北京時(shí)間09月10日消息，驅(qū)動(dòng)IC為要角 MicroLED實(shí)現(xiàn)高對比度;MicroLED顯示器的一大特色為能夠做到更高對比度、高顯色的性能表現(xiàn)，而符合HDR10則可以確保顯示器呈現(xiàn)更多顏色和細(xì)節(jié)。 在小點(diǎn)間距LED顯示器若要做到高對比度表現(xiàn)，則對于驅(qū)動(dòng)IC的規(guī)格有更嚴(yán)格的要求。

　　標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)范圍(Standard Dynamic Range, SDR)是現(xiàn)行影像的播放標(biāo)準(zhǔn)，很不幸地SDR的規(guī)格并無法忠實(shí)呈現(xiàn)人眼所能看到的每一種顏色。 所以有了高動(dòng)態(tài)范圍(High Dynamic Range, HRD)規(guī)格的產(chǎn)生。

　　早在2014年的消費(fèi)電子展(Consumer Electronics Show, CES)會(huì)上，杜比實(shí)驗(yàn)室(Dolby Laboratories)就展出了Dolby Vision技術(shù)規(guī)格。 但因Dolby Vision為封閉規(guī)格，且每生產(chǎn)一臺(tái)Dolby Vision兼容的電視就必須付出3美元的專利費(fèi)。 于是三星(Samsung)、索尼(Sony)、樂金(LG)等家電大廠都希望能有一個(gè)比Dolby更開放的平臺(tái)，節(jié)約支付給Dolby專利費(fèi)，又毋須增加一個(gè)提交認(rèn)證的流程來削弱對于自身產(chǎn)品的控制權(quán)， 因此他們開始開發(fā)自己的對于HDR影音的方案，最終進(jìn)化成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)--HDR10(表1)。

　　圖1為一相同的小點(diǎn)間距LED顯示器，左側(cè)以14-bit Gamma顯示SDR畫面，右側(cè)以16-bit Gamma顯示HDR畫面，兩者的視覺刷新率皆是3840Hz(4KHz)。 簡而言之，將SDR與HDR放在一起比較，HDR可以讓你看到更多顏色和細(xì)節(jié)。

　　將HDR的基本要求轉(zhuǎn)換成小點(diǎn)間距LED顯示器驅(qū)動(dòng)IC的規(guī)格要求，將可得到如圖2所示。 下文中，自分辨率開始，順時(shí)針方向逐一解說。

　　圖1 SDR vs. HD

　　圖2 HDR規(guī)格與驅(qū)動(dòng)IC規(guī)格轉(zhuǎn)化

　　分辨率與分辨率

　　在相同的顯示面積中，越高的分辨率即代表更高的像素密度或更小的點(diǎn)間距。 在傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)架構(gòu)中，如圖3所示的P0.992的小點(diǎn)間距LED顯示器，可分為三大部份：①是定電流驅(qū)動(dòng)IC;②是電源切換開關(guān);③是其他邏輯IC。 從圖3中可以發(fā)現(xiàn)電路板的布局已經(jīng)相當(dāng)緊湊，若要再進(jìn)一層次提高分辨率，明顯地，我們需要新的驅(qū)動(dòng)架構(gòu)，并且封裝尺寸也須要隨之縮小或采用WLCSP或COB等不同封形式。

　　圖3 點(diǎn)間距P0.992 LED顯示器燈板

　　為了解決上述問題，所以有了將定電流，電源開關(guān)和邏輯IC整合在一起的高整合型的驅(qū)動(dòng)IC，圖4則是使用高整合型的驅(qū)動(dòng)IC的P0.9375 LED顯示器燈板。 顯而易見的，在電路布局上與傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)架構(gòu)寬松許多。 且將封裝從一般的SSOP或QFN類型改為下方出腳的BGA，以爭取在有限面積下有更多的出腳數(shù)，以驅(qū)動(dòng)更多的LED。 此類型的IC約可支持到最小P0.55點(diǎn)間距的小點(diǎn)間距LED顯示器。

　　圖4 點(diǎn)間距P0.9375 LED顯示器燈板

　　視覺刷新率與換幀率

　　主動(dòng)驅(qū)動(dòng)(Passive Matrix, PM)架構(gòu)，利用視覺暫留達(dá)成連續(xù)畫面效果。 當(dāng)換幀率提高，對于視覺刷新率的要求也會(huì)提高，需要更快的頻率協(xié)助完成。 然而Gamma Table的灰階數(shù)與視覺刷新率呈反比，相同的灰階頻率下，越高灰階數(shù)的視覺刷新率越低。 在下一段落中，再深入探討論灰階頻率這個(gè)主題。

