高密度LED顯示屏產(chǎn)品進(jìn)階，從芯片開(kāi)始

　　1 前言

　　2011年以來(lái)，中國大陸MOCVD機臺和LED芯片產(chǎn)能的急速擴張，國內LED芯片技術(shù)快速進(jìn)步， LED芯片和器件性能穩步提升，價(jià)格快速下降，近兩年LED芯片價(jià)格年均下降30%以上。雖然異常激烈的價(jià)格和技術(shù)競爭，擠占了LED芯片企業(yè)的基本利潤，但也正是由于LED芯片和器件性?xún)r(jià)比的快速提升，使LED的應用領(lǐng)域和滲透比例得到快速擴展。戶(hù)內外全彩LED顯示屏應用發(fā)展迅速，而高密度(小間距)LED顯示屏更是成為L(cháng)ED顯示屏領(lǐng)域發(fā)展最為火熱的領(lǐng)域。

　　小間距LED顯示屏是指LED點(diǎn)間距在P2.5以下的室內LED顯示屏，主要包括P2.5、 P2.0、 P1.8、 P1.5等LED顯示屏產(chǎn)品。高密度小間距LED顯示屏是行業(yè)新興的重要市場(chǎng)，也是目前產(chǎn)品利潤率較高的市場(chǎng)之一。隨著(zhù)LED芯片/封裝技術(shù)、顯示屏驅動(dòng)控制技術(shù)及顯示屏組裝制造工藝的進(jìn)步， LED顯示屏的分辨率得到了大幅提升，戶(hù)內高密度LED顯示屏的像素中心距不斷取得突破，目前己邁入0.X mm時(shí)代。

　　戶(hù)內高密度LED顯示屏今后若干年有可能取代拼接墻成為室內高密度大屏幕的主流顯示媒介，在商用顯示、指揮控制中心、公共監控指揮、演播會(huì )議中心等室內顯示場(chǎng)所將有廣泛的應用。在室外應用方面，近年隨著(zhù)室外表貼LED封裝技術(shù)的改進(jìn)以及室外模塊防護水平的提高，室外全彩屏的像素中心距的極限也在不斷地被刷新， 5.Xmm的室外全彩色大屏幕己在市場(chǎng)得到應用。

　　高密度LED顯示屏應用具有巨大的潛力，但同時(shí)也面臨不少技術(shù)挑戰。當像素間距降低到1.0mm以下時(shí)尤其突出。針對高密度LED顯示屏應用，我們總結出“四高”趨勢，即高像素密度、高掃描比、高刷新率、高灰度等級。要在LED顯示屏中實(shí)現上述“四高”，需要LED產(chǎn)業(yè)上中下游一起努力，在LED芯片特性、 LED封裝技術(shù)、 LED驅動(dòng)電路及控制系統等方面共同取得進(jìn)步，整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈相互配合協(xié)作，才能解決高密度LED顯示屏應用中碰到的新問(wèn)題和挑戰。下面就對高密度LED顯示屏應用的理解，結合上述“四高”趨勢，簡(jiǎn)單討論其對LED芯片特性的要求，并列舉目前遇到的一些挑戰。

　　2 高像素密度

　　LED顯示屏點(diǎn)間距由P3.0降到P2.0，再降到P1.0甚至P0.X，單位面積顯示屏需要的LED芯片數量，按點(diǎn)距倒數的平方遞增。 1平方米面積的顯示屏， P3.0密度需要0.11KK組的LED芯片，而P1.0密度的高密屏則需要1KK組的LED芯片，數量比P3.0增加了9倍。高密度LED顯示屏單位面積芯片數量呈幾何級數的增加，也對LED芯片提出了更多的要求。

　　2.1 芯片價(jià)格及成本

　　高密度顯示屏對LED芯片的增加，對LED芯片的價(jià)格提出了更高的要求，在滿(mǎn)足應用要求的前提下，LED芯片廠(chǎng)必須盡可能降低單顆LED芯片價(jià)格，這就對LED芯片廠(chǎng)的技術(shù)進(jìn)步、生產(chǎn)管理成本控制及良率控制提出了更高的要求。 LED芯片價(jià)格的降低，意味著(zhù)芯片廠(chǎng)需要不斷提升LED芯片的光效，并減小LED芯片的尺寸——目前芯片尺寸已經(jīng)降低到6mil甚至5mil以下， LED芯片的長(cháng)寬尺度已經(jīng)減小到接近LED芯片的厚度尺度， LED芯片接近很小的立方體。這就對LED晶片的外延和芯片的劃裂片、分選等工藝提出了更高要求，也對各種異常的控制管理提出了更大的挑戰。

　　2.2 芯片可靠性

　　作為類(lèi)似點(diǎn)光源的LED芯片， LED顯示屏中LED芯片的光衰減或失效將對LED顯示屏顯示效果的完美和完整性有顯著(zhù)影響。高密度屏對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幾十個(gè)ppm降低到幾個(gè)甚至1個(gè)ppm以下，對LED芯片廠(chǎng)的質(zhì)量把控體系提出了更高要求。

