Mini LED受擁躉改良液晶面板產品的最優選擇

2021-07-07 10:06:48

我國是顯示產業大國,LCD液晶面板產能超過韓國排名第一,但在顯示先進技術和先進工藝方面仍落后于韓國,在設備和材料領域落后于日韓,追趕的空間依然很大。Micro LED是業內比較公認的下一代主流顯示技術,可用在各尺寸產品和大部分應用場景中。由于其巨量轉移工藝還處在前沿開發階段,一時難以攻克技術難題,因此業內暫未看到量產的好消息。Mini LED與Micro LED一脈相承,足可與現在韓國引領的主流技術OLED相抗衡,同時我國也具備良好的LED產業基礎。通過發展Mini LED,可強化升級我國LED產業,并在下一代顯示產業發展機遇中與美韓并肩,占據有利位置。

未來三四年將是Mini LED背光產品爆發期

顯示產品是電子信息產品中非常重要的品類。Micro LED是下一代顯示產品的主要升級方向,從顯示性能、應用場景、壽命、能耗等各個角度看,它都比LCD、OLED更加完美。目前,消費市場已經出現零星的Micro LED產品,售價十分昂貴,難以普及,這主要是因為Micro LED的生產工藝存在較大難度,生產出合格的Micro LED屏幕需要耗費巨資,成本居高不下。所以,最近幾年內,Micro LED都不具備商業化的基礎。在這種情況下,Mini LED作為LCD向Micro LED升級的過渡產品,引起了更多的關注。

Mini LED又名“次毫米發光二極管”,最早由我國臺灣公司晶元光電提出,指由晶粒(芯片)尺寸在50微米至200微米的LED構成的顯示屏,介于Micro LED和小間距顯示之間。應用方向包括Mini LED直顯和Mini LED背光的顯示屏。由于Mini LED顯示屏在能耗、色域、對比度、HDR、柔性、壽命等方面都有較為出色的表現,工藝難度又沒有Micro LED那么大,制作成品相對容易,因此Mini LED有望成為LCD升級的主導產品,與OLED在消費市場一較高下。

Mini LED顯示屏產業鏈涉及LED芯片、封裝、顯示屏廠和終端應用品牌廠商。我國LED產業基礎較為扎實,芯片廠包括龍頭企業三安光電、華燦光電等,封裝環節有國星光電、鴻利智匯、木林森等,顯示屏廠和終端應用品牌廠商包括利亞德、洲明科技、TCL、康佳等。隨著Mini LED產品在市場上密集發布,越來越多的終端品牌廠商參與到Mini LED產業鏈,與上游LED芯片廠直接合作,這場由消費終端拉動的產業合作和技術升級正在賦予LED產業新的前景。

根據應用場景的不同,Mini LED可以用于直接顯示和背光兩大領域。Mini LED直顯成本較高,多用在100英寸以上的大尺寸產品,包括交通管理指揮中心、安防監控中心、室內商顯等專業顯示市場。Mini LED背光產品成本相對直顯產品要低,主要用在電視、車載顯示器、平板電腦、筆記本電腦、臺式機等100英寸以下的產品。

近3年,各大終端廠商加速導入搭載Mini LED背光液晶面板的消費電子產品,“Mini LED背光+液晶LCD”產品在高端液晶面板市場逐漸占據重要席位。小尺寸可穿戴設備、中尺寸電腦和大尺寸電視產品將是Mini LED顯示器最先滲透的領域。例如,蘋果在2019年6月發布了采用Mini LED背光的顯示器Pro Display XDR,首次采用Mini LED 顯示背光產品,并在2021年4月推出配備Mini LED背光顯示的iPad Pro平板電腦。三星在今年初推出了量子點Mini LED背光的NEO QLED系列電視,尺寸覆蓋65英寸~85英寸。TCL是首家將Mini LED背光電視導入消費市場的電視廠商,2019年~2021年連續3年推出Mini LED背光電視新品。LG、康佳、小米、創維等廠商也相繼進入該市場。

雖然Mini LED市場規模不大,但增速驚人,成長很快,背光產品表現亮眼。隨著三星和中國品牌相繼推出Mini LED背光液晶電視,預計Mini LED技術在2021年將獲得較快速發展。研究機構DSCC發布最新報告稱,全球Mini LED背光出貨量將從2020年的50萬臺增加到2021年的890萬臺。TrendForce估計,2021年Mini LED 背光電視出貨量將達到260萬~300萬臺,占整體電視市場比重約1.2%~1.4%。未來三四年將是Mini LED背光產品爆發式增長期。Arizton的數據顯示,2021~2024年Mini LED市場規模有望從1.5億美元增至23.2億美元,其間每年同比增速皆高達140%以上。

