文|南阳
Mini-LED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。
一、Mini-LED行业情况
1.1 LED产业链
1.2 LED芯片
1.3 LED封装
1.4 LED应用
1.5 LED芯片的技术升级是行业发展的重要驱动力
1.6 Mini-LED兴起
1.7 Mini-LED背光产品
二、直显市场:在P1.1及以下逐步的渗透
2.1 Mini-LED为MicroLED未成熟之前的过渡阶段的技术
2.2 LED小间距显示屏广泛使用
2.3 LED小间距显示屏广泛使用
2.4 LED小间距持续发力,Mini有望在P1.1及以下逐步渗透
2.5 倒装COB有望成为Mini-LED主流的封装方式
三、背光市场:苹果引领行业升级
3.1 苹果新品发布,引领背光新升级
3.2 Mini背光逐步在TV/显示器兴起
3.3 Mini背光逐步在TV/显示器兴起
3.4 Mini背光模组成本与传统背光对比
3.5 Mini-LED直显/背光出货预估及固晶机市场规模测算
四、Mini-LED前道制造工艺与设备介绍
4.1 LED芯片前道制造包括衬底、外延和芯片加工三大环节
4.2 外延:Mini-LED对MOCVD设备提出更高要求
4.3 芯片加工:倒装芯片优势明显,渗透率有望逐步提升
4.4 测试分选:Mini-LED芯片测试分选设备需提升速度与精度
五、Mini-LED后道封装工艺与设备介绍
5.1 封装路线:LED封装主要包括SMD、IMD和COB三大类
5.2 Mini-LED封装工艺对固晶机、检测和返修设备提出新要求
5.3 固晶环节:芯片转移技术是提升Mini LED产能的关键
5.4 测试与返修环节:工艺与设备路线各异,设备商多方探索
六、设备企业布局情况
6.1 芯片制造、封装和测试领域涌现出一批国产设备商
6.2 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
6.3 测试与返修设备:技术路线各异,厂商百花齐放
6.4 国内上市公司情况
摘要
LED芯片尺寸微缩,Mini-LED兴起。LED产业链最重要的就是芯片,芯片在不同尺寸和功率下有不同的应用。2012年芯片尺寸微缩后提出了MicroLED的概念(尺寸大小50微米左右),目前还处于研发的阶段,距离商业化还需要时间,因此,中间过渡产品Mini-LED应运而生(尺寸大小50-200微米左右),Mini-LED可应用于直接显示和背光两大场景。
直显市场:在P1.1及以下逐步渗透。Mini-LED作为小间距显示屏的升级产品,提升可靠性和像素密度,未来在商用显示屏领域(会议室、指挥中心等)潜力较大,有望逐步替代LCD和投影产品。
背光市场:苹果引领行业升级。苹果在2021年4月发布新款搭载Mini-LED背光的iPadPro,在亮度、对比度、色彩还原等方面远优于普通LED做背光的LCD显示屏。包括三星、LG、TCL、小米、康佳、创维、长虹、海信、飞利浦、乐视等品牌相继推出MiniLED背光电视,终端产品不断丰富。展望未来,预计苹果Macbook14与16寸产品也将搭配Mini-LED背光显示技术,Mini-LED在平板与笔电市场将成为塑造高阶产品的标竿,国内厂商有望快速跟进。
Mini-LED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。
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: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,更高产能和更高良率的MOCVD设备需求有望上升。2)芯片加工完成后,面对更大规模的芯片数量,测试分选设备需要提高产能和效率。
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)Mini-LED返修是难点,设备路线标准不一,设备商多方探索。
LED产业链分为上游外延片生长及LED芯片制造、中游LED封装和下游LED产品应用。
LED产业链上游是LED外延芯片行业。衬底及外延片生产的技术含量最高,投资也大,属于技术和资金密集行业;芯片制造是将单晶片经过光刻、腐蚀等程序切割出LED芯片,制造过程也较为复杂。经过几年激烈的竞争,LED芯片行业集中度逐渐提高,三安、华灿、澳洋、兆驰国内前四大厂商的市占率合计超过60%。
