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盘点Micro LED量产的“拦路虎”,行业如何“通关”?

文章作者:作者 人气:发表时间:2023-06-27 10:10:29

今年3月份,雷曼光电在披露最新调研纪要时表示,随着近几年Micro LED技术、工艺及配套产业链的不断发展和成熟,Micro LED显示屏的成本以每年10%-15%幅度在下降。

不过,从目前的情况来看,后续几年Micro LED成本下降的速度将加快。作为全新一代的显示技术,Micro LED在发展初期有巨大的创新空间,多个厂商都预计,后续几年Micro LED将以每两年降低50%的速度优化成本。并且,一些创新技术的出现,可能一次性将成本降低超过50%,甚至是超过60%。

Micro LED高成本挑战

此前,錼创董事长李允立曾指出,无论是大陆还是台湾,目前的LCD和LED技术都很成熟,韩国企业虽然放弃了LCD技术,不过对于Micro LED的技术投入同样很大,因此理论上Micro LED并不存在技术困难。

确实,如果忽略成本问题,目前的行业水平能够立刻实现Micro LED的规模性量产,但这个成本压力就连苹果也负担不起。

盘点Micro LED量产的“拦路虎”,行业如何“通关”?

Micro LED成本高企是多方面原因造成的,其中当然包括技术原因,这个我们在此前的文章中已经多次提到了。作为革命性的显示技术,Micro LED显示屏由数以百万计的微型LED像素组成,每个像素尺寸仅为几微米。与LCD和OLED显示器相比,Micro LED具有更高的亮度、更低的功耗、更长的使用寿命和更快的响应时间等优点。不过,要实现这样的性能优势,传统技术和工艺是不行的。

综合而言,目前Micro LED的工艺主要分为微缩制程技术和巨量转移技术。其中,主要造成成本压力的是巨量转移技术。根据GGII的调研了解,目前占据Micro LED成本最为重要的是芯片和转移修复。其中芯片成本占到了接近30%,转移修复的成本更是占到了接近40%。

巨量转移技术是 Micro LED 量产化应用的关键一步,其主要的挑战来自三个方面:其一是转移的工序多,至少需要从蓝宝石衬底到临时衬底再到新衬底,且每次转移芯片量非常大,对转移工艺的稳定性和精确度要求非常高;其二是RGB三色芯片需要精确的定位,进一步增加了工艺的难度;其三是 Micro LED 尺寸极小,传统测试设备难以使用,如何在百万级甚至千万级的芯片中对坏点进行检测修复是一大挑战。因此,真正可量产的巨量转移技术需要在解决上述三大挑战的基础上,然后保持总体的高良率。

除了技术的难点,Micro LED还有产业链结构的改变,从上述的工艺能够看出,Micro LED颠覆了传统的面板产业链,这也需要产业链重新进行结构升级然后优化成本。

2025年市场规模将达到38亿美元

据GlobeNewswire报告显示,预计到2028年,全球Micro LED显示器市场将达到约8亿美元,2023年至2028年复合年增长率为70.4%。

报告显示,全球Micro LED显示器市场的未来前景广阔,消费电子、汽车、广告、航空航天和国防市场蕴藏着机遇。该市场的主要驱动力是市场对节能显示解决方案需求的不断增长,以及电子巨头对Micro LED显示器的偏好日益增加。

Micro LED市场的主要参与者包括Aledia、LG显示(LG Display)、錼创科技(PlayNitride Inc.)、Rohinni LLC、Nanosys等企业,这些参与者采取专注于扩大制造设施、研发投资、基础设施开发,并利用整个价值链的整合机会的运营策略。通过这些策略,Micro LED显示公司可以满足不断增长的需求、确保竞争效率、开发创新产品和技术、降低生产成本并扩大客户群。

分析师预测,由于LED的电效率高,市场广泛使用LED作为车辆尾部照明,因此在预测期内汽车照明仍将是最大的细分市场。

分区域来看,分析师认为,未来五年,由于智能手表和头戴式显示器等可穿戴设备的接受度不断提高,以及主要显示屏制造商在该地区的存在,亚太地区仍将是市场规模最大的地区。

受制于制造成本高、关键技术未突破等因素,Micro LED 暂未实现大规模量产,目前的应用领域主要集中于对成本较为不敏感的商业级大尺寸显示,走向更广阔的消费级应用仍须时日。根据半导体分析机构 Yole 的研究和预测,未来3-5年将成为 Micro LED 走向消费级应用的关键时期。Micro LED 将首先在 VR/AR、智能手表、以及大屏显示领域开始量产应用:VR/AR 方面,Micro LED 2022年从单色眼镜开始发展,将在2025年进入消费级应用;智能手表方面,Micro LED 也将于2024年开始进入快速应用发展阶段;大屏显示方面,Micro LED 预计将于2025年进入高端消费级电视市场,而手机和车载显示应用的时间则相对更为靠后。

据 Trend Force 统计,2021年全球 Micro LED 市场规模预计仅为0.23亿美元,2025年市场规模将达到38亿美元,年复合增长率258%。Omdia 预计,到2028年,全球 Micro LED 显示器的出货量将从2020年微不足道的水平飙升至近1550多万片。

盘点Micro LED量产的“拦路虎”,行业如何“通关”?

