爲什麼(me)說(shuō)Mini LED顯示産品最核心的底層支撐技術是封裝？

做Mini LED顯示面(miàn)闆産品，涉及到LED芯片、封裝、PCB闆設計制造、材料、設備、測試、修複、生産工藝、驅動IC、控制發(fā)送/接收、電源、節能(néng)、箱體拼接、一緻性校正、面(miàn)闆防護等多種(zhǒng)綜合性技術， 其中LED芯片技術和LED芯片的封裝技術是其最重要的兩(liǎng)項底層支撐技術，那麼(me)其它的綜合性技術與芯片、封裝技術又是一種(zhǒng)怎樣(yàng)的共生關系呢？本文將(jiāng)就(jiù)此展開(kāi)讨論，使大家對(duì)Mini LED技術的關鍵點有一個大概的輪廓了解，不至于在聽到Mini LED技術時(shí)就(jiù)雲裡(lǐ)霧裡(lǐ)的迷失方向(xiàng)或被(bèi)神秘化。有不對(duì)的地方，希望大家批評指正。

不同的行業，Mini LED技術的概念具有不同的語境和含義。比如LCD行業，Mini LED往往指的是背光面(miàn)闆技術。5mm燈珠間距的直下式背光面(miàn)闆就(jiù)可稱得上是Mini LED技術了。但在LED顯示行業，這(zhè)是無法想象的，因爲5mm的像素間距連小間距技術都(dōu)算不上。所以我們今天讨論的問題，僅限于LED顯示領域，像素間距是在1.5mm-0.3mm範圍内的Mini LED技術。但這(zhè)裡(lǐ)的讨論對(duì)LCD行業的背光面(miàn)闆技術也具有一定的參考價值。

一、Mini LED的芯片技術

LED芯片技術已從正裝時(shí)代過(guò)渡到倒裝時(shí)代，倒裝芯片的應用是大勢所趨。LED芯片的尺寸也規範在了50-200µm之間。目前在1.5-1.2mm像素間距範圍内，還(hái)可以使用正裝芯片，在1.2-0.7mm像素間距範圍内，有紅光用正裝、藍綠光用倒裝的解決方案，在0.7-0.3mm像素範圍内，RGB都(dōu)要使用倒裝芯片。因此Mini LED産品就(jiù)會(huì)有正裝芯片和倒裝芯片之分。

在Mini LED産品上使用倒裝芯片技術的優勢是可以提升亮度、更加節電、有更好(hǎo)的對(duì)比度、更少的設備投入和更高的生産效率、可以實現更小的像素物理空間布局，也可以有效改善顯示面(miàn)闆像素的内失效問題。

所以，随著(zhe)像素間距向(xiàng)著(zhe)更小的0.3mm目标方向(xiàng)努力，正裝芯片技術將(jiāng)會(huì)全部過(guò)渡到倒裝芯片技術。

二、Mini LED的封裝技術

伴随著(zhe)LED芯片技術的發(fā)展，LED封裝技術也有了理論和工藝實踐上的創新與突破，正在從支架型封裝燈驅分離技術時(shí)代過(guò)渡到無支架型集成(chéng)封裝燈驅合一技術時(shí)代。在封裝技術演化的過(guò)程中，還(hái)出現了一種(zhǒng)暫時(shí)性的支架型有限集成(chéng)封裝燈驅分離技術。

在支架型封裝的燈驅分離技術分類中，我們知道(dào)有DIP技術和SMD技術。但做Mini LED顯示産品，隻有SMD技術可以把像素間距較穩定地做在1.2-1.5mm區間。但這(zhè)種(zhǒng)技術面(miàn)對(duì)Mini LED顯示産品百萬級指标要求的面(miàn)闆級像素失控率和整屏像素失控率，會(huì)感到力不從心，在制造像素間距P1.2以下的顯示産品時(shí)，遇到了許多無法克服的技術瓶頸問題，逐漸喪失市場優勢。

