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444517.com广东码王论坛详解Micro LED巨量转移技术
更新时间:2019-11-19

  Micro LED至早由堪萨斯州立大学 洪兴教授和德州理工大学Jingyu Lin教授在2000年首先发明的。

  巨量转移的难点在于,如何提升转移良率到99.9999%(俗称的「六个九」),且每颗芯片的精准度必须控制在正负0.5 μm以内。

  传统的LED在封装环节,主要采用真空吸取的方式进行转移。但由于真空管在物理极限下只能做到大约80μm,而MicroLED的尺寸基本小于50μm,所以真空吸附的方式在MicroLED时代不再适用。

  静电力采用具有双级结构的转移头,在转移过程中,444517.com广东码王论坛,分别施于正负电压,当从衬底上抓取LED时,对一硅电极通正电,LED就会吸附在转移头上,当需要把LED放到既定位置时,对另外一个硅电极通负电,即可完成转移。

  转移方式:使用弹性印模,结合高精度运动控制打印头,利用凡德瓦力,通过改变打印头的速度,手机即时开奖现场报码室开奖结果施密特触发器让LED粘附在转移头上,或打印到目标衬底片的预定位置上。

  在切割之前,在Micro LED上混入诸如铁钴镍等磁性材料,利用电磁吸附和释放。

  选择性释放,直接从原有的衬底上将LED进行转移,目前实现方式最多的是图案化激光剥离(p-LLO),即使用准分子激光,照射在生长界面上的氮化镓薄片上稀疏分离的模具大小区域,再通过紫外线曝光产生镓元素和氮气,做到平行转移至衬底,实现精准的光学阵列。

  利用刷桶在衬底上滚动,使得LED置于液体悬浮液中,通过流体力,让LED落入衬底上的对应井中。

  Sony早在CES 2012展中便已推出Crystal LED Display技术,采用622万颗微型LED颗粒导入55英寸(1920×1080×3)电视,但造价相当昂贵,加上巨量转移相关技术尚未成熟,以致生产良率低且耗时费工,无法实现量产。

  2016年Sony改变策略重新推出拼接型显示屏幕,并将该项技术命名为CLEDIS,确立借由Micro LED专攻大尺寸显示器市场的策略

  美国新创公司Uniqarta在会中提及,相较于传统的pick and place转移技术,Uniqarta的巨量转移方案速度与效率将大幅度提升。现行的pick and place每小时只能转移1万到2.5万颗,制作一台显示器约需2到15周。但Uniqarta所研发的雷射转移技术,可以透过单激光束,或者是多重激光束的方式做移转。Uniqarta执行长Ronn Kliger在演讲过程透过影片呈现转移速度,一颗大小为130x160微米的LED。每小时可转移约1400万颗。

  另一家做雷射转移的代表厂商是QMAT,QMAT转移技术是利用BAR(Beam-Addressed Release),使用激光束将Micro LED从原始基板快速且大规模转移Micro LED到目标基板。特别的是,为了确保巨量转移制程的零ppm缺陷及高产量目标,QMAT也提出了PL/EL的检测方案,在转移之前先行检测及确认,确保转移的Micro LED是良品,这样的方式将可以减少后续维修的时间及加工成本。

  除了雷射转移方案外,美国另一家新创公司SelfArray也展示了以定向自组装的方式,透过反磁漂浮的办法处理转移。方法是先将LED外观包覆一层热解石墨薄膜,放在振动磁性平台,在磁场引导下LED将快速排列到定位。

  SelfArray执行长Clinton Ballinger在会中也透过影片,以350x350微米大小的覆晶技术LED示范该项技术,并表示公司正在设计体积小于150微米的LED,未来将会进行测试。如果该技术成熟后,未来只需要几分钟便可制作出一台4K电视。

  滚轴转写制程技术为南韩机械研究院(KIMM)独 创的专利技术。利用滚轴对滚轴方式,将TFT元件与LED元件「转写」至基板上,最后形成可伸缩主动矩阵Micro LED(AMLED)面板,透过滚轴转写技术的巨量转移效率相较传统打件制程的速度平均快上1万倍左右

  eLux在巨量转移中主要是聚焦流体装配与定位技术。eLux专利提出流体装配之方法是利用熔融焊料毛细管的界面,以便在组装期间藉由流体悬浮液体当介质对电极进行机械和电器连接,可快速的将Micro LED捕获及对准至焊点上,是一种低成本且高速度的组装方法。

  eLux具备可在巨量转移大量微小Micro LED到承载用的基板、背版时,透过紫外线UV与光学检测,判断出有哪些小点是坏掉的Micro LED。然后透过机械手臂,透过流体组装技术,把「相变化」材质涂在坏掉的Micro LED上,等液体材料变成固态时,透过静电吸取的方式,把这些坏掉的Micro LED吸上来,并且把周围可能有脏掉的区域也清除。最后,再使用机器手臂把好的Micro LED放回版子上。

