小点间距LED显示器要做到高对比度对于驱动IC的规格更严要求

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北京时间09月10日消息，驱动IC为要角 MicroLED实现高对比度；MicroLED的一大特色为能够做到更高对比度、高显色的性能表现，而符合HDR10则可以确保呈现更多颜色和细节。 在小点间距LED若要做到高对比度表现，则对于驱动IC的规格有更严格的要求。

标准动态范围(Standard Dynamic Range, SDR)是现行影像的播放标准，很不幸地SDR的规格并无法忠实呈现人眼所能看到的每一种颜色。 所以有了高动态范围(High Dynamic Range, HRD)规格的产生。

早在2014年的消费电子展(Consumer Electronics Show, CES)会上，杜比实验室(Dolby Laboratories)就展出了Dolby Vision技术规格。 但因Dolby Vision为封闭规格，且每生产一台Dolby Vision兼容的电视就必须付出3美元的专利费。 于是三星(Samsung)、索尼(Sony)、乐金(LG)等家电大厂都希望能有一个比Dolby更开放的平台，节约支付给Dolby专利费，又毋须增加一个提交认证的流程来削弱对于自身产品的控制权， 因此他们开始开发自己的对于HDR影音的方案，最终进化成一个标准--HDR10(表1)。 

图1为一相同的小点间距LED，左侧以14-bit Gamma显示SDR画面，右侧以16-bit Gamma显示HDR画面，两者的视觉刷新率皆是3840Hz(4KHz)。 简而言之，将SDR与HDR放在一起比较，HDR可以让你看到更多颜色和细节。

将HDR的基本要求转换成小点间距LED驱动IC的规格要求，将可得到如图2所示。 下文中，自分辨率开始，顺时针方向逐一解说。 

图1 SDR vs. HD

图2 HDR规格与驱动IC规格转化

分辨率与分辨率
在相同的显示面积中，越高的分辨率即代表更高的像素密度或更小的点间距。 在传统的驱动架构中，如图3所示的P0.992的小点间距LED，可分为三大部份：①是定电流驱动IC；②是电源切换开关；③是其他逻辑IC。 从图3中可以发现电路板的布局已经相当紧凑，若要再进一层次提高分辨率，明显地，我们需要新的驱动架构，并且封装尺寸也须要随之缩小或采用WLCSP或COB等不同封形式。 

图3 点间距P0.992 LED灯板

为了解决上述问题，所以有了将定电流，电源开关和逻辑IC整合在一起的高整合型的驱动IC，图4则是使用高整合型的驱动IC的P0.9375 LED灯板。 显而易见的，在电路布局上与传统驱动架构宽松许多。 且将封装从一般的SSOP或QFN类型改为下方出脚的BGA，以争取在有限面积下有更多的出脚数，以驱动更多的LED。 此类型的IC约可支持到最小P0.55点间距的小点间距LED。 

图4 点间距P0.9375 LED灯板

视觉刷新率与换帧率
主动驱动(Passive Matrix, PM)架构，利用视觉暂留达成连续画面效果。 当换帧率提高，对于视觉刷新率的要求也会提高，需要更快的频率协助完成。 然而Gamma Table的灰阶数与视觉刷新率呈反比，相同的灰阶频率下，越高灰阶数的视觉刷新率越低。 在下一段落中，再深入探讨论灰阶频率这个主题。

动态范围与对比度
HDR10的对比表现少则20,000：1；多则高达100,000：1，受限于灰阶频率的快慢，行扫数与PWM灰阶数呈反比，32行扫下，最高PWM Resolution是14-bit。 此时理论对比值仅16,383：1，未能满足HDR10要求。 新世代的小点间距LED专用的驱动IC应采用内振灰阶频率设计，一举突破传统PCB布局上时钟频率33MHz的限制，至少将PWM Resolution提高至16-bit，此时的理论对比度是65,535：1。

色域空间与LED波长
在CIE1931坐标图上画出BT.709、BT.2020，可以得到图5。 SDR定义的色域空间为BT.709(REC.709)，占了CIE1931色域空间的35.6%；HDR定义的色域空间为BT.2020(REC.2020)，占了CIE1931色域空间的75.8%， 即BT.2020定义的色域空间为212.9%的BT.709。 将BT.2020在R/G/B三原色的波长拿出来看，分别为红光630nm、绿光532nm、蓝光467nm，对于目前LED磊晶技术，因绿光波长的半宽波长离散度较大，目前的显示设备不容易达成BT.2020。 转换至LED驱动IC，就显得小电流(通常小于500μA)精度控制的重要性，因为LED波长会随着电流大小漂移，定电流误差量多要求小于±1.5%。

