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Micro LED的关键生产技术━「巨量转移」
该如何把数千万颗微米级LED晶粒移动到电路基板上

【作者: 籃貫銘】2018年03月20日 星期二

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Micro LED技术被炒得震天价响,俨然是次世代的显示技术霸主,更是2018年的显示明星。然而,目前Micro LED依然存在许多的难题,不管是制程技术、检验标准,或者是生产成本,都与大量商业应用有着很大的距离,而其中一个最主要的挑战,就是如何导入大量生产,以降低其制造成本,而此一环节被称为「巨量转移」。


要理解巨量转移,当然要先知道什麽是Micro LED,以及它跟传统的LED有何不同之处。Micro LED的英文全名是「Micro Light Emitting Diode」,中文也就称作是微发光二极体,也可以写作「μLED」。


与一般LED最大的不同之处,当然是尺寸。但是多少的尺寸才能称作Micro LED,目前仍未有统一的标准,因此都是制造商各自表述的情况。以台湾晶电的定义为例,一般的LED晶粒是介於200~300微米(micrometer, μm),Mini LED(被称为Micro LED前身)约50~60微米,而Micro LED则是在15微米。


μLED完胜所有显示技术 成本与量产是唯一挑战

由於晶粒尺寸的差异,其各自的应用也就有所不同。一般的LED晶片以照明与显示器背光模组为主;至於Mini LED则也将会运用在背光应用上,但会是在高阶的消费产品,或者是车用市场,如群创光电的AM miniLED就是运用在车用显示上;至於Micro LED,其应用概念跟前两者则完全不同,将会是一种全新的显示技术,而它的竞争对象则会是OLED。


从技术规格与应用概念来看,μLED在亮度、反应速度、电耗与耐用度上皆完胜目前市面上的显示技术,几??可以说是具备完全取代LCD和OLED显示的潜力,但唯一的问题就是其生产成本与量产的能力。



图一
图一

目前μLED最大的生产挑战就在於如何把巨量的微米等级的LED晶粒,透过高准度的设备,将之布置在目标基板或者电路上,而此一程序被称为巨量转移(Mass Transfer)。


事实上,巨量转移是一个学术名词,经常用於物质处理流程的工程设计上,它涉及物理系统内的物质或粒子的扩散和对流。


更具体的说,巨量转移是在描述一个化学或物理的机制,它是一种运输的现象,它意指大数量的点(分子或粒子)从某一端移动到另一端。它可以是单一阶段,或者多重阶段,且涉及一个液体或者气体的阶段,有时候也可能在固体物质中发生。


一个经典的巨量转移范例,就是水的「蒸发」,透过蒸发现象,能让大量的水分粒子移动到另一个物质上,同理,扩散也是如此。


如何搬运数千万颗微米级LED晶粒的挑战

而用在μLED的生产上,就是要把数百万甚至数千万颗微米级的LED晶粒正确且有效率的移动到电路基板上。以一个4K电视为例,需要转移的晶粒就高达2400万颗(以4000 x 2000 x RGB三色计算),即使一次转移1万颗,也需要重复2400次。


台湾的工研院目前也正在着手研发巨量转移的相关技术,而主要负责的单位则是电子与光电系统研究所。电光所所长吴志毅博士就表示:「目前LED与显示面板的制程已相对成熟,最大的困难就在於如何将如此大量的μLED晶粒进行转移。」


吴志毅博士指出,虽然生产微米级μLED晶粒不易,但仍是有设备可以做到,只是良率与产量的问题,例如红光LED微缩至微米级会有矽材质易碎的问题,但还是有法可行,唯有巨量转移目前仍没有一个好的解决方案。


就因为巨量转移的良率与效率具备很高的技术难度,因此目前包含苹果、三星和索尼都正积极研究突破之道。


吴志毅博士表示,要达成巨量转移的原理其实很简单,就是产生一个作用力将μLED晶粒精准的吸附起来,然後将之转移到目标背板上,再精准的释放。而可以使用的原理有:真空、静电、沾黏、UV和电子作用等。


