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2021电子元器件Micro led行业研究报告

文琳行业研究 | 致力于行业及产业研究 2021/11/26 09:43

来源: 安信证券,马良


1. Micro LED 是未来最具潜力的新型显示技术

1.1. Micro LED 和 Mini LED 核心区别不只是尺寸

Micro LED,又称为 mLED 或μLED,是一种基于微型发光二极管(LED)的新型自发光显示 技术。业内不同公司对 Micro LED 的定义不同,PlayNitride 和 Sony 公司定义 LED 芯片尺 寸小于 50μm,或发光区域小于 0.003mm²称之为 Micro LED,介于普通 LED 和 Micro LED 之间的称之为 Mini LED。

LEDinside 曾经定义 100μm 作为 Micro LED 及 Mini LED 尺寸的分界,即 100μm 以上的为 Mini LED,小于 100μm 的则是 Micro LED。随着相关技术的持续进展,厂商已经能够制造 出尺寸小于 100μm 但仍带有蓝宝石衬底的 Mini LED 芯片。

蓝宝石 Micro LED 的主流衬底材料,但是蓝宝石衬底的不导电性、差异热性会影响 Micro LED 器件的发光效率,且脆性蓝宝石不利于 Micro LED 在柔性显示方向的运用,所以要生产高分辨率、高亮度、高对比度、微尺寸的 Micro LED 芯片,剥离蓝宝石衬底是必要环节。


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有业内厂商定义更严格,认为无蓝宝石衬底,且尺寸至少在 50μm 为 Micro LED, 50μm-250μm 之间的为 Mini LED。

1.2. Micro LED 是最具潜力的显示技术,未来应用空间巨大

TFT-LCD 显示是最成熟,且应用最广泛的显示技术。 LCD 是一种于薄膜晶体管(TFT)驱 动的有源矩阵液晶平板显示器,它主要原理是以电流刺激液晶分子构成画面,结合背光源和 滤光片来显示颜色,经过二十多年发展,目前主流显示屏包括 TV、显示器、平板、手机等均主要采用 TFT-LCD 技术生产。

小尺寸 OLED 面板成本已接近同尺寸 LCD,在手机屏幕中获得广泛应用。 OLED 指有机发 光二极管,具备自发光、响应快的特点,与 LCD 相比 OLED 节省了背光源、液晶和彩色滤 光片等结构,可实现超薄屏和柔性屏。OLED 显示根据驱动方式的不同,分为无源驱动 OLED (PMOLED)和有源驱动 OLED(AMOLED)两类,其中 AMOLED 具有反应速度快、对比 度更高、视角较广的特点,应用领域更为广阔。

根据 PIDA 数据,早在 2020 年一季度,5.75 英寸的 OLED 面板就已经控制在 15-18 美元左 右,与同尺寸 LCD 面板成本基本相同,因此 OLED 屏在在手机领域中逐步提高渗透率。


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2017 年 iPhone X 采用 OLED 屏幕之后正式揭开手机产业屏幕技术的变革,目前 AMOLED 在智能手机领域的应用已逐渐成为主流,尤其是在主流品牌的高端机型领域,如苹果 iPhone X,华为 P40 Pro,OPPO R17 Pro,小米 Mi10 等。

据 OMDIA 数据显示,2020 年全球显示面板市场约 1060 亿美元,其中 AMOLED 显示面板 市场规模达到 292 亿美元,占比 27.5%,而在手机领域,由于手机品牌客户仍积极采用 AMOLED 面板,AMOLED 机种渗透率有望持续提升。


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此外 AMOLED 在可穿戴设备、笔记本电脑、车载等领域的市场也在不断拓展。OPPO 2020 年发布 OPPO Watch 应用双曲面柔性 AMOLED,惠普于 2019 年发布 15 英寸 OLED 屏笔 记本电脑。

大尺寸 OLED 屏幕成本高昂,使用寿命也相较 LCD 屏幕短,在家用 TV 和显示屏领域应用 受限。 OLED 基于有机发光二极管技术,面板内的有机分子寿命会随着时间出现衰减,通常 OLED 寿命为 5000 小时,而 LCD 至少 10000 小时,家用显示设备对使用寿命要求较高。且与同尺寸 LCD 面板相比,大尺寸 OLED 面板价格高昂。根据 OMIDA 数据,2020 年 12 月 55 英寸 4K OLED 面板价格为 510 美元,相同尺寸和分辨率的 LCD 面板价格仅为 178 美 元。


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同样在终端市场可以看到,OLED 电视售价普遍超过 1 万元,比同品牌同尺寸电视价格高近 1 倍,目前 OLED 在家用 TV 和显示屏领域尚未得到大批量应用。

Micro LED 显示具有自发光、高效率、低功耗、高稳定等特性,是下一代主流显示技术的重 要选择,在众多领域均有替代现有技术的潜力。 Micro LED 阵列可以达到超高密度像素并具 备自发光的特性,相比 OLED 和 LCD 有更高的发光效率、更长的寿命和更高的亮度,同时 具备轻薄、省电荷全天候使用的优势,在显示领域将获得广泛应用。

小尺寸穿戴显示, 主流穿戴式电子设备主要包括智能手环和手表,要求其显示屏在室内外各 种环境下都能可靠显示,并能在电池供电的情况下长时间工作,屏幕要求亮度高、功耗低、重量轻。较小的屏体尺寸(1 英寸-1.7 英寸)有助于减少 Micro LED 的工艺成本,因此智能 手表是最容易突破的细分市场,厂商可以先从该领域积累经验、改进技术。

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VR/AR 近眼显示, 目前主要采用 LCoS(硅上液晶)和 OLEDoS(硅上有机发光)两种微型 显示技术,LCoS 采用被动发光技术,发光效率较低,功耗较大,且像素点亮响应时间较长, 容易有拖影现象,OLEDoS 在像素密度、全彩化、响应速度各方面都可满足近眼显示要求, 但在 AR 场景中,尤其户外光照强度比较大的条件下,Micro LED 具有更高的亮度,可与环 境光竞争,且寿命远大于 OLEDoS,具有替代现有显示技术的可能。

手机和平板电脑显示, 目前主流手机采用的屏幕主要可归类为 LCD 与 OLED,平板电脑基 本上还是采用 LCD,从显示画质的亮度、对比度、色域、清晰度,到功耗、寿命等各方面都 有替代现有技术的潜力。

电视显示, 在 TV 应用领域 pitch 间距通常为 0.1mm-1.0mm 之间,以 TCL 65 寸 4K 超高清 电视为例,分辨率为 3840*2160,pitch 约为 0.3 左右 .0-p2.5

之间,通常应用于公共服务、政府部门、户外显示等领域,小间距灯珠尺寸还难以达到家用 程度,业内通常认为 pitch 小于 0.5mm 时才有机会推广至家用电视,对应的芯片无疑是 Micro LED 范畴。据 Yole 数据,2019 年全球电视销量约为 2.8 亿台,家用电视市场销量基本保持 平稳,但价值在于高端大型电视,高价电视销量占 8%,但收入占 40%。Micro LED 预计先 从“豪华电视”切入,然后逐步进入高端市场。

2. Micro LED 商用尚有重重困难,巨量转移技术是最关键的一环

现阶段 Micro LED 还有许多技术瓶颈有待突破,如芯片制造、巨量转移、检测修复等,这也 是目前 Micro LED 出货量低、售价高昂原因。

芯片制造, 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。

巨量转移, 芯片制造完成后需要将微米级的晶粒转移到驱动电路基底上,无论是 TV 屏还是 手机屏转移数量相当巨大,并且显示产品对于像素错误的容忍度极低。例如要制造少于 5 个 像素坏点的全彩 1920*1080 显示屏,良率必须达到 99.9999%,这是现有工艺很难达到。

检测修复, 由于 Micro LED 尺寸极小,传统测试设备难以使用,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,同样通过检测技术挑出缺陷晶粒后,如何替换坏点 也是一项不可或缺的技术。

2.1. Micro LED 巨量转移需要全新的技术来达到至少数十 KK 级转移效率,传统 LED 转移技术无法满足

一般“巨量转移”用在 Micro LED 场景,而非 Mini LED 场景。 在完成微米级 Micro LED 晶 粒制作后,要把数百万甚至数千万颗微米级的 LED 晶粒正确且有效率地移动到电路基板上 的过程称之为“巨量转移”。以 4K 电视为例,4K 通常指 4096x2160 分辨率,假设每像素点 为三个 R/G/B 晶粒,制作一台 4K 电视需要转移的晶粒高达 2600 万颗,即使每次转移 1 万 颗,也需要重复 2400 次。通常传统的 LED 转移设备速度最高在数十颗/秒,无法满足 Micro LED 量产化的需求。

巨量转移技术是 Micro LED 量产化应用的关键一步,目前还存在许多问题。

(1)Micro-LED 芯片需要进行多次转移(至少需要从蓝宝石衬底→临时衬底→新衬底),且 每次转移芯片量非常大,对转移工艺的稳定性和精确度要求非常高。

(2)对于 R/G/B 全彩显示而言,由于每一种工艺只能生产一种颜色的芯片,故需要将红/ 绿/蓝芯片分别进行转移,需要非常精准的工艺进行芯片的定位,极大的增加了转移的工艺难 度。

(3)Micro-LED 的厚度仅为几微米,将其精确地放臵在目标衬底上的难度非常高,芯片尺 寸及间距都很小,要将芯片连上电路也是一个挑战。

目前“巨量转移”问题尚未得到有效解决,导致 Micro LED 直显设备成本居高不下,业内已 经开始攻克该技术难题。

2.2. 巨量转移技术突破后将有广阔的设备市场空间

业界目前对于芯片巨量转移主要有以下几种方式:

静电力吸附转移方式: 原理主要是利用静电力来控制内外电极电压差,实现对晶粒的吸附和 转移。静电力采用具有双级结构的转移头,转移头被介电层对半分离呈一对 Si 电极。拾取晶 粒阶段,在吸附转移头和芯片上产生不同电荷,利用异性相吸的原理将晶粒吸附拾取。放臵晶粒阶段,通过调节电极电压差,同性电荷相斥,把晶粒放到既定位臵完成转移。在转移过 程中要求被吸取的微型晶粒衬底平整度必须精确控制,以免造成无效的抓取动作,降低良率。


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流体装配转移技术: 原理是将芯片分装在流体内,通过控制流体的流动,利用流体的流力和 重力作用,将其中的 Micro LED 芯片颗粒捕获并放臵到衬底上的对应井中。流体组装技术仅 需在 Micro LED 芯片上做特殊设计,芯片即可精准对位。

2021 年 4 月 19 日,eLux在官方网站上宣布通过流体组装技术已生产出 12.3 英寸 microLED 显示器,自然产率为 99.987%。显示器由 581,400 个 GaN microLED 在 10 分钟内组装而成, 组装速度为每小时 310 万颗,即 3.1KK/时。其中有 34 个失效颗粒,33 个可用激光修复, 修复缺陷率接近百万分之一。与最常见的取放及激光转移方案相比,流体组装技术耗材使用 较少、成本较低,在转移设备和转移过程中,流体组装设备不需要精密的对位控制,因此成 本相对低廉。

eLux 成立于 2016 年 10 月 13 日,从美国夏普实验室分拆出来,目标是开发基于 micro led 技术的大尺寸直显显示器。2017 年 5 月下旬,鸿海精密和夏普公司联合 CyberNet Venture Capital、群创光电和先进光电宣布投资 eLux。

弹性印模转移技术: 原理是先处理 Micro LED 芯片衬底,使其只通过锚点和断裂链固定在基 底上,然后利用聚二甲基硅氧烷作为转移膜材料制作弹性印模。弹性印模与芯片通过范德华 力结合,断裂链发生断裂,所有芯片按原来的阵列排布被转移到弹性体上面,通过调整印模 与芯片之间的黏着性,完成释放动作。要求精准控制各个阶段粘力大小,且印模必须表面度 极为平坦,才不影响转移的良率和精度。

2021 年 1 月 28 日,美国 Micro LED 显示技术开发商 X Display Company 在官网宣布 2020 年底在美国安装全球首个基于弹性印模转移技术的巨量转移设备,并将在 2021 年供应更多 巨量转移工具。XDC 是由巨量转移技术厂商 X-Celeprint 在 2019 年分拆出来的公司,拥有 Micro LED 巨量转移技术的 IP 和制造能力,并与达科、隆科等全球多家显示行业厂商签署技 术许可协议,加速 Micro LED 商用化进程。

选择性释放转移技术: 选择性释放转移技术跳过拾取和释放的环节,直接从原有的衬底上将 LED 进行转移。目前实现方式通常是通过高能量脉冲激光透过镀有材料薄膜的基底,聚焦到 基底与材料薄膜的交界面上,使薄膜被加热至熔融状态,基底上的芯片即可转移沉积到与之 平行放臵的受体上。该转移技术需要精准控制激光的功率和分辨率,才能不影响芯片性能并 达到产品良率。

德国激光微加工系统厂商 3D-Micromac 推出新型 micro CETI 巨量转移平台,根据其白皮书 显示,micro CETI 设备科支持小于 2μm 精度,每小时颗转移 1.3 亿颗Micro LED 芯片,即 效率为 130KK/小时,而机械转移受限于拾取/放臵的速度和精度。

2021 年 3 月 17 日慕尼黑上海光博会期间,Coherent 相干公司推出基于激光 LIFT 转移技术 的 MicroLED 巨量转移解决方案,据公司公布转移速度高达每秒数万颗,即数十 KK/小时, 并可实现 2μm 间距的高精准加工。

滚轴转印转移技术: 利用带有计算机接口的滚轮系统,反馈模块包含两个负载传感器和两个 Z 轴执行器,滚轮系统通过两个显微镜保持精确对准,通过反馈模块精准控制,将 Micro LED 转印至接收衬底上。

3D-Micromac 认为激光转移方式效率最高,是其它几种巨量转移技术效率的数倍。


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国内 LED 小间距龙头利亚德 2021 年 4 月 6 日在互动易平台披露,公司 Micro LED 巨量转 移效率 1000 颗/秒,即 3.6KK/小时,良率 98.9%。

Micro LED 显示设备芯片需求量极速增多,巨量转移设备将是一个广阔的市场。 虽巨量转移 技术在不断取得进展,但离实际大规模应用尚有相当距离。若巨量转移技术取得突破,将带 来一个广阔的转移设备市场。因 Micro LED 尚在技术攻关阶段,暂以智能手机市场为例做假设预估。

2.3. Mini LED 背光不仅仅是过渡性方案,仍有很长的发展周期

在技术原理上,Mini LED 背光与传统 LED 背光没有本质区别,只是背光 LED 灯珠尺寸缩小、 动态分区增多,也因此实现难度和成本远低于 Micro LED。根据 LEDinside 估算,相同对比 度条件下,采用 Mini LED 背光的液晶面板价格仅约为 OLED 面板的 70-80%,而液晶画面 显示效果却能大幅提升,且保留了 LCD 技术高亮度、长寿命的优点。

苹果发布基于 Mini LED 背光显示技术的 12.9 英寸 iPad Pro,推动 Mini LED 背光技术商业 化进程。 苹果于 2021 年 4 月发布的 12.9 英寸 iPad Pro,采用 2500 个分区,超过 1 万颗 Mini LED 灯珠,各大显示厂商纷纷发布 Mini LED 背光产品。

2.4. Mini LED 技术的深入应用将大幅提升现有转移设备市场空间

Mini LED 背光产品使用的芯片数量远小于 Micro LED,目前市面上 Mini LED 背光产品通常 从数百分区到数千分区,所使用的晶粒数量为千级或万级,如苹果 2021 款 iPad Pro 12.9 英 寸,2500 个分区,使用 1 万颗左右的 Mini LED 芯片。

技术上通常采用机械式转移方式,通常称之为固晶,即用转移头实现吸取-位移-定位-放臵动 作,将 LED 晶粒从晶片盘吸取后贴转到目标位臵,要求设备具备高速精准运动控制的能力, 一般通过计算机视觉等算法实现高速定位和追踪纠偏。

市面上针对 Mini LED 的转移设备单台效率在数十颗/秒,转移 1 万颗晶粒仅需几分钟。 2020 年 7 月 8 日,新加坡半导体封装设备厂商 K&S 接受 LEDInside 专访,宣布和 Rohinni 联手 开发的 Mini LED 转移设备 PIXALUX 每秒能够转移 50 颗 LED 晶粒,并能达到 10-15μm 的 精准度。

2021 年 1 月 11 日,美国 Rohinni 公司宣布 Mini LED 转移技术获得突破,基于其新焊头技 术转移速度达到 100 次/秒,并可实现 99.999%以上放臵良率。

据公司招股书披露,国内 LED 固晶机龙头新益昌 Mini LED 转移设备已进入三星等显示大厂 应用认证,据公司在 2021 年 6 月投资者关系活动记录表披露,公司 Mini LED 六联体固晶设 备转移效率为 120K/小时。

