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为什么说Mini LED显示产品最核心的底层支撑技术是封装?

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【摘要】:
做MiniLED显示面板产品,涉及到LED芯片、封装、PCB板设计制造、材料、设备、测试、修复、生产工艺、驱动IC、控制发送/接收、电源、节能、箱体拼接、一致性校正、面板防护等多种综合性技术,其中LED芯片技术和LED芯片的封装技术是其最重要的两项底层支撑技术,那么其它的综合性技术与芯片、封装技术又是一种怎样的共生关系呢?本文将就此展开讨论,使大家对MiniLED技术的关键点有一个大概的轮廓了解,

做Mini LED显示面板产品,涉及到LED芯片、封装、PCB板设计制造、材料、设备、测试、修复、生产工艺、驱动IC、控制发送/接收、电源、节能、箱体拼接、一致性校正、面板防护等多种综合性技术, 其中LED芯片技术和LED芯片的封装技术是其最重要的两项底层支撑技术,那么其它的综合性技术与芯片、封装技术又是一种怎样的共生关系呢?本文将就此展开讨论,使大家对Mini LED技术的关键点有一个大概的轮廓了解,不至于在听到Mini LED技术时就云里雾里的迷失方向或被神秘化。有不对的地方,希望大家批评指正。

不同的行业,Mini LED技术的概念具有不同的语境和含义。比如LCD行业,Mini LED往往指的是背光面板技术。5mm灯珠间距的直下式背光面板就可称得上是Mini LED技术了。但在LED显示行业,这是无法想象的,因为5mm的像素间距连小间距技术都算不上。所以我们今天讨论的问题,仅限于LED显示领域,像素间距是在1.5mm-0.3mm范围内的Mini LED技术。但这里的讨论对LCD行业的背光面板技术也具有一定的参考价值。

一、Mini LED的芯片技术

LED芯片技术已从正装时代过渡到倒装时代,倒装芯片的应用是大势所趋。LED芯片的尺寸也规范在了50-200µm之间。目前在1.5-1.2mm像素间距范围内,还可以使用正装芯片,在1.2-0.7mm像素间距范围内,有红光用正装、蓝绿光用倒装的解决方案,在0.7-0.3mm像素范围内,RGB都要使用倒装芯片。因此Mini LED产品就会有正装芯片和倒装芯片之分。

在Mini LED产品上使用倒装芯片技术的优势是可以提升亮度、更加节电、有更好的对比度、更少的设备投入和更高的生产效率、可以实现更小的像素物理空间布局,也可以有效改善显示面板像素的内失效问题。

所以,随着像素间距向着更小的0.3mm目标方向努力,正装芯片技术将会全部过渡到倒装芯片技术。

 

二、Mini LED的封装技术

伴随着LED芯片技术的发展,LED封装技术也有了理论和工艺实践上的创新与突破,正在从支架型封装灯驱分离技术时代过渡到无支架型集成封装灯驱合一技术时代。在封装技术演化的过程中,还出现了一种暂时性的支架型有限集成封装灯驱分离技术。

在支架型封装的灯驱分离技术分类中,我们知道有DIP技术和SMD技术。但做Mini LED显示产品,只有SMD技术可以把像素间距较稳定地做在1.2-1.5mm区间。但这种技术面对Mini LED显示产品百万级指标要求的面板级像素失控率和整屏像素失控率,会感到力不从心,在制造像素间距P1.2以下的显示产品时,遇到了许多无法克服的技术瓶颈问题,逐渐丧失市场优势。

支架型有限集成封装灯驱分离技术,从时间上描述是在支架型封装技术和无支架型集成封装技术之后出现的一种过渡性的封装技术形态。在这类技术分类中,目前我们看到有2 in 1封装技术、4 in 1封装技术、N in1(IMD)封装技术。它们既想汲取COBIP (COB集成封装)的集成化思想,又不想放弃SMD支架型封装技术的简单性,所以产品上一直难有脱胎换骨的变化。这种技术从本质上说就是SMD和COBIP的混合体封装技术,大部分传承了SMD的基因,只有限地引入了COB封装元素和集成化思想,因此也被称之为COBLIP (Chip On Board Limited Integrated Packaging)技术。由于没有有效地减少支架引脚的措施,还是属于支架型封装灯驱分离技术范畴,不能从根本上解决由支架引脚引发的像素外失效问题。尽管有支架引脚减少数量的优化改良方案,但这种努力的效果不明显,无法真正摆脱万级或十万级的面板级像素失控率和整屏像素率低阶能力的事实,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。

