在高清RGB顯示屏芯片領(lǐng)域，正裝、倒裝和垂直結(jié)構(gòu)“三足鼎立”，其中以普通藍寶石正裝和倒裝結(jié)構(gòu)較為常見，垂直結(jié)構(gòu)通常是指經(jīng)過襯底剝離的薄膜LED芯片，襯底剝離后邦定新的基板或者可以不邦定基板，做成垂直芯片。
對應(yīng)不同間距的顯示屏，正裝、倒裝和垂直三種結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣勢各異，但無論是對比正裝結(jié)構(gòu)還是倒裝結(jié)構(gòu)，垂直結(jié)構(gòu)在某些方面的優(yōu)勢顯而易見。
晶能光電江西總經(jīng)理梁伏波
P1.25-P0.6：四大優(yōu)勢脫穎而出
晶能光電江西總經(jīng)理梁伏波在2021年集邦咨詢新型顯示產(chǎn)業(yè)研討會現(xiàn)場介紹，晶能通過實驗對比了晶能的垂直5×5mil芯片與JD公司的正裝5×6mil芯片的性能。結(jié)果證明，相比正裝芯片，垂直芯片因單面發(fā)光、無側(cè)光，隨著間距的變小而產(chǎn)生光干擾更少，換言之，間距越小亮度損失越少。因此，垂直芯片在越小間距上的發(fā)光強度和顯示清晰度都有明顯的優(yōu)勢。
具體來看，垂直芯片呈朗勃發(fā)光形貌，出光均勻，容易配光，散熱性能好，所以顯示效果清晰；此外，垂直電極結(jié)構(gòu)，電流分布更均勻，IV曲線一致性好，而水平芯片因電極在同側(cè)，有電流堵塞，光斑均勻性差。
在生產(chǎn)良率方面，垂直結(jié)構(gòu)相比普通正裝結(jié)構(gòu)能少打兩根線，器件內(nèi)打線面積更充足，可有效增加設(shè)備產(chǎn)能，使器件由于焊線原因造成的不良率下降一個數(shù)量級。
在顯示屏應(yīng)用中，“毛毛蟲”現(xiàn)象一直以來都是困擾廠商的主要問題，而這種現(xiàn)象發(fā)生的根源就是金屬遷移。
梁伏波介紹，金屬遷移與芯片的溫度、濕度、電位差和電極材料緊密相關(guān)，在更小間距的顯示屏中更容易出現(xiàn)。而全垂直芯片結(jié)構(gòu)在解決金屬遷移方面也有著天然的優(yōu)勢。
一是垂直結(jié)構(gòu)芯片正負極之間距離大于135μm，由于正負極在物理空間的距離較大，即便發(fā)生金屬離子遷移，垂直芯片燈珠壽命也能夠比水平芯片長4倍以上，極大地提高了產(chǎn)品的可靠性和穩(wěn)定性。
二是垂直結(jié)構(gòu)的藍綠芯片表面為全惰性金屬電極Ti/Pt/Au，較難發(fā)生金屬遷移，主要性能與紅光垂直芯片一樣。
三是垂直結(jié)構(gòu)芯片采用銀膠，導熱性能好，燈內(nèi)溫度相對于正裝水平低很多，可以大幅度降低金屬離子遷移速度。
由此可見，相比普通正裝方案，垂直方案性能表現(xiàn)更佳，良率和可靠性更高。
現(xiàn)階段，在P1.25-P0.9應(yīng)用中，盡管普通正裝方案因低價優(yōu)勢而占據(jù)主要市場，但倒裝方案和垂直方案憑借更高的性能，在高端應(yīng)用領(lǐng)域扮演主要角色。成本方面，垂直方案的RGB一組芯片價格是倒裝方案的1/2，因此垂直結(jié)構(gòu)的性價比高出一籌。
在P0.6-P0.9mm應(yīng)用中，普通正裝方案受限于物理空間極限，難以保證良率，量產(chǎn)可能性低，倒裝和垂直芯片方案則能夠滿足要求。值得注意的是，對于封裝廠而言，選用倒裝結(jié)構(gòu)方案需增加大批設(shè)備，且由于倒裝芯片的兩個焊盤極小造成錫膏焊接良率不高，而垂直芯片方案封裝工藝成熟度高，現(xiàn)有封裝廠設(shè)備可以通用，加上垂直芯片一組RGB的成本只有倒裝芯片一組RGB的一半，垂直方案整體的性價比亦高于倒裝方案。
因此，在性能水平相當?shù)臈l件下，現(xiàn)階段垂直結(jié)構(gòu)的性價比高于倒裝結(jié)構(gòu)。總的來說，垂直芯片結(jié)構(gòu)在1.25-P0.6顯示屏應(yīng)用中將以四大優(yōu)勢占據(jù)一方市場。
P0.6-P0.3：兩大技術(shù)路線加持
