表贴、COB到Micro LED,小间距LED大屏的未来趋势

萧萧 2017-10-25

    近三年来,小间距LED大屏的供销保持了80%以上的年度复合增长率。这一成长水平不仅位居今日大屏产业各大技术之首,同时亦是大屏产业历史所未有之高增速。急速的市场成长,表明了小间距LED技术的巨大生命力。但是,这并不意味着,今天的小间距LED产品已经达到“最佳”技术状态。

    COB:“二”代产品的兴起

    采用COB封装技术的小间距LED屏,被称为“第二代”小间距LED产品。这种产品自去年开始,呈现出高速市场增长的势头,且成为一些主打高端指挥调度中心市场的品牌的“最青睐”路线图。

表贴、COB到Micro LED,小间距LED大屏的未来趋势

    COB,是英文Chips on Board的缩写。该技术最早发源于上世纪60年代,是一种致力于简化超精细电子元器件封装结构、并提升最终产品稳定性的“电气设计”。简单讲,COB封装的结构就是,将最原始的、裸露的芯片或者电子元件,直接贴焊在电路板上,并用特种树脂做整体覆盖。

    在LED应用领域,COB封装主要用于中高功率照明系统和小间距LED产品上。前者是考虑COB技术带来的散热优势,后者则除了充分利用COB在产品散热等方面带来的稳定性优势外,更是能达到一系列“性能效果”上的独特性。

    COB封装在小间距LED屏上的应用的好处主要包括:1.提供更好的散热平台。由于COB封装是颗粒晶体直接紧密接触PCB板,所以其可充分利用“基板面积”实现导热和散热。而散热水平则是决定小间距LED屏稳定性、点缺陷率和使用寿命的核心因素。更好的散热结构,自然也就意味着更好的整体稳定性。

    2.COB封装是一种真正全密封的结构。包括PCB电路板、晶体颗粒、焊脚和引线等都实现了全面密封。密封结构带来的好处显而易见——例如,防潮、抗磕碰、防止污染损伤、器件表面更易于清理等。

    3.COB封装可以设计出更为独特的“显示光学”特性。比如,其封装结构,形成的非晶体面积,均可覆盖黑色吸光材料。这使得COB封装产品在对比度效果上更为出色。再例如,COB封装可以在晶体上方的光学设计上做出崭新的调整,实现像素颗粒出光自然化,改善常规小间距LED屏像素颗粒感剧烈和亮度刺眼的劣势。

    4.COB封装的晶体焊接不采用表贴SMT的回流焊工艺,而是可以使用包括热压焊、超声焊、金丝焊等在内的“低温焊接工艺”。这使得脆弱的半导体LED晶体颗粒,不用禁受240度以上的高温考验。而高温过程是小间距LED坏点、死灯,尤其是批量死灯的关键所在。当表贴工艺出现死灯,需要修复的时候,还会发生“二次高温回流焊”。COB工艺则彻底杜绝了这一点。这也是COB工艺坏点率仅为表贴产品十分之一的关键所在。

    当然,COB工艺也有其“劣势”。首先是成本问题,COB工艺比表贴工艺成本更高。这是因为,COB工艺实际上是封装阶段,而表贴则是终端集成——表贴工艺实施之前,LED晶体颗粒已经经过封装过程。这种差异造成了,从LED屏企业角度看,COB更高的投资门槛、成本门槛和技术门槛。不过,如果用COB工艺对比表贴工艺的“灯管封装和终端集成”,其成本变化足可接受,且存在成本随着工艺稳定性和应用规模发展而下降的趋势。

    其次,COB封装产品的视觉一致性需要后期技术调整。包括封装胶自身的灰度一致性和发光晶体的亮度水平一致性问题,考验了整个产业链的品控与后期调教水平。不过,这一劣势,更多的是“软经验”的问题,通过一系列的技术提升,行业内的多数企业已经掌握保持大规模量产视觉一致性的关键技术。

