容亿行研｜MIP，让Micro-LED直显大屏商业化进程天涯化作咫尺

2023-12-19 14:59

蒋娜娜

容亿投资总监，清华机械工程博士，12年产业技术研发经验，重点关注新能源、新材料、智能硬件。

刘宏春

容亿投资创始合伙人，重点关注芯片传感器、硬件新品、新能源。

随着5G+8K技术日渐成熟，LED显示行业跨入“超高清、微间距、高刷新”的显示时代，Micro-LED 能够实现更高对比度和更高像素密度，细节表现力更优异，是大屏直显技术的终极选项。
芯片的微缩对现有产业链的每一个环节都提出了新的技术指标和要求，目前Micro-LED直显应用产业化进程中存在着外延晶圆、巨量转移、驱动 IC、检修返修等方面的关键技术挑战，是非常复杂的技术体系，实现规模化量产需要产业链各环节技术协同发展。

中国拥有最为强大LED显示供应链，具备发展Micro-LED直显应用的良好基础条件；MIP封装技术以其成本优势和高亮度、低功耗、兼容性强、可混BIN提高显示一致性等性能优点加速Micro-LED在大屏领域的商业化进程，吸引了海内外多数企业的关注。
MIP是基于Micro-LED的新型芯片级封装架构，因此和Micro-LED COB/COG工艺类似，巨量转移也是得以有效发展的关键一步。只有实现转移精度±1um，UPH>10KK/h，转移良率>99.9%，才有可能高效低成本的做好集成封装体。

一

Micro-LED 是大屏直显技术的终极选项

大尺寸及超大尺寸显屏一般是指有效显示对角线尺寸不低于75英寸的屏幕。传统的大屏显示方式包括 DLP 拼接墙、LCD拼接墙、投影融合和小间距 LED。

小间距 LED凭借显示效果好、使用寿命长、可以无接缝灵活设置大小，可以应用在专显市场（比如政府、军队、司法的监控中心和控制中心等）、商用显示（企业会议、广告传媒等）和家用显示（家庭影院等）应用场景，即使是在行业低迷的2022年，小间距及微间距显示屏仍呈快速增长的态势。

图片来源：Trendforce

LED芯片尺寸更小，能够做到更高对比度，增强LED显示的HDR性能，更高的色彩深度，并且灯珠排列可以更紧密，可以提升像素密度，更清晰的灰阶和细节表现力。随着5G+8K技术日渐成熟，LED显示行业跨入“超高清、微间距、高刷新”的显示时代，小间距LED的灯珠间距也从最初的2.5mm持续向1.0mm以下间距升级迭代。如今的LED显示屏不仅一直在挑战极致完美画质的极限，也在持续突破应用场景的深度和广度，比如室内应用对颗粒度敏感，需要P0.7及更小。未来，LED显示屏将持续朝向小间距、微间距的方向发展。国内行业头部面板企业预计P1.2以下的直显市场规模，未来5年将以CAGR 60%+的速度增长。

作为小间距显示屏的升级替代产品，Mini-LED直显/RGB自发光显示正从室外大屏、指挥中心大屏等领域，往裸眼3D、XR虚拟拍摄、影院屏、创意显示等多个新兴应用场景逐步拓宽。由于芯片尺寸以及封装技术的限制，Mini-LED目前能做到的点间距极限基本上在0.6mm，做成4K屏幕的时候，整个屏幕尺寸达到了110寸以上，而且用到的大量LED芯片(~2400万颗)使得屏幕的成本异常高昂，目前大规模应用还存在一定的阻碍。于是，尺寸更小的薄型Micro-LED产品受到了LED产业链和电视、面板等厂商的一致关注。

中国针对 Mini/Micro LED 等领域的投资呈现火热状态，2020~2022年新增投资约2000亿元人民币。突破量化生产技术后，Micro-LED 极有可能成为具有颠覆性和变革型的下一代主流显示技术。

二

Micro-LED 产业链的技术瓶颈待突破

PlayNitride 和 Sony 公司对Micro-LED的定义是：不带蓝宝石衬底，且LED 芯片尺寸小于 50μm，或发光区域小于 0.003mm² 为 Micro-LED。