另外,从产业技术升级的角度来看,未来的4K、8K超高清视频显示产品、Mini LED显示产品需要的一定是高阶的面板级的百万级显示产品。而这种过渡型技术,尽管产业链上的封装企业可以把器件做到百万级,但下游企业用这种百万级的器件做到面板级就会变成十万级的产品,实际上是一种产业资源的浪费,是严重的产业问题,应引起全行业的重视。

无支架型集成封装灯驱合一技术是伴随着COB封装技术引入行业后发展起来的创新体系技术,相对于支架型封装体系技术而言它的技术特征就是无支架引脚和高集成度。这种技术形态最早出现在2010年,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,所以是一块板的无支架引脚的高集成度封装灯驱合一技术解决方案,称为COBIP(Chip On Board Integrated Packaging)技术。COBIP技术是新体系技术的第一代创体系技术。它除了自身拥有的多种差异化优势外,其对行业最大的贡献就是可以有效解决LED显示面板的像素失控点过多的问题。根据我们的研究:近40年来支架型分立式器件封装技术和由这一体系技术所主导的LED显示面板制造技术在解决LED显示屏像素失控点过多的问题上,技术能力始终无法突破万级。到2017年行业对面板级像素失控率最严格的标准指标还是1/10000。造成这种现象最主要的原因是分立式封装器件使用了支架引脚技术。COBIP技术把灯珠显示面的支架引脚全部省掉,面板级的控制像素失效技术能力提升两个数量级,使像素失控率指标可达室内百万级、户外十万级水平。后面COBIP技术还会使用全倒装化LED芯片来解决LED显示面板像素的内失效问题,那么ppm百万级的指标要求对COBIP技术来说仅仅是起步水平。COBIP技术的问题是它仅解决了灯珠显示面的无支架引脚化,但并没有解决驱动IC面的支架引脚产生的失效问题,还属于半无支架引脚技术,它将这一问题留给了新体系技术的第二代COCIP技术来解决,会使其成为一个名副其实的全无支架引脚技术。COBIP技术能有效而显著地降低LED显示面板的像素失效,而COCIP技术解决的是驱动IC封装器件的引脚失效问题,将会非常显著的提升LED显示屏系统的整体可靠性。这一技术优势会为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。

 

三、Mini LED技术中封装技术比芯片技术更重要

为什么会提出这样一种观点?我们先做下面的一个形象的接力+跨栏设计,如图一所示:

在有5个赛段和5个分区的接力+跨栏赛道上,起点处可以看到有五个LED倒装芯片的参赛选手,它们分别对应5个分区赛道上在接力区等待的SMD封装技术、2in1封装技术、4in1封装技术、Nin1封装技术和COBIP封装技术,LED倒装芯片们跑完了第一赛段后把接力棒分别交给了这5种封装技术,在第二赛段和第三赛段之间设置了解决面板级像素失效能力的第一个万级栏,像素失控率指标设定在1/10000,这时你会注意到SMD封装技术已没有能力越过,被淘汰了下来。剩下的4位封装技术选手继续在第三段赛道上向前。这里需要说明的是,在第二赛段上如果2in1、4in1和Nin1封装技术(IMD)没有做引脚数量减少的优化解决方案,而且使用的是全正装芯片做的封装器件,和SMD封装技术的结果一样,也是不能跨越过第一个万级栏的。但如果用了倒装芯片而没有做器件引脚数量减少的优化,万级栏可能刚刚有能力越过,但很危险,处于临界的边缘,取决于各企业的封装技术能力。我们的研究认为,对COBLIP技术分类来说,面板级像素失效控制能力的提升与封装器件引脚数量的减少有高度相关性,引脚数量减少一半,能力可以提升一倍(达到1/20000=5/100000)。所以在第三赛段和第四赛段之间设置了十万级栏,像素失控率指标设定在5/100000,是基于目前看到的2in1、4in1和N in1封装技术(IMD)与SMD封装技术相比封装器件焊接引脚数量基本上都是减少了一半。如果是这样,前面的十万级栏风险很大。器件集成度越低,风险越大。在这类技术中我们知道2in1的器件集成度最低。但如果器件引脚减少的数量大于50%,就可以跃过这个十万级栏。这个5/100000的十万级栏基本上就是支架型封装灯驱分离体系技术与无支架型集成封装灯驱合一体系技术的分水岭。在第四赛段与第五赛段之间我们设置了比万级栏高两个数量级的百万级栏,像素失控率指标设定在5/1000000(这道跨栏是检验所有Mini LED技术中有关封装概念技术的试金石。我们认为目前只有COBIP封装技术可以跨越过去,这是基于我们有近10年的实际案例数据支撑。用全正装芯片技术做COBIP全彩显示面板,客户端使用一年后,像素失控率基本上维持在5ppm左右。我们的封装设备还不算先进,如果行业同行用更好的设备,使用全倒装芯片+COBIP封装技术,满足我们新的技术规范中的百万级像素失控率指标要求应该是很轻松的事。

用这张图我们是想说明,只有封装体系技术的创新才能够产生如此大的差异变化, 体系技术的突破是思想理论的突破,而不是技术的概念性炒作或所谓的COB封装代差技术所能带来的能力效果。

为了进一步说明封装技术比芯片技术更重要,我们绘制了图二。图二也体现出了目前行业做Mini LED的产业系统生态圈:

在图二中处于顶层的技术是LED芯片技术区,相对处于行业产业链的上游。在这个区里我们选择了目前最前沿的倒装芯片技术只是为了说明提出的问题,实际上放置正装芯片的道理是一样的。产业链的中部位置是LED芯片封装技术层,LED芯片来到这个层后有两个方向性的技术路线,不同的封装体系技术会选择相同的LED芯片,所以LED芯片具有被选择性。一旦被不同的封装体系技术选中,就会产生出不同等级的Mini LED显示面板。在最下面的第三层我们看到有很多辅助的LED显示面板综合性技术,它们既可为万级或十万级的显示面板制造技术服务,也可为百万级的显示面板制造技术服务,形成了整个Mini LED产业系统的共生关系。

图二还用以说明,LED芯片技术和LED芯片封装技术是Mini LED显示面板制造技术中最重要的两个底层支撑技术,缺一不可。LED芯片永远离不开封装技术对它的保护。这两种底层支撑技术相比较而言,封装技术显得尤为重要。因为LED芯片技术只能体现行业技术水平的发展高度,但它不能决定行业的发展方向,行业的发展方向从来都是由封装体系技术所主导的,原因是LED芯片具有被选择性,同样的芯片被不同的封装体系技术所选中,生产出的Mini LED显示面板差别巨大。

为了更好的理解上述封装技术的分类与定位,我们推出封装技术的三级技术层级概念:

 

1. 体系技术层级

在LED的封装技术中,体系技术是最高等级的技术。什么样的技术可以称之为体系技术呢?一定是具有较为完整的思想理论和理论体系的技术。体系技术特征鲜明,其特点是对行业的发展具有方向性的引领作用和持久的影响力,也是所有封装技术发展的本源。像支架型封装灯驱分离技术和无支架型集成封装灯驱合一技术都属于体系技术的范畴。

两种封装体系技术的特征如图三所示:

2. 代差技术层级

代差技术的重要性低于体系技术,其技术地位仅次于体系技术层级。它没有自己完整的技术理论,只有代差技术的优越论, 依附或演化于某一体系技术框架内。这种层级的技术寿命期大概有十年左右的时间,之后会被新兴的代差技术所取代。像支架型封装灯驱分离体系技术中的DIP封装技术、SMD封装技术、无支架型集成封装灯驱合一体系技术中的COBIP封装技术、COCIP封装技术都是属于这一层级的技术。

DIP与SMD之间的代差特征就是相对于PCB板垂直引脚与平面引脚的差异。

COBIP与COCIP之间的代差特征就是半无支架引脚和全无支架引脚的差异。

3. 改良技术层级

改良技术层级最低,一般是对某个代差技术所做出的优化与改良。是从某一代差技术中派生出来的,引入了一些技术元素概念,没有明显的技术特征,只有改良技术的优越论。相对来说技术逻辑较为混乱,有时相对矛盾和不完整。应用领域不具有全局的代表性,技术寿命期不长, 一般3-5年左右就会自行消亡。从DIP封装技术中派生出的点阵模块封装技术,从SMD封装技术中派生出的2ni1、4in1、Nin1(IMD)封装技术等,都属于这一层级的技术,也可称之为半代技术。

比如从支架体系第一代的DIP封装技术中派生出的点阵模块技术和COB(三合一)集成封装技术,它们都引入了有限像素集成封装思想,但它们的器件引脚和DIP是一样的,都是垂直于PCB板的方向,所以将它们定位于支架体系的一代半技术。

又比如从支架体系第二代的SMD封装技术中派生出的COBLIP (2in1、4in1、Nni1 (IMD)封装技术),它们也都同样引入了有限像素集成封装思想,但它们的器件引脚和SMD是一样的,都是平行于PCB板的平面方向,所以将它们定位于支架体系的二代半技术。

 

我们都知道的事实是支架型封装灯驱分离体系技术下的万级LED显示面板制造技术已经主导了行业近40年的发展,在4K、8K超高清视频显示产品、Mini LED显示产品百万级的像素失控率能力指标要求下,我们认为无支架型集成封装灯驱合一体系技术也将会主导行业的发展大势几十年。这和我们2015年隐喻的提出:"行业未来技术的发展,6脚的跑不过4脚的,4脚的跑不过无脚的"道理是一脉相承的。这里提到所谓的“脚”,指的就是封装器件的引脚。封装体系技术的演变就是从“有引脚”过渡到“无引脚”。

通过上面的梳理,面对Mini LED的各种技术概念,我们很容易看清其中的封装技术的分类及在其中的技术定位。

下面从LED显示面板像素失效的角度分析,同样可以得到封装技术比芯片技术更重要的判断。请看下面的图四,在LED显示面板的像素失效中,像素的外失效数量与内失效数量的量化柱状对比图。

根据我们的研究发现,LED的像素失效分为内失效与外失效。内失效主要是在像素胶体内部由LED芯片缺陷或LED芯片的封装工艺造成的。外失效的成因比较复杂,但主要被认为是封装器件引脚由SMT的焊接工艺缺陷造成的。其次是在复杂的环境应用条件下,由静电、磕碰或潮湿盐雾环境因素攻击了器件引脚产生的氧化问题造成的。外失效数量占总失效数量的90%,强;内失效数量不足10%,弱。

LED倒装芯片在解决像素失效能力方面是有限的,它只能解决图四中那个不到10%的红区内的像素内失效问题。如果是用全正装封装技术,RGB 3颗芯片、5条焊线、10个邦定焊点,共有18个工艺质量控制点;如果用正倒混合封装技术,R芯片用正装,GB芯片用倒装,就有3颗芯片、1条焊线、2个邦定焊点、4个倒装芯片电极焊接点,共10个工艺质量控制点;如果使用全倒装封装技术,就只有RGB 3颗芯片和6个倒装芯片电极焊接点,共9个工艺质量控制点。所以混装封装的可靠性相比较正装封装,理论上可以提升44%的能力。而全倒装封装相比较全正装封装可以提升50%的能力。而混装封装与全倒装封装仅相差6%,能力接近,实际应用需从效率和成本角度考虑决定使用哪种倒装芯片和封装技术更划算。在两种封装体系技术中,都有这种全正装、混装和全倒装的实操,所以Mini LED就有正装、混装和倒装的分类,它们也应该算到封装技术的范畴内。

无论全倒装芯片封装技术如何发力,它就只能解决像素内失效的10%的那个红区内的问题,最多可以把10%的红区能力提升50%,也就是可减少一半的像素内失效。但倒装芯片封装技术根本无法解决图四中的90%的黄区的像素外失效问题。黄区问题的根本性解决只能靠无支架引脚的集成封装体系技术。

如果把全倒装芯片技术用在支架型封装体系技术中,你就会发现像素外失效问题依然存在,而且无解。尽管你使用了全倒装芯片,像素内失效在10%的红区内也减少了50%,但这又有什么用?从100%总失效结构中只能做出5%的减少努力,倒装芯片的作用发挥不出来,其实是一种资源的浪费。

所以全倒装芯片的作用要依赖无支架集成封装体系技术才能发挥出来,被不同的封装体系技术所选中,达到的能力效果差别巨大。

 