LED产业链中游是LED封装行业。封装主要是指用环氧树脂或有机硅等材料把LED芯片与支架包封起来的过程。目前国内封装行业的主要厂商有木林森、鸿利智汇、国星光电等。
LED产业链下游是LED应用行业。LED应用是将封装好的芯片进行测试、分选,通过插件、装配等工序形成最终产品,应用于照明、显示、背光等领域。
目前国内LED应用行业的企业主要有LED通用照明行业的欧普照明、雷士照明、阳光照明、佛山照明、三雄极光等,LED显示屏行业的利亚德,LED汽车照明的星宇股份等。
LED芯片竞争格局稳定,一超多强
静待Mini/MicroLED等新兴需求带动行业供需改善:蓝光LED产能方面,各家厂商在政府补助下积极扩产,2020年蓝光LED芯片产能超过4400万片(4寸片),供过于求态势明显,预计Mini-LED渗透率提升后,供需失衡的现象有望逐步缓解。
竞争格局稳定,一超多强:历经多次扩产后,大陆逐渐形成了以三安光电为首一超多强竞争格局。从产能来看,三安、华灿、澳洋、兆驰国内前四大厂商的市占率合计超过60%。
未来集中度仍有提升空间:当前补贴逐步退坡下,投资回报早已大不如前,难以再吸引实力强劲的新进入者,而失去了规模优势和成本优势这两个LED行业最重要利器的小厂商/老设备终将面临淘汰。未来也只有大厂才有资金和实力进行产能扩张,预计未来行业集中进一步提升。
LED封装增速放缓,Mini-LED带来新机遇
行业进入壁垒相对较低:封装行业投资规模在2000万元以上,比起上游芯片上亿元的投资,进入门槛相对较低,产业发展初期吸引了大量资本的进入,形成一种分散的群雄争霸的行业格局。LED众多厂家纷纷扩展业务,造成产能过剩,Mini背光带来新的机遇,部分封装企业从器件厂商升级为模组厂商,产品有望量价齐升。
国际大厂委外生产:近几年LED行业竞争激烈,一些厂商已经转型于其它行业,包括三星、LG、TOYODAGOSEI等厂商调整公司战略布局,开始降低LED领域的投资比重;另外,一些厂商开始扩大委外代工,如LUMILEDS、CREE、SEOUL等。在成本竞争上国内厂商相比海外厂商更具优势,因此很多国际大厂开始逐步把订单转移到中国大陆生产,大陆厂商逐步取得市场主导地位。
UVLED、植物照明等崛起
从长期趋势来看,LED价值逐步向下游转移:由于LED灯较传统照明灯有环保、寿命长、电能转化效率高等诸多优势,世界各国政府相继出台禁用白炽灯的政策。2012年开始禁止使用白炽灯有力的推动LED照明市场的增长。LED应用领域包括通用照明、汽车照明、背光应用、显示屏、信号及指示等子行业,市场空间更加广阔,目前中国LED应用市场规模7倍于封装,28倍于芯片。
UVLED、植物照明等崛起,个性化需求凸显:2020年1月下旬,随着新冠疫情在国内的爆发,照明企业纷纷意识到紫外线杀菌消毒功能性特点在防疫抗疫中的重要性。根据LEDinside数据显示,2018年全球UVLED市场规模达2.99亿美金,预计到2023年市场规模将达9.91亿美金。而作为温室培植植物生长的植物照明更成为了现代农业发展不可或缺的一环。目前,LED植物照明已在美国、日本、韩国等发达国家和地区得到了广泛应用,预计2021年全球LED植物照明系统市场规模超过20亿美元。
LED芯片尺寸微缩
LED产业链最重要的就是芯片,芯片不同尺寸和功率下有不同的应用,新的应用离不开上游LED芯片的技术升级。LED芯片领域前几年半导体属性明显,技术进步(光效提升单片外延片可以切更多小芯)推动行业整体价格稳步下降。
1)LED在最前期的应用主要是指示,电器等LED灯,LED的芯片尺寸主要是15*15mil,功率大概在0.1W;
2)到了蓝绿光出现,2000年左右白光用于照明,受到芯片效能的限制,只能把芯片做大提高总的出光量,芯片的尺寸从15*15mil提高至40*40mil;
3)到了2013/2014年,随着芯片工艺技术的提升,LED芯片的发光效率从130lm/w提升至180lm/w-200lm/w左右,中小功率芯片在照明领域得以运用,芯片尺寸又回到15*15mil,尺寸规格延续至今;
4)2012年芯片尺寸缩小提出了MicroLED的概念,尺寸大小50微米左右,概念的提出主要是显示的应用,目前来讲还处于研发的阶段,距离商业化还需要时间,因此,中间过渡产品MiniLED应运而生。
背光和直显并进
Mini-LED可应用于直接显示和背光两大场景。
