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巨量轉移/修復齊頭並進 Micro LED利基市場先行

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目前Micro LED顯示器,最大的挑戰仍在降低成本。從生產設備的改良、檢測方式的革新以及巨量轉移的開發等,都是廠商正積極努力的方向。由於短期內降低成本的困難度仍高,因此利基型的大尺寸小間距顯示器產品與穿戴式裝置,成為最有機會率先導入市場的應用類別。

工研院電光系統所組長林建中(圖1)表示,市場應用端接受度的高低會影響一個技術的發展,以Micro LED顯示器而言,大尺寸小間距顯示器很可能會是最早進入市場的應用。比方說現有的LCD沒有辦法做出100吋的顯示器,因此Micro LED就可以找到一個利基點進入市場。

圖1 工研院電光系統所組長林建中表示,Micro LED在穿戴式裝置具備良好潛力。

錼創科技(PlayNitride)營運長陳銘章表示,新一代顯示技術Micro LED具備高可靠度、高亮度、對比度和輕薄等優勢,初期市場以高階產品為導向,在顯示技術中將從LCD與OLED較不擅長的領域起步,例如戶外高亮度需求的顯示,或需要高可靠度的車載應用和超大尺寸螢幕等。

小間距顯示器/穿戴式裝置率先登場

在2019年可以看到的Micro LED應用應該會是室內小間距顯示器,另一個則是穿戴式裝置,如智慧手表等。林建中進一步說明,Micro LED在功耗、亮度、對比度、反應和壽命等方面都非常有潛力,比目前看到的LCD或OLED更好。但是整體而言,接下來幾年應該都還是會看到LCD、OLED和Micro LED並存於市場的趨勢。因為LCD長期投入了大量的資本,也已經達到了一定的規模與成熟度,在很多應用上不是新技術容易取代的,加上OLED在過去10年也投入了大量資本,這幾年才看到OLED的市場與應用出現,現在正是要收成的時節。因此儘管Micro LED潛力強大,但若是要談論Micro LED取代LCD或OLED則還有點太早。

林建中指出,三星(Samsung)和LG在2019年都開始用Micro LED做展示用顯示器(75吋或更大),但價格還是偏高。另外,Micro LED在穿戴式裝置的應用是非常有潛力的,由於Micro LED在戶外也能有極好的亮度表現,功耗也非常低,可以持續長時間使用而不用充電。但是商品發表或上市時程還是要看各家大廠的打算,因為穿戴裝置的價格敏感度較高,Micro LED成本偏高,也因此LCD在市場上還是有成本的絕對優勢。

聚積科技(Macroblock)董事長楊立昌(圖2)表示,Micro LED相較於其他顯示技術而言,在顯示器中最重要之亮度、功耗、對比度、壽命、反應速度這幾方面最為突出,也因此蘋果(Apple)、索尼(Sony)、Samsung、FB等國際大廠皆相繼投入此技術之研發;唯獨成本上高於其他顯示技術,也因此須鎖定LCD、OLED較無法切入的利基型產品為主。

圖2 聚積科技董事長楊立昌表示,Micro LED將以大尺寸小間距顯示器為市場最有機會先出現的應用。

楊立昌指出,如果考慮目前現有的技術能力,Micro LED初期將會有兩大應用方向,一是室內小間距顯示器,例如Samsung於2019年CES展出的75吋「The Wall」,在解析度、亮度、對比度上都具有優良的性能。二則是可穿戴市場,也有消息指稱蘋果將在未來的Apple Watch和iPhone上使用Micro LED技術;從短期來看Micro LED市場集中在小型顯示器,從中長期來看,Micro LED的應用領域非常廣泛,橫跨穿戴式設備、室內小間距顯示器、電競螢幕、車載顯示、AR/VR等多個領域。

各廠巨量轉移技術鴨子划水

Micro LED的成本要下降,巨量轉移就要做得好,同時磊晶的品質也非常重要,磊晶要做到光電特性均勻、發光波長均勻,這些都是做LED基本的要求。林建中說明,Micro LED要求又會比一般LED更高,因此對晶圓廠來說,就要更努力去達到這個目標,但是成本的降低和產量也非常有關,當生產量提升,也可以逐步提升良率。因此若能找到應用讓產量提升,相信不久的未來就可以突破這些技術上的問題。