此类Micro-LED发光芯片通过巨量转移技术在驱动电路基板上形成中、低像素密度阵列，或者通过单片集成的方式在驱动基板上完成超高像素密度产品的制作。由于具有自发光、高效率、低功耗、高稳定性等特点，在视觉一致性、分辨率、对比度、色域以及亮度等显示效果上都显著优于目前主流的液晶和OLED显示技术，且因其体积小、可拼接、可靠性好、响应速度快、宽温工作范围等特点，能够部署在现有的从最小到最大尺寸的任何显示应用场合中。因此被视为下一代、全能型显示技术的杰出代表。

自2001年发布了第一组Micro-LED阵列后，相关研究在过去的 20 年引起人们的广泛关注，不过由于Micro-LED 存在微缩制程、巨量转移及全彩化等关键技术瓶颈，仍未实现规模性商用。

Micro-LED制造过程与常规技术步骤类似，主要包括 LED 外延片生长、micro LED芯片制作、驱动背板（TFT驱动或者micro IC驱动）制作、巨量转移四部分组成。但由于芯片的微缩，Micro-LED制造技术对现有产业链的每一个环节都提出了新的技术指标和要求，包括材料、工艺、设备等各领域关键技术的研发需求，且每个产业环节的技术都不是可以独立发展的，是非常复杂的技术体系，需要面板、芯片、巨量转移及驱动IC等产业链上下游密切配合。

比如，外延片厚度、波长、亮度均匀性与一致性要求更高，芯片结构比传统LED更为复杂，且目前行业制造工艺尚未标准化，使得工艺和设备标准化程度低、良品率和产量尚不成熟。芯片制造完成后需要数百万颗的微米级三色RGB LED芯片由 LED 外延片衬底依次转移到驱动电路基板并准确排列，转移良率要达到99.9999%（相当于1920*1080全彩显示屏不超过6个像素坏点），且每颗芯片的精准度必须控制在±1um以内。而传统LED固晶机的转移良率为99.9~99.99%，定位精度15~30um，转移效率3~10万/h，无法满足Micro-LED的量产要求。

此外，Micro-LED的尺寸基本常在50um上下，其电极更是不超过15um，直接扎探针的电测方式对于探针的直径和针距的要求极高，现有100um以上的成熟EL测试设备难以使用，如何在百万级甚至千万级的芯片中对坏点进行检测修复是一大挑战。在芯片转移到驱动背板并形成电连接之后对LED芯片进行全面的性能检测，再将检测出的不良LED芯片从驱动基板上拆解并更换新的LED芯片，繁杂的工艺流程和高昂的返修成本，严重制约了巨量转移技术的量产可行性。现在Micro-LED芯片主流做到25um左右，各家都有prototype，但市面流通不多，主要是scale-up的问题，需要综合考虑良率和价格。

三

MIP技术加速Micro-LED大尺寸

显示产品突破量产

根据Yole的推测，智能手表等小尺寸穿戴显示由于屏体尺寸小有助于减少巨量转移工艺成本，技术门槛低、价格弹性大、固定投资低，是行业里普遍认为最容易突破的Micro-LED应用细分市场。Apple及其合作商Osram等已经在智能手表显示上投入20亿美元，并计划2024~2026年开始量产搭载Micro-LED显示的智能手表。而市场体量最大的Micro-LED电视等大屏产品会略迟于手表等小屏显示应用成熟。

我国 Micro-LED 技术的发展起步相对较晚，但传统显示和LED行业规模处于全球领先，从芯片、封装模组、下游显示应用、设备材料、驱动电源等一应俱全，具备了Micro-LED直显快速发展的技术、产业、应用需求基础。从国内应用市场渗透路径来看，Mini-LED 已经应用于小间距（<1mm）的大屏幕显示，特别是会议室、监控指挥、展览展示、科技场馆、军事领域、户外装饰、大幅广告牌、美术馆、高端车展等专显和商显应用，未来随着微间距显示带来的性价比提升，会逐步向消费应用场景渗透。

数据来源：Trendforce 2021， Yole Report 2021

在小间距向微间距显示发展的过程中，原有的SMD封装形式已经难以突破更小点间距的限制，LED芯片向基板直接转移--COB（Chip on Board）/ COG（Chip on Glass）--技术路线是LED显示屏通往微间距化发展的必然选择。但高精度要求、大面积转移的良率以及检测修复的复杂性和高成本等问题阻碍了Micro-LED产业化进程。

