淺析從LED到Micro-LED的演變史

從歷史上看，LED的芯片尺寸一直都很大。第一個LED顯示屏使用了獨立的紅色，綠色和藍色LED芯片。每個LED芯片都封裝在具有電氣連接和光學(xué)元件的獨立外殼中。這個LED的尺寸大小意味著像素間距不會太?。?0mm左右是一個典型值），2000年我們曾報道過Lighthouse實現(xiàn)10mm到5mm像素間距突破的消息。

如果像素間距很大而觀看距離又很近，那么所顯示的圖像質(zhì)量會很差。業(yè)內(nèi)有這樣一個經(jīng)驗，為了保證合適的觀看效果，每毫米的像素間距至少需要1米的觀看距離。不過，我覺得每毫米的像素間距對應(yīng)1.5米觀看距離會更理想。如果你想現(xiàn)在制作一款像素間距為20毫米的LED顯示屏，那么你就需要在20米距離外觀看它。這意味著，使用這種技術(shù)的大多數(shù)顯示器都需要安裝在室外或非常大的空間內(nèi)，用于遠距離觀看。

三色 LED最初看起來和普通的單個LED一樣

為了改善這一點，LED器件封裝商開始采用三個獨立的LED芯片，并將它們像單個LED一樣封裝在一起，不過這種封裝可以產(chǎn)生不同的混色光。這種架構(gòu)是所有小間距LED的基礎(chǔ)，這些LED在公共場所使用得越來越普遍，即使從相對近的距離觀看，效果也還好。最初，它們看起來像帶有透鏡的獨立LCD，但隨后這種設(shè)計就被能夠?qū)崿F(xiàn)LED表貼在PCB上的SMD架構(gòu)所取代。

設(shè)計人員可以繼續(xù)使LED封裝越來越小，以進一步縮小成品顯示器的像素間距。目前，基于這種新架構(gòu)LED的顯示器的像素間距大約只有0.9毫米。

億光（Everlight）于2016年在Electronica上展示的SMD顯示芯片。圖片：Meko

由于需要散熱，基于這種尺寸LED的顯示器設(shè)計變得棘手，它的亮度比大多數(shù)的LED顯示器低得多。不過也有特殊情況，比如像Silicon Core（美國硅芯片技術(shù)公司）這樣的供應(yīng)商就通過不同架構(gòu)和驅(qū)動方法的使用，在同樣的LED尺寸下，就比其他供應(yīng)商做得更好，從而能夠從眾多的LED供應(yīng)商中脫穎而出。

索尼2016年通過在CinemaCon（美國電影產(chǎn)業(yè)大會）和Infocomm（美國國際視聽展）上展示其CrystalLED技術(shù)，真正在這個市場中引起軒然大波。這項技術(shù)改變了傳統(tǒng)設(shè)計，使用極小的LED芯片并在其周圍設(shè)計極大的黑色區(qū)域。這比傳統(tǒng)方法可以實現(xiàn)更好的黑色水平（Black Level）。索尼將LED芯片直接安裝在電路板上，這種技術(shù)被稱為“板上芯片”（CoB，Chip on Board）技術(shù)。其他公司也一直在嘗試開發(fā)相同概念的產(chǎn)品，不過效果參差不齊。雖然索尼已經(jīng)做得很好– 但是成本原因，這種芯片和方案還不能獲得更高的商業(yè)價值。

2016Infocomm上拍攝的索尼Crystal LED特寫畫面：LED和黑色區(qū)域。圖片：Meco

然而，索尼在這款顯示器的設(shè)計上所做的只是為了展示LED顯示器到底有多優(yōu)秀。由于LED是自發(fā)光而且沒有速度問題，因此視角問題幾乎可以不考慮，而色域和壽命更是具有吸引力。所以，這是一項值得進一步研究開發(fā)的技術(shù)。此外，LED是將電子轉(zhuǎn)換為光子的最有效方式之一，從保護環(huán)境的角度看也很有優(yōu)勢。

其實，索尼在2012年基于電視產(chǎn)品已經(jīng)展示了相同的概念，當時它在CES上展示了一款55英寸全高清電視。這款產(chǎn)品看起來非常吸引人，有傳聞?wù)f它是在幾個月的時間里手工完成的！也就是說，這款電視所使用的600多萬顆LED是完全通過人工單獨轉(zhuǎn)移的。不過，索尼制作這款產(chǎn)品只是作為技術(shù)展示，迄今為止尚未將它商品化。

因此，就我們關(guān)心的問題而言，索尼使用的LED實際上是micro-LED，對于許多人來說，尺寸小于100微米的LED即為micro-LED。同樣在研究開發(fā)LED顯示器的三星顯示器公司，顯然更愿意使用自己的理解來定義micro-LED。三星對外宣稱“The Wall”為micro-LED顯示器，盡管這些LED芯片的實際尺寸約為0.4mm x 0.125mm。

