深圳韦侨顺光电有限公司
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集成封装-LED显示行业的产业创新

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作者 胡志军 梁青


  在LED显示领域,最近出现了许多新技术和新的发展方向,如COB技术、倒装芯片技术、MiniLED技术、MicroLED技术等,一时令人眼花缭乱,无所适从。这些技术之间到底存在什么关系?它们又将如何演绎?作为COB集成封装技术的原创公司,在此谈谈我们的看法。

上述所列的新技术可归纳为以下两种:

1.LED芯片级别的技术

像我们之前使用的正装芯片,以及最近在发展的倒装芯片、MiniLED芯片和MicroLED芯片等。

2. LED封装级别的技术

像我们之前的DIP和SMD技术,以及最近发展起来的COB技术等。

  我们认为:LED的芯片技术和LED的封装技术是LED显示产业链中的两种不同的技术,缺一不可。不管芯片技术如何发展,最终要实现芯片的电气功能并能可靠持久地工作,还是离不开封装技术对芯片的保护。然而封装技术的发展,已经在COB技术的带领下进入到了集成封装时代。我们还认为:目前的COB集成封装技术仅仅是集成封装技术的初级形态,在未来的倒装芯片、MiniLED芯片和MicroLED芯片技术的发展中同样离不开集成封装技术。目前在COB集成封装技术中出现的生产、测试和修复三大技术问题也会在这些芯片的封装过程中符合逻辑的再现,只不过更加复杂而已。所以要想在未来的LED显示技术竞争中执牛耳,必要先过COB集成封装技术这一关。然而要推动集成封装技术的发展,非某个企业的能力可为,需要国家从战略层面加大对集成封装技术的研发投入,制定发展规划,开展技术理论和产业理论的研讨,协调在制造设备、测试技术、修复技术、新材料的应用探索、新工艺的尝试探索等产业基础课题上的研究与突破。

  那么,究竟什么是集成封装技术? 它与我们之前的DIP和SMD封装技术到底有什么不同?下面我们通过DIP、SMD和COB集成封装技术的演变来加以说明。

  首先我们需要简单了解什么是COB封装技术?

   COB封装技术是电子行业早就存在的一种封装技术形态,并不是我们的发明创造,只是我们在2010年最先将这一技术引入到LED显示面板集成技术上,开创了无支架集成封装的概念和理论。

COB是英文的Chip-On-Board的缩写,它的技术原理也非常简单如图1所示。

图1. COB封装技术原理

具体的实施就是将LED裸芯片放置在PCB板LED灯珠的焊盘上,然后进行导线的键合焊接,实现电气功能的导通。经测试合格后,再将发光灯位中的LED芯片用防护透明胶体密封保护起来,这就形成了一个单体的COB封装灯珠。

  无论从Chip On Board的字面还是从技术实施的图形上都很难理解COB技术到底如何强大,那么我们把COB想像成一枚蚕茧,我们会带领大家抽去COB漂亮的外丝,深入到它的内核技术实质部分。


一、LED显示领域封装技术形态的演变

  在LED显示领域,封装技术的地位及在产业链中所处的位置十分重要,担负着承上启下的重任。因此所有LED显示面板也都是以封装技术来命名的。如图2所示。

图2. 三种LED显示面板技术

   LED显示面板的主要封装技术到目前为止已经经历了DIP时代、SMD时代和COB时代。如图3所示:在第三代COB集成封装技术之前的DIP和SMD两代封装技术都属于单灯珠的传统封装技术。

图3.三代LED芯片封装技术

  从传统封装技术和集成封装技术的产业链形态对比图4中,我们可以更加清晰地看清它们之间存在的差异:

图4.传统装技术和集成封装技术的产业链差异对比

单灯珠分立式封装  v  多灯珠集成式板上封装

有支架封装技术  v  无支架封装技术

封装后焊接面板集成技术  v  封装中焊接面板集成技术

产业形态固化  v  产业形态可控


  因此我们说对比v符号左侧的四个方面就是我们传统封装技术的产业特征,也是我们传统的1.0版的LED显示面板制造技术。而v符号右侧的四个方面就是创新的集成封装技术的产业特征,也是我们集成封装2.0版的LED显示面板制造技术。

