בהשוואה לטכנולוגיות תצוגה אחרות, לצגי LED יש את היתרונות של תאורה עצמית, שכפול צבעים מעולה, קצב רענון גבוה, חיסכון בצריכת חשמל ותחזוקה קלה. שני המאפיינים של בהירות גבוהה וגודל סופר גדול ניתן להשיג באמצעות חיבור הם הגורמים המכריעים לצמיחה המהירה של מסכי תצוגה LED בשני העשורים האחרונים. בתחום התצוגה החיצונית בעלת המסך הגדול, עד כה אף טכנולוגיה אחרת לא יכולה להתחרות בטכנולוגיית תצוגת LED.
אבל בעבר, תצוגות LED היו גם חסרונות שלה, כגון המרווח הגדול בין חרוזי המנורה הארוזים, וכתוצאה מכך ברזולוציה נמוכה, אשר אינו מתאים לצפייה פנימית וקרובה. על מנת לשפר את הרזולוציה, יש צורך להפחית את המרווח בין חרוזי המנורה, אבל גודל חרוזי המנורה מופחת. למרות שניתן לשפר את הרזולוציה של המסך כולו, העלות תעלה במהירות. העלות המוגזמת משפיעה על היישום המסחרי בקנה מידה גדול של צגי LED קטנים. .
בשנים האחרונות, הודות למאמציהם של יצרני שבבים ויצרני אריזות, יצרני מעגלי IC ויצרני מסכים, העלות של התקני אריזה בודדים הפכה נמוכה יותר ויותר, התקני חבילת LED הפכו קטנים יותר ויותר, ומגרשי פיקסל התצוגה הפכו קטנים יותר ויותר. הרזולוציה הולכת וגוברת, מה שהופך את היתרונות של תצוגת LED קטנה בצג מסך גדול מקורה יותר ויותר ברור.
כיום, נורות LED קטנות משמשות בעיקר במדיה פרסומית, אצטדיונים, רקעים בימתיים, הנדסה עירונית ותחומים אחרים, וממשיכים לפתח שווקים בתחומי התחבורה, השידור, הצבא ותחומים אחרים. ההערכה היא כי עד 2018, גודל השוק יהיה קרוב לעשרות מיליארדים. ניתן לחזות כי בשנים הקרובות, תצוגת LED קטנה תמשיך להרחיב את נתח השוק שלה ולתפוס את שטח השוק של ההקרנה האחורית DLP. על פי מכון המחקר לניירות ערך של סין Everbright, עד שנת 2020, שיעור ההחלפה של צגי LED בעלי גובה קטן עבור תחזיות אחוריות DLP יגיע ל-70% עד 80%.
הכותבת עוסקת בתעשיית ייצור שבבי ה-LED הכחולים-ירוקים ועוסקת בפיתוח מוצרים מזה שנים רבות. מנקודת המבט של עיצוב המוצר וטכנולוגיית התהליך, פיתוח מסכי LED קטנים יידונו בביקוש לשבבי LED כחולים-ירוקים, כמו גם באמצעי נגד אפשריים בצד השבב.
2. הביקוש לצג LED בהספק קטן לשבבי LED
כליבה של צג ה-LED, שבב ה-LED ממלא תפקיד חיוני בהתפתחות נוריות קטנות. ההישגים הנוכחיים והפיתוח העתידי של תצוגות LED קטנות מסתמכים על מאמצים בלתי פוסקים בצד השבב.
מצד אחד, גובה הנקודות של מסך התצוגה המקורה צומצם בהדרגה מה-P4 המוקדם ל-P1.5, P1.0 ו-P0.8 בפיתוח. בהתאמה, גודל חרוז המנורה הופחת מ 3535 ו 2121 ל 1010. יצרנים מסוימים פיתחו גדלים 0808 ו 0606, וכמה יצרנים אפילו מפתחים 0404 גדלים.
