AR核心元器件—Micro LED屏幕为何难量产？

    导语:微显示器是决定主流AR眼镜尺寸、功耗与光学性能的关键组件。
    Micro LED作为“次世代”显示技术一直以来被认为是替代硅基OLED、DLP、L-COS显示屏幕,成为AR/VR头显的完美选择。
    与上述其他几种显示屏幕相比,Micro LED更薄,具备亮度高、分辨率高、功耗低、寿命长、续航能力更强,更能抵御“烧屏”现象等众多优点。像素点间距缩小至微米级,让它不仅拥有超高分辨率,同时适用于任何尺寸,并且拥有超快的切换速度,其微秒级的响应时间完全契合AR/VR近眼显示技术需求。
    全息波导,这一被看做未来AR眼镜形态所搭载的光学方案,其一直以来存在前期核心技术问题尚未解决的问题,这大大影响了全息波导的量产能力,一旦技术问题解决,其良率和成本问题都将迎刃而解。而这里所谓的技术难题,其实就是Micro LED的量产问题。
    因此,Micro LED成为提升全息波导大批量落地的技术难点所在。而在AR/VR领域,苹果、Facebook、京东方等等均就Micro LED显示器进行深入布局,这里俨然已成为AR/VR领域各大厂商的兵家必争之地。
    但Micro LED除了有居多好处,却迟迟未被量产,主要是因为其成本高昂,量产难度高,何时普及还是未知。
    即便如此,国内外对AR/VR领域Micro LED的投入与研发都在极力向下一个阶段走。
    Micro LED显示器或成主流两大厂商联手,最小AR单片Micro LED显示器将面世 
    于2005年成立的美国Micro LED解决方案供应商Composite Photonics US Corporation(简称“CP”),便是专注AR/VR方向Micro LED显示器,以制造出能产生巨大影响的最小尺寸显示器为目标。
    去年11月,CP开设Micro LED创新加速中心MiAC,加速5μm以下单片集成Micro LED显示器的上市,以满足市场对AR/VR等智能可穿戴设备的增长需求。
    本月10日,与知名特殊工艺半导体代工厂GLOBALFOUNDRIES(简称“GF”或“格芯”)宣布达成合作,制造CP的微显示技术平台IntelliPix™。
    IntelliPix™是PC通过模拟人类视觉系统而开发,为满足AR眼镜对高性能和低功耗要求而开发,它将实现世界上最小Micro LED AR/MR显示器。 同时,通过启用体积更小、重量更轻的AR眼镜,充电一次即可使用更长时间,从而实现真正的实时AR全息体验。
    而且PC在AR方向并不止步于Micro LED显示器,除了与GF合作,还与Micro LED技术开发商Plessey和半导体设备供应商Axus合作,协力开发基于Mico LED显示技术的AR/VR设备。
     据介绍,IntelliPix™将使用GF的22FDX专业半导体平台制造,22FDX除了低功耗的优势外,还能够为显示器定制其他功能并简化其制造流程。迄今为止,22FDX解决方案已赢得45亿美元设计大奖,向全球客户交付超过3．5亿个芯片。
    GF和我们所熟知的台积电一样是芯片代工厂,也就是人们口中常说的“格芯”,来自美国。据了解,按营收来算,2009年成立的格芯目前已是世界第3大晶圆代工厂,仅次于台积电与三星。就在上个月,格芯还宣布与美国国防部合作生产国防军用芯片。
    CP有了国际芯片代工巨头的合作,世界最小AR单片Micro LED显示器的量产与商业化应用的扩大似乎会加速到来。 那IntelliPix™到底具备怎样的特点,在技术上又是如何实现的? 
