Микро LED технология: архитектура, еволюция и перспективи за търговско приложение

Като основна насока за технологията на дисплеите от следващо поколение, Micro LED е преминала отвъд фазата на „технически изпитания“. Сега тя е здраво в ранния етап на техническа зрялост и официално е навлязла в „първата година на приложение“.

Тази иновативна технология интегрира самосветещи диоди с висока плътност и микрометров мащаб върху задната платка на драйвера. Чрез многоизмерни технологични пробиви, тя активно променя пейзажа на дисплейната индустрия.

Основно разбиране на микро светодиода

Техническа дефиниция

Микро LED, съкращение от микро светодиод (известен също като mLED или μLED), е усъвършенствана технология за дисплеи, която изтънява, миниатюризира и подрежда традиционните светодиоди. Размерът на пикселите варира от 1 до 100 микрометра. Това е само 1% от размера на конвенционалните светодиоди. Нещо повече, стъпката на пикселите е намаляла от милиметри на микрометри, тъй като екранът е съставен от матрица от отделни светодиодни единици.

Принцип на показване

Всеки микро LED пиксел се състои от три подпиксела: червен, зелен и син. Важно е да се отбележи, че всеки подпиксел може да се контролира независимо, следователно може да се осигури прецизна настройка на яркостта, цвета и контраста. Масивът използва кръстосани положителни и отрицателни мрежови електроди, за да се свърже с клемите на всеки микро LED.

Изображенията се показват чрез захранване на тези електродни линии последователно и сканиране, за да се осветят пикселите. В някои дизайни светлината от светодиодите се обработва допълнително чрез комбинация от лещи, огледала и цветни филтри. 

Основни процеси

Основният производствен процес на Micro LED включва три ключови стъпки.

Първо, той изтънява, миниатюризира и подрежда LED структурата.

След това използва високопрецизна технология за микропроизводство, за да прехвърли партиди микро светодиоди върху твърди, гъвкави или прозрачни подложки на платката.

Накрая, използва физическо отлагане, за да създаде защитен слой и горен електрод, след което капсулира субстрата, за да образува прост, но функционален дисплей.

Свързани:

MiP срещу стъклен субстрат: Кой е най-добрият път за микро LED дисплей?

Основни технически предимства на микро светодиода

Със своите уникални технически принципи и структура, Micro LED предлага цялостна производителност, която далеч надминава традиционните технологии за дисплеи. Основните му предимства могат да бъдат обобщени, както следва:

Отлични оптични и цветни характеристики

Микро светодиодите използват полупроводникови материали с директна забранена зона, като GaN. В резултат на това, емисионният им спектър има пълна ширина на половин максимум (FWHM) от само 20 nm, покривайки 120% от цветовата гама на NTSC.

В комбинация с технологията за преобразуване на цветовете с квантови точки, тази цветова гама може да се разшири до 150%sRGB. Тя може да осигури изключително възпроизвеждане и точност на цветовете. Забележително е, че елиминира нуждата от подсветка и цветни филтри, което позволява ултрависоки динамични съотношения на контраст до 1 000 000:1.

Ниска консумация на енергия и висока яркост

Освен това, консумацията му на енергия е само 10% от тази на LCD и 50% от тази на OLED. Въпреки това, яркостта му е 10 пъти по-голяма от тази на OLED, с максимална мощност от 4000 нита.

Освен това, при същото ниво на яркост, Micro LED изисква само 10% от площта на покритието на OLED. Това спестява ценно повърхностно пространство на устройствата, позволявайки интегрирането на повече сензори.

Висока надеждност и дълъг живот

Изработен от неорганични материали, Micro LED избягва проблемите със стареенето на органичните слоеве на OLED. Той не само решава напълно проблема с „прегарянето“ на екрана, но и осигурява експлоатационен живот над 100 000 часа. Нещо повече, времето за реакция от наносекундно ниво елиминира размазването от движение, което го прави идеален за сценарии с високоскоростно динамично показване.

Висока интеграция и гъвкави форм-фактори

Разстоянието между пикселите на Micro LED може да бъде намалено до под P0.1, с максимална плътност на пикселите от 1800 ppi. Също така е съвместим с твърди, гъвкави и дори прозрачни основи.