产业链分析与核心技术攻克难关

Micro LED 的工艺流程包括衬底制备、外延片与晶圆制备、像素组装、缺陷监测、全彩化、光提取与成型、像素驱动等7个环节,具体来说其产业链包括芯片制造、巨量转移、面板制造、封装/模组、应用及相关配套产业。Micro LED 芯片微小化也使得传统的制造技术不再适用,在芯片制备的各个环节都面临着全新的技术挑战,成本居高不下,这也制约了 Micro LED 芯片当前的渗透率。

难点一:微缩芯片及外延

目前,半导体芯片的制程已相当成熟,但 Micro LED 支撑技术及相关产业公司仍处于摸索阶段。与传统 LED 产业链相比,Micro LED 芯片的微缩化对芯片制造提出了更高的要求,既需要将芯片尺寸微缩至50um以下,同时还需要满足高 PPI 需求,因此在外延制备、PL、ITO、光刻、蚀刻、磊晶剥离、电测等环节均面临精细化工艺、良率提升等技术难关。

此外,随着 LED 芯片尺寸变小,蚀刻过程中侧壁缺陷将对内部量子效率 IQE 造成影响,大幅减少芯片传输量,导致外部量子效率 EQE 效率减弱。目前来看,反射膜添加剂引入光提前结构均可实现一定程度的 EQE 提升,但在小型领域应用仍属于工程问题,未来发展仍存在挑战。

难点二:巨量转移

由于 Micro LED 的芯片尺寸小,相较传统 LED 单位面积下晶粒数量庞大,需要将大量 LED 晶粒准确且高效转移至电路板上。以3840*2160的4K显示为例,需转移晶体数量超过2,000万,按照常规转移效率计算,需要几日甚至几周才能完成全部的晶粒转移,晶粒转移效率及良率控制未达到量产标准,难以形成规模效应,制备成本及产品价格居高不下。

巨量转移被认为是实现 Micro LED 价格大规模降低、从而实现其商业化落地的核心技术之一。若巨量转移技术取得突破,将带来一个广阔的转移设备市场。

针对这一技术难点,业内的主流解决方案目前包括静电吸附、相变化转移、流体装配、滚轴转印、磁力吸附、范德华力转印、激光转移等。激光转移在修复难度和转移效率等维度上效果更优,未来有可能成为巨量转移的主流技术。

早在2012年,苹果、三星、索尼等行业巨头相继布局巨量转移技术,国内起步较晚,专利方面也主要由外国厂商占据主导地位。根据 Yole 出具的 Micro LED 显示专利报告,LuxVue 和 X-celeprint 把持着巨大的专利数量,ITRI(台湾工研院)、CSOT(华星光电)紧随其后,但专利数量仍不及 LuxVue 半数,差距悬殊。

难点三:全彩化

显示器的色彩显示需要通过全彩化技术来实现,这也是 Micro LED 的核心技术难点之一。目前 Micro LED 在近眼显示领域尚无法实现全彩的高亮显示,在 AR/VR 等对分辨率、色彩显示要求极高的应用场景仍面临巨大挑战。

Micro LED 单色显示仅需通过倒装结构封装与驱动 IC 贴合,显示、制备与工艺难度相对较低,而全彩化方案工艺复杂度相对较高,现有的解决方案有 RGB 三色 LED 法、UV/蓝光LED+发光介质法、透镜合成法,但目前均存在相应的短板。以 RGB 三色阵列为例,需要依次转贴红、蓝、绿晶粒。同时,由于嵌入晶粒规模超过十万,对于晶粒光效、波长的一致性、良率要求更高。一旦实际输出电流与理论电流出现偏差,就会导致像素呈现色彩偏差。

