Micro LED介紹
瑞鵬資產 張晨玥
一、 技術基本情況介紹
Micro LED技術，即LED微縮化和矩陣化技術，指的是在一個芯片上集成的高密度微小尺寸的LED陣列，即LED顯示屏每一個像素可定址、單獨驅動點亮，并將像素點距離從毫米級降低至微米級。Micro LED的像素單元在100微米以下，并被高密度地集成在一個芯片上，每個像素都被單獨尋址并驅動以發(fā)光而無需背光。微縮化使得Micro LED具有更高的發(fā)光亮度、分辨率與色彩飽和度，以及更快的顯示響應速度，預期能夠應用于對亮度要求較高的“增強現(xiàn)實（AR）”微型投影裝置、車用平視顯示器（HUD）投影應用、超大型顯示廣告牌等特殊顯示應用產品，并有望擴展到可穿戴/可植入器件、虛擬現(xiàn)實（VR）、光通訊/光互聯(lián)、醫(yī)療探測、智能車燈、空間成像等多個領域。與傳統(tǒng)的液晶顯示器（LCD) 和有機發(fā)光二極管 (OLED) 不同，Micro LED使用了一種基于無機材料的半導體。Micro LED把LED單元微縮至小于50微米的級別，比傳統(tǒng)LED小大約100倍，將像素間距從毫米級降低到微米級。由于像素單元低至微米量級，Micro LED顯示產品具有多項性能指標優(yōu)勢：Micro LED功率消耗量僅為LCD的10%、OLED的50%，其亮度可達OLED的10倍，分辨率可達OLED的5倍。因此具有明顯的顯示效果和應用場景的優(yōu)勢，不過目前LCD由于供應鏈更加成熟，而且成本低廉，依然占據(jù)著主流。
uLCD顯示面板成本較低，且具備了體積小、重量輕、耗能少等優(yōu)勢，整體技術也較為成熟，故障率較低。
u與LCD相比，OLED屏幕的優(yōu)點主要為可顯示純黑、不漏光、近乎無限的對比度、響應時間短、可彎曲、功耗低；缺點主要為壽命短、屏閃、像素密度點低。uMini LED將背光層分割成小塊，通過LED芯片分調光，從而改善LCD一直被詬病的黑白對比度問題，可以獲得和OLED接近的顯示效果，又避免了壽命等問題。uMicro LED可以說集成了LCD和OLED的全部優(yōu)勢，具有畫質高、能耗低、壽命長等顯著優(yōu)點，但制造工藝難度大，生產成本高。Micro LED的工藝流程包括襯底制備、外延片與晶圓制備、像素組裝、缺陷監(jiān)測、全彩化、光提取與成型、像素驅動等7個環(huán)節(jié)，其產業(yè)鏈包括芯片制造、巨量轉移、面板制造、封裝/模組、應用及相關配套產業(yè)。Micro LED芯片微小化使得傳統(tǒng)的制造技術不再適用，在芯片制備的各個環(huán)節(jié)都面臨著全新的技術挑戰(zhàn)，成本居高不下，這也制約了 Micro LED 芯片當前的滲透率。其中，外延生長、封裝制程、全彩化、檢測修復與巨量轉移技術是Micro LED所有關鍵技術點中最重要的五個關鍵技術，對解決Micro LED成本和效率難題起至關重要作用。當前，半導體芯片制程已經相當成熟但是Micro LED支持技術及相關產業(yè)公司仍處于探索階段。與傳統(tǒng)LED產業(yè)鏈相比，Micro LED芯片的微縮化對芯片制造提出了更高的要求，它要求將芯片尺寸縮小至50um以下以滿足高像素密度的需求。因此，在外延制備、ITO、光刻、蝕刻、磊晶剝離電測等環(huán)節(jié)都面臨著精細化工藝、提高良率等技術難題。此外，隨著LED芯片尺寸的減小，蝕刻過程中的側壁缺陷將對內部量子效率(IQE)產生影響，從而大幅減少芯片的傳輸效率，導致外部量子效率 (EQE)的減弱。目前，引入反射膜添加劑和提前光結構可以在一定程度上提高EQE效率，但在小尺寸領域的應用仍然面臨工程問題，并且未來的發(fā)展仍然面臨挑戰(zhàn)。相較于傳統(tǒng)LED芯片，Micro LED芯片的間距更小，這增加了貼片的難度，并導致成本呈指數(shù)級增長。