Designing a reliable future for Ultra-Fine-Pitch LED
LCD and projection technology currently holds a majority of the digital signage market at over 80 percent. Yet LED display image quality has begun to emerge as a rival to these other technologies in many applications and will soon surpass each with the inherent mature display solution. While the display performance design and implementation of Ultra-Fine-Pitch is now competitive, there is significant work ahead for manufacturers to realize the vast market potential of these displays.
Reliability
The first key factor is reliability. The market potential will be maximized only through continuous improvements in the system design for reliability and life. Next generation Ultra-Fine-Pitch LED must target and plan to attain the reliability demonstrated by DLP projection and LCD. Expecting more from the LED display designer in order to align performance to the application requirements is absolutely imperative. And all aspects of the display should be addressed to attain maximum benefit.
Next generation designs will benefit from improvements in reliability by addressing several pieces such as the individual LED die, RGB SMD LED package, SMT processing, driver design, power supplies, components, connectors and cables. These adjustments to a final system will yield better displays with longer life and greater reliability. By addressing, implementing and promoting reliability improvements, Ultra-Fine-Pitch LED display systems can be successfully applied across the widest spectrum of the market.
Failure
Another issue of major importance when all these factors are put together is the Mean Time Between Failure or MTBF of the display.
While each physical element detailed above has an impact on the reliability of the overall display after it is installed, the RGB SMD LED package has the least favorable MTBF. The subset of the root cause of failure of the LED package can include:
moisture ingress
package PPA material degradation;
bond wires on the metal and the die surface;
die surface metal migration due to reverse bias/current;
ESD damage; and
die failure due to poor fabrication
In addition there are performance degradation issues including droop, overheating and primary color shift as well as luminance inconsistencies. As you might have already ascertained, LED reliability matters significantly to the display.
To dive right into MTBF and what it means to the display owner: There are over 2M RGB, SMD LED packages in an HD display, and over 8M in a 4K display. Each of these packages contains one red, green and blue LED die. So when we discuss failure rates and the MTBF, we are discussing 6M to 24M individual LED die that each has a statistical probability of failure.
Often, the industry will reference the PPM failures expected in the first year of operation for LED packages and it is not unusual to hear PPM rates quoted from 30 PPM to 300 PPM. A 300 PPM failure rate even sounds impressive. However, if indeed the PPM failure was 300 for a deployed HD display, the user could expect about 600 failures of LEDs in the first year.
Now 600 out of 2M sounds low, but keep in mind that the average viewing is less than one picture height away from the display in a conference room or tight viewing area. As a result, the user will see the failures and likely not be satisfied with that 300 PPM result. In addition if the user expects a perfect display, the maintenance cycle might be as much as every week (Failures in Time) with up to 12 modules needing replacement.
Obviously a higher standard is needed. Even 30 PPM is statistically ~60 failures per year and potentially a repair cycle each month. Should a "bright column" failure mode occur, the panel would need to be replaced before use in order to be visually acceptable to the user.
As customers see Ultra-Fine-Pitch displays replace the DLP projector or the LCD panel, the expectations from the users will likely be in the 10 PPM to meet expectations. The LED Digital Display industry must strive to produce and deploy devices with the much lower failure rates than are typical in our industry for the 1010 or 0808 packages, and as the industry delivers this type of reliability the market will expand rapidly without pause.
Solutions
Some easy initial solutions to the failure rate would be to eliminate the infant mortality (early life failures) issues. This can be completed through effective burn-in and early stress screening. In fact, designers can incorporate HASS (Highly Accelerated Stress Screening) and HALT (Highly Accelerated Life Testing) to verify design and manufacturing processes to assure the right reliability performance in the field. As failures occur it is also critical that the manufacturers perform Failure Modes and Effects Analysis (FMEA) steps to determine and eliminate the root cause of the failures; continuous improvement is required.
The goal is the right reliability performance for the right application and Ultra-Fine-Pitch requires high reliability standards throughout the process. One additional factor is temperature. A hot display will fail earlier if all other factors are the same. Designers must keep package (and therefore junction) temperatures well below 70 degrees Celsius in UHP; recent providers are exceeding those temperature levels.
