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Micro LED的關鍵生產技術-「巨量轉移」

2018-03-23 08:48CTimes零組件

【作者: 籃貫銘】

2018年3月(第317期)
2018年3月(第317期)
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Micro LED技術被炒得震天價響,儼然是次世代的顯示技術霸主,更是2018年的顯示明星。然而,目前Micro LED依然存在許多的難題,不管是製程技術、檢驗標準,或者是生產成本,都與大量商業應用有著很大的距離,而其中一個最主要的挑戰,就是如何導入大量生產,以降低其製造成本,而此一環節被稱為「巨量轉移」。

要理解巨量轉移,當然要先知道什麼是Micro LED,以及它跟傳統的LED有何不同之處。Micro LED的英文全名是「Micro Light Emitting Diode」,中文也就稱作是微發光二極體,也可以寫作「μLED」。

與一般LED最大的不同之處,當然是尺寸。但是多少的尺寸才能稱作Micro LED,目前仍未有統一的標準,因此都是製造商各自表述的情況。以台灣晶電的定義為例,一般的LED晶粒是介於200~300微米(micrometer, μm),Mini LED(被稱為Micro LED前身)約50~60微米,而Micro LED則是在15微米。

μLED完勝所有顯示技術 成本與量產是唯一挑戰

由於晶粒尺寸的差異,其各自的應用也就有所不同。一般的LED晶片以照明與顯示器背光模組為主;至於Mini LED則也將會運用在背光應用上,但會是在高階的消費產品,或者是車用市場,如群創光電的AM miniLED就是運用在車用顯示上;至於Micro LED,其應用概念跟前兩者則完全不同,將會是一種全新的顯示技術,而它的競爭對象則會是OLED。

從技術規格與應用概念來看,μLED在亮度、反應速度、電耗與耐用度上皆完勝目前市面上的顯示技術,幾乎可以說是具備完全取代LCD和OLED顯示的潛力,但唯一的問題就是其生產成本與量產的能力。

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目前μLED最大的生產挑戰就在於如何把巨量的微米等級的LED晶粒,透過高準度的設備,將之佈置在目標基板或者電路上,而此一程序被稱為巨量轉移(Mass Transfer)。

事實上,巨量轉移是一個學術名詞,經常用於物質處理流程的工程設計上,它涉及物理系統內的物質或粒子的擴散和對流。

更具體的說,巨量轉移是在描述一個化學或物理的機制,它是一種運輸的現象,它意指大數量的點(分子或粒子)從某一端移動到另一端。它可以是單一階段,或者多重階段,且涉及一個液體或者氣體的階段,有時候也可能在固體物質中發生。

一個經典的巨量轉移範例,就是水的「蒸發」,透過蒸發現象,能讓大量的水分粒子移動到另一個物質上,同理,擴散也是如此。

如何搬運數千萬顆微米級LED晶粒的挑戰

而用在μLED的生產上,就是要把數百萬甚至數千萬顆微米級的LED晶粒正確且有效率的移動到電路基板上。以一個4K電視為例,需要轉移的晶粒就高達2400萬顆(以4000 x 2000 x RGB三色計算),即使一次轉移1萬顆,也需要重複2400次。

台灣的工研院目前也正在著手研發巨量轉移的相關技術,而主要負責的單位則是電子與光電系統研究所。電光所所長吳志毅博士就表示:「目前LED與顯示面板的製程已相對成熟,最大的困難就在於如何將如此大量的μLED晶粒進行轉移。」

吳志毅博士指出,雖然生產微米級μLED晶粒不易,但仍是有設備可以做到,只是良率與產量的問題,例如紅光LED微縮至微米級會有矽材質易碎的問題,但還是有法可行,唯有巨量轉移目前仍沒有一個好的解決方案。

就因為巨量轉移的良率與效率具備很高的技術難度,因此目前包含蘋果、三星和索尼都正積極研究突破之道。

吳志毅博士表示,要達成巨量轉移的原理其實很簡單,就是產生一個作用力將μLED晶粒精準的吸附起來,然後將之轉移到目標背板上,再精準的釋放。而可以使用的原理有:真空、靜電、沾黏、UV和電子作用等。

