顯示驅動芯片原理及發展現狀

張 昕， 吳佩雯， 肖書平， 陳 琦， 邱 天*， 符 曉， 寧洪龍

(1. 五邑大學 智能制造學部, 數字光芯片實驗室， 廣東 江門 529000;2. 深圳勁拓自動化設備股份有限公司， 廣東 深圳 518126;3. 華南理工大學 高分子光電材料與器件研究所, 發光材料與器件國家重點實驗室,材料科學與工程學院， 廣東 廣州 510640)

1 引 言

國家發改委和工信部在2016年5月18日發布的《關于實施制造業升級改造重大工程包的通知》中指出，新型平板顯示工程領域是我國的重點發展方向，這體現了國家對顯示屏及相關產業的重視。時隔4年，顯示屏產業以及與之配套的驅動芯片的發展現狀值得持續關注。

目前國內外的主要研究方向主要集中在新型顯示材料的驅動上，如Micro-LED、Mini-LED等，希望能搶先占領技術高地，而國內目前對于TFT-LCD、AMOLED等幾種顯示驅動技術的掌握已經趨于成熟，國內的電子科技大學、華中科技大學等都建立了相關的實驗室。

雖然顯示材料的更新使得顯示屏的各種性能不斷提升，迭代迅速，但是其內部的驅動方式往往有許多相似之處，這既是優點也是缺點。技術相似，可以使技術人員更快地掌握新的驅動技術，但也限制了人們的思維方式，使得更加優越的性能被陳舊的設備和技術限制了，所以如何打破這些思維模式，使驅動技術和制造設備與新興顯示屏更好地匹配是首要問題。

本文通過對幾家熱門公司推出的新產品與之前的產品進行對比總結，對近幾年顯示驅動芯片的發展情況進行了整理總結。首先介紹了3種主流顯示屏的顯示驅動原理，并分析該領域近幾年遇到的技術難點及相應的解決方案；然后總結了近幾年顯示驅動芯片的技術進步和新的發展趨勢；最后，縱觀國際產業形勢變化，分析了國內發展環境的優缺點及未來趨勢。

2 LED顯示屏及其驅動芯片

2.1 LED顯示屏及其工作原理

LED顯示屏是由LED燈組成行列矩陣，通過不同顏色的燈珠的狀態變化來顯示文字、圖像、動畫和視頻等信息，內容可以根據人們不同的需求進行更換，然后通過電腦處理再在顯示屏中顯示。顯示器件是已經形成模塊化結構的部分組件[1]，通常由電源模塊、控制系統和顯示模塊共同構成。電源模塊負責將輸入的電壓、電流轉換成LED顯示屏正常工作的電壓、電流；發光顯示環節由顯示模塊負責，是由LED燈陣排列形成的；相應區域的LED燈狀態由控制系統進行控制，可以讓屏幕顯示需要的畫面。

因LED是脈沖式發光，所以LED顯示屏普遍采用脈沖寬度調制 (PWM)的方法來實現對其亮度和灰度的控制。PWM技術可以把一幀圖像拆分為許多子圖像，再與灰度等級的權重進行匹配，芯片通過控制輸出的脈沖的占空比實現圖像對于亮度和灰度的調節。其中LED的亮度與流過它的電流大小和導通時間長短相關。因此，要改變LED顯示屏亮度和灰度，主要是通過控制電流的大小或者是控制導通時間的長短來實現：(1)控制電流是指控制導通LED電流的大小實現對LED亮度的調節，但由于實現電路較為復雜，可控性不高等原因，導致應用不多。(2)控制導通時間是指向LED中通入恒定電流，在單位時間內通過改變LED的導通時間來控制灰度。一般采用調節脈沖占空比來驅動LED發光，LED的灰度與掃描周期內的導通時間成正比。驅動芯片的數據位控制LED的灰度等級。

2.2 LED顯示屏驅動芯片簡介及其現狀

2.2.1 LED顯示屏驅動芯片

根據適用范圍，LED顯示屏的驅動芯片可分為通用芯片與專用芯片。通用芯片是指一些可以驅動LED顯示屏的邏輯功能模塊，而不是專門為驅動顯示屏而設計的芯片，一般用于LED顯示屏的低端產品。最常見的是具有8位鎖存、串-并移位寄存器和三態輸出功能的74HC595通用芯片，每路輸出最大電流可達35 mA[2]。LED顯示屏的專用芯片是根據LED的發光特性而為LED顯示屏專門設計的。LED屬電流特性元件，因此提供恒流源是專用芯片的第一要務。恒流源可以保持顯示屏的驅動穩定、消除顯示屏閃屏現象，從而提高顯示畫質。專用芯片具有恒流和大的輸出電流等基本特點，因此可滿足畫質清晰或電流較大等需求。數據移位時鐘、最大輸出電流、恒流源輸出路數、電流輸出誤差都屬于專用芯片的關鍵性能參數。專用芯片主要分成3個檔位。第1檔是可以調節灰度的芯片，內置脈沖寬度調制機制，根據輸入的信息匹配對應灰度，容易形成深層次灰度，可用于高品質畫面的顯示。第2檔是具有LOD(開路檢測)和TSD(溫度過熱保護)亮度調節等功能的芯片，這些附加功能可使該類芯片應用于一些有特殊需求的場合。第3檔是只為LED提供恒流源的芯片，其主要功能是使顯示畫面質量基本良好[3]。圖1所示是LM3405A芯片的驅動框圖，除了常規的電源模塊、振蕩模塊、邏輯控制輸出模塊等，可以看出增加了一個控制過熱關閉的模塊(Thermal shutdown)與邏輯控制輸出模塊連接，實現了溫度過熱保護的功能，所以這塊芯片應該屬于第2檔以上的芯片。

圖1 LM3405A芯片驅動框圖Fig.1 Block diagram of display driver chip LM3405A

2.2.2 LED顯示屏驅動芯片現狀

目前排名第一的LED顯示屏驅動芯片供應商是美國的德州儀器公司(TI)。TI擁有先進的高壓BCD工藝， 即能夠在同一芯片上同時制作雙極管Bipolar、CMOS和DMOS 3種器件的單片集成工藝技術。除此之外，TI還能夠在200 mm甚至更大直徑的晶圓上直接進行生產加工工藝。2018年，TI的LED顯示屏驅動芯片的市場占有率已經達到了17%，當時排名第二的是美國國家半導體公司。目前TI已將美國國家半導體公司收購，預測新的TI在LED驅動器市場將發揮十分重要的作用，它將會占據LED顯示屏驅動芯片市場的1/4[4]。各個企業相互競爭共同進步，使得近幾年LED顯示屏驅動芯片主要向以下幾個方面發展 ：

更低功耗：以聚積科技(中國臺灣)為首的一批半導體公司主打低功耗產品，如聚積科技MBI5035驅動器，使用0.2 V低轉折電壓使驅動芯片不易發燙從而可以使用較少的風冷裝置和電源供應裝置，在節能的同時，降低設備工作噪聲。具有一定代表性的還有日本瑞薩電子的LED驅動芯片ICR2A50106FT，其設計師稱該款芯片的耗電量最高可比同類產品減少20%。且內建8個定電流驅動通道，省去電源控制芯片的外接，每個通道的驅動電流最高可達160 mA，簡單化高灰度LED背光系統的設計、減少零件使用數量的成果也十分顯著。

更少零件：美國PI(Power Integrations)推出的LinkSwitch-PH系列產品，PFC/CC控制器、MOSFET驅動器和一個725 V MOSFET被LinkSwitch-PH器件同時集成并單個封裝。與傳統方法相比，PI的設計方法省去了MOSFET和控制器之間的相關元件，最多能節省25個傳統設計用于隔離反激式中所用的元件， 大幅簡化了電路的設計和布局。此方法省去了可能限制LED燈的使用壽命的元件，如高壓大容量電解電容和光耦器等，在降低成本的同時提高了系統可靠性[5]。美國達爾科技新產品供電電流達1.5 A。該LED驅動顯示芯片集成了功率MOSFET開關元件，開關頻率最大達到1 MHz；采用了降壓型DC-DC轉換器，導通電阻最大值為0.35 Ω。所以，小型部件也可滿足外置被動部件的要求，進而可以將印刷基板的封裝面積減小。需要的部件有4個進行外置。

多恒流化方式：以日本東芝公司為首的半導體公司主打以多恒流化方式的特點來吸引客戶，如TB62D901FNG驅動芯片，可支持的恒流化方式達3種：其中“臨界模式”的方式將重點放在電力效率；而“斷開時間固定”的方式是為了減少部件的數量；“頻率自動調整”方式是此次的亮點，這種方式將重點放在LED電流的穩定性上，除了輸入電壓可能不穩定和LED的工藝誤差等因素外，在這種方式下，即使改變了LED數量或工作電壓等性能參數，也可在不改變外置部件的數量前提下，穩定地控制平均LED電流[6]。所以，LED的數量可以發生變化，變化范圍可達到最初設計的50%～200%。

耐高溫：針對照明電路方面，美國羅姆等公司推出了耐高溫的大功率LED驅動芯片，主要技術是在耐熱材料上采用了耐熱性陶瓷封裝，運用這種材料的同時還采用了鍍金布線，可以保持光束穩定。

3 LCD及其驅動芯片

3.1 LCD簡介

3.1.1 常用LCD

根據驅動類型的不同，LCD可分為扭曲向列型(TN-LCD)、超扭曲向列型(STN-LCD)和薄膜晶體管型(TFT-LCD)。TN-LCD主要是段碼屏，適用于低端產品；而TFT-LCD則適用于高端產品，如相機、電視等[7]。本文主要討論借助于薄膜晶體管(TFT)驅動的有源矩陣LCD，它主要是背部燈管配合以電流刺激液晶分子產生點、線、面構成畫面。

當外加電場施加于LCD上的液晶分子時，液晶分子的排列方向發生變化，從而改變光源的透光率，形成灰階可控的亮點，再利用紅、綠、藍三基色信號的不同激勵，通過紅、綠、藍三基色濾光膜，完成時域和空間域的彩色重顯[8]。

3.1.2 低溫多晶硅-薄膜晶體管型LCD

LTPS-TFT即低溫多晶硅-薄膜晶體管LCD，多晶硅結構主要形成于非晶硅結構玻璃基板吸收準分子激光器的能量后。使用準分子激光器做光源，通過投射系統的激光光線產生了能量均勻分布的激光光束，再投射于非晶硅結構的玻璃基板上，將非晶硅變成多晶硅。分辨率優越、色彩度飽和、價格便宜等是其優點，也使其有望成為新一波的顯示器。

3.2 LCD驅動芯片

3.2.1 LCD驅動原理

常用的LCD驅動方式分為靜態顯示驅動和動態顯示驅動。

(1)靜態驅動法

靜態驅動法可以使LCD獲得最佳的顯示質量，該法主要適用于段碼液晶的驅動，常見于低端液晶產品中。表1所示為靜態驅動的液晶的電極結構。當組合了多位數字時，需要用導線連接所有數字位的背電極。液晶顯示器件的背電極BP 接收振蕩器發出經分頻后時序信號，顯示選擇信號X與時序信號異或產生段電極的脈沖信號。當不需要某位像素顯示時，設置顯示選擇信號X的值為0,使顯示像素上兩電極的脈沖電壓無法產生相位差，從而不存在電壓，所以該像素點無法顯示。當需要像素顯示時，設置顯示選擇信號X的值為1，則顯示像素上兩電極的脈沖電壓存在180°的相位差，因而產生了2 V的電壓脈沖序列加在顯示像素上，所以該像素在屏幕上有所顯示。調整合適的脈沖電壓就可以提高顯示的對比度。

表1 段碼液晶電極結構

(2)動態驅動法

有時液晶顯示器件上需要顯示更多的信息，這就需要更多的像素點。點陣型液晶顯示屏就迎合了這種需求，通過行、列電極的設計構成矩陣型結構[9]。行電極是把一橫行的像素點電極都連在一起引出；列電極則是把一縱列像素點電極都連在一起引出。如此一來，矩陣型的行列結構可以節省大量的硬件驅動電路，而且液晶顯示器上每一個顯示像素都可以由行列電極構成的坐標系唯一確定。為顯示數據的列電極給出對應是/否的驅動脈沖，采用了Raster光柵掃描方法循環地傳送脈沖選擇信號給行電極，使得液晶顯示屏上呈現出穩定的圖像[10]。

