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【艾比森】Micro LED大屏顯示技術(shù)分析 ——芯片及封裝結(jié)構(gòu)

來源:艾比森        編輯:lsy631994092    2021-08-02 15:11:43     加入收藏

尤其是新一代顯示技術(shù)Micro LED,其已經(jīng)成為國內(nèi)外顯示廠商搶灘的技術(shù)高地,包括艾比森在內(nèi)也已于2021年3月12日面向全球重磅發(fā)布Micro LED顯示技術(shù)。

  Micro LED大屏顯示技術(shù)分析

  ——芯片及封裝結(jié)構(gòu)

  引言

  日前,工業(yè)和信息化部、國家廣播電視總局、中央廣播電視總臺聯(lián)合印發(fā)了《超高清視頻產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動計(jì)劃(2019—2022年)》,預(yù)計(jì)到2022年,我國超高清視頻產(chǎn)業(yè)總體規(guī)模將超過4萬億元,4K產(chǎn)業(yè)生態(tài)體系基本完善,8K關(guān)鍵技術(shù)產(chǎn)品研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化取得突破。另外人們對顯示產(chǎn)品的畫質(zhì)和分辨率等規(guī)格提出了更高的要求,這標(biāo)志著顯示行業(yè)已經(jīng)進(jìn)入超高清時代,各種新型顯示技術(shù)蓬勃發(fā)展,尤其是新一代顯示技術(shù)Micro LED,其已經(jīng)成為國內(nèi)外顯示廠商搶灘的技術(shù)高地,包括艾比森在內(nèi)也已于2021年3月12日面向全球重磅發(fā)布Micro LED顯示技術(shù)。

  1 超高清時代,新一代顯示技術(shù)Micro LED來臨

  Micro LED 是將 LED 顯示屏微縮化到微米級的顯示技術(shù),具有高亮度、高對比、廣色域、長壽命和高可靠性等優(yōu)點(diǎn),被認(rèn)為是近乎完美的顯示技術(shù)。其亮度和節(jié)能優(yōu)勢在0.X英寸和X英寸的可穿戴產(chǎn)品上有廣闊的應(yīng)用前景,以蘋果為代表,有望將Micro LED技術(shù)用于Apple Watch等2C產(chǎn)品中;而可實(shí)現(xiàn)無縫拼接的特點(diǎn)使得Micro LED成為85英寸以上的大尺寸電視產(chǎn)品的最佳解決方案,目前,包括索尼、三星以及國內(nèi)一些顯示廠商均已推出基于Micro LED技術(shù)的大尺寸消費(fèi)級產(chǎn)品。

  另外,隨著點(diǎn)間距的減小,特別是Micro LED技術(shù)的發(fā)展,LED顯示屏超高清化已經(jīng)成為趨勢,顯示畫質(zhì)越來越細(xì)膩,應(yīng)用場景也從傳統(tǒng)的工程級向商顯和高端消費(fèi)級擴(kuò)展,如2B顯示的應(yīng)用場景電影院、商場、會議室、控制室等室內(nèi)大屏、戶外顯示等??梢愿Q見,Micro LED因其獨(dú)特的優(yōu)勢,在2C和2B市場均有極強(qiáng)的競爭力,傳統(tǒng)的面板廠商和LED顯示屏廠商均在積極布局這一技術(shù),作為全球領(lǐng)先的至真LED顯示應(yīng)用與服務(wù)提供商的艾比森也不例外。目前艾比森面向全球發(fā)布的Micro LED商用顯示產(chǎn)品是2K 55英寸(P0.6),2K 73英寸(P0.8),2K 82英寸(P0.9),4K 110 英寸(P0.6),4K 138英寸(P0.7),4K 165英寸(P0.9),8K 220英寸(P0.6)等產(chǎn)品。

  Micro LED顯示技術(shù)可以認(rèn)為是傳統(tǒng)LED顯示屏的微間距化和高清化,Micro LED 顯示將微小的LED晶體顆粒作為像素發(fā)光點(diǎn),LED芯片結(jié)構(gòu)和封裝方式直接影響著Micro LED顯示器件的性能。