За гъвкави основи радиусът на огъване може да бъде по-малък от 1 мм, което позволява тънки, леки конструкции, като същевременно отключва потенциал за гъвкави и прозрачни форм-фактори.

Свързани:

Как MIP технологията постига пробив в ultra-HD финозърнестите LED дисплеи?

Архитектура на ключовите компоненти и технически пречки

Техническата система на Micro LED включва многоизмерни прецизни процеси на проектиране и производство. Въпреки това, тя все още е изправена пред няколко критични проблема, които трябва да бъдат решени:

Слой от чипове

Откъм чиповете, Micro LED използва светодиоди на базата на InGaN. Структурата му, отдолу нагоре, включва сапфирена подложка, GaN буферен слой, N-тип GaN слой, активен слой с множество квантови ями (MQW), P-тип GaN контактен слой и токоразпределителен слой.

Активният слой MQW излъчва светлина чрез електронно-дупкова рекомбинация, а броят на слоевете пряко влияе върху светлинната ефективност и стабилността на дължината на вълната.

В производствения процес:

Технологията MOCVD се използва за прецизен контрол на газовия поток при 1000–1100℃, което позволява епитаксиален растеж на GaN материали.

След това се прилага ICP ецване, за да се образуват независими пикселни единици, с канали, проникващи в сапфирения слой за електрическа изолация.

Накрая, Ti/Au омични контактни електроди са изработени върху слоевете GaN от N-тип и P-тип, сдвоени с Ni/Au слой за разпределение на тока, за да се оптимизира страничното разпределение на тока.

Основният проблем тук е, че ефективността на червените микро светодиоди е много по-ниска от тази на сините и зелените чипове. Освен това, осигуряването на постоянство на яркостта и дължината на вълната в милиони чипове остава предизвикателство. Това изисква пробиви в новите полупроводникови материали и технологиите за прецизен производствен контрол.

Технология за масопренос и свързване

Друго критично предизвикателство е технологията за масопренос и свързване. Това е съществена стъпка за индустриализацията на микро светодиодите. Този процес изисква точно прехвърляне на милиони или дори милиарди микрометрични чипове от растежния субстрат към задната платка на драйвера, с изисквания за точност от ±1 μm и добив над 99.99%.

В момента съществуват три основни технически маршрута:

• Лазерно повдигане (LLO): Подходящо както за твърди, така и за гъвкави материали.
• Флуидно самосглобяване: Ниска цена, но бавна скорост.
• Еластичен трансфер на печати: Съвместим с панели с голям размер, въпреки че добивът е ограничен от деформацията на материала.
• За свързване се използват метални евтектични връзки Sn-Ag или Microbump връзки, за да се постигне електрически контакт между чиповете и задната платка, като височината на свързване се контролира между 1–5 μm.
• Днес фокусът на научноизследователската и развойна дейност в тази област е върху подобряване на скоростта на трансфер и добива. Успоредно с това се разработват нови маршрути, като например ролков трансфер, с цел намаляване на разходите до пазарно приемливи нива.

Архитектура на схемата на драйвера и задната платка

Що се отнася до драйверните схеми, Micro LED предлага три режима:

Пасивна матрица (PM):

Опростена структура, но с висока консумация на енергия. Подходяща е за сценарии с ниска резолюция, като например смарт часовници.

Активна матрица (AM):

Интегрира независими TFT драйверни схеми за всеки пиксел. Поддържа висока резолюция и контрол на сивите скали. Следователно, това е основното решение за AR/VR очила.

Полуактивна матрица:

Комбинира предимствата на PM и AM, използвайки еднотранзисторно управление с производителност, попадаща между двете.

Изборът на материал за задната платка трябва да съответства на сценариите на приложение:

Стъклени подложки:

Те предлагат висока плоскост и ниски коефициенти на термично разширение, поддържайки ултрафини стъпки под P0.4 за висок клас дисплеи.

CMOS на силициева основа:

С висока степен на интеграция. Идеален е за AR микродисплеи.

Гъвкави основи:

Подходящ е за носими устройства.

В момента основното търсене на технология за задни платки е разработването на подложки, способни да носят масивни микрометрични чипове, като същевременно позволяват ефективно и независимо управление. В сектора на екраните с голям размер се проучва технологията за нискотемпературни поликристални силициеви (LTPS) стъклени подложки.