Ultra-Fine Pitch LED displays have a great current and rapidly growing future market, and the industry will exceed even those expectations if reliability is addressed appropriately in the design and LED device specification phase. Long-term reliability means the lowest maintenance costs and it creates important realizable selling features and value in the market.
Both the LED display industry and company will benefit in reputation and sales by maximizing the reliability feature in the overall specification. The need and the capability to address this opportunity for a very successful product and market result has been put in place by companies incorporating reliability in the design phase.
Source: HPMLED
(Versión en español)
Diseñar un futuro confiable para el LED Ultra-Fine-Pitch
Las soluciones de LED fino y ultrafino continuan explotando en aplicaciones y pedidos. El mes pasado de hecho, una sola oportunidad de exhibición para una pantalla LED de 1,25 mm de píxeles de tono en los EE.UU. empujó más de $ 5 millones. Oportunidades para pantallas que ofrecen resolución nativa HD y 4K están surgiendo a un ritmo asombroso y en todas las verticales incluyendo entretenimiento, control de comandos y sistemas de gobierno de los Estados Unidos. Hay una línea en la arena, las pantallas LED Ultra-Fine-Pitch están reemplazando las paredes LCD y los sistemas DLP de proyección.
LCD y la tecnología de proyección actualmente tiene una mayoría del mercado de señalización digital en más del 80 por ciento. Sin embargo, la calidad de imagen de pantalla LED ha comenzado a surgir como un rival a estas otras tecnologías en muchas aplicaciones y pronto superará a cada uno con la solución de pantalla madura inherente. Mientras que el diseño de rendimiento de la pantalla y la implementación de Ultra-Fine-Pitch ahora es competitivo, hay un trabajo importante por delante para los fabricantes para realizar el gran potencial de mercado de estas pantallas.
Confiabilidad
El primer factor clave es la fiabilidad. El potencial del mercado se maximizará sólo a través de mejoras continuas en el diseño del sistema para la fiabilidad y la vida. El LED Ultra-Fine-Pitch de próxima generación debe orientarse y planear para lograr la fiabilidad demostrada por la proyección DLP y LCD. Esperando más del diseñador de pantalla LED con el fin de alinear el rendimiento con los requisitos de aplicación es absolutamente imprescindible. Y todos los aspectos de la exhibición deben ser dirigidos para alcanzar el beneficio máximo.
Los diseños de nueva generación se beneficiarán de las mejoras en la fiabilidad al abordar varias piezas como la matriz LED individual, SMD LED paquete RGB, procesamiento SMT, diseño del controlador, fuentes de alimentación, componentes, conectores y cables. Estos ajustes a un sistema final producirán mejores exhibiciones con vida más larga y mayor confiabilidad. Al abordar, implementar y promover mejoras de confiabilidad, los sistemas de visualización LED Ultra-Fine-Pitch pueden aplicarse con éxito a través del espectro más amplio del mercado.
Fracaso
Otra cuestión de gran importancia cuando se combinan todos estos factores es el Tiempo Medio Entre Fallas o MTBF de la pantalla.
Si bien cada elemento físico detallado anteriormente tiene un impacto en la fiabilidad de la pantalla general después de su instalación, el paquete RGB SMD LED tiene el MTBF menos favorable. El subconjunto de la causa raíz del fallo del paquete de LED puede incluir:
Entrada de humedad
Paquete PPA degradación del material;
Unir los alambres sobre el metal y la superficie de la matriz;
La migración del metal superficial debido a polarización inversa / corriente;
Daño por ESD; y
Fracaso debido a una mala fabricación
Además, hay problemas de degradación del rendimiento, incluyendo caída, sobrecalentamiento y cambio de color primario, así como inconsistencias de luminancia. Como ya habrás comprobado, la confiabilidad del LED es importante para la pantalla.
