED芯片，在小間距LED發(fā)展過(guò)程中起到了至關(guān)重要的作用。小間距l(xiāng)ed顯示屏目前的成就和未來(lái)的發(fā)展，都依賴于芯片端的不懈努力。
一方面，戶內(nèi)顯示屏點(diǎn)間距從早期的P4，逐步減小到P1.5，P1.0，還有開發(fā)中的P0.8。與之對(duì)應(yīng)的，燈珠尺寸從3535、2121縮小到1010，有的廠商開發(fā)出0808、0606尺寸，甚至有廠商正在研發(fā)0404尺寸。
眾所周知，封裝燈珠的尺寸縮小，必然要求芯片尺寸的縮小。目前，市場(chǎng)常見小間距顯示屏用藍(lán)綠芯片的表面積為30mil2 左右，部分芯片廠已經(jīng)在量產(chǎn)25mil2 ，甚至20mil2 的芯片。
另一方面，芯片表面積的變小，單芯亮度的下降，一系列影響顯示品質(zhì)的問(wèn)題也變得突出起來(lái)。
首先是對(duì)于灰度的要求。與戶外屏不同，戶內(nèi)屏需求的難點(diǎn)不在于亮度而在于灰度。目前戶內(nèi)大間距屏的亮度需求是1500 cd/m2 -2000 cd/m2左右，小間距l(xiāng)ed顯示屏的亮度一般在600 cd/m2 -800 cd/m2 左右，而適宜于長(zhǎng)期注目的顯示屏最佳亮度在100 cd/m2 -300cd/m2 左右。
目前小間距LED屏幕的難題之一是“低亮低灰”。即在低亮度下的灰度不夠。要實(shí)現(xiàn)“低亮高灰”，目前封裝端采用的方案是黑支架。由于黑支架對(duì)芯片的反光偏弱，所以要求芯片有足夠的亮度。
其次是顯示均勻性問(wèn)題。與常規(guī)屏相比，間距變小會(huì)出現(xiàn)余輝、第一掃偏暗、低亮偏紅以及低灰不均勻等問(wèn)題。目前，針對(duì)余輝、第一掃偏暗和低灰偏紅等問(wèn)題，封裝端和IC控制端都做出了努力，有效的減緩了這些問(wèn)題，低灰度下的亮度均勻問(wèn)題也通過(guò)逐點(diǎn)校正技術(shù)有所緩解。但是，作為問(wèn)題的根源之一，芯片端更需要付出努力。具體來(lái)說(shuō)，就是小電流下的亮度均勻性要好，寄生電容的一致性要好。
第三是可靠性問(wèn)題?，F(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是LED死燈率允許值為萬(wàn)分之一，顯然不適用于小間距l(xiāng)ed顯示屏。由于小間距屏的像素密度大，觀看距離近，如果一萬(wàn)個(gè)就有1個(gè)死燈，其效果令人無(wú)法接受。未來(lái)死燈率需要控制在十萬(wàn)分之一甚至是百萬(wàn)分之一才能滿足長(zhǎng)期使用的需求。
總的來(lái)說(shuō)，小間距LED的發(fā)展，對(duì)芯片段提出的需求是：尺寸縮小，相對(duì)亮度提升，小電流下亮度一致性好，寄生電容一致性好，可靠性高。
三、芯片端的解決方案
1. 尺寸縮小芯片尺寸縮小
表面上看，就是版圖設(shè)計(jì)的問(wèn)題，似乎只要根據(jù)需要設(shè)計(jì)更小的版圖就能解決。但是，芯片尺寸的縮小是否能無(wú)限的進(jìn)行下去呢？答案是否定的。有如下幾個(gè)原因制約著芯片尺寸縮小的程度：
（1）封裝加工的限制。封裝加工過(guò)程中，兩個(gè)因素限制了芯片尺寸的縮小。一是吸嘴的限制。固晶需要吸取芯片，芯片短邊尺寸必須大于吸嘴內(nèi)徑。目前有性價(jià)比的吸嘴內(nèi)徑為80um左右。二是焊線的限制。首先是焊線盤即芯片電極必須足夠大，否則焊線可靠性不能保證，業(yè)內(nèi)報(bào)道最小電極直徑45um；其次是電極之間的間距必須足夠大，否則兩次焊線間必然會(huì)相互干擾。
（2）芯片加工的限制。芯片加工過(guò)程中，也有兩方面的限制。其一是版圖布局的限制。除了上述封裝端的限制，電極大小，電極間距有要求外，電極與MESA距離、劃道寬度、不同層的邊界線間距等都有其限制，芯片的電流特性、SD工藝能力、光刻的加工能力決定了具體限制的范圍。通常，P電極到芯片邊緣的最小距離會(huì)限定在14μm以上。