Mini LED背光液晶面板更具優勢

當前,Mini LED背光液晶(LCD)面板是日益飽和的液晶面板市場的一劑強心劑,能在很大程度上延長傳統LED背光液晶面板的生命周期。它具備以下幾個優勢:

(1)Mini LED背光產品比傳統LED背光產品性能更優良。背光是液晶顯示技術的三大關鍵技術之一,先進的背光技術能推動液晶顯示效果持續提升。背光源的強度對液晶顯示的亮度、對比度和色彩表現力起到關鍵作用。

傳統LED背光液晶面板有兩種背光方式:一種是側入式背光,在液晶面板側面封裝傳統LED背光模組,通過導光板折射的光線穿過液晶面板層得以顯示。側入式背光的LED燈珠通常是幾十顆,光線不均勻,無法實現區域調光,其優點是面板較薄。另一種是LED直下式背光,將LED背光板配置在液晶層下,LED燈珠可均勻分布在液晶層背面,背光板可進行區域分割,各區域單獨控制光線明暗,從而提高對比度,實現HDR(高動態范圍)顯示,獲得更好的顯示效果,其缺點是面板較厚,分區數量有限。Mini LED背光則是將傳統LED芯片縮小,背光源燈珠由原來的幾十顆、幾百顆變成數千顆、數萬顆,分區數量也能從幾十、幾百個增加到幾千、幾萬個,每個區域對應多個像素點,結合區域調光技術,對背光源進行更加精細化的亮暗控制。在不犧牲亮度的情況下,Mini LED背光LCD面板可以實現超過1000000︰1的對比度和更高的分辨率,在畫面顯示效果上可與OLED面板直接競爭。

(2)Mini LED背光液晶面板生產難度較低,能重復利用一部分現有設備,具有更高的經濟性。與Micro LED相比,Mini LED不需要克服巨量轉移的技術門檻,工藝難度較低且生產良率較容易提高,有望實現低成本的量產。在產業鏈環節,LED芯片廠商、封裝廠商、面板廠商都涉足Mini LED生產,TFT驅動基板、液晶面板等生產設備可繼續用于Mini LED背光液晶面板生產,技術創新的環節主要在LED芯片和封裝,因此無論是相比未來的Micro LED或是相比傳統LCD面板,Mini LED背光產品的技術、資源和資本的整合難度都要小得多,遇到的產業阻力較小,是改良液晶面板產品的最優選擇。

(3)Mini LED背光面板替代效應逐漸顯現。在中大尺寸面板市場,超高清顯示需求增強,傳統液晶面板已不能滿足消費者在5G普及環境下對超高清顯示的強烈需求。在供給端,過去幾年液晶面板產量多次供過于求,全球目前也已停止對液晶面板產線的投資,市場需要新的升級產品。OLED作為液晶面板的升級產品,在中小尺寸應用領域有較強優勢,但在中大尺寸領域,例如電視、廣告屏、顯示器等,其由于壽命原因并不能算合格的升級產品。在小尺寸領域,OLED是智能手機屏升級主流,替換LCD屏趨勢明顯,Mini LED背光的手機屏較難成為其對手。在大尺寸領域,面板主要需求在電視市場,韓國廠商LG主導的WOLED(白光OLED)電視正不斷蠶食高端LCD電視市場,三星和TCL推出Mini LED背光液晶電視與之抗衡,將后者作為WOLED電視的直接競爭產品。在三星等終端大廠的力推下,Mini LED背光面板將加速向傳統LED背光液晶面板市場滲透,逐步取代傳統LED背光液晶電視市場。

降低Mini LED成本是消費者能否接受的關鍵

處在起步階段的Mini LED背光產品需要經歷商業化的考驗,其關鍵是成本價格。Mini LED背光模組占Mini LED背光顯示器(面板)成本六成以上,另外LCD(液晶)成本占顯示器比重15%~20%,打件部分占比15%~20%,因此模組是Mini LED背光面板成本控制的關鍵。其中,Mini LED芯片的成本占比接近Mini LED背光模組的一半。隨著芯片數量增加,成本還會繼續上升。

