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瑞见——瑞鹏行研

Micro LED介绍

瑞鹏资产 张晨玥

一、 技术基本情况介绍

(一)Micro LED定义
Micro LED技术,即LED微缩化和矩阵化技术,指的是在一个芯片上集成的高密度微小尺寸的LED阵列,即LED显示屏每一个像素可定址、单独驱动点亮,并将像素点距离从毫米级降低至微米级。
Micro LED的像素单元在100微米以下,并被高密度地集成在一个芯片上,每个像素都被单独寻址并驱动以发光而无需背光。微缩化使得Micro LED具有更高的发光亮度、分辨率与色彩饱和度,以及更快的显示响应速度,预期能够应用于对亮度要求较高的“增强现实(AR)”微型投影装置、车用平视显示器(HUD)投影应用、超大型显示广告牌等特殊显示应用产品,并有望扩展到可穿戴/可植入器件、虚拟现实(VR)、光通讯/光互联、医疗探测、智能车灯、空间成像等多个领域。
(二)与其他显示方案对比
与传统的液晶显示器(LCD) 和有机发光二极管 (OLED) 不同,Micro LED使用了一种基于无机材料的半导体。Micro LED把LED单元微缩至小于50微米的级别,比传统LED小大约100倍,将像素间距从毫米级降低到微米级。
由于像素单元低至微米量级,Micro LED显示产品具有多项性能指标优势:Micro LED功率消耗量仅为LCD的10%、OLED的50%,其亮度可达OLED的10倍,分辨率可达OLED的5倍。因此具有明显的显示效果和应用场景的优势,不过目前LCD由于供应链更加成熟,而且成本低廉,依然占据着主流。

uLCD显示面板成本较低,且具备了体积小、重量轻、耗能少等优势,整体技术也较为成熟,故障率较低。

u与LCD相比,OLED屏幕的优点主要为可显示纯黑、不漏光、近乎无限的对比度、响应时间短、可弯曲、功耗低;缺点主要为寿命短、屏闪、像素密度点低。
uMini LED将背光层分割成小块,通过LED芯片分调光,从而改善LCD一直被诟病的黑白对比度问题,可以获得和OLED接近的显示效果,又避免了寿命等问题。
uMicro LED可以说集成了LCD和OLED的全部优势,具有画质高、能耗低、寿命长等显著优点,但制造工艺难度大,生产成本高。
二、 核心技术难点
Micro LED的工艺流程包括衬底制备、外延片与晶圆制备、像素组装、缺陷监测、全彩化、光提取与成型、像素驱动等7个环节,其产业链包括芯片制造、巨量转移、面板制造、封装/模组、应用及相关配套产业。Micro LED芯片微小化使得传统的制造技术不再适用,在芯片制备的各个环节都面临着全新的技术挑战,成本居高不下,这也制约了 Micro LED 芯片当前的渗透率。
其中,外延生长、封装制程、全彩化、检测修复与巨量转移技术是Micro LED所有关键技术点中最重要的五个关键技术,对解决Micro LED成本和效率难题起至关重要作用。
(一)外延生长
当前,半导体芯片制程已经相当成熟但是Micro LED支持技术及相关产业公司仍处于探索阶段。与传统LED产业链相比,Micro LED芯片的微缩化对芯片制造提出了更高的要求,它要求将芯片尺寸缩小至50um以下以满足高像素密度的需求。因此,在外延制备、ITO、光刻、蚀刻、磊晶剥离电测等环节都面临着精细化工艺、提高良率等技术难题。
此外,随着LED芯片尺寸的减小,蚀刻过程中的侧壁缺陷将对内部量子效率(IQE)产生影响,从而大幅减少芯片的传输效率,导致外部量子效率 (EQE)的减弱。目前,引入反射膜添加剂和提前光结构可以在一定程度上提高EQE效率,但在小尺寸领域的应用仍然面临工程问题,并且未来的发展仍然面临挑战。
(二)封装制程
相较于传统LED芯片,Micro LED芯片的间距更小,这增加了贴片的难度,并导致成本呈指数级增长。目前的解决方案主要包括COB(芯片在板上) 和COG(芯片在玻璃上)封装技术,近来还出现了一种新型封装技术称为MIP (Micro LED in Package),即集成封装。MIP在成本和效率方面具备一定优势。
MIP封装技术具有高精度的基板,芯片无需在封装之前进行测试和筛选,而是在封装过程中完成测试和分选。这样可以提高生产效率。此外,由于测试难度从芯片级别转变为引脚上的点测,测试的难度也有所降低。另外,MIP技术还可以采用巨量转移技术,具备较大的发展前景。
目前,已经有国星光电、芯映光电、利亚德、中麒光电等企业布局MIP封装技术路线。
(三)全彩化
目前,在近眼显示领域,Micro LED尚无法实现全彩高亮度显示,在对分辨率和色彩显示要求极高的AR/VR等应用场景中仍然存在巨大挑战。
Micro LED的单色显示相对较简单,显示、制备和工艺难度相对较低。然而全彩化方案的工艺复杂度较高,目前已有的解决方案包括RGB三色LED法、UV/蓝光LED+发光介质法和透镜合成法,但这些方案均存在一些不足之处。
在工艺流程和材料方面,相对于其他方案,UV/蓝光LED+发光介质法更为简单且在技术方案上比荧光粉更具优势。随着量子点技术的不断完善,UV/蓝光LED+发光介质法具有更大的发展前景,并有望成为全彩化显示的主流技术。 
(四)检测修复
考虑到Micro LED芯片的微小尺寸和间距,传统的测试设备难以适用,因此如何在百万甚至千万级的芯片中进行缺陷晶粒的检测、修复或替换是一个巨大的挑战,目前存在的解决方案包括光致发光测试和电致发光测试。
光致发光测试主要利用光源激发硅片或太阳电池片,通过对特定波长的发光信号进行采集、数据处理,从而识别芯片缺陷。电致发光测试则是指,在强电场作用下,芯片中的电子成为过热电子后根据其回到基态时所发出的光来检测芯片缺陷。
光致发光测试可以提供高分辨率和准确的信息,但受到测试环境的限制,需要在无尘室等特殊条件下进行。电致发光测试相对简单,但对电场和温度的控制要求较高,并且可能对芯片产生一定的热影响。
(五)巨量转移
由于Micro LED的芯片尺寸小,相较传统LED单位面积下晶粒数量庞大,需要将大量LED晶粒准确且高效转移至电路板上。以3840*2160的4K显示为例,需转移晶体数量超过2,000万,按照常规转移效率计算,需要几日甚至几周才能完成全部的晶粒转移,晶粒转移效率及良率控制未达到量产标准,难以形成规模效应,制备成本及产品价格居高不下。
巨量转移被认为是实现 Micro LED 价格大规模降低、从而实现其商业化落地的核心技术之一。若巨量转移技术取得突破,将带来一个广阔的转移设备市场。针对这一技术难点,业内的主流解决方案目前包括静电吸附、相变化转移、流体装配、滚轴转印、磁力吸附、范德华力转印、激光转移等。激光转移在修复难度和转移效率等维度上效果更优,未来有可能成为巨量转移的主流技术。