在工艺流程和材料方面,UV/蓝光LED+发光介质法相较其他方案更为简单,主要采用蓝光 LED 来替换背光板、以量子点膜或荧光粉作为发光介质替代 RGB 滤光片。量子点膜的粒径介于1-10nm之间,较荧光粉颗粒更小,同时因其高吸光-发光效率、宽吸收频谱等特性,色彩纯度与饱和度更高,是比荧光粉更优的技术方案。以蓝光 LED 替换背光板光源后,量子点膜在蓝光激发下可发出纯正的绿光和红光,完成全彩显示。

我们认为,未来随着量子点技术的完善,UV/蓝光LED+发光介质法具备更大的发展前景,有望成为全彩化的主流技术,且量子点在 LCD、OLED 中也均可发挥巨大作用,建议关注在量子点具有深厚技术沉淀的公司。

难点四:检测

由于 Micro LED 的芯片尺寸和间距极小,传统的测试设备难以使用,如何在百万甚至千万级的芯片中对缺陷晶粒进行检测、修复或替换是一个巨大的挑战。现有的解决方案包括光致发光测试和电致发光测试。光致发光测试主要利用光源激发硅片或太阳电池片,通过对特定波长的发光信号进行采集、数据处理,从而识别芯片缺陷。电致发光测试则是指,在强电场作用下,芯片中的电子成为过热电子后,根据其回到基态时所发出的光来检测芯片缺陷。

难点五:芯片封装

Micro LED 相较传统 LED 芯片间距小,这也导致贴片难度增加,成本也会面临指数型增长。现有的解决方案以 COB 和 COG 封装为主,近来也出现了新型封装技术 MIP,全称 Micro LED in Package,即集成封装。MIP 在成本和效率上更具优势,它的基板精度高,芯片无需测试筛选,测试分选在封装环节即可完成。此外,由于点测难度从芯片级难度转换为引脚上的点测,测试难度降低,并且可采用巨量转移技术,具备较大发展前景。

盘点Micro LED量产的“拦路虎”,行业如何“通关”?

难点六:基板制造

作为传统显示领域的固定链条,基板材料一直处于稳定地位,常见的材料包括 PCB、玻璃基板。Micro LED 入局可以促成对现有产能的消化,不过这也需要基板厂商为巨量转移技术做好承接。Micro LED 更容易在平整的玻璃基板上实现巨量转移,玻璃基板发展潜力更大。

关键投资机会分析

我们认为,上述技术难点将成为 Micro LED 未来能否步入消费级应用的重要关卡,创业企业有机会在关键技术方面取得突破,抢占先机。我们将持续关注以下6个方面的技术进展:

巨量转移是实现 Micro LED 价格大规模降低、从而实现 Micro LED 商业化落地的核心技术之一,尽管不同的公司提出了不同的技术路线,但目前的转移效率及良率均未达到大规模商业化的水平,若巨量转移技术取得突破,将带来一个广阔的转移设备市场。从目前的技术效果来看,未来激光转移可能成为巨量转移主流的技术,建议关注行业内企业在巨量转移方面的最新进展。

全彩化也是实现 Micro LED 的核心技术,目前主要有 RGB LED、透镜合成、量子点三种主流方式,目前均存在相应的短板,未来随着量子点技术的完善,量子点有望成为全彩化的主流技术,且量子点在 LCD、OLED 中也均可发挥巨大作用,建议关注在量子点具有深厚技术沉淀的公司。

随着 Micro LED 芯片尺寸的急剧缩小,为芯片微缩与外延带来了更多的挑战,目前行业制造工艺尚未标准化且主要由国外厂商提供,因此 LED 芯片的上游设备与材料存在技术更新和国产替代的投资机会。

在微间距的趋势下,芯片的封装工艺发生了巨大的改变,COB、COG、MIP 的封装方式与 Micro LED 比较契合(其中 MIP 技术更能实现效率与成本的平衡),可关注在 COB、COG 和 MIP 领域内可能存在的投资机会。

传统 PCB 基板的背光模组在散热性能上存在极限,且不能无限超薄。玻璃基板 LED 虽然是崭新工艺路线,但是却是一个“上游高度成熟”的产品,且比 PCB 板在超精细、超大板卡上更为成熟和具有规模成本与工艺成本优势。如果应用巨量转移技术,玻璃基板的友好性也更高,可关注玻璃基板 LED 技术的最新进展与相关公司。

光源认为,从 Micro LED 制造各环节竞争格局来看,芯片微缩、面板制造及应用环节相对来说发展更快,京东方、华灿光电、TCL华星等多家优秀上市公司及一些初创企业已前瞻性布局,竞争较为激烈。而巨量转移及全彩化环节,国内外水平仍然存在较大差距,属于卡脖子领域,相关技术和设备类初创企业稀缺,机会和市场空间巨大。