MINI LED 显示屏是车载显示屏未来发展的方向么？-下篇

本系列内容主要分为五大部分：

一、影响用户体验的显示屏关键参数

二、MINI LED显示屏技术优势

三、MINI LED 技术原理

四、车载MINI LED屏相关技术设计

五、车载MINI LED屏应用趋势

上期内容已经讲解了1-2的内容，这期内容主要讲3-5的内容。

MINI LED 技术原理

背光显示技术发展路径

随着CRT、等离子逐步遭淘汰， LCD成为显示技术主流， 但近年来在不同尺寸、不同应用领域不断受到小间距LED、OLED等新技术挑战。在产业链厂商积极推动下， Mini/Micro LED显示技术快速发展， 随着Mini LED逐步进入量产阶段， 有望对现有市场格局形成冲击。

自发光显示技术在对比度、广视角、轻薄化、柔性等方面具备先天优势，随着新技术瓶颈不断突破、良率及发光效率提升， 有望成为未来显示技术主流， OLED、QLED及超小间距LED将展开竞争。

小间距LED、Mini LED和Micro LED在芯片尺寸及点间距方面存在差异。小间距LED意指点间距在2.5mm以下的LED产品；Mini LED芯片尺寸约为50-200um；Micro LED芯片尺寸在50um以下，一般为1-10um级别。目前Mini LED适合在电视和车载上使用。

Micro LED将LED薄膜化、微小化、阵列化形成高密度集成微型LED阵列， 其尺寸一般仅在1-10微米级别。由于Micro LED当前仍然面临徽缩制程、巨量转移及全彩化等技术难题以及成本过高等产业化问题， 故众多厂商布局技术难度更低的Mini LED技术， 并为MicroLED做铺垫。

随着显示技术发展， LCD背光源了实现从CCFL向LED过渡。CCFL即冷阴极荧光灯， 在玻璃管内涂布荧光体，并放入惰性气体Ne+Ar混合气体，其中含汞，在电极间加高压高频电场，激发水银蒸汽释能发光，放出紫外线光，荧光体原子因紫外线激发导致能阶提升，当原子返回原低能阶时放射出可见光。

LED背光具备绿色环保(不含汞) 、广色域、高亮度对比度及寿命等方面优势， 随着LED成本降低， LED逐步替代CCFL成为液晶显示的主要背光源， LED背光市场快速发展，现在的家里的电灯，很多都是CCFL工作模式下的灯。

MINI LED灯定义：

Mini led,又名“次毫米发光二极管”,是指晶粒尺寸约在50-200μm的LED,其晶粒尺寸和点间距介于传统小间距LED和 Micro LED之间。

Mini led作为 Micro LED的前哨站,在 Micro LED之后被提出。由于 Micro LED存在微缩制程、巨量转移及全彩化等关键技术瓶颈以及高成本问题,故先发展晶粒尺寸更大、仍可使用传统制程技术、技术实现难度更低的 Mini led作为过渡。结合倒装COB或MD技术,Mini LED可实现1mm以下点间距显示,像素密度高于小间距LED且可实现低亮度下高灰度显示。

同时, Mini led作为背光源应用于液晶显示屏,可通过区域调光提高对比度,实现HDR等精细化显示效果。能够让LCD面对OLED挑战时能够在显示性能方面恢复竞争力,加上成熟的工艺和更长的寿命,LCD+ Mini LED背光在近几年中大尺寸显示领域有非常巨大的发展空间。

MINI LED灯生产过程：

LED芯片生产包括外延片制作、电极制作、芯片制作、测试等流程。Mini led需要将LED晶粒尺寸缩小至50-200μm范围。随着芯片尺寸的缩小,正负电极覆盖芯片表面大部分面积,发光区域受限,对芯片生产工艺精确性、良率等提出更高要求。

芯片中Ag金属具有较高活性,频繁开启易使得离子发生迁移进而导致芯片漏电问题。且 Mini led需要适应车用面板等复杂使用环境,且随着封装集成度提高,维修难度大大提高,因此要求 Mini led芯片具备更高可靠性。