目前的解決方案主要包括COB(芯片在板上) 和COG（芯片在玻璃上)封裝技術，近來還出現(xiàn)了一種新型封裝技術稱為MIP (Micro LED in Package)，即集成封裝。MIP在成本和效率方面具備一定優(yōu)勢。MIP封裝技術具有高精度的基板，芯片無需在封裝之前進行測試和篩選，而是在封裝過程中完成測試和分選。這樣可以提高生產效率。此外，由于測試難度從芯片級別轉變?yōu)橐_上的點測，測試的難度也有所降低。另外，MIP技術還可以采用巨量轉移技術，具備較大的發(fā)展前景。目前，已經有國星光電、芯映光電、利亞德、中麒光電等企業(yè)布局MIP封裝技術路線。目前，在近眼顯示領域，Micro LED尚無法實現(xiàn)全彩高亮度顯示，在對分辨率和色彩顯示要求極高的AR/VR等應用場景中仍然存在巨大挑戰(zhàn)。Micro LED的單色顯示相對較簡單，顯示、制備和工藝難度相對較低。然而全彩化方案的工藝復雜度較高，目前已有的解決方案包括RGB三色LED法、UV/藍光LED+發(fā)光介質法和透鏡合成法，但這些方案均存在一些不足之處。在工藝流程和材料方面，相對于其他方案，UV/藍光LED+發(fā)光介質法更為簡單且在技術方案上比熒光粉更具優(yōu)勢。隨著量子點技術的不斷完善，UV/藍光LED+發(fā)光介質法具有更大的發(fā)展前景，并有望成為全彩化顯示的主流技術。 考慮到Micro LED芯片的微小尺寸和間距，傳統(tǒng)的測試設備難以適用，因此如何在百萬甚至千萬級的芯片中進行缺陷晶粒的檢測、修復或替換是一個巨大的挑戰(zhàn)，目前存在的解決方案包括光致發(fā)光測試和電致發(fā)光測試。光致發(fā)光測試主要利用光源激發(fā)硅片或太陽電池片，通過對特定波長的發(fā)光信號進行采集、數(shù)據(jù)處理，從而識別芯片缺陷。電致發(fā)光測試則是指，在強電場作用下，芯片中的電子成為過熱電子后根據(jù)其回到基態(tài)時所發(fā)出的光來檢測芯片缺陷。光致發(fā)光測試可以提供高分辨率和準確的信息，但受到測試環(huán)境的限制，需要在無塵室等特殊條件下進行。電致發(fā)光測試相對簡單，但對電場和溫度的控制要求較高，并且可能對芯片產生一定的熱影響。由于Micro LED的芯片尺寸小，相較傳統(tǒng)LED單位面積下晶粒數(shù)量龐大，需要將大量LED晶粒準確且高效轉移至電路板上。以3840*2160的4K顯示為例，需轉移晶體數(shù)量超過2,000萬，按照常規(guī)轉移效率計算，需要幾日甚至幾周才能完成全部的晶粒轉移，晶粒轉移效率及良率控制未達到量產標準，難以形成規(guī)模效應，制備成本及產品價格居高不下。巨量轉移被認為是實現(xiàn) Micro LED 價格大規(guī)模降低、從而實現(xiàn)其商業(yè)化落地的核心技術之一。若巨量轉移技術取得突破，將帶來一個廣闊的轉移設備市場。針對這一技術難點，業(yè)內的主流解決方案目前包括靜電吸附、相變化轉移、流體裝配、滾軸轉印、磁力吸附、范德華力轉印、激光轉移等。激光轉移在修復難度和轉移效率等維度上效果更優(yōu)，未來有可能成為巨量轉移的主流技術。三、 產業(yè)鏈情況
2022年全球Micro LED市場規(guī)模為103.5億元，受技術、成本方面因素影響，Micro LED市場整體還處于商業(yè)化前期的培育階段。但市場對大型化、小型化以及高效節(jié)能顯示器的需求，預計將持續(xù)推動未來5-8年內實現(xiàn)Micro LED商業(yè)化，整體來看行業(yè)發(fā)展呈現(xiàn)樂觀趨勢。根據(jù)頭豹研究院測算，到2028年，全球Micro LED顯示器市場規(guī)模將達到5,019.00億元人民幣，2022-2028年均復合增長率達到91%，相比目前的市場規(guī)模實現(xiàn)顯著及高速的增長。