  图5所展示的就是一块用2.0版本的LED显示面板制造技术生产的COB集成封装显示面板。

图5.COB集成封装显示面板

  传统技术和集成封装技术在LED显示面板的焊接集成技术上,“后”和“中”虽然仅有一字之差,但功效大不一样,甚至天翻地覆。述这四个方面的差异就此构成了COB集成封装技术的理论基础。所以我们说集成封装技术的实践过程就是LED显示行业的产业创新。


二、传统封装技术和产业问题

  要搞创新技术,必然要对传统封装技术和产业问题进行研究剖析、发现痛点、找出症源。跨界的从来都不是专业的,创新者很少来自根植很深的领域,神出鬼没,所以审视问题的视角和观点会与行业的主流看法大相径庭。对于一个惯性很沉重的行业,内部的人很难直面问题的本质,创新的动力往往来自外部的力量。

(一)为什么传统封装技术要采用单灯珠有支架的封装形式

  我们认为这是受到当时的国家科技发展水平、产业制造设备水平、LED芯片技术发展水平等综合性的条件制约,只能采用最简单的单体化封装技术的生产方式。只要是单体化封装技术,就不可避免地采用支架作为简化技术的手段,通过支架连接产业的上游和下游,因而显示面板的集成也就必须在下游通过SMT或波峰焊接来实现。

(二)封装环节并不能对显示面板的质量起到决定性的控制作用

  从图4中还可以看出,在传统技术产业链中存在着四大显性产业要素即:封装、焊接、灌胶和组装,其中封装环节只占有一个产业要素,其他三大产业要素集中在产业链的下游显示屏厂。这四大产业要素的工艺水平会产生十六种排列组合,如图6所示:

图6. 传统产业四大产业要素工艺水平的排列组合对显示面板质量的影响效果


  从图6的显示面板质量水平评估栏中可以看到这样的结果,当且仅当所有四大产业要素的工艺水平控制在高水平时,才有可能得到一个质量好的传统LED显示面板,而其他十五种组合情况会不同程度地降低显示面板的质量。所以我们说,传统的技术路线是具有相当高的操作难度,屏厂封装后处理工艺水平是参差不齐的,不管灯珠封装得多么好,它对传统显示面板的质量控制起不了决定性的作用,反而是显示屏厂的技术水平对显示面板的质量起着决定性的制约作用。换句话说,即使封装厂的灯珠做得再好,屏厂也不一定能做出高质量的显示面板产品。这就是封装后显示面板质量不可控的产业大问题,是一种资源的消耗和浪费,是一种对终端客户的不负责任行为。可怕的是针对这一问题,我们从来就没有给予必要的研究和正视。

(三)支架技术弊端无解

   1. 把一次通过率问题扩大化地转移给下游屏厂

  虽然传统产业封装环节利用支架技术巧妙地躲过了一次通过率问题,但把这一问题扩大化地转移给了产业链的下游屏厂。

   2. LED芯片的二次转移隐性问题

  我们说在传统封装产业链中,LED芯片从芯片厂到封装厂是第一次转移,从封装厂再到显示屏厂的过程就叫做二次转移。芯片的第二次转移特征如下:

多路径

路径长短不一

气候条件不同

储藏条件不同

显示屏厂的技术水平和设备水平参差不齐

  这种转移会产生支架PIN脚氧化的可能性和生产条件的复杂多样性,造成相同芯片的产品质量差异化,同批次产品的不稳定也可以说传统封装技术看似成熟,但对封装厂、显示屏厂和用户时时刻刻潜伏着巨大的风险,不知何时就会被这种看似成熟的技术搞得一塌糊涂,轻者影响企业信誉,重者甚至关门倒闭。而且厂家和客户很难分清质量事故责任。

  3. 支架器件是开放式器件

  不管传统的单灯珠器件的气密性做得多么好,最终它的电气性能和散热功能的实现都是要通过胶体外面的支架PIN脚焊接到PCB板的焊盘上来实现的,所以它不是一个全封闭式的系统,而是一个开放式的系统。开放式器件的焊脚在任何时候都存在着氧化的风险和生产工艺不良的风险。

  4. 一个全彩像素就会有四个支架焊接PIN脚质量控制风险单元

  我们都知道一个系统的控制单元越少,可靠性越高。在传统技术中,对于一个有1920x1080像素分辨率的显示系统来说,仅灯珠的控制风险单元就会高达1920x1080x4=8294400个,如何能保证这么多的控制风险单元不出问题是一项无解的技术。

