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巨量修復

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搜索低成本/高效益解方 MicroLED技術瓶頸打通關

台灣在LED與LCD產業同時占有舉足輕重的地位,然而技術與應用的成熟讓兩者在近年的市場發展同時遭逢困境,MicroLED顯示器由形成個別畫素的微型LED陣列組成,使用氮化鎵(GaN)LED技術,具高亮度、高動態範圍、廣色域、快速更新率、廣視角和低功耗等特點,也可發展折疊式面板,被看好是下世代顯示器明日之星,連Apple都積極投入技術開發,因而引發各界矚目。 MicroLED被看好成為兩個成熟且高度競爭產業的救贖,台灣的LCD與LED產業同時擁有研發能量與完整產業鏈。過去幾年,晶粒微小化、小間距排列與巨量轉移等技術挑戰持續有進展,2020年MicroLED從特殊商用產品踏出商品化的關鍵腳步,未來幾年持續為大量消費性應用發展暖身,接下來的三~五年將是台灣產業是否能搶占灘頭堡的關鍵。 巨量轉移流派眾多各自登山 傳統的LED技術與應用已進入成熟期,將晶粒微小化成MiniLED或MicroLED開創產品全新的應用,清大材料科學工程系教授陳學仕(圖1)表示,一般而言MicroLED的定義在於晶粒尺寸小於50μm或不使用基板,製程上則與傳統LED幾乎一致,難度在於晶粒微小化之後發光效率如何維持,巨量轉移的便利性與修復技術,模組化的良率與成本如何降低等。 MicroLED轉移近年來一直是技術發展的重點之一,業界投入許多資源,陳學仕指出,目前巨量轉移技術還是有多個流派,如壓印式轉移、磁力轉移、靜電力轉移、滾印轉移等多種技術,屬於百家爭鳴的狀況,每個技術原則上都可行,卻也都存在明顯的缺陷,其中關鍵的技術良率與成本還是未臻理想,等於個個有機會,但人人沒把握。 另外,檢測技術的發展也差不多,陳學仕舉例,中國廈門大學與台灣交大的研究團隊合力研發了一種攝影機型顯微成像系統進行MicroLED測試使用,該系統結合了電腦、電流、數位攝影機、電流供應棒與顯微鏡搭配支援軟體,能夠捕捉並分析顯微鏡影像,測量MicroLED晶片的亮度。美國新創公司Tesoro提出製程檢測方案,結合了非接觸型EL測試與波束定位(BAR)的轉移方法,能夠只將好的MicroLED晶片高速轉移到目標基板上。 日本設備廠Toray則推出MicroLED檢修解決方案,以光線自動檢測工具進行零接觸檢測,檢測完以後使用其雷射修剪工具,根據檢測結果剔除MicroLED晶片不良品。整體而言,陳學仕認為,MicroLED的檢測技術發展不會出現跳躍式的技術改善,而是線性的進步,所以預計還需要幾年時間發展。 量子點協助跨越巨量轉移瓶頸 在LED晶粒長晶完成後通常要將晶粒從晶圓基板取下,再將LED轉移到電路板或TFT基板上,既然在轉移的過程中出現技術瓶頸,目前也有廠商提出不轉移的做法,直接將晶圓片上長出的晶粒做成LED面板,並使用螢光粉轉換出其他顏色,或者減少轉移次數,即是只移轉同樣顏色的晶粒,比如移轉藍色的晶粒再透過轉換螢光粉轉換出紅色與綠色,如此可以減少兩次移轉成本並達成良率提升的綜效。 也有一些作法是透過量子點(Quantum Dots, QDs)以類似彩色濾光片的方式,進行LED晶粒的顏色轉換。陳學仕說明,量子點是一種奈米晶體,並可以用尺寸來控制能隙,其顏色是決定於能隙,所以只要控制尺寸的均勻性就可以控制色純度,其中控制尺寸是材料合成中最重要的一個階段,典型的量子點結構如圖2所示。 量子點可以協助各種顯示技術提升色彩展現能力,近年LCD TV加上量子點就變成QLED電視,OLED電視也透過量子點變成QD-OLED電視,都可以有效提升色彩展現能力,尤其在大尺寸面板上,色彩的豐富度直接影響顯示的細膩程度。而MiniLED或MicroLED顯示器,則是透過量子點協助色轉換,不需要使用RGB三色的晶粒進行多次巨量轉移,可以有效降低成本。陳學仕認為,未來各種技術顯示技術,量子點的利用是產品成敗的關鍵之一。 巨量修復又快又好才可勝出 巨量修復(Mass Repairment)是MicroLED另一個關鍵的技術,MicroLED貼裝後,回焊(Reflow)以前階段的不良重工,視覺系統檢驗出回焊以前的不良晶粒,精密Pick & Place可以移除個別有問題的晶粒,移除不良晶粒後,在PAD上點膠小量錫膏,可調整晶粒單位的Pick & Place將良品晶粒貼裝在正確位置。 由於MicroLED晶粒體積小,如何在挑出缺陷晶粒之後有效維修並替換,也成了一項艱巨任務。MicroLED顯示器廠商目前使用的修復方案包括紫外線照射維修技術、雷射光融斷維修技術、選擇性拾取維修技術、選擇性雷射光維修技術及備援電路設計方案等。另外,巨量修復可以說是巨量轉移的升級版,不只是能夠大面積地撿取LED晶粒,更要做到大面積指定位置撿取LED晶粒,並替換大量好的晶粒技術。
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巨量轉移/修復齊頭並進 Micro LED利基市場先行

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...
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Micro LED克服轉移挑戰 巨量修復是下一關

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,在顯示技術中從LCD與OLED較不擅長的領域起步,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等。而Micro LED製程當然也與傳統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。 錼創科技(PlayNitride)營運長陳銘章表示,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,廠商要進行巨量轉移,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,或一次預估很巨量LED的特性。 錼創科技行銷總監劉應蒼說明,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SmarTech。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,但是不足的部分就要靠修復來完成。巨量修復的方式和巨量轉移一樣有很多種類,但是基本的概念就是單次複數顆的修復。並非單顆單顆地進行修復,而是在特定面積中若有20顆需要修復,就在對應位置轉移20顆晶粒取代。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。 另外,劉應蒼指出,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,當量開始增加,成本就會開始降低,就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,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。 Micro LED初期市場將會從高階產品起步,主攻戶外、穿戴式、超大尺寸、車載等應用。  
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