小點(diǎn)間距LED顯示器要做到高對比度對于驅動(dòng)IC的規格更嚴要求

　　北京時(shí)間09月10日消息，驅動(dòng)IC為要角 MicroLED實(shí)現高對比度;MicroLED顯示器的一大特色為能夠做到更高對比度、高顯色的性能表現，而符合HDR10則可以確保顯示器呈現更多顏色和細節。 在小點(diǎn)間距LED顯示器若要做到高對比度表現，則對于驅動(dòng)IC的規格有更嚴格的要求。

　　標準動(dòng)態(tài)范圍(Standard Dynamic Range, SDR)是現行影像的播放標準，很不幸地SDR的規格并無(wú)法忠實(shí)呈現人眼所能看到的每一種顏色。 所以有了高動(dòng)態(tài)范圍(High Dynamic Range, HRD)規格的產(chǎn)生。

　　早在2014年的消費電子展(Consumer Electronics Show, CES)會(huì )上，杜比實(shí)驗室(Dolby Laboratories)就展出了Dolby Vision技術(shù)規格。 但因Dolby Vision為封閉規格，且每生產(chǎn)一臺Dolby Vision兼容的電視就必須付出3美元的專(zhuān)利費。 于是三星(Samsung)、索尼(Sony)、樂(lè )金(LG)等家電大廠(chǎng)都希望能有一個(gè)比Dolby更開(kāi)放的平臺，節約支付給Dolby專(zhuān)利費，又毋須增加一個(gè)提交認證的流程來(lái)削弱對于自身產(chǎn)品的控制權， 因此他們開(kāi)始開(kāi)發(fā)自己的對于HDR影音的方案，最終進(jìn)化成一個(gè)標準--HDR10(表1)。

　　圖1為一相同的小點(diǎn)間距LED顯示器，左側以14-bit Gamma顯示SDR畫(huà)面，右側以16-bit Gamma顯示HDR畫(huà)面，兩者的視覺(jué)刷新率皆是3840Hz(4KHz)。 簡(jiǎn)而言之，將SDR與HDR放在一起比較，HDR可以讓你看到更多顏色和細節。

　　將HDR的基本要求轉換成小點(diǎn)間距LED顯示器驅動(dòng)IC的規格要求，將可得到如圖2所示。 下文中，自分辨率開(kāi)始，順時(shí)針?lè )较蛑鹨唤庹f(shuō)。

　　圖1 SDR vs. HD

　　圖2 HDR規格與驅動(dòng)IC規格轉化

　　分辨率與分辨率

　　在相同的顯示面積中，越高的分辨率即代表更高的像素密度或更小的點(diǎn)間距。 在傳統的驅動(dòng)架構中，如圖3所示的P0.992的小點(diǎn)間距LED顯示器，可分為三大部份：①是定電流驅動(dòng)IC;②是電源切換開(kāi)關(guān);③是其他邏輯IC。 從圖3中可以發(fā)現電路板的布局已經(jīng)相當緊湊，若要再進(jìn)一層次提高分辨率，明顯地，我們需要新的驅動(dòng)架構，并且封裝尺寸也須要隨之縮小或采用WLCSP或COB等不同封形式。

　　圖3 點(diǎn)間距P0.992 LED顯示器燈板

　　為了解決上述問(wèn)題，所以有了將定電流，電源開(kāi)關(guān)和邏輯IC整合在一起的高整合型的驅動(dòng)IC，圖4則是使用高整合型的驅動(dòng)IC的P0.9375 LED顯示器燈板。 顯而易見(jiàn)的，在電路布局上與傳統驅動(dòng)架構寬松許多。 且將封裝從一般的SSOP或QFN類(lèi)型改為下方出腳的BGA，以爭取在有限面積下有更多的出腳數，以驅動(dòng)更多的LED。 此類(lèi)型的IC約可支持到最小P0.55點(diǎn)間距的小點(diǎn)間距LED顯示器。