  如图7所示,是我们对行业传统封装技术进行的剖析,抽象总结出的问题结症所在。

图7. 传统封装产业的十二大问题

  通过认真的分析研究,我们认为行业中的传统技术存在如图7中右侧所列的十二种主要问题。有些是技术问题,有些是产业问题。但让我们惊讶的是,所有这些问题的产生都是源自于一个封装个体的支架。换句话说,传统封装技术的核心实质问题就是支架问题。支架问题不解决,传统技术就无解,就不能向前发展。所以支架虽小,撬动乾坤,小小支架将决定成败。

  综上所述我们认为:DIP时代和SMD时代实际上是通过支架技术弱化了封装技术地位的重要性,使产业的技术重心偏移到了产业链的下游显示屏厂,因而给下游企业带来了更加复杂的技术和产业问题,有些问题甚至是无解的。国家、企业、个人为此投入了大量的人力、物力、财力和资源寻求解决方案,得到的结果往往是事倍功半,这种代价的付出也是行业长期的认知固化和技术发展的一种必然。但我们不能几十年如一日的不思变革,任何技术的发展进化都是从简单到高级,从单一到集成,封装技术也不例外。一定会有一种技术和思想突破传统技术观念的束缚,在COB时代出现的集成封装概念正是顺应了这样一种技术演变趋势,它的出现重新强化了封装技术的地位,使产业的技术重心重新回到了封装环节。使用无支架集成封装技术虽然在封装环节难度系数高,但可以前置性的解决传统技术被支架所困扰的各种问题,取得的成绩是事半功倍,因此必定会成为未来LED芯片封装技术的发展主流和方向。


三、创新技术的威力

  如图8所示,抽象的总结展示了COB集成封装技术的威力就是源于甩掉了那个令人讨厌的小小支架。这一无支架的集成封装技术就完全解决了传统封装技术由支架引发的所有问题,前途就此变得一片光明。所以新旧技术的核心实质就是支架之争,以及由此双方围绕支架和无支架形成的技术理论和产业理论之争。其它的优化技术仅仅是锦上添花的事,它们即可为传统技术服务,也可为创新技术服务,但它们都不能影响到传统技术和创新技术的根本。

图8. 无支架的COB集成封装技术可以解决支架技术的所有问题


四、COB封装技术的发展道路

  多年的实际案例和数据证明COB产品很牛,行业的大力推广也给了COB产品发展的空间和土壤,但很多人并没有理解清楚COB技术的本质,所以目前COB封装技术的发展呈现出多元化,仁者见仁,智者见智。归纳起来主要有以下三种发展道路。


(一)单灯珠COB封装技术

  这个技术沿袭了传统的封装技术思维,具有较低的技术门槛,整个工艺路线和产业链布局也都没有太大的改变。屏厂还是购买封装厂封好的COB灯珠,再一粒粒SMT到LED显示面板上。


(二)有限集成COB封装技术

为了提高生产效率和降低像素失效率,又不会太多的增加封装技术的难度,有些厂家在尝试有限集成COB封装。屏厂从封装厂购买的不再是单颗粒的COB灯珠,而是有限集成封装的带有支架的COB模块,很像早期的点阵模块技术,然后再将这些模块SMT到LED显示面板上。


(三)COB集成封装技术

   COB集成封装指的是具有高集成度的COB封装技术,一般最少应具有0.5K以上的集成度。目前技术已突破2K的集成度水平。整个LED显示面板的灯珠集成都是在封装中完成的,不再需要屏厂重要的SMT工艺。


   COB集成封装技术与上述两种COB封装技术最显著的区别在于:

1. 无支架

2. 拥有至少0.5K以上的高集成度

3. 产业链结构中没有屏厂环节

4.   LED显示面板是在封装中实现集成而不是在封装后通过SMT工艺实现集成。

  未来到底那种COB技术能走得更好更远,我想经过我们上述的分析梳理,大家自己也可以总结出结论。


五、COB集成封装LED显示面板技术将会成为新一代封装技术和产业化的主流

     如图9所示,COB集成封装具有以下多方面的优势:

图9. 集成封装技术的优势

(一)技术先进

  以无支架封装技术为内核,通过COB技术,开启了多灯珠集成化的封装时代。

(二)拥有三种颠覆性的技术潜质

1. 高可靠性

  可以将面板级的像素失效率指标提升两个数量级,从万级跨越到百万级水平。灯珠的硬体防护能力可以达到商用甚至民用级别,可对屏体的安装和搬运过程中的磕碰做出有效的保护。

2. 低成本

  产业化后COB集成封装灯珠的硬成本比传统技术要低。

3. 可以实现更小的像素间距

  未来的倒装COB集成封装技术会使像素间距突破0.5mm以下,并具有稳定的生产和使用性能。

(三)高集成度

1. 设计集成

  在一块PCB电路板上集成灯珠、驱动、控制、电源所有的技术。

2. 封装集成

  面板集成还会向更高的集成度突破。

3. 产业集成

  最大化地减少不必要的生产制造环节,减少设备费用的投入。

(四)开拓全新多元的应用市场

1. 高清晰度微小间距的户内外高稳定性产品的应用市场。

2. 户内外高清多功能全天候的透明屏应用市场。

在透明屏产品应用上COB技术优势突出:

1) 一屏多用 内外兼用

2) 屏前无玻璃 现场具有100%抗强光干扰能力,如图10所示

图10. COB透明屏现场抗强光干扰显示效果


  图11展示的是其它传统技术在现场强光干扰下的显示效果。

                                                           屏对面的干扰光源                                                                                被干扰后的效果

图11.其它技术的现场被光源干扰的效果

3) 像素失效率指标比国标提升两个数量级<9/PPM

4) 不怕磕碰 大量减少客户的坏灯返修量

5) 具有IP65的户外防护能力 不怕高低温、高潮湿、高盐雾、高腐蚀环境

6) 无需倾角设计 全方位拥有近180度观看视角

7) 灯体表面的球冠曲面设计 无杂光返折射 外观干净、整洁、一致 显示内容清晰舒适

  如图12展示的是COB透明技术和其它传统技术的外观对比效果。

                                                                             COB技术                                                                                                                                                      其它技术

图12. 外观对比效果

8) 申请了五项专利技术保护

(五)产品具有独特的差异化优势

  超轻薄 可弯曲 优良的散热能力 节能 易清洗

(六)一块PCB板集成技术可以减少近50%的印刷电路板用量,节材、节能、节水和减排效果显著。

 


结束语:

  我们认为:COB技术的威力并不在于COB的技术形态本身,而在于它开创了集成化封装思想和集成化技术理论。COB封装仅仅是我们应用的一种技术手段,它的潜台词中所隐藏的无支架集成化封装技术才是最关键的技术核心。所以集成是对COB技术最美妙的诠释,COB技术如果离开了集成思想,会变得毫无价值。集成封装技术始于COB技术和COB时代,但绝不会止步于COB,未来的集成化封装思想和理论还会有更新的突破和更好的发展。

  韦侨顺的COB技术自始至终都是这种集成化封装思想的坚定捍卫者、实践者和推动者尽管这一技术形态最初受到行业的质疑,但八年的坚持是有价值的,韦侨顺的COB技术形成了较为完整的技术理论和产业化理论,COB集成封装LED显示面板产业化项目已于2017年11月15日正式启动。我们的愿景就是推动和实现COB集成封装LED显示面板事业的产业化,并就此做出了近3-5年的产业发展规划。我们坚信未来COB不仅仅会在户内外小间距火起来,而且在各个应用领域全面开花。

  与此同时我们也十分清醒的看到有资本实力的大厂都想上COB项目,似乎不搞COB,技术上就会落伍,也因此冒出了很多COB族群或OB族群的产品,其实这种思维是很危险的。我们真心希望后进者会有更高层次的技术创新,不应只停留在对概念的炒作和商业的投机行为上。对最终用户而言,如何辨别这些COB技术,如何定位这些COB技术的水平是非常重要的。

  首先我们要了解这些企业是否真正拥有封装技术和设备,还要看它是否只做COB集成封装产品,否则就要多问些为什么。从道理上说集成封装产品和传统封装产品就是矛与盾的关系。其次要根据2.0版本的集成封装技术的产业特征,了解这些COB产品到底是芯片级别的封装技术还是面板级别的封装技术?它们到底有没有使用支架?面板是在哪个阶段集成的?就此可判断出到底是1.0时代的面板封装技术还是2.0时代的面板封装技术。因为有支架和无支架,COB产品的性能大不一样。

  我们一直在说COB集成封装技术威力无比,也许大家目前还不能深刻的体会到,随着时间的推移和技术的不断成熟,产业化的规模会越来越大,就在不远的将来某个时间节点上,COB集成封装显示面板的爆发会瞬间到来。产业创新实践的深化也会更快地推动集成封装技术的发展。





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