在直接显示领域,Mini-LED直显产品已于2018年开始量产,作为小间距显示屏的升级替代产品,可以提升可靠性和像素密度,未来在商用显示屏领域(会议室、指挥中心等)潜力较大,有望逐步替代LCD和投影产品。
在背光领域,采用Mini-LED背光技术的LCD显示屏,在亮度、对比度、色彩还原等方面远优于普通LED做背光的LCD显示屏,与OLED直接竞争,主要应用于高端大屏电视等产品。背光显示屏的规模生产进度取决于下游电视、PC、Tablet等终端设备厂商的市场开发进展,随着苹果搭载MiniLED面板的新款iPadPro的推出,消费电子厂商有望加快跟进,Mini-LED市场爆发在即。
Mini-LED背光产品大概率将跨越市场鸿沟
高科技营销魔法之父杰弗里·摩尔,有一个“鸿沟理论”:高科技产品在早期市场和主流市场之间存在着一条巨大的“鸿沟”,能否顺利跨越鸿沟并进入主流市场,就成为企业增长的关键。
Mini-LED背光产品大概率将跨越市场鸿沟:随着设备及工艺逐步完善,Mini-LED背光产品在下半年有望小批量进入市场,Mini-LED背光产品下半年进入市场鸿沟。根据产业链调研,目前产品商用主要瓶颈在于成本的下降:一方面,产品生产工艺有待完善和进一步升级空间,包括LED芯片固晶机速度和精度的提升;另一方面,产业链尚未进入大规模生产阶段,规模效益带来的平均材料成本依然有20%-30%左右的下降空间(包括LED芯片和PCB)。因此,Mini-LED背光产品大概率将跨越市场鸿沟。
Mini-LED/MicroLED对比
MicroLED技术将目前的LED微缩至长度仅50微米左右,是原本LED的1%,通过巨量转移技术,将微米等级的RGB三色的MicroLED移至基板上,可以形成任意尺寸的MicroLED显示屏。相比MicroLED,Mini-LED更像MicroLED未成熟之前的过渡阶段的技术,两者差别主要体现在:1)MicroLED使用的芯片尺寸更小,在50微米左右,Mini-LED的芯片尺寸在50-200微米;2)MicroLED最后以自发光成像,而现阶段Mini-LED既可以做背光使用,也作为直接显示。
MicroLED技术的模块化特性让屏幕尺寸更具灵活性,方便用户根据居室或摆放空间的大小进行定制化选择。考虑到MicroLED的商用尚需时日,相对难度较小的Mini-LED提上日程:一方面是为了应对OLED带来的冲击,提高显示产品的对比度;另一方面,下游品牌厂商希望把对比度和产品分辨率的升级作为重要卖点,并提高产品附加值。
LED显示屏是由LED灯珠拼成,LED显示屏的间距是指两枚LED灯珠中心点之间的距离,LED显示屏行业普遍采用根据这个距离的大小,定义产品规格。小间距LED显示屏是指LED点间距在P2.5及以下的室内LED显示屏,主要包括P2.5、P2.0、P1.923、P1.8、P1.5、P1.25、P1.0等LED显示屏产品。
从2016年小间距LED显示屏市场开始进入快速增长期以来,各大企业不断加大小间距的技术研发和市场布局。LED显示屏的点间距不断实现突破,像素密度增大,分辨率也随之得到大幅提升,小间距LED加速向大屏显示领域渗透。从地区分布来看,中国市场遥遥领先,占据49%的市场份额,其次是北美和欧洲等市场。
由于小间距LED具有无拼缝、显示效果好、使用寿命长等优势,且近年来成本下降较快,在大尺寸部分对DLP和LCD屏进行替代。
LED小间距显示屏:刷新频率960-3840Hz,适用于100寸及以上显示需求。
DLP:采用光源投影,适用于小型会议室。
LCD:80寸以下成本低,80寸以上价格很高
2016年小间距显示屏市场的爆发主要集中在政府部门显示领域,随着小间距LED显示屏技术成熟和价格持续下降,2017年下半年开始在商用显示领域快速渗透,包括广播、安防、教育等。从竞争格局来看,主要生产集中在大陆:市场排名前列的厂家为强力巨彩、洲明科技、利亚德、艾比森、奥拓电子和雷曼光电等。由于LED芯片和封装环节均以大陆厂商为主,目前全球范围内的LED显示屏生产制造主要以大陆厂商为主。
市场规模方面:根据LEDinside数据显示,2019年全球LED小间距显示屏市场规模约为26亿美金,同比2018年增长31%。预计2019-2023年年复合增速将到达27%,继续保持高速增长。
出货面积方面:2019年全球LED小间距显示屏市场出货面积约为41万平方米,同比2018年增长54%。预计2019-2023年年复合增速将到达34%,继续保持高速增长。