Micro LED行業(yè)的產業(yè)鏈較長，上游為芯片制造與巨量轉移，中游為面板制造、下游為終端應用環(huán)節(jié)，下面將對產業(yè)上中下游分別進行介紹。
（一）產業(yè)鏈上游
上游方面，隨著行業(yè)周期的變化，全球LED芯片產能逐漸向中國大陸轉移，中國將成為LED芯片生產的核心市場，未來市場競爭的重點將聚焦在高端技術和經營效率上。在這個過程中，三安光電、乾照光電、華燦光電和兆馳股份等公司，已逐步成為LED芯片市場的領導者。它們憑借掌握的核心技術、自主知識產權和知名品牌，迅速占領了市場份額，提升了產業(yè)集中度。據(jù)統(tǒng)計，2021年行業(yè)前六大廠商的產能已占據(jù)總產能的87.7%。 因此，未來LED芯片行業(yè)的競爭格局將更為有序。隨著產能向頭部企業(yè)的進一步集中，中小企業(yè)將面臨更大的生存壓力。尤其隨著Mini/Micro LED技術的普及，行業(yè)領軍企業(yè)已開始布局相關業(yè)務，缺乏資金和前瞻布局的中小企業(yè)將逐漸被市場淘汰。從中國LED封裝市場的構成來看，通用照明器件依然占據(jù)主導地位，市場規(guī)模占比高達51.2%。接下來是背光封裝和顯示封裝，分別占據(jù)17.4%和13.8%的市場份額，而其他新興應用領域如景觀照明、車用照明和信號指示燈等合計占比17.6%。隨著政府的大力支持和技術的普及，中國封裝行業(yè)在起步階段吸引了大量資本進入，從而催生了大量的中小企業(yè)。這導致了行業(yè)集中度相對較低，競爭激烈。然而，近幾年隨著行業(yè)調整加速和疫情影響，許多封裝企業(yè)的營收出現(xiàn)下滑，企業(yè)數(shù)量也隨之減少。盡管如此，那些規(guī)模較大、上市的領先企業(yè)憑借規(guī)模效應和標準化生產的優(yōu)勢，依然保持了相對穩(wěn)健的業(yè)績和穩(wěn)定的產能。這些企業(yè)擠壓了中小型低端封裝企業(yè)的生存空間。目前，國內封裝行業(yè)已形成“一超多強”的格局。木林森作為“一超”，自2016年收購LEDVANCE后，其營收規(guī)模迅速擴大三倍，成為世界級的LED企業(yè)。而“多強”則包括國星光電、鴻利智匯、瑞豐光電和聚飛光電等一批規(guī)模相對較小但實力雄厚的封裝企業(yè)。
Micro LED目前應用仍然以大型顯示器為主。2022年Micro LED出貨面積中75.4%為TV，23.3%為公共顯示器，大型顯示器出貨面積占比達到98.7%。
一方面，由于LCD與OLED電視受限于85寸以下，而Micro LED技術可以實現(xiàn)大型顯示器的制造（Micro LED技術能夠創(chuàng)建由小顯示塊制成的無縫大面積顯示器，因此可以創(chuàng)建非常大的顯示器，成本隨顯示器尺寸線性增長，而標準的LCD和OLED電視顯示器，隨著顯示器的增長，成本呈指數(shù)級增長），因此Micro LED將成為大型顯示器的主流應用技術；另一方面，則是Micro LED技術在小尺寸面板上還存在技術瓶頸，同時價格昂貴，小尺寸面板上應用的滲透率低。未來隨著Micro LED技術的發(fā)展及成本的下降，也將進一步應用于AR/VR等穿戴式設備及車用大屏中，這主要是由于Micro LED技術自身的特性更加貼合這兩種應用場景的需求：首先，Micro LED的體積小，可以大幅縮小屏幕尺寸；其次，Micro LED的高亮度、高分辨率和高色彩飽和度等特點，使其在顯示效果上遠超傳統(tǒng)LCD和OLED技術，為這些設備提供了更清晰、更鮮艷的視覺體驗；第三，Micro LED的低功耗特點使其特別適合長時間、持續(xù)的工作，如穿戴式設備和車載顯示器等。這大大提高了設備的續(xù)航能力，滿足了用戶長時間使用的需求。
