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Mini LED商业化开启 空间有多大?

出处:本站原创   发布时间:2021-09-28   

  Mini LED?还是 OLED?这个曾经让电视大屏设备困扰的选择,如今答案已经越来越明晰。

  2021 年被认为是 “ Mini LED 屏幕商用元年”,随着消费电子持续走高,Mini LED趋势化逐渐明朗,苹果、华为、三星等全球大厂先后宣布将推出 Mini LED 产品。终端巨头采用Mini LED将有望带动供应链的成熟,拉动市场Mini LED的需求。

  目前各家企业Mini LED布局的进展如何?谁有机会在Mini LED爆发之时捷足先登?

  Mini LED又称次毫米发光二极管,是指采用数十微米级的LED晶体构成的显示屏,介于Micro LED和小间距显示之间。Micro LED是新一代显示技术,即LED微缩化和矩阵化技术,指在一个芯片上集成高密度微小尺寸的LED阵列,一般将100微米以下尺寸晶粒构成的显示屏称为Micro LED显示屏,100微米以上称之为Mini LED,点间距一般在P0.4-P1.2。小间距LED显示屏是指LED点间距在P2.5(2.5毫米)及以下的LED显示屏。

  从终端应用场景来分,Mini LED的应用领域可以分为背光和直接显示两大场景:

  (1)Mini LED直显使用RGB的LED灯珠直接作为像素进行显示,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,彩图图库2020在尺寸及PPI上面受到限制,因此多应用在大尺寸显示如室外大屏、指挥中心大屏、墙幕显示等领域。

  (2)Mini LED背光是LCD面临OLED压力和终极显示Micro LED又存在技术瓶颈下的产物。采用Mini LED背光的LCD,可以大幅提升现有的液晶画面效果,同时成本相对比较容易控制,有望成为市场的主流。

  随着Mini LED技术的逐步成熟、成本的下降,终端厂商纷纷导入Mini LED背光产品。2020年10月22日,TCL发布了全球首款基于IGZO玻璃基板的主动式Mini-LED 142寸显示屏,小米、康佳等厂商也已发布Mini LED背光产品,三星、LG、长虹等2021年来均推出了此类产品,集邦咨询预计2021年Mini LED背光电视将会达到440万台,占整体电视市场比重约2%。平板方面,苹果2021Q1发布了12.9寸的Mini LED背光iPad Pro。LEDinside预计,到2023年,Mini LED背光产品市场规模将超过10亿美元。

  Mini LED背光商业化的启动为整个产业链注入了全新活力。由于Mini LED市场潜力大,LED上中下游企业纷纷布局,设备、芯片、封装、背光模组、面板、终端品牌厂商都对该技术投入了大量的资金与精力,以求取得先机,占领行业制高点,这也推动了Mini LED产业驶入快速成长的车道。

  Mini LED工艺包括前道制造与后道封装,制备流程与LED制备流程大抵相似,大部分设备与LED制造设备一致,升级改造即可使用,但部分工艺对设备提出了更高的要求,有望给设备厂商带来新的机遇,如前道工艺中的MOCVD和测试分选设备,以及后道封装中的固晶机和返修设备。

  与LED芯片制备相似,Mini LED前道制造包括衬底、外延、芯片加工三大步骤。衬底材料多为蓝宝石,流程包括蓝宝石晶体生长、切片、抛光等;外延指通过MOCVD加工,在衬底上生产具有特定单晶薄膜外延片的过程;芯片加工包含刻蚀、溅射、蒸镀、光刻、测试分选等多个步骤,形成金属电极、制备完成后,对其进行检测分选。

  Mini LED的磊晶步骤对MOCVD设备提出更高要求。磊晶为衬底、外延阶段的重要工艺,指在衬底材料上,如蓝宝石、硅、GaAs等,通过MOCVD制成具有特定单晶薄膜外延片的过程,主要应用于发光层的制作,是芯片厂最核心的环节。由于磊晶的光效率会随LED晶片尺寸的缩小而下降,LED的尺寸越小,有缺陷的比例就越高,叠加蓝宝石衬底散热性能较差的问题,Mini LED制备对MOCVD设备的均匀性及波长一致性提出了较高的要求,这也是提高良率、降低成本的关键所在。

