翼之彩:高密度LED显示屏产品进阶,从芯片开始!

更新时间:17/10/17 09:24:10     来源:www.sdyizhicai.com关闭分    享:

 

1 前言


2011年以来,中国大陆MOCVD机台和LED芯片产能的急速扩张,国内LED芯片技术快速进步, LED芯片和器件性能稳步提升,价格快速下降,近两年LED芯片价格年均下降30%以上。虽然异常激烈的价格和技术竞争,挤占了LED芯片企业的基本利润,但也正是由于LED芯片和器件性价比的快速提升,使LED的应用领域和渗透比例得到快速扩展。户内外全彩LED显示屏应用发展迅速,而高密度(小间距)LED显示屏更是成为LED显示屏领域发展最为火热的领域。


小间距LED显示屏是指LED点间距在P2.5以下的室内LED显示屏,主要包括P2.5、 P2.0、 P1.8、 P1.5等LED显示屏产品。高密度小间距LED显示屏是行业新兴的重要市场,也是目前产品利润率较高的市场之一。随着LED芯片/封装技术、显示屏驱动控制技术及显示屏组装制造工艺的进步, LED显示屏的分辨率得
到了大幅提升,户内高密度LED显示屏的像素中心距不断取得突破,目前己迈入0.X mm时代。


户内高密度LED显示屏今后若干年有可能取代拼接墙成为室内高密度大屏幕的主流显示媒介,在商用显示、指挥控制中心、公共监控指挥、演播会议中心等室内显示场所将有广泛的应用。在室外应用方面,近年随着室外表贴LED封装技术的改进以及室外模块防护水平的提高,室外全彩屏的像素中心距的极限也在不断地被刷新, 5.Xmm的室外全彩色大屏幕己在市场得到应用。


高密度LED显示屏应用具有巨大的潜力,但同时也面临不少技术挑战。当像素间距降低到1.0mm以下时尤其突出。针对高密度LED显示屏应用,我们总结出“四高”趋势,即高像素密度、高扫描比、高刷新率、高灰度等级。要在LED显示屏中实现上述“四高”,需要LED产业上中下游一起努力,在LED芯片特性、 LED封装技术、 LED驱动电路及控制系统等方面共同取得进步,整个产业链相互配合协作,才能解决高密度LED显示屏应用中碰到的新问题和挑战。下面就对高密度LED显示屏应用的理解,结合上述“四高”趋势,简单讨论其对LED芯片特性的要求,并列举目前遇到的一些挑战。


2 高像素密度


LED显示屏点间距由P3.0降到P2.0,再降到P1.0甚至P0.X,单位面积显示屏需要的LED芯片数量,按点距倒数的平方递增。 1平方米面积的显示屏, P3.0密度需要0.11KK组的LED芯片,而P1.0密度的高密屏则需要1KK组的LED芯片,数量比P3.0增加了9倍。高密度LED显示屏单位面积芯片数量呈几何级数的增加,也对LED芯片提出了更多的要求。


2.1 芯片价格及成本


高密度显示屏对LED芯片的增加,对LED芯片的价格提出了更高的要求,在满足应用要求的前提下,LED芯片厂必须尽可能降低单颗LED芯片价格,这就对LED芯片厂的技术进步、生产管理成本控制及良率控制提出了更高的要求。 LED芯片价格的降低,意味着芯片厂需要不断提升LED芯片的光效,并减小LED芯片的尺寸——目前芯片尺寸已经降低到6mil甚至5mil以下, LED芯片的长宽尺度已经减小到接近LED芯片的厚度尺度, LED芯片接近很小的立方体。这就对LED晶片的外延和芯片的划裂片、分选等工艺提出了更高要求,也对各种异常的控制管理提出了更大的挑战。


2.2 芯片可靠性


作为类似点光源的LED芯片, LED显示屏中LED芯片的光衰减或失效将对LED显示屏显示效果的完美和完整性有显著影响。高密度屏对LED芯片的可靠性提出更苛刻的要求, LED芯片的失效率要由此前的几
十个ppm降低到几个甚至1个ppm以下,对LED芯片厂的质量把控体系提出了更高要求。