    第三,COB封装在像素间距较大的产品上,大大增加了产品的“生产复杂性”。也就是说,COB技术再好,也不适用于P1.8以上间距的产品。因为在更大间距上,COB会带来更为显著的成本增长。——这就如同表贴工艺无法完全代替直插LED产品,是因为在p5以上产品,表贴工艺的复杂性导致成本增加。未来的COB工艺也将主要应用在P1.2及其以下间距产品上。

    正是因为以上COB封装小间距LED产品优缺点的存在,使得:1.COB不是小间距LED产品的最早路线选择。因为小间距LED是从大间距产品逐渐进步而来,其必然更多的继承表贴工艺的成熟技术与产能。这也形成了今天表贴小间距LED占据小间距LED屏市场绝大部分份额的格局。

    2.COB是小间距LED产品进一步向更小的间距过渡、向更高端的室内应用发展的“必然趋势”。因为,在更高的像素密度上,表贴工艺的死灯率成为一个“成品缺陷难题”。COB技术能大幅改善小间距LED产品的死灯现象。同时,在更高端的指挥调度中心市场,显示效果的核心不在“亮度”方面,而是 “舒适性、可靠性”占据主导——这恰是COB技术的优势所在。

    所以,自2016年以来,COB封装小间距LED产品的加速发展,可以认为是“更小的间距”、“更高端市场”的结合。这一规律的市场表现则是,没有涉猎指挥调度中心市场的LED屏企业,对COB技术兴趣不大;主要以指挥调度中心市场为方向的LED屏企业,则特别看重COB技术的发展。

    技术无止境,大屏Micro LED亦在路上

    LED显示屏产品的技术更迭经历了直插、表贴、COB三个阶段,两次革命。从直插、表贴,到COB意味着更小的间距和更高的分辨率。这个演化过程就是LED显示的进步过程,也开发出越来越高端的应用市场。那么未来这样的技术演进还会继续吗?答案是肯定的。

    LED屏从直插到表贴的变化,主要是集成工艺和灯珠封装规格的变化。这种变化带来的好处,主要是更高的表面集成能力。LED屏在小间距阶段,从表贴工艺向COB工艺的变化,除了是集成工艺和封装规格变化外,COB还是集成与封装一体化的工艺,是整个产业链流程的再分割。同时,COB工艺亦不仅带来了更小的间距控制能力,也带来了更好的视觉舒适性和可靠性体验。

    目前,Micro LED技术则成为了另一个前瞻性的LED大屏研究重点。与其上一代产品COB工艺小间距LED比较,Micro LED概念不是集成或者封装技术的变革,而是强调灯珠晶体颗粒的“微型化”。

    在超高像素密度小间距LED屏产品上,有两个独特的技术需求:第一,高像素密度,本身就需要更小的灯珠尺寸。COB技术直接封装晶体颗粒,比较表贴工艺是去焊接已经封装过的灯珠产品,自然拥有几何尺寸上的优势。这是COB更适合更小间距LED屏产品的原因之一。第二,更高的像素密度,也意味着每一个像素所需求的亮度水平降低。超小间距LED屏,多数用于室内、更近的观看距离使用,其自身对亮度的需求,已经从室外屏数千流明,下降到不足一千,甚至数百流明。加之,单位面积像素数量的极具增建,单颗晶体的发光亮度追求就会下降众多。

    而采用Micro LED的微晶体结构,即满足更小的几何尺寸(在典型应用中,Micro LED的晶体尺寸可以为目前主流小间距LED灯珠的百分之一到万分之一不等)、也符合更高像素密度需求更低亮度晶体颗粒的特点。同时,LED产品的成本,很大程度上由工艺和衬底两部分组成。更小的微晶体LED产品,就意味着更少的衬底材料消耗。或者说,当一个小间距led屏的像素结构,可由大尺寸和小尺寸的LED晶体同时满足时,采用后者意味着更低的成本。