Mini有望在P1.0逐步渗透:从出货面积结构来看:2019全球小间距显示屏出货量最大的是P1.7-P2.0,其次为P2.1-2.5,随着小间距显示屏在显示领域持续渗透以及成本的进一步下降,未来P1.7-P2.0和 P1.2-1.6将逐步成为主流。另外随着消费者对于高清化需求增加,预计P1.1及以下的显示屏将逐步进入市场,Mini LED显示屏芯片尺寸也相对较小,所对应产品的尺寸规格也在P1.1及以下市场。
LED小间距显示屏的芯片主要有两种封装形式:SMD和COB。
1)SMD全彩(正装封装):上游灯珠厂商将灯杯、支 架、晶元、引线、环氧树脂等材料封装成不同规格的灯珠。下游显示屏厂商用高速贴片机,以高温回流焊将灯珠焊在电路板上,制成不同间距的显示单元。
2)COB全彩(倒装封装):COB (Chip On Board)是一种封装技术,即电路板上封装RGB芯片,主要通过硅树脂将晶元、引线直接封装在电路板上,省去了SMD封装的灯珠封装、贴片、回流焊等工艺,大大提升了小间距LED产品的稳定性与观看舒适性。
COB封装灯珠是由环氧树脂固封在PCB板上,环氧树脂和PCB板的亲和力极强,具有硬度高、抗压力强和抗冲击强等特性,所以不怕静电、不怕磕碰、不怕冲击、可弯曲变形、耐磨、易清洗,耐用性强,有望成为LED小间距显示屏P1.1及以下市场的主流封装方式。
封装测试与坏点返修是Mini-LED封装新的挑战苹果在2021年4月发布新款搭载Mini-LED背光的iPadPro:iPad Pro 2021上所搭载的Mini-LED背光屏幕,将一块12.9英寸4:3 的屏幕分为2596个区域,每个区域有4颗灯珠用于背光,控制500多个像素点的明暗,使这块LCD屏幕拥有十分出色的对比度、亮度、和色彩表现。展望未来,预计苹果Macbook 14与16寸产品也将搭配Mini-LED背光显示技术,Mini-LED在平板与笔电市场将成为塑造高阶产品的标竿,国内厂商有望快速跟进。
苹果Mini-LED产业链厂商目前主要集中在中国台湾:包含Mini-LED芯片厂商晶电;检测分选厂商惠特、梭特、久元;打件厂商台表科、元丰新;PCB背板厂商臻鼎、健鼎;驱动IC厂商有谱瑞、联咏及聚积;光源模组厂商瑞仪及业成GIS等。
Apple Mini-LED趋势的投资策略分为五个阶段 (图一)。五个投资阶段依序是:第一供应商 (2019–2022年)、第二供应商 (2021–2023年)、MacBook供应链 (2021–2023年)、LED产业 (2022–2024年)、与Micro LED (2023–2026年)。五个投资阶段有不同的关注重点与投资机会,可以此规划短、中与长期的Apple Mini-LED趋势之投资策略。
第一阶段:第一供应商 (2019–2022年)
Apple的Mini-LED量产计划自2019年开始变得具体,故第一供应商便成为市场关注焦点。在第一供应商的股票反应此利多的过程中,生产良率与出货时程变化显著影响供应商股票的估值。这个阶段的投资价值将逐渐在2021–2022年结束,原因在于供应商的股票大部分均反映此利多,且新竞争者自2021年开始出现。不过,第一供应商的优势在于较早建立设计与生产Mini-LED相关零部件的能力,建议关注第一供应商能否善用此优势取得更多非Apple订单以维持增长。
第二阶段:第二供应商 (2021–2023年)
Apple为分散供应风险与降低成本,故积极找寻Mini-LED关键零组件的第二供应商。第二供应商在此阶段为市场的新焦点,并预期此阶段将会持续至2023年。Mini-LED关键零组件的第二供应商大部分是中国厂商,具备显著成本优势,故若生产良率能符合Apple要求,出货比重将显著成长。第二供应商的订单比重与出货时程将会是市场关注重点。
第三阶段:MacBook供应链 (2021–2023年)
Mini-LED面板出货量主要是由MacBook驱动,而非iPad。在过去数年MacBook 出货量并无太显著成长。然而,因受益于采用Mini-LED面板、Apple Silicon与全新设计,推估MacBook出货量在2021与2022年均可显著成长20% YoY或以上。受益于Mini-LED驱动MacBook出货快速成长,因此预测MacBook供应链将会重新成为市场关注。在供应链中,特别关注新规格供应商、新进入者、市占率显著成长与规格升级受益者,为此阶段将可维持至2023年。
第四阶段:LED产业 (2022–2024年)
