La Tecnología de Pantallas de Gran Formato Micro LED -- Chip y Su Estructura de Escapsulado

Introducción

En la sociedad informática, las personas reciben una gran cantidad de información cada día. Como la principal interface que facilita el intercambio de informacion entre personas y los sistemas, las pantallas de visualización tienen un impacto significativo en la vida de las personas. Dado el rápido crecimiento de la información, especialmente la sustitución de la información tradicional de sencillo video texto por los actuales medios de A/V digital multimedia- Proponen una mayor demanda en cuanto a la calidad y la resolución de los dispositivos de visualización. Es por esto, una variedad de nuevas tecnologías de visualización están en pleno auge, especialmente la nueva generación de tecnología de pantallas, Micro LED, las cuales se han convertido en una tecnología de alto nivel para los fabricantes de pantallas LED. En respuesta a este cambio, Absen lanzó la tecnología de pantalla Micro LED en todo el mundo el 12 de marzo de 2021.

1 Comparación de las principales tecnologías de visualización

Los diferentes escenarios proponen diferentes requisitos de rendimiento para los dispositivos de visualización, y las correspondientes tecnologías principales de visualización también son diferentes. Según el escenario de uso, los dispositivos de visualización pueden dividirse en 2C y 2B. El 2C se refiere principalmente a: televisores, monitores, computadoras portátiles, productos para automóviles, teléfonos móviles, productos portátiles. LCD (Pantalla de Cristal Liquido) es una solución técnica tradicional, utilizada principalmente en pantallas 2C, pero tiene un bajo contraste, una pequeña gama de colores, un pequeño ángulo de visión y otros problemas. Con el desarrollo de la tecnología de materiales, comenzó a surgir la tecnología OLED (Diodo Orgánico emisor de Luz). En comparación con la pantalla LCD, los productos de pantalla OLED son de chasis sencillos, más ligeros y delgados, pueden lograr una mayor relación de brillo y contraste, un mayor ángulo de visión, una gama de colores más amplia y un menor consumo de energía, lo que hace que las pantllas OLED ocupen rápidamente el mercado de consumo, pero los productos OLED siguen teniendo problemas como la corta vida útil. Micro LED(Diodo emisor de luz micrométrico) se caracteriza por una tecnología de visualización que reduce las luminarias LED, que conforman la pantalla, a un tamaño de escala de micras, con la correspondiente larga vida útil y fiabilidad de los LED inorgánicos. Esta tecnología da cmo resultado pantallas que se caracterizan por su alto brillo, alto contraste, amplia gama de colores, larga vida útil y alta fiabilidad. Debido a estas cualidades, la pantalla micro LED esta siendo considerada como una tecnología de visualización casi perfecta. El alto brillo y la capacidad de ahorro de energía favorecen las amplias perspectivas de aplicación y uso de los micro LED en productos wearables de 0,X pulgadas y x pulgadas, mientras que Apple, como representante, espera aplicar la tecnología Micro LED a productos de 2C como el Apple Watch. Por otro lado, la ventaja del empalme inconsútil convierte al Micro LED en la mejor solución para los televisores de pantalla grande de más de 85 pulgadas. Actualmente, Sony, Samsung y algunos fabricantes de pantallas nacionales han lanzado productos de consumo de gran pantalla basados en la tecnología Micro LED.

La pantalla 2B se aplica principalmente en teatros, centros comerciales, salas de conferencias, salas de control y otras áreas de la pantalla exterior e interior. Las principales tecnologías de visualización seleccionadas para estas escenas de uso incluyen pantalla de empalme LCD(Monitores bezel delgado), pantalla de proyección y pantalla LED. En el caso de las pantallas LCD(Monitores bezel delgado) con sus empalmes visibles, escaso brillo y bajo contraste en la proyección han limitado ampliamente su aplicación, en contraparte con el auge de uso de las pantallas LED, caracterizadas por su alto brillo, alto contraste, amplia gama de colores, empalme imperceptible, entre otras ventajas. Con la reducción de píxel pitch, especialmente el desarrollo de la tecnología Micro LED, la pantalla LED de ultra alta definición se ha convertido en una tendencia y la calidad de la imagen de la pantalla es cada vez más fina. En consecuencia, los escenarios de aplicación de las pantallas LED también se están ampliando, pasando de las tradicionales pantallas de ingeniería a las comerciales y las domésticas. Se puede ver que Micro LED es muy competitivo en los mercados de 2C y 2B debido a sus ventajas únicas. Por ello, tanto los fabricantes de paneles tradicionales como los de pantallas LED están desarrollando activamente esta tecnología. Absen como proveedor líder mundial de aplicaciones y servicios de pantallas LED, no es la excepción. Actualmente, Absen ha lanzado en todo el mundo los siguientes productos de pantallas de Micro LED en pantallas de uso comercial: 2K 55 pulgadas (P0,6), 2K 73 pulgadas (P0,8), 2K 82 pulgadas (P0,9), 4K 110 pulgadas (P0,6), 4K 138 pulgadas (P0,7), 4K 165 pulgadas (P0,9) y 8K 220 pulgadas (P0,6).

