Mini LED应用爆发在即:设备市场的挑战和机遇

  

  Mini LED应用爆发在即,设备市场的挑战和机遇怎么样?下面电子玻璃展就为您介绍一下。

  

  一、Mini LED前道制造工艺与设备

  

  1.1 LED芯片前道制造包括衬底、外延和芯片加工三大环节

  

  衬底。LED芯片通常使用蓝宝石衬底,流程包括蓝宝石晶体生长、切片、抛光等。

  

  外延。在蓝宝石衬底上生长不同特性的GaN外延层,形成PN结。这是LED芯片较核心的环节。

  

  芯片加工:在外延片上通过光刻、刻蚀、溅射、蒸镀等工艺形成的芯片结构。具体包括:

  

  刻蚀。通过ICP刻蚀,将N型GaN台面暴露出来,形成PN结台阶。

  

  溅射。在P台面上溅射蒸镀一层电流扩展层,实现很好的导电性(N-GaN导电性良好,无需此步骤)。

  

  蒸镀。LED芯片需要使用金属作为电极与焊接质,通常通过蒸镀工艺形成金属电极。

  

  光刻:上述步骤均需要光刻来实现图形化,使LED的不同层有序沉积或暴露。

  

  测试分选:LED芯片制备完成后,需要对其进行检测分选,以保证进入下一步骤的良率。

  

  1.2MiniLED对工艺与设备提出新的挑战

  

  MiniLED是指由尺寸介于50-200μm之间的LED器件。

  

  传统LED芯片尺寸普遍大于200μm,Mini/Micro LED是将传统的LED阵列微小化,形成的高密度集成的LED阵列。其具有“薄膜化,微小化,阵列化”的优势,被看作是未来显示技术的发展趋势。目前,Micro LED(尺寸小于50μm)尚未成熟,Mini LED(尺寸介于50-200μm之间)凭借逐步成熟的性能和持续的降价趋势赢得了越多越多产业链企业的认可

  

  Mini LED芯片和LED芯片制造流程基本一致,但对部分设备提出较高要求。与传统LED相比,Mini LED芯片制造流程基本一致。然而,很小的芯片尺寸和点间距,对芯片制造和封装提出了很高的要求。MiniLED制造流程难度提升主要在外延和检测分选两个步骤,对相关设备提出了很高的要求。

  

  Mini LED工艺对外延和检测分选设备形成新需求:

  

  1.3外延:Mini LED对MOCVD设备提出很高要求

  

  MOCVD设备波长均匀性和缺陷控制要求高

  

  外延片的制备是LED芯片制造的重要环节,需要通过MOCVD设备实现。一个LED完整发光结构通常包含70-80层不同掺杂浓度、薄层厚度的沉积层,各沉积层均会影响产品的发光特性,因此外延生长环节是LED芯片生产的重要步骤。MOCVD (Metal-organic Chemical Vapor Deposition)即金属有机化合物化学气相沉积工艺,是LED外延片生产的主流工艺,通过MOCVD设备实现。

  

  Mini LED外延片对波长均匀性和缺陷控制要求提高,传统的MOCVD设备需要升级。随着LED芯片尺寸的缩小和单位面积数目的增加,芯片良率成为厂商无法回避的挑战。提高良率可以有效的降低生产成本。就外延环节而言,提高良率的关键在于波长均匀性和缺陷密度,这对MOCVD设备的设计与制造提出了很高要求。

  

  Mini/Micro MOCVD设备改进需求:

  

  1.4芯片加工:倒装芯片优势明显,渗透率有望逐步提升

  

  根据结构划分,LED芯片可分为水平、垂直、倒装三类,其工艺流程存在一定差异。

  

  Mini LED应用爆发在即:设备市场的挑战和机遇

  

  水平结构:较常见的结构,P电极和N电极都镀在芯片上表面,制作流程相对较为简单。

  