　　2.3 小電流一致性

　　為保護人眼，確保良好的顯示效果，戶(hù)內LED顯示屏對單位面積的總亮度有明確的要求，高密度LED顯示屏單位面積芯片數量的增加，意味著(zhù)單顆LED芯片的亮度需要同比例降低。 LED顯示屏整體亮度一般通過(guò)調整LED芯片的驅動(dòng)電流實(shí)現，在一些戶(hù)內高密度顯示屏中， LED芯片的正向電流已經(jīng)降低到1mA甚至0.5mA以下。這就要求小電流工作下， RGB三色芯片的亮度、波長(cháng)有較好的一致性，還要求對工作電流進(jìn)行調整時(shí)， RGB三色芯片的亮度、波長(cháng)的變化特性也要基本保持一致。由于RGB三種顏色芯片的外延材料和組份有較大差異，本身材料的晶體質(zhì)量和物理特性就有差異，要實(shí)現小電流的一致性，需要在三種芯片的外延方面進(jìn)行較好的匹配和調整。

　　3 高掃描比

　　高密度LED顯示屏采用動(dòng)態(tài)掃描方式，以節省芯片驅動(dòng)的成本，如4掃、 8掃、 16掃等。隨著(zhù)顯示屏密度越來(lái)越高，可以預料掃描比將越來(lái)越高，以控制LED驅動(dòng)的成本，及減少單元板上驅動(dòng)和控制電路排布的壓力。預計未來(lái)高密度顯示屏的掃描方式會(huì )由目前主流的8掃和16掃，演變?yōu)?2掃甚至是64掃。更高的掃描比意味著(zhù)LED芯片將在更多的時(shí)間中處于反壓的非點(diǎn)亮狀態(tài)，這對LED芯片的耐反壓能力有更高的要求，需要LED芯片具有更高的Vr和更長(cháng)久的耐反壓的能力。

　　4 高刷新率和高灰階

　　基于現有LED顯示屏對灰度的控制方式， LED顯示屏的刷新率和灰階是關(guān)聯(lián)度很高而又相互制約的兩個(gè)參數。要實(shí)現高刷新和高灰階的高密度LED顯示屏，從LED芯片角度來(lái)看其要求是類(lèi)似的，因此這里把他們放在一起進(jìn)行探討。

　　4.1 LED響應時(shí)間

　　LED顯示屏的灰度控制方法一般是基于PWM方式， 為了看起來(lái)沒(méi)有閃爍感，我們需要使LED顯示屏具有較高的刷新率。這將要求驅動(dòng)芯片的OE的開(kāi)關(guān)時(shí)間盡可能快(目前較好的驅動(dòng)IC最短的OE的開(kāi)關(guān)時(shí)間已經(jīng)能做到20ns以下)，同時(shí)也就要求LED芯片能在如此短的時(shí)間內實(shí)現線(xiàn)性的亮度響應。因此基于現有的LED對灰度和刷新率的控制方式，要在高密度LED顯示屏中實(shí)現低亮度、高刷新和高灰度，需要LED的響應時(shí)間(開(kāi)啟時(shí)間+關(guān)滅時(shí)間)盡可能的短，例如要低于20ns甚至是10ns以下。這對LED外延材料的生長(cháng)和LED結構設計提出了很高要求，需要在外延生長(cháng)方面進(jìn)行科學(xué)的全面的優(yōu)化，并保持MOCVD系統和程式的高度穩定

　　4.2 開(kāi)啟和關(guān)滅一致

　　要實(shí)現高密度LED顯示屏的高灰度和高刷新，不但需要LED芯片有盡可能短的響應時(shí)間，還要求LED芯片在短時(shí)間點(diǎn)亮的情況下，有較一致的開(kāi)啟電壓(Vfin)，并且開(kāi)啟電壓要盡可能大，還要具有較快且一致的關(guān)滅時(shí)間。這將有利于消除LED顯示屏中的暗亮現象、低亮度和低灰度情況下亮度不均和顏色不均及灰度損失等現象。

　　4.3 耐正向沖擊能力

　　當驅動(dòng)芯片的OE時(shí)間降低到50ns甚至是20ns以下時(shí)，在驅動(dòng)電流輸出的上升沿和下降沿很容易出現突波(或稱(chēng)電流過(guò)沖)現象。 LED芯片在頻繁的電流過(guò)沖情況下工作，容易出現異常的光衰減甚至是死燈現象。要解決這個(gè)問(wèn)題，一方面要從驅動(dòng)芯片的電路設計著(zhù)手，盡可能在保證足夠小的OE時(shí)間的同時(shí)，實(shí)現規則的脈沖方波電流的輸出(這在OE時(shí)間降低到20ns甚至是10ns以下時(shí)，確實(shí)不太容易)。另一方面就是LED芯片廠(chǎng)商優(yōu)化其外延結果和芯片工藝，提升LED芯片的耐脈沖過(guò)電流沖擊的能力。

　　LED高密度顯示屏應用關(guān)注度很高，未來(lái)大量的應用規?？善?，通過(guò)LED上中下游產(chǎn)業(yè)鏈的相互協(xié)作，共同解決LED高密度屏中的一些問(wèn)題，提出并形成一些標準，將使LED在大尺寸高密度顯示甚至是3D顯示領(lǐng)域占據主導地位。以上是筆者對于高密度LED顯示屏應用中LED芯片特性的一些要求的理解，由于對LED顯示屏的驅動(dòng)和控制了解有限，難免有不妥之處，在此拋磚引玉，以期共同探討。