כפי שכולנו יודעים, התכווצות חרוזי המנורה הארוזים תדרוש באופן בלתי נמנע כיווץ של גודל השבב. נכון לעכשיו, שטח הפנים של שבבים כחולים-ירוקים עבור מסכי תצוגה קטנים הנפוץ בשוק הוא כ 30 mil2, וכמה מפעלי שבבים כבר בייצור המוני שבבים של 25 mil2 או אפילו 20 mil2.
מצד שני, ככל ששטח הפנים של השבב נעשה קטן יותר והבהירות של ליבה אחת פוחתת, סדרה של בעיות המשפיעות על איכות התצוגה הפכו גם בולטות.
הראשון הוא הדרישה לקנה מידה אפור. שלא כמו מסכים חיצוניים, הקושי של ביקוש למסך מקורה אינו טמון בבהירות אלא בגווני אפור. נכון לעכשיו, דרישת הבהירות של מסך מרווח גדול מקורה היא כ 1500 cd / m2 -2000 cd / m2, ואת הבהירות של צג LED קטן המגרש הוא בדרך כלל על 600 cd / m2 -800 cd / m2, ואת המתאים ביותר עבור תשומת לב לטווח ארוך הבהירות הטובה ביותר היא סביב 100 cd / m2 - 300cd / m2.
אחת הבעיות הנוכחיות של מסכי LED קטנים היא "בהירות נמוכה ואפור נמוך". כלומר, קנה המידה האפור אינו מספיק בבהירות נמוכה. כדי להשיג "בהירות נמוכה ואפור גבוה", קצה החבילה הנוכחי מאמץ סוגריים מרובעים שחורים. מכיוון שלסוגריים השחורים יש השתקפות חלשה על השבב, השבב נדרש להיות בהירות מספקת.
הבאה בתור היא הבעיה של אחידות התצוגה. בהשוואה למסכים קונבנציונליים, ככל שהמרווח קטן יותר יגרום לבעיות כגון אפטרגל, סריקה ראשונה כהה יותר, בהירות נמוכה אדמדמה ואפור נמוך לא אחיד. נכון לעכשיו, בתגובה לבעיות כגון afterglow, סריקה ראשונה כהה ואפור נמוך ואדום, הן בצד האריזה והן בצד הבקרה של IC עשו מאמצים כדי להקל ביעילות על בעיות אלה. אחידות הבהירות תחת גווני אפור נמוכים תוקנה גם היא נקודה אחר נקודה. הטכנולוגיה נרגעה. עם זאת, כאחד הגורמים השורשיים לבעיה, דרוש מאמץ רב יותר בצד השבב. באופן ספציפי, האחידות של בהירות תחת זרם קטן טובה יותר, ואת העקביות של קיבוליות טפילית טובה יותר.
הבעיה השלישית היא אמינות. התקן הנוכחי בתעשייה הוא שהערך המותר של שיעור האור המת של LED הוא אחד לעשרת אלפים, מה שכמובן אינו מתאים למסכי LED קטנים. בשל צפיפות הפיקסלים הגבוהה של המסך בעל הצליל הקטן ומרחק הצפייה הקצר, אם יש 10,000 אורות, יהיה אור מת אחד, וההשפעה אינה מקובלת. בעתיד, קצב האור המת צריך להיות נשלט במאה אלף או אפילו מיליון כדי לענות על הצרכים של שימוש ארוך טווח.
באופן כללי, הפיתוח של נורות LED קטנות דורש את מגזר השבבים כדי להקטין את הגודל, להגדיל את הבהירות היחסית, עקביות בהירות טובה תחת זרם קטן, עקביות קיבוליות טפילית טובה ואמינות גבוהה.