  2 Micro LED發(fā)光芯片結(jié)構(gòu)對比

  LED芯片通常由襯底、P型半導(dǎo)體層、N型半導(dǎo)體層、P-N結(jié)和正負(fù)電極組成,當(dāng)在正負(fù)電極之間加正向電壓后,從P區(qū)注入到N區(qū)的空穴和由N區(qū)注入到P區(qū)的電子在P-N結(jié)處復(fù)合,電能轉(zhuǎn)換為光能,發(fā)出不同波長的光。LED芯片的結(jié)構(gòu)主要有正裝結(jié)構(gòu)、倒裝結(jié)構(gòu)和垂直結(jié)構(gòu)三種,圖1為三種芯片結(jié)構(gòu)示意圖。

  圖1 芯片結(jié)構(gòu)示意圖

  (1)正裝芯片結(jié)構(gòu)

  正裝芯片是最早出現(xiàn)的芯片結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)中從上至下依次為:電極,P型半導(dǎo)體層,發(fā)光層,N型半導(dǎo)體層和襯底,該結(jié)構(gòu)中PN結(jié)處產(chǎn)生的熱量需要經(jīng)過藍(lán)寶石襯底才能傳導(dǎo)到熱沉,藍(lán)寶石襯底較差的導(dǎo)熱性能導(dǎo)致該結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱性能較差,從而降低了芯片的發(fā)光效率和可靠性。正裝芯片結(jié)構(gòu)中p電極和n電極均位于芯片出光面,電極的遮擋會影響芯片的出光,導(dǎo)致芯片發(fā)光效率較低;正負(fù)電極位于芯片同一側(cè)也容易出現(xiàn)電流擁擠現(xiàn)象,降低發(fā)光效率;此外,溫度和濕度等因素可能導(dǎo)致電極金屬遷移,隨著芯片尺寸縮小,正負(fù)電極間距減小,電極遷移可能導(dǎo)致短路問題。

  (2)倒裝芯片結(jié)構(gòu)

  倒裝芯片結(jié)構(gòu)從上至下依次為藍(lán)寶石襯底、N型半導(dǎo)體層,發(fā)光層,P型半導(dǎo)體層和電極,與正裝結(jié)構(gòu)相比,該結(jié)構(gòu)中PN結(jié)處產(chǎn)生的熱量不經(jīng)過襯底即可直接傳導(dǎo)到熱沉,因而散熱性能良好,芯片發(fā)光效率和可靠性較高;倒裝結(jié)構(gòu)中,p電極和n電極均處于底面,避免了對出射光的遮擋,芯片出光效率較高;此外,倒裝芯片電極之間距離較遠(yuǎn),可減小電極金屬遷移導(dǎo)致的短路風(fēng)險(xiǎn)。

  (3)垂直結(jié)構(gòu)芯片

  與正裝芯片相比,垂直結(jié)構(gòu)芯片采用高熱導(dǎo)率的襯底(Si、Ge和Cu等襯底)取代藍(lán)寶石襯底,極大的提高了芯片的散熱性能,同時,垂直結(jié)構(gòu)芯片的正負(fù)電極分別位于芯片上下兩側(cè),電流分布更加均勻,避免了局部高溫,進(jìn)一步提升了芯片可靠性,但是目前垂直芯片成本較高,量產(chǎn)能力較低。

  表1中列出了三種芯片的性能對比,通過以上分析,可以發(fā)現(xiàn),倒裝芯片發(fā)光效率高、散熱性好、可靠性高、量產(chǎn)能力強(qiáng),更適用于小間距和微間距顯示產(chǎn)品。

  表1 芯片結(jié)構(gòu)及性能對比

  3 Micro LED封裝方案對比

  單獨(dú)的LED發(fā)光芯片無法滿足使用要求,需要對其進(jìn)行封裝,合理的封裝結(jié)構(gòu)和工藝可以為發(fā)光芯片提供電輸入、機(jī)械保護(hù)、有效的散熱通道,并有利于實(shí)現(xiàn)光的高效和高品質(zhì)輸出。

  LED芯片尺寸和顯示屏間距的減小對封裝提出了更高的要求。目前,常用的Micro LED封裝方式主要有Chip型SMD封裝、N合一IMD封裝和COB封裝,如圖2所示。