楊立昌指出,目前Micro LED良率以及產量主要可分為晶粒與巨量轉移兩大部分,前者的克服方式為一片晶圓(Wafer)的晶粒波長均勻性一致性比例須提升,如此可提升晶圓利用率並降低成本,最好是能做到100%的良率;後者為巨量轉移的轉移次數或是單次轉移數量要增加,又或是縮小晶粒尺寸提升可修補空間,另外巨量轉移的良率與PCB板的平整度也有直接的關聯,若PCB板不夠平整,會導致晶粒無法順利轉移;但由於兩大問題並未這麼容易可解決,因此檢測與修復設備開發需求就因應而生,檢測設備須縮小可檢測晶粒之尺寸與速度;修復設備則須提升可修復之精度;因此綜合上述所說,若要提升良率、產量必須要從晶粒、巨量轉移、檢測、修復四大方向突破與克服。

楊立昌進一步說明,從基板的角度來看,平坦的程度由高到低是矽基板、玻璃基板、PCB板,穿戴式裝置顯示器可以做在矽基板上,因此較只能做在PCB板上的大型顯示器好做。但目前看來,手表這類穿戴式裝置的市場還是會由三星或蘋果等大廠一手包辦。

另外,現在已經可以看到的Micro LED應用還有中控室大廳的小間距顯示器,新聞主播背後的顯示器,和車展中心的展示螢幕等。

楊立昌表示,同業研究目標集中在Micro LED巨量轉移技術上,轉移有各種方式,包括了激光轉移、電磁吸取、滾軸轉移、流體裝配等不同技術,目前仍無法得知個別技術的成熟度,但僅能就外觀觀察接合良率與晶粒是否破損,至於電性上是否成功接合仍有待進一步考證。目前在巨量轉移技術的工具和設備都要客製化,廠商須自己開規格,各家廠商呈現鴨子划水的局勢各自努力。

目前聚積與開發夥伴致力於用真空吸取的方式來實現巨量轉移,在可量產性已經取得成果,聚積也計畫在2019年底前完成巨量移轉線的設置試產。目前聚積巨量轉移技術的良率可以達到99.9%,共3個9的水準,2019下半年有望達到4個9的目標,也希望可以持續地增加巨量轉移的良率。

巨量修復技術不可少

Micro LED製程與傳統LED不同,除了巨量轉移之外,更不能輕忽的是巨量修復的技術。陳銘章表示,巨量轉移經常被視為一大挑戰,是因為現在市面上並沒有現成的設備可以購買,廠商要進行巨量移轉,必須從設備的開發與改造開始。但是目前錼創已經克服了巨量轉移的挑戰,現在正致力於精進巨量預估和巨量檢測的技術,由於Micro LED已經不再適用傳統LED的製作方式,不可能繼續用單顆檢測的方式,現在必須要能做到一次檢測非常多顆,或一次預估巨量LED的特性。

錼創科技行銷總監劉應蒼(圖3)說明,巨量轉移技術的成功只是拿到了Micro LED的門票,會做巨量轉移代表能夠成功地做出產品,但是若要大量生產,必須掌握巨量修復的技術。針對此技術,錼創已經申請了一個巨量修復技術的解決方案專利SMAR•Tech。進行巨量轉移,良率達到99.9%是一個基本的要求,儘管會繼續改善,但是99.9%仍遠遠不足,因此這些不足的部分就要靠修復來完成。在Micro LED顯示器的製造過程中,缺陷可能會來自磊晶片本身或產生於巨量轉移的過程中。假設99.5%的轉移後良率,一片FHD的顯示器會有超過3萬個壞點。為解決此問題,錼創開發了SMAR•Tech的技術,採用與巨量轉移相似的技術,不同的是,只選擇性的轉移指定位置的Micro LED晶片到不會亮的畫素上,修復壞點。採用SMAR•Tech的技術,可以將原本需3萬次以上的單顆修復方式,縮減到數次到數十次的修復,有效提升修復的效率。可以說巨量修復是巨量轉移的升級版,不只是能夠大面積地取LED晶粒,更要做到大面積指定位置取LED晶粒。