　　動(dòng)態(tài)范圍與對比度

　　HDR10的對比表現(xiàn)少則20,000：1;多則高達(dá)100,000：1，受限于灰階頻率的快慢，行掃數(shù)與PWM灰階數(shù)呈反比，32行掃下，最高PWM Resolution是14-bit。 此時(shí)理論對比值僅16,383：1，未能滿足HDR10要求。 新世代的小點(diǎn)間距LED顯示器專用的驅(qū)動(dòng)IC應(yīng)采用內(nèi)振灰階頻率設(shè)計(jì)，一舉突破傳統(tǒng)PCB布局上時(shí)鐘頻率33MHz的限制，至少將PWM Resolution提高至16-bit，此時(shí)的理論對比度是65,535：1。

　　色域空間與LED波長

　　在CIE1931坐標(biāo)圖上畫出BT.709、BT.2020，可以得到圖5。 SDR定義的色域空間為BT.709(REC.709)，占了CIE1931色域空間的35.6%;HDR定義的色域空間為BT.2020(REC.2020)，占了CIE1931色域空間的75.8%， 即BT.2020定義的色域空間為212.9%的BT.709。 將BT.2020在R/G/B三原色的波長拿出來看，分別為紅光630nm、綠光532nm、藍(lán)光467nm，對于目前LED磊晶技術(shù)，因綠光波長的半寬波長離散度較大，目前的顯示設(shè)備不容易達(dá)成BT.2020。 轉(zhuǎn)換至LED驅(qū)動(dòng)IC，就顯得小電流(通常小于500μA)精度控制的重要性，因?yàn)長ED波長會(huì)隨著電流大小漂移，定電流誤差量多要求小于±1.5%。

　　圖5 BT.709/BT.2020在CIE1931的覆蓋范圍

　　訊號(hào)灰階與PWM Resolution

　　由于人眼對光的感受并非線性，所以視訊源輸入到顯示設(shè)備輸出需要透過Gamma Table轉(zhuǎn)換。 過往視訊源僅8-bit時(shí)，14-bit PWM足敷使用，但當(dāng)視訊源提升至10-bit，甚至12-bit時(shí)，就需求更高的PWM Resolution，才能將細(xì)節(jié)顯示得更清楚。 圖6即為14-bit和16-bit PWM Resolution的比較，可以清楚得看出，16-bit PWM Resolution在低灰度部份能夠顯示更多細(xì)節(jié)。

　　圖6 14-bit與16-bit PWM Resolution比較

　　以小點(diǎn)間距LED顯示器為例，Micro/MiniLED相較于傳統(tǒng)3-in-1 SMD LED，在HDR10表現(xiàn)又有何勝出之處? LED結(jié)構(gòu)可分為水平正裝(Face-Up)，Substrate在LED晶粒下方，P極/N極的Bonding Pad都在上方，須要打線與載板的Pad連接，傳統(tǒng)的SMD 3-in-1多使用這一類LED晶粒。 垂直(Vertical)，紅光晶粒多屬這一類，P極與N極的Bonding Pad呈垂直排列，一端直接與載板接合，另一端則靠打線與載板相連。 水平倒裝(Face-Down/Flip-Chip)，P極/N極的Bonding Pad都在下方，直接與基板接合，不需要打線。 若晶粒尺寸大于100×100μm且Substrate在LED晶粒上方即定義為MiniLED，晶粒尺寸小于100×100μm且沒有Substrate即定義為MicroLED。 以下為Micro/MiniLED相較于傳統(tǒng)3-in-1 SMD LED的優(yōu)勢所在：

　　1.點(diǎn)間距微縮，分辨率提高

　　傳統(tǒng)的3-in-1 SMD LED封裝體微縮有其極限，且在SMT制程中有容易拋料與漏料的問題。 當(dāng)分辨率提高，單位面積內(nèi)的像素密度也提高，代表要貼的LED點(diǎn)數(shù)也越多，使用傳統(tǒng)SMT機(jī)臺(tái)Pick-n-Place加工方式，假設(shè)1片P1.5的燈板打件需要40分鐘，點(diǎn)間距微縮成P0.75時(shí)，就需要160分鐘。 可以巨量轉(zhuǎn)移的Flip-Chip形式的Micro/MiniLED就是很好的解決方案。 目前巨量轉(zhuǎn)移的效率最低即有200K UPH，單機(jī)臺(tái)在5天內(nèi)就可完成4K顯示器的轉(zhuǎn)移。

