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希達電子:倒裝LED COB是超高密度小間距顯示的未來

來源:數字音視工程網        編輯:lsy631994092    2019-05-13 17:32:02     加入收藏

2019年小間距已經成為顯示屏行業新的市場增長點,伴隨COB技術的持續升溫,該先進封裝技術的首創企業長春希達電子認為,COB是超高密度小間距的未來,也是小間距LED顯示屏發展的必然趨勢...

  工業和信息化部、國家廣播電視總局、中央廣播電視總臺日前聯合印發《超高清視頻產業發展行動計劃(2019-2022年)》,可見市場對高清、超高清超大面積顯示產品的需求日益迫切,為新一代超高密度小間距LED顯示技術創新和產業發展帶來千載難逢的發展機遇,預計將新增近千億的市場空間。

  一、COB小間距LED顯示技術發展綜述

  長春希達電子技術有限公司首創開發的COB(集成三合一)小間距LED顯示產品,從2005年開始進行前沿創新探索,2007年完成首臺樣機。中央電視臺2007年11月16日新聞聯播報道《世界首臺LED“集成三合一”顯示屏在我國誕生》(圖1);2008年《2008科學發展報告》介紹了高清晰LED全彩色集成三合一顯示屏,使中國第一次站在世界LED顯示領域的最前沿;2014年進入規模化應用;伴隨COB技術的不斷完善以及市場對COB技術的逐漸認可,2017年希達電子作為牽頭單位,承擔國家重點研發計劃“戰略性先進電子材料”重點專項(指南6.5)超高密度小間距LED顯示關鍵技術開發與應用示范,項目結題時,將實現0.5-0.8mm點間距COB LED顯示的技術突破,為國家重大項目需求提供產品支撐,這是科技部新興顯示領域唯一的小間距LED顯示項目;2019年小間距已經成為顯示屏行業新的市場增長點,伴隨COB技術的持續升溫,該技術對行業市場格局的影響也已經成為業內關注的焦點,對小間距LED顯示屏來說,COB是超高密度小間距的未來,同時也是超高密度小間距顯示屏發展的必然趨勢,LED顯示業內對此已經達成共識。

  圖1 中央電視臺2007年11月16日新聞聯播報道

  COB封裝引入顯示屏行業已有幾年時間,但擁有COB技術的顯示屏企業卻非常的少。主要原因是COB封裝對技術、設備和資金的要求非常高,絕大多數中小企業沒有足夠的實力去進行相關的研發與生產。而擁有先進設備和充足資金的大型企業,又因無法繞過相關的專利問題,對COB技術的態度謹小慎微。新進加入COB技術的企業雖有后發優勢,可以走捷徑,但想要越過現有專利走一條新路子還是比較困難。

  任何一項新技術的推廣與普及,都不可能僅靠少數幾家廠商就可以做到,而必須由行業中大多數的企業共同完成,形成一定的產業規模和產業鏈。隨著COB技術的逐漸升溫,開始進行COB研究的企業越來越多,從目前的發展趨勢看, COB技術在未來兩三年就能形成一定的市場規模。

  二、SMD小間距LED顯示技術瓶頸

  小間距LED顯示屏從封裝實現方式上可以分為SMD技術路線和COB技術路線。SMD技術路線,即已經普及化應用的表貼LED技術。這一技術的最大優勢是繼承了傳統間距LED顯示屏的全部工程工藝特點,中上游市場高度成熟,但隨著用戶對超高清、高可靠性顯示產品的需求逐步提高,SMD技術在小間距顯示領域的發展已經遇到瓶頸,主要原因如下:

  1、間距尺寸的局限,使其無法實現更小間距的產品,因此無法滿足超高清顯示應用。目前業內公認比較成熟的SMD發光管尺寸是1010封裝,單燈1010封裝SMD技術只能實現1.2mm點間距以上產品,2019年荷蘭ISE展上,90%的傳統SMD廠商不再推廣1.2mm以下單燈SMD產品,從展品趨勢分析,單燈SMD技術在1.2mm以下點間距無法實現穩定、可靠的批量化供貨產品。

  2、SMD小間距顯示產品被用戶廣泛詬病的是使用過程中遇到的大量可靠性和穩定性問題。SMD封裝氣密性、防護性差,導致死燈、毛毛蟲等可靠性問題偏多;燈珠焊盤焊接面積小,搬運、安裝、使用中的磕碰極易損壞燈珠;燈珠焊盤裸露,干燥環境下人體觸碰屏幕,靜電的影響極易導致燈珠擊穿。