支架型有限集成(chéng)封裝燈驅分離技術，從時(shí)間上描述是在支架型封裝技術和無支架型集成(chéng)封裝技術之後(hòu)出現的一種(zhǒng)過(guò)渡性的封裝技術形态。在這(zhè)類技術分類中，目前我們看到有2 in 1封裝技術、4 in 1封裝技術、N in1(IMD)封裝技術。它們既想汲取COBIP (COB集成(chéng)封裝）的集成(chéng)化思想，又不想放棄SMD支架型封裝技術的簡單性，所以産品上一直難有脫胎換骨的變化。這(zhè)種(zhǒng)技術從本質上說(shuō)就(jiù)是SMD和COBIP的混合體封裝技術，大部分傳承了SMD的基因，隻有限地引入了COB封裝元素和集成(chéng)化思想，因此也被(bèi)稱之爲COBLIP (Chip On Board Limited Integrated Packaging)技術。由于沒(méi)有有效地減少支架引腳的措施，還(hái)是屬于支架型封裝燈驅分離技術範疇，不能(néng)從根本上解決由支架引腳引發(fā)的像素外失效問題。盡管有支架引腳減少數量的優化改良方案，但這(zhè)種(zhǒng)努力的效果不明顯，無法真正擺脫萬級或十萬級的面(miàn)闆級像素失控率和整屏像素率低階能(néng)力的事(shì)實，在Mini LED 的1.2-0.9mm像素區間, 會(huì)遇到與SMD封裝技術相同的技術瓶頸。

另外，從産業技術升級的角度來看，未來的4K、8K超高清視頻顯示産品、Mini LED顯示産品需要的一定是高階的面(miàn)闆級的百萬級顯示産品。而這(zhè)種(zhǒng)過(guò)渡型技術，盡管産業鏈上的封裝企業可以把器件做到百萬級，但下遊企業用這(zhè)種(zhǒng)百萬級的器件做到面(miàn)闆級就(jiù)會(huì)變成(chéng)十萬級的産品，實際上是一種(zhǒng)産業資源的浪費，是嚴重的産業問題，應引起(qǐ)全行業的重視。

無支架型集成(chéng)封裝燈驅合一技術是伴随著(zhe)COB封裝技術引入行業後(hòu)發(fā)展起(qǐ)來的創新體系技術，相對(duì)于支架型封裝體系技術而言它的技術特征就(jiù)是無支架引腳和高集成(chéng)度。這(zhè)種(zhǒng)技術形态最早出現在2010年，在PCB闆的一面(miàn)做無支架引腳的COB高集成(chéng)度像素面(miàn)闆級封裝，在PCB闆的另一面(miàn)布置驅動IC器件，所以是一塊闆的無支架引腳的高集成(chéng)度封裝燈驅合一技術解決方案，稱爲COBIP（Chip On Board Integrated Packaging）技術。COBIP技術是新體系技術的第一代創體系技術。它除了自身擁有的多種(zhǒng)差異化優勢外，其對(duì)行業最大的貢獻就(jiù)是可以有效解決LED顯示面(miàn)闆的像素失控點過(guò)多的問題。根據我們的研究：近40年來支架型分立式器件封裝技術和由這(zhè)一體系技術所主導的LED顯示面(miàn)闆制造技術在解決LED顯示屏像素失控點過(guò)多的問題上，技術能(néng)力始終無法突破萬級。到2017年行業對(duì)面(miàn)闆級像素失控率最嚴格的标準指标還(hái)是1/10000。造成(chéng)這(zhè)種(zhǒng)現象最主要的原因是分立式封裝器件使用了支架引腳技術。COBIP技術把燈珠顯示面(miàn)的支架引腳全部省掉，面(miàn)闆級的控制像素失效技術能(néng)力提升兩(liǎng)個數量級，使像素失控率指标可達室内百萬級、戶外十萬級水平。後(hòu)面(miàn)COBIP技術還(hái)會(huì)使用全倒裝化LED芯片來解決LED顯示面(miàn)闆像素的内失效問題，那麼(me)ppm百萬級的指标要求對(duì)COBIP技術來說(shuō)僅僅是起(qǐ)步水平。COBIP技術的問題是它僅解決了燈珠顯示面(miàn)的無支架引腳化，但并沒(méi)有解決驅動IC面(miàn)的支架引腳産生的失效問題，還(hái)屬于半無支架引腳技術，它將(jiāng)這(zhè)一問題留給了新體系技術的第二代COCIP技術來解決，會(huì)使其成(chéng)爲一個名副其實的全無支架引腳技術。COBIP技術能(néng)有效而顯著地降低LED顯示面(miàn)闆的像素失效，而COCIP技術解決的是驅動IC封裝器件的引腳失效問題，將(jiāng)會(huì)非常顯著的提升LED顯示屏系統的整體可靠性。這(zhè)一技術優勢會(huì)爲LED顯示的4K、8K超高清視頻顯示産品，Mini LED顯示産品提供底層高階面(miàn)闆制造技術。

三、Mini LED技術中封裝技術比芯片技術更重要

爲什麼(me)會(huì)提出這(zhè)樣(yàng)一種(zhǒng)觀點？我們先做下面(miàn)的一個形象的接力+跨欄設計，如圖一所示：

在有5個賽段和5個分區的接力+跨欄賽道(dào)上，起(qǐ)點處可以看到有五個LED倒裝芯片的參賽選手，它們分别對(duì)應5個分區賽道(dào)上在接力區等待的SMD封裝技術、2in1封裝技術、4in1封裝技術、Nin1封裝技術和COBIP封裝技術，LED倒裝芯片們跑完了第一賽段後(hòu)把接力棒分别交給了這(zhè)5種(zhǒng)封裝技術，在第二賽段和第三賽段之間設置了解決面(miàn)闆級像素失效能(néng)力的第一個萬級欄，像素失控率指标設定在1/10000，這(zhè)時(shí)你會(huì)注意到SMD封裝技術已沒(méi)有能(néng)力越過(guò)，被(bèi)淘汰了下來。剩下的4位封裝技術選手繼續在第三段賽道(dào)上向(xiàng)前。這(zhè)裡(lǐ)需要說(shuō)明的是，在第二賽段上如果2in1、4in1和Nin1封裝技術（IMD)沒(méi)有做引腳數量減少的優化解決方案，而且使用的是全正裝芯片做的封裝器件，和SMD封裝技術的結果一樣(yàng)，也是不能(néng)跨越過(guò)第一個萬級欄的。但如果用了倒裝芯片而沒(méi)有做器件引腳數量減少的優化，萬級欄可能(néng)剛剛有能(néng)力越過(guò)，但很危險，處于臨界的邊緣，取決于各企業的封裝技術能(néng)力。我們的研究認爲，對(duì)COBLIP技術分類來說(shuō)，面(miàn)闆級像素失效控制能(néng)力的提升與封裝器件引腳數量的減少有高度相關性，引腳數量減少一半，能(néng)力可以提升一倍（達到1/20000=5/100000)。所以在第三賽段和第四賽段之間設置了十萬級欄，像素失控率指标設定在5/100000，是基于目前看到的2in1、4in1和N in1封裝技術（IMD)與SMD封裝技術相比封裝器件焊接引腳數量基本上都(dōu)是減少了一半。如果是這(zhè)樣(yàng)，前面(miàn)的十萬級欄風險很大。器件集成(chéng)度越低，風險越大。在這(zhè)類技術中我們知道(dào)2in1的器件集成(chéng)度最低。但如果器件引腳減少的數量大于50%，就(jiù)可以躍過(guò)這(zhè)個十萬級欄。這(zhè)個5/100000的十萬級欄基本上就(jiù)是支架型封裝燈驅分離體系技術與無支架型集成(chéng)封裝燈驅合一體系技術的分水嶺。在第四賽段與第五賽段之間我們設置了比萬級欄高兩(liǎng)個數量級的百萬級欄，像素失控率指标設定在5/1000000（這(zhè)道(dào)跨欄是檢驗所有Mini LED技術中有關封裝概念技術的試金石。我們認爲目前隻有COBIP封裝技術可以跨越過(guò)去，這(zhè)是基于我們有近10年的實際案例數據支撐。用全正裝芯片技術做COBIP全彩顯示面(miàn)闆，客戶端使用一年後(hòu)，像素失控率基本上維持在5ppm左右。我們的封裝設備還(hái)不算先進(jìn)，如果行業同行用更好(hǎo)的設備，使用全倒裝芯片+COBIP封裝技術，滿足我們新的技術規範中的百萬級像素失控率指标要求應該是很輕松的事(shì)。

用這(zhè)張圖我們是想說(shuō)明，隻有封裝體系技術的創新才能(néng)夠産生如此大的差異變化, 體系技術的突破是思想理論的突破，而不是技術的概念性炒作或所謂的COB封裝代差技術所能(néng)帶來的能(néng)力效果。

爲了進(jìn)一步說(shuō)明封裝技術比芯片技術更重要，我們繪制了圖二。圖二也體現出了目前行業做Mini LED的産業系統生态圈：

在圖二中處于頂層的技術是LED芯片技術區，相對(duì)處于行業産業鏈的上遊。在這(zhè)個區裡(lǐ)我們選擇了目前最前沿的倒裝芯片技術隻是爲了說(shuō)明提出的問題，實際上放置正裝芯片的道(dào)理是一樣(yàng)的。産業鏈的中部位置是LED芯片封裝技術層，LED芯片來到這(zhè)個層後(hòu)有兩(liǎng)個方向(xiàng)性的技術路線，不同的封裝體系技術會(huì)選擇相同的LED芯片，所以LED芯片具有被(bèi)選擇性。一旦被(bèi)不同的封裝體系技術選中，就(jiù)會(huì)産生出不同等級的Mini LED顯示面(miàn)闆。在最下面(miàn)的第三層我們看到有很多輔助的LED顯示面(miàn)闆綜合性技術，它們既可爲萬級或十萬級的顯示面(miàn)闆制造技術服務，也可爲百萬級的顯示面(miàn)闆制造技術服務，形成(chéng)了整個Mini LED産業系統的共生關系。

圖二還(hái)用以說(shuō)明，LED芯片技術和LED芯片封裝技術是Mini LED顯示面(miàn)闆制造技術中最重要的兩(liǎng)個底層支撐技術，缺一不可。LED芯片永遠離不開(kāi)封裝技術對(duì)它的保護。這(zhè)兩(liǎng)種(zhǒng)底層支撐技術相比較而言，封裝技術顯得尤爲重要。因爲LED芯片技術隻能(néng)體現行業技術水平的發(fā)展高度，但它不能(néng)決定行業的發(fā)展方向(xiàng)，行業的發(fā)展方向(xiàng)從來都(dōu)是由封裝體系技術所主導的，原因是LED芯片具有被(bèi)選擇性，同樣(yàng)的芯片被(bèi)不同的封裝體系技術所選中，生産出的Mini LED顯示面(miàn)闆差别巨大。

爲了更好(hǎo)的理解上述封裝技術的分類與定位，我們推出封裝技術的三級技術層級概念：

我們都(dōu)知道(dào)的事(shì)實是支架型封裝燈驅分離體系技術下的萬級LED顯示面(miàn)闆制造技術已經(jīng)主導了行業近40年的發(fā)展，在4K、8K超高清視頻顯示産品、Mini LED顯示産品百萬級的像素失控率能(néng)力指标要求下，我們認爲無支架型集成(chéng)封裝燈驅合一體系技術也將(jiāng)會(huì)主導行業的發(fā)展大勢幾十年。這(zhè)和我們2015年隐喻的提出：＂行業未來技術的發(fā)展，6腳的跑不過(guò)4腳的，4腳的跑不過(guò)無腳的＂道(dào)理是一脈相承的。這(zhè)裡(lǐ)提到所謂的“腳”，指的就(jiù)是封裝器件的引腳。封裝體系技術的演變就(jiù)是從“有引腳”過(guò)渡到“無引腳”。

通過(guò)上面(miàn)的梳理，面(miàn)對(duì)Mini LED的各種(zhǒng)技術概念，我們很容易看清其中的封裝技術的分類及在其中的技術定位。

下面(miàn)從LED顯示面(miàn)闆像素失效的角度分析，同樣(yàng)可以得到封裝技術比芯片技術更重要的判斷。請看下面(miàn)的圖四，在LED顯示面(miàn)闆的像素失效中，像素的外失效數量與内失效數量的量化柱狀對(duì)比圖。

根據我們的研究發(fā)現，LED的像素失效分爲内失效與外失效。内失效主要是在像素膠體内部由LED芯片缺陷或LED芯片的封裝工藝造成(chéng)的。外失效的成(chéng)因比較複雜，但主要被(bèi)認爲是封裝器件引腳由SMT的焊接工藝缺陷造成(chéng)的。其次是在複雜的環境應用條件下，由靜電、磕碰或潮濕鹽霧環境因素攻擊了器件引腳産生的氧化問題造成(chéng)的。外失效數量占總失效數量的90%，強；内失效數量不足10%，弱。

LED倒裝芯片在解決像素失效能(néng)力方面(miàn)是有限的，它隻能(néng)解決圖四中那個不到10%的紅區内的像素内失效問題。如果是用全正裝封裝技術，RGB 3顆芯片、5條焊線、10個邦定焊點，共有18個工藝質量控制點；如果用正倒混合封裝技術，R芯片用正裝，GB芯片用倒裝，就(jiù)有3顆芯片、1條焊線、2個邦定焊點、4個倒裝芯片電極焊接點，共10個工藝質量控制點；如果使用全倒裝封裝技術，就(jiù)隻有RGB 3顆芯片和6個倒裝芯片電極焊接點，共9個工藝質量控制點。所以混裝封裝的可靠性相比較正裝封裝，理論上可以提升44%的能(néng)力。而全倒裝封裝相比較全正裝封裝可以提升50%的能(néng)力。而混裝封裝與全倒裝封裝僅相差6%，能(néng)力接近，實際應用需從效率和成(chéng)本角度考慮決定使用哪種(zhǒng)倒裝芯片和封裝技術更劃算。在兩(liǎng)種(zhǒng)封裝體系技術中，都(dōu)有這(zhè)種(zhǒng)全正裝、混裝和全倒裝的實操，所以Mini LED就(jiù)有正裝、混裝和倒裝的分類，它們也應該算到封裝技術的範疇内。

無論全倒裝芯片封裝技術如何發(fā)力，它就(jiù)隻能(néng)解決像素内失效的10%的那個紅區内的問題，最多可以把10%的紅區能(néng)力提升50%，也就(jiù)是可減少一半的像素内失效。但倒裝芯片封裝技術根本無法解決圖四中的90%的黃區的像素外失效問題。黃區問題的根本性解決隻能(néng)靠無支架引腳的集成(chéng)封裝體系技術。

如果把全倒裝芯片技術用在支架型封裝體系技術中，你就(jiù)會(huì)發(fā)現像素外失效問題依然存在，而且無解。盡管你使用了全倒裝芯片，像素内失效在10%的紅區内也減少了50%，但這(zhè)又有什麼(me)用？從100%總失效結構中隻能(néng)做出5%的減少努力，倒裝芯片的作用發(fā)揮不出來，其實是一種(zhǒng)資源的浪費。

所以全倒裝芯片的作用要依賴無支架集成(chéng)封裝體系技術才能(néng)發(fā)揮出來，被(bèi)不同的封裝體系技術所選中，達到的能(néng)力效果差别巨大。

四、Ｍini LED的芯片和封裝技術及其技術組合之間的能(néng)力PK

這(zhè)裡(lǐ)所進(jìn)行的對(duì)比是指在解決像素失效能(néng)力方面(miàn)各種(zhǒng)底層支撐技術以及它們之間的技術組合展現出的能(néng)力對(duì)比，使上面(miàn)叙述的文字得以直觀的展現出來。

首先我們設計了單一項的LED芯片技術和LED芯片封裝技術的能(néng)力對(duì)比圖，用以說(shuō)明這(zhè)些技術在解決像素失效的能(néng)力方面(miàn)的權重到底有多大。如圖五所示，這(zhè)裡(lǐ)給出的對(duì)比分析模型是以SMD技術産生的所有像素失效的100%做爲參照基準的，假設是把90%的失效分給外失效，10%的失效分給内失效。這(zhè)是一種(zhǒng)趨勢分析模型，不可能(néng)做到100%的準确，主要用來進(jìn)行方向(xiàng)性判斷。從圖五中可以看到各種(zhǒng)單一項技術能(néng)解決的像素失效問題的能(néng)力以及它們到底是用來解決内失效還(hái)是外失效的。

下面(miàn)對(duì)圖五中單一項技術的比較逐一進(jìn)行說(shuō)明：

正裝封裝：之前SMD的技術采用的都(dōu)是正裝芯片，所以很容易理解，Mini LED用正裝芯片封裝在解決像素失效方面(miàn)不會(huì)有任何的能(néng)力提升。

混裝封裝：把内失效降低到5.6%, 外失效沒(méi)有降低，總失效數量與SMD封裝技術相比降低到95.6%，能(néng)力提升有限。

全倒裝封裝：把内失效降低到5%, 外失效沒(méi)有降低，總失效數量與SMD封裝技術相比降低到95%，能(néng)力提升有限。

2in1-8引腳、4in1-16引腳、Nin1-Nx4引腳封裝：與SMD封裝技術一樣(yàng)，總失效數量不會(huì)降低，所以沒(méi)有任何的能(néng)力提升。

2in1-4引腳、4in1-8引腳、Nin1-Nx2引腳封裝：與SMD封裝技術相比，變化比較明顯，主要是由于將(jiāng)封裝器件的引腳數量減少了一半，可以把像素外失效數量從90%降低到45%，使總像素失效數量下降到55%，能(néng)力提升比較明顯，但最終還(hái)是不能(néng)完全解決由支架引腳造成(chéng)的像素外失效問題，外失效問題依然無解。

COBIP和COCIP封裝：完全解決了SMD封裝技術由支架引腳産生的像素外失效問題，與SMD技術相比，90%的像素外失效問題全部解決，總失效數量減少到10%，能(néng)力提升顯著，在外失效問題的解決上不留任何隐患。

其次，在了解了單一項技術的權重以後(hòu)，我們設計了LED芯片和LED芯片封裝技術的組合拳，看看各種(zhǒng)組合技術解決方案的能(néng)力有多強。如圖六所示：

在圖五中我們看到，正裝芯片技術本身對(duì)減少像素失效能(néng)力的提升沒(méi)有作用，在圖六中與傳統的支架封裝體系技術相結合，我們沒(méi)有把它放進(jìn)去。但正裝芯片借助無支架集成(chéng)封裝體系技術，還(hái)是有價值的。所以有正裝芯片封裝與COBIP和COCIP封裝技術的組合。

下面(miàn)對(duì)圖六中LED芯片技術與LED芯片封裝技術的組合解決方案在解決像素失效的能(néng)力上進(jìn)行比較，逐一說(shuō)明：

SMD封裝、2in1-8引腳、4in1-16引腳、Nin1-Nx4引腳封裝技術+混合芯片封裝解決方案，可以降低像素的内失效到5.6%，完全無法解決像素外失效問題，可以把像素總失效降低到95.6%, 幾乎沒(méi)有能(néng)力的提升。

SMD封裝、2in1-8引腳、4in1-16引腳、Nin1-Nx4引腳封裝技術+全倒裝芯片封裝解決方案，可以降低像素的内失效倒5%，完全無法解決像素外失效問題，可以把像素總失效降低到95%, 盡管使用了全倒裝概念，能(néng)力依然沒(méi)有什麼(me)提升。

2in1-４引腳、4in1-８引腳、Nin1-Nx２引腳封裝技術+混合芯片封裝解決方案，可以降低像素内失效到5.6%, 降低像素外失效到45%，綜合降低總像素失效到50.6%，雖然解決像素失效的能(néng)力有一定的提升，但無法根除像素的外失效問題。

2in1-４引腳、4in1-８引腳、Nin1-Nx２引腳封裝技術+全倒裝芯片封裝解決方案，可以降低像素内失效到5%, 降低像素外失效到45%，綜合降低總像素失效到50%，雖然解決像素失效的能(néng)力有一定的提升，但同樣(yàng)無法根除像素的外失效問題。

COBIP、COCIP封裝技術+正裝芯片封裝解決方案，無支架引腳技術徹底解決了像素的外失效問題，使傳統技術的像素外失效問題從90%降到0，使像素總失效降到10%，能(néng)力提升顯著。

COBIP、COCIP封裝技術+混裝芯片封裝解決方案，比和正裝芯片封裝相結合的解決方案又有了提升，不僅沒(méi)有了像素外失效問題，把像素内失效問題降低到5.6%，總像素失效降低到5.6%。

COBIP、COCIP封裝技術+全倒裝芯片封裝解決方案，沒(méi)有了像素外失效問題，把像素内失效問題減少到5%，總像素失效降低到5%。與COBIP、COCIP封裝技術+正裝芯片封裝解決方案相比較，體系封裝技術内自身能(néng)力比較又從10%降到了5%, 能(néng)力得到１倍的提升。

轉載自每日LED