2.3 小电流一致性


为保护人眼,确保良好的显示效果,户内LED显示屏对单位面积的总亮度有明确的要求,高密度LED显示屏单位面积芯片数量的增加,意味着单颗LED芯片的亮度需要同比例降低。 LED显示屏整体亮度一般通过调整LED芯片的驱动电流实现,在一些户内高密度显示屏中, LED芯片的正向电流已经降低到1mA甚至0.5mA以下。这就要求小电流工作下, RGB三色芯片的亮度、波长有较好的一致性,还要求对工作电流进行调整时, RGB三色芯片的亮度、波长的变化特性也要基本保持一致。由于RGB三种颜色芯片的外延材料和组份有较大差异,本身材料的晶体质量和物理特性就有差异,要实现小电流的一致性,需要在三种芯片的外延方面进行较好的匹配和调整。


3 高扫描比


高密度LED显示屏采用动态扫描方式,以节省芯片驱动的成本,如4扫、 8扫、 16扫等。随着显示屏密度越来越高,可以预料扫描比将越来越高,以控制LED驱动的成本,及减少单元板上驱动和控制电路排布的压力。预计未来高密度显示屏的扫描方式会由目前主流的8扫和16扫,演变为32扫甚至是64扫。更高的扫描比意味着LED芯片将在更多的时间中处于反压的非点亮状态,这对LED芯片的耐反压能力有更高的要求,需要LED芯片具有更高的Vr和更长久的耐反压的能力。


4 高刷新率和高灰阶


基于现有LED显示屏对灰度的控制方式, LED显示屏的刷新率和灰阶是关联度很高而又相互制约的两个参数。要实现高刷新和高灰阶的高密度LED显示屏,从LED芯片角度来看其要求是类似的,因此这里把他们放在一起进行探讨。


4.1 LED响应时间


LED显示屏的灰度控制方法一般是基于PWM方式, 为了看起来没有闪烁感,我们需要使LED显示屏具有较高的刷新率。这将要求驱动芯片的OE的开关时间尽可能快(目前较好的驱动IC最短的OE的开关时间已经能做到20ns以下),同时也就要求LED芯片能在如此短的时间内实现线性的亮度响应。因此基于现有的LED对灰度和刷新率的控制方式,要在高密度LED显示屏中实现低亮度、高刷新和高灰度,需要LED的响应时间(开启时间+关灭时间)尽可能的短,例如要低于20ns甚至是10ns以下。这对LED外延材料的生长和LED结构设计提出了很高要求,需要在外延生长方面进行科学的全面的优化,并保持MOCVD系统和程式的高度稳定


4.2 开启和关灭一致


要实现高密度LED显示屏的高灰度和高刷新,不但需要LED芯片有尽可能短的响应时间,还要求LED芯片在短时间点亮的情况下,有较一致的开启电压(Vfin),并且开启电压要尽可能大,还要具有较快且一致的关灭时间。这将有利于消除LED显示屏中的暗亮现象、低亮度和低灰度情况下亮度不均和颜色不均及灰度损失等现象。


4.3 耐正向冲击能力


当驱动芯片的OE时间降低到50ns甚至是20ns以下时,在驱动电流输出的上升沿和下降沿很容易出现突波(或称电流过冲)现象。 LED芯片在频繁的电流过冲情况下工作,容易出现异常的光衰减甚至是死灯现象。要解决这个问题,一方面要从驱动芯片的电路设计着手,尽可能在保证足够小的OE时间的同时,实现规则的脉冲方波电流的输出(这在OE时间降低到20ns甚至是10ns以下时,确实不太容易)。另一方面就是LED芯片厂商优化其外延结果和芯片工艺,提升LED芯片的耐脉冲过电流冲击的能力。


LED高密度显示屏应用关注度很高,未来大量的应用规模可期,通过LED上中下游产业链的相互协作,共同解决LED高密度屏中的一些问题,提出并形成一些标准,将使LED在大尺寸高密度显示甚至是3D显示领域占据主导地位。以上是笔者对于高密度LED显示屏应用中LED芯片特性的一些要求的理解,由于对LED显示屏的驱动和控制了解有限,难免有不妥之处,在此抛砖引玉,以期共同探讨。