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巨量转移技术获新进展?μLED应用市场将呈M型化发展

导读: 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”。

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,当然要先知道什么是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管,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。以台厂晶电的定义为例,一般的LED晶粒是介于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

由于晶粒尺寸的差异,其各自的应用也就有所不同。一般的LED芯片以照明与显示器背光模块为主;至于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;至于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,几乎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。

目前μLED最大的生产挑战就在于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,经常用于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,最大的困难就在于如何将如此大量的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微缩至微米级会有硅材质易碎的问题,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,然后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。

关键的问题就在于良率可以达到多少,以及产能是否合乎成本。

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,除非对于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,包含中国台湾地区的镎创科技(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吋Micro LED电视“The Wall”,其是使用模块化拼接的方式,达成了大尺寸面板效果。

相较于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,可能都是属于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技术的研发上中国台湾其实并没有落后,甚至还可能有超前的机会。台工研院早在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电视几乎就是这样的情形。

而对于巨量转移技术,吴志毅博士则透漏,目前台工研院也已有相关的解决方案,但他仍无法透漏相关的信息,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吋到8吋晶圆上,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;至于使用的技术形式,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。

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