Mini led为实现更优视觉效果,对光色一致性和墨色一致性要求更高,因而对外延片的均致性提出更高要求,尤其是在尺寸进一步微缩的情况下,工艺难度大大提高;同时,为提高一致性及可靠性,需要对高密度、高精度的 Mini led芯片进行进一步精细化的测试分选,目前行业采用全测全分模式,作业效率低下。同时, Mini led仍旧面临良率偏低问题,导致成本相对较高,需要一定的时间。

mini led 的芯片转移技术受到挑战

在芯片转移方面, Micro LED目前主要技术包括范德华力、静电吸附、相变化转移及镭射激光烧蚀等巨量转移技术,基本都是采用吸附、贴合的方式。上述技术实现难度巨大,且成本高,是目前最大的挑战。

Mini led与 Micro led相比,芯片尺寸更大、数量更少且含硬质衬底,因此精度容忍度更高,技术实现难度更低。据华灿光电,目前 Mini led批量转移主要包括(结构图示分别见上图):

1、转移设备增加 pick up heads提高拾取、放置效率,该方案技术难度较低,但效率未实现数量级提升;

2、临时基板和最终背板相对放置,利用针顶顶岀芯片实现转移,该方案数量级提高转移效率;

3、UV膜上放置芯片,芯片和背板控制电极相对放置,利用UV光实现芯片转移,该方案能够实现巨量转移,但对芯片UV膜摆放精度要求高

市场中已经有了几个具有商用潜力的巨量转移技术的厂商了,预计2022年巨量转移能够实现大规模量产。隆达采用静电转移的应力方式,把晶粒从基板上取下再进行后续的转移。和京东方合作的 Rohini发明了高速高量产贴合技术。鸿利也在巨量转移方面获得较大突破。友达、伟创、晶电、LG和三星等都已宣布自行研发巨量转移技术。

mini led 的芯片倒装技术有优势

LED可分为正装结构、倒装结构和垂直结构,倒装芯片将成为主流。倒装结构将正装芯片倒置,使发光层发岀的光线从电极另一面发岀,减少电极占用发光面积继而提高发光效率,据OFweek统计,在同样光通量的情况,倒装芯片的光效比正装芯片光效高16-25%左右。正装结构芯片PN电极同侧导致电流拥挤、热阻较高,倒装芯片可以承受更高电流密度、提高光传输性能。

目前主流的mini LED灯都是倒装的蓝光LED灯。

装结构无需焊线,能够克服正装芯片的打线及可靠性的缺陷,封装体积可以实现几乎与芯片大小类似;同时应用COB封装,满足超小空间芯片密度需求,为显示屏点间距微缩化提供条件,因此广泛应用于 Mini led。

但另一方面,倒装LED也对芯片和封装工艺提出更高要求。红光芯片在制作倒装过程中需要另外进行衬底转移,整体工艺难度提高。由于 Mini LED为微米级芯片密集排布,需要对 Mini LED芯片进行高精度、高速排列。

传统锡膏固晶容易导致芯片焊接漂移,孔洞率増大,且固晶效率低下,无法满足 Mini LED的高精度固精要求,更高精度固晶基板及更高效固晶设备成为行业急需解决的问题。

mini led 的SMD和COB技术路线对比

晶粒尺寸和点间距微缩化成为LED显示技术发展确定趋势,目前国星光电、瑞丰光电、洲明科技等厂商已具备P0.9产品量产能力,亿光小间距EAST0707XX-ELB系列可实现P0.7微间距,利亚德已实现P0.7显示屏量产。Mini LED节约上游衬底材料消耗,大大提高显示性能,但也对LED封装提出更高技术挑战。随着间距缩小,SMD封装死灯率、虚焊率上升,灯珠缩小使得可靠性降低,在P1.0以下劣势明显。