由此可見,降低Mini LED背光模組成本,包括LED芯片成本、打件成本,平衡Mini LED背光電視的性能和成本,是當前消費市場接受Mini LED背光電視的關鍵。相關產業環節還有很多技術需要升級和改善。

在上游芯片制造環節,需要通過半導體工藝將外延片制備為發光顆粒,經過測試、磨片、切割、分選和包裝。在中游封裝與打件環節,需要將外引線連接至芯片電極,形成Mini LED器件。整個生產過程中,Mini LED的關鍵技術包括Mini LED芯片生成技術、封裝技術,涉及核心組件材料為背光基板,核心設備主要為芯片生成設備MOCVD。

(一)芯片技術

LED芯片是一種固態的半導體器件,是LED的核心組件,主要功能是把電能轉化為光能。在Mini LED顯示器中,LED芯片的穩定性、一致性和壽命等性能對顯示器有顯著影響,因此芯片的生產十分重要。Mini LED芯片生產是將普通尺寸的LED晶粒尺寸微縮到200微米以下,并將其轉移到驅動基板上。在作為Mini LED背光源使用時,一塊PCB板上聚集了幾千或上萬個LED芯片(以電視為例),而用作Mini LED直顯時,同等尺寸PCB板上芯片數目則以十萬、百萬計,芯片尺寸更小、數量更多,對芯片生產和批量轉移工藝提出更高要求,技術難度加大。在Mini LED顯示器中,LED芯片的穩定性、一致性和壽命等性能對顯示器有顯著影響,LED芯片重要性凸顯。因此,核心技術難點集中在LED芯片的一致性、穩定性、可靠性和良率等。

(二)封裝技術

為了達成Mini LED器件的一致性、穩定性和可靠性,封裝工藝要求也相應提高。比如,顯示器中,Mini LED背光板越薄越好,當PCB板厚度低于0.4毫米時,會由于所用材料之間的熱膨脹系數不同,較容易誘發LED芯片虛焊、封裝膠質開裂。傳統貼片機如果處理P1.0以下的Mini LED封裝器件,為達到高精度,貼片速度會下降到原來的30%~50%,大大降低效率。LED芯片或燈珠的光色差異或電路問題,也極易導致混光不一致,影響顯示效果。封裝工藝和Mini LED的良率、性能、成本關聯緊密,傳統的LED封裝工藝也在不斷改善和提升中。

(三)背光基板

Mini LED背光基板涉及LED芯片的轉移固定或焊接,可影響制程精度、模組的散熱性、穩定性等性能。材料選擇目前有兩種主流路線:PCB基板和玻璃基板。PCB基板是目前工藝條件下的首選,而玻璃基板是未來的大趨勢。

(四)設備

在Mini LED制程中,設備是關鍵,測試分選、轉移、返修和沉積等設備的速度、精度及良率直接影響Mini LED的成本,是其能否量產的基礎。比如,在一系列制程中,分選機和固晶機如果取放的精度和速度不足,將導致成本過高。巨量轉移設備的速度和良率如果達不到,效率和成本都會打折扣。LED分光編帶設備用于Mini LED時,產能較低,速度也過慢。測試設備的精度要求更高,比如傳統3顆LED芯片測試要求偏差在3%以內,如果對應到Mini LED,芯片數量大幅上升,而測試偏差仍需要控制在3%以內。

MOCVD設備是LED芯片產業鏈中的核心設備,用于LED外延片的制備。外延片的波長均勻性、缺陷密度關系到Mini LED/Micro LED的良率。良率高,生產成本才能降下來。因此,MOCVD設備是關系到Mini LED/Micro LED量產良率的核心設備。

發展Mini LED產業,對我國LED制造業和新型顯示產業是一次良好機遇,有利于我國新型顯示行業在下一代顯示技術中占據先機。如果現在發力Mini/Micro LED顯示,基于現有的LED產業和面板產業基礎,我國有能力在下一代顯示面板領域形成自主可控的、與日韓相抗衡的實力,成為顯示強國。發展Mini LED產業,是為Micro LED做好鋪墊。Micro LED被認為是顯示的最佳終極解決方案,而Mini LED和Micro LED一脈相承,前者的很多材料設備、量產工藝可繼續用于Micro LED,需要解決的是在精度上、準確度上做出突破性的改變,但良好的Mini LED產業基礎將是發展Micro LED的必要前奏。因此亟須產業各方加大重視力度,投入更多人力物力和資金,加速其發展步伐。

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