注：当前说的COB多是指P1.6~P0.9常用的Mini-LED芯片的转移，依然存在一些待解决的问题，例如，大尺寸的mini芯片意味着高成本，只能分选分光、整屏矫正，生产良率低，需要使用专用锡膏、墨色不易管控、焊盘精度要求高等。

于是一种基于Micro-LED的新型芯片级封装架构--MIP (Micro-LED in Package)技术应运而生。MIP技术是在4/6寸载板上完成晶圆级封装，将Micro-LED子像素集成封装成尺寸大小处在Mini-LED维度的三合一芯片，从而可以利用当前Mini-LED机台设备进行生产，大幅降低了企业及其下游显屏客户高昂的产线设备端投入；同时，将原先在芯片端进行的测试后移至封装段，从高难度的芯片测试改为相对简单的对引脚点测，单Bin内混光，在分光分色的同时可将不良筛选剔除，降低Micro-LED裸晶测试、分选难度和显示屏调校难度，降低其对于外延制程波长一致性和精度的要求，对巨量转移的良率也不再那么敏感，保证了出货前的良率，效率得到大幅提升的同时也降低了上游芯片成本和下游的修复成本，为Micro-LED大规模的量产提供了技术可能。

MIP集成封装方案为Micro-LED提供了一种新型的架构方式，由于其子像素为Micro-LED级别，可以轻松应对到P0.2级别的产品。相对于Micro-LED 直接COB/COG工艺，MIP技术规避了巨量转移6N高良率要求与无法前置EL检测等难题，降低了Micro-LED的量产应用门槛，更易于将Micro-LED应用于终端市场。

特别是微米量级、无衬底状态下的micro LED芯片，即使外延一致性得到很好解决，但由于芯片难以混bin，此种情形下，在未有彻底解决混bin的巨量转移转移技术出现之前，MIP甚至可以说是唯一的micro LED量产方式。

相对于Mini-LED芯片，MIP集成封装体由于芯片尺寸小，能对应更高解析度产品，在相同像素大小内，给了下游设计更多冗余度，对比度更好，能实现一体黑的效果；在COG路线下，在面板厂小电流驱动下光效更高。

最重要的是MIP在成本上也具有绝对优势，芯片面积不足Mini-LED芯片的10%，即使考虑巨量转移和封装测试成本，整体MIP成本也可较Mini-LED减少30%+；同时，集成封装体可以减少客户固晶次数，生产效率提升200%，生产成本下降60+%。因此，MIP可对已较为成熟Mini-LED直显进行完全替代。

行业普遍认为未来Micro-LED的趋势确定，破解Micro-LED巨量转移良率、基板、驱动以及后期检测返修等诸多技术瓶颈已经成为Micro-LED产业化进程中的关键难题，而MIP优势明显，有助于快速将具有Micro-LED特性的显示技术尽快推进到量产化水平。

MIP集成封装是传统LED显示产业链上一个新增环节，早期首尔、三安、錼创等龙头厂商相继布局，目前上游芯片厂商和下游封装与显示屏厂商都在寻求进入这一领域，以求在工艺技术尚未迭代的情况下，加快Micro-LED进入产业化大道。虽然各家厂商对MIP技术和产品形态的定义存在差异，但以MIP概念展开布局的玩家已几乎覆盖整个产业链，既有首尔伟傲世、三安、麦沄、元丰新等厂商开发的Micro型MIP，也有中麒、国星、晶台，利亚德、洲明、艾比森等中游封装和下游显示屏厂商布局的Mini型MIP。

目前三星电子已经准备在其顶级旗舰Micro-LED电视上使用类似概念的产品（台湾錼创使用印章转移路线为三星开发），国内头部面板厂商也有Demo发布（麦沄使用激光转移路线为其开发）。

2023年6月在京东方 IPC全球创新展

2023年基于MIP技术的Micro-LED产品已逐步开始向小像素间距P0.5-P0.9的公共显示大屏领域渗透；2025年后随着技术进步和成本进一步下降，会进一步拓展到高端家用大屏电视市场，主要面向4K或8K。

四

MIP技术的核心工艺是巨量转移

Micro-LED芯片由于尺寸小且无衬底，不能像Mini-LED芯片一样用较成熟的COB工艺（刺晶或固晶）完成LED芯片到基板的转移。Micro-LED芯片尺寸多在50um以下，转移前需要把LED芯片直接从衬底上剥离下来，这种厚度不到10um的薄膜型芯片只能通过精度要求更高以及更高效的巨量转移技术完成转移（比如印章或激光）。

