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小間距LED大屏幕的未來趨勢,從表貼SMD、COB到Micro LED

2017-10-26

  近三年來,小間距LED大屏的供銷保持了80%以上的年度復合增長率。這一成長水平不僅位居今日大屏產業各大技術之首,同時亦是大屏產業歷史所未有之高增速。急速的市場成長,表明了小間距LED技術的巨大生命力。但是,這并不意味著,今天的小間距LED產品已經達到“最佳”技術狀態。

COB:“二”代產品的興起

  采用COB封裝技術的小間距LED屏,被稱為“第二代”小間距LED產品。這種產品自去年開始,呈現出高速市場增長的勢頭,且成為一些主打高端指揮調度中心市場的品牌的“最青睞”路線圖。

COB,是英文Chips on Board的縮寫。該技術最早發源于上世紀60年代,是一種致力于簡化超精細電子元器件封裝結構、并提升最終產品穩定性的“電氣設計”。簡單講,COB封裝的結構就是,將最原始的、裸露的芯片或者電子元件,直接貼焊在電路板上,并用特種樹脂做整體覆蓋。

在LED應用領域,COB封裝主要用于中高功率照明系統和小間距LED產品上。前者是考慮COB技術帶來的散熱優勢,后者則除了充分利用COB在產品散熱等方面帶來的穩定性優勢外,更是能達到一系列“性能效果”上的獨特性。

COB封裝在小間距LED屏上的應用的好處主要包括:1.提供更好的散熱平臺。由于COB封裝是顆粒晶體直接緊密接觸PCB板,所以其可充分利用“基板面積”實現導熱和散熱。而散熱水平則是決定小間距LED屏穩定性、點缺陷率和使用壽命的核心因素。更好的散熱結構,自然也就意味著更好的整體穩定性。

2.COB封裝是一種真正全密封的結構。包括PCB電路板、晶體顆粒、焊腳和引線等都實現了全面密封。密封結構帶來的好處顯而易見——例如,防潮、抗磕碰、防止污染損傷、器件表面更易于清理等。

3.COB封裝可以設計出更為獨特的“顯示光學”特性。比如,其封裝結構,形成的非晶體面積,均可覆蓋黑色吸光材料。這使得COB封裝產品在對比度效果上更為出色。再例如,COB封裝可以在晶體上方的光學設計上做出嶄新的調整,實現像素顆粒出光自然化,改善常規小間距LED屏像素顆粒感劇烈和亮度刺眼的劣勢。

4.COB封裝的晶體焊接不采用表貼SMT的回流焊工藝,而是可以使用包括熱壓焊、超聲焊、金絲焊等在內的“低溫焊接工藝”。這使得脆弱的半導體LED晶體顆粒,不用禁受240度以上的高溫考驗。而高溫過程是小間距LED壞點、死燈,尤其是批量死燈的關鍵所在。當表貼工藝出現死燈,需要修復的時候,還會發生“二次高溫回流焊”。COB工藝則徹底杜絕了這一點。這也是COB工藝壞點率僅為表貼產品十分之一的關鍵所在。

當然,COB工藝也有其“劣勢”。首先是成本問題,COB工藝比表貼工藝成本更高。這是因為,COB工藝實際上是封裝階段,而表貼則是終端集成——表貼工藝實施之前,LED晶體顆粒已經經過封裝過程。這種差異造成了,從LED屏企業角度看,COB更高的投資門檻、成本門檻和技術門檻。不過,如果用COB工藝對比表貼工藝的“燈管封裝和終端集成”,其成本變化足可接受,且存在成本隨著工藝穩定性和應用規模發展而下降的趨勢。

其次,COB封裝產品的視覺一致性需要后期技術調整。包括封裝膠自身的灰度一致性和發光晶體的亮度水平一致性問題,考驗了整個產業鏈的品控與后期調教水平。不過,這一劣勢,更多的是“軟經驗”的問題,通過一系列的技術提升,行業內的多數企業已經掌握保持大規模量產視覺一致性的關鍵技術。