  垂直结构:P电极仍制作在芯片上表面,但N电极置于芯片底部。垂直结构无需刻蚀PN台阶,但需要剥离蓝宝石衬底,并增加一层导电衬底。芯片底部蒸镀金属薄膜,作为电极的同时可将出射光反射到正面。衬底剥离工艺难度较大,一定程度制约了垂直结构的发展。

  

  倒装结构:外观类似于水平结构的翻转,但制作流程存在差别,成本也比水平芯片高。为了使光线从芯片背面出射,倒装芯片一方面需要在P-GaN层和电极之间蒸镀金属反射层,另一方面需要减薄或剥离蓝宝石衬底,以减少光线损失。

  

  在Mini LED规格下,倒装结构芯片存在发光效率高、散热好等优势。倒装芯片渗透率有望逐步提升。

  

  倒装结构芯片在Mini LED规格下存在优势:

  

  芯片加工:现有LED芯片加工设备基本满足Mini LED加工要求

  

  Mini LED芯片加工设备包括光刻机、刻蚀机等,与半导体芯片设备类似,但精度要求较低。Mini LED芯片加工环节存在的挑战很多在于芯片设计和流程优化层面,对于设备并无硬性升级要求。现有的LED芯片加工设备较为成熟,基本可满足Mini LED工艺需求。

  

  Mini LED芯片工艺升级存在三个方面的挑战。

  

  其一为小尺寸芯片设计。小尺寸情况下,焊接面平整度、电极结构设计、易焊接性、对焊接参数的适应性、封装宽容度均为设计的重难点。其二为倒装工艺的控制。倒装芯片在Mini LED规格下优势明显,但倒装工艺成熟度尚不及正装工艺,特别是RGB直显所用红光芯片,倒装时衬底转移工艺较为复杂。其三为一致性和可靠性要求的提升,需要在生产环节实行较严格的流程控制以提高良率。

  

  1.5测试分选:Mini LED芯片测试分选设备需提升速度与精度

  

  测试分选是Mini LED芯片出厂前的重要环节。

  

  LED测试通常分为芯片端测试和封装端测试。在芯片测试端,由于Mini LED生产工艺尚不成熟且良率不足,行业普遍采用全测全分模式,芯片出厂前需进行至少一次光电测试,以剔除不良芯片,满足下游对良率的需求。

  

  测试完成、确定芯片光电等级后,由分选装置将芯片分拣排列,以供下游封装和使用。

  

  测试和分选工序可由同一台机器(一体机)完成,也可分别由两台机器完成。前者可靠性强,但速度慢;后者可实现快速分选,但涉及数据在两台设备间的传输,可靠性有所降低。

  

  MiniLED对芯片的一致性与可靠性要求较严格,需要测试分选设备层面的提升。芯片检测环节效率低、耗时长,成为Mini LED成本控制的瓶颈之一,要求测试分选设备厂商不断提升设备速度与精度。

  

  二、MiniLED后道封装工艺与设备

  

  2.1封装路线:LED封装主要包括SMD、IMD和COB三大类

  

  Mini LED背光封装:POB、COB、COG三种方案将长期并存

  

  Mini LED直显封装由SMD升级为IMD、COB方案

  

  根据封装结构的集成度,LED封装路线可分为SMD、COB与IMD(n合一)三类。SMD(Surface Mounted Devices)是先将单个芯片封装成灯珠,再将其组装至基板上的封装方案,单个封装结构中只包含1个像素。COB(Chip on Board)方案则是将多颗LED裸芯片直接与PCB电路板相连,省去LED芯片单颗封装后贴片的工艺流程,单个封装结构中可包含大量像素。

  

  根据芯片封装方向,LED封装路线又可分为正装与倒装方案。

  

  正装方案使用水平或垂直结构芯片,芯片通过焊线与PCB基板相连;倒装方案使用倒装芯片,无需引线焊接,金属电极通过回流焊与基板相连。倒装方式具有多项优势:

  

  1)出光面无遮挡,提升了光效;

  

  2)电极与基板接触面积大,改善了焊线虚焊、断线不良问题,可靠性很强;

  

  3)芯片热量直接通过焊点传导到基板,易于散热,提高器件寿命及色彩稳定性。

  

  2.1封装路线:倒装COB有望成为Mini LED主流的封装方式

  

  Mini

  

  LED时代,芯片微缩化增加了封装难度,促成了不同封装技术的开发,SMD、IMD、COB、COG(Chip On Glass)等路线百花齐放。倒装COB有望成为Mini LED主流的封装方式。

  

  各封装方案优劣势比较:

  

  2.2Mini LED封装工艺对固晶机、检测和返修设备提出新要求

  

  LED封装流程所需设备包括固晶机、焊线机/回流焊机、灌胶机、检测与返修设备等。

  

  固晶机用于芯片贴装环节;焊线机用于正装芯片与基板之间的引线键合;回流焊机用于倒装工艺下的芯片焊接;灌胶机用于封胶环节;检测设备用于生产各环节的检测;返修设备用于去除和替换存在缺陷的部分晶粒。

  

  Mini LED封装工艺流程

  

  Mini LED封装对作业速度与良率提出挑战。

  

  随着LED芯片尺寸缩小,单位面积芯片用量急剧增加,生产速度与良率的平衡成为厂商的重要挑战。一方面,提高速度有助于降低生产成本,是实现量产的关键;另一方面,如果速度提高时良率无法保证,返修工序会相应加重,从而抬升成本。Mini LED封装流程中,固晶机、检测设备和返修设备涉及到芯片的巨量处理,与作业速度和良率息息相关,是量产的关键设备。

  

  MiniLED工艺对封装设备的要求:

  

  2.3固晶环节:芯片转移技术是提升Mini LED产能的关键

  

  Mini LED固晶机转移速度与精度待提升

  

  固晶机是LED封装的重要设备。

  

  在LED封装流程中,固晶机用于将晶片从晶片盘吸取后贴装到PCB(印刷线路板)或支架的指定区域,并进行缺陷检测。常见的Pick& Place模式固晶机工作原理为:

  

  对晶片和PCB/支架板进行图像识别、定位及图像处理。

  

  通过银胶拾取装置对支架板的给定位置进行点胶处理。

  

  利用晶片吸取装置将晶片准确放置于点胶处固定。

  

  芯片转移技术的突破是Mini LED产能提升的关键。

  

  Mini LED芯片的大量转移是突破产能瓶颈的关键,对固晶机芯片转移的精度和速度提出了很高需求。目前,固晶机芯片转移方案主要包括传统的拾取放置方案(Pick& Place)、刺晶方案和激光转移方案。此外,为了应对未来Micro LED的很高要求,各厂商分别推出了不同的巨量转移方案。芯片转移速度和精度的突破,有望成为未来固晶设备厂商的关键竞争点。

  

  各下游厂商开发中的巨量转移方案

  

  2.3固晶环节:Pick& Place和刺晶为目前主要的固晶方案

  

  Mini LED应用爆发在即:设备市场的挑战和机遇

  

  2.4测试与返修环节:工艺与设备路线各异,设备商多方探索

  

  封装测试与坏点返修是Mini LED封装新的挑战

  

  测试设备是Mini LED产品良率的重要保障。

  

  LED封装完成后,需再次进行光电测试,并进行色度学参数测试。Mini LED可通过AOI(Automated Optical Inspection,自动光学检测)设备进行检测,应用视觉方案检测固晶和焊接情况、产品外观情况,亦可对点亮后的LED进行测试。目前Mini LED封装测试领域设备的种类繁多,设备标准化程度不高,各厂商提供的设备路线与工艺不尽相同,但均要求检测精度和速度的不断提升。

  

  返修设备的开发是Mini LED新的痛点与难点,设备厂商多方探索。

  