圖3 錼創科技行銷總監劉應蒼說明,新技術的發展都是從高單價市場開始,技術在市場曝光,應用開始出現增加產量後,成本就會降下來。

提高生產量為降低成本關鍵

然而,除了技術挑戰之外,Micro LED成本要下降,最重要的還是要找到應用市場,提高生產量。集邦科技綠能事業處研究協理儲于超(圖4)表示,Micro LED要普及目前最大的問題還是在成本,使用Micro LED技術的面板商品化已經實現,但成本高居不下,消費者普遍仍難以接受。以Samsung為例,在成本高的情況下,三星也將售價拉高到一個螢幕上千萬台幣的價格,將目標先放在高階利基型市場,鎖定企業等消費能力高的客群,並持續尋找解決方案,若成本能下降到一個螢幕5、6萬,一般消費者能夠負擔,Micro LED顯示器就能夠普及。

圖4 集邦科技綠能事業處研究協理儲于超表示,為了提升轉移的效率,檢測和修復的技術也須要一同提升。

持續改良更新技術,Micro LED有望逐步商業化量產,2023年Micro LED市場產值更有機會達到42億美元。

劉應蒼也指出,Micro LED成本難以下降的主要原因還是生產量不夠,良率是工程經驗的結晶,隨著時間發展,生產量提高,良率也會跟著提升,成本就會慢慢降下來。另一個問題則是總材料成本難以下降,因為總材料成本和需求量是相關的,所以會從高階市場開始,就和許多新技術發展初期的模式類似,當量開始增加,成本就會開始降低,也可以開始導入價格需要較低的市場。

陳銘章進一步說明,Micro LED第一年成本仍會很高,但第一年的產品推出考量通常不會是成本導向,而是品牌導向。各大品牌還是會考量在成本極高的情況下推出旗艦機種,以搶占市場先機。但是長遠來看,現在65吋電視的價格大概是5000美金左右,估計兩三年後Micro LED技術的電視有希望可以降到這個價格區間。

台灣Micro LED產業鏈先天優良

另外,林建中也提到台灣的供應鏈目前還在建構的階段,台灣有穩健的基礎和實力可以做Micro LED,包括LED的晶圓廠、晶粒製作技術都有很好的基礎,如隆達(Lextar)、晶電(Epistar)等公司都做得非常好。同時台灣在微組裝技術也有很強的基礎。但除此之外,也希望大家可以一起努力,希望系統廠和品牌可以進入供應鏈。因為要利用Micro LED這個獨特的技術發展應用,只有從應用端出來才能將需求帶出來,通常是系統廠和品牌廠能夠帶出應用端和訂出規格,他們有與消費者接觸的第一手資料,因此最能知道技術要應用在什麼場景,系統廠和品牌的加入,對於串起整個產業鏈將會有很大的幫助。

楊立昌補充,Micro LED產業橫跨面板、LED與半導體,此三大產業台灣皆擁有非常完整且技術含量非常強大的產業鏈,也因此台灣相較其他國家而言擁有得天獨厚的優勢,同時工研院於2009年就投入Micro LED技術,聚積藉由與工研院合作並基於工研院先前研發的經驗來縮短開發時程,聚積也參與工研院於2016年成立全球第一個Micro LED聯盟以加速發展Micro LED面板技術與產品,以及Micro LED驅動IC的開發,就現階段而言在台灣可以算是取得相當的發展基礎;市場機會部分,從目前Apple、Samsung、FB等國際大廠皆投入Micro LED研發可發現他們非常看好此技術。從中長期來看,Micro LED的應用領域非常廣泛,橫跨穿戴式設備、室內小間距顯示螢幕、電競螢幕、車載顯示、AR/VR等多個領域,因此也將帶出具有龐大商機的產業需求,市場前景無可限量。

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