图5 BT.709/BT.2020在CIE1931的覆盖范围

讯号灰阶与PWM Resolution
由于人眼对光的感受并非线性，所以视讯源输入到显示设备输出需要透过Gamma Table转换。 过往视讯源仅8-bit时，14-bit PWM足敷使用，但当视讯源提升至10-bit，甚至12-bit时，就需求更高的PWM Resolution，才能将细节显示得更清楚。 图6即为14-bit和16-bit PWM Resolution的比较，可以清楚得看出，16-bit PWM Resolution在低灰度部份能够显示更多细节。 

图6 14-bit与16-bit PWM Resolution比较

以小点间距LED为例，Micro/MiniLED相较于传统3-in-1 SMD LED，在HDR10表现又有何胜出之处？ LED结构可分为水平正装(Face-Up)，Substrate在LED晶粒下方，P极/N极的Bonding Pad都在上方，须要打线与载板的Pad连接，传统的SMD 3-in-1多使用这一类LED晶粒。 垂直(Vertical)，红光晶粒多属这一类，P极与N极的Bonding Pad呈垂直排列，一端直接与载板接合，另一端则靠打线与载板相连。 水平倒装(Face-Down/Flip-Chip)，P极/N极的Bonding Pad都在下方，直接与基板接合，不需要打线。 若晶粒尺寸大于100×100μm且Substrate在LED晶粒上方即定义为MiniLED，晶粒尺寸小于100×100μm且没有Substrate即定义为MicroLED。 以下为Micro/MiniLED相较于传统3-in-1 SMD LED的优势所在：

1.点间距微缩，分辨率提高
传统的3-in-1 SMD LED封装体微缩有其极限，且在SMT制程中有容易抛料与漏料的问题。 当分辨率提高，单位面积内的像素密度也提高，代表要贴的LED点数也越多，使用传统SMT机台Pick-n-Place加工方式，假设1片P1.5的灯板打件需要40分钟，点间距微缩成P0.75时，就需要160分钟。 可以巨量转移的Flip-Chip形式的Micro/MiniLED就是很好的解决方案。 目前巨量转移的效率最低即有200K UPH，单机台在5天内就可完成4K的转移。

2.更佳的发光效率
以5×9mil的Face-Up LED为例，Bonding Pad大小为75×75um，发光面仅剩下60%；晶粒尺寸缩小至4×6mil，发光面只有25%。 但Flip-Chip形式的Micro/MiniLED发光面完全不会受到Bonding Pad遮蔽，所以缩小LED尺寸，提高发光效率，Micro/MiniLED是唯一的选择。

3.更好的对比度
以图7中P0.75的小点间距LED为例，最低亮度为0.15nits，最大亮度为3820nits，对比度达25,500：1，满足HDR10的基本要求。 虽然此小点间距LED已采用聚积科技的MBI5359，能完整呈现16-bit PWM Resolution，但受限于LED的响应时间，无法达到理论值的65,535：1，但其表现已远胜一般小点间距LED的6/ 7,000：1。 

图7 P0.75 MiniLED Display

4.Cross-talk与Coupling
Micro/MiniLED为Flipchip，没有打线与载板，所以寄生电容亦较3-in-1 SMD LED小许多，所以Passive Matrix下Cross-Talk与Coupling也较轻微(图8)。 

图8 常见之Cross-Talk 与Coupling测试图案 by P0.75 MiniLED Display

5.色域表现
波长的要求对于LED磊晶是相当大的挑战，尤其是绿光LED的波长半高宽离散度较大，此P0.75 MiniLED Display现阶段仅能达到84% BT.2020，或150% BT.709若要更高可能需要求助QD之类的Color Conversion技术。

驱动IC助MicroLED达到HDR10要求
谈论到MicroLED，现今多把注意力集中在巨量转移技术开发上，其中包含转移的速度与良率。 目前薄膜转移、电磁吸引、流体装配与雷射转移等都有厂商在开发。 但转移后的良率现在只能依赖光学检测仪器(AOI)检查晶粒是否缺漏、晶粒是否破损、晶粒上件位置是否正确。 即使以上的答案皆是YES，也无法保证MicroLED能够正常点亮，因为AOI不能检查电气是否有正确对接。 此时，具有错误检测功能的驱动IC显得相当重要，利用错误检测功能可以检查LED是否开路或短路，并回报侦测结果。 更甚者，LED失效预测功能，可以提供修复未来短期内即将失效的LED，避免灯面封胶后出现坏点，却难以修复的憾事发生，此项功能已获得美国与台湾发明专利。

MicroLED被视为次世代的终极解决方案，目前业界多把重心放在提升巨量转移良率与效率上。 但要达到次世代HDR10要求，从上游磊晶到下游驱动IC皆要密切配合。 而MiniLED在室内小点间距产品先行，市场上两大巨头Sony和Samsung分别以MicroLED与MiniLED技术推出CLEDIS与THE WALL两项重量级产品。 聚积科技也展出P0.75mm的MiniLED箱体，并与特定对象合作，预计2018年底前推出产品面市，相信不久将来，Micro/MiniLED的世代即将到来。