其二是劃裂加工能力的限制。SD劃片+機(jī)械裂片工藝都有極限，芯片尺寸過(guò)小可能無(wú)法裂片。當(dāng)晶圓片直徑從2英寸增加到4英寸、或未來(lái)增加到6英寸時(shí)，劃片裂片的難度是隨之增加的，也就是說(shuō)，可加工的芯片尺寸將隨之增大。以4寸片為例，如果芯片短邊長(zhǎng)度小于90μm，長(zhǎng)寬比大于1.5:1的，良率的損失將顯著增加。
基于上述原因，筆者大膽預(yù)測(cè)，芯片尺寸縮小到17mil2后，芯片設(shè)計(jì)和工藝加工能力接近極限，基本再無(wú)縮小空間，除非芯片技術(shù)方案有大的突破。
2. 亮度提升
亮度提升是芯片端永恒的主題。芯片廠通過(guò)外延程式優(yōu)化提升內(nèi)量子效應(yīng)，通過(guò)芯片結(jié)構(gòu)調(diào)整提升外量子效應(yīng)。
不過(guò)，一方面芯片尺寸縮小必然導(dǎo)致發(fā)光區(qū)面積縮小，芯片亮度下降。另一方面，小間距顯示屏的點(diǎn)間距縮小，對(duì)單芯片亮度需求有下降。兩者之間是存在互補(bǔ)的關(guān)系，但要留有底線。目前芯片端為了降低成本，主要是在結(jié)構(gòu)上做減法，這通常要付出亮度降低的代價(jià)，因此，如何權(quán)衡取舍是業(yè)者要注意的問(wèn)題。
3. 小電流下的一致性
所謂的小電流，是相對(duì)常規(guī)戶內(nèi)、戶外芯片試用的電流來(lái)說(shuō)的。如下圖所示的芯片I-V曲線，常規(guī)戶內(nèi)、戶外芯片工作于線性工作區(qū)，電流較大。而小間距LED芯片需要工作于靠近0點(diǎn)的非線性工作區(qū)，電流偏小。
在非線性工作區(qū)，LED芯片受半導(dǎo)體開關(guān)閾值影響，芯片間的差異更明顯。對(duì)大批量芯片進(jìn)行亮度和波長(zhǎng)的離散性的分析，容易看到非線性工作區(qū)的離散性遠(yuǎn)大于線性工作區(qū)。這是目前芯片端的固有挑戰(zhàn)。
應(yīng)對(duì)這個(gè)問(wèn)題的辦法首先是外延方向的優(yōu)化，以降低線性工作區(qū)下限為主；其次是芯片分光上的優(yōu)化，將不同特性芯片區(qū)分開來(lái)。
4. 寄生電容一致性
目前芯片端沒(méi)有條件直接測(cè)量芯片的電容特性。電容特性與常規(guī)測(cè)量項(xiàng)目之間的關(guān)系尚不明朗，有待業(yè)者去總結(jié)。芯片端優(yōu)化的方向一是外延上調(diào)整，一是電性分檔上的細(xì)化，但成本很高，不推薦。
5. 可靠性
芯片端可靠性可以用芯片封裝和老化過(guò)程中的各項(xiàng)參數(shù)來(lái)描述。但總的說(shuō)來(lái)，芯片上屏以后的可靠性的影響因素，重點(diǎn)在ESD和IR兩項(xiàng)。
ESD是指抗靜電能力。據(jù)IC行業(yè)報(bào)道，50%以上芯片的失效與ESD有關(guān)。要提高芯片可靠性，必須提升ESD能力。但是，在相同外延片，相同芯片結(jié)構(gòu)的條件下，芯片尺寸變小必然帶來(lái)ESD能力的削弱。這是與電流密度和芯片電容特性直接相關(guān)的，無(wú)法抗拒。
IR是指反向漏電，通常是在固定反向電壓下測(cè)量芯片的反向電流值。IR反映的是芯片內(nèi)部缺陷的數(shù)量。IR值越大，則說(shuō)明芯片內(nèi)部缺陷越多。
要提升ESD能力和IR表現(xiàn)，必須在外延結(jié)構(gòu)和芯片結(jié)構(gòu)方面做出更多優(yōu)化。在芯片分檔時(shí)，通過(guò)嚴(yán)格的分檔標(biāo)準(zhǔn)，可以有效的把ESD能力和IR表現(xiàn)較弱的芯片剔除掉，從而提升芯片上屏后的可靠性。
四、總結(jié)
綜上，筆者分析了隨著小間距l(xiāng)ed顯示屏的發(fā)展，LED芯片端面臨的系列挑戰(zhàn)，并逐一給出了改善方案或方向。應(yīng)該說(shuō)，目前LED芯片的優(yōu)化還有很大的空間。如何提升，還待業(yè)者發(fā)揮聰明才智，持續(xù)不斷的努力。
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