Micro LED大屏显示技术分析——芯片及封装结构

文章来源：投影时代

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日前，工业和信息化部、国家广播电视总局、中央广播电视总台联合印发了《超高清视频产业发展行动计划（2019—2022年）》，预计到2022年，我国超高清视频产业总体规模将超过4万亿元，4K产业生态体系基本完善，8K关键技术产品研发和产业化取得突破。当前人们对显示产品的画质和分辨率等规格提出了更高的要求，这标志着显示行业已经进入超高清时代，各种新型显示技术蓬勃发展。作为新一代显示技术的Micro LED，已经成为国内外显示厂商抢滩的技术高地，多家厂商已于2021年上半年面向全球重磅发布Micro LED显示技术。

1. 超高清时代，新一代显示技术Micro LED来临

    Micro LED 是将 LED 显示屏微缩化到微米级的显示技术，具有高亮度、高对比、广色域、长寿命和高可靠性等优点，被认为是近乎完美的显示技术，其亮度和节能优势在0.X英寸和X英寸的可穿戴产品上有广阔的应用前景，以苹果为代表，有望将Micro LED技术用于Apple Watch等2C电子产品中；而可实现无缝拼接的特点使得Micro LED成为85英寸以上的大尺寸电视产品的最佳解决方案。目前，包括索尼、三星以及国内一些显示厂商均已推出基于Micro LED技术的大尺寸消费级产品。

 另外，随着点间距的减小，特别是Micro LED技术的发展，LED显示屏超高清化已经成为趋势，显示画质越来越细腻，应用场景也从传统的工程级向商显和高端消费级扩展，如2B显示的应用场景电影院、商场、会议室、控制室等室内大屏、户外显示等。可以窥见，Micro LED因其独特的优势，在2C和2B市场均有极强的竞争力。传统的面板厂商和LED显示屏厂商均在积极布局这一技术，目前各家厂商发布的Micro LED商用显示产品主要有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)等产品。

  Micro LED显示技术可以认为是传统LED显示屏的微间距化和高清化，Micro LED 显示将微小的LED晶体颗粒作为像素发光点，LED芯片结构和封装方式直接影响着Micro LED显示器件的性能。

2. Micro LED发光芯片结构对比

    LED芯片通常由衬底、P型半导体层、N型半导体层、P-N结和正负电极组成，当在正负电极之间加正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子在P-N结处复合，电能转换为光能，发出不同波长的光。LED芯片的结构主要有正装结构、倒装结构和垂直结构三种。

图1为三种芯片结构示意

（1）正装芯片结构

    正装芯片是最早出现的芯片结构，该结构中从上至下依次为：电极，P型半导体层,发光层，N型半导体层和衬底，该结构中PN结处产生的热量需要经过蓝宝石衬底才能传导到热沉，蓝宝石衬底较差的导热性能导致该结构导热性能较差，从而降低了芯片的发光效率和可靠性。正装芯片结构中p电极和n电极均位于芯片出光面，电极的遮挡会影响芯片的出光，导致芯片发光效率较低；正负电极位于芯片同一侧也容易出现电流拥挤现象，降低发光效率；此外，温度和湿度等因素可能导致电极金属迁移，随着芯片尺寸缩小，正负电极间距减小，电极迁移可能导致短路问题。

    （2）倒装芯片结构

    倒装芯片结构从上至下依次为蓝宝石衬底、N型半导体层,发光层，P型半导体层和电极，与正装结构相比，该结构中PN结处产生的热量不经过衬底即可直接传导到热沉，因而散热性能良好，芯片发光效率和可靠性较高；倒装结构中，p电极和n电极均处于底面，避免了对出射光的遮挡，芯片出光效率较高；此外，倒装芯片电极之间距离较远，可减小电极金属迁移导致的短路风险。

    （3）垂直结构芯片

    与正装芯片相比，垂直结构芯片采用高热导率的衬底(Si、Ge和Cu等衬底)取代蓝宝石衬底，极大的提高了芯片的散热性能，同时，垂直结构芯片的正负电极分别位于芯片上下两侧，电流分布更加均匀，避免了局部高温，进一步提升了芯片可靠性，但是目前垂直芯片成本较高，量产能力较低。

    表1中列出了三种芯片的性能对比，通过以上分析，可以发现，倒装芯片发光效率高、散热性好、可靠性高、量产能力强，更适用于小间距和微间距显示产品。

表1：芯片结构及性能对比

3. Micro LED封装方案对比

    单独的LED发光芯片无法满足使用要求，需要对其进行封装，合理的封装结构和工艺可以为发光芯片提供电输入、机械保护、有效的散热通道，并有利于实现光的高效和高品质输出。

 LED芯片尺寸和显示屏间距的减小对封装提出了更高的要求。目前，常用的Micro LED封装方式主要有Chip型SMD封装、N合一IMD封装和COB封装，如图2所示

图2：Micro LED常用封装结构示意图

  （1）Chip型SMD封装

    Chip型SMD封装是将单个LED像素固晶在BT板上，然后使用封装胶封装发光芯片，得到Chip型封装的单个像素；使用SMD技术将Chip型封装的单个像素贴片在PCB板上，即可得到LED显示模组。Chip型SMD封装为单像素封装，尺寸较小，焊点面积较小、焊点数目较多，随着LED芯片尺寸及显示屏像素间距的减小，单个SMD器件气密性较差，容易受到水汽侵蚀，同时易磕碰，防护性较差，焊点距离过近也容易造成短路风险，因而不适用Micro LED 微间距显示。

    （2）N合一IMD封装

    N合一IMD封装将N个像素单元（多为2个或4个）固晶在BT板上，之后使用封装胶将N个像素单元整体封装，与单像素SMD分立封装相比具有较高的集成度，可有效改善单个SMD器件气密性和防护性较差等问题，容易受到水汽侵蚀，同时易磕碰，防护性较差，同时继承了单个SMD器件的成熟工艺、技术难度和成本较低，但N合一IMD封装集成度仍然较低，对于0.6mm以下的微间距显示，N合一IMD封装工艺难度较大，且显示效果、可靠性及寿命较差。

（3）COB封装

    COB封装方案是将多个像素的裸芯片直接固晶在PCB板上，之后整体封装胶层。与Chip型SMD封装和N合一IMD封装相比，COB封装将多个LED芯片整体封装，防护性和气密性极大提升，更适用于小尺寸芯片封装和微间距显示产品。同时，COB封装中不额外使用BT板，而是将LED芯片直接封装到PCB板上，导热通道短，散热性能更好，更适用于高像素密度显示。

    表2对比了上述三种封装方式的特点，COB封装具有最高的集成度，理论上可实现最小的像素间距、最高的可靠性和最长的显示寿命，是Micro LED的最佳封装方案。

表2：Micro LED显示屏产品的封装方式及性能对比

4. 总结

    Micro LED因其具有高亮度、高对比、广色域、可实现无缝拼接等优点，被认为是近乎完美的显示技术，在85英寸以上的大屏显示领域具有广阔的应用前景，国内外各大显示屏厂商均在Micro LED显示领域积极布局。芯片结构和封装方式直接决定了Micro LED显示产品的性能，目前行业内采用的芯片结构主要有正装结构、倒装结构和垂直结构，对比三种结构可知，倒装芯片发光效率高、散热性好、可靠性高、量产能力强，更适用Micro LED显示产品。Micro LED的常用封装方式有SMD单像素封装、IMD多合一封装和COB封装，三种封装方式中，COB封装集成度最高，可实现最小的像素间距、最高的可靠性和最长的显示寿命，是公认的Micro LED的最佳封装方案。