對于P0.6-P0.3應(yīng)用，晶能主打去襯底薄膜芯片技術(shù)Thin Film LED，涵蓋垂直結(jié)構(gòu)和倒裝結(jié)構(gòu)。Thin film LED一般指經(jīng)過襯底剝離的薄膜LED芯片，襯底剝離后邦定新的基板或者可以不邦定基板做成垂直結(jié)構(gòu)，稱為Vertical thin film，簡稱VTF。同時，還可以不邦定基板，做成倒裝結(jié)構(gòu)，稱為thin film flip chip，簡稱TFFC。
梁伏波介紹，針對P0.6-P0.3等超小間距顯示屏的需求，晶能基于Thin Film LED技術(shù)，研發(fā)出兩種相對成熟的技術(shù)路線方案。
技術(shù)路線一：VTF/TFFC芯片+量子點紅光（QD+藍光InGaN LED）
在極小芯片尺寸下，傳統(tǒng)的AlGaInP紅光LED因其去襯底后機械性能很差，在轉(zhuǎn)移過程中極容易碎裂，很難進行后續(xù)的批量工藝生產(chǎn)。因此，一種解決方案就是采用印刷、噴涂、打印等技術(shù)，在GaN藍光LED表面放置量子點，獲得紅色LED。
技術(shù)路線二：RGB三色均采用InGaN LED
由于現(xiàn)有四元紅光去襯底后機械強度不夠，很難進行后續(xù)的工藝生產(chǎn)，而另一個解決方案就是RGB三色均為InGaN LED，同時實現(xiàn)外延、芯片制程的統(tǒng)一。據(jù)介紹，晶能已經(jīng)展開在硅襯底上生長氮化鎵紅光研發(fā)，且硅基InGaN紅光LED取得了一些成績，為該技術(shù)提供可能。
值得注意的是，晶能通過對比TFFC、FC、Micro三種芯片在襯底、芯片分離、發(fā)光效率和巨量轉(zhuǎn)移等方面的優(yōu)缺點，得出一個結(jié)論：用Micro的技術(shù)路線與晶能的Mini芯片相結(jié)合，在降低技術(shù)難度的同時，可大幅降低芯片成本。這也意味著4K、8K Mini超高清顯示的LED大屏幕產(chǎn)品有望走進千家萬戶。
Mini LED：技術(shù)研發(fā)和專利布局并進
早在2018年下半年，晶能就開始研發(fā)Mini RGB顯示屏應(yīng)用5×5mil硅襯底垂直芯片，發(fā)光區(qū)為90×90um，研究期間克服了外延芯片制程良率、ESD等難題。
梁伏波介紹，垂直Mini LED的藍綠芯片和紅光芯片有相同的芯片高度，且都是單面出光，顯示對比度、發(fā)光角度有優(yōu)異表現(xiàn)；同時，垂直結(jié)構(gòu)的藍綠芯片可完全避免客戶端長時間使用產(chǎn)生的金屬離子遷移導致的屏幕黑點異；此外，得益于成熟的封裝工藝，封裝廠現(xiàn)有大部分設(shè)備可以無縫對接，大幅度降低封裝廠固定資產(chǎn)投入。
目前，晶能5×5mil硅襯底垂直芯片已于2020年7月開始正式量產(chǎn)，目前處于小批量出貨階段，同時繼續(xù)配合更多客戶進行產(chǎn)品測試和驗證。
根據(jù)規(guī)劃，晶能預計適用P1.25-P0.7間距的4×4mil硅垂直藍綠芯片將于2021年第四季度末實現(xiàn)量產(chǎn)。而2×4mil硅垂直紅藍綠芯片預計2023年第四季度末實現(xiàn)量產(chǎn)，適用于P0.6-P0.3間距，根據(jù)實際性價比，應(yīng)用間距可向上至P0.7。
顯然，晶能的技術(shù)研發(fā)工作正在循序漸進地推進，而專利技術(shù)布局也盡在掌握之中。
目前，晶能已擁有超過420項全球?qū)＠w了外延材料、芯片應(yīng)用的整個產(chǎn)業(yè)鏈，其中，基于硅襯底的垂直結(jié)構(gòu)Mini LED芯片在國內(nèi)外都擁有技術(shù)專利保護。基于戰(zhàn)略客戶對硅襯底Mini LED產(chǎn)品的反饋，晶能接下來會考慮進一步擴產(chǎn)。
小結(jié)：當下，4K、8K Mini超高清顯示大屏在5G技術(shù)的驅(qū)動下勢不可擋，硅襯底垂直Mini LED芯片有機會成為一種超高性價比光源解決方案。
“是金子總會發(fā)光”，垂直芯片結(jié)構(gòu)擁有高性能、高性價比、高可靠性和高良率等優(yōu)勢，立足于Mini/Micro LED顯示領(lǐng)域自然是毋庸置疑的。隨著以晶能為代表的廠商持續(xù)挖掘垂直結(jié)構(gòu)的潛力，未來硅襯底垂直Mini LED芯片的應(yīng)用觸角將不斷延伸。
