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Micro LED商品化时程渐近
技术逐步突破

【作者: 盧傑瑞】2017年11月01日 星期三

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当苹果电脑发表了采用OLED显示技术作为APPLE WATCH的显示面板时,着实地让苹果迷的眼睛为之一亮,并且赞叹OLED显示器的色彩高度饱和力,特别是最新的APPLE WATCH所采用的面板尺寸比前一代更大,更是吸引无数苹果迷的目光。最新的讯息是,苹果电脑更把新一代产品的显示技术投向MICRO LED,更是让已经掀起一片研发热的显示器业界,无不再卯足全力,希??能在商品化量产的地位上居於领先的地位(图1)。



图1 : 采用OLED显示技术作为APPLE WATCH让苹果迷的眼睛为之一亮。
图1 : 采用OLED显示技术作为APPLE WATCH让苹果迷的眼睛为之一亮。

APPLE WATCH将采用Micro LED

Micro LED显示器所采用LED尺寸为微米等级,具有画素的独立控制、独立发光控制、高辉度、低耗电、超高解析度和高色彩度等特点,并且如果结合奈米布线的话,更可以让微米等级的超小型LED达到可弯曲软性显示器的特色。


由於Micro LED显示具有与OLED相近的高度色彩饱和度,采用自发光的原理,耗电量仅需液晶面板的不到10分之1电力等等的优势特点,再加上,苹果与SONY均发表希??在2018年采用Micro LED显示面板作为可携式产品的显示器後,Micro LED显示技术变成了业界最热门的技术话题之一,也因此让苹果电脑在2014年收购了以研发Micro LED显示技术为主的LuxVue。


LuxVue在Micro LED显示技术的领域已经拥有各式各样应用的专利,例如在2015年申请的「利用同时具备发光能力与感测功能的LED,来做为显示面板」,由於兼具感测功能更是引发业界所关注。就如同最近所发表的iPhone X就是汰除了利用实体感测器来进行指纹辨识,而改采萤幕中内藏的感测器进行脸部扫描辨识。


此外,如同BMW的新世代开发一样,在3系列中大胆地采用一些突破性的设计观念,随後5系列也随之导入。APPLE WATCH也是率先采用OLED做为显示萤幕,接下来今年所发表的新一代iPhone X和iPhone 8就接续采用。而新一代的APPLE WATCH预计将Micro LED显示器做为萤幕,因此业界的众也就开始大胆预测是否未来的iPhone会如同OLED一样,跟随APPLE WATCH采用Micro LED显示器做为萤幕。


对於众所注目的Micro LED显示器何时能商品化,无论是显示产业界、还是智慧型手机业界、大型电视业界、OLED显示业界等等都无不抱着期待与关心,并且也都在Micro LED显示技术不断地推进下,各自在特定的领域全力投入地进行中。


150μm的Micro LED将在2018年现身?

根据LEDinside在2017年7月所发表的一份Micro LED显示器研究报告中指出,目前Micro LED显示器进入实际量产的最大瓶颈,还是在如何将数量庞大的微米尺寸LED晶片转移到电路基板(Backplane)上,也就是业界囗中常说的巨量转移(Mass Transfer)。虽然Micro LED显示技术吸引着全球各大显示业者、半导体业者与LED业者积极加入,但是对於上述Micro LED显示器的量产瓶颈-巨量转移,也都加紧开出独特的技术,来提升小时产能(UPH ; unit per hour在每小时时间中能够生产的单位数量)、巨量转移的良率以及最隹与适用的LED晶片尺寸,希??能够领先群雄迈入量产的阶段,拔得市场的头筹(图2)。



图2 : Micro LED显示技术吸引全球各大相关领域业者,希??能够领先群雄迈入量产的阶段,拔得市场的头筹。(资料来源:LEDinside)
图2 : Micro LED显示技术吸引全球各大相关领域业者,希??能够领先群雄迈入量产的阶段,拔得市场的头筹。(资料来源:LEDinside)

在这一份报告中,将Micro LED晶片的尺寸定义在100μm以下,不过目前,业界对於开发Micro LED的主流尺寸还是在150μm,巨量转移技术的开发也都是以150μm为目标来进行,因此相信市场上所出现第一代Micro LED显示器以及投影机模组的LED尺寸将会落在150μm。此後伴随着市场接受度提升以及产能规模的扩大,才会有机会期待相关的竞争业者进一步的投入,并且开发出100μm或者尺寸比100μm更小的LED以及巨量转移技术。