  LED芯片加工有三种结构,分别为水平、垂直、倒装三类,其工艺流程存在一定差异,但倒装芯片优势明显。水平结构是最为常见的结构,P电极和N电极都位于芯片表面,是最为简单的制作流程。垂直结构的P电极位于芯片表面,而N电极位于芯片底部,无需刻蚀PN台阶,衬底剥离工艺难度较大。倒装结构类似水平结构的翻转,但成本比水平芯片高,制作流程也存在差别,技术难度低于垂直结构,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,有望成为Mini LED的主流结构。

  现有的LED加工设备几乎完全能够满足Mini LED的加工需求。与LED加工流程类似,Mini LED设备支出占比最高的为光刻机与刻蚀机,由于Mini LED对此类设备的精度要求更低,Mini LED加工环节面临的困难更多来自芯片设计与流程优化,对设备硬性升级并无要求,现有LED加工设备技术成熟,基本能够满足需求。

  测试分选设备上,Mini LED设备制造厂商需要提高准度与速度。LED测试分为测试与分选两道工序,可由一体机完成,可靠性强但是速度较慢;也可由两台机器分别完成,速度相对提升,但由于数据在两台机器间传递导致可靠性降低。Mini LED对芯片一致性与可靠性的要求更高,意味着设备制造厂商需要提高准度与速度,以解决芯片检测环节效率低、耗时长的问题。

  倒装+COB 将成 Mini LED 主流封装方向。LED封装的目的在于保护芯片,能起到稳定性能、提高发光效率与提高使用寿命的作用,主要工艺流程分为为固晶、焊线、封胶、烘烤、切割、分BIN及包装等环节。LED封装按照集成度区分可分为SMD、COB与IMD三类,按照芯片正反方向可分为正装与倒装,由于倒装+COB具有散热性好,可靠性高,保护力度更强以减少维修成本等种种优点,倒装+COB有望成为Mini LED的主流封装方向。

  Mini LED芯片尺寸缩小,单位面积芯片数量大增,封装环节要求固晶设备提高转移速率。固晶设备是封装环节的重要设备,负责将晶片吸取后贴装到PCB或玻璃基板上并进行缺陷检查,由于Mini LED芯片尺寸缩小,单位面积芯片数量大增,其转移速度在一定程度上决定了封装良率,是降低成本、实现量产的关键。固晶设备转移方案目前包括拾取放置方案(Pick&;Place)、刺晶方案和激光转移方案,其中Pick&;Place为目前主流应用技术,成熟度和性价比较高。

  测试返修环节目前仍未形成标准化的技术路径。为了保证Mini LED最终产品的良率,需要在芯片出厂前进行光电测试,并进行色度学参数测试,再进行返修。该领域设备种类繁多,并且由于对微米级尺寸且数量庞大的灯珠进行有效测试与修复的难度很大,目前仍未形成标准化的技术路径。

  随着苹果、华为、三星/LG 等全球大厂陆续推出Mini LED的终端消费品,势必将拉动上游厂商对设备材料的大量采购需求,国内部分设备公司已经布局Mini LED设备,如中微公司、北方华创、新益昌、深科达等。

  Mini LED背光应用大幅提升LED芯片数量需求。传统LCD采用侧入式背光源,单机背光源对LED灯珠需求约为30-50颗。而采用Mini LED作为背光源,单机对LED芯片需求预计将提升至10000颗以上。

  Mini LED背光打开LED芯片市场空间。Omdia预计,随着时间的推移,普通LCD和mini LED背光LCD之间的成本差距将迅速缩小。参考聚灿光电定增方案中的mini LED价格,我们预计2025年mini LED外延片市场规模约为16.95亿元。

  芯片厂商加速布局Mini LED。三安光电Mini LED芯片已批量供货三星,公司现有产能及泉州三安半导体都有Mini LED的产能,湖北三安投资建设的Mini/Micro显示产业化项目正处于建设阶段。华灿光电部分Mini LED背光芯片已经批量供应战略合作伙伴群创光电,8月群创全球首发了55寸可卷曲AM Mini LED显示器,华灿光电是唯一的Mini RGB LED背光芯片供应商。2020H1聚灿光电非公开发行股票募资10亿元,发力Mini/Micro LED。

