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【趨勢專欄】探索 Micro LED 發展衍生之電路板需求商機

 

訊息提供:PCB Shop 更新時間:2018/12/14

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標簽: Micro LED 電路板

 

工研院 產科國際所(ISIT of ITRI)發表於 2019 PCBShop 採購指南

一、Micro LED 成為下世代顯示器之明星技術
Micro LED 顯示技術的原理,是將微米等級的RGB 三色 Micro LED 晶片搬移到基板上,藉此形成各種尺寸的Micro LED 顯示器,簡單來說即像是微縮的戶外 LED 顯示看板一樣,每一個 Micro LED可視為一個像素(Pixel),單獨驅動點亮。Micro LED 優點包括高亮度、高對比、高解析度、高可靠度及反應時間快等特性,並且因為具有自發光無需背光源的特性,更具有節能、機構簡單、體積小、薄型化等優勢,因此成為各國顯示器廠商積極布局的重點技術之一。

圖 1 Micro LED 與其它顯示技術之比較_資料來源 : 工研院產科國際所 (2018/08)

除了承接一般 LED 的優點,包括高亮度、超高解析度與色彩飽和度,Micro LED 同時在反應速度上亦可降至 micro second 等級,不容易產生motion blur 的現象 ( 如圖 1)。當晶片能達到低功耗與高發光效率時,將具備省電的機能,同時能延長元件壽命與 reliability。若與現有的顯示技術相比, Micro LED 功率消耗量約為同尺寸 LCD 的 10%,OLED 的 50%,同時 Micro LED 的動作溫度範圍較LCD 與 OLED 更廣,同時具備廣視角特性,在亮度比較上,與同樣是自發光顯示的 OLED 相較, Micro LED 亮度比 OLED 高 30 倍,因此運用在環境較為嚴酷的車用、工業用,乃至於軍事用領域都十分適合。而考量到穿透率,因 Micro LED 不需要額外背光模組、也不需要額外的光學膜片,因此穿透率超越 LCD 與 OLED,理論上的穿透率可達到90% 以上,因此應用在顯示器上將能更省電。更重要的是,因為Micro LED 是由無機材料構成發光層,比 OLED 具有更佳的材料穩定性,同時不易發生 Imaging sticking,也因為無機材料不容易受水氧的影響,封裝方式可以更簡便同時低成本,能改善現有 OLED 的缺陷。

圖 2 Micro LED 產品展示_資料來源: 工研院產科國際所(2018/08)

 
二、Micro LED 顯示技術成為各家佈局重點
SONY 在 CES 2017 展示了 CLEDIS 巨型顯示螢幕 ( 如圖 2),總長寬為 970 cm x 270 cm, 解析度高達 8K2K,共由 144 塊 40.3 cm x 45.3cm 的 Micro LED 模組無縫拼接組成,透過拼接處理能自由組成尺寸更大的顯示螢幕。由於 MicroLED 顯示技術不須背光源,且畫素四周黑色區域占比高達 99%,因此當螢幕顯示黑色畫面時,對比度較 OLED 顯示螢幕更高也更純淨、顯色表現更佳,此外,CLEDIS 還具有可視角度寬闊,以及色域廣等優點。
Samsung 在 CES 2018 展會上,推出了一款名為「The Wall」的巨型 4K 電視,它的尺寸高達146 英吋,專為電影院設計。The Wall 宣稱採用了Micro LED 技術,同樣擁有自發光的特性,且此電視的峰值亮度可達 2,000 尼特,使得白色色調更加明亮、黑色則更加深邃,自然色彩也會更加真實,The Wall 這個全球首款模組化Micro LED 電視,象徵顯示技術的另一項重大突破,它可以變身成任何尺寸,並帶來令人驚艷的亮度、色域、色彩及暗部細節,其亦開啟了Micro LED 正式邁入商用應用市場的大門。2018 年 7 月三星電子 (Samsung Electronics) 更計劃在 2019 年推出一般家用 Micro LED 電視,品牌名稱訂為 Luxury,標榜輕薄特性, 產品厚度將小於 30mm,可作為壁掛式安裝。

友達光電 (AUO) 於 SID 2018 推出號稱全球最高解析度 (169 PPI) 和全彩 TFT 驅動的 8 吋 Micro LED ( 晶片尺寸小於 30µm) 顯示器,並獲得 SID 展會最佳獎 (Best in Show Award),其背板採用 LTPS 驅動技術,每個畫素均可獨立驅動發光,實現高解析與高動態對比的畫面,並在低功耗設計具備優勢,同時結合色彩轉換技術,能夠表現更優異精確的色彩。
2018 年台北電腦展,工研院則與欣興、聚積、錼創共同開發出被動矩陣式驅動「超小間距 Micro LED 顯示模組」,LED 晶粒 80x 80 µm,間距約800 µm 以下,模組尺寸為 6 x 6 cm,解析度 80 x 80 pixel,能自由拼接大小並應用於電視牆(video wall)、室內顯示屏(indoor signage)等應用。

三、晶片全彩化方案與微小化成為 MicroLED 製造之重要基礎
傳統上以 LED 產生全彩化白光的方式,主要有三 ( 如圖 3)。( 一 ) RGB 三色 LED 晶片;( 二 ) 藍光 LED 晶片 + 黃色螢光粉 (YAG);( 三 ) UV 晶片+ RGB 螢光粉。其中,又以第二種方式 ( 藍光 LED 晶片+ 黃色螢光粉) 最為普及,其具有結構簡單、技術成熟且成本低廉等優點,但此方式亦有易色偏、演色性不佳、高色溫等問題,再加上關鍵之黃色螢光粉掌握在 Nichia、Osram 等少數國際大廠手中 ( 如 Nichia 獨門的 YAG 專利 US5998925), 使得此型態之產品亦屢屢成為國際專利訴訟的主要爭議焦點之一。

圖 3  LED 的全彩化白光產生方式_資料來源: 工研院產科國際所(2018/08)

當進入到 Micro LED 的顯示應用世界,LED 已不再只是當作背光模組的光源,僅僅提供混成白光的被動角色,而是轉而扮演起 Pixel 顏色直接顯示的角色,真正地實現了主動式發光的的顯示器技術。目