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从红光晶粒到弱化结构 工研院四方合作Micro LED显示技术再进化

2019-06-27 11:55
来源: 科技新报

工研院携手LED 驱动IC 厂聚积科技、PCB厂欣兴电子与半导体厂錼创科技,四方合力研发的次世代显示技术微发光二极体(Micro LED)又有新进展。继去年展出全球第一个直接转移至PCB 基板的Micro LED 显示模组后,时隔一年再公开的合作结晶成功实现了“『R』GB”全彩,但小小一块板子背后所要解决的技术问题尽是挑战。

红光良率不比蓝绿,弱化结构更是难题

Micro LED 技术谈了好多年,众所周知这是一门需要颠覆传统制程、牵涉产业领域甚广的破坏式创新技术,各个技术环节对领域专家而言都有不易突破的瓶颈。去年工研院与三厂合作开发的被动矩阵式驱动超小间距Micro LED 显示模组,成功将Micro LED 阵列晶粒直接转移到PCB 基板,只是“R”GB 全彩独缺红光。经过一番努力,今年总算是让红光“亮”了相。

有别于先前6 cm x 6 cm 的Micro LED 显示模组,间距(Pitch)小于800 μm、解析度80 x 80 pixel,新版模组尺寸为6 cm x 10 cm,间距约在700 μm 以下、解析度96 x 160 pixel,LED 晶粒尺寸则同样在100 μm内。从前端制程到后端转移,工研院电光所智能应用微系统组副组长方彦翔博士提到两大技术难题,一是红光晶片利用率与良率不足,二是“弱化结构”。

▲2018 年所展出的超小间距Micro LED 显示模组独缺红光,间距小于800 μm、解析度80 x 80 pixel

▲2019 年新版Micro LED 显示模组成功达成RGB,间距约700 μm以下、解析度96 x 160 pixel

“以晶粒利用率和良率来看,红光还是问题,”方彦翔以4 吋LED 晶圆为例指出,晶圆扣除2 mm 外径后,可用区域的良率在单一标准值下或许可达99%,也就是单看波长(Dominant Wavelength,Wd)、驱动电压(Forward Voltage,Vf)或反向漏电(流)(Reverse Leakage (Current),Ir);但若三项数值标准都要兼备,整体良率很可能不到60%,尤其红光受限于材料与特性,或许连50% 良率都未必能达到。

光看可用区域的良率并不够,方彦翔表示,Micro LED 制程下需要针对转移的面积去定义良率。简单来说,假设巨量转移模组的转移面积是6 cm x 3 cm,就表示在该矩形区域(block)里的Micro LED 阵列晶粒都必须符合前述三项良率标准,不能有坏点才能进行转移,也就是说整片晶圆里可能只有某个特定区块符合所有标准,良率不够稳定导致能转移的区域少、整片利用率也大幅下降。以目前产业最顶尖的技术来说,晶圆晶粒要做到超高均匀度都还有很大努力空间。

▲红光受限于材料与特性,良率比蓝光、绿光相对更低

不仅Micro LED 红光良率有待改善,具有弱化结构的Micro LED 更是难求。

弱化结构是巨量转移成功与否的一大关键。方彦翔说明,Micro LED 晶粒在制程阶段得先跟矽或玻璃等材质的暂时基板接合,再透过雷射剥离(laser lift-off)去除蓝宝石基板,接着以覆晶形式将原本的LED 结构翻转、正面朝下,并使P 型与N 型电极制作于同一侧,对于微缩到微米等级的Micro LED 来说又更具难度。

为了让Micro LED 在巨量转移的吸取过程中,能够顺利脱离暂时基板又不至破片,因此得在LED 下方制作中空型的弱化结构,也就是以小于1 μm 的微米级柱子支撑。当转移模组向上吸取LED 时,只要断开柱子便能将Micro LED 脱离暂时基板,再转移下压至TFT 或PCB 板上,但这一步骤也考验LED 本身够不够强固、承受压力时是否仍能保持完好,而红光比起蓝光和绿光相对更脆弱易破,加上PCB 板粗糙度(roughness)较大、上下高低差大于200 μm,稍微施压不当就可能降低红光转移成功率。

至于玻璃基板则因为粗糙度没有PCB 板来得大,Micro LED 转移难度也相对较低。去年工研院便展出过一款6 cm x 6 cm、间距约750 μm、解析度80 x 80 pixel 的Micro LED 透明显示模组,所采用的就是超薄玻璃基板,技术上成功实现了RGB 三色;而今年所制作的新版Micro LED 透明显示模组,尺寸为4.8 cm x 4.8 cm,间距约375 μm、解析度120 x 120 pixel,明显比前一款的显示效果更为细致。

▲2018 年版Micro LED 透明显示模组,间距约750 μm、解析度80 x 80 pixel

▲2019 年版Micro LED 透明显示模组,间距约375 μm、解析度120 x 120 pixel

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