Дизайн на опаковки и оптика

Технологията на опаковане следва два основни пътя:

Схема за митнически програми:

Първо, чиповете се пакетират в независими устройства с размер 0202, след което се монтират върху печатни платки. С добив над 99% и съвместимост със съществуващите производствени линии, те ще доминират на пазара на търговски дисплеи в краткосрочен план.

Опаковки на стъклена основа:

Завършва масопреноса и опаковането директно върху стъклени подложки. Макар теоретично да е по-евтин, настоящият му добив е само около 85%, което изисква допълнителни подобрения.

За оптично подобрение се използват два основни метода:

Технология за наноимпринтиране за създаване на микролещи върху повърхности на пиксели, повишаваща ефективността на извличане на светлина с над 30%.

Нанасяне на покрития с квантови точкови материали върху сини LED чипове за ефективен пълноцветен дисплей. Стабилността и светлинната ефективност на квантовите точкови материали обаче остават основни предизвикателства.

Технология за инспекция и ремонт

За да се гарантира производителността на панелите, Micro LED е оборудван с цялостна система за проверка и ремонт.

Онлайн инспекцията използва камери с висока резолюция и алгоритми с изкуствен интелект за идентифициране на мъртви пиксели с точност от ±0.1 μm. Лазерният ремонт използва лазерна енергия за сливане или повторно свързване на електроди, постигайки процент на ремонт над 95%. Освен това, резервни пиксели се запазват в схемата на драйвера, за да компенсират лошите пиксели чрез превключване на веригата. Това може допълнително да защити качеството на дисплея.

Технологична еволюция и структура на индустриалната верига

Ключови технологични пробиви

През последните години Micro LED постигна няколко значителни пробива. В областта на масопреноса, технологията на Aledia за нанопроводници на базата на силиций е увеличила добива до 95% със скорост на трансфер от 50 000 чипа в секунда.

За интегрални схеми за драйвери, смесената технология за управление Hybrid PWM+PAM на TBSilicon позволява честота на опресняване от 1200Hz при яркост от 1 нит. В областта на пълноцветните дисплеи, Konka е реализирала масово производство на пълноцветни чипове с размер 15×30 микрометра с добив от 99.9% чрез хибридна технология за масопренос.

Структура на индустриалната верига

Материали нагоре по веригата:

Степента на локализация на сапфирените субстрати е надхвърлила 60%. Въпреки това, високоеднородните GaN епитаксиални пластини все още разчитат на чуждестранни компании като японската Sumitomo Electric, което оставя достатъчно място за заместване на местно ниво.

Средно производство:

 San'an Optoelectronics и HC Semitek са изградили 8-инчови линии за микро LED пластини, докато BOE и Tianma Microelectronics са разработили производствени линии от 6-то поколение на стъклена основа, които задвижват мащабно масово производство на основни процеси.

Приложения надолу по веригата:

Sony и Samsung доминират на пазара на професионални дисплеи, докато Apple и Meta ускоряват научноизследователската и развойна дейност в областта на AR/VR микродисплеите. Очаква се процентът на проникване на автомобилния HUD да достигне 8.5% до 2030 г.

Oбобщение

Чрез технологични иновации като миниатюризация на чипове, масопренос и интегрирано управление, Micro LED дисплеите надминаха по производителност традиционните технологии за дисплеи като LCD и OLED.

Въпреки че все още се сблъсква с предизвикателства като високи разходи и недостатъчен добив в някои основни процеси, се очаква разходите постепенно да намаляват. Това се дължи на непрекъснатите пробиви в опаковките на основата на стъкло, едночиповите пълноцветни дисплеи и други ключови технологии, както и на икономиите от мащаба от индустриалното сътрудничество.

До 2030 г. се очаква размерът на глобалния пазар на микро LED дисплеи да надхвърли 20 милиарда долара. Той не само ще се превърне в основен двигател за модернизирането на новата дисплейна индустрия, но и ще продължи да генерира нови точки за растеж на бизнеса във висок клас търговска употреба, потребителска електроника, автомобилостроене, AR/VR и други области.