    总结而言,Micro LED用于小间距LED大屏的直接好处包括——更低的材料成本、更适合的低亮度高灰度性能、更小的几何尺寸。

    同时,Micro LED用于小间距LED屏还有一些附带性的优势:1.晶体颗粒更小,意味着晶体材料的反光面积大幅下降。这样的小间距LED屏可以在更大的表面面积上使用吸光材料和技术,提升LED屏的黑色和暗色灰度效果。2.更小的晶体颗粒,为LED屏体留出了更多的结构空间。这些结构空间可以布置其他的传感器部件、光学结构、散热结构等。3. Micro LED技术的小间距LED产品,整体继承COB封装工艺,具有COB技术产品的所有优点。

    当然,没有完全完美的技术。Micro LED也不例外。对比传统小间距LED产品和普通COB封装LED产品,Micro LED的主要劣势是“需要更为精细的封装工艺”。业内称此为“巨量转移技术”。即一张晶片上数百万颗的LED晶体,裂片之后的单晶操作,不可能采用简单机械的方式完成,而是需要专门的设备和工艺。

    后者也是目前Micro LED产业的几乎“唯一瓶颈”。不过,与用于VR或者手机屏幕的那种超精细、超高密度Micro LED显示不同,Micro LED首先用于小间距LED大屏,不需要在“像素密度上”追求极限。例如,P1.2或者,P0.5级别的像素空间,对于“巨量转移”技术而言,是更容易“实现”的目标产品。

    针对巨量转移技术的难题,台湾企业群创提出一个折中方案,即2.5代小间距LED屏路线图:Mini LED 。Mini LED的晶体颗粒大于传统的Micro LED,但是依然只有常规小间距LED屏晶体的十分之一,或者几十分之一。这种技术降阶的MiNI LED产品,群创认为1-2年的时间能够实现“工艺成熟”和市场化量产。

    整体上,Micro LED技术用于小间距LED和大屏市场,可以创造出一个显示性能、对比度、色彩指标、节能水平等远超过现有产品的“完美杰作”。但是,从表贴到COB再到Micro LED,小间距LED行业实现世代升级,还需要不断创新工艺技术。

    工艺储备,考验小间距LED产业制造商的“终极审判”

    LED屏产品从直插、表贴到COB,其集成工艺水平不断提高,未来的Micro LED大屏产品的“巨量转移”技术更是难上加难。

    如果说,直插工艺是一种可以纯手工完成的原始技术,那么表贴工艺就是一种必须机械化制作的工艺,而COB技术则需要在洁净环境中、全自动化、数控体系下完成。未来的Micro LED工艺,不仅具有COB所有的特点,更设计“极小”电子器件的大量转移操作,难度进一步升级,涉及到更为复杂的半导体工业制造经验。

    目前,Micro LED代表的巨量转移工艺,获得了苹果、索尼、友达、三星等国际巨头的关注和研发。苹果公司有穿戴显示产品的样品展示,索尼则实现了P1.2间距拼接LED大屏的量产。台系公司的目标则是推动巨量转移技术的成熟,并成为OLED显示产品的竞争者。

    LED屏这种世代进步中,工艺难度逐级加码的趋势,有其好处:例如,增加了行业门槛,阻止了更多无意义的价格竞争者,提升了行业集中度,使得产业核心企业“竞争优势”显著加强,并创造出更好用的产品。但是,这种产业升级也有其坏处,即新的世代升级技术门槛、资金门槛、研发能力门槛更高,形成普及需要的周期更长、投入风险也大增。后者的变化,将更有利于国际巨头的市场垄断,而非本土创新企业的发展。

    无论最终小间距LED产品能发展成何种模样,新的技术进步总是值得期待的事情。LED产业的技术宝库中还有很多可以挖掘的技术:不只是COB,也可以是倒装工艺;不仅是Micro LED更可以是QLED晶体、或者其他材料。

    总之,小间距LED大屏行业就是一个不断技术创新与进步的行业。市场参与者必须抓得住这一行业进步的大趋势、大规律,有先进的战略性眼光、开创性精神。任何企图依靠暂时技术优势、市场优势,固步自封的“被动防守”者,都只会被打翻在地。唯有持续不断的创新和技术挑战,才是行业生存的真谛。

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