三星在CES上展示的圖像：左側(cè)是連續(xù)LED芯片的顯微圖像，右側(cè)是146英寸“The Wall”電視。圖片：Meko

三星“The Wall”顯示器用的LED芯片比索尼Crystal LED大得多。圖片：Meco

三星說其今年在CES上展示的“The Wall”顯示器使用了micro-LED芯片，它在新聞發(fā)布會上還展示了該“micro-LED”芯片的顯微圖像，根據(jù)對角線和分辨率計算，其像素間距為0.82毫米。根據(jù)拍攝到的圖像計算，圖中的LED尺寸為410微米×124微米。它們與索尼的CystalLED所用LED像素區(qū)別很大。索尼在引述時，談到其像素面積小于0.003mm2，這意味著LED芯片的每一邊（假設(shè)該LED芯片是正方形）為54微米，這符合我們對micro-LED的定義。另一方面，三星的“The Wall”顯示器所用LED的面積約為0.051mm2，這是索尼的17倍。

盡管Mini-LED很可能直接用于小間距顯示器，但目前正在討論的應(yīng)用主要還是LCD顯示器的直下式背光。究其原因，首先LCD制造商急需要增加其相對于OLED面板，在高對比度顯示器領(lǐng)域的競爭力，比如電視和車載應(yīng)用。在汽車行業(yè)，使用大量mini-LED來提升黑色水平，可以很好地解決汽車制造商目前面臨的兩個問題。

高的黑色水平意味著面板可以消失在背景中，當顯示器通電時，常見的顯示器矩形輪廓會變得不明顯，這在傳統(tǒng)背光情況下只可能發(fā)生在黑暗環(huán)境中。汽車設(shè)計師不喜歡矩形顯示器的輪廓。這也意味著您可以接受使用并排的兩個顯示屏來取代單個的超寬顯示屏，這可以降低成本。

OLED面板能夠?qū)崿F(xiàn)很高的黑色水平，但是將OLED面板用于車載產(chǎn)品仍然是一個挑戰(zhàn)。奧迪已經(jīng)在其新款e-tron SUV中安裝了OLED顯示屏來取代后視鏡，但在調(diào)整后的短時間內(nèi)，該顯示屏不能顯示動態(tài)的圖像。另一方面，在儀表板顯示器或中央顯示器中，通常存在許多需要靜態(tài)顯示的內(nèi)容，這會加重OLED面板的圖像殘留（Image Sticking）問題。

在電視應(yīng)用中，OLED面板具有非常吸引人的黑色水平，但它很難在高亮度工作條件下顯示同時具有高亮度和高飽和度的畫面。用于電視的大型OLED面板也只能從LG Display獲得，這讓一些電視機制造商失去議價權(quán)（對于三星同樣如此）。在CES展會上，三星在其自己的創(chuàng)新室里展示了一臺采用最新版VA LCD技術(shù)的電視（改善了視角特性），這款產(chǎn)品設(shè)計使用了具有千個分區(qū)的直下式背光。它與LG 的OLED顯示器并排展示，背光幾乎沒有光暈，峰值亮度和色彩量也確實令人印象深刻。

現(xiàn)在看，這兩種應(yīng)用都需要非常大量的mini-LED。鑒于LED是從晶圓切割的半導(dǎo)體，這意味著為了將成本保持在可接受的程度，LED芯片必須非常小。如果LED芯片太大，你根本無法在晶圓層面限制生產(chǎn)成本。據(jù)我所知，大多數(shù)LED芯片都是用4英寸晶圓制造的。根據(jù)粗略計算，如果芯片面積設(shè)計為0.5 平方毫米，4英寸的晶圓可以制造出20,000到30,000顆mini-LED。然而，如果芯片面積降到0.2平方毫米，這意味著同樣的晶圓可以制造出六到七倍數(shù)量的mini-LED。

所以，在我看來，雖然有些人認為是0.5平方毫米是mini-LED的合理尺寸，但是我還是覺得這個尺寸太大了。對于目前正在開發(fā)的這些應(yīng)用來說，這種尺寸的mini-LED還是太貴了。IHS Markit已經(jīng)說過，按照目前的價格，mini-LED液晶顯示器太貴了。

在此基礎(chǔ)上，我將micro-LED的尺寸定義為每邊“小于100微米”，而mini-LED的最大邊長為100微米到200微米。

在調(diào)研撰寫這篇文章時，我剛好在今年夏天Yole Développement公司Eric Virey分析師的演講報告中看到一些非常好的圖片（如下圖）。在那篇專業(yè)的博客內(nèi)容中，LED Inside使用200微米作為mini-LED的上限尺寸，而下限尺寸為50微米。Yole強調(diào)的一個關(guān)鍵區(qū)別是，雖然mini-LED可以封裝為SMD或CoB器件，但micro-LED是嚴格使用CoB架構(gòu)的，micro-LED的芯片直接連接到電路板上。

Yole關(guān)于micro-LED技術(shù)的發(fā)展介紹圖示

另一種定義方案是使用面積而不是邊長作為特征參數(shù)。使用這種方式，這意味著我們對micro-LED的定義是面積小于0.01mm2，而mini-LED是從0.01平方毫米到0.04平方毫米。