但是,对於Micro LED显示器的制造量产技术来说,巨量转移技术只不过是4大主要量产制程关键技术之一而已,其他还有非常多的困难需要去一一的克服。目前对於巨量转移技术来说,如何达到低投资高产效需要视几个方面来观察,包括了设备精度的提升、降低转移时的不良率、缩短生产时间、高可靠的检测方式与设备、不良品的在处理利用、降低量产成本以及更聪明的量产方法等,这7个主要领域的进展速度。


技术瓶颈逐一突破

并非只有巨量转移的技术是最难度的,就像能够达到RGB三原色Micro LED中的红光部分以及在微米等级里如何提升LED的亮度,困难度也非常高,这相对考验着LED磊晶业者的技术能力。


此外,甚至於包括LED晶片的供应商、半导体业者,以及显示器整体的供应链也都要加入以及配合开发出,如 LuxVue、eLux、VueReal、X-Celeprint、法国CEA-Leti、Sony 及冲电气工业、??创、工研院、Mikro Mesa 及台积电等等,能让Micro LED显示器进入真正量产所需要的各种生产设备、量产材料、检测标准以及制造技术。但是由於各业者之间仍旧有着相当大的差异性与能力不同,因此更需要抛除各自的偏见,在各自擅场的领域提升技术层次,并且全心通力合作,来跨越技术性的阻碍,当然这也是需要投入相当程度的资金、人力与时间。


例如,在材料方面,2017年4月全球最大蓝宝石晶圆供应商俄罗斯大厂Monocrystal,也针对未来Micro LED所需,发表了Ultra Clean等级的蓝宝石磊晶晶圆,Monocrystal利用最新进的洁净技术,将蓝宝石晶圆表面1μm以下的污染物清除到20~50个左右。Ultra Clean等级的蓝宝石晶圆,在进行图形化蓝宝石晶圆基板制程(PSS ; Patterned Sapphire Substrate)时,就不须进行前段洗净的作业工程,这样的结果下可以让PSS业者的良率提升到95%~99%,进而减少耗损以及降低成本。这对於正在起步开发Micro LED的LED晶片制程业者来说,无异是相当大的助力(图3)。



图3 : Monocrystal的新一代高洁净蓝宝石晶圆将大幅提升制程良率。
图3 : Monocrystal的新一代高洁净蓝宝石晶圆将大幅提升制程良率。

更进一步的来看,目前能够实现Micro LED显示器大量生产的决定点,如果以工业制程6个标准差(6σ)来看的话,LEDinside认为巨量转移制程的良率须达到4个标准差等级(4σ),才有机会商品化。但这样的程度下,检测成本以及缺陷修复的成本仍然相当高,因此,期待要做出成熟的商品化Micro LED显示器产品,并达到具有市场竞争力的量产成本的话,LEDinside相信Micro LED显示器的巨量转移良率至少要达到5个标准差(5σ)以上。


MicroLED的商品化关键

目前开发中的巨量转移制程有数种的解决方案,包括应用市场、设备投资、小时产能(UPH)、以及量产成本等等各种的技术,但是最终将会选择其中一项来作为进入商品化的突破点,此外各业者的制程能力及良率控制,也是影响产品开发的关键。


以现有发展状况看来,LEDinside认为被定义100μm以下的Micro LED显示器将会最先被应用在室内大型显示设备以及穿戴式产品上,例如智慧手表、智慧手环等。由於目前要完成巨量转移的量产技术的难度还是非常的高,因此目前投入的业者大多还是以现有的晶圆接合制程设备(Wafer Bonding Process)作为方案来进行研发。不过现下各应用产品所需求的画素数目都不相同,因此为了达到缩短研发与量产的时程,或许会先以画素需求较少的产品应用作为先期开发目标。


到目前为止,唯一将Micro LED显示器技术进展到商品化的只有SONY(SONY),SONY利用了Micro LED显示技术将显示器开发成大型电视墙的型态,并命名为CLEDIS(图4)。



图4 : SONY利用了Micro LED显示技术将显示器开发成大型电视墙的型态,并命名为CLEDIS。
图4 : SONY利用了Micro LED显示技术将显示器开发成大型电视墙的型态,并命名为CLEDIS。

