在选择智能手机、PC显示器和智能电视,你优选的条件有哪些?刷新率更快、屏幕更柔性、屏占比更高……屏幕就像一张随时要拿来看的照片,不断被“美颜”。实际上,伴随着芯片技术和软件的发展,只有感官上更好地被看到,才能不辜负这一切的努力。

144Hz、240Hz逐渐步入了主流市场,显示开启了新一轮的高刷新率之战。事实上,除了这项参数,越来越多的极客对于屏占比的需求愈来愈高。

在追求屏占比的过程之中,屏幕“从硬逐渐偏软”,赋予了屏幕更大的折叠、弯曲空间,也为全面屏的道路铺上了一条罗马大道。但在这背后,屏幕封装工艺却如同一只“魔棒”,拥有使手机额头和下巴收紧、屏幕边框变窄的神奇功效。

21ic中国电子网曾报道,上达电子江苏邳州COF项目于9月11日正式投产,而COF封装(卷带式薄膜覆晶)技术长期以来一直被日韩等企业掌握,对于国内来说是一处短板。通过本次投产,填补了国内本土的一处空白,也会为显示行业带来成本上的普惠。

对于大部分工程师来说,或许对这项封装技术并不太熟悉,以下便从技术、优势、生产上讲述COF封装的故事。

屏幕封装技术的“三分天下”

需要引起注意的是,无论是LCD还是OLED屏幕,从来都不只是单纯的一块屏幕。为了让屏幕“点亮”,需要将屏幕连接显示驱动IC、FPC排线。驱动IC主要是控制液晶层电压从而控制每个像素亮度,FPC是充当显示模组和主板的连接载体。

目前主流的屏幕的封装工艺主要有三种,分别为COG、COF、COP。具体来说,有以下特点:

图1:三种封装技术对比

1、COG(Chip On Glass):这是最传统的封装方法之一,技术门槛低、成本低,是屏幕最常用技术。从英文上也可以看出,这种方式的封装是将IC芯片、FPC排线放置在屏幕的背板玻璃上。但由于IC芯片就在LCD的正下方,挤压了相当大部分的屏幕空间,因此不可避免地产生了“下巴”。

2、COF(Chip On Film):实质上来说,相当于COG的升级版,也是现在屏幕转型的关键。主要原理是将显示驱动IC芯片置入柔性的FPC排线中,再利用FPC本身的特性翻折至屏幕下方。具体来说,透过热压合,IC芯片的金凸快(Gold Bump)和软性基板电路上的内引脚(Inner Lead)将进行结合(bonding)。由于IC芯片所占用的空间被释放,所以一般来说至少能够减少1．5毫米的下边框宽度。

3、COP(Chip On Pi):属于边框减少最多的工艺,但需要强调的是这种工艺的前提是应用柔性的OLED屏幕,利用柔性OLED本身的弯曲特性将排线和IC全部弯折至屏幕下方。当然OLED也是分为硬性屏幕和柔性屏幕两种,使用这种技术必须使用COP封装技术+柔性OLED的组合。但本身这项技术仍然还有成本较高、良品率低的缺点。

图2:通过排线和IC减少下巴长度

纵观整个屏幕封装市场,显示屏逐渐从18:9转向19:9和20:9演进,显然更窄的COF和COP更适应未来的窄边框的高占屏比需求。

从市场方面来讲,COG封装技术主要集中在中小型尺寸,COF封装技术主要集中在中大型尺寸,COP封装技术受制于柔性OLED并且也主要集中在中小型尺寸。

为什么江苏上达选择的是COF封装?江苏上达电子总经理沈洪在接受记者采访时表示,屏幕正在由LCD转向OLED,但不论哪一种屏幕都需要COF封装技术。COF封装的优势领域在大尺寸面板,虽然面板一直在革命性发展,但点亮屏幕仍然依托显示驱动IC。反观占比更小的COP封装技术事实上已经超出线路板领域,换言之即将显示驱动IC固定在屏幕上,而不是线路板。

他表示,除了大家都比较关注的手机,COF封装技术90%的出货量和销售市场都集中在大尺寸面板,手机面板占据了上达电子的10%。大尺寸面板在未来拥有8K大尺寸电视、5G和AIoT万互联、汽车屏幕等,智能化时代下人机交互单元都有可能会被赋予大尺寸的屏幕,因此COF封装的未来应用是广阔的。

记者认为,替代COG封装是行业追求更好显示效果的必经之路,而COP封装则依赖面板类型,主要还是适用中小尺寸面板上,在成本和良率上也仍然拥有一定的发展空间。因此大力发展较为成熟的COF封装技术,正是时下AIoT时代爆发的好选择。

COF封装几乎占据LTPS-LCD市场,另外从数据上来看,COF的智能型手机渗透率2018年为16．5%,2019年则达到35%。

从市场上看COF

从工艺上来说,COF分为单层COF和双层COF两种。普遍来说单层COF比双层成本上要低5倍,但一般的机台的精准度无法满足单层COF,对技术要求很高;双层COF拥有更好的解析度,但打两层COF,需要更多bonding(芯片打线及邦定)设备,成本高昂。

产业链数据显示,COF比COG整体单价高出9美金左右,其中COF驱动IC芯片上比COG芯片成本高2-3美金,FPC材料和COF专用的bonding的成本高5-6美金。

根据沈洪的介绍,整个COF市场单纯从COF基板上来说,拥有60-70亿人民币的市场,如果算上COF封测和显示驱动IC的话,大概拥有700-800亿人民币的市场。

但由于这项技术是高端专业化的市场,具有一定技术壁垒和门槛,在设备和研发的投入极大,COF市场呈现出了“马太效应”。此前,规模化生产COF的企业包括韩国Stemco(服务于三星OLED)和LGIT(服务于LG的OLED和LCD)、日本的FLEXCEED(前身为日本新藤电子,服务于LG和夏普的LCD)和中国台湾的颀邦和易华。国内大陆面板产业对于COF封装基板几乎全部依赖进口,其中中国台湾COF产业链针对内地市场多为单层COF基板。

根据沈洪的介绍,上达电子2018年全资收购了FLEXCEED株式会社,通过将日本子公司FLEXCEED的技术转移至江苏子公司,并在此基础上结合产学研自主研发,已具备国际领先的COF封装基板研发、设计和制造能力。将实现全流程“卷对卷”自动化生产。

投产一期采用业内最先进的制程工艺生产8μm等级的单面带COF产品。据了解,上达电子将会拥有业内最先进的单面加成法工艺、双面加成法工艺生产10微米等级的单、双面卷带COF产品。

而这家被收购的日企,则是日本目前唯一的TCP/COF生产厂家,成立于1971年,先后合并日本卡西欧,日立等企业,发展成为世界级COF工厂。沈洪表示,FLEXCEED是一家历史悠久的COF工厂,首先上达电子将会将其专利技术拷贝转移到中国工厂内,之后面对新市场,将结合客户需求在市场上进行升级,并联合高技院校申请自己的专利。

FLEXCEED自成立之初便以自主开发技术为其核心竞争力,所发布专利涵盖高密度超精细线路板生产设备,生产工艺,产品设计等,全面对应最先进的线路板生产技术。当前中国线路板行业线路的线心距水平尚处于80μm级别,而FLEXCEED持有技术已可对应线心距18μm级别。

根据之前的信息可以看出,在2004年上达电子深圳有限公司成立之初,便是是国内位居前列的FPCA专业制造商。COF从整体来讲,本身就是柔性线路板中重要板块之一,因此上达电子在COF上具有得天独厚的优势。

COF的产业链包括基材(Base Material)、COF Film、COF封测(PKG)、IC设计(Design House)和终端面板(panel,SEI),其中上达电子位于COF Filim和COF封测中。在产业链上,上达电子拥有国内半导体显示面板驱动IC产业链中独一无二的上下游关系网。沈洪为记者介绍,COF封测的技术源头在于芯片设计,芯片引导了整个下游产业的技术提升和发展,上达电子也会根据整个产业链在工艺精度、设备升级、材料变更上逐渐跟进前端业务。

沈洪在投产仪式中曾表示,量产线于9月初顺利投产,预计今年10月以后后段制程产能可达750万片/月,2021年3月全制程产能可达1500万片/月,2021年年底全制程产能可达3000万片/月。

需要注意的是,上达电子的COF领域分为显示领域和非显示领域,前者专指DDI(显示驱动)IC封装,后者则代指其他领域包括LED、医疗、工业打印机等。

综上,上达电子在COF上打破了国内的空白。与此同时,也撬动了这一产业链的发展,逐步形成自己的产业规模。

从生产上看COF

COF的工艺流程复杂,需要经历冲孔(Hole Punching)、涂布(Photo resist)、曝光(Exposure)、显影(Development)、蚀刻(Etching)、化锡(Electrolesstin plating)、自动光学检测(AOI)、印刷(SR print)、分切(Slit)、电检(O/S Testing)、自动外观检查(AVI)、出货(Shipping)。

上文也有提及,上达电子实现的是全流程“卷对卷”自动化生产。一般“卷对卷”生产方式针对的是高端显示模组,与这种生产方式相对应的是“片对片”生产方式。所谓“卷对卷”就是采用卷铜箔绷直方式,保障了产品的平整度从而保证了细线路产品生产。“片对片”则相对来说更加容易在产品转移过程中影响产品品质。

江苏上达电子COF具有6个独有优势:最先进的18μm Fine Pitch减成法蚀刻技术、防漏光黑色油墨印刷技术、二次化锡技术对应的20倍高弯折性能、产品稳定良率高的累计公差技术、最精密的18μm Pitch AOI检查技术、全制程设计开发制造技术的技术优势。

图3:COF的工艺流程

COF方案中FPC主要采用PI膜,线宽线距在20μm以下,这种要求之下,FPC减成法已无法满足要求,主要以半加成法、加成法为主。通过介绍得知,上达电子通过设备改良,药液体系升级,工艺精细管控能力提升,实现8μm超精密线路工艺(即18μm线宽距),在实现线路精密化的同时,更进一步提升了COF产品的可靠性要求。

图4:上达电子的超精密细线路技术

值得一提的是,驱动IC在4K、8K的高清显示之下,高速驱动下的功率提升导致驱动IC工作温度上升,散热成为必须解决的问题。达电子开发厚铜(12μm)精细线路技术,与普通的产品相比,其截面积增加50%,有效提升了驱动IC工作时的散热能力。

图5:上达电子的厚铜技术

电子产品在复杂环境下的应用中,可靠性提升成为永恒话题。对产品而言,可靠性越高越好,产品的可靠性越高,其可以无故障工作的时间就越长。

平板显示器在使用中,大多数人会选择使用玻璃清洁剂进行除尘除渍,清洗剂渗入COF会造成油墨腐蚀导致显示功能不良,因此需提高耐化学性。上达电子则应用了新型SR材料提升COF产品的耐化学性。

图6:耐化学性的提升

另一方面,为使边框更窄、产品更轻薄,要求COF折叠至接近死折的状态,因此需要提高耐弯折性。上达电子使用的新型化锡技术,弯折区域SR下闪镀锡厚非常薄,其弯折性能接近无锡状态下的纯铜结构,以此获得高耐弯折性。

图7:耐弯折性的提升

记者参观上达电子产线后发现,充分感受到了上达电子产线的智能化。通过介绍得知,产线设备利用大数据互连,智能化程度高,可实现核心工艺参数智能调节,产品品质实时在线监测,是产品技术水平先进性与品质可靠性的核心支撑。

记者认为,通过布局国产化的COF Film和COF封测,产业空白被填补,COF本身的成本问题将得到一定解决。而通过产业的不断研发和升级,这一产业链配套产品也将逐渐转向自研。