שלושה, פתרונות בצד השבב
1. הפחתת גודל שבב הפחתת גודל
על פני השטח, זוהי הבעיה של עיצוב פריסה. נראה כי ניתן לפתור אותו על ידי עיצוב פריסה קטנה יותר בהתאם לצרכים. עם זאת, האם הפחתת גודל השבב יכולה להימשך ללא הגבלת זמן? התשובה היא לא. ישנן מספר סיבות המגבילות את מידת הפחתת גודל השבב:
(1) הגבלות על עיבוד אריזות. בתהליך האריזה, שני גורמים מגבילים את ההפחתה של גודל השבב. האחת היא הגבלת הזרבובית. למות מליטה צריך להרים את השבב, ואת הצד הקצר של השבב חייב להיות גדול יותר מאשר הקוטר הפנימי של זרבובית יניקה. כיום יש חרירים חסכוניים בקוטר פנימי של כ -80um. השני הוא המגבלה של מליטה חוטית. הראשון הוא כי כרית מליטה חוט, כלומר, אלקטרודת השבב חייב להיות גדול מספיק, אחרת את האמינות של מליטה חוט לא ניתן להבטיח. התעשייה דיווחה כי קוטר האלקטרודה המינימלי הוא 45um; שנית, המרחק בין האלקטרודות חייב להיות גדול מספיק, אחרת חיבור שני החוטים יפריע בהכרח זה לזה.
(2) מגבלות של עיבוד שבבים. ישנן גם שתי מגבלות בתהליך עיבוד השבבים. האחת היא הגבלת הפריסה. בנוסף למגבלות של קצה החבילה הנ"ל, נדרשים גודל אלקטרודה ומרווח אלקטרודות, המרחק בין האלקטרודה ל- MESA, רוחב נתיב הסופר ומרווח קווי הגבול של שכבות שונות יש מגבלות, המאפיינים הנוכחיים של השבב, יכולת תהליך ה- SD ויכולת העיבוד של פוטוליטוגרפיה. קבע את היקף ההגבלות הספציפיות. בדרך כלל, המרחק המינימלי מאלקטרודת P לקצה השבב מוגבל ל -14 מיקרומטר או יותר.
השני הוא הגבלת יכולת החיתוך. לתהליך פיצול SD + מכני יש גבולות, וייתכן שגודל השבב לא יפוצל אם גודל השבב קטן מדי. כאשר הקוטר של הוופל עולה מ 2 אינץ 'ל 4 אינץ ', או ל 6 אינץ 'בעתיד, הקושי של dicing ופיצול יגדל בהתאם, כלומר, גודל השבב לעיבוד יגדל בהתאם. אם ניקח שבב 4 אינץ 'כדוגמה, אם אורך הצד הקצר של השבב הוא פחות מ 90μm ויחס הרוחב-גובה גדול מ 1.5:1, אובדן התשואה יגדל באופן משמעותי.
בהתבסס על הסיבות לעיל, המחבר צופה באומץ כי לאחר גודל השבב מופחת ל 17mil2, תכנון השבב ויכולות עיבוד יהיה קרוב לגבול, ואין בעצם מקום להפחתה, אלא אם כן יש פריצת דרך גדולה בתוכנית טכנולוגיית השבב.
2. הגברת הבהירות
שיפור בהירות הוא הנושא הנצחי של צד השבב. מפעל השבבים מייעל את האפקט הקוונטי הפנימי באמצעות אופטימיזציה של תוכנית האפיטקסיה, ומשפר את האפקט הקוונטי החיצוני באמצעות התאמת מבנה השבב.
עם זאת, מצד אחד, התכווצות גודל השבב תוביל בהכרח להפחתת אזור פולט האור ולהפחתת בהירות השבב. מצד שני, גובה הנקודות של מסך התצוגה בעל הצליל הקטן מופחת, והביקוש לבהירות של שבב יחיד מופחת. יש מערכת יחסים משלימה בין השניים, אבל חייבת להיות שורה תחתונה. כיום, על מנת להפחית את העלות של צד השבב, זה בעיקר כדי לבצע חיסור על המבנה, אשר בדרך כלל צריך לשלם את המחיר של הפחתת הבהירות. לכן, איך לשקול את הפשרות היא בעיה שהתעשייה צריכה לשים לב אליה.