第三,COB封裝在像素間距較大的產品上,大大增加了產品的“生產復雜性”。也就是說,COB技術再好,也不適用于P1.8以上間距的產品。因為在更大間距上,COB會帶來更為顯著的成本增長?!@就如同表貼工藝無法完全代替直插LED產品,是因為在p5以上產品,表貼工藝的復雜性導致成本增加。未來的COB工藝也將主要應用在P1.2及其以下間距產品上。

正是因為以上COB封裝小間距LED產品優缺點的存在,使得:1.COB不是小間距LED產品的最早路線選擇。因為小間距LED是從大間距產品逐漸進步而來,其必然更多的繼承表貼工藝的成熟技術與產能。這也形成了今天表貼小間距LED占據小間距LED屏市場絕大部分份額的格局。

2.COB是小間距LED產品進一步向更小的間距過渡、向更高端的室內應用發展的“必然趨勢”。因為,在更高的像素密度上,表貼工藝的死燈率成為一個“成品缺陷難題”。COB技術能大幅改善小間距LED產品的死燈現象。同時,在更高端的指揮調度中心市場,顯示效果的核心不在“亮度”方面,而是 “舒適性、可靠性”占據主導——這恰是COB技術的優勢所在。

所以,自2016年以來,COB封裝小間距LED產品的加速發展,可以認為是“更小的間距”、“更高端市場”的結合。這一規律的市場表現則是,沒有涉獵指揮調度中心市場的LED屏企業,對COB技術興趣不大;主要以指揮調度中心市場為方向的LED屏企業,則特別看重COB技術的發展。

技術無止境,大屏Micro LED亦在路上

  LED顯示屏產品的技術更迭經歷了直插、表貼、COB三個階段,兩次革命。從直插、表貼,到COB意味著更小的間距和更高的分辨率。這個演化過程就是LED顯示的進步過程,也開發出越來越高端的應用市場。那么未來這樣的技術演進還會繼續嗎?答案是肯定的。

LED屏從直插到表貼的變化,主要是集成工藝和燈珠封裝規格的變化。這種變化帶來的好處,主要是更高的表面集成能力。LED屏在小間距階段,從表貼工藝向COB工藝的變化,除了是集成工藝和封裝規格變化外,COB還是集成與封裝一體化的工藝,是整個產業鏈流程的再分割。同時,COB工藝亦不僅帶來了更小的間距控制能力,也帶來了更好的視覺舒適性和可靠性體驗。

目前,Micro LED技術則成為了另一個前瞻性的LED大屏研究重點。與其上一代產品COB工藝小間距LED比較,Micro LED概念不是集成或者封裝技術的變革,而是強調燈珠晶體顆粒的“微型化”。

在超高像素密度小間距LED屏產品上,有兩個獨特的技術需求:第一,高像素密度,本身就需要更小的燈珠尺寸。COB技術直接封裝晶體顆粒,比較表貼工藝是去焊接已經封裝過的燈珠產品,自然擁有幾何尺寸上的優勢。這是COB更適合更小間距LED屏產品的原因之一。第二,更高的像素密度,也意味著每一個像素所需求的亮度水平降低。超小間距LED屏,多數用于室內、更近的觀看距離使用,其自身對亮度的需求,已經從室外屏數千流明,下降到不足一千,甚至數百流明。加之,單位面積像素數量的極具增建,單顆晶體的發光亮度追求就會下降眾多。

而采用Micro LED的微晶體結構,即滿足更小的幾何尺寸(在典型應用中,Micro LED的晶體尺寸可以為目前主流小間距LED燈珠的百分之一到萬分之一不等)、也符合更高像素密度需求更低亮度晶體顆粒的特點。同時,LED產品的成本,很大程度上由工藝和襯底兩部分組成。更小的微晶體LED產品,就意味著更少的襯底材料消耗?;蛘哒f,當一個小間距led屏的像素結構,可由大尺寸和小尺寸的LED晶體同時滿足時,采用后者意味著更低的成本。

總結而言,Micro LED用于小間距LED大屏的直接好處包括——更低的材料成本、更適合的低亮度高灰度性能、更小的幾何尺寸。

同時,Micro LED用于小間距LED屏還有一些附帶性的優勢:1.晶體顆粒更小,意味著晶體材料的反光面積大幅下降。這樣的小間距LED屏可以在更大的表面面積上使用吸光材料和技術,提升LED屏的黑色和暗色灰度效果。2.更小的晶體顆粒,為LED屏體留出了更多的結構空間。這些結構空間可以布置其他的傳感器部件、光學結構、散熱結構等。3. Micro LED技術的小間距LED產品,整體繼承COB封裝工藝,具有COB技術產品的所有優點。

當然,沒有完全完美的技術。Micro LED也不例外。對比傳統小間距LED產品和普通COB封裝LED產品,Micro LED的主要劣勢是“需要更為精細的封裝工藝”。業內稱此為“巨量轉移技術”。即一張晶片上數百萬顆的LED晶體,裂片之后的單晶操作,不可能采用簡單機械的方式完成,而是需要專門的設備和工藝。

后者也是目前Micro LED產業的幾乎“唯一瓶頸”。不過,與用于VR或者手機屏幕的那種超精細、超高密度Micro LED顯示不同,Micro LED首先用于小間距LED大屏,不需要在“像素密度上”追求極限。例如,P1.2或者,P0.5級別的像素空間,對于“巨量轉移”技術而言,是更容易“實現”的目標產品。

針對巨量轉移技術的難題,臺灣企業群創提出一個折中方案,即2.5代小間距LED屏路線圖:Mini LED 。Mini LED的晶體顆粒大于傳統的Micro LED,但是依然只有常規小間距LED屏晶體的十分之一,或者幾十分之一。這種技術降階的MiNI LED產品,群創認為1-2年的時間能夠實現“工藝成熟”和市場化量產。

整體上,Micro LED技術用于小間距LED和大屏市場,可以創造出一個顯示性能、對比度、色彩指標、節能水平等遠超過現有產品的“完美杰作”。但是,從表貼到COB再到Micro LED,小間距LED行業實現世代升級,還需要不斷創新工藝技術。

工藝儲備,考驗小間距LED產業制造商的“終極審判”

  LED屏產品從直插、表貼到COB,其集成工藝水平不斷提高,未來的Micro LED大屏產品的“巨量轉移”技術更是難上加難。

如果說,直插工藝是一種可以純手工完成的原始技術,那么表貼工藝就是一種必須機械化制作的工藝,而COB技術則需要在潔凈環境中、全自動化、數控體系下完成。未來的Micro LED工藝,不僅具有COB所有的特點,更設計“極小”電子器件的大量轉移操作,難度進一步升級,涉及到更為復雜的半導體工業制造經驗。

目前,Micro LED代表的巨量轉移工藝,獲得了蘋果、索尼、友達、三星等國際巨頭的關注和研發。蘋果公司有穿戴顯示產品的樣品展示,索尼則實現了P1.2間距拼接LED大屏的量產。臺系公司的目標則是推動巨量轉移技術的成熟,并成為OLED顯示產品的競爭者。

LED屏這種世代進步中,工藝難度逐級加碼的趨勢,有其好處:例如,增加了行業門檻,阻止了更多無意義的價格競爭者,提升了行業集中度,使得產業核心企業“競爭優勢”顯著加強,并創造出更好用的產品。但是,這種產業升級也有其壞處,即新的世代升級技術門檻、資金門檻、研發能力門檻更高,形成普及需要的周期更長、投入風險也大增。后者的變化,將更有利于國際巨頭的市場壟斷,而非本土創新企業的發展。

無論最終小間距LED產品能發展成何種模樣,新的技術進步總是值得期待的事情。LED產業的技術寶庫中還有很多可以挖掘的技術:不只是COB,也可以是倒裝工藝;不僅是Micro LED更可以是QLED晶體、或者其他材料。

總之,小間距LED大屏行業就是一個不斷技術創新與進步的行業。市場參與者必須抓得住這一行業進步的大趨勢、大規律,有先進的戰略性眼光、開創性精神。任何企圖依靠暫時技術優勢、市場優勢,固步自封的“被動防守”者,都只會被打翻在地。唯有持續不斷的創新和技術挑戰,才是行業生存的真諦。


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