SONY采用自行所开发比一般LED尺寸更小,面积约20μm平方的RGB Ultra Fine LED晶片,并且将数量庞大的LED晶片封装在黑色的基板上。并且将每一片基板以密铺(Tiling)的方式,形成一个宽度9.7公尺 X 高度2.7公尺的8K X 2K的大型显示器,达到了可以随心所欲的将萤幕画面进行缩放(Scalable)。初期,SONY所锁定的目标客户为工业设计以及模拟应用的市场领域,并且也将客户目标族群横跨到饭店和需要进行展示的企业。


SONY的CLEDIS是利用封装的方式来让单一RGB LED晶片形成一个画素,因为LED的发光能力是会取决於材料本身的特性。一般而言,绿光和蓝光的LED晶片是利用蓝宝石、碳化矽(SiC)或者是氮化??(GaN)晶圆为基板来完成发光层,而红光的部分则是采用砷化??(GaAs) 晶圆来进行制程作业,基本上是不太可能在同一片材料基板上同时完成红光、蓝光和绿光的LED发光结构。


RGB LED晶片的技术难题

由於CLEDIS是作为电视墙用,所以本身的尺寸较大,因此在RGB LED晶片的封装间距上并没有太过紧密性的要求。但是如果一旦面对如APPLE WATCH这样的应用,在极小的面板尺寸下,如果要求Micro LED显示器在多元化应用与高精细显示能力能更上一层楼的话,在同一片晶圆材料上完成单片式RGB LED晶片的制程技术与材料,以及超高密度的封装技术就相当的被期待了,但这也是目前Micro LED显示器最大的瓶颈点。


但在同一片晶圆材料上完成单片式RGB LED晶片,这也不是不可能发生的事情,目前在同一片晶圆上完成RGB LED晶片,已经有一些技术被提出来讨论,例如,利用薄膜来进行波长变换技术,或是Micron(Nano) Wire LED晶片….等等。


利用薄膜来进行波长变换的技术想法,是VerLASE Technologies在2015年所发表的。VerLASE Technologies称之为「Chromover波长变换技术」,关键的薄膜变换层,VerLASE Technologies是利用??化??、二硫化钨、二硫化??等等材料,在石墨烯上形成片状的薄膜,这项技术VerLASE Technologies已经在美国取得技术专利。


Chromover波长变换技术是在蓝光LED晶片阵列上,采用将共振器腔面围绕在半导体量子井,进而能在同一材料晶圆上进行将薄膜变换层进行重叠,就能够在薄膜激发蓝光的时候,进行绿光和红光的变换。这个构想是希??能够取代目前利用萤光粉以及量子点来进行发光颜色改变的构想(图5)。



图5 : VerLASE Technologies希??能够取代目前利用萤光粉以及量子点来进行发光颜色改变的构想。
图5 : VerLASE Technologies希??能够取代目前利用萤光粉以及量子点来进行发光颜色改变的构想。

而另一项的Micron(Nano) Wire LED晶片技术是由法国的Aledia以及瑞典的glo等等机构所共同开发的。简单的说,就是在晶圆上进行奈米等级的柱状立体加工制程,让每根柱状都形成发光层。这样的立体加工制程所生产出来的LED,其发光亮度会比普通制程LED来的更高,并且能够达到在同一个晶圆上,甚至於同一个晶片上能够激发出多色彩的能力(图6)。



图6 : 法国的Aledia利用立体加工制程,让每根柱状都形成发光层。
图6 : 法国的Aledia利用立体加工制程,让每根柱状都形成发光层。

台湾急起直追

在台湾,各大显示业者也不可能缺席Micro LED显示器此一研发盛会,包括LED晶片最大业者晶元光电、液晶面板的双龙头友达光电和群创光电等公司也都积极地投入Micro LED显示器相关技术的开发。除了这三家公司之外,??创科技以及工研院也都投入了Micro LED显示器相关技术的开发。在全球方面,三星电子、LG电子、日亚化学、夏普、SONY、LuxVue、从伊利诺伊大学研究室独立成立的X-Celeprin等等都在Micro LED显示器研发路也都互不相让。