3. עקביות תחת זרם נמוך
מה שנקרא זרם נמוך הוא יחסית לזרם המשמש שבבים קונבנציונליים בפנים ובחוץ. עקומת השבב I-V המוצגת באיור שלהלן, שבבים קונבנציונליים פנימיים וחיצוניים פועלים באזור עבודה ליניארי, והזרם גדול יחסית. עם זאת, שבבי LED קטנים צריכים לעבוד באזור עבודה לא ליניארי קרוב לנקודה 0, והזרם קטן יחסית.
באזור העבודה הלא ליניארי, שבב ה- LED מושפע מסף המיתוג של המוליכים למחצה, וההבדל בין השבבים ברור יותר. ניתוח הדיסקריטיות של בהירות ואורך גל עבור מספר רב של שבבים, קל לראות כי הדיסקרטיות של אזור העבודה הלא ליניארי הוא הרבה יותר גדול מאשר אזור העבודה הליניארי. זהו אתגר אינהרנטי בצד השבב כרגע.
הדרך להתמודד עם בעיה זו היא לייעל את הכיוון האפיטקסיאלי הראשון כדי להפחית את הגבול התחתון של אזור העבודה הליניארי; שנית, כדי לייעל את ספקטרוסקופיית השבבים כדי להבחין בין שבבים עם מאפיינים שונים.
4. עקביות קיבוליות טפילית
נכון לעכשיו, אין תנאי בצד השבב למדוד ישירות את מאפייני הקיבול של השבב. הקשר בין מאפייני הקיבול לבין פריטי מדידה קונבנציונליים עדיין לא ברור, ואלה שמחכים לתעשייה לסכם. הכיוון של אופטימיזציה בצד השבב הוא קודם כל התאמת ההרחבה, והשני הוא עידון של binning חשמלי, אבל העלות היא גבוהה מאוד וזה לא מומלץ.
5. אמינות
אמינות בצד השבב יכולה להיות מתוארת על ידי פרמטרים שונים באריזה ובתהליך ההזדקנות של השבב. אבל באופן כללי, הגורמים המשפיעים על האמינות של השבב לאחר שהוא מותקן על המסך הם בעיקר ESD ו- IR.
ESD מתייחס ליכולת אנטי-סטטית. על פי דיווחי תעשיית IC, יותר מ -50% מהכשלים בשבב קשורים ל- ESD. כדי לשפר את אמינות השבבים, יש לשפר את יכולות ה-ESD. עם זאת, במצב של אותו רקיק אפיטקסי ואותו מבנה שבב, גודל השבב הקטן יותר יוביל בהכרח להיחלשות יכולת ה- ESD. זה קשור ישירות למאפייני הצפיפות הנוכחית וקיבוליות שבב ולא ניתן להתנגד לו.
IR מתייחס לדליפת הפוך, בדרך כלל ערך הזרם ההפוך של השבב נמדד תחת מתח הפוך קבוע. אינפרא-אדום משקף את מספר הפגמים בתוך השבב. ככל שערך האינפרא-אדום גדול יותר, כך יש יותר פגמים בתוך השבב.
כדי לשפר את יכולת ה-ESD ואת ביצועי האינפרא-אדום, יש לבצע אופטימיזציות נוספות במבנה האפיטקסיה ובמבנה השבבים. ב binning שבב, באמצעות תקני binning קפדניים, שבבים עם יכולת ESD חלשה וביצועי IR ניתן לבטל ביעילות, ובכך לשפר את האמינות של השבב לאחר התקנתו על המסך.
ארבע, סיכום
לסיכום, המחבר מנתח את סדרת האתגרים העומדים בפני שבב LED בסופו של דבר עם הפיתוח של צגי LED המגרש קטן, ונותן תוכניות שיפור או כיוונים אחד אחד. יש לומר כי יש עדיין הרבה מקום לאופטימיזציה של שבבי LED. איך לשפר עדיין מחכה לתעשייה להשתמש בתחכום שלהם ולעשות מאמצים מתמשכים.