与SMD先封装成单个灯珠之后再表贴方式不同,COB进行集成化封装,使用环氧树脂将若干灯珠直接封装在PCB板上,因此无需支架、无需回流焊。与传统SMD封装相比,COB封装具有高效率、低热阻、更优观看效果(面光源具有非颗粒显示特点、配光效果更优、观看范围更大)、防撞抗压高可靠等优点,尤其是在高密度LED密布下具有显著优势。

因此，结合倒装芯片无需打线优点，倒装COB技术在mini LED产品得到广泛应用，利亚德、长春希达、华夏采光等厂商都积极发展Mini COB技术。

车载MINI LED屏相关技术设计

mini led 显示屏的背光结构

与背光模组的厚度可以做到非常薄，LED的发光角度非常大，整体模组亮度高。采用大角度的mini LED晶片封装，全阵列发光，芯片出光角度150-170°，动态扫描超高分区1000+分区，OD值为0，背光厚度为1mm。

该方案使用高效LED，透镜封装，加发射罩三者结合，搭配分区控制电路，实现HDR动态效果，最大的优点就是解决光型串扰，优化halation效果，提高动态对比度；

传统 led lightbar灯珠设计

传统10.25寸 背光灯条使用传统的LED灯，传统的LED灯电流基本上是90mA，单向压降在2.7V-3.3V，所以上述灯条8串3并的设计，所以一条灯珠的电压范围为21.6-26.6V，所以总的功耗也比较大，在6W上下，这样就需要背光电路有升压芯片，而且每一路的电流都比较大，至少大于100mA，设计上满足裕量要求。

LCD的背光驱动芯片，一般都选用TI、美信、MPS等国际知名品牌的电源IC，在保障电源背光驱动稳定性有保障。此处的设计应该选择至少有3路电流的芯片，电流至少120mA，输出电压在30V以上，此时LP8860芯片是满足设计要求，而且留有很大的设计余量，而且有I2C诊断，可以知道短路、开路、过压、过流等背光问题的诊断，同时能够通过PWM精细调节背光的亮度显，缺点就是背光升高压的芯片价格比普通的芯片贵很多。

mini led灯背光设计

一个分区是16颗mini LED灯，是4串4并的连接方式。

单颗LED的电压是3-3.1V，电流最大是150mA,所以一个分区的最大电流是600mA，不过常见的20mA就能满足亮度要求，电压在10.8-12.4V，而且发光的波长是445nm-452nm，标准的蓝光。

一总共128个分区，每个分区16颗灯，这里总共2048颗 mini LED灯，单区的功率典型值在0.24W，全亮白色界面的功耗在24W左右，这就需要选择合适的背光驱动芯片来驱动。

一总共128个分区，每个分区16颗灯，这里总共2048颗 mini LED灯，单区的功率典型值在0.24W，全亮白色界面的功耗在24W左右，这就需要选择合适的背光驱动芯片来驱动。

这里的背光芯片可以选择48通道的TI背光芯片，每个通道可以控制一个分区的背光，所以上述的128分区，只需要3颗这样的背光芯片就可以控制每个分区的亮度精细控制。

mini led local dimming技术方案

这mini led 配合local dimming技术，可以实现高对比度，可以实现HDR。

这mini led 配合local dimming技术，可以实现高对比度，可以实现HDR，这里主要的技术难点就是图像和led 控制芯片的同步，如果图像到了，但是led灯还没有及时控制，就会导致图像的亮度没有处理，在下一帧出现的时候，才显示上一帧的背光，就会有明细的拖影感觉。

这里主要使用FPGA的方案来实现，因为普通的MCU没有办法去处理这么快的图像数据，比如一个1920*720 60HZ的图像，那么就需要在每一帧图像的背光的灯的控制都有做运算输出，这个要有计算能力，所以FPGA里面有一个local dimming的图像引擎，可以专门去计算RGB所需要的亮度，从而输出控制LED driver的信号，这个FPGA也是有延迟的，能够控制在1帧画面之内，也就是60HZ的屏，能控制在16ms之内完成LED driver的输出和点亮。

mini led local dimming控制方案，需要使用到FPGA，这里最关键的技术就是要做到图像和背光灯控制的同步，所以需要把图像解析后，输出背光的控制算法（而且涉及到背光的亮度、分区数、mini led灯的个数，背光芯片的驱动时间参数等等），不同屏的算法不同，相当于定制软件。