关键的问题就在於良率可以达到多少,以及产能是否合??成本。


如果不考虑产能的话,透过目前的转移设备,如Pick-and-Place的方式,也是可以制作出μLED显示面板,但其成本将会非常昂贵,除非对於价格很不敏感的客户和应用,否则很难有商业发展的空间。


目前已有几家业者宣布其在小尺寸面板上取得初步的成功,包含台湾的??创科技(PlayNitride)、晶电、苹果收购的LuxVue、日本的索尼,以及韩国的三星,但这些业者皆没有透露其转移的形式与技术,当然产量与产能也没有公布。


而在今年CES 2018展上,三星展示的146寸Micro LED电视「The Wall」,其是使用模组化拼接的方式,达成了大尺寸面板效果。


相较於μLED急需巨量转移技术来解决其量产的问题,晶粒尺寸在50~60微米间的Mini LED则完全可使用既有的生产设备来进行量产,因此目前的LED制造商皆先选择投入此一过渡的产品,甚至三星和索尼先前发表的Micro LED产品,可能都是属於Mini LED等级并透过现有设备来生产的产品。


这些国际大厂频频的动作当然引来市场的关注,但在μLED技术的研发上台湾其实并没有落後,甚至还可能有超前的机会。工研院早在2009年就开始投入μLED技术的研发,只是一开始没有要往主流显示应用发展,但随着市场与技术的演进,也逐渐意识到其市场的潜力。


「当时我们认为OLED可以,LED也一定可以。」吴志毅博士说道。


他指出,理论上,LED能够取代目前所有的OLED显示产品,唯一的问题就是制造成本和所谓的C/P值,如果做出的产品售价居高不下而乏人问津,那就没有发展的价值。几年前的OLED电视几??就是这样的情形。


而对於巨量转移技术,吴志毅博士则透漏,目前工研院也已有相关的解决方案,但他仍无法透漏相关的资讯,仅回应今年将会有相关的技术发表,请大家拭目以待。


但他认为,目前巨量转移最可行的制程还是在6寸到8寸晶圆上,并以小尺寸的显示应用为主,大尺寸的显示应用只能透过拼贴的方式来进行,才能解决生产成本的问题;至於使用的技术形式,则是会是以吸附转移的方式,也就是利用静电、凡得瓦力或其他的作用力来转移。


μLED应用市场将呈现M型化发展


图二
图二

也由於转移的技术不易,且产量和良率受限的缘故,因此μLED的应用市场将会呈现M型化来发展,也就是先从极大和极小的两个尺寸开始,最後才会逐渐往数量最大的消费性电子和电视的尺寸来发展。但能不能发展至主流消费性电子产品市场,甚至取代目前的OLED电视或LCD电视,则需视届时的生产成本。


吴志毅博士表示,由於LED的特性就是发光面积小於元件面积,因此非常适合以拼接的方式来生产超大尺寸的显示面板,尤其是户外或者是公共空间的大尺寸显示幕,再加上这些应用对於价格的敏感度不高,因此将会是μLED显示的第一个商用市场。


而接在超大尺寸之後,就会是超小型的显示应用,例如穿戴式和AR/VR装置,尤其是AR和VR。吴志毅博士表示,μLED的高亮度、低功耗和高反应速度特性,非常适用於这些应用,不仅能克服日光下显示的问题,也能改善电耗,同时也能满足游戏的高速显示需求。


只不过吴志毅博士并不认为μLED会大量进入消费性电子市场,尤其是一般的家用电视市场。他认为,目前μLED的生产成本仍十分昂贵,就算制程成熟,也是会高於LCD面板甚多,就算显示性能极隹,也不易说服消费者购买,因此仍需一段时间来观察。


但至少现在可以清楚的知道一件事,就是在巨量转移技术成熟之前,μLED的产品和应用都距离实际商用市场十分遥远,最快也要等到今年下半年之後,才会有更具体的技术细节被揭露。而在那之前,所有关於μLED的一切,恐怕都只是个愿景和话题而已。


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