  圖2 Micro LED常用封裝結(jié)構(gòu)示意圖

  (1)Chip型SMD封裝

  Chip型SMD封裝是將單個LED像素固晶在BT板上,然后使用封裝膠封裝發(fā)光芯片,得到Chip型封裝的單個像素;使用SMD技術(shù)將Chip型封裝的單個像素貼片在PCB板上,即可得到LED顯示模組。Chip型SMD封裝為單像素封裝,尺寸較小,焊點(diǎn)面積較小、焊點(diǎn)數(shù)目較多,隨著LED芯片尺寸及顯示屏像素間距的減小,單個SMD器件氣密性較差,容易受到水汽侵蝕,同時易磕碰,防護(hù)性較差,焊點(diǎn)距離過近也容易造成短路風(fēng)險(xiǎn),因而不適用Micro LED 微間距顯示。

  (2)N合一IMD封裝

  N合一IMD封裝將N個像素單元(多為2個或4個)固晶在BT板上,之后使用封裝膠將N個像素單元整體封裝,與單像素SMD分立封裝相比具有較高的集成度,可有效改善單個SMD器件氣密性和防護(hù)性較差等問題,容易受到水汽侵蝕,同時易磕碰,防護(hù)性較差,同時繼承了單個SMD器件的成熟工藝、技術(shù)難度和成本較低,但N合一IMD封裝集成度仍然較低,對于0.6mm以下的微間距顯示,N合一IMD封裝工藝難度較大,且顯示效果、可靠性及壽命較差。

  (3)COB封裝

  COB封裝方案是將多個像素的裸芯片直接固晶在PCB板上,之后整體封裝膠層。與Chip型SMD封裝和N合一IMD封裝相比,COB封裝將多個LED芯片整體封裝,防護(hù)性和氣密性極大提升,更適用于小尺寸芯片封裝和微間距顯示產(chǎn)品。同時,COB封裝中不額外使用BT板,而是將LED芯片直接封裝到PCB板上,導(dǎo)熱通道短,散熱性能更好,更適用于高像素密度顯示。

  表2對比了上述三種封裝方式的特點(diǎn),COB封裝具有最高的集成度,理論上可實(shí)現(xiàn)最小的像素間距、最高的可靠性和最長的顯示壽命,是Micro LED的最佳封裝方案。

  表2 Micro LED顯示屏產(chǎn)品的封裝方式及性能對比

  4 總結(jié)

  Micro LED因其具有高亮度、高對比、廣色域、可實(shí)現(xiàn)無縫拼接等優(yōu)點(diǎn),被認(rèn)為是近乎完美的顯示技術(shù),在85英寸以上的大屏顯示領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景,國內(nèi)外各大顯示屏廠商均在Micro LED顯示領(lǐng)域積極布局。芯片結(jié)構(gòu)和封裝方式直接決定了Micro LED顯示產(chǎn)品的性能,目前行業(yè)內(nèi)采用的芯片結(jié)構(gòu)主要有正裝結(jié)構(gòu)、倒裝結(jié)構(gòu)和垂直結(jié)構(gòu),對比三種結(jié)構(gòu)可知,倒裝芯片發(fā)光效率高、散熱性好、可靠性高、量產(chǎn)能力強(qiáng),更適用Micro LED顯示產(chǎn)品。Micro LED的常用封裝方式有SMD單像素封裝、IMD多合一封裝和COB封裝,三種封裝方式中,COB封裝集成度最高,可實(shí)現(xiàn)最小的像素間距、最高的可靠性和最長的顯示壽命,是公認(rèn)的Micro LED的最佳封裝方案。

  艾比森發(fā)布的全系列Micro LED產(chǎn)品基于艾比森自主知識產(chǎn)權(quán)HCCI技術(shù),

  1)采用倒裝COB封裝技術(shù)

  2)集成艾比森核心HDR3.0算法

  3)集成智慧顯示技術(shù)

  在光學(xué)設(shè)計(jì)及畫質(zhì)處理等顯示效果方面有專業(yè)團(tuán)隊(duì)持續(xù)進(jìn)行研究,具備顯示畫面平滑流暢,色彩還原度高,畫面柔和且一致性效果好的特點(diǎn),成果應(yīng)用于各產(chǎn)品系列,廣泛應(yīng)用于各大控制中心,會議中心等場景。

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