  对微米尺寸且数量庞大的LED灯珠进行有效检测并修复坏点难度很大,封装后的Mini LED返修对设备厂商提出挑战。目前市场上尚无标准化的技术路线。部分设备产品可实现的功能包括自动获取不良坐标和不良类型、自动剔除不良元件(超声波或激光)和清理焊盘、自动重置焊锡或银胶、二次固晶和焊接等。设备厂商的多方探索有利于加速Mini LED的量产运用。

  

  三、设备企业布局情况

  

  3.1芯片制造、封装和测试领域涌现出一批国产设备商

  

  3.2芯片制造与封装设备:中微公司、北方华创和新益昌成为国内优秀代表

  

  Mini LED生产与封装设备公司情况:

  

  3.4国内重点公司聚焦

  

  中微公司(688012.SH):公司是国产刻蚀设备和MOCVD双龙头,MOCVD和ICP刻蚀设备业务有望受益于Mini LED爆发。MOCVD方面,公司于2021年6月推出专为高性能Mini LED量产设计的Prismo UniMax MOCVD设备;ICP刻蚀设备方面,公司半导体ICP刻蚀设备已获客户验证,作为国内刻蚀设备龙头有望受益于Mini LED带来的ICP刻蚀设备增量需求。

  

  北方华创(002371.SZ):公司半导体设备布局全面,受益于Mini LED爆发,刻蚀设备和PVD设备有望量价齐升。公司是国内半导体设备龙头,设备业务布局广泛。公司LED芯片加工设备产品包括等离子刻蚀设备、物理气相沉积(PVD)设备、清洗设备等,均可用于Mini LED生产,有望形成一站式服务能力。

  

  新益昌(688383.SH):公司是国产LED固晶机龙头,Mini LED固晶机有望成为国内厂商首选,分享市场爆发红利。公司是国内LED固晶机龙头企业,LED固晶机全球市占率28%,国内市占率60%,国内市场认可度高。Mini LED固晶机竞争对手包括ASMPT和K&S,公司具有价格和服务优势,有望成为国内厂商首选,分享Mini LED爆发红利。目前公司Mini LED固晶机在手订单充足,业绩增长动力强。

  

  深科达(688328.SH):显示行业智能装备领导者,Mini LED设备布局形成新增量。公司从事全自动贴合系列、半自动贴合系列、AOI/检测系列、指纹模组系列、COG/FOG系列、非标系列、半导体系列邦定

  

  贴合设备研发、生产、销售、服务。公司Mini LED测试分光设备已获得下游订单。

  

  【总结】

  

  1)MiniLED市场爆发在即,工艺改进为设备企业带来新机遇。Mini LED指由尺寸介于50-200μm之间的芯片构成的LED器件。相比芯片尺寸大于200μm的传统LED,Mini LED在前道制造和后道封装环节均有工艺改进,有望为设备企业带来新的机遇。

  

  2)前道制造:关注MOCVD和测试分选设备机会。Mini LED芯片前道制造通常包括衬底、外延、芯片加工三大环节,其中芯片加工又包括光刻、刻蚀、溅射、蒸镀、测试分选等工序。针对设备而言:

  

  2.1由于Mini LED芯片外延环节对波长均匀性和缺陷控制提出新的要求,很高产能和很高良率的MOCVD设备需求有望上升。

  

  2.2芯片加工完成后,面对很大规模的芯片数量,测试分选设备需要提高产能和效率。

  

  3)后道封装:关注固晶机和返修设备机会。Mini LED后道封装工艺通常包括固晶、回流焊、测试、返修、封胶、烘烤等流程。针对设备而言:1)Pick& Place和刺晶为目前固晶机的主要方案,高精度、高速度固晶机成为Mini LED的优选。2)MiniLED返修是难点,设备路线标准不一,设备商多方探索。

  

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  来源:慧聪LED屏网