Rozbiórka: podświetlenie miniLED w iPad Pro

Po latach oczekiwania, Apple w końcu wypuściło swój pierwszy wyświelacz oparty na miniLED, zainstalowany w najnowszym iPad Pro. Firma System Plus Consulting opublikowała właśnie pełny raport dotyczący rozbiórki jednostki podświetlenia wraz z analizą technologii i jej kosztów. 

Producenci wyświetlaczy ciekłokrystalicznych (LCD) od dawna stosują przyciemnianie lokalne (full-array local dimming, FALD), aby poprawić kontrast swoich paneli. W wyświetlaczach LCD efekty depolaryzacji w warstwach tranzystorów TFT, komórek ciekłokrystalicznych i filtrach barwnych powodują minimalne świecenie - dlatego też, nawet gdy piksel jest wyłączony, z jednostki podświetlenia (BLU) zawsze ‘wycieka’ szczątkowa ilość światła, powodując słaby kontrast obrazu. Aby ulepszyć właściwości wyświetlacza LCD, stosuje się całościowe lub lokalne przyciemnianie podświetlenia. W przypadku przyciemniania lokalnego, wyświetlacz jest podzielony na wiele stref, w których podświetlenie można kontrolować indywidualnie i całkowicie wyłączyć w ciemnych obszarach obrazu, jak pokazano na rysunku poniżej.

Do tej pory FALD były używane tylko w telewizorach i monitorach stacjonarnych PC, ale nie w wyświetlaczach urządzeń mobilnych, takich jak laptopy, tablety czy telefony komórkowe. Jednym z powodów jest to, że umieszczając skierowane w stronę widza diody LED z tyłu wyświetlacza, zwiększa się grubość urządzenia. Sama obudowa LED jest wówczas nie tylko stosunkowo gruba, ale ponadto wymagana jest też wystarczająca odległość, aby światło z poszczególnych chipów rozchodziło się równomiernie po ekranie, eliminując tzw. ‘gorące punkty’ (hot spots).

Nadchodzą miniLED'y

MiniLED rozwiązują ten problem, mnożąc liczbę jednostek LED oraz zmniejszając w ten sposób odstępy między poszczególnymi źródłami światła, a co za tym idzie, zmniejszając również grubość podświetlenia. Co ciekawe, mogą też znacząco zwiększyć liczbę stref, co powinno zredukować efekt ‘blooming’ - efekt halo, gdy jasne obiekty, znacznie mniejsze niż poszczególne strefy przyciemniania, są wyświetlane na bardzo ciemnym tle.

Ostatecznie, dobrze zaprojektowane podświetlenia miniLED mogą poprawić kontrast wyświetlacza LCD do poziomu zbliżonego do parametrów OLED, zachowując jednocześnie wysoką jasność LCD i długą żywotność, eliminując powszechne obawy o ‘wypalenie’. Mogą również zmniejszyć zużycie energii, ponieważ większość stref będzie wyłączona na ciemnych obrazach lub ich jasność nie będzie pełna. 

Dlaczego więc nie podświetlenie miniLED nie jest powszechnie stosowane? Odpowiedzią jest koszt. Więcej jednostek diod LED oznacza wyższy koszt chipów, a większa liczba stref oznacza więcej sterowników. Jednym z możliwych sposobów obniżenia kosztów jest stworzenie jak najmniejszych LED. Jednak to sprawia, że produkcja chipów jest bardziej skomplikowana, zwiększa się wrażliwość na defekty i zmniejsza wydajność. Zmniejszając odstęp między padami, miniLED utrudniają również montaż matrycy na PCB: wymagana dotyczące dokładności montażu, idealnie płaskiego PCB oraz dokładności litografii stają się bardzo rygorystyczne. Koszty ponownie więc rosną.

Sekrety MiniLED iPad’a Pro firmy Apple

Projektowanie i produkcja miniLED BLU to skomplikowana sztuka, która musi zrównoważyć technologię, wydajność i koszty. Rozbiórka jednostki podświetlającej miniLED iPad’a Pro przeprowadzona przez firmę System Plus ujawnia, że urządzenie wykorzystuje 10.384 chipów miniLED, zamontowanych bezpośrednio na specjalnej płytce drukowanej, tworząc 2.596 stref. MiniLED, produkowane przez Epistar, nie są tak małe, jak można by się spodziewać, co prowadzi do stosunkowo wysokiego kosztu pojedynczego chipa. Ponadto matryca posiada pewne cechy, takie jak lustra dielektryczne DBR, które są najczęściej stosowane w przypadku większych chipów, używanych do oświetlenia ogólnego lub zastosowań motoryzacyjnych.

Jednak Apple udaje się zarządzać podświetleniem za pomocą niewielkiej liczby niestandardowych sterowników, dostarczonych przez ST Microelectronics. Wydaje się, że obie firmy znalazły dobrą równowagę między kosztami a wydajnością, optymalizując liczbę kanałów i możliwości multipleksowania każdego sterownika.

Podczas gdy kiedyś uważano, że diody OLED są pewnym zwycięzcą w wielu aplikacjach, diody miniLED zmieniają nieco to przekonanie, zapewniając producentom LCD możliwość do zmniejszenia różnic w wydajności i pełniejszego wykorzystania ich ogromnej zainstalowanej mocy produkcyjne LCD. W przypadku paneli średniej wielkości, takich jak tablety i laptopy, daje to możliwość zdobycia silnego przyczółka w segmentach produktów z wyższej półki, podczas gdy producenci OLED intensywnie inwestują w nowe fabryki i technologie stosowane w tych urządzeniach. 

Jednak, jak to często bywa w branży wyświetlaczy i diod LED, redukcja kosztów będzie kluczem do umożliwienia większego upowszechnienia się technologii. Rozbiórka podświetlenia miniLED System Plus Consulting pokazuje, że zrównoważenie kosztów i wydajności nie jest tak proste, jak niektórzy mogą sądzić. SPC przygotowuje też kolejne rozbiórki pokrewnych urządzeń (telewizory, monitory), co pozwoli uzyskać rzeczywisty obraz technologii miniLED BLU i oszacować stosunek kosztów i wydajności. 

Oczywiście, wraz z przejęciem LuxVue przez Apple w 2014 roku, firma rozwija technologię microLED. Jak szeroko omówiono ‘MicroLED Displays – Market, Industry and Technology Trends 2021’, obserwujemy silny rozwój technologii microLED, jednak wciąż pozostaje wiele wyzwań technicznych i obaw związanych z łańcuchem dostaw. Wiele rozwiązań świetnie wygląda na papierze, ale integracja rzeczywistych procesów w środowisku produkcji masowej jest znacznie trudniejsza. Jednak, Apple ma silną motywację do odniesienia sukcesu: MicroLED może zaoferować firmie unikalną, dobrze odróżniającą ją od konkurencji technologię i jednocześnie umożliwić jej kontrolowanie niezależnego od tradycyjnych producentów paneli łańcucha dostaw wyświetlaczy microLED.

Ale dla Apple miniLED to także decyzja strategiczna. iPad to dopiero pierwszy krok - oczekuje się, że MiniLED będzie kluczowym wyróżnikiem nowej generacji nadchodzących MacBooków firmy Apple.