  Mini-LED PCB工艺难度在于阻焊环节与表面处理环节。部分厂商采用双面PCB方案,成品厚度严格控制在0.15±0.05 mm,由基板+铜箔+电镀铜+阻焊油墨+文字油墨5种材料加工而成,其中电镀铜厚度及阻焊油墨厚度影响成品厚度,因而阻焊难度高。下游厂商采用P0.7以下间距的Mini-LED,随着间距下降,PCB层数呈现增加的趋势。Mini-LED采用COB封装,对电路板的平整性要求极高,填平规格<1μm。

  Mini-LED覆铜板的工艺难度在于高反射率及耐高热辐射,对覆铜板的材料体系都有不同的要求。Mini-LED材料有四大特殊的性能要求:(1)高反射率;(2)高玻璃化温度(Tg);(3)耐紫外线变色性及耐热变色性;(4)散热性。

  内资厂商中生益科技已实现国产化供应,产品性能优越。日本三菱瓦斯善于开发BT树脂为主的材料,可应用于IC载板和Mini-LED领域,针对不同的应用领域开发出五款细分产品。生益科技开发的BT树脂-玻纤布基白色CCL,属于高耐热性白色覆铜板品种,覆铜板牌号WLM1是一款白色LED用可见光高反射率材料,采用无铅兼容无卤的配方工艺,可实现在热处理和光线照射后不变色,目前已实现为北美大客户批量供应材料。

  Mini-LED背光电视渗透率快速提升带动相关覆铜板市场快速扩容,预计2022年市场空间有望同比实现翻倍增长。预计2021-2022年Mini-LED覆铜板平均单价为300元/平米,2023年后每年价格下降5%,对应2021-2025年市场规模分别为34.8/79.7/116.2/135.5/150.1亿元,其中2022年是市场扩容最快的年份,同比增长达到129.1%。

  LED显示驱动芯片主要分为RGB直接显示与背光显示两种。LED显示驱动芯片的核心功能是通过控制功率器件的占空比来逐行调节LED灯珠的通断和亮度。按照应用终端的差别,LED显示驱动芯片主要分为应用LED屏的RGB直接显示芯片和应用于LCD屏的背光显示芯片两种。RGB直接显示是LED自己独立成像显示的屏幕技术,背光显示是基于液晶显示背光源使用的技术;RGB直接显示主要占据高端显示市场和商用市场,背光显示主要应用于电视、电脑显示器等,即RGB直接显示和背光显示是互补性产品。

  LED显示驱动芯片主分为行驱动器和列驱动器。LCD屏和LED屏都由很多像素构成,且每个像素由1-4颗LED灯珠构成。LED显示驱动芯片的功能就是控制每个像素内灯珠的通断与亮度,且LED显示驱动芯片主要分为行驱动器和列驱动器两种,其中,行驱动器负责控制栅极信号、即逐行控制灯珠的通断,列驱动器负责控制数据线信号、即逐列控制灯珠的亮度。

  LED显示驱动芯片赛道以国产厂商为主。LED显示驱动芯片赛道的主要参与者为聚积科技(中国台湾)、集成北方、富满电子、明微电子等,均为国产芯片厂商。虽然TI等国际模拟芯片大厂也对LED显示驱动芯片有所布局,但因该类产品整体毛利率相对较低,国际模拟芯片大厂不愿过多布局该类产品。

  RGB直接显示芯片以算法为主、模拟为辅。RGB直接显示芯片是一颗以算法为主、模拟为辅的数模混合芯片,其功能为将图像数据以RGB形式还原,即通过高精度和快速响应的输出电流驱动RGB灯珠以实现灰度级的变换。如图所示,颜色混合和亮度控制通由PWM模块进行控制,该模块以不同的占空比来调制平均电流来实现对每个RGB LED的独立控制。

  Mini LED时代提升了RGB直接显示芯片的需求量。由于传统LED屏的LED灯珠数量较少,在传统LED屏时代,一个LED屏幕用1-2颗RGB直接显示芯片就可以满足需求。然而,到了Mini LED时代,Mini LED屏幕的LED灯珠数量大幅提升,这使得需要更多的LED显示驱动芯片给面板供电;如图所示,以TLC5958为例,对于64*64像素的RGB LED面板、有12228颗LED灯珠,该面板被划分成了8个部分,并由8个RGB直接显示芯片分别给面板各部分供电。