Para bucear a la derecha en MTBF y lo que significa para el propietario de la pantalla: Hay más de 2M RGB, SMD LED paquetes en una pantalla HD, y más de 8M en una pantalla de 4K. Cada uno de estos paquetes contiene un LED rojo, verde y azul. Así que cuando hablamos de las tasas de fracaso y el MTBF, estamos discutiendo 6M a 24M LED individuales cada uno dado que tiene una probabilidad estadística de fracaso.
A menudo, la industria hará referencia a los fallos de PPM esperados en el primer año de operación para paquetes de LED y no es inusual oír las tasas de PPM citadas de 30 PPM a 300 PPM. Una tasa de fallos de 300 PPM incluso suena impresionante. Sin embargo, si de hecho el fallo PPM fue de 300 para una pantalla HD desplegada, el usuario podría esperar unos 600 fallos de LED en el primer año.
Ahora 600 de 2M sonidos bajos, pero tenga en cuenta que el promedio de visualización es inferior a una altura de la imagen de la pantalla en una sala de conferencias o zona de visualización estrecha. Como resultado, el usuario verá los fallos y probablemente no estará satisfecho con ese resultado de 300 PPM. Además, si el usuario espera una visualización perfecta, el ciclo de mantenimiento puede ser tanto como cada semana (Failures in Time) con hasta 12 módulos que necesitan ser reemplazados.
Obviamente se necesita un estándar más alto. Incluso 30 PPM es estadísticamente ~ 60 fallas por año y potencialmente un ciclo de reparación cada mes. Si se produce un modo de fallo de "columna brillante", el panel necesitará ser reemplazado antes de su uso para que sea visualmente aceptable para el usuario.
A medida que los clientes ven las pantallas Ultra-Fine-Pitch reemplazar el proyector DLP o el panel LCD, las expectativas de los usuarios serán probablemente en los 10 PPM para cumplir con las expectativas. La industria de la exhibición digital del LED debe esforzarse producir y desplegar los dispositivos con las tarifas mucho más bajas del fracaso que son típicas en nuestra industria para los paquetes 1010 o 0808, y como la industria entrega este tipo de confiabilidad el mercado se ampliará rápidamente sin pausa
Soluciones
Algunas soluciones iniciales fáciles a la tasa de fracaso sería eliminar los problemas de mortalidad infantil (fallecimientos tempranos de la vida). Esto se puede completar mediante la detección eficaz de quemaduras y estrés temprano. De hecho, los diseñadores pueden incorporar HASS (Highly Accelerated Stress Screening) y HALT (Highly Accelerated Life Testing) para verificar los procesos de diseño y fabricación para asegurar el correcto funcionamiento de la confiabilidad en el campo. A medida que se producen fallos, también es crítico que los fabricantes realicen pasos de Failure Modes and Effects Analysis (FMEA) para determinar y eliminar la causa raíz de los fallos; Se requiere una mejora continua.
El objetivo es el correcto rendimiento de fiabilidad para la aplicación correcta y Ultra-Fine-Pitch requiere altos estándares de fiabilidad durante todo el proceso. Un factor adicional es la temperatura. Una pantalla caliente fallará antes si todos los demás factores son iguales. Los diseñadores deben mantener las temperaturas del paquete (y por lo tanto de la unión) muy por debajo de los 70 grados Celsius en UHP; Los proveedores recientes están superando esos niveles de temperatura.
Las pantallas LED ultra finas tienen un gran mercado actual y de rápido crecimiento, y la industria superará incluso esas expectativas si la fiabilidad se aborda adecuadamente en la fase de diseño y especificación del dispositivo LED. La fiabilidad a largo plazo significa los costes de mantenimiento más bajos y crea importantes características de venta realizables y valor en el mercado.
Tanto la industria de la pantalla LED como la empresa se beneficiarán de la reputación y las ventas al maximizar la característica de fiabilidad en la especificación general. La necesidad y la capacidad de abordar esta oportunidad para un producto de gran éxito y resultado de mercado ha sido puesto en marcha por las empresas que incorporan la fiabilidad en la fase de diseño.
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