四、Mini LED的芯片和封装技术及其技术组合之间的能力PK

这里所进行的对比是指在解决像素失效能力方面各种底层支撑技术以及它们之间的技术组合展现出的能力对比,使上面叙述的文字得以直观的展现出来。

首先我们设计了单一项的LED芯片技术和LED芯片封装技术的能力对比图,用以说明这些技术在解决像素失效的能力方面的权重到底有多大。如图五所示,这里给出的对比分析模型是以SMD技术产生的所有像素失效的100%做为参照基准的,假设是把90%的失效分给外失效,10%的失效分给内失效。这是一种趋势分析模型,不可能做到100%的准确,主要用来进行方向性判断。从图五中可以看到各种单一项技术能解决的像素失效问题的能力以及它们到底是用来解决内失效还是外失效的。

下面对图五中单一项技术的比较逐一进行说明:

正装封装:之前SMD的技术采用的都是正装芯片,所以很容易理解,Mini LED用正装芯片封装在解决像素失效方面不会有任何的能力提升。

混装封装:把内失效降低到5.6%, 外失效没有降低,总失效数量与SMD封装技术相比降低到95.6%,能力提升有限。

全倒装封装:把内失效降低到5%, 外失效没有降低,总失效数量与SMD封装技术相比降低到95%,能力提升有限。

2in1-8引脚、4in1-16引脚、Nin1-Nx4引脚封装:与SMD封装技术一样,总失效数量不会降低,所以没有任何的能力提升。

2in1-4引脚、4in1-8引脚、Nin1-Nx2引脚封装:与SMD封装技术相比,变化比较明显,主要是由于将封装器件的引脚数量减少了一半,可以把像素外失效数量从90%降低到45%,使总像素失效数量下降到55%,能力提升比较明显,但最终还是不能完全解决由支架引脚造成的像素外失效问题,外失效问题依然无解。

COBIP和COCIP封装:完全解决了SMD封装技术由支架引脚产生的像素外失效问题,与SMD技术相比,90%的像素外失效问题全部解决,总失效数量减少到10%,能力提升显著,在外失效问题的解决上不留任何隐患。

其次,在了解了单一项技术的权重以后,我们设计了LED芯片和LED芯片封装技术的组合拳,看看各种组合技术解决方案的能力有多强。如图六所示:

在图五中我们看到,正装芯片技术本身对减少像素失效能力的提升没有作用,在图六中与传统的支架封装体系技术相结合,我们没有把它放进去。但正装芯片借助无支架集成封装体系技术,还是有价值的。所以有正装芯片封装与COBIP和COCIP封装技术的组合。

下面对图六中LED芯片技术与LED芯片封装技术的组合解决方案在解决像素失效的能力上进行比较,逐一说明:

SMD封装、2in1-8引脚、4in1-16引脚、Nin1-Nx4引脚封装技术+混合芯片封装解决方案,可以降低像素的内失效到5.6%,完全无法解决像素外失效问题,可以把像素总失效降低到95.6%, 几乎没有能力的提升。

SMD封装、2in1-8引脚、4in1-16引脚、Nin1-Nx4引脚封装技术+全倒装芯片封装解决方案,可以降低像素的内失效倒5%,完全无法解决像素外失效问题,可以把像素总失效降低到95%, 尽管使用了全倒装概念,能力依然没有什么提升。

2in1-4引脚、4in1-8引脚、Nin1-Nx2引脚封装技术+混合芯片封装解决方案,可以降低像素内失效到5.6%, 降低像素外失效到45%,综合降低总像素失效到50.6%,虽然解决像素失效的能力有一定的提升,但无法根除像素的外失效问题。

2in1-4引脚、4in1-8引脚、Nin1-Nx2引脚封装技术+全倒装芯片封装解决方案,可以降低像素内失效到5%, 降低像素外失效到45%,综合降低总像素失效到50%,虽然解决像素失效的能力有一定的提升,但同样无法根除像素的外失效问题。

COBIP、COCIP封装技术+正装芯片封装解决方案,无支架引脚技术彻底解决了像素的外失效问题,使传统技术的像素外失效问题从90%降到0,使像素总失效降到10%,能力提升显著。

COBIP、COCIP封装技术+混装芯片封装解决方案,比和正装芯片封装相结合的解决方案又有了提升,不仅没有了像素外失效问题,把像素内失效问题降低到5.6%,总像素失效降低到5.6%。

COBIP、COCIP封装技术+全倒装芯片封装解决方案,没有了像素外失效问题,把像素内失效问题减少到5%,总像素失效降低到5%。与COBIP、COCIP封装技术+正装芯片封装解决方案相比较,体系封装技术内自身能力比较又从10%降到了5%, 能力得到1倍的提升。

 

 

转载自每日LED

 

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