三、 产业链情况

2022年全球Micro LED市场规模为103.5亿元,受技术、成本方面因素影响,Micro LED市场整体还处于商业化前期的培育阶段。但市场对大型化、小型化以及高效节能显示器的需求,预计将持续推动未来5-8年内实现Micro LED商业化,整体来看行业发展呈现乐观趋势。
根据头豹研究院测算,到2028年,全球Micro LED显示器市场规模将达到5,019.00亿元人民币,2022-2028年均复合增长率达到91%,相比目前的市场规模实现显著及高速的增长。

Micro LED行业的产业链较长,上游为芯片制造与巨量转移,中游为面板制造、下游为终端应用环节,下面将对产业上中下游分别进行介绍。

(一)产业链上游

上游方面,随着行业周期的变化,全球LED芯片产能逐渐向中国大陆转移,中国将成为LED芯片生产的核心市场,未来市场竞争的重点将聚焦在高端技术和经营效率上。
在这个过程中,三安光电、乾照光电、华灿光电和兆驰股份等公司,已逐步成为LED芯片市场的领导者。它们凭借掌握的核心技术、自主知识产权和知名品牌,迅速占领了市场份额,提升了产业集中度。据统计,2021年行业前六大厂商的产能已占据总产能的87.7%。 
因此,未来LED芯片行业的竞争格局将更为有序。随着产能向头部企业的进一步集中,中小企业将面临更大的生存压力。尤其随着Mini/Micro LED技术的普及,行业领军企业已开始布局相关业务,缺乏资金和前瞻布局的中小企业将逐渐被市场淘汰。
(二)产业链中游
从中国LED封装市场的构成来看,通用照明器件依然占据主导地位,市场规模占比高达51.2%。接下来是背光封装和显示封装,分别占据17.4%和13.8%的市场份额,而其他新兴应用领域如景观照明、车用照明和信号指示灯等合计占比17.6%。
随着政府的大力支持和技术的普及,中国封装行业在起步阶段吸引了大量资本进入,从而催生了大量的中小企业。这导致了行业集中度相对较低,竞争激烈。然而,近几年随着行业调整加速和疫情影响,许多封装企业的营收出现下滑,企业数量也随之减少。尽管如此,那些规模较大、上市的领先企业凭借规模效应和标准化生产的优势,依然保持了相对稳健的业绩和稳定的产能。这些企业挤压了中小型低端封装企业的生存空间。目前,国内封装行业已形成“一超多强”的格局。木林森作为“一超”,自2016年收购LEDVANCE后,其营收规模迅速扩大三倍,成为世界级的LED企业。而“多强”则包括国星光电、鸿利智汇、瑞丰光电和聚飞光电等一批规模相对较小但实力雄厚的封装企业。
(三)产业链下游

Micro LED目前应用仍然以大型显示器为主。2022年Micro LED出货面积中75.4%为TV,23.3%为公共显示器,大型显示器出货面积占比达到98.7%。

一方面,由于LCD与OLED电视受限于85寸以下,而Micro LED技术可以实现大型显示器的制造(Micro LED技术能够创建由小显示块制成的无缝大面积显示器,因此可以创建非常大的显示器,成本随显示器尺寸线性增长,而标准的LCD和OLED电视显示器,随着显示器的增长,成本呈指数级增长),因此Micro LED将成为大型显示器的主流应用技术;另一方面,则是Micro LED技术在小尺寸面板上还存在技术瓶颈,同时价格昂贵,小尺寸面板上应用的渗透率低。
未来随着Micro LED技术的发展及成本的下降,也将进一步应用于AR/VR等穿戴式设备及车用大屏中,这主要是由于Micro LED技术自身的特性更加贴合这两种应用场景的需求:首先,Micro LED的体积小,可以大幅缩小屏幕尺寸;其次,Micro LED的高亮度、高分辨率和高色彩饱和度等特点,使其在显示效果上远超传统LCD和OLED技术,为这些设备提供了更清晰、更鲜艳的视觉体验;第三,Micro LED的低功耗特点使其特别适合长时间、持续的工作,如穿戴式设备和车载显示器等。这大大提高了设备的续航能力,满足了用户长时间使用的需求。


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