　　2.更佳的發(fā)光效率

　　以5×9mil的Face-Up LED為例，Bonding Pad大小為75×75um，發(fā)光面僅剩下60%;晶粒尺寸縮小至4×6mil，發(fā)光面只有25%。 但Flip-Chip形式的Micro/MiniLED發(fā)光面完全不會(huì)受到Bonding Pad遮蔽，所以縮小LED尺寸，提高發(fā)光效率，Micro/MiniLED是唯一的選擇。

　　3.更好的對比度

　　以圖7中P0.75的小點(diǎn)間距LED顯示器為例，最低亮度為0.15nits，最大亮度為3820nits，對比度達(dá)25,500：1，滿足HDR10的基本要求。 雖然此小點(diǎn)間距LED顯示器已采用聚積科技的MBI5359，能完整呈現(xiàn)16-bit PWM Resolution，但受限于LED的響應(yīng)時(shí)間，無法達(dá)到理論值的65,535：1，但其表現(xiàn)已遠(yuǎn)勝一般小點(diǎn)間距LED顯示器的6/ 7,000：1。

　　圖7 P0.75 MiniLED Display

　　4.Cross-talk與Coupling

　　Micro/MiniLED為Flipchip，沒有打線與載板，所以寄生電容亦較3-in-1 SMD LED小許多，所以Passive Matrix下Cross-Talk與Coupling也較輕微(圖8)。

　　圖8 常見之Cross-Talk 與Coupling測試圖案 by P0.75 MiniLED Display

　　5.色域表現(xiàn)

　　波長的要求對于LED磊晶是相當(dāng)大的挑戰(zhàn)，尤其是綠光LED的波長半高寬離散度較大，此P0.75 MiniLED Display現(xiàn)階段僅能達(dá)到84% BT.2020，或150% BT.709若要更高可能需要求助QD之類的Color Conversion技術(shù)。

　　驅(qū)動(dòng)IC助MicroLED達(dá)到HDR10要求

　　談?wù)摰組icroLED，現(xiàn)今多把注意力集中在巨量轉(zhuǎn)移技術(shù)開發(fā)上，其中包含轉(zhuǎn)移的速度與良率。 目前薄膜轉(zhuǎn)移、電磁吸引、流體裝配與雷射轉(zhuǎn)移等都有廠商在開發(fā)。 但轉(zhuǎn)移后的良率現(xiàn)在只能依賴光學(xué)檢測儀器(AOI)檢查晶粒是否缺漏、晶粒是否破損、晶粒上件位置是否正確。 即使以上的答案皆是YES，也無法保證MicroLED能夠正常點(diǎn)亮，因?yàn)锳OI不能檢查電氣是否有正確對接。 此時(shí)，具有錯(cuò)誤檢測功能的驅(qū)動(dòng)IC顯得相當(dāng)重要，利用錯(cuò)誤檢測功能可以檢查LED是否開路或短路，并回報(bào)偵測結(jié)果。 更甚者，LED失效預(yù)測功能，可以提供修復(fù)未來短期內(nèi)即將失效的LED，避免燈面封膠后出現(xiàn)壞點(diǎn)，卻難以修復(fù)的憾事發(fā)生，此項(xiàng)功能已獲得美國與臺(tái)灣發(fā)明專利。

　　MicroLED被視為次世代顯示器的終極解決方案，目前業(yè)界多把重心放在提升巨量轉(zhuǎn)移良率與效率上。 但要達(dá)到次世代顯示器HDR10要求，從上游磊晶到下游驅(qū)動(dòng)IC皆要密切配合。 而MiniLED在室內(nèi)小點(diǎn)間距產(chǎn)品先行，市場上兩大巨頭Sony和Samsung分別以MicroLED與MiniLED技術(shù)推出CLEDIS與THE WALL兩項(xiàng)重量級(jí)產(chǎn)品。 聚積科技也展出P0.75mm的MiniLED箱體，并與特定對象合作，預(yù)計(jì)2018年底前推出產(chǎn)品面市，相信不久將來，Micro/MiniLED的世代即將到來。