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科普 | 华为首款OLED驱动IC试产完成!一文帮你解读何为OLED DDIC......

发布人:旺材芯片时间:2021-07-26来源:工程师
7月19日消息,华为海思首款 OLED 驱动芯片目前已经进入试产阶段。该芯片预计今年年底就可以正式向供应商交付,华为旗下的产品也有望采用。华为海思这款柔性 OLED 芯片采用 40nm 制程工艺,计划明年上半年量产,样品已经送给京东方、华为、荣耀测试。

但7月22日有消息称,华为海思正加紧开发的 OLED 显示驱动IC (DDI)在获取40/28nm 工艺制造和封测产能以及高端芯片测试支持面临困难。
一、什么是OLED DDIC
显示驱动芯片(Display Driver Integrated Circuit,简称DDIC)的主要功能是控制OLED显示面板。它需要配合OLED显示屏实现轻薄、弹性和可折叠,并提供广色域和高保真的显示信号。同时,OLED要求实现比LCD更低的功耗,以实现更高续航。DDIC通过电信号驱动显示面板,传递视频数据。DDIC的位置根据PMOLED或AMOLED有所区分(PM和AM的区分见下文详述):

  • 如果是PMOLED,DDIC同时向面板的水平端口和垂直端口输入电流,像素点会在电流激励下点亮,且可通过控制电流大小来控制亮度。
  • 至于AMOLED,每一个像素对应着TFT层(Thin Film Transistor)和数据存储电容,其可以控制每一个像素的灰度,这种方式实现了低功耗和延长寿命。DDIC通过TFT来控制每一个像素。每一个像素由多个子像素组成,来代表RGB三原色(R红色,G绿色,B蓝色)。这些子像素是直接由TFT控制的。所以,TFT扮演了子像素的“开关”(实现颜色控制),而DDIC扮演了“交通灯”指挥“开关”如何运行。

我们之前讲过,现代显示器的像素的变化是靠TFT来操纵的,具体说是TFT上面的一个一个的像素的电压的值(或者是On状态的时间占空比),但是信息不是一下子以二维的形式传送到TFT的所有像素上的,而是以扫描的方式按照一定的时间节奏一个一个的传输的。负责扫描的些芯片就是DDIC,有负责横向的,也有负责纵向的。负责横向工作的叫做Gate IC(也叫Row IC),负责纵向工作的叫做Source IC(也叫Column IC)。具体扫描方式见下文详述。 
下图是三星电视的主DDI芯片。OLED的DDI和LCD的还不一样,尤其是大屏电视的OLED DDIC。因为LTPS(Low Temperature Poly-Silicon,简称为p-Si)材质的不均一,屏幕越大,信号到达TFT各个角落的时间的差异就越大,那么画面就会出现意想不到的撕裂的现象。所以先进的OLED DDI里面可以储存一张自己驱动的TFT的不均一性的照片,然后根据具体的不均一性的情况来对信号进行调整。另外还需要有一个负责分配任务给它们的芯片,叫做Timing Controller,简称T-CON。一般情况下,T-CON是显示器里面最复杂的芯片,也可以看做是显示器的“CPU"。它主要负责分析从主机传来的信号,并拆解、转化为Source/Gate IC可以理解的信号,再分配给Source/Gate去执行,T-CON具有这种功能是因为T-CON具有Source/Gate没有的控制时间节奏的能力,所以叫Timing Controller。越来越高的分辨率、刷新率和色深都对T-CON的处理能力以及前后各种接口的信息传输能力提出了挑战。二、PMOLED和AMOLED 前文提到,DDI通过扫描的方式驱动显示屏。从上图可以看到,给相应的行和列加上电压就可以点亮相应的像素了。但是问题来了,如果我们想同时点亮2B和5E,给2列、5列以及B行、E行同时加电压的话,会发现连5B和2E也被无辜点亮。为了防止这种情况的发生,我们必须在时间上给予各条线先后顺序的区分。目前选择的是每次处理一条X轴的线,每次只给一条横线加电压,然后再扫描所有Y轴上的值,然后再迅速处理下一条线,只要我们切换的速度够快,因为视觉残留现象,是可以展现出一幅完整的画面的。这种方式叫做Passive Matrix。然后这样的方式的最大的缺点就是,除非我们每条线切换的速度超级无地块,否则,实际上每条线可以分到的有电压的时间是非常短的,一旦电压移到下一条线上,原来这条线上的像素就全都暗下去了,整体画面给人的感觉是非常暗淡,不明亮的。还有一个问题就是,如果某个像素不该点亮,但是因为它旁边的像素该被点亮,所以相应的X轴被加上了电压,这个像素也会受到旁边像素的一丢丢影响,被点亮一丢丢,结果就是图像的清晰度很不好,图像的边缘会模糊。怎么解决这两个问题呢?像上图右侧这样,在每一个像素上都加一个开关和一个晶体管电容。一旦加上电压,首先这个电容是可以保存能量的,在电压再次回到这一条线的像素上之前,电容会释放自己保存的电压来保持像素的亮度。这样,整体的亮度就会得到大幅提升。其次,每个像素的开关起到一个门槛的作用,这样,如果一个像素被加上电压点亮,给相邻的像素带来一丢丢影响,因为门槛的存在,这一丢丢的影响是不能点亮相邻的像素的。这种方式就做做Active Matrix(AMOLED的AM就是Active Matrix的缩写)。AM的好处当然是大大的,但是这样的成本就是TFT的结构变得更加复杂,1080P的分辨率就不仅仅是600多万个电气元件了,像OLED那种每个像素需要至少五、六个晶体管的,岂不是最少也要3000多万个晶体管?如果是4K分辨率呢?好酸爽啊~好在我们人类是很聪明的,我们可以用一种类似于洗照片的“光刻”技术来制造出非常精密的电路来,而且我们还能结合一种叫“蒸镀”的方式,在透明的材料上画出这些复杂的电器元件和电路,好像神笔马良一样,神乎其技。三、DDIC的封装形式自从三星在2013年首次推出曲面屏(Curved Display),柔性显示屏技术迅速发展。大体上,显示屏分两类,即硬质显示屏和柔性显示屏。硬质显示屏使用硬质玻璃作为基板,而柔性屏使用一种塑料(polyimide,聚酰亚胺,简称PI,有机高分子材料)作为基板,具有可弯曲、可折叠、可卷曲的性能。一些高端智能手机在屏幕边缘弯折,提升了质感,就是归功于这种材料。随着柔性屏发展,为了提高屏占比(screen to body ratio),DDIC的COF(chip on film)封装技术应运而生。传统的LCD液晶显示模组的结构图如下图所示: 图中,红色虚线之间的区域就是我们所说的显示区域,也就是屏幕发亮的区域,红色虚线之外的部分就是我们常说的上border(额头)和下border(下巴)以及左右边框(图中未体现)。其中,上border和左右边框的预留宽度主要用于整个液晶显示模组与手机前壳贴合部分的点胶,这个宽度大概在2-3mm左右。但是,下border部分除了给点胶预留的宽度外,还有我们屏幕的驱动IC和FPC排线(FPC排线通过bonding和TFT Array连接),驱动IC主要用于控制液晶层的电压,从而控制屏幕每一个pixel的亮度,而FPC主要就是将液晶显示模组和手机主板连接起来。这个部分决定了手机的下巴有多厚。上图显示的液晶显示模组采用的封装技术就是我们说的COG封装。TFT薄膜晶体电路是有一个TFT substrate作为基材的,在COG封装中,这个基材通常是玻璃材料,不可弯折的,这也就是COG封装的LCM模组下巴厚的原因。那么在COF封装中,TFT薄膜晶体电路的基材也是玻璃,但是与COG不一样的是,驱动电路集成到了FPC软板上,所以下border部分只需要预留出一个bonding的区域给FPC和TFT连接,这样能将下border的厚度减少1.5mm左右,如下图所示。目前,各大厂商的非旗舰安卓机基本都是采用COF封装形式。 而对于COP封装,只能采用OLED屏幕,因为在OLED屏幕中,ITO的基材可以是玻璃,也可以是一种可弯折塑料。如果基材是塑料的话,可以将连接FPC和驱动IC的基材部分实现弯折,从而只需要预留出点胶区域的宽度就行,这种情况下,下border能做到更薄,这也就是为什么IPhone X的下巴可以做到那么窄。COP封装在OLED屏幕中实现的原理如下图所示: 在遥远的未来,随着TFT本身半导体密度的增加,有可能实现把DDI整体直接做成TFT的一部分,而不是使用单独的芯片来完成这个任务,当然,因为TFT的物理材质比不上一般IC的单晶硅优秀,所以计算能力上肯定有巨大的差距,但是随着IGZO等优秀的新型材料的不断产生,甚至未来可能会出现单晶硅TFT,那么进一步发展在TFT里面加入更多的IC功能,最终实现以屏幕为中心的计算也是非常有可能的。然而,在那之前,可能更现实的是在DDI中集合更多的IC功能,或者反过来说把DDI功能集合到其他IC中去。目前来说,DDI与触屏控制之间的融合趋势很明显,所以很多触屏芯片公司和DDI公司都在试图通过收购并购来进入对方的领域实现整合。比如触屏芯片与指纹识别芯片厂商Synaptics在2016年收购了DDI厂商Renesas。这种综合了各种功能的DDI叫做TDDI(Touch and Display Driver IC,或者是Touch and Display Driver Integration)。四、国内OLED驱动芯片DDIC企业概况国内做显示驱动芯片的玩家主要有中颖电子(子公司芯颖)、格科微、集创北方、新相微电子、晶门科技、云英谷、吉迪思、晟合微、奕斯伟等芯片厂商,纷纷开始加紧布局。中颖电子早在2015年就与和辉光电合作开发了AMOLED驱动芯片,实现了首个AMOLED国内量产产业链合作。芯颖科技有限公司于2016年由中颖电子投资成立,前身是中颖电子股份有限公司下属的显示屏驱动芯片研发团队,始终专注从事显示屏驱动芯片的研发和设计。从2000年开始,就以接受委托研发的方式,开发了多颗STN和TFT液晶显示屏驱动芯片;2004至2016年间陆续为昆山维信诺、铼宝、智晶、信利设计推出多颗PM-OLED显示屏驱动芯片;芯颖科技的研发团队在2011年就展开AMOLED显示驱动芯片设计,并于2013年陆续展开HD、FHD硬屏AMOLED显示驱动芯片, 于2014年12月开始量产。2011年至2016年又为和辉光电、京东方等一线大厂定制化研发了多颗AMOLED显示屏驱动芯片。同时,芯颖科技已实现AMOLED手机面板驱动芯片量产,也是全球主要的PMOLED驱动芯片供货商之一。格科微的主营业务为CMOS图像传感器和显示驱动芯片的研发、设计和销售。根据Frost&Sullivan研究数据显示,以2019年出货量口径计算,公司在全球市场的CMOS图像传感器供应商中排名第二,在中国市场的LCD显示驱动芯片供应商中排名第二。除了被业界所熟知的CIS业务外,格科微显示驱动业务也推动了公司的发展。据其招股书显示,显示驱动芯片产品采用了自主研发的无外部元器件设计、图像压缩算法等一系列核心技术,能够显著减少显示屏模组所用的外部元器件数量,缩小芯片面积,性价比优势突出。同时,发行人独创的COF-Like设计以更低的成本实现了帧率和屏占比的同步提升。目前,发行人正在积极进行TDDI芯片、AMOLED驱动芯片等产品的研发与相关技术储备,未来将实现产品线的进一步拓展。2016年11月,集创北方并购了Exar旗下电源管理IC设计公司iML,与iML完成整合之后,集创北方在面板显示领域的解决方案组合将进一步丰富。十二年来,集创一直围绕显示类IC深耕,LED显示类IC集创已经稳居市场第一,显示类电源在国内面板厂位列前茅,从去年开始,TV、Monitor等大尺寸显示驱动IC逐步上量,今年在TDDI突破品牌客户,下半年爆发式成长。集创北方围绕显示类的布局已十分的完整和扎实,过去十二年的长期投入和努力逐步进入收获期。放眼未来,新的技术和方向集创北方也在持续投入和跟进,针对硅基OLED、Micro LED等下一代显示方向,公司也提前进行了布局。新相微电子(上海)有限公司2005年创建,新相作为液晶驱动芯片行业的本土化龙头设计公司,产品已成功导入国内G5、G6、G8面板产线的供应链,目前各品种IC出货量已经达到20KK/月以上。公司的产品包括:TFT-LCD、LTPS、AMOLED驱动芯片、TCON、指纹识别IC等,广泛应用于TV、MNT、NB、Tabletpad、Smartphone。已建立起完整的从硅片生产到封装、测试的产业链,形成了以京东方、天马、海信、中芯国际、华虹NEC、台积电、南茂科技等为核心的上下游战略合作伙伴。新相微电子将继续致力于建立更加高效和便利的客户服务体系,助力本土高世代线驱动芯片国产化。深圳吉迪思电子科技有限公司成立于2015年7月,公司专注于下一代显示主控芯片的设计与研发,是柔性智能手机AMOLED、笔记本TED、AR(增强现实)眼镜硅基OLED光源芯片等智能设备显示主控芯片的领跑者。公司拥有国际领先的智能显示芯片技术,是国内最早研发商业AMOLED显示主控芯片的团队。2016年第二季度,国内最早量产HD刚性屏AMOLED显示主控芯片;2018年9月联手国内晶圆代工龙头企业中芯国际正式量产40nm QHD柔性AMOLED智能手机面板驱动芯片,这是国内唯一量产的柔性AMOLED显示主控芯片。深圳云英谷科技有限公司成立于2012年5月。主要以显示技术的研发、IP授权以及显示驱动芯片/电路板卡的生产与销售作为核心业务。目前公司的时序控制芯片(TCON)、AMOLED驱动芯片、硅基OLED均在研发中。重点面向手机、笔记本电脑、电视、AR/VR等消费类电子市场。公司已获得了多家VC及半导体显示领域领军企业的青睐与投资,业务发展迅速,规模正不断扩大。2013年维信诺与晶门科技研制成功中国大陆首颗AMOLED驱动芯片。晶门科技于2016年11月收购了Microchip部分技术加maXTouch半导体产品。目前晶门科技的PMOLED产品占市场份额超过50%,是行业细分市场龙头。广东晟合微电子有限公司也是一家专业从事AMOLED驱动芯片技术研发、咨询与服务的高新技术企业。公司产品主要包括智能穿戴类AMOLED驱动芯片、手机类AMOLED驱动芯片等。2018年3月正式落户广东肇庆,5月份首批25名专家至肇庆工作,同年7月首颗穿戴类驱动芯片在台积电流片成功,并于11月份结束了该产品量产可靠性测试&品质测试。随后,手机类驱动芯片系列产品相继产出,并得到终端客户的验证。2019年,晟合微电子实现了SH880X系列手机用驱动芯片量产,并取得ISO9000和ISO14000认证。晟合微电子员工平均拥有超过19年的显示行业经验,团队负责过大量LCD/OLED产品生产定制工作,实战经验丰富。晟合微电子正以OLED驱动这个小切口拓展契合显示产业未来的技术能力,全力推动国内OLED驱动芯片行业发展。北京奕斯伟计算技术有限公司成立于2019年9月24日,主要生产OLED 面板的DDIC。DDIC 是OLED 的关键零组件,能控制强化画质的画素。DDIC 广泛用于OLED 电视、智慧手机、智慧手表、平板电脑等。奕斯伟的法定代表人是中国半导体产业领军人物王东升。王东升在 1993 年创立了京东方 BOE(京东方),在他的带领下,京东方成为全球半导体显示产业龙头企业,全球有超过四分之一的显示屏来自 BOE(京东方)。在今年6月,奕斯伟获得新一轮融资。来源:啃书拉比、芯天下


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关键词: OLED

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