La tecnología de pantalla Micro LED pueden considerarse como el micro paso al HD de las pantallas LED tradicionales, y el uso de diminutas partículas LED como puntos de emisión de  luz-píxeles. En consecuencia, la estructura y el encapsulado del chip LED afectan directamente al rendimiento de los dispositivos de visualización Micro LED.

2 Comparación estructural de los chips emisores de luz Micro LED

En general, el chip de pantalla LED está compuesto por los sustratos, esta la capa semiconductora de tipo P, la capa semiconductora de tipo N, la unión P-N, el electrodo positivo y negativo. Cuando se aplica la tensión positiva entre el electrodo positivo y el negativo, los agujeros(Cargas positivas) inyectados desde la zona P a la zona N y los electrones inyectados desde la zona N a la zona P se recombinan en la unión PN, convirtiendo la energía eléctrica en luz con diferentes longitud de onda(Diferentes tonos de luz). La estructura de los chips de LED se divide principalmente en los siguientes tipos: estructura formal, estructura flip-chip y estructura vertical. La figura 1 muestra el diseño esquemático de las tres estructuras de los chips.

Figura 1 Diagrama de diseño de la estructura del chip

(1) Estructura Empalme de Filamento del chip

La mas temprana estructura del chip, Chip de empalme de filamento es compuesta de arriba a abajo asi: electrodo, capa semiconductora de tipo P, capa emisora, capa semiconductora de tipo N y sustrato. El calor generado en la unión PN en esta estructura debe pasar a través del sustrato de zafiro para conducir al disipador de calor. La mala conductividad térmica del sustrato de zafiro conduce a una probre deficiente disipación térmica de la estructura, lo que reduce la eficiencia luminosa y la fiabilidad del chip. En la estructura de chip de empalme de filamento, tanto el electrodo p como el electrodo n están ubicados en la superficie emisora de luz del chip, y el recubrimiento de los electrodos da como resultado una menor eficiecian de emisión de luz del chip. Además, colocar el electrodo p y el electrodo n en el mismo lado del chip también es propenso a la congestión de corriente eléctrica, que también reduce la eficiencia luminosa. El traslado del metal puede ser causado por factores como la temperatura y la humedad, etc., y a medida que disminuye el tamaño del chip, reduce el espacio entre los electrodos positivo y negativo, lo que puede dar lugar a problemas de cortocircuito.

(2) Estructura flip-chip (Chip girado)

La estructura de flip-chip visto desde arriba hacia abajo es: sustrato de zafiro, capa semiconductora de tipo N, capa emisora de luz, capa semiconductora de tipo P y electrodo. En comparación con la estructura de Emplame de filamento, el calor generado en la unión PN en esta estructura puede transmitirse directamente al disipador de calor sin pasar por el sustrato, por lo que se logra un buen rendimiento de disipación de calor y por ende mejor eficiencia luminica y fiabilidad del chip. En la estructura del flip-chip, el electrodo p y n están en la parte inferior, lo que evita el obstáculo de la luz emitida y da lugar a contribuir a una alta eficiencia del chip; además, la distancia mayor entre los electrodos del flip-chip reduce el riesgo de cortocircuitos debido al movimiento del metal de los electrodos.  

(3) Estructura vertical del chip

A diferencia del chip fde filamento de empalme, en el chip vertical se utiliza un sustrato de alta conductividad térmica (Si, Ge o Cu) en lugar de un sustrato de zafiro, lo que mejora en gran medida el rendimiento de disipación de calor del chip. Además, el electrodo positivo y el electrodo negativo del chip vertical están situados en la parte superior e inferior del chip por separado, lo que contribuye a una distribución más uniforme de la corriente y el calor y mejora aún más la fiabilidad del chip. Sin embargo, en la actualidad, el chip vertical actual tiene un alto costo y una baja capacidad de producción en masa.

La tabla 1 muestra la comparación del rendimiento de estos tres chips. Se puede observar que el flip chip es más adecuado para los productos de visualización de micro LED debido a su alta eficiencia luminosa, su buen rendimiento de disipación de calor, su alta fiabilidad y su capacidad de producción en masa.

Tabla 1 Comparación de la estructura y el rendimiento de los chips

3 Comparación de las formas de encapsulación de Micro LED  the e ncapsulation forms of Micro LED

Los chips emisores de luz LED individuales no pueden cumplir con los requisitos de uso, sino necesitan ser empacados. Una estructura y un proceso de encapsulación razonable pueden proporcionar una entrada eléctrica, una protección mecánica y unos canales eficaces de disipación del calor para los chips emisores de luz, y facilitar la realización de una salida de luz eficiente y de alta calidad.

La reducción del tamaño del chip LED y del espaciado de la pantalla plantea mayores requisitos de encapsulación. En la actualidad, las formas de encapsulación más utilizadas son el chip tipo SMD, el IMD N-en-uno y el COB, como se muestra en la Figura 2.

Figura 2 Diseño esquemático de estructuras típicas de encapsulación de micro LEDs

(1) Encapsulación del chip tipo SMD

En el chip-tipo SMD, un solo píxel led está vinculado a la tarjeta BT y después encapsulado utilizando la resina óptica para lograr una encapsulación de chip singular. Esta encapsulación es después adjunta al PCB usando la tecnología SMD para crear el módulo LED. Se refiere a un solo pixel de tamaño pequeño, con soldaduras muy pequeñas, pero las soldaduras resultan en un riesgo de erosión por el vapor de agua, una baja protección mecánica y  corto circuito. Basado en el análisis de arriba, SMD no es tan apropiada para las pantallas con Micro LED.

(2)   Encapsulación N-en-uno IMD

En el encapsulado IMD N-en-uno, N unidades de píxeles ( regularmente 2 o 4) son vinculados a la tarjeta BT y luego encapsulados como uno utilizando la resina óptica. En comparación con el encapsulado chip-tipo SMD, el encapsulado IMD cuenta con una mayor integración, que puede aliviar eficazmente los riesgos de erosión por vapor de agua y la escasa protección mecánica. Mientras tanto, IMD hereda las ventajas de un proceso ya maduro, la baja dificultad técnica y el coste del dispositivo SMD único. Sin embargo, la integración de la encapsulación IMD de N-en-uno sigue siendo baja, lo que provoca bajo efecto y fiabilidad para Micro pitch debajo de 0.6mm por problemas de proceso.

IMD 4-in-1

Tecnoñogía encapsulada integrada

(3) Encapsulación COB

En la encapsulación COB, los chips desnudos de múltiples unidades de píxeles (en su mayoría cientos) son adjuntos al PCB y luego se encapsulan como un todo utilizando la resina óptica. Comparado con SMD y IMD N-en-uno, los múltiples chips se encapsulan como un todo en la encapsulación COB, lo que contribuye a mejorar la resistencia al vapor de agua y a obtener un excelente rendimiento de protección mecánica. Además, en la encapsulación COB, la tarjeta BT es omitida y los chips son vinculados directamente al PCB, lo que permite un canal conductor de calor más corto y por ende una mejor disipación. Según el análisis anterior, se puede demostrar que la encapsulación COB es la forma óptima para las pantallas Micro LED con alta densidad de píxeles.

Las características de los métodos de encapsulación mencionados se muestran en la tabla 2. El encapsulado COB  con el mayor grado de integración puede utilizarse para conseguir el menor espaciado de píxeles, la mayor fiabilidad y la mayor vida útil de la pantalla, y se considera la mejor solución de encapsulado para los Micro LED.

Tabla 2 Comparación del método de encapsulación y el rendimiento de los productos de pantalla micro LED

4 Conclusión

El Micro LED se considera una tecnología de visualización casi perfecta y tiene amplias perspectivas de aplicación en el campo de las pantallas grandes de más de 85 pulgadas debido a sus ventajas de alto brillo, alto contraste, amplia gama de colores y empalme inconsútil. Los principales fabricantes de pantallas están desplegando activamente en el campo de las pantallas Micro LED. La estructura y el encapsulado del chip LED determinan directamente el rendimiento de los dispositivos de visualización Micro LED. En la actualidad, la industria adopta principalmente tres tipos de estructura, a saber, la estructura de empalme de filamento, la estructura flip-chip y la estructura vertical. De la comparación de estas estructuras se desprende que el flip chip, con una alta eficiencia de emisión de luz, un buen rendimiento de disipación del calor, una alta fiabilidad y una gran capacidad de producción en masa, es más adecuado para las pantallas Micro LED. Normalmente, las formas de encapsulación de Micro LED incluyen la encapsulación SMD chip-tipo, IMD N-en-uno y COB. Entre estos tres tipos de encapsulación, la encapsulación COB, con la mayor integración, puede utilizarse para conseguir el menor espaciado de píxeles, la mayor fiabilidad y la mayor vida útil de la pantalla en teoría, y se considera la mejor solución de embalaje para Micro LED.

Toda la gama de productos Micro LED lanzados por Absen se basan en la tecnología HCCI patentada por Absen.

1) Utiliza la tecnología de encapsulación del flip-chip COB
2)Integra el algoritmo central de Absen HDR3.0
3)Integra la tecnología de visualización inteligente

Un equipo profesional ha investigado continuamente el diseño óptico y el procesamiento de la calidad de la imagen para mejorar el efecto de la pantalla. Estos esfuerzos han contribuido a obtener imágenes suaves, una alta reproducción del color y una visualización suave y consistente. Todos los resultados se han aplicado a productos que se utilizan ampliamente en escenarios como grandes centros de control y centros de conferencias.