LCD驅動芯片必須先接收來自LCD控制芯片的畫面信號，然后通過數模轉換來進行驅動，而接收的輸入接口也有了一些發展演變。從美國國家半導體以低電壓差動信號接口為基礎所定義的目前最常見的RSDS(Reduced Swing Differential Signaling)向性能升級和降低成本，減小尺寸的目標發展到了PPDS(Point to Point Differential Signaling)和PPmL(Point to Point mini-LVDS)等接口。圖2所示是LCD 顯示驅動芯片ILI9488的驅動框圖。

圖2 ILI9488芯片驅動框圖Fig.2 Block diagram of display driver chip ILI9488

3.2.2 LCD驅動芯片現狀

不同種類的LCD具有與之相應的驅動芯片。目前推動LCD驅動芯片發展的原因主要有以下幾個方面：

低端LCD驅動芯片(如TN-LCD驅動芯片)技術較成熟，且發展前景比較受限，這促使更多的科技公司對TFT-LCD驅動芯片進行技術公關[11]。因此整個LCD驅動芯片行業呈現出從低端到高端、從小幕到大屏的發展趨勢。

在LCD驅動芯片方面，中國臺灣在近幾年來擁有了不小的影響力，已經成為全球液晶面板的組裝和制造重鎮。顯示屏驅動芯片市場需求量的增加以及進口芯片價格的不穩定，促使中國臺灣的各個液晶面板大廠積極地研發LCD驅動芯片(如奇美電子投資研發的奇景光電)，進而推動了驅動芯片國產化的進程。

近年來，LCD驅動芯片的主要發展方向有以下兩個方面：

(1)提升LCD的動態顯示效果。傳統陰極射線管(CRT)顯示器是用電子束打擊熒光質進行顯示。當CRT電子束移位后，熒光質的發光效應就開始消退[12]。與CRT顯示不同，持續持留性是LCD的顯示特性，這使得在動態顯示過程中傳統的CRT技術反而優于LCD。為了解決這個問題，LCD顯示驅動芯片采用類似電子束的間歇脈沖方式來驅動進行驅動。改變驅動方式后，動態畫質得到有效的改善[13]。

(2)消除殘影問題。為了解決殘影問題，為LCD顯示驅動芯片增加了“插黑”的驅動控制功能，其原理是在下一個畫面替換之前，先暫停驅動液晶畫面，使頁面黑屏，然后再轉到成下一個畫面。要實現“插黑機制”，與芯片搭配工作的時序控制器也要配合才行，因為這個技術一定要注意停留在黑色頁面的時間，差不多數十毫秒，就可以消除殘影效果。對比其他方式，使用此方法來進行“插黑”具有節約傳輸頻帶的優點，但也會增加芯片的引腳[14]。

目前在LCD中比較新的是LTPS-TFT LCD技術，其驅動芯片線路直接制作于面板上。LTPS上存在載流子，其平均自由程較大， 遷移率也得到大幅提高，使周邊驅動電路與像素驅動一體化成為可能[15]。LTPS-TFT LCD技術有望同時在基板上實現開關陣列和周邊電路的制造，提高集成等級，已經可實現單邊芯片的面板制造[27]。

4 OLED及其驅動芯片

4.1 OLED簡介

OLED被稱之為第三代顯示技術，它具有能耗低、發光率好、亮度高和輕薄等優點，此外OLED可以顯示純黑色、成型為曲面屏。這些優越性能使得OLED技術在終端設備中的應用越來越廣泛，也使得國際各大廠商都爭先恐后地加強了對OLED技術的研發投入[16]。

4.2 OLED驅動芯片

4.2.1 OLED驅動原理

按照驅動電流是否直接施加于像素電極而言，OLED可分為無源驅動OLED(Passive Matrix OLED,PMOLED) 和有源驅動OLED(Active Matrix OLED,AMOLED)[17]。PMOLED的驅動原理與LCD的相似，其優點是工藝簡單。但因為受到了驅動方式的限制，PMOLED的尺寸通常無法有所突破。AMOLED不再受到分辨率、尺寸等因素的制約[18]，所以較大的彩色顯示器通常使用這種方式進行開發。就目前來看，市場上的PMOLED還是占大多數，主要應用于小型便攜設備，應用了它低功耗和輕薄的優點。但后期，AMOLED的占比也會上升。兩者相輔相成，主要應用于各種顯示終端設備中[19]。

(1)PMOLED

PMOLED可以采用靜態驅動，也可以動態驅動。

靜態驅動方式：靜態驅動主要適用于發光像素共陰連接。恒流源驅動像素在發光電壓小于恒流源的電壓與陰極電壓差時點亮；把像素點的陽極接在一個負電壓上，則此像素反向截止，無法發光。此種驅動方式的缺點在于可能會在圖像變化更為復雜時發生交叉效應。采用交流的形式，可以避免這些問題[20]。段式顯示屏一般采取無源靜態方式驅動。

動態驅動方式：與前文中提到的LCD的動態驅動方式相似，OLED像素的兩個電極形成矩陣型結構，行和列分別對應發光像素的陰極和陽極，水平一行顯示像素同一性質的共用電極，垂直一列顯示像素的相同性質的共用另一電極。為實現行掃描，給每個行電極循環施加脈沖，所有列電極給出顯示行像素的電流驅動脈沖信號，則可以顯示出一行的像素[21]。 這種方法的弊端在于，顯示像素點較多時，在相同電流下，掃描行數與占空比成反比，所以掃描行數增多會使得有機電致發光像素上的電流注入在一幀中的有效亮度下降，顯示質量會顯著降低。所以要保證顯示質量，占空比應該盡可能地提高。

(2)AMOLED

有源驅動的區別在于：每個像素都配備一個電荷存儲電容和具備開關功能的LTPS-TFT，并且在同一玻璃基板上集成了外圍驅動電路和顯示陣列整個系統[21]。由于OLED作為電流器件要依賴電流驅動，而LCD采用電壓驅動，所以適用于LCD的驅動電路無法用于OLED。OLED與LED類似，亮度與電流大小成正比，因此除了進行開/關切換動作的選址TFT之外，更重要的是要保證導通阻抗比較低的小型驅動TFT中有足夠電流通過。有源驅動只能采用靜態驅動，有存儲功能，滿載下可驅動，不被掃描電極數所約束，各像素可獨立選擇調節[22]。

有源驅動的一大優點是不考慮占空比問題，因為掃描電極數無法限制此種驅動方式，高亮度和高分辨率的需求依靠于這種驅動方式實現。有源驅動方式下，亮度的紅色和藍色像素可以獨立進行灰度調節驅動，這更有利于實現OLED的彩色化。顯示屏內可安裝有源矩陣的驅動電路，更易于實現小型化和提高集成度，還解決了外圍驅動電路與屏的連接問題，成品率和可靠性也有所提高[23]。圖3所示是OLED驅動芯片SSD1306的驅動框圖。

圖3 芯片SSD1306結構框圖Fig.3 Block diagram of display driver chip SSD1306

4.2.2 OLED驅動芯片中的Demura功能塊

由于晶化工藝的局限性，在大面積玻璃基板上制作的LTPS TFT時，眾多TFT單元的閾值電壓、遷移率等電學參數往往具有非均勻性，這種非均勻性會轉化為OLED顯示器件的電流差異和亮度差異，并被人眼所感知，即Mura現象。

為了使顯示效果穩定，可以在驅動電路中植入補償模塊。其中一種被廣泛使用的補償方式被稱為Demura，它是將背板點亮后通過光學CCD照相的方法將亮度信號抽取出來，根據抽取信號的強弱進行相應的補償，使之達到均勻化顯示的目的。其步驟一般包括：

(1)驅動芯片點亮OLED面板,并顯示數個畫面(一般是灰階或者RGB)。

(2)使用高分辨率和高精度的CCD照相機拍攝上述畫面。

(3)根據相機采集數據分析像素顏色分布特征，并根據相關算法識別出Mura。

(4)根據Mura數據及相應的Demura補償算法產生Demura數據。

(5)將Demura數據燒錄到Flash ROM中，重新拍攝補償后畫面，確認Mura已消除。

經過上述5個步驟之后，驅動芯片Demura模塊中的ROM被寫入補償數據，在新的數據顯示過程中補償數據將被調用、并作用于原始顯示數據，最終削弱Mura缺陷。

4.2.3 OLED驅動芯片現狀

談到OLED驅動芯片的現狀，首先應該關注依然作為新興產業的OLED的產業格局[24]。目前的OLED產業格局比較明顯，高端產品產地主要還是集中在南韓和日本，特別是韓國，從全球產能占比來看，在2015年其產業比重就高達96%。

促使韓國在OLED占領如此地位的，主要是韓國的兩家企業：三星和LG。三星AMOLED在行業投入十年，目前技術、專利、產能等方面處于絕對領先，主要為智能手機上的小尺寸屏幕供貨；而LG則是大屏AMOLED的領頭羊。龐大的需求量使得兩家企業在對OLED顯示驅動芯片的發展與生產上下足了功夫，使兩家公司在OLED驅動芯片供應商排名中分列第一、第二名。

在這種局勢下，中國也在向OLED產業內進軍，并且已經實現了從無到有的飛躍，但國產商品確實也存在一定的問題，主要是產能落后且良品率低。目前能夠量產柔性OLED的面板廠商主要有6家，包括三星、京東方、維信諾、LG、深圳天馬和柔宇，其中國內廠商占據4席位置。以三星和國內的行業領頭羊京東方進行比較，京東方在成都的B7廠和綿陽的B11廠都是6代柔性OLED面板生產線，合計年產能為169.2萬片，良品率為65%左右；而三星年產能保守估計在2億片左右，不僅能夠給自己供貨，還可以出口，且良品率達到90%以上。

OLED Demura技術，目前韓國三星和LG處于領先的位置，但是Demura技術很復雜，均不能算成熟完美，國內各個廠家也在積極開發自己的Demura技術，希望能夠提升良率。

但中國企業近兩年產能占比的確在逐漸上升，未來有望持續擴大占比，預計到2022年達到上千萬平方米，約占全球產能的1/3，這說明國產OLED的確有自己的優勢，那就是可以充分利用國內資源。比如2017年國產手機銷量近4.5億，這說明中國廠商完全不用考慮商品供過于求，而且一旦達到企業之間的良性循環，產品也會更加平價，這會對目前處于暴利的韓國廠商形成巨大打擊。

既然明確了自己的優勢，就為國產OLED驅動芯片增加了動力。當前，在集成電路的產業市場占有率上，在設計環節，中國自主芯片設計在全球市場已經占有8%的份額，在本土市場更是達到13%以上。例如我國的中穎電子公司，其主要產品之一為AMOLED顯示驅動芯片，其出貨量在2005年就已經達到千萬級，也是國內唯一一家量產過AMOLED驅動芯片的廠商，在高分辨率AMOLED驅動市場也是中國市場的領先者。縱觀中國的集成電路產業，目前最薄弱的環節依然是制造，也是最需要進口的部分，目前的市場占有率為7%；封測環節上，大陸技術水平相對較高，目前市場占有率達到了19.1%，僅次于擁有40.8%市占率的中國臺灣，合理預測到2020年市占率會達到30%以上[21，25]。

5 Micro-LED/Mini-LED及其顯示驅動芯片

5.1 簡介

5.1.1 Micro-LED簡介

Micro-LED(Micro Light Emitting Diode)是一種將LED進行微縮和矩陣化的技術，可以讓每個LED的單元都保持在50 μm以下，且與OLED的功能相似，即可以完成單個像素點的單獨定位，還可以單獨驅動發光，即所謂的自發光。它的優點主要體現在即有無機LED高效、可靠等優點，還有無需背光源，體積小、功耗低，易滿足人們的各種需求等優勢。

5.1.2 Mini-LED簡介

Mini-LED是比Micro-LED更新的一種技術，全稱叫“次毫米發光二極管”， 使得每個LED單元保持在100 μm左右。Mini-LED是介于Micro-LED和LED之間的一種產品，算是在傳統的LED背光基礎上進行的改良。

5.2 Micro-LED/Mini-LED顯示驅動芯片

5.2.1 Micro-LED/Mini-LED顯示驅動原理

Micro-LED和Mini-LED依然屬于電流驅動型發光器件，本文將介紹Micro-LED/Mini-LED兩種常見的驅動方式: 無源選址驅動, 有源選址驅動。

(1)無源選址驅動

無源選址驅動模式把陣列中每一列的LED像素的陽極(P-electrode)連接到列掃描線(Data Current Source)，同時把每一行的LED像素的陰極(N-electrode)連接到行掃描線(Scan Line)。當某一特定的第Y列掃描線和第X行掃描線被選通時，其交叉點(X，Y)的LED像素即會被點亮。整個屏幕以這種方式進行高速逐點掃描即可實現顯示畫面。這種方法雖然實現簡單，但連線較復雜，需要X+Y根連線，寄生電阻電容大導致效率低，像素發光時間短(1場/XY)從而導致有效亮度低，像素之間容易串擾，并且對掃描信號的頻率需求較高。即使有優化方案，也避免不了無源選址驅動方式的天生缺陷：連線龐雜，易串擾，像素選通信號無法保存等問題。

(2)有源選址驅動

在有源選址驅動電路中，每個Micro-LED像素有其對應的獨立驅動電路，驅動電流由驅動晶體管提供。基本的有源矩陣驅動電路為雙晶體管單電容(2T1C：2 Transistor 1 Capacitor)電路，每個像素電路中使用至少兩個晶體管來控制輸出電流：T1為選通晶體管，用來控制像素電路的開或關；T2是驅動晶體管，與電壓源聯通并在一場(Frame)的時間內為Micro-LED提供穩定的電流。該電路中還有一個存儲電容C1來儲存數據信號(Vdata)。當該像素單元的掃描信號脈沖結束后，存儲電容仍能保持驅動晶體管T2柵極的電壓，從而為Micro-LED像素源源不斷地驅動電流，直到這個幀結束[23]。

圖4 芯片MBI5029結構框圖Fig.4 Block diagram of display driver chip MBI5029

2T1C驅動電路只是有源選址Micro-LED的一種基本像素電路結構，它結構較為簡單并易于實現。但由于其本質是電壓控制電流源(VCCS)，而Micro-LED像素是電流型器件，所以在顯示灰度的控制方面會帶來一定的難度。有專家曾提出一種4T2C的電流比例型Micro-LED像素電路，采用電流控制電流源(CCCS)的方式，在實現灰階方面具有優勢。圖4所示是一種具有錯誤檢測和電流調節功能的16位恒流LED灌電流顯示驅動芯片的簡易結構圖。

5.2.2 Micro-LED/Mini-LED驅動芯片現狀

現在顯示屏材料的發展趨勢是從傳統顯示屏向Micro-LED靠攏，而Mini-LED為兩者之間的一個過渡環節，業內許多廠商都聲稱要在10年內使Micro-LED和Mini-LED成為電視、手機等產品的主流選擇。但近幾年顯示驅動技術在新型顯示屏中遇到的技術難點，反而限制了Micro-LED/Mini-LED大規模投入市場。

5.2.2.1 Mini-LED

(1) 工藝制造方面，芯片倒裝結構是現在Mini-LED的首選。倒裝結構對封裝基板的材質限制不大， 提升了倒裝芯片的可靠性，使終端設備的維護成本也大幅降低，且由于其不需要打線的特性被廣泛應用于超小空間密布的情況。所以在倒裝工藝制作過程中實現可控非常重要，其設計難點主要在于在超小尺寸的情況下，如何保持焊接面的平整、電極結構設計的可行性、焊接的難易程度、如何實行焊接參數和封裝的寬容度等[26]。

(2)Mini-LED用作背光源時，由于要控制成本和難度，結合終端盡可能輕薄的要求，需要芯片能在較寬 LED 芯片排列間距的情況下實現較小的混光距離[27]，從而對整個終端的厚度進行削減，其難度在于如何對芯片的出光實現可控和如何在使用中保持一致[26]。

(3)彩色Mini-LED用作普通顯示時，除了要考慮克服：亮度比較集中、電流較小的情況下，亮度不一致、低且一致的電容特性等傳統小間距芯片的缺點，還需要適應廣泛的使用環境和易操作的后期維護過程[28]。而且由于紅光芯片在制作倒裝工藝過程中需要進行襯底轉移[26],使得封裝過程技術更為復雜，所以其重點要考慮技術可控性和生產良率[26]。

(4)目前Mini-LED一般采用全測試全切割的模式進行，主要是為了滿足小尺寸芯片和光色保持一致的要求。但這種方式導致生產效率不高，所以在應用越來越廣泛的現在，如何提高生產效率，與應用端更加匹配是需要克服的重難點[29]。

5.2.2.2 Micro-LED

(1)Micro-LED顯示驅動芯片有較多的缺陷，最突出的是良率較低，在現在較為成熟的芯片中依然需要剔除壞點，這個問題嚴重影響Micro-LED的顯示質量[30]。而且由于本身良率不佳的問題，使得搬運移動等過程難度更大，對于轉運的數量和設備精度的要求也更高。所以提高本身良率和制備轉運等技術也是現在急需解決的問題。

(2)制備工藝需要更新。Micro-LED并非傳統意義上微米或者納米量級的 LED 芯片與 TFT 基板或者 CMOS 的簡單疊加[30]。Micro-LED期望的精度和良率以當前的設備、工藝、技術都不能滿足，而且還帶來了成本高、效率低等問題。所以Micro-LED并不能只憑自己獨自發展，其發展還必須要依靠設備、材料等企業的相互配合，以及現在的制備技術和生產線的革新[30]。

(3)聚積科技所推出的MBI5359高整合芯片擁有3大卓越功能，能實現驅動micro-LED的愿景并且使畫面質量更加精致。更值得關注的特點是針對micro-LED超小間距顯示屏燈板空間做更有效地運用，一顆MBI5359芯片即可控制512個像素點，高整合功能可以有效縮減布件空間及組件的數量;另外，在畫面質量表現上，低亮度高穩定性一直是主宰觀賞距離與顯示效果的關鍵，單一顏色平均恒流驅動低可至15 μA，灰度級數可達到16 bit，使顯示畫面的對比度與均勻性更加細膩，同時也能達到節能低功耗的效果;第三個特點則是使micro-LED在巨量轉移(Mass Transfer)制程上有加分作用：LED早夭偵測功能[22]。在micro-LED制程中，巨量轉移良率與壞點修補是影響micro-LED顯示屏良莠的關鍵技術，MBI5359的LED早夭偵測功能可以快速偵測并且回報已失效或即將失效的micro-LED位置，方便維修，這項功能可以有效提升micro-LED顯示屏質量及可靠度。

6 異形屏對顯示驅動芯片形成的挑戰

目前手機屏幕驅動IC的封裝形式一般有COG(Chip on glass)和COF(Chip on film)兩種。COG是LCD屏幕常用的一種，其原理是直接通過各項異性導電膠(ACF)將IC封裝在玻璃上，實現IC導電凸點與玻璃上的ITO透明導電焊盤互連封裝在一起。COF是將IC芯片直接封裝到撓性印制板上，達到高構裝密度、減輕重量、縮小體積、能自由彎曲安裝的目的。

異形屏是在傳統顯示屏的基礎上變換了各種形狀來呈現不同的效果，同時也有了很好的造型能力，滿足特殊定制需求(比如隱藏屏下攝像頭)和觀看視覺的多樣化需求，給顯示屏行業注入新的活力。異形屏的特殊切割給顯示驅動芯片的時序設計和封裝設計帶來了挑戰。

7 總結與展望

芯片是現代科技的核心，掌握芯片技術則不僅支撐了國家的競爭實力，且使得國家的科技發展不受他人掣肘。我國在芯片領域的發展一直都受到以美國為首的歐美日韓國家的技術封鎖，導致到目前為止，我國依然是芯片進口大國，芯片一度成為我國最大進口量的商品。雖然國內的顯示平板產業發展迅速，但顯示驅動芯片的步伐沒有跟上，芯片的自給能力非常低。傳統顯示驅動芯片的供貨商是美歐廠商， 新型顯示驅動芯片的主要供貨商是以三星和LG為首的韓國廠商，不僅消耗成本，而且限制行業發展。

2018年中興公司受到美國商務部制裁，被禁止進口芯片；2020年初臺積電公司在美國壓力下，取消華為公司芯片訂單，華為也面臨著芯片供應的危機，這一系列事件警示了芯片產業自主化的迫切性。顯示驅動芯片占據了我國“一芯一屏”戰略計劃的雙重重要位置，所以顯示驅動芯片的國產化是我國科技行業的當務之急。經前文分析，中國的科技公司有能力有技術實現顯示驅動芯片的國有化，且國產芯片是有渠道有市場的。中國本土的顯示行業結合本土的設計材料和裝備企業，克服自身的弱點，必能實現中國本土的顯示行業生態圈。