他のディスプレイ技術と比較して、LEDディスプレイは、自己照明、優れた色再現、高いリフレッシュレート、省電力、および容易なメンテナンスの利点を有する。スプライシングによって実現できる高輝度と超大型の2つの特性は、過去20年間のLEDディスプレイスクリーンの急速な成長の決め手です。大画面屋外ディスプレイの分野では、これまでのところ、他の技術はLEDディスプレイ技術と競合することはできません。
しかし、過去には、LEDディスプレイには、パッケージ化されたランプビーズ間の間隔が広く、解像度が低く、屋内や近くで見るのに適していないなどの欠点もありました。解像度を向上させるためには、ランプビーズ間の間隔を小さくする必要があるが、ランプビーズのサイズが小さくなる。画面全体の解像度を向上させることができますが、コストは急速に上昇します。過剰なコストは、小ピッチLEDディスプレイの大規模な商用アプリケーションに影響を与えます。.
近年、チップメーカーやパッケージメーカー、IC回路メーカー、スクリーンメーカーの努力により、シングルパッケージデバイスのコストはますます低くなり、LEDパッケージデバイスはますます小さくなり、表示画素ピッチはますます小さくなっています。解像度はますます高くなっており、屋内大画面ディスプレイの小ピッチLEDディスプレイの利点がますます明白になっています。
現在、小ピッチLEDは主に広告媒体、スタジアム、舞台背景、市町村工学などの分野で使用され、輸送、放送、軍事などの分野で市場開拓を続けています。2018年までに、市場規模は数千億近くになると推定されています。今後数年間で、小ピッチLEDディスプレイは市場シェアを拡大し続け、DLPリアプロジェクションの市場スペースを占めると予測できます。中国エバーブライト証券研究所によると、2020年までに、DLPリアプロジェクション用の小ピッチLEDディスプレイの交換率は70%から80%に達するでしょう。
筆者は青緑色LEDチップ製造業界に従事し、長年にわたり製品開発に携わってきた。製品設計とプロセス技術の観点から、小ピッチLEDディスプレイスクリーンの開発では、青緑色LEDチップの需要とチップ側の可能な対策について議論します。
2. 小ピッチLEDディスプレイのLEDチップの需要
LEDディスプレイの中核として、LEDチップは小ピッチLEDの開発に重要な役割を果たしています。小ピッチLEDディスプレイの現在の成果と将来の開発は、チップ側の絶え間ない努力にかかっています。
一方では、屋内表示画面のドットピッチは、開発初期のP4からP1.5、P1.0、P0.8に徐々に縮小されています。それに対応して、ランプビーズのサイズは3535と2121から1010に縮小されました。0808サイズや0606サイズを開発しているメーカーもあれば、0404サイズを開発しているメーカーもあります。
ご存じのとおり、パッケージ化されたランプビーズの縮小には、必然的にチップサイズの縮小が必要になります。現在、市場で一般的に使用されている小ピッチディスプレイ画面用のブルーグリーンチップの表面積は約30ミル2であり、一部のチップ工場では既に25ミル2、さらには20ミル2のチップを量産しているところもあります。
一方、チップの表面積が小さくなり、単芯輝度が低下するにつれて、表示品質に影響を与える一連の問題も顕著になってきている。
まず、グレースケールの要件です。屋外スクリーンとは異なり、屋内スクリーンの需要の難しさは明るさではなくグレースケールにあります。現在、屋内の大間隔画面の明るさ要件は約1500 cd / m2 -2000 cd / m2であり、小ピッチLEDディスプレイの明るさは一般的に約600 cd / m2 -800 cd / m2であり、長期的な注意に最も適している最高の明るさは約100 cd / m2 -300cd / m2です。
小ピッチLEDスクリーンの現在の問題の1つは、「低輝度と低グレー」です。すなわち、グレースケールは低輝度では十分ではない。「低輝度・高グレー」を実現するため、現行パッケージ端部はブラックブラケットを採用。黒いブラケットはチップ上での反射が弱いため、チップには十分な明るさが必要です。
次に、表示の均一性の問題です。従来の画面と比較して、間隔が小さいほど、残光、暗い最初のスキャン、赤みがかった低輝度、不均一な低グレーなどの問題を引き起こします。現在、残光、ファーストスキャンダーク、ローグレー、レッドなどの問題に対応して、パッケージング側とIC制御側の両方がこれらの問題を効果的に緩和する努力をしています。低グレースケール下での明るさの均一性もポイントごとに補正されています。テクノロジーは緩和されました。しかし、問題の根本原因の1つとして、チップ側でより多くの努力が必要です。具体的には、小電流下での輝度の均一性がより良好であり、寄生容量の一貫性がより良好である。
第3の課題は信頼性です。現在の業界標準では、LEDデッドライトレートの許容値は1万分の1であり、これは明らかに小ピッチLEDディスプレイには適していません。小ピッチ画面のピクセル密度が高く、表示距離が短いため、10,000個のライトがある場合、1個のデッドライトが発生し、その効果は許容できません。将来的には、長期使用のニーズを満たすために、デッドライトレートを10万分の1、さらには100万分の1に制御する必要があります。
一般に、小ピッチLEDの開発には、チップセグメントのサイズを縮小し、相対輝度を高め、小電流下での良好な輝度の一貫性、良好な寄生容量の一貫性、および高い信頼性が必要です。
3つのチップサイドソリューション
1. 小型化チップサイズ縮小