  圖2 單燈SMD產品示意圖

  目前市場出現N合1SMD(4合1、6合1)產品,是SMD技術路線的一個延伸,也是傳統SMD生產廠的一個過渡產品,這種產品仍是采用SMT技術進行貼裝,使用0.9375mm4合1燈珠,燈珠邊緣與內部焊點間距離約0.1mm,燈珠邊緣氣密性、焊腳裸露等核心問題沒有得到根本解決,產品可靠性問題將在交付使用過程中再次暴露出來,沒有得到有效改善。通常條件下,燈珠之間需要保留0.25mm間隙,加上分立器件尺寸規格,基本無法實現0.9mm以下批量供貨。同時,N合1的產品在顯示效果上顆粒感更強,在側視角離散性麻點嚴重。更重要的是,目前N合1SMD產品規格單一,只能實現固定少數幾個點間距,工程顯示產品無法通過不同的點間距設計不同的箱體,實現產品差異性,滿足客戶個性化需求。

  圖3 4合1SMD產品示意圖

  圖4 4合1SMD模組實拍圖

  GOB SMD產品通過特殊材料及工藝對常規SMD小間距LED顯示模組進行表面灌膠處理,一定程度上解決了產品耐候性、防磕碰等問題。目前GOB SMD大多使用1010封裝的SMD燈珠,能夠實現1.5mm點間距以上產品,此種技術帶來的燈珠難以維修、模組變形、模塊墨色等問題無法根本解決。

  圖5 GOB SMD顯示屏黑屏實拍圖

  N合1SMD(4合1、6合1)和GOB SMD這兩種產品是對目前單燈SMD的一種提升,但仍為SMD技術路線,無法突破SMD小間距發展的瓶頸,只是過渡產品。

  三、COB小間距顯示產品技術優勢

  COB技術路線是以COB集成封裝的方式,取代了傳統表貼工藝和燈珠封裝。COB集成封裝技術是將LED發光芯片與基板通過特定方式實現固定和導電鍵合的集成封裝自發光顯示產品(圖6)。

  圖6 SMD與COB技術路線的對比

  COB技術路線不受SMD發光管封裝物理尺寸、支架、引線限制,可以突破SMD間距極限,實現更高像素密度,具備更靈活的點間距設計,從0.5mm至3.3mm區間,可以實現每0,1mm即有一款COB小間距產品。(圖7),

  圖7 不同產品形式的可以實現點間距

  在可靠性方面,COB技術省去SMD發光管封裝過程、分光分色、編帶、貼片等工藝流程,縮短工藝路徑,提高產品生產過程的可靠性。COB產品面板整體灌封,具有抗潮、防撞,防護等級達到IP54,沒有引腳裸露,防靜電擊穿,提高使用過程可靠性,經數據統計,其平均失效率比SMD降低1個數量級,有效改善了SMD LED顯示屏可靠性與穩定性的問題。

  圖8 COB與SMD封裝形式對比

  圖9 COB-LED顯示屏表面IP54

  COB技術實現“點” 光源到“面” 光源的轉換,無像素顆粒感;對像素中心亮度能夠做到有效控制,降低光強輻射,抑制莫爾紋、眩光及刺目對視網膜的傷害,適合近距離、長時間觀看,不易產生視覺疲勞,是近屏場景,例如會議、監控、指控中心等最佳解決方案。

  圖10 COB面光源技術對視覺顯示柔化舒緩

  另外,COB在技術上涉及兩個非常重要的問題:一是逐點校正技術,另一個就是單點維修。希達電子是國內首家研制成功亮色度逐點一致化校正技術、現場校正技術的LED顯示屏廠家,也是在行業內率先研制成功“LED集成三合一(COB)”產品的企業,在COB顯示屏發展方面,遠遠走在了其他同行之前。同時,希達電子在專利方面的布局比較完整,在競爭中處于領先地位。與傳統表貼或直插LED顯示屏相比,業界絕大多數人認為COB顯示屏在維護方面要比前二者更復雜,更難以維護,這其實是一種誤解,由于COB產品的防護性能相當出色,售后維護其實沒有什么成本,只是客戶、集成商只能維修到PCB板部分,因此感覺維修工藝復雜,其實COB技術的可維修程度要比表貼更為優秀。表貼產品壞了一個燈,維修后容易留下十分明顯的痕跡(圖11 ),而COB產品利用希達獨有的專利單點維修技術,則不存在這樣的問題。