外延剥离技术主要有化学剥离（CLO）和激光剥离 (LLO) 技术。以目前主流LLO为例，将带有衬底的，大小约在5-50um的RGB三色LED芯片转移放置于临时载板上。使用紫外激光器照射衬底的生长界面，根据材料间不同的吸收系数，引起界面的材料的反应分解。使得GaN材料分解为氮气和低熔点的金属Ga，实现GaN外延层与衬底的分离并粘附在临时载板上。

完成衬底剥离后，再按照最终产品所需要的像素间距，激光光束通过掩膜整形处理后，照射、分解临时载板材料，使得黏附其上的 Micro-LED 芯片选择性掉落到驱动背板之上（selective transfer），也是巨量转移的核心步骤，可以根据转移介质和接收基板的相对位置分为三种类型：接触式（以印章stamp为代表）、非接触式（以激光巨量转移为代表）和自组装（以流体自组装为代表）。

Micro-LED转移技术从根本上依赖于对某些关键界面（即 Micro-LED/生长基板、传输介质/Micro-LED 和 Micro-LED/接收器）处界面粘附的高效、可靠和并行控制。

图片来源：国际信息显示学会SID

巨量转移是Micro-LED得以有效发展的关键一步。例如一块8K的Micro-LED显示屏，需要将3300多万个LED芯片有序转移到背板。这一工艺制程对效率、准确度、可靠性均有很高的要求。如果像素点出现“失误”就会在屏幕上出现“亮点”或“暗点”。

目前市面上现有的巨量转移技术方案来看，主要是印章（Stamp）和激光（Laser）转移技术。XDC、X-Celeprint、台湾錼创和三安光电目前主要以印章转移技术为主，但Stamp很难做单个修复，转移精度也达不到需求，针对大面积的显示产品，数厘米见方的印章头需要多次转移；激光巨量转移可以把尺寸控制的比较小，响应快速，转移效率极高，同时具有高度可选择性，行业普遍认为激光转移将成为巨量转移的主流技术。

印章转移vs激光转移

巨量转移除了本身的成本和良率，前后端很多需要定制。芯片厂把尺寸做小需要投入相关设备，更接近半导体工艺；外延厂很难做到临时键合层和转移，跟激光匹配的胶材和设备需要全新开发。

MIP企业由于要面对的是Micro-LED芯片的转移和封装，在保证精度的前提下，效率和良率是降低成本的最重要因素，需要对LED芯片工艺、临时键合工艺有深刻理解，至少实现转移精度±1um，UPH>10KK/h，转移良率>99.9%，才能高效低成本的做好集成封装体，也是Micro-LED技术大规模产业化的前提。

五

结语

作为信息交互的重要端口，显示产业已发展成为新一代信息技术的先导性支柱产业，是万亿级赛道，具有强大的发展韧性。

Micro-LED 作为业界公认的终极显示技术，其产业化也越发受到关注。以2014年苹果公司收购Luxvue为起点，Micro-LED显示技术进入快速发展阶段，应用前景逐渐明朗，大尺寸、车载、穿戴的应用已成为行业共识，一轮新的制造投资热潮预计会让Micro-LED 的总投入从目前的80亿美金达到2025年的180亿美元，Micro-LED 发展势头在加速，预计2025年Micro-LED显示面板进入真正成长期。

现阶段行业应用处于萌芽期，Micro-LED 实现规模化量产还存在很多的技术挑战有待解决，需要产业链各环节技术协同发展，而中国拥有最为强大LED显示供应链、技术创新最活跃、下游应用最丰富，具备发展Micro-LED的良好基础条件，有望在直显市场优先突破，重塑显示产业生态圈，成为显示产业发展的重要引擎。

作为微间距显示技术的黑马，MIP技术暂时避开直接巨量转移COB/COG高良率要求和修复技术难点，利用产业链成熟能力加速Micro-LED在直显大屏领域的商业化进程，其成本优势和性能优点吸引了海内外多数企业的关注。不仅三星、京东方等大厂加码布局，还涌现出一批拥有丰富显示和集成电路技术经验的科创企业，如錼创和麦沄显示等。