　　圖4 點(diǎn)間距P0.9375 LED顯示器燈板

　　視覺(jué)刷新率與換幀率

　　主動(dòng)驅動(dòng)(Passive Matrix, PM)架構，利用視覺(jué)暫留達成連續畫(huà)面效果。 當換幀率提高，對于視覺(jué)刷新率的要求也會(huì )提高，需要更快的頻率協(xié)助完成。 然而Gamma Table的灰階數與視覺(jué)刷新率呈反比，相同的灰階頻率下，越高灰階數的視覺(jué)刷新率越低。 在下一段落中，再深入探討論灰階頻率這個(gè)主題。

　　動(dòng)態(tài)范圍與對比度

　　HDR10的對比表現少則20,000：1;多則高達100,000：1，受限于灰階頻率的快慢，行掃數與PWM灰階數呈反比，32行掃下，最高PWM Resolution是14-bit。 此時(shí)理論對比值僅16,383：1，未能滿(mǎn)足HDR10要求。 新世代的小點(diǎn)間距LED顯示器專(zhuān)用的驅動(dòng)IC應采用內振灰階頻率設計，一舉突破傳統PCB布局上時(shí)鐘頻率33MHz的限制，至少將PWM Resolution提高至16-bit，此時(shí)的理論對比度是65,535：1。

　　色域空間與LED波長(cháng)

　　在CIE1931坐標圖上畫(huà)出BT.709、BT.2020，可以得到圖5。 SDR定義的色域空間為BT.709(REC.709)，占了CIE1931色域空間的35.6%;HDR定義的色域空間為BT.2020(REC.2020)，占了CIE1931色域空間的75.8%， 即BT.2020定義的色域空間為212.9%的BT.709。 將BT.2020在R/G/B三原色的波長(cháng)拿出來(lái)看，分別為紅光630nm、綠光532nm、藍光467nm，對于目前LED磊晶技術(shù)，因綠光波長(cháng)的半寬波長(cháng)離散度較大，目前的顯示設備不容易達成BT.2020。 轉換至LED驅動(dòng)IC，就顯得小電流(通常小于500μA)精度控制的重要性，因為L(cháng)ED波長(cháng)會(huì )隨著(zhù)電流大小漂移，定電流誤差量多要求小于±1.5%。

　　圖5 BT.709/BT.2020在CIE1931的覆蓋范圍

　　訊號灰階與PWM Resolution

　　由于人眼對光的感受并非線(xiàn)性，所以視訊源輸入到顯示設備輸出需要透過(guò)Gamma Table轉換。 過(guò)往視訊源僅8-bit時(shí)，14-bit PWM足敷使用，但當視訊源提升至10-bit，甚至12-bit時(shí)，就需求更高的PWM Resolution，才能將細節顯示得更清楚。 圖6即為14-bit和16-bit PWM Resolution的比較，可以清楚得看出，16-bit PWM Resolution在低灰度部份能夠顯示更多細節。

　　圖6 14-bit與16-bit PWM Resolution比較

　　以小點(diǎn)間距LED顯示器為例，Micro/MiniLED相較于傳統3-in-1 SMD LED，在HDR10表現又有何勝出之處? LED結構可分為水平正裝(Face-Up)，Substrate在LED晶粒下方，P極/N極的Bonding Pad都在上方，須要打線(xiàn)與載板的Pad連接，傳統的SMD 3-in-1多使用這一類(lèi)LED晶粒。 垂直(Vertical)，紅光晶粒多屬這一類(lèi)，P極與N極的Bonding Pad呈垂直排列，一端直接與載板接合，另一端則靠打線(xiàn)與載板相連。 水平倒裝(Face-Down/Flip-Chip)，P極/N極的Bonding Pad都在下方，直接與基板接合，不需要打線(xiàn)。 若晶粒尺寸大于100×100μm且Substrate在LED晶粒上方即定義為MiniLED，晶粒尺寸小于100×100μm且沒(méi)有Substrate即定義為MicroLED。 以下為Micro/MiniLED相較于傳統3-in-1 SMD LED的優(yōu)勢所在：