  背光驱动芯片同时为多“串”灯珠供电。由于LCD本身不发光,LCD屏幕需要白光背光源使其产生画面。如图所示,主流的白光背光源一般由数串白色LED灯组成,而背光驱动芯片的功能就是连接LED灯串的两端并给其供电。

  Mini LED时代提升了背光驱动芯片的需求量。一般而言,LED灯具需要在20mA的电流时才能发光,这意味着如果一串LED灯有着越多的灯珠便需要显示驱动芯片在灯串两端具有越高的压降。Mini LED屏幕的LED灯珠数量大幅提升,这使得单颗背光显示芯片无法提供足够的压降,从而提升了背光显示芯片的需求量。

  背光显示芯片的PWM模块功能相对简单。如图所示,背光显示芯片的PWM模块只需要通过控制各灯串压降来调节灯串亮度,不用像RGB直接显示芯片对每个灯珠进行通断和亮度控制。

  液晶显示屏幕的成像原理是靠面板中的电极通电后,液晶分子发生扭转,从而让背光显示模组的光线能够通过并实现发光,而液晶自身不会发光,因而背光显示模组是液晶显示屏幕可以正常显示的重要组件。按照发光源类型的不同,背光显示模组可以分为LED背光显示模组、CCFL背光显示模组和EL背光显示模组。LED背光显示模组的基本构成主要包括遮光胶、增光膜、扩散膜、导光板、FPC和LED组件、反射膜、胶铁一体等。

  Mini LED提升背光模组价值。集邦咨询数据显示,以65寸UHD 4K电视为例,高端的侧入式背光显示器模组生产成本约在350美元;采用被动式驱动的Mini LED背光(LED使用颗数16,000颗)的显示器模组则约在650~690美元之间,是传统侧入式背光模组价值的将近一倍,但低于WOLED显示器模组成本(预计在800美元以上)。

  Mini LED背光电视技术方案主要包括COB、POB两种。COB即Chip on Board,LED芯片直接打在基板上,再进行整体封装;POB即Package on Board,行业内俗称的满天星方案,首先将LED芯片封装成单颗的SMD LED灯珠,再把灯珠打在基板上。相比POB,COB具有高密度、高防护、高信赖性、高适应性、高画质与使用成本低的技术优势,相较于SMD小间距产品失效率大大降低,延长了产品使用寿命、降低了使用成本,更适应mini LED封装。

  封装环节迎来变革。对封装厂商来说,一方面mini LED芯片数量大幅增加的,从原来一台显示终端的几十颗LED变成了上万颗,封装环节在产业链中的价值占比提升;另一方面,Mini LED封装方式使封装厂商从原来单纯的提供SMD LED灯珠封装器件,变成了提供背光模组,向前延伸了一个产业链环节,整体价值量会有明显提升。

  封装厂商积极卡位Mini LED。国内国星光电、木林森、瑞丰光电、聚飞光电、兆驰股份、鸿利智汇等厂商积极扩产Mini LED产能,卡位Mini LED市场。国星光电已经实现Mini LED产品批量出货,而且Mini背光产品拥有两条技术路线可供客户选择,且进入了国内知名TV品牌厂商的供应链。木林森通过子公司木林森实业与新创企业深圳远芯合作,加码Mini背光和Mini直显领域。瑞丰光电Mini LED产品已实现中批量生产。

  技术逐步成熟、成本下降,Mini LED开启商业化之路,TCL、小米、康佳等厂商相继发布Mini LED背光产品,三星、LG、长虹等预计2021年推出此类产品。Mini LED商业化的启动为整个产业链注入了全新活力,产业链相关公司将因此受益。设备,建议关注中微公司、新益昌;芯片环节,受益标的三安光电、聚灿光电;覆铜板,建议关注生益科技、南亚新材、奥士康;封装环节,受益标的瑞丰光电。

  (除中微公司、新益昌、生益科技、南亚新材、奥士康外,其他公司均采用Wind一致预测数据)

  风险提示:Mini LED商业化进度低于预期;TV、IT等显示需求疲软。

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