晶元光电??总与发言人张世贤曾经在2016年表示,虽然以晶元光电来说,在磊晶和晶粒的制程部分,Micro LED成功机率高,至於能否在2017年量产出货,则还要很努力。由於Micro LED体积很小,磊晶、晶粒制程上还需要配合移转设备和系统应用等厂共同开发。


而友达光电则是结合旗下的隆达光电来进行Micro LED显示器的开发,Micro LED显示器实验线在2016年已经在隆达光电安装完成,并且展开相关的研发工程。而群创光电也是对Micro LED显示器的成长潜力相当期待,群创光电与同一集团下,由母公司鸿海精密投资的荣创能源(AOT)合作开发Micro LED显示器。


鸿海精密除了支持群创光电全力发展Micro LED显示器之外,也和已经是被视为集团内一员的夏普,联手投资美国的Micro LED显示器开发公司- eLux。


不过,与鸿海集团是以资金方式投入所不同的是,夏普是利用其在显示器的生产制造、组装、低成本化等等方面所拥有的21项专利作为标的,来换取eLux约700万美元的股权。而鸿海部分则是藉由旗下群创光电和荣创能源来对eLux进行投资。完成股权分配後,注册在英属维京群岛的Cyber Agent Ventures取得45.45%的比例,而夏普则是31.82%,下群创光电和荣创能源分别为13.64%与9.09%。就比例而言,鸿海集团下的公司共取的了54.55%的股权,也就代表着鸿海虽然间接,但却是实质地掌控了eLux的营运。


台湾除了收购海外Micro LED显示企业来加速技术的开发外,由於??创预定 2017 年下半年开始量产Micro LED显示器所需的Micro LED 晶片,因此,另一方面市场也传出了,韩国三星电子有意以1.5亿美元收购台湾的??创科技。如果,三星确实能如愿且在时程上顺利的收购了??创科技,那麽,就有相当大的机会能够满足苹果预计在2018年采用的Micro LED显示器作为APPLE WATCH萤幕面板的供应链。虽然尽管三星并不认为 Micro LED 能取代 OLED,但也为了不可预期的变化,三星仍旧为了Micro LED显示市场来临而作的预先准备。


除了LED小尺寸化、提升LED发光能力、克服巨量转移课题….等现有的瓶颈困难点之外,另一方面,台湾也正在努力针对Micro LED显示技术所需要开发出相对一的驱动晶片。基於期待Micro LED显示器能够展现更高的解析度与色彩饱和能力,因此在单一背板中就必须置入数量庞大,且尺寸更细小化的LED,这时巨量转移技术就变得非常的重要,同时也是继当成本的一个关键条件。但如何让数量如此庞大的LED能够独立控制、独立发光,这必须仰赖处理速度更快、传输量更大、可靠度更高、耗电量更低的新一代驱动晶片来完成。


由原本就长时间经营LED显示以及LED照明领域驱动产品的聚积科技,结合了工研院的力量,开发Ultra Fine Pitch LED显示用驱动晶片,来补足尚未周全Micro LED显示技术的一环。


聚积科技早在2014年就已经发表并且销售Ultra Fine Pitch LED显示器用的驱动晶片,但是对於更高难度的Micro LED显示需要,就必须要正视现有技术能力的瓶颈点,并且加以克服,因此在聚积科技现有技术的基础下加速的开发Micro LED显示驱动IC就变成迫不及待的事情了。


整合国内外资源

以目前来说,显示业界对於Micro LED显示器的开发状况与进度都非常的关心,Micro LED显示器是否能如各市场调查研究机构,以及各媒体所预测与期待的能有快速且巨大成长的潜力(图7),还是紧系在是否能够突破Micro LED显示器量产时所面对的种种困难,而这些克服困难和瓶颈却又不是单一产业或单一企业能够独自完成的。



图7 : 市调预测Micro LED显示应用将快速成长。
图7 : 市调预测Micro LED显示应用将快速成长。

综观各国企业的技术能力,都各有所长与能力,到目前为止,并没有一个国家的企业能够涵盖所有技术能力。以台湾来说,在LED和显示器的研发、量产和低成本化能力,都是领先其他各国企业,并且苹果也看好台湾的能力,在龙潭设立Micro LED显示器研发工厂,但是台湾在材料与设备部分却又力有未逮,因此,现阶段更需要结合台湾自动化设备以及大量引入国外材料业者,并且投入资金、人力共同在Micro LED显示器研发的里程上,成为领先集团中的一员。


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