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橫向整合/技術改善齊發 Micro LED構建產業鏈拚量產

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微發光二極體(Micro LED)具備多項技術優勢,如高亮度、省電及可做出光機微型化模組,且其自發光特性架構簡單,在大型化的顯示上更優於OLED與LCD,待Micro LED技術成熟後,將有機會成為顯示技術的新主流。因此近年來吸引大批廠商投入發展,在逐步邁入量產的階段,各家廠商除了透過結盟打群架,也持續強化Mini LED厚植技術與市場實力,產業動態好不熱鬧。

而台灣在LCD與LED產業同具雄厚實力,被看好最有條件成功發展Micro LED產業鏈,國內近年也掀起Micro LED發展熱潮;本文將從產業發展現況與巨量轉移技術發展動態,以及生產設備進展等面向,觀察國內廠商投入與發展樣貌,一窺Micro LED產業的「超前部署」。

產業結盟打群架 Mini LED試水溫讓子彈飛

近來許多廠商如三星(Samsung)、LG等皆在展會中發表Micro LED螢幕,也紛紛發布量產計畫,集邦科技研究副總儲于超(圖1)對此表示,現階段市場的大型顯示螢幕價格仍居高不下,因此尚未獲主流消費市場回響,2020年許多廠商傾向於以技術難度較低的Mini LED作為商業化重點,如高階電競螢幕。

圖1 集邦科技研究副總儲于超表示,Mini LED產品的打頭陣,將會是各方決定是否投入Micro LED量產的關鍵指標

另外,許多廠商透過結盟強化技術開發進度,儲于超認為像三星及蘋果(Apple)等品牌大廠,較傾向於獨立發展關鍵技術,建立自身的供應鏈,決定產品規格後再串連上下游供應鏈。至於近期許多廠商結盟的動態,他認為總體而言是好事,但結盟較常見於主力於代工的台廠及中國廠商,因其無法獨立掌握整條供應鏈,如三安與京東方、晶電與利亞德便為實例。

環視各國產業區位,從本質上來看,Mini LED及Micro LED皆屬於競爭替代的技術,因此韓國雖長期傾力發展OLED面板技術,相對壓縮台面板廠生存空間,但也因此在Micro LED技術發展態度上呈現搖擺,難以全力主攻Micro LED技術的研發;日本以索尼(Sony)為主要大廠,但其傾向廠內自行研發,外界較難一窺發展動態;而中國除了以政策扶植搭配大量資金挹注的策略,地方政府及相關廠商雖進一步投入技術研發,並持續進行人力挖角,同時近年內技術專利數量快速上升,但技術層面現階段與台廠仍有落差。至於台廠實力則是結合LED、面板及半導體廠,可組成堅實完整的供應鏈,加上Micro LED技術實力相對領先,很有機會搶占有利位置。

至於外界傳2022及2023年將可能實現Micro LED產品的量產,光電工業協進會(PIDA)分析師林政賢(圖2)則認為,Micro LED技術的決勝關鍵在於消費市場的導入,台廠需盡快掌握市場先機,將技術導向量產。進一步回顧近期消費性市場,由於近幾個月以來武漢肺炎疫情重創全球,除了波及供應鏈零組件供貨進度外,面板消費需求隨著疫情攀升,2020年第一季已重挫15%。因此,消費需求的轉變勢必打擊現階段各國主流面板大廠的士氣。

圖2 光電工業協進會分析師林政賢表示,由於面板需求因疫情消退,台廠應把握機會搶占先機

進一步審視台廠的產業定位,林政賢說,台灣具有紮實的LED技術及跨產業供應鏈,因此看好台廠研發前景。但他指出欲穩健發展的Micro LED技術,必要條件為品牌大廠的拋磚引玉,因其具一定程度的資金與資源,能夠承受技術前期的盈虧浮動,因此台廠的劣勢同時亦體現於代工起家的先天條件,沒有諸如索尼、三星這類大廠可以作為領頭羊。因此,為克服先天劣勢,跨領域產業的整合勢在必行,如工研院於2016年便協同多領域跨國廠商,共組巨量微組裝產業推動聯盟(CIMS),從設備、晶粒、IC、半導體製程著手,期望串聯系統與品牌廠,盼能建置完整產業鏈,為台廠帶來新契機。

轉移流派各有優勢  產品特性/價格為導向

除了需橫向、平台式整合產業鏈外,Micro LED技術障礙尚包含背板材質、PCB基板的高度/平整度、接合(Bonding)、驅動IC設計等問題,其中又以巨量轉移技術為最關鍵的環節。工研院電光系統所副組長方彥翔(圖3)說明,Micro LED的應用可依產品特性及價格需求導向作為分野,因此製程中各巨量轉移技術各具優勢。

圖3 工研院電光系統所副組長方彥翔表示,Micro LED技術所需的良率取決於產品特性及價格需求

但由於各技術流派所能達到的良率及產品所需條件不同,意即高/低解析度產品各有不同良率,如車載螢幕必須能面對潮濕環境條件以及氣候因素,將對其可靠度產生影響。以低解析度產品為例,其良率標準為99.9%,高解析度則須達99.99%,若搭配修補技術,良率將可達到100%。以下則針對巨量轉移相關技術流派延伸探討。

雷射轉移

此技術由於過程中能量較強,因此溫度亦會較高;在升溫的同時其能量亦可能造成原先排列已相當密集的LED晶粒損傷,產品應用解析度為中等。

電磁吸取

採用磁力,利用電磁效應以電力產生磁場,但若要產生磁場的電流需要以高電流通電,對於模組能否承受則是一個關鍵的問題,適合應用於高解析度產品。

流體裝配

以流體作為轉移媒介,但是由於藉由浮力控制,操作存在高難度,因此亦較適合用於低解析度產品。

靜電轉移

為蘋果使用的專利技術,使用靜電力,為巨量轉移技術中能吸取LED晶粒中大小最小的方式,良率也最高,因此適用於高解析度的產品。但若欲產生靜電力的前提,必須要以電壓差產生靜電,因此在晶粒間距非常小的前提下容易被電壓噴飛,因此需克服高電壓的問題。

滾軸轉移

採取類似滾輪的方式滾平,由於需多次反覆執行,除非精密機械加工技術良好,否則其中存在的壓力將較易使晶粒之間的間距不一,而LED需要精密排列,存在較難對準的問題,因此該轉移方式較適合用於低解析度、容忍度較高的產品。以優顯科技為例,執行長陳顯德(圖4)表示,該公司採用的技術是以選擇性雷射剝離技術搭配滾軸轉移技術,適用於大多數的製程,並可彈性決定轉移數量(如1顆或是1,000顆皆可),較不同於現行供應端大廠紛紛致力於開發特殊技術,拉開彼此競爭差距的狀況。

圖4 優顯科技執行長陳顯德表示,台灣需要整合LED廠及TFT廠的「橋樑」

微轉印

其以藍寶石為基板,在目前的巨量轉移技術中,較普遍使用凡德瓦力或是具有黏性且有凹凸結構的聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane, PDMS)材料,屬於提高現下良率較高的方式,但較適用於某些產品,原因在於其高分子結構易受高溫環境(大於攝氏200度)的影響。

而同樣利用微轉印技術的新創廠商Mikro Mesa以「無壓合低溫鍵結」轉印技術突圍。Mikro Mesa策略長陳玠廷(圖5)表示,現今晶粒尺寸趨於小型化,但若要將晶粒尺寸達到10μm以下的話,覆晶技術(Flip Chip)會是一個挑戰,因其陽極跟陰極位處同一側。因此於對位精準的難度相對較大,當晶粒尺寸趨向越來越小,甚至到10μm時,便會面臨瓶頸;因此該公司採用垂直架構,使陰極陽極分處兩側,便可縮減對位難度。

圖5 Mikro Mesa策略長陳玠廷表示,機台設備為產線建置的關鍵要素

該技術不需透過加壓,並可於低工作溫度的環境操作;而低溫也意謂軟板選擇將更多、應用層面也隨之較廣。此外,針對傳統電流普遍會產生漏電流的情況,該公司發現將晶片尺寸縮小至10μm尺寸下時,沒有常見的漏電流產生,值得業界持續關注。

而為了克服巨量移轉的時效問題,該公司將轉印分為兩個階段,為接著力(Binding)及Bonding,方便於第一階段時解決檢視晶粒若損壞時,所可能面臨的可重工性(Rework)問題;材料的部分則追求一定的黏著力,並且追求簡單、不重複使用且價格不高的耗材,以確保生產成本效益最大化。

機台設備商主導設備 活化/規格制定為出路

除了巨量轉移技術本身的問題外,陳玠廷認為若要將Micro LED技術推向量產,完整供應鏈的產線建置,也就是機台設備為重要因素。礙於該公司現行機台仍使用手動、半自動機台,或以其他設備作出樣品,若要朝商品化的方向生產,便須藉由機械手臂等自動化設備輔助,建立自動生產線,在對位實現更高的精準度。以現行負責轉印技術的機台設備商皆無建置量產設備,因此該公司便於2019年與國內外機台設備商尋求合作空間。

同時,陳顯德對於機台設備的建置持有相同觀點。他認為台灣缺乏高精密儀器,因此若要整合LED產業鏈,除了結合台灣的LED、TFT廠之外,亦可採用國外如日本及德國等設備商的機台,以及日本的化工材料,並以品牌廠驅動,便能更接近成功。

但可惜的是,台廠受限於既有的被動代工接單模式,採取「有訂單才生產(Bill to Order)」,因此若要跨出第一步嘗試存在一定的難度。進一步深入製程設備,陳顯德表示若結合現有的半導體設備,使用半導體產業舊有的廠房,並採取「先封裝後檢測」的技術,加上願意導入自動化設備,對於良率提升將有幫助。

對新創廠商來說,新商業模式切入點及產業定位,為重要關鍵。陳顯德表示,該公司於產業的定位為LED廠及薄膜電晶體(TFT)廠之間支持的「橋樑」,若以耗材來說,該公司便是依照LED廠中晶圓上的LED,依照TFT廠的需求進行巨量轉移。他以印章為例,將Micro LED想像為印泥,則是沾起印泥,將印章出貨給面板廠蓋印(產出顯示螢幕)。

應用場景遍地開花  疫情或可成就轉機

回到產品應用層面,成本考量仍是各界首重焦點,期望持續開拓新應用場景導入,如友達便針對車用面板有所耕耘。

同時,林政賢也表示,由於工業4.0及5G熱潮興起,Micro LED將可望與AR/VR技術的顯示螢幕結合,同時國內目前亦有產官學合作發展該技術,如清大及台大。

不過礙於消費市場追求終端產品可實現低成本的需求,目前各單位皆認為Micro LED技術的發展方向,將從商用大面積顯示螢幕逐步移轉至消費性領域。綜觀來看,目前疫情將對於供應鏈造成為期多久的影響尚屬未知數,但影響至少是2020年上半年。至於量產時機及領域,預計2020年第四季或是2021年將會有結果,並可期望能在2021年的美國消費性電子展(CES)秀出。

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