關鍵的問題就在於良率可以達到多少,以及產能是否合乎成本。

如果不考慮產能的話,透過目前的轉移設備,如Pick-and-Place的方式,也是可以製作出μLED顯示面板,但其成本將會非常昂貴,除非對於價格很不敏感的客戶和應用,否則很難有商業發展的空間。

目前已有幾家業者宣布其在小尺寸面板上取得初步的成功,包含臺灣的錼創科技(PlayNitride)、晶電、蘋果收購的LuxVue、日本的索尼,以及韓國的三星,但這些業者皆沒有透露其轉移的形式與技術,當然產量與產能也沒有公布。

而在今年CES 2018展上,三星展示的146吋Micro LED電視「The Wall」,其是使用模組化拼接的方式,達成了大尺寸面板效果。

相較於μLED急需巨量轉移技術來解決其量產的問題,晶粒尺寸在50~60微米間的Mini LED則完全可使用既有的生產設備來進行量產,因此目前的LED製造商皆先選擇投入此一過渡的產品,甚至三星和索尼先前發表的Micro LED產品,可能都是屬於Mini LED等級並透過現有設備來生產的產品。

這些國際大廠頻頻的動作當然引來市場的關注,但在μLED技術的研發上台灣其實並沒有落後,甚至還可能有超前的機會。工研院早在2009年就開始投入μLED技術的研發,只是一開始沒有要往主流顯示應用發展,但隨著市場與技術的演進,也逐漸意識到其市場的潛力。

「當時我們認為OLED可以,LED也一定可以。」吳志毅博士說道。

他指出,理論上,LED能夠取代目前所有的OLED顯示產品,唯一的問題就是製造成本和所謂的C/P值,如果做出的產品售價居高不下而乏人問津,那就沒有發展的價值。幾年前的OLED電視幾乎就是這樣的情形。

而對於巨量轉移技術,吳志毅博士則透漏,目前工研院也已有相關的解決方案,但他仍無法透漏相關的資訊,僅回應今年將會有相關的技術發表,請大家拭目以待。

但他認為,目前巨量轉移最可行的製程還是在6吋到8吋晶圓上,並以小尺寸的顯示應用為主,大尺寸的顯示應用只能透過拼貼的方式來進行,才能解決生產成本的問題;至於使用的技術形式,則是會是以吸附轉移的方式,也就是利用靜電、凡得瓦力或其他的作用力來轉移。

μLED應用市場將呈現M型化發展

也由於轉移的技術不易,且產量和良率受限的緣故,因此μLED的應用市場將會呈現M型化來發展,也就是先從極大和極小的兩個尺寸開始,最後才會逐漸往數量最大的消費性電子和電視的尺寸來發展。但能不能發展至主流消費性電子產品市場,甚至取代目前的OLED電視或LCD電視,則需視屆時的生產成本。

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吳志毅博士表示,由於LED的特性就是發光面積小於元件面積,因此非常適合以拼接的方式來生產超大尺寸的顯示面板,尤其是戶外或者是公共空間的大尺寸顯示幕,再加上這些應用對於價格的敏感度不高,因此將會是μLED顯示的第一個商用市場。

而接在超大尺寸之後,就會是超小型的顯示應用,例如穿戴式和AR/VR裝置,尤其是AR和VR。吳志毅博士表示,μLED的高亮度、低功耗和高反應速度特性,非常適用於這些應用,不僅能克服日光下顯示的問題,也能改善電耗,同時也能滿足遊戲的高速顯示需求。

只不過吳志毅博士並不認為μLED會大量進入消費性電子市場,尤其是一般的家用電視市場。他認為,目前μLED的生產成本仍十分昂貴,就算製程成熟,也是會高於LCD面板甚多,就算顯示性能極佳,也不易說服消費者購買,因此仍需一段時間來觀察。

但至少現在可以清楚的知道一件事,就是在巨量轉移技術成熟之前,μLED的產品和應用都距離實際商用市場十分遙遠,最快也要等到今年下半年之後,才會有更具體的技術細節被揭露。而在那之前,所有關於μLED的一切,恐怕都只是個願景和話題而已。

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零組件雜誌以「全球中文文化性」為編輯觀點,來報導相關電子零組件之設計應用、生產製造與行銷通路,是一份提供電子零組件完整解決方案的產業知識媒體。

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