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被喻为次世代显示技术的Micro LED从萌芽期正式进

2019-06-27

  自2014年苹果收购Micro LED新创公司LuxVue以来,被喻为次世代显示技术的Micro LED从萌芽期正式进入成长期,吸引全球厂商持续投入资源研发,但由于许多技术障碍与设备限制难以克服,导致生产成本始终无法降低,Micro LED在商业化的路上仍是走走停停。

  Micro LED技术不只亮度与对比效果超越OLED,又具备反应迅速、低功耗与高可靠度特性,若成功导入行动装置与汽车应用,前景可说一片看好。Micro LED制造流程繁琐,使用的原材料、制程耗材、生产设备、检测仪器及辅助治具等需求规格严谨,且精密度相对严格。

  Micro LED与LED虽同样以磊晶硅晶圆为基础,Micro LED磊晶需求远比传统LED严苛,由于Micro LED芯片大小不超过100微米,仅为传统LED芯片1%,因此磊晶的波长一致性至关重要,晶圆若有不平整,可能导致芯片缺陷,增加后续制程开销。

  不过现有的晶圆生产设备多为生产传统LED晶圆而制,几乎无法满足Micro LED晶圆制作要求;再者,磊晶晶圆上的芯片制程也相当关键,可能影响后续的晶圆结合与转移等制程。

  为突破生产限制,近期已有多家磊晶制程技术MOCVD设备厂商与芯片厂合力发展Micro LED芯片,以提升芯片效率与质量,同时加速生产放量,例如AIXTRON在2019年1月宣布与台湾镎创科技(PlayNitride)签订Micro LED的生产合作协议;Veeco则与德国Micro LED技术厂商ALLOS合作。

  若要制作Micro LED显示器,需先将Micro LED芯片从蓝宝石基板移除,转移至另一个暂存基板上,再视功能与目的需求移到不同背板。由于芯片极小且数量庞大,使得转移过程倍加困难,若使用传统的取放技术转移上百万颗LED,势必极为耗时又提高生产成本。

  为加速转移过程,目前已有多家厂商研发各种转移技术,例如Pick & Place转移、流体组装、雷射转印等;此外,将Micro LED芯片放置到目标基板上并准确排列,也是一项困难挑战,为了满足不同转移方法的需求,芯片厂商必须与转移技术厂密切合作,才能提升总体良率与效率。

  针对现有各转移方案的优势与劣势,Pick & Place转移技术可应用在10微米以上的芯片产品,但转移效率、精准度与稳定度相对较低;而eLux等厂商采用的流体组装技术虽然转移速度较快,但因过程中可能导致芯片损毁,因此无法保证良率;至于Sony及新创公司Uniqarta、QMAT等厂商使用的雷射转印技术,有机会可转移尺寸小于10微米的芯片并提升精准度,但设备成本相对也较高。

  为了维系目前在Micro LED技术的领先优势,许多品牌厂商与巨量转移技术开发商结盟,例如苹果收购LuxVue、Osram与X-Celeprint合作等。Rohinni则与设备厂商K&S合作开发巨量转移解决方案,并与京东方成立合资公司,借力京东方在放置(Placement)技术的优势。

  此外,近期美国专利商标局也公布,苹果获得Micro LED芯片转移和结构技术专利,让附带有金属薄膜层的Micro LED结构能更容易实现大批量转移和组装到目标接收基板上,这是Micro LED显示器最具挑战的生产过程之一,也证明苹果在Micro LED技术上仍默默的开发与布局。

  检测也是制程中的重要环节,在生产过程中必须持续检测Micro LED芯片功能是否正常,以确保芯片效率并提高整体良率,若检测到芯片瑕疵,则必须采用相对应的维修技术,但芯片微小化同样加深检测困难度,因此各设备厂商正致力研发更有效及精准的解决方案。

  除了上述提到的挑战,背板材质、全彩解决方案与驱动IC设计也是Micro LED显示器的生产瓶颈,为克服技术障碍,业界厂商积极进行供应链的垂直整合,并缔结策略联盟,让许多技术于2019年相继突破出现,带领Micro LED显示器迈向实际应用。在Micro LED正式迈向商业化前,仍有待更创新技术发展来解决生产制程中的难题,以求降低生产成本跟加速量产速度。

  由于Micro LED技术短期内难以克服成本问题,多数厂商选择投入开发单价较高的超大尺寸显示器产品,因此也是最有机会率先导入市场的应用类别,例如Samsung于2019年初美国消费性电子展(CES)上,展出75寸模块化Micro LED显示器,使用的LED芯片大小只有2018年「The Wall」产品的1/15,实现真正「Micro LED等级」的显示器。Samsung此次采用镎创生产的芯片,并运用自家研发的巨量转移技术,将芯片转移到玻璃背板。

  在2019年4月的美国广播电视产业展会NAB 2019上,Sony宣布目前正为日本资生堂集团在横滨的研究中心架设一台16K的CLEDIS Micro LED屏幕;同时,日本设备厂Toray则在2019年NEPCON Japan展示针对Micro LED生产的各种解决方案,包括晶圆检测、修复与转移等。

  中国大陆厂商方面,三安光电宣布将在中国湖北投资120亿元人民币,作为Micro LED与Mini LED晶圆与芯片开发生产之用;面板厂京东方亦携手Rohinni设立合资公司,以开发Micro及Mini LED背光应用。

  此外,洲明科技也宣布其智慧工厂兴建计划,预计将用于Micro/Mini LED的开发生产;5G物联网装置无线通讯技术厂商广和通及中国联通则在MWC 2019展会上推出含5G功能的Micro LED显示器。

  陆系天马微电子在2019年Display Week上展示7.56吋的透明全彩Micro LED显示器,使用自家LTPS玻璃背板及驱动方案,结合镎创科技的Micro LED技术,在红蓝绿的全彩画面呈现相当优异的色彩表现。

  另一家面板大厂华星光电同样展示全彩Micro LED显示器,以3.5寸规格搭配IGZO玻璃背板的主动式驱动方案,呈现透明的显示效果。华星光电表示,未来在面板尺寸放大情况下,IGZO背板的成本竞争力将优于LTPS;而红光Micro LED因材料特性导致效率较低,因此未来全彩的RGB显示器如何兼顾亮度与均匀性将是最大挑战。

  台湾地区LED供应商开发Micro LED技术从未停歇。LED驱动IC厂聚积据称将推出显示屏用的Micro/Mini LED显示模块;此外,据了解,MWC 2019展会上亮相之5G Micro LED显示屏的驱动IC及灯板,也由聚积提供。

  镎创科技除了提供Samsung芯片外,在Display Week 2019上也展示自家7.56吋全彩透明Micro LED显示器,穿透率达60%以上;另外还有柔性Micro LED显示器,以及高达458 DPI的可穿戴式装置。镎创也传出与台湾OLED面板制造商铼宝科技合作,借此摆脱传统Micro LED厂商不易取得玻璃驱动背板的困境,可以期待未来Micro LED产品开发将有更大的发展空间。

  LED厂晶电与隆达从2018年第二季便开始出货Mini LED产品,其Micro LED研发也持续进行中;而设备厂梭特科技与均华精密皆表示,预计推出Micro LED挑检与分选,以及巨量转移的相关设备。

  鸿海集团宣布,兴建中的威州厂将有机会加入Micro LED产线年收购eLux后持续强化Micro LED开发,旗下亦有荣创、光鋐、帆宣助力,集团内部的Micro LED供应链逐渐完备。

  台湾工研院则已成立「巨量微组装产业推动联盟」(CIMS),连结台系厂商深入研究Micro LED技术,目前正开发搭配Micro LED技术的AR装置,锁定游戏类应用。

  此外,在Display Week 2019上,工研院发表PCB基板的Micro LED及Mini LED,并标榜其巨量转移技术能克服直接转移的挑战,直接将三色的Micro LED大批量转移至PCB板上,对于未来提升生产效率及降低成本带来关键性进展。

  LED龙头厂商欧司朗加入一项名为「SmartVIZ」的Micro LED研发计划,与德国研究机构共同开发透明Micro LED车用显示器,预计2021年第四季公布最新成果。法国3D LED研发公司Aledia则宣布于3月扩增设备,纳入采用Veeco的薄膜解决方案生产3D Micro LED。

  自苹果 2014年收购LuxVue后,苹果导入Micro LED/Mini LED的进展一直备受瞩目,近期传出苹果积极与台湾、日本的供应厂商合作,预计在iMac和iPad中采用Mini LED背光的传闻,替产业注入一股活水。而在2019年6月举办的WWDC上,苹果展示附带直下式区域背光的Pro Display XDR,尽管这一代的产品规格仍未达到Mini LED等级,但可预见未来Mini LED背光技术成熟后,背光分区数将得以提升,成本亦能下降。

  加拿大新创厂商VueReal宣布其转移技术已能达成Micro LED显示器的量产良率,预计2019年6月起开始接受样品订购,且VueReal最新Micro LED显示器能够达到30,000 ppi的超高分辨率跟100,000 nits的超高亮度,强化AR/VR显示应用。

  总结而言,Micro LED技术虽面临众多挑战,但目前技术已经出现显著进展,早期的专利技术也陆续转化成实体样品展示,未来Micro LED商品化时程将随着Micro LED技术成熟而有所进展,预估至2023年Micro LED市场产值将达42亿美元。

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