先前筆者曾探討了顯示器技術一路從映像管(CRT)、電漿顯示面板(PDP)、液晶顯示器(LCD)，進展到今天的有機發光二極體(OLED)、迷你發光二極體(Mini LED)乃至微發光二極體(Micro LED)和Micro-in-mini。從目前產業界的發展來看，手表、手機，已經被OLED的技術所占據，已擁有一定的規模經濟和成本優勢，相較於LCD又有更省電的優點，在可攜式裝置的應用領域，其餘的顯示器技術在短時間內將很難與之抗衡。而Tablet、Notebook、TV的市場價格敏感度相當相當的高，除了LCD之外，目前其他顯示技術也很難撼動、滲透。因此，Micro LED可切入的市場將聚焦在極大和極小的應用領域，意即Public Information Display(PID)和AR/VR。然而，AR/VR是一個極度系統性整合設計的應用領域，全世界目前僅有幾家大品牌廠商有此實力可以進行整合性開發，而且如此高的解析度對TFT而言是極困難的，所以將會是CMOS的天下。所以，Micro LED最早產業化的應用領域將會是PID，這是無庸置疑的，那目前的Micro LED邁向產業化的路上還有哪些技術瓶頸有待克服呢？雖然這些技術瓶頸在其他應用領域會遇到的技術障礙有其重疊之處，但是解決方案可能會因其應用領域特性的不同而有所差異。
．巨量轉移(Mass Transfer)
．接合(Bonding)
．維修(Repair)
．紅光Micro LED發光效率
巨量轉移的技術先前已經探討過，因此本篇文章不再贅述，將會聚焦在後面三項。
三種接合各有優勢
顧名思義，Bonding就是將Micro LED的電極和電路基板電性上接合、導通。目前在半導體、LED、TFT LCD業界常見的Bonding方式有：
．異方性導電膠(ACF)
．錫膏回焊(Sn-paste Reflow)
．共晶接合(Eutectic Bonding)
首先，以下來談ACF。如圖1所示，ACF的原理是將大小數微米(~μm)的塑膠小球表面鍍上Ni或Ni/Au，然後混入膠中，當對這個ACF加壓加熱時，塑膠球會被壓扁，上面Micro LED的電極透過塑膠小球表面的Ni或Ni/Au導通至下面的電路基板，同時，膠受熱固化，把上下電極和塑膠小球牢牢抓住、固定住，維持電性導通。因應Micro LED的特性，塑膠小球的尺寸、密度、整體厚度、黏性，都有別於以往的ACF，需要特別為了Micro LED重新開發。但是它的缺點是壓力大及價格高，針對這些需求及弱點，筆者亦有申請並獲得數個日本及美國關於ACF的專利，來解決上述問題。
其次，錫膏回焊是一個很成熟的SMT技術，具體的做法是將薄鋼板依電路基板的電極相對位置挖洞，對準、覆蓋在電路基板上，將錫膏刷上去，錫膏會透過鋼板上的洞附著在電路基板的電極上，然後將電子元件或晶片置於其上，進迴焊爐，將錫膏中的溶劑加熱去除，接著Sn和上面的晶片電極與下方的電路基板電極化合形成合金。但是這個技術受限於鋼板開孔尺寸無法縮小，就算是採用噴錫的方式，依舊無法縮小到Micro LED電極尺寸的量級，僅能適用於Mini LED大小的晶片，所以，Micro-in-mini是一個可能可以適用SMT錫膏迴焊技術的解決方案。
Eutectic Bonding，也就是共晶接合，常見的共晶系統有SnCu、SnAu、SnNi等，在共晶溫度下，二種金屬會以液態的方式融合在一起，然後降溫變回固態、接合在一起。
考量到Thermal Budget的問題，目前有許多人在Micro LED的接合上採用InAu的Eutectic Bonding，如圖2所示，因為它有一個相的Eutectic Point在200℃以下，而且Eutectic Bonding後的合金熔點高達400℃左右，將來針對壞點維修時，附近良好的畫素不易因高溫而遭受到破壞，當然，這或許也是它的缺點，此特性也導致將來要移除壞掉的Micro LED時，需要較高的溫度才能移除，除此之外，它也有它的缺點，例如InAu這個系統需要較長的Bonding時間，這會降低它的Throughput，此外，因應的大面積電鍍化技術也必須先行建立才行。
因此，可以知道目前上述的幾種Bonding方法皆有其優缺點，若有可以兼顧生產效率、材料系統的彈性、低成本的新式Bonding方法，在這場競爭中必可脫穎而出。
維修提升良率尚需努力
從磊晶、LED晶片製程、雷射剝離(Laser-Lift-Off, LLO)、巨量轉移、Bonding接合到電路基板上，每一個步驟都存在一定的不良率，雖然整個供應鏈環節的每個人無不使出渾身解術來提升良率，MOCVD廠商在設備上加入Self-Clean的功能，LED晶片廠商導入自動化、提升無塵等級等種種作為，但是，套一句俗語「吃燒餅哪有不掉芝麻的」，人類工業史上至今仍不存在100%的直通率。
以4K×2K解析度的顯示器來計算，總共約800萬個畫素，2400萬個RGB子畫素，當良率是99%時，1%的不良將導致24萬個壞點需要維修，當良率是99.9%時，0.1%的不良將導致24,000個壞點需要維修，以此類推，當良率達到99.9999%時，壞點降到24個，此時所需要維修的壞點數量才約略與成熟的LCD產業同等級。但是，良率要達到99.9999%是一件極度困難的事情，此時有幾種思維可供參考：
1.Micro LED在上到電路基板與其電性接合之前進行測試，測試OK的再進行巨量轉移、接合，減少維修數量。
2.Redundency，每一個畫素放置二顆R、二顆G、二顆B的Micro LED。
3.顯微手術加上巨量維修和亮度補償。
首先考量1的思維，意即Micro-in-mini的做法。由於Micro LED的晶片尺寸太小，目前既有的測試技術皆無法對其進行點測，因此將其封裝起來，利用Re-Distributed Line(RDL)的概念，將電極放大之後即可對其進行測試，測試完OＫ的再置放到電路基板上。此方法的優點是除了巨量轉移到封裝體或封裝基板時用了巨量轉移的新技術，除此之外都與既有的產業技術一致，完全不需要讓整個產業進行新技術的投資即可一體適用，良率最大化。但是，由於封裝後變大，此方法將來較難適用於高解析度的場景。
其次，考量2的思維，如圖3 LuxVue專利所示，這其實是一個非常好的想法，相鄰二顆同色的Micro LED同時壞掉的機率很低，所以這個方法可以確保顯示器的良率幾乎是100%，不用維修。但是，它的缺點是Micro LED的晶片成本變成二倍，而且此技術的專利所有權在LuxVue，即現在的蘋果(Apple)手上，將來量產後能不能使用還是個未知數。
最後，不管用什麼方法降低缺陷數目，良率都很難達到100%，就連成熟的LCD液晶顯示器產業，最後也都需要進行亮暗點的修補，前面的方法只是要讓需要修補的壞點數量降到修補的技術與修補的產能和成本可以接受的地步而已。所幸，相對於LCD有亮點和暗點需要修補，Micro LED僅有暗點需要修補，因為有瑕疵的Micro LED要嘛不亮、要嘛比正常的暗一點，人的眼睛對亮點比較敏感，對暗點比較不敏感，舉例來說，大白天要找到天空一顆比較暗的星星是很困難的一件事，可是在夜晚的天空，要找到星星是相對容易多了的，所以只要針對不亮的Micro LED或是相對比較暗的一顆，或數顆比較暗的，或是亮度不均勻的一群Micro LED進行處理即可。
在LCD顯示器產業中，有一個修補的技術叫做Demura，顧名思義，這個技術可以把亮度不均勻(日文的不均勻叫做Mura)給去除，原理很簡單，先對正常點亮的顯示器進行拍照，把每一個畫素的亮度都記錄下來，調整驅動電流電壓的大小，讓所有畫素的亮度都均勻一致，將補償值寫入記憶體中，同樣的做法也可以應用在Micro LED Display上。處理完亮度不均的問題之後，接著針對完全不亮的Micro LED進行雷射切除，之後利用筆者所研發出來的方法，如下圖4，將新的Micro LED巨量轉移到待修補的位置上即可。
然而，就算有了巨量修補Mass Repair的技術，在Micro LED轉移到TFT接合之前，若無法保證Micro LED晶片的良率或是顏色、亮度、電壓的一致性，那麼光靠事後的修補依舊會帶來巨大的困擾。因此，就筆者所知，MOCVD設備廠商在這方面，針對磊晶的均勻度、一致性，也下了很大的在功夫在改善，這樣才是釜底抽薪的方法。
紅光Micro LED發光效率致命傷有解
LED的發光原理是電子(Electron)和電洞(Hole)在量子井(Quantum Well)中進行復合(Recombination)，基於動量守恆和能量守恆，在直接能隙(Direct Bandgap)的情況下，會以光子(Photon)的形式放出能量，稱為輻射式復合(Radiative Recombination)。但是如果在Bandgap中存在缺陷(Defect)，稱為Gap State，電子電洞對經由Gap State復合的話，則會放出聲子(Phonon)，也就是放熱不放光，這種複合稱為Non-radiative Recombination非輻射式復合，會降低LED的發光效率。
那什麼地方的缺陷比較多呢？答案是LED的表面，因為經過晶片製程的蝕刻之後，會在晶片表面留下許多斷鍵，所以電流流動時，比較靠近表面的電子電洞就很容易會在缺陷處復合、放熱，而當LED的尺寸愈來愈小的時候，表面積所占的比例相對於體內(Bulk)會愈來愈多，也因此發光效率會顯著地下降。除此之外，由於材料特性的不同，紅光四元材料(InAlGaP on GaAs)的缺陷密度(Defect Density)會高於藍綠光(GaN on Sapphire)，也因此，紅光Micro LED的發光效率遠低於藍綠光Micro LED。
知道了問題的原因之後，解決方案有如下幾種：
1.量子點(Quantum Dot)色彩轉換(Color Conversion)
2.螢光粉色彩轉換
3.高能隙(High Bandgap)鈍化層(Passivation)
4.降低電子電洞在表面復合的Micro LED結構
1和2都是利用藍光或UV LED當作激發光源，量子點或螢光粉將光轉換成RGB可見光三原色，這樣就可以避免使用發光效率低落的紅光Micro LED，但是天下沒有白吃的午餐，這個方法所要付出的代價就是光的轉換效率，目前受限於材料仍無法提高到量產所需，筆者也相當期待將來在材料上可以有所突破，因為如此一來，在巨量轉移上就不需要轉移三次了，只要一次性的轉移藍光或UV Micro LED即可，會大大降低巨量轉移的難度以及提升良率。
3的方法則是利用原子層沉積(Atomic Layer Deposition, ALD)的方法去鈍化掉表面的缺陷，降低缺陷數目。但是這個方法的缺點是ALD的成模速率相當之慢，量產性以及成本會受到限制。
至於4的方法，則是利用三十年前在Heterojunction Bipolar Transistor(HBT)所開發出來的邊緣減薄(Edge Thinning)技術，如圖5所示，將長方體一端進行內縮的結構，讓電洞在表面要走比較長的距離才能遇到電子，進而降低了Surface Non-radiative Recombination的機率，增加紅光Micro LED的發光效率。
Micro LED前景值得期待
雖然如同這篇文章所述，Micro LED顯示器在產業化的路上仍有許多技術問題待克服，但是就筆者這五年來的開發經驗來思考，這些問題都是可以克服的，有方法可以解決，全世界許多相關產業的高手們也都日以繼夜地在攻破這些技術障礙，因此，相信在未來一年內就會開始有小量的產品可以在市場上販售了，尤其是Micro-in-mini的方案，且讓人們拭目以待。
(本文作者為優顯科技執行長)
