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2021/8/16 08:33

揭秘显示驱动IC芯片,一年84亿颗需求,华为入局破解国产芯尴尬

智东西  孙远峰

显示驱动 IC 是显示屏成像系统的主要部分。主要是负责驱动显示器和控制驱动电流的功能。近年来国内面板产业链日益成熟,而驱动 IC 作为面板产业链最关键的环节,国内配套依然处于起步的阶段,无论是 LCD 的 TDDI 还是 OLED 驱动 IC 国内企业占比依然较低。

《显示驱动芯 — 面板国产化最后 1 公里》

01. 需求暴增,显示 IC 也闹“芯片荒”

2020 年,全球显示驱动芯片需求量达 80.7 亿颗(包含 TDDI+DDIC)。

2020 年受新冠肺炎疫情(COVID-19)影响,显示驱动芯片需求量实现同比两位数增长达 80.7 亿颗,其中大尺寸显示驱动芯片占总需求 70%,而液晶电视面板所用驱动芯片占比大尺寸总需求的 40% 以上;中小型显示驱动芯片占总需求 30%,智能手机占比最高,LCD TDDI 和 OLED DDIC 合计占比约 20%;2021 年,终端应用增长依然强劲,同时由于电视面板的高分辨率趋势确立,2021 年显示驱动芯片总需求将增长至 84 亿颗。

▲ 2018~2021E 驱动芯片应用占比(%)

在去年开始的“芯片荒”浪潮下,显示驱动 IC 也不可避免地受到了波及,根据 TrendForce 数据,目前已经有部分显示 IC 涨价 30%。驱动 IC 缺货,面板行业更是首当其冲,自去年 1 月到今年 3 月,电视 50 吋 LCD 面板涨价一倍,彭博分析师 Matthew Kanterman 预估 ,液晶屏幕价格将保持上涨至今年第三季度,目前显示驱动 IC 非常短缺。

▲ 2019~2024E 全球 DDIC 出货量(亿颗)

▲ 2020Q4 年全球 DDIC 供应商份额(%)

2021 年价格上涨为全球 DDIC(TDDI+DDI)市场规模上升的主要推动力。根据 CINNO Research 相关数据,2021 年全球 DDIC(包含 TDDI+DDI)市场规模为 138 亿美元,相比 2020 年增长 55%,其中:

在全球晶圆 8 寸产能增量有限情况下,尤其是 90~150nm 成熟制程节点产能短缺较为明显,供不应求情况下 DDIC 价格有明显上涨 (价格带动 DDIC 营收规模增长~53%,出货量带动 DDIC 营收规模增长~2%);

▲ 2018 年~2023 年全球 DDIC 市场规模(亿美元)

▲ 预计 2021 年 Q2 DDIC 价格环比上涨(单位:美元)

在制程方面,显示驱动 IC 制程范围较广,涵盖 28nm~150nm 工艺段,其中 NB 等 IT 和 TV 工艺节点为 110~150nm;LCD 手机和平板电脑的集成类 TDDI 制程段在 55nm~90nm;AMOLED 驱动 IC 的制程段较为先进为 28nm~40nm;依据 DISCIEN 相关统计,每个月显示驱动 IC 消耗晶圆约 250~270K,约占全球 Foundry 产能的 6%。

▲ 显示驱动 IC 芯片的产品制程种类

全球主要显示驱动芯片代工厂包括中国台湾地区台积电、联电、世界先进和力积电,韩国东部高科等,中国本土包括中芯国际、晶合集成等。

技术上,屏幕显示驱动芯片封装技术主要有 COG、COF 和 COP。三者主要的应用是实现手机或电视系统对其屏幕(LCD,OLED)的驱动控制,以及与其它系统例如主板 FPCB、部件等的信号链接。在全面屏趋势以前,基本上所有的手机都采用的是 COG 封装工艺,这种封装良品率高、成本低且易于大批量生产的直接优势。

在屏幕四边宽度上:COG>COF>COP,在屏幕成本上:COP>COF>COG。COF 和 COP 的柔韧特性能使屏幕的侧面区域(边框)设计变的更窄。但是只有使用 OLED 屏幕配合上 COP 封装才能够实现真正的四面无边框。

在 COP 里,DDIC 直接固定在 COP 的柔性塑料基板上从而形成一个整体,这样一来 COP 的塑料柔性基板便可不受物理限制的在手机或电视边缘区域形成弯曲,从而进一步缩小边框达到近乎无边框的效果。

02. LCD 驱动 IC,TDDI 是主流

电容屏驱动 IC 是电容屏工作处理的主体,是采集触摸动作信息和反馈信息的载体,IC 采用电容屏工作的原理采集触摸信息并通过内部 MPU 对信息进行分析处理从而反馈终端所需资料进行触摸控制。

显示驱动芯片是面板的主要控制元件之一,主要功能为通过对屏幕亮度和色彩的控制实现图像在屏幕上的呈现。目前,LCD 屏幕的驱动 IC 主要使用的是触控与显示驱动器集成(Touch and Display Driver Integration,简称 TDDI )技术。

TDDI 芯片将显示驱动芯片和触控面板芯片集合到一颗芯片当中,可以有效提高触控显示装置的集成度,使移动电子设备更轻薄、成本更低、显示效果更好。

▲ TDDI 技术

TDDI 通过接收主板发送的信息,并将信息进行模拟数字处理和算法处理形成指令,再通过控制输出电压调整液晶分子的偏转角度,从而达到控制屏幕显示效果的目的。原有的系统架构因为显示与触控芯片是分离的,这可能会导致一些显示噪声的存在,而 TDDI 由于实现了统一的控制在噪声的管理方面会有更好的效果。

TDDI 优势:

1、 一流性能。显示触控一体化的系统架构减少了显示噪声,提供了一流的电容式触控性能,提升整体感应的灵敏度;

2、 外型更薄。有效提升屏占比满足手机薄型化窄边框的设计需求;

3、 降低成本。相较于传统的触控方案,TDDI 模组工艺流程简单。同时,集成化的 TDDI 可集成 Force Touch、3D、指纹识别等功能;

4、简化供应链。简少了传统外挂式触控方案模组的组件数量及工艺步骤,使得良率提升,同时伴随着 TDDI 资源的不断丰富降低了系统总体成本。

TDDI 劣势

1、较使用 TDDI 带来的系统总成本的降低,目前 TDDI 本身的成本远大于单一触控芯片加驱动芯片的成本总和;

2、需要更高的电压,增加功耗, 在 IC 的制作流程上需要更多的 mask 及工艺程序;

3、随着市场终端对超载边框需求日益明确,由于 TDDI chipsize 变大而导致难以实现。

目前各大 TDDI 厂商均在与 Panel 厂商合作开发全 interlace 架构 TDDI,这也为未来 TDDI 技术主要走向之一。早期 TDDI 的架构为显示驱动部分与触控部分分开,驱动显示电路走线居中,触控部分分布两侧。这样做带来的问题是芯片 chip size 变大,与 PanelBonding 时走线过多且复杂,从而增加了 TDDI 的物理成本。

随着手机终端超窄边框及低成本的不断诉求,IC 厂商不断优化电路结构设计,将驱动显示电路与触控电路交错分布(interlace),从局部 interlace 到全 interlace。此项革新解决了 chip size 过大的问题,极大的缩小了芯片大小,降低物理成本。由于电路走线设计的简化也使得 Panel 设计优化,层数减少从而带来整体成本的降低。

▲ 驱动芯片工作电路结构设计示意图

近年来 TDDI 芯片,即显示驱动芯片和触控芯片整合的触控技术处于不断发展的阶段;京东方公司在 2019 年 6 月 14 日提出了一项发明专利,用于解决现有的 TDDI 芯片在轻负载模式下触控时间段内出现空闲的问题。

Omdia 预计 2020 年 LCD 触控和显示集成驱动芯片(TDDI)的出货量将达到 8.73 亿颗。其中,智能手机:用于智能手机显示屏的 TDDI 出货量将达到 7.81 亿颗。平板电脑:平板电脑 TDDI 快速渗透,2020 年预计将达到 8400 万颗。车载:汽车领域 TDDI 市场也逐渐成熟,预计今年的出货量将达到 500 万颗。

▲ 2020 年 LCD TDDI 各领域出货量占比

▲ 2020 年 LCD TDDI 各领域出货量占比

目前全球 TDDI 厂家主要有中国台湾地区的联咏、敦泰、奇景、谱瑞等,韩国三星、SiliconWorks 等原驱动 IC 厂商也加码 TDDI 市场,中国大陆推出 TDDI 芯片产品的厂商主要为韦尔股份、集创北方、晶门科技、格科微。

03. OLED 驱动 IC,华为入局

OLED 的驱动 IC 目前为 DDIC (Display Driver Integrated Circuit,简称 DDIC),主要功能:控制 OLED 显示面板,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。

目前高端旗舰手机搭载 On-cell 技术的 AMOLED 面板,由于 AMOLED 面板结构与驱动方式和 LCD 完全不同,On-cell 模式下触控显示同时工作会产生干扰,TDDI 在 AMOLED 依然处于起步阶段。

▲ 智能手机 OLED DDIC

2020 年全 DDIC 市场规模为 19.37 亿美元 ,2020~2023 年 CAGR 12.7%,2023 年市场规模增长至 27.71 亿美元。其中 5G 智能手机换机周期,OLED 加速渗透,手机为 DDIC 主要应用领域,预计到 2023 年手机 DDIC 市场规模为 23.87 亿美元;

高端 TV 采用 OLED 屏幕后带动 DDIC 市场增长,预计到 2023 年 OLED TV DDIC 市场规模为 1.3 亿美元。

依据 TrendForce 集邦咨询研究,2021 年预计 AMOLED 手机机型比重大幅度提升至 39%;a-Si /IGZO LCD 机型需求依然强劲,预计全年比重仅微幅下滑至 28%;LTPS LCD 机型比重则持续受到压缩,预计比重将减少至 33%,但其中 LTPS HDLCD 机型的规模有望逐渐增加。

▲ 2019 年智能手机显示屏分类(%)

▲ 2020 年智能手机显示屏分类(%)

▲ 2021 年智能手机显示屏分类(%)

AMOLED 驱动 IC 领域,韩国公司处于领先地位,具备技术优势。其中 Samsung LSI 2020 年市占率超过 50% ,三星显示(Samsung Display)的专属供应商,美格纳次之占比达 24%;Silicon Works 历史上依赖于单一客户 LGD,未来争取客户多元化;中国台湾地区的 Novatek(联咏)和瑞鼎科技(Raydium)是 2020 年中国面板厂 AMOLED 驱动芯片主要的供应商,市场份额分别为 7% 和 6%。

▲ AMOLED 智能手机显示驱动芯片 2019 年市场份额

目前 OLED 驱动 IC 还是以韩国和中国台湾的公司为主,国内企业占比较低,不足 1%;依据集微网,半导体投资联盟信息,华为海思自研的首款 OLED 驱动芯片已于 2020 年完成流片,预计采用 40nm 工艺,于 2022 年上半年量产;产能方面,由于 OLED 驱动芯片主要采用 40nm/28nm,韩国三星和 Magnachip 最先进的制程到 28nm,整体代工产能偏紧的情况下,OLED 驱动 IC 产能也受到限制。

根据 Bloomberg 信息,2020 年三星代工业务的 60% 来自于旗下 S.LSI 部门(自有销售,包括 5GSoC, 高像素 CIS,DDI 等);剩余的 40% 高通占比约 20%,NVIDIA, IBM, Intel 等占比剩余的 20%。

依据三星电子公司公告,2021 年公司代工业务将会注重先进制程,拓展下游应用包括 HPC/汽车等,而 S.LSI 则继续聚焦于 5G SoC,高分辨率 CIS 和 DDI;

另外的 OLED 驱动 IC 玩家主要有 Magnachip 和 Silicon Works。Magnachip 是全球最大的独立 OLED 显示驱动供应商 28nm OLED 驱动芯片领先者,具备超低功耗和最小尺寸;具备量产能力,截止到 2020 年 Q4,公司累计出货 6.81 亿颗。

Silicon Works 销售主要依赖于单个客户 LGD,2019 年开始逐渐引入中国部分面板制造商,2020 年公司 OLED 相关产品 LGD 占比 91%;公司主要的产品包括 TV/电脑/汽车等 OLED/LCD 驱动芯片以及智能手机 OLED 驱动 IC,从制程的角度看,小型 OLED DDI(12 寸,28nm);低端小型 LCD TDDI(8 寸,65nm);大型 DDIC(8 寸,120-130nm)。

智东西认为,在面板领域,中国公司已经占据了 LCD 市场半壁江山,OLED 面板也在快速追赶三星、LG 等公司。不过在驱动 IC 上,国内占有率不足 1%。好在面对这样的情况,国内有多家驱动 IC 企业已经加强了自研。而且,显示驱动 IC 的主流工艺最高的也不过 28nm 工艺,这些工艺国内代工厂都已经量产,着国内企业加速新产品的研发,突破高端产品,国内显示 IC 会逐步实现进口替代。

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