若MacBook与iPad因采用Mini-LED面板而得到市场更多正向反馈,将会有更多非Apple厂商仿效Apple采用与推广Mini-LED的策略,而这将会大量消耗LED的产能。若LED芯片产能利用率能因此显著改善,LED行业将会出现许多投资机会。在此阶段非Apple供应链将会成为市场关注重点。
第五阶段:Micro LED (2023–2026年)
预测Micro LED的生产成本将自2023–2024年显著改善,故自2023年开始可能将成为市场关注重点。相信Apple正在开发Micro LED技术,但目前生产时程尚未确定。若Mini-LED产业能成功,则有助于更多厂商投资Mini-LED设计与研发并有助于实现Micro LED大量生产。在此阶段,预测投资机会来自LED芯片供货商、巨量移转供货商、封装供货商、检测供货商与设备厂商。
Mini-LED在信赖度、亮度、节能、耐用度等方面胜过OLED,特别是在产品寿命方面远高于OLED。成本方面,OLED在面板尺寸放大时,生产良率会大幅下降,导致大尺寸OLED价格居高不下,而Mini-LED可透过拼接的方式将尺寸任意放大,无良率问题。因此,Mini-LED在中大尺寸(>10”)显示如平板、笔电、电视等产品的成本相较OLED更有竞争力,且未来进入大量生产阶段的成本下降潜力大。
Mini背光逐步在TV/显示器兴起:Mini-LED近年来在技术、产品、产能等方面均有了实质性的进步,2020年以前Mini-LED背光电视主要是集中满天星方案,2021年COB封装形式的Mini LED背光电视开始兴起。包括三星、LG、TCL、小米、康佳、创维、长虹、海信、飞利浦、乐视等品牌相继推出Mini-LED背光电视,终端产品不断丰富,相比传统LCD屏幕,Mini-LED具备高对比度、高亮度以及超薄等诸多明显优势。
Mini背光模组成本差异来自于背光分区
相比传统的侧入式或者直下式的背光模组,搭载Mini背光的TV或者显示器的结构差异主要体现在背光模组部分,产品的成本差异主要来自于背光模组的差异。
TV以65寸UHD产品为例:相比传统的直下式背光模组,搭载2000分区的Mini背光模组成本将增加285美金左右,搭载1000分区的Mini背光模组成本将增加155美金左右。
IT类以13.3寸产品为例:相比传统的直下式背光模组,搭载2500分区的Mini背光模组成本将增加130美金左右。
Mini背光模组一般由LED芯片、PCB、驱动IC和其他材料组成组成。从物料成本结构来看:LED芯片大约占比15-20%,PCB占比30-35%,驱动IC占比30-45%。随着更多的品牌厂商搭载Mini背光的产品,规模化量产后Mini背光模组的成本有望下降20-30%,有利于Mini背光渗透率提升。
Mini固晶机受益明显
Mini-LED的尺寸为50~200um的LED芯片,为一般LED尺寸的20%以下,因此LED生产的一致性、光均匀性要求高。LED灯板即PCB,Mini-LED直下式采用一整片灯板,材质为类软板设计,并须拥有高度的耐用性、耐热度、平整度。LED巨量转移、修复/测试及组装为Mini-LED的核心技术,Mini-LED采用高达10,000以上的LED晶粒,每个LED的间距Pitch精准度要求高,同时须拥有坏点的修复能力,因此在打件/转移的速度、良率、准确度、修复有极高的难度,这一领域的技术突破有望带来LED固晶机市场的快速增长。
中国量产Mini-LED芯片的厂商主要包括三安和华灿光电,背光方面,主要以三安光电为主;显示屏方面,三安和华灿均有相关产品。Mini背光封装方面,主要厂商为鸿利智汇、国星、瑞丰和聚飞光电。
①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。
②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芯片最核心的环节。
③芯片加工:在外延片上通过光刻、刻蚀、溅射、蒸镀等工艺形成最终的芯片结构。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,实现更好的导电性(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介质,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。
Mini-LED对工艺与设备提出新的挑战
