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Micro-LED全面科普

日期: 2021-09-19 02:26:35 来源:乐鱼直播吧 作者:乐鱼软件

  文章本来是课程小论文,最初写时的确不易,完善至今已较为全面。资料为各方搜集整理而来,在结束处有注明,期望作为同学们深入研讨Micro-LED之前一个较为全面的科普文章。如有不当之处,请咱们纠正。结束注释不免有遗漏,文字叙说不免有相同,如有侵权,请联络我删去。

  在1990年代显现TFT-LCD背光模组开端蓬勃开展时,有部分厂商看中LED具有高颜色饱和度、省电、轻浮等特色,将LED用作背光源显现技能。可是因LED本钱过高、散热欠安、光电功率低一级要素,LED技能在其时并没有得到较大的开展。

  直到2000年,蓝光LED芯片影响荧光粉制成白光LED技能的制程、效能、本钱开端逐渐老练;当进入2008年,白光LED背光模组出现爆发性的成长,几年间简直全面代替了冷阴极荧光灯管,其运用范畴有手机、平板电脑、笔电、台式显现器乃至电视等等。

  与此同时,因TFT-LCD非自发光的显现原理所构成的,其opencell穿透率约在7%以下,构成TFT-LCD的光电功率失落;且白光LED所能供给的色饱和度仍不如三原色LED,大部分TFT-LCD产品约仅72%的NTSC标准色域,无法体现出杰出的颜色显现才干;此外,TFT-LCD无法供给满足的亮度显现才干,致使在室外环境下的印象和颜色辨识度低,为其一大运用缺点。LCD的种种缺点造就了另一种直接运用三原色LED做为自发光显现点划素的LED Display或Micro LED Display的技能的蓬勃开展。

  Micro-LED又称微型发光二极管,是指高密度集成的LED阵列,阵列中的LED像素点间隔在10微米量级,每一个LED像素都能自发光。得益于新一代的显现技能——Micro-LED技能,即LED微缩化和矩阵化技能。指的是在一个芯片上集成的高密度细小标准的LED阵列,如LED显现屏每一个像素可定址、独自驱动点亮,可看成是野外LED显现屏的微缩版,将像素点间隔从毫米级下降至微米级。该技能将传统的无机LED阵列细小化,每个标准在10微米标准的LED像素点均能够被独立的定位、点亮。也便是说,本来小距离LED的标准可进一步缩小至10微米量级。Micro-LED的显现办法十分直接,将10微米标准的LED芯片连接到TFT驱动基板上,然后完结对每个芯片放光亮度的准确操控,然后完结图画显现。

  而Micro LED display,则是底层用正常的CMOS集成电路制作工艺制成LED显现驱动电路,然后再用MOCVD机在集成电路上制作LED阵列,然后完结了微型显现屏,也便是所说的LED显现屏的缩小版。

  同LED相同,MicroLED典型结构是一个半导体器材,由直接能隙半导体资料构成。半导体晶片由两部分组成,一部分是P型半导体,在它里边空穴占主导地位,另一端是N型半导体,在这边首要是电子。但这两种半导体连接起来的时分,它们之间就构成一个P-N结。当电流经过导线效果于这个晶片的时分,电子就会被面向P区,在P区里电子跟空穴复合,然后就会以光子的办法宣布能量。Micro-LED光谱主波长度约为20nm的紫外光,可供给极高的色饱和度。

  显现器晶片表面有必要制作成好像LED显现器般的阵列结构,且每一个点划素有必要可定址操控、独自驱动点亮。若透过互补式金属氧化物半导体电路驱动则为自动定址驱动架构,MicroLED阵列晶片与CMOS间可透过封装技能。

  黏贴完结后Micro LED能藉由整合微透镜阵列,进步亮度及比照度。Micro LED阵列经由笔直交织的正、负栅状电极连接每一颗Micro LED的正、负极,透过电极线的依序通电,透过扫描办法点亮Micro LED以显现印象。

  相较传统的LED显现器材,新式Micro-LED从原有的300-1000微米的典型标准缩小到1-100微米,使之在平等面积的芯片上能够取得更高的集成数量。因LED自发光的显现特性,极大地进步了Micro-LED地光电转化功率,能够完结低能耗或高亮度的显现器规划。

  这样可解决现在显现器运用的两大问题,一是穿戴型设备、手机、平板等设备的80%以上的能耗在于显现器上,低能耗的显现器技能可供给更长的电池续航力;二是环境光较强致使显现器上的印象泛白、辨识度变差的问题,高亮度的显现技能可使其运用的范畴更加广大。

  Micro-LED是将LED结构规划进行薄膜化、细小化、阵列化,其标准仅在1-100μm等级左右;后将Micro-LED批量式搬运至电路基板上,其基板可为硬性、软性之通明、不通明基板上;再运用物理堆积制程完结保护层与上电极,即可进行上基板的封装,完结一结构简略的Micro-LED显现。

  关于Micro-LED的工艺问题,很多人以为,能够从传统LED屏中吸取经历。可是,Micro-LED与传统led显现产品不同巨大。与传统LED显现屏比较,Micro-LED的不同首要在于:1.精细程度数十倍的提高;2.集成工艺从直插、表贴、COB封装等变成了“巨量微搬运”;3.缺点可修复性简直为零;4.背板从印刷电路板,变成了液晶和OLED显现所运用的TFT基板,或许CPU与内存所选用的单晶硅基板。即与传统LED显现屏比较,Micro-LED在晶粒、封装、集成工艺、背板、驱动等每一个方面都不相同。

  现在关于半导体与芯片的制程微缩现在已到极限,而在制作上的微缩却还存在适当大的成长空间,关于Micro-LED制程上,现在首要出现分为三大品种:Chip bonding(芯片级焊接)、Wafer bonding(外延级焊接)和Thin film transfer薄膜搬运)

  将LED直接进行切割成微米等级的Micro LED chip(含磊晶薄膜和基板),运用SMT技能或COB技能,将微米等级的Micro LED chip一颗一颗键接于显现基板上。长处在于能够调理搬运距离,但不具有批量搬运才干。

  SMT技能(表面贴装技能)是电子拼装职业里最盛行的一种技能和工艺。它是一种将无引脚或短引线表面拼装元器材(简称SMC/SMD,中文称片状元器材)安装在印制电路板(Printed Circuit Board,PCB)的表面或其它基板的表面上,经过再流焊或浸焊等办法加以焊接拼装的电路装连技能。首要工艺进程有来料检测 = PCB的A面丝印焊膏(点贴片胶)= 贴片 =烘干(固化)=回流焊接 = 清洗 = 插件 = 波峰焊 = 清洗 = 检测 = 返修。

  COB(Chip On Board):小距离显现技能,即直接将LED发光晶元封装在PCB电路板上,并以CELL单元组合成显现器的技能办法。咱们将COB封装技能与SMT的子类传统的SMD技能进行比照。

  在LED的磊晶薄膜层上用感应耦合等离子离子蚀刻(ICP),直接构成微米等级的Micro-LED磊晶薄膜结构,此结构之固定距离即为显现画素所需的距离,再将LED晶圆(含磊晶层和基板)直接键接于驱动电路基板上,最终运用物理或化学机制剥离基板,仅剩4~5μm的Micro-LED磊晶薄膜结构于驱动电路基板上构成显现划素。长处是具有批量搬运才干,可是不能够调理搬运距离。

  感应耦合等离子体刻蚀技能的原理是通入反响气体运用电感耦合等离子体辉光放电将其分化,产生的具有强化学活性的等离子体在电场的加快效果下移动到样品表面,对样品表面既进行化学反响生成挥发性气体,又有必定的物理刻蚀效果。由于等离子体源与射频加快源别离,所以等离子体密度能够更高,加快才干也能够加强,以取得更高的刻蚀速率,以及更好的各向异性刻蚀。首要用于刻蚀Si基资料,Si,SiO2,SiNx,低温深Si刻蚀等,广泛运用于物理,生物,化学,资料,电子等范畴。

  将成长的外延层从基板上剥离和搬运,这答应高度不匹配的资料体系的异质集成。Lift off办法能够将epilayer搬运到任何的衬底上,而且假如衬底在lift off进程中没有损坏,贵重的衬底还能够重复运用,然后下降器材出产的总本钱。跟着异质资料异质集成需求的不断增加,各种不同的lift off技能得到了开展,包含epitaxial lift-off (ELO)、机械剥离、laser lift-off和二维(2D)资料辅佐层搬运(2DLT)等。特别是2DLT需求共同的外延技能,如远端外延或范德华(van der Waals, vdW)外延,使单晶薄膜在二维资料上成长,在较弱的vdW界面上简单掉落。

  激光剥离技能经过运用高能脉冲激光束穿透蓝宝石基板,光子能量介于蓝宝石带隙和GaN带隙之间,对蓝宝石衬底与外延成长的GaN资料的交界面进行均匀扫描;GaN层很多吸收光子能量,并分化构成液态Ga和氮气,则能够完结Al2O3衬底和GaN薄膜或GaN-LED芯片的别离,使得简直能够在不运用外力的情况下,完结蓝宝石衬底的剥离。

  机械剥离是一种在微米厚度范围内制作薄膜的办法,是一种相对粗糙的额工艺,它产生的薄膜厚度在几百纳米到几微米范围内。

  2DLT技能运用了vdWE和外延技能的长处来生成free-standing单晶膜。这种办法是经过vdWE和外延与二维资料辅佐搬运技能相结合完结的,其间二维资料的弱vdW结合促进了外延成长薄膜从衬底上剥离,在剥离后留下一个原始的表面。

  运用物理或化学机制剥离LED基板,以一暂时基板承载LED磊晶薄膜层,再运用感应耦合等离子离子蚀刻,构成微米等级的Micro-LED磊晶薄膜结构;或许,先运用感应耦合等离子离子蚀刻,构成微米等级的Micro-LED磊晶薄膜结构,再运用物理或化学机制剥离LED基板,以一暂时基板承载LED磊晶薄膜结构。最终,依据驱动电路基板上所需的显现画素点距离,运用具有选择性的搬运治具,将Micro-LED磊晶薄膜结构进行批量搬运,链接于驱动电路基板上构成显现画素。此办法本钱低,对显现基板标准无限制,具有批量搬运才干。

  最终,依据驱动电路基板上所需的显现划素点距离,运用具有选择性的搬运治具,将Micro LED磊晶薄膜结构进行批量搬运,键接于驱动电路基板上构成显现划素。

  Micro-LED实质上能够看作将LED器材进行数百倍乃至数千倍的缩小,以使更多更小的Micro-LED的发光集成在平等面积的芯片上。所以在工业上完结Micro-LED的技能瓶颈就在于此。这就涉及到一种其他电子职业简直都不会用到的高难度工艺——“巨量微搬运”(也叫巨量搬运)技能。“巨量搬运”是一个什么技能呢?简略说便是在指甲盖巨细的TFT电路基板上,依照光学和电气学的必要标准,均匀焊接数量到达百上千个,乃至更多红绿蓝三原色LED细小晶粒,且对答应的工艺失败率有着极为严苛的要求。只要到达这样程度工艺的一个产品,才干真实运用到实践产品中来。、

  现在看来,“巨量搬运”都仍是一个“量产前”技能,为了完结“巨量搬运”的方针,市面上一些适当不相同的技能。现在总结如下:

  如上图所示,现在依据已有的资料查询显现,巨量搬运技能依照原理的不相同,首要分为四个门户:精准抓取,自拼装,选择性开释和转印技能。

  如下为X-Celeprint的Elastomer Stamp技能,这归于pick&place阵营的范德华力派。其选用高精度操控的打印头,进行弹性印模,运用范德华力让LED黏附在搬运头上,然后放置到方针衬底片上去。现在选用的弹性体(Elastomer)一般是PDMS。X-Celeprint也称其技能为Micro-Transfer_Printing(μTP)技能。

  要完结这个进程,关于source基板的处理适当要害,要让制备好的LED器材能顺畅地被弹性体资料(Elastomer)吸附并脱离源基底,先需求经过处理LED器材下面出现“镂空”的状况,器材只经过锚点(Anchor)和开裂链(Techer)固定在基底上面。当喷涂弹性体后,弹性体会与器材经过范德华力结合,然后将弹性体和基底别离,器材的开裂链产生开裂,一切的器材则依照本来的阵列排布,被搬运到弹性体上面。制作好“镂空”,“锚点”和“开裂点”的基底见下图所示。

  运用磁力的原理,是在LED器材中混入铁钴镍等资料,使其带上磁性。在抓取的时分,运用电磁力操控,到达搬运的意图。

  Luxvue是苹果公司在2016年收买的创业公司。其选用的是静电力的peak-place技能。其详细的完结细节我没有查到,只要如下的两个专利或许能透漏出其细节的片纸只字。期望后边能得到更多的细节。选用静电力的办法,一般选用具有双极结构的搬运头,在搬运进程中散布施加正负电压,当从衬底上抓取LED时,对一硅电极通正电,LED就会吸附到搬运头上,当需求把LED放到既定方位时,对别的一个硅电极通负电,搬运即可完结。

  首要,其将LED表面包覆一层热解石墨薄膜,放置在磁性渠道,在磁场引导下LED将快速排列到定位。选用这种办法,应该是先会处理磁性渠道,让磁性渠道能有规划好的阵列散布,而分割好的LED器材,在磁场的效果下能快速完结定位,然后仍是会经过像PDMS一类的中心介质,搬运到方针基底上去。这种技能办法的优点有如下:

  经过激光束对源基底的快速扫描,让其直接脱离源基板而集成到方针基板上。关于这种技能的远景,现在依然需求更多技能细节的支撑。

  如下为KIMM公司的转印技能技能,转印技能经过滚轮将TFT与LED搬运到玻璃基底上面。关于这种技能,技能难度看起来十分大,特别是在于假如确保出产良率上面。

  此外:在当今寻求颜色化以及高分辨率高比照率、用户对屏幕的显现才干越来越严苛的严峻趋势下,Micro-LED的五颜六色化是一个重要的研讨方向。以下将对当时重要的几种Micro-LED的五颜六色化完结办法加以评论,包含RGB三色LED法、UV/蓝光LED 发光介质法、光学透镜合成法

  Micro-LED具有高解析度、低功耗、高亮度、高比照、高颜色饱和度、反响速度快、厚度薄、寿命长等特性,功率消耗量可低至LCD的10%、OLED的50%,是业界等待的下一代显现技能。现在假如考虑现有技能才干,Micro-LED有两大运用方向,一是可穿戴商场,以苹果为代表。二是超大标准电视商场,以Sony为代表。

  OLED和Micro LED比照LCD在各个功能性目标方面(PPI、功耗、亮度、薄度、显色指数、柔性面板习惯度)都有明显优势,尽管LCD面板运用时刻较长,供应链老练度较高,有价格优势,但在将来必会被OLED和Micro LED代替。

  OLED和Micro LED都是面向未来的显现技能,两者从工业实践的视点来看有不小的距离,Micro LED在性能上优于OLED。Micro LED是将微米等级的Micro LED巨量搬运到基板上,相似微缩的野外LED显现屏,每一个Micro LED都定址而且能够独自驱动点亮,相较OLED更加省电,反响速度更快,OLED比LCD更薄、显现更明晰,但假如要省电,得下降高亮度显现和白色画面,视觉体现会受到影响。Micro LED技能上现已突破了OLED的限制,亮度和饱和度比较之下都更高。此外OLED资料是有机发光二极管,在运用寿命上天然无法与Micro LED等有机发光二极管比较,在需求运用时分命的运用范畴,如轿车昂首显现、大型屏幕投影等方面Micro LED更具竞争力。

  从短期来看Micro-LED商场会集在超小型显现器,从中长时间来看,Micro-LED的运用范畴十分广泛,横跨穿戴式设备、超大室内显现屏幕外,头戴式显现器(HUD)、昂首显现器(HUD)、车尾灯、无线光通讯 Li-Fi、AR/VR、投影机等多个范畴。现在,AR/VR商场逐渐扩展,关于面板的要求也越来越高,旧有的LCD显现器和OLED显现器现已跟不上越来越高的商场需求。跟着这种需求更加火急,厂商们必将会寻觅新的屏幕显现技能来代替现有的LCD或是OLED显现器,而这种新技能Micro-LED刚好能满足要求。

  作为一种新的显现技能,Micro-LED开展速度到底有多快,开展方向怎么,这场显现范畴的革新又能够何时掀起,让咱们拭目而待!

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