  依据显示基板尺寸不同,大致可分二种转移形式,第一种是小尺寸显示基板,使用半导体制程整合技术,将LED直接键结于基板上,技术代表厂商为台工研院,第二种是用于大尺寸(或无尺寸限制)的显示基板,使用pick-and-place的技术,将Micro LED阵列上的画素分别转移到背板上,代表厂商为Apple (LuxVue)、X-Celeprint等,其他厂商例如Sony、eLux等亦有相关转移技术。

  此篇专利系有关发光元件的转移方法,步骤为先于基板1上形成多个LED阵列之排列,一个阵列为一种颜色的LED,例如图1中红光、绿光、蓝光各自为一阵列。

  转移过程需要透过多次焊接步骤,依序将基板1上的LED移转到基板2的预定位置,所以如图2所示,每次焊接前先用保护层盖住没有要移转的LED,再将要移转的LED之导电凸块与基板2的接垫接合,最后基板1的LED将全数转移到基板2上。

  这件台工研院的专利也是有关Micro LED的制造技术,但其方法与上一篇截然不同。首先,在基板上形成LED阵列,其中半导体磊晶结构、第一电极以及第二电极构成发光二极管芯片,而发光元件包含发光二极管芯片及球状延伸电极,完成后将发光元件从基板移除

  接着透过喷嘴将发光元件喷出,借由发光元件与喷嘴的磨擦,使球状延伸电极带有静电电荷,而接收基板的接点则透过电路结构传送电讯号使其亦带有静电电荷,在说明书的实施例中球状延伸电极带有正电荷而接点则带有负电荷。

  如图4所示,透过例如摇筛的方式,使发光元件落入接收基板的开孔中,由于球状延伸电极的体积大于发光二极管芯片的体积,因此在落下的过程中,发光元件的球状延伸电极转向下落入孔中与皆点接触。

  LuxVue在2014被Apple并购,其所拥有的Micro LED相关专利是众家厂商中最多的,在转移技术上其主要是采用静电吸附的巨量转移技术。

  为了达到更好的转移效率,使用巨量转移技术的厂商不断开发出各式各样的转移头,而Apple这篇专利的特殊之处在于其转移头具有双极的结构,可以分别施予正负电压。

  转移头的平台结构被介电层对半分离形成一对硅电极,当要抓取基板上的LED时,对一硅电极通正电,对另一硅电极通负电即可将目标LED拾取。

  X-Celeprint的巨量转移技术Micro-Transfer-Printing (μTP)是用压印头在LED上施压,利用凡得瓦力让LED附着在压印头上后,再从来源基板上将其拾取,移至目标基板上的预定位置上后,压印头连同LED压向目标基板,使LED上的连接柱插入背板接触垫后完成LED转移。

  据报导,鸿海将收购Micro LED新创公司eLux,该公司在专利上有二点值得注意。首先是其转移技术与市场主流不同,其次是其在美国申请的专利,利用CIP方式大量串接Sharp与自己的专利(如图8所示)。

  eLux的转移技术是利用刷桶在基板上滚动,液体悬浮液中含有LED,进而让LED落入基板上的对应井中。

  五大薄膜转移技术包含静电吸附、凡得瓦力转印、雷射激光烧蚀、相变化转移、流体装配。流体组装方式是一种高速度的组装技术,对各式之产品应用皆有较高的产出量(UPH),可以大幅度缩减组装工时及成本。

  芯片级焊接 (Chip Bonding)及外延级焊接 (Wafer Bonding)由于产能过低及工时成本过高,在巨量转移上将无法应用上,但Wafer Bonding(外延级焊接)现状的应用是因为以现有机台来开发Micro LED技术及研发像素数量(Pixel Volume)较小的产品,

  在磊晶与芯片制程,将分别以芯片及设备角度探讨Micro LED的芯片及相关制程解决方案

  在巨量转移方面,将由eLux、Uniqarta、QMAT、KIMM及等业界代表讲述各种巨量转移之技术方法

  其中由柯全先生Thomas Q. Ke的研究论文提出无需巨量转移的Micro LED量产方式。该论文指出,借由重新设计Micro LED的制造过程并运用现有技术,就能有效率避开耗时费工的巨量转移制程。论文提出的方法是,将Micro LED保留在磊晶基板上,移除3/4的Micro LED晶圆,用PI填平开孔,再在驱动电路制作于保留下来的1/4 LED旁。透过此方法,不需要巨量转移制程也能制作出RGB Micro LED显示屏幕

  将驱动电路整合在Micro LED晶圆片上的技术方法,与Lumiode, eMagin, NthDegree, OSRAM等公司的技术类似。除了制程跟材料以外,此论文提出的方案跟其他技术最大的差异在于舍弃了3/4的LED晶圆材料,并由多出来的空间来换取RGB交错排列跟驱动电路的摆放位置。

  今年初,Plessey宣布将率先推出基于GaN-on-Silicon的单片Micro LED显示器。LEDinside与Plessey取得了联系,并了解到该公司开发了一种新型单片技术,这种技术不需要转移制程,而是在150mm GaN-on-Silicon晶圆上构建RGB Micro LED阵列,然后将其粘合到控制器背板上。

  9月,Plessey宣布与和莲光电合作,拟采用和莲光电的硅背板来驱动其专有硅基氮化镓外延片制成的单片Micro LED显示器;接着订购爱思强MOCVD反应器,助力Micro LED生产。

  此外,Vuzix今年年中宣布与Plessey合作开发高科技Micro LED显示引擎,用于Vuzix的波导光学器件,进而开发出下一代AR智能眼镜。

  其一是开发了一种使用紫外线雷射和可调整图案掩膜的Micro LED剥离移转技术,用于将Micro LED芯片从基板上打下并直接落在接收基板上。

  其二是开发了光学阵列,可以将从Micro LED芯片射出的光线利用折射和反射原理汇聚集中。

  这一技术可控制微米级芯片出光,达到更高的效率,当用于LCD和OLED面板背光、Micro LED面板等时,又能使应用设计更加薄型化。

  3月底,VueReal称已解决Micro LED屏三大制造问题,包括随着LED芯片变小而出现效率下降的问题、良率问题以及巨量转移问题。此外,VueReal计划在2021年全面投入生产,届时会将技术、设备和材料提供给显示屏制造合作伙伴。

  10月10日,VueReal宣布获得加拿大可持续发展技术基金会(SDTC)提供的850万美元资金(约5862万元),用于支持一项总投资超过2600万美元(约1.79亿元)的项目。VueReal将利用这笔资金进一步开发创新的Micro LED技术,扩大其在沃特卢的团队,并启动先进纳米技术中心。

  为了提升并确保Micro LED显示器的良率,检测与修复是制程中不可或缺的关键步骤。

  LED测试包括光致发光测试(Photoluminescence; PL)及电致发光测试(Electroluminescence; EL),前者能在不接触且不损坏LED芯片的情况下,对LED芯片进行测试,但检测效果跟EL测试相比略为逊色,无法确实发现所有瑕疵,可能降低后续的生产良率。

  相反的,EL测试透过通电LED芯片来进行测试,能够找出更多缺陷,却可能因接触而造成芯片损伤。而Micro LED由于芯片体积过小,难以适用传统测试设备,以EL检测的难度相当高,但PL测试又可能出现遗漏,造成检测效率不佳。

  因此,技术开发人员与设备制造商持续精进研发巨量测试技术,以提高检测效率,同时避免损及芯片。厦门大学与新竹交大的研究团队合力研发了一种摄影机型显微成像系统作Micro LED测试使用,该系统结合了计算机、电流、数位摄影机、电流供应棒与显微镜搭配支援软件,能够捕捉并分析显微镜影像,测量 Micro LED芯片的亮度。

  由于Micro LED晶粒体积小,如何在挑出缺陷晶粒之后有效维修并替换,也成了一项艰巨任务。Micro LED显示器厂商目前使用的修复方案包括紫外线照射维修技术、雷射融断维修技术、选择性拾取维修技术、选择性雷射维修技术及备援电路设计方案。

  美国新创公司Tesoro提出制程检测方案,结合了非接触型EL测试与波束定位 (BAR) 的转移方法,能够只将好的Micro LED芯片高速转移到目标基板上。

  日本设备厂Toray则推出Micro LED检修解决方案,以光线自动检测工具进行零接触检测,检测完以后使用其雷射修剪工具,根据检测结果剔除Micro LED芯片不良品。

  鸿利智汇表示,作为国内封装器件领军企业,鸿利智汇除了持续做好LED白光、汽车照明等照明产品,在Mini LED领域也适时布局。

  经过一年多的研发,公司在巨量转移技术、大尺寸面板上有大幅度突破,目前已跟转移设备厂商达成战略合作,实现150K/小时的小批量转移能力,未来有望达到200-300K/小时。

  Shin Etsu展出各种应用材料,其中应用在Micro LED转移制程的材料有STP系列,利用该材料黏滞性的不同以及搭配巨量转移不同的加速度,可精准的将Micro LED拾取及放置在暂存基板或背板上,以达到巨量转移的目的。

  今年,三星电子在美国拉斯维 加斯举办的年度First Look CES活动中推出了最新的模组Micro LED显示器。

  三星全新的Micro LED技术设计包括:全新的75英寸显示屏、通过“拼接”模组可以呈现各种尺寸、形状和配置。

  而Micro的芯片关键技术包括五个:Sub微米级的工艺线宽控制、芯片侧面漏电保护、衬底剥离技术(批量芯片转移)、阵列键合技术(阵列转移键合),巨量测试技术。

  5大技术路线家技术公司。目前Micro LED各种巨量转移技术可谓是百花齐放,并且均有不同技术特性,因此针对不同的显示产品可能都会有相对适合的解决方案。现阶段大致上可以分类为几项,包括Stamp Pick Laser Release;Roll to Plate;Fluidic Transfer,wafer bonding。这些转移技术对应到面板的各种规格要求均不相同。