车载MINI LED屏应用趋势

由于OLED 目前发光效率及寿命偏低、可靠性及环境适应性较差、存在‚烧屏‛现象， Mini LED 背光+LCD 方案在色域、柔性、广视角、轻薄化等方面略逊色于 OLED；但由于采用无机材料，与 OLED 相比具有更高发光效率、更长寿命、更高可靠性，因此更加适合车载领域的应用。Mini LED 可通过区域调光实现 HDR，且随着工艺成熟化有望实现和 OLED 相近的显示效果下实现更低成本。

车载中控、液晶仪表盘距离驾驶位置70cm左右，所以像素在300W就可以达到极致效果

MINI LED 的电视成本组成

MINI LED产品推广的最大难题就是成本，以电视为例，mini led背光模组的成本占据65%的成本，而这个背光模组中，由于led点间距缩小使得单位面积所需灯珠和芯片数量快速增长，灯珠成本占比提高，普通LED显示屏背光模组中灯珠成本占比30%-40%，小间距led成本达到70%。

原来单台12.3寸显示屏灯珠数量由原来的24颗，修改为直下式的mini led，此时灯珠数量提升到4000颗以上，成本直线上升。

MINI LED的占比预测在逐渐增大，目前从电竞显示器到电视机背光，再到高端平板。苹果和TCL扛起产业化大旗。

mini LED在2019年下半年首先应用到电竞显示器和电视领域，2019-2020年TCL展出MINI LED背光液晶电视，2021年2月1日，创维正式发布首款Mini LED高端电视，也就是创维Q70系列。该产品最大的亮点就是采用了Mini LED背光技术，创维官方称之为鸣丽屏。苹果将mini LED应用于iPad Pro，这些应用有利于mini LED加速渗透，带动整体mini LED产业链发展，从预测中来看2023年左右车载显示屏的应用会有一个明显的提升。

mini LED屏车载demo已经出现，未来趋势光明

Mini LED 搭配柔性基板可实现高曲面背光及异形显示，并在亮度、可靠性、高低温环境适应能力、寿命以及产品经济性等方面相对 OLED 占据显著优势。

群创 2018CES 展出 10.1 英寸 AM Mini LED 直下式车用背光显示技术，通过精准电流调控，使得屏幕亮态画面下亮度达到1000nits 以上，在阳光照射下仍清晰可视；而暗态画面下亮度接近于 0，实现与 OLED 相当的 1,000,000 : 1 高对比度，同时在高温适应、寿命等方面优于 OLED。因此，Mini LED背光有望在车用面板市场得到广泛应用，并对 OLED 及传统 LCD 构成替代。

预估和总结：

1、目前车辆屏幕的规划越来越大屏化，需要的显示效果要求提高，特别是CR和HDR方面，传统LCD显示是无法满足这两个技术指标要求；

2、传统LCD显示是全球车载显示屏占据主要地位，由于显示效果的提升，需要向消费电子的技术领域靠近，但是由于OLED的高成本稳定性差、寿命偏短等问题，我认为OLED很难在汽车电子领域大规模推广，Mini LED背光搭配柔性基板可实现高曲面背光及异形显示，并在亮度、可靠性、高低温环境适应能力、寿命以及产品经济性等方面相对 OLED 占据显著优势。因此，Mini LED背光有望在车用面板市场得到广泛应用，并对 OLED 及传统 LCD 构成替代。

但是区别于传统消费电子的是，汽车零部件还需要符合车规级要求，而且认证周期多为两年以上，所以mini LED在汽车显示的推广需要等成本下降、同时符合车规就能批量上车了，预计在2022年左右。

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