表面的には、レイアウト設計の問題です。ニーズに合わせて小さなレイアウトを設計することで解決できそうです。しかし、チップサイズの縮小は無期限に続けられるのでしょうか?答えはノーです。チップサイズ縮小の程度を制限する理由はいくつかあります。
(1) 包装加工の制限パッケージングプロセスでは、2つの要因がチップサイズの削減を制限します。一つはノズルの制限です。ダイボンディングはチップを拾う必要があり、チップの短辺は吸引ノズルの内径よりも大きくなければなりません。現在、約80umの内径を有する費用対効果の高いノズルがある。2つ目は、ワイヤボンディングの限界です。第1に、ワイヤボンディングパッド、すなわちチップ電極は十分に大きくなければならず、さもなければワイヤボンディングの信頼性は保証されない。業界は、最小電極直径が45umであると報告した。第二に、電極間の距離は十分に大きくなければならず、さもなければ2つのワイヤボンディングは必然的に互いに干渉するであろう。
(2) チップ加工の限界チップ処理プロセスにも2つの制限があります。1つはレイアウトの制限です。上記のパッケージ端部の制限に加えて、電極サイズと電極間隔が必要であり、電極とMESAとの距離、スクライブレーンの幅、および異なる層の境界線間隔には、チップの電流特性、SDプロセス能力、およびフォトリソグラフィの処理能力の限界があります。特定の制限の範囲を決定します。一般に、P電極からチップの端までの最小距離は14μm以上に制限される。
2つ目は、切削能力の限界です。SDダイシング+メカニカルスプリットプロセスには限界があり、チップサイズが小さすぎるとチップサイズが分割されないことがあります。ウェーハの直径が2インチから4インチ、または将来的には6インチに増加すると、それに応じてダイシングと分割の難しさが増す、つまり処理可能なチップのサイズがそれに応じて増加します。4インチチップを例にとると、チップの短辺の長さが90μm未満で、アスペクト比が1.5:1より大きい場合、歩留まり損失が大幅に増加します。
以上の理由から、チップサイズを17mil2に縮小した後、チップ設計・処理能力は限界に近づき、チップ技術計画に大きなブレークスルーがない限り、基本的に削減の余地はないと大胆に予測している。
2.明るさの増加
輝度向上はチップ側の永遠のテーマです。チップファクトリーは、エピタキシャルプログラムの最適化を通じて内部量子効果を最適化し、チップ構造の調整を通じて外部量子効果を改善する。
しかし、一方では、チップサイズの縮小は、必然的に発光面積の減少およびチップ輝度の低下につながる。一方、小ピッチ表示画面のドットピッチが小さくなり、シングルチップ輝度の要求が小さくなる。両者の間には補完的な関係がありますが、結論は必要です。現在、チップ側のコストを削減するために、それは主に構造上の減算を行うことであり、これは通常、明るさを低下させる代償を払わなければならない。したがって、トレードオフをどのように比較検討するかは、業界が注意を払うべき問題です。
3. 低電流下での一貫性
いわゆる低電流は、従来の屋内および屋外チップで使用される電流に対して相対的である。下図に示すチップI−V カーブは、従来の屋内および屋外チップが線形作業領域で動作し、電流が比較的大きい。しかし、小ピッチLEDチップは、0点に近い非線形の作業領域で動作する必要があり、電流は比較的小さいです。
非線形動作領域では、LEDチップは半導体スイッチングスレッショルドの影響を受け、チップ間の差はより明白です。多数のチップの明るさと波長の離散性を分析すると、非線形作業領域の離散性が線形作業領域よりもはるかに大きいことが容易にわかります。これは、現在のチップ側に内在する課題です。
この問題に対処する方法は、最初にエピタキシャル方向を最適化して線形作業領域の下限を減らすことです。第二に、異なる特性を有するチップを区別するためにチップ分光法を最適化する。
4. 寄生容量の一貫性
現状では、チップ側の静電容量特性を直接測定する条件はない。静電容量特性と従来の測定項目との関係は未だ不明であり、業界がまとめるのを待っている方もいらっしゃいます。チップ側最適化の方向は、まず延長の調整、もう一つは電気ビニングの改良ですが、コストが非常に高く、お勧めできません。
5. 信頼性
チップ側の信頼性は、チップパッケージングおよびエージングプロセスにおける様々なパラメータによって記述することができる。しかし、一般に、チップを画面にインストールした後の信頼性に影響を与える要因は、主にESDとIRです。
ESDは帯電防止能力を指します。IC業界のレポートによると、チップ故障の50%以上がESDに関連しています。チップの信頼性を向上させるには、ESD機能を改善する必要があります。しかし、同じエピタキシャルウェーハと同じチップ構造の条件下では、チップサイズが小さいほどESD能力の弱体化は避けられません。これは電流密度とチップ容量特性に直接関係しており、抵抗することはできません。
IRは逆リークを指し、通常、チップの逆電流値は固定逆電圧下で測定される。IRはチップ内部の欠陥数を反映します。IR値が大きいほど、チップ内部の欠陥が多くなります。
ESD能力とIR性能を向上させるには、エピタキシャル構造とチップ構造をさらに最適化する必要があります。チップビニングでは、厳しいビニング規格により、ESD能力やIR性能の弱いチップを効果的に排除できるため、画面に実装した後のチップの信頼性が向上します。
4、まとめ
要約すると、著者は、小ピッチLEDディスプレイの開発でLEDチップエンドが直面する一連の課題を分析し、改善計画や方向性を1つずつ与えます。LEDチップの最適化にはまだまだ多くの余地があると言わざるを得ません。改善の方法は、業界が創意工夫を生かし、継続的な努力をすることを待っています。