  圖11 2019年荷蘭ISE展某國內廠商4合1制式顯示產品

  四、倒裝LED COB小間距顯示產品技術優勢

  目前采用正裝LED發光芯片的COB技術路線,經過近幾年的技術發展和市場孕育,能夠實現點間距1.0mm以上規模化生產,得到客戶的廣泛認可。希達電子瞄準世界前沿顯示技術、國家超高清視頻產業發展、高端商業顯示及家庭應用等需求,積極研發采用倒裝LED發光芯片的新一代COB小間距顯示產品,在<1.0mm超高密度超高清顯示、超高可靠性、近屏體驗等方面近乎完美,引領超高密度小間距顯示的未來。倒裝LED COB產品,可以實現LED倒裝無引線芯片級封裝,主要有以下三大優勢:

  超高可靠性。

  可靠性方面COB封裝LED顯示產品比SMD顯示產品高一個數量級,采用倒裝技術及工藝的COB顯示產品,又較前一代COB顯示屏高出一個數量級。

  (1)正裝每個像素單元紅芯片1根金屬線2焊點、綠芯片2根金屬線4焊點、藍芯片2根金屬線4焊點,共計5根金屬線,10個焊接點,倒裝每個像素單元實際只需要6個金屬鍵合點,不但省掉焊線環節,簡化生產流程,又有效的解決了由于焊線虛焊,斷線不良問題,可靠性進一步提升。

  (2)電極與接板接觸面積大,不但提高焊接牢固性,同時LED芯片熱量直接通過焊點直接傳導到基板,降低結溫,提高器件壽命及色彩穩定性[5]。

  圖12 不同形式LED發光芯片示意圖

  圖13 正裝LED COB與倒裝LED COB封裝形式對比

  2、超高密度超高清顯示。

  (1)COB封裝是真正的芯片級封裝,無需打線,從物理空間尺寸來看,COB封裝只有發光芯片尺寸限制,突破正裝芯片的點間距極限,可以實現更高密度的解決方案。

  (2)正裝結構的LED芯片,需要在p-GaN上鍍一層透明導電層使電流分布更均勻,而這一透明導電層會對LED發出的光產生部分吸收,且電極會遮擋住部分光,這就限制了LED芯片的出光效率。采用倒裝結構的LED芯片,可以避開p-GaN上透明導電層吸光和電極焊盤遮光的問題,以此提高芯片亮度,亮度最高可達1000cd/m2 , 芯片面積在PCB板上占比更小,除發光芯片以外區域全部變成黑色,黑屏時更黑,可提高顯示屏的對比度。對比度最高可達10000:1以上,為HDR使用提供基本條件。可呈現更高的亮度和更高的對比度,

  圖14 正裝LED COB與倒裝LED COB對比

  3、近屏體驗更佳

  (1)由倒裝產品因為沒有打線,封裝層厚度進一步降低(圖13),可弱化模塊間的彩線及亮暗線問題,近距離觀看效果更佳。

  (2)更好的亮場、黑場視覺一致性,倒裝芯片封裝后,表面無遮擋,有良好的可視角度和側視顯示均勻性,配合平面化光學設計優化,能實現最大廣角與最佳顯示效果,大視角下不偏色,可達到近180度完美的觀看效果。

  (3)同等亮度,功耗降低20%,顯示屏節能優勢明顯,同時屏體表面溫度大幅降低,降低對近屏人員影響。

  五、顛覆傳統,未來已來

  創新是戰略制高點、變革是競爭力源泉,在2019年荷蘭ISE展會上,希達電子攜0.7mm倒裝產品精彩亮相,標志著LED顯示進入超微間距時代。0.7mm到3.3mm點間距全系列倒裝COB產品實現量產,倒裝LED COB超高密度小間距顯示產品登上歷史舞臺。倒裝COB技術現在不僅是小間距LED顯示行業的技術挑戰、創新方向,更是改變小間距LED顯示行業格局的“分水嶺”!COB封裝小間距LED屏需要高技術支撐和重資產投入,這是對企業跨越不連續性的挑戰。希達電子作為COB技術的開創者和領航者,正在擘畫LED顯示領域的全新藍圖,推動著中國LED顯示產業不斷向前發展。

  作者簡介

  汪洋,博士,副研究員,碩士生導師,長春希達電子技術有限公司副總經理。長春市第六批有突出貢獻專家。主要從事COB小間距LED顯示與大功率LED照明產品研發及產業化工作。授權專利20余項,其中發明專利7項,發表論文4篇。獲得吉林省科技進步一等獎1項,中照照明科技創新獎一等獎1項,第22界廣州光亞展阿拉丁獎十大產品獎。負責及參與國家、省部級科研項目10余項,目前是國家重點研發計劃戰略性先進電子材料專項“高效高可靠LED燈具關鍵技術研究”項目課題負責人。

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