Mini LED 直显屏对芯片和转移的需求量巨大,目前背光应用在苹果、三星、TCL、华为等品 牌商的引领下起量在即,我们仅对背光应用进行测算即可看到 Mini LED 背光产品为转移设 备打开了新的增量市场。依据苹果 iPad Pro 12.9 英寸,2500 分区,使用 1 万颗 Mini LED 芯片,华为智慧屏 V75 Super 采用 46080 颗 Mini LED 芯片,2880 个物理背光分区。我们 假设 Mini LED 背光 TV 的平均 LED 芯片用量 25000 颗,笔电 15000 颗,平板 10000 颗。

3. 重点公司分析

3.1. 新益昌

国内 LED 固晶转移设备龙头,业绩稳步增长。 “高工 LED 和 GGII 在调研中就新益 昌相关固晶机的市场占有率做了初步统计,数据显示,截至目前,新益昌在固晶机市场的占 有率已经超过 70%,客户普及率也已超过 9 成。”公司 2018 年至 2020 年营业收入 6.98 亿 元、6.55 亿元、7.04 亿元,2021 上半年营业收入 4.94 亿,业绩稳步增长。2021 年 4 月 21 日,苹果发布搭载 Mini LED 的 iPad Pro,Mini LED 需求释放加速,为公司业绩注入新动力。


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多点布局,半导体+超级电容市场广阔。 公司持续自研创新,成功切入超级电容、半导体固 晶、锂电池设备制造等领域,2018 年至 2020 年超级电容器老化测试设备销售收入为 83.76 万元,150.00 万元及 536.28 万元,半导体固晶机销售收入为 171.63 万元,2268.21 万元, 2170 万元,锂电池制片卷绕设备销售收入为 110.34 万元,800.04 万元,1853.99 万元,公 司新产品销售额快速增长,为未来发展打开新的空间。

“产品优势+客户优势”明显,在手订单饱满,直接受益产业发展。 根据公司公告,公司 Mini LED 固晶机进入三星等显示大厂应用验证,截至 2020 年 12 月 31 日 Mini LED 固晶机在手 订单合同总金额 4731.9 万元,产品竞争力明显。公司深耕行业多年,LED 领域,公司客户 包括三安光电、国星光电、东山精密、兆驰股份、三安光电、华天科技、鸿利智汇、瑞丰光 电、雷曼光电、厦门信达、晶台股份等知名公司,并与国际知名厂商 SAMSUNG、亿光电子 等保持良好合作;电容器领域,公司的客户涵盖了艾华集团、江海股份等知名公司;在半导 体设备领域,公司的客户包括晶导微、灿瑞科技、扬杰科技、通富微、固锝电子等知名公司。截至 2020 年 12 月末,公司已发出未验收产品的账面余额为 20,876.45 万元,已签合同尚未 发货的在手订单不含税销售额为 33,429.11 万元;此外,公司于 2021 年 1 月-2021 年 2 月 累计新签署订单的不含税销售价值为 31,746.34 万元,为 2021 年收入提供充分保障。

3.2. 三安光电

国内 LED 行业芯片外延片龙头,大力投入 Mini LED & Micro LED。 2019 年公司拟计划投 资 120 亿元在湖北葛店建设 Mini LED & Micro LED 产业园,据公司 2020 年公告披露,湖北 产业园完成基建,设备陆续进场,有望逐步释放产能。公司与三星持续保持深度合作,并与 华星合作建立 Micro LED 实验室。2021 年一季度公司营业总收入 27.1 亿,同比增长61.6%, 归母净利润 5.56 亿,同比增长 42.1%。


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投巨资切入第三代化合物半导体领域,国产替代空间巨大。 公司 2015 年投入 30 亿成立三安 集成,切入微波射频、高功率电力电子、光通讯等化合物半导体业务。该领域国内目前主要 应商为恩智浦、英飞凌、科锐、罗姆等国际巨头,公司 2017 年计划总投资 333 亿建立泉州 三安半导体扩产产能,2020 年计划总投资 160 亿建立湖南长沙 SiC 产业园。2018 年至2020 年,三安集成收入分别为 1.71 亿、2.41 亿、9.74 亿,2021 上半年度 10.16 亿,收入快速增长。

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