　　1.點(diǎn)間距微縮，分辨率提高

　　傳統的3-in-1 SMD LED封裝體微縮有其極限，且在SMT制程中有容易拋料與漏料的問(wèn)題。 當分辨率提高，單位面積內的像素密度也提高，代表要貼的LED點(diǎn)數也越多，使用傳統SMT機臺Pick-n-Place加工方式，假設1片P1.5的燈板打件需要40分鐘，點(diǎn)間距微縮成P0.75時(shí)，就需要160分鐘。 可以巨量轉移的Flip-Chip形式的Micro/MiniLED就是很好的解決方案。 目前巨量轉移的效率最低即有200K UPH，單機臺在5天內就可完成4K顯示器的轉移。

　　2.更佳的發(fā)光效率

　　以5×9mil的Face-Up LED為例，Bonding Pad大小為75×75um，發(fā)光面僅剩下60%;晶粒尺寸縮小至4×6mil，發(fā)光面只有25%。 但Flip-Chip形式的Micro/MiniLED發(fā)光面完全不會(huì )受到Bonding Pad遮蔽，所以縮小LED尺寸，提高發(fā)光效率，Micro/MiniLED是唯一的選擇。

　　3.更好的對比度

　　以圖7中P0.75的小點(diǎn)間距LED顯示器為例，最低亮度為0.15nits，最大亮度為3820nits，對比度達25,500：1，滿(mǎn)足HDR10的基本要求。 雖然此小點(diǎn)間距LED顯示器已采用聚積科技的MBI5359，能完整呈現16-bit PWM Resolution，但受限于LED的響應時(shí)間，無(wú)法達到理論值的65,535：1，但其表現已遠勝一般小點(diǎn)間距LED顯示器的6/ 7,000：1。

　　圖7 P0.75 MiniLED Display

　　4.Cross-talk與Coupling

　　Micro/MiniLED為Flipchip，沒(méi)有打線(xiàn)與載板，所以寄生電容亦較3-in-1 SMD LED小許多，所以Passive Matrix下Cross-Talk與Coupling也較輕微(圖8)。

　　圖8 常見(jiàn)之Cross-Talk 與Coupling測試圖案 by P0.75 MiniLED Display

　　5.色域表現

　　波長(cháng)的要求對于LED磊晶是相當大的挑戰，尤其是綠光LED的波長(cháng)半高寬離散度較大，此P0.75 MiniLED Display現階段僅能達到84% BT.2020，或150% BT.709若要更高可能需要求助QD之類(lèi)的Color Conversion技術(shù)。

　　驅動(dòng)IC助MicroLED達到HDR10要求

　　談?wù)摰組icroLED，現今多把注意力集中在巨量轉移技術(shù)開(kāi)發(fā)上，其中包含轉移的速度與良率。 目前薄膜轉移、電磁吸引、流體裝配與雷射轉移等都有廠(chǎng)商在開(kāi)發(fā)。 但轉移后的良率現在只能依賴(lài)光學(xué)檢測儀器(AOI)檢查晶粒是否缺漏、晶粒是否破損、晶粒上件位置是否正確。 即使以上的答案皆是YES，也無(wú)法保證MicroLED能夠正常點(diǎn)亮，因為AOI不能檢查電氣是否有正確對接。 此時(shí)，具有錯誤檢測功能的驅動(dòng)IC顯得相當重要，利用錯誤檢測功能可以檢查L(cháng)ED是否開(kāi)路或短路，并回報偵測結果。 更甚者，LED失效預測功能，可以提供修復未來(lái)短期內即將失效的LED，避免燈面封膠后出現壞點(diǎn)，卻難以修復的憾事發(fā)生，此項功能已獲得美國與臺灣發(fā)明專(zhuān)利。

　　MicroLED被視為次世代顯示器的終極解決方案，目前業(yè)界多把重心放在提升巨量轉移良率與效率上。 但要達到次世代顯示器HDR10要求，從上游磊晶到下游驅動(dòng)IC皆要密切配合。 而MiniLED在室內小點(diǎn)間距產(chǎn)品先行，市場(chǎng)上兩大巨頭Sony和Samsung分別以MicroLED與MiniLED技術(shù)推出CLEDIS與THE WALL兩項重量級產(chǎn)品。 聚積科技也展出P0.75mm的MiniLED箱體，并與特定對象合作，預計2018年底前推出產(chǎn)品面市，相信不久將來(lái)，Micro/MiniLED的世代即將到來(lái)。