    2．5μm像素AR单片微显示器有何优势?IntelliPix™技术详解 
    想知道CP作为Micro LED显示技术厂商,推出的微显示技术平台IntelliPix™所体现出的技术实力,要先从Micro LED讲起。因为从严格意义上解释,IntelliPix™是高性能的Micro LED显示器背板驱动技术。
    简单来说,Micro LED显示器只是由Micro LED微型发光元件,被一系列技术进行阵列组合后的显示模块,它还需要一个提供电力支持的背板。一般的Micro LED通过无源选址(类似在坐标轴利用x、y坐标进行定位供电)、有源选址(每个微型发光元件后面有2个晶体管控制电流)、半有源选址(单晶体管控制)。这三种背板分别在分辨率、功率损耗等问题上无法达到平衡。
    在2020年5月,CP宣布其推出数字背板,将LCoS背板技术重新设计成为针对Micro LED的创新性恒流驱动背板,并且可以与Micro LED显示器集成,能够使用CP的NOVA显示器驱动架构。CP表示,它具有高帧率、低延迟和低功耗的特性,满足了AR所需要的紧凑性、光学性能和亮度要求。
    恒流驱动背板设计为Micro LED阵列中的正向电压变化和IR压降提供了更大的容差,使得Micro LED达到以前没有的均匀度。使用的显示器驱动架构还具有全局实时可编程像素电流控制功能,能够控制数据传输量,大大增加系统带宽,在保持位深度的同时提高帧速率。
    IntelliPix™则是在NOVA显示器驱动架构上进行改动和升级后的全新架构,这就带来了IntelliPix™ 实时视频管道、在像素级别智能管理图像、针对Micro LED的像素均匀性以及单芯片集成等4大优势。
    实时视频管道这一特性能够无缝实时地显示图像,在AR方面,这一特性能够极大地帮助降低显示延迟,同时它的可编程功能也能降低开发难度。
    通常我们通过AR眼镜看到的屏幕是有限的、没有覆盖整个视野的,而在IntelliPix™在像素级别智能管理图像的能力,可以根据内容和使用环境调整、传输活动像素数据,一方面,由于减少了调动不活动像素占据的带宽,也能够提升活动像素的表现力,另一方面,也可以降低功耗。
    
    图源:CP
    在像素均匀性方面,IntelliPix™充分利用了Micro LED响应更快的特性达到了100倍调制速度的提升,这一提升能够提供更逼真的色彩效果、更高的刷新率以及通过支持添加多个焦平面的能力。
    IntelliPix™单芯片设计消除了背板和显示驱动器IC(DDIC)功能之间的传统区别,从而减小体积,降低功耗,让它更适合于便携式显示设备。结合CP的用于Micro LED阵列键合,器件封装和测试以及光学引擎设计的集成功能,IntelliPix™平台为满足甚至超过AR所需显示器尺寸提供了新的选择。
    目前,无论是最早量产Micro LED显示屏幕的索尼,还是陆续推出Micro LED消费级电视的三星、康佳、利亚德,都是将Micro LED用于电视甚至更高级别的大屏上,而IntelliPix?平台,第一次罕见的、专为用于AR Micro LED显示器的显示架构。
    同时,CP在美国亚利桑那州钱德勒市拥有设有Micro LED生产工厂MiAC,本身就具有一定的生产能力,而在本次与世界第三大半导体圆晶代工厂GLOBALFOUNDRIES合作之后,更是解决了在圆晶生产、测量和封装的等方面的后顾之忧,为其量产打下了一定的基础。 
    Micro LED是未来趋势量产的战火将愈演愈烈 
    CP与GF的组合,让人期待其Micro LED显示能否获得量产的机会,因为市场对Micro LED的优越性已达成共识,但受制于高昂成本与量产问题无法获得突破性进展。
    此前,台湾Micro LED公司镎创科技表示,依据他们的规划,Micro LED需要在5年内成本减少95%,才能满足客户商品化量产的需求。
    另一个问题,Micro LED量产。要想实现量产,至少需满足三大条件。第一,如何实现巨量转移,据了解,良率要达到99．9999%才能够真正实现量产;第二,产线是否齐备,除了显示技术,Micro LED这样的高精尖微型设备在装配、封装等方面对车间的洁净程度、产线的精准率都有十分高的要求;第三,供应链是否跑通,要真正投入量产,成为合格的供应商,Micro LED所需要的背板、LED等材料备货要能够支撑量产和废品率。
    虽然研发Micro LED的厂商包括三星、康佳等大厂在内不在少数,但目前实现量产的厂商屈指可数。 从目前AR/VR设备对Micro LED的采用情况来看,尚未有面市产品采用Micro LED,仅Vuzix 一家将要推出的新一代AR智能眼镜会采用Micro LED,由JBD供货,预计2021年上市。其上一代AR智能眼镜价格为1000美元。
    由此可见,Micro LED虽在AR/VR领域应用的想象空间大,但实际应用受制于成本与量产问题,还处于萌芽阶段。
    CP此次与GF的组合,在生产上,基于GF22FDX专业半导体平台,并且打造了罕见的、专为用于AR Micro LED显示器的显示架构,如果能实现量产,并且量产出的AR显示器像介绍所说达到世界上最小,AR Micro LED将拥有新的量产解决方案,那么对AR眼镜而言,则可能是另一场轻量化革命的开始。 如果售价上还能有所突破,搭载Micro LED显示器的AR眼镜未来可期。
    在国内半导体受制于台积电的当下,许多企业甚至城市都陷入了半导体困境。Micro LED是下一个时代必然会大面积流行的设备,索尼、三星已经开始争抢这块肥肉,而现在AR行业有例子已经跑在我们前面,如果不在这条赛道加紧追逐,那对国内AR来说,下一个世代,面临的可能就是Micro LED困境了。
    声称能实现量产的公司开始逐步冒头,Micro LED的战火将一触即发。