Mini-LED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,但对部分设备提出更高要求。与传统LED相比,Mini-LED芯片制造流程基本一致。然而,更小的芯片尺寸和点间距,对芯片制造和封装提出了更高的要求。Mini-LED制造流程难度提升主要在外延和检测分选两个步骤,对相关设备提出了更高的要求。
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,各沉积层均会影响最终产品的发光特性,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更高要求。
三种结构的LED芯片制造工艺略有差异
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。
水平结构:最常见的结构,P电极和N电极都镀在芯片上表面,制作流程相对最为简单。
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。
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更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芯片加工工艺升级存在三方面挑战:
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更严格的流程控制以提高良率。
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。
Mini-LED对芯片的一致性与可靠性要求更严格,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。
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。IMD(Integrated Matrix Devices)方案通常被视为两种方案的折中,将多颗芯片(通常为4-9颗)封装在单个结构中,然后再组装到基板上。
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,可靠性更强;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。
倒装COB有望成为Mini-LED主流的封装方式
IMD和COB是现阶段Mini-LED主流方案: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。
SMD:设备与工艺高度成熟,但可靠性和稳定性有缺陷;难以应对P1.0以下需求。
IMD:材料与工艺与SMD类似,具备SMD光色一致性的优点,同时可靠性和贴片效率较SMD有所提高。产业链成熟,可优先实现产业化。
COB:包括正装和倒装COB。可靠性和稳定性强,更容易实现小间距显示。随着产业链生态的逐步成熟,倒装COB有望成为MiniLED主流的封装方式。
COG:精度高、稳定性好,被视为MicroLED(<p0.3)的未来,然而目前技术仍存在一定瓶颈。< span=""></p0.3)的未来,然而目前技术仍存在一定瓶颈。
Mini-LED对设备速度良率要求更高
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。
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:①对晶片和PCB/支架板进行图像识别、定位及图像处理。②通过银胶拾取装置对支架板的给定位置进行点胶处理。③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更高需求。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的更高要求,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。
Pick & Place和刺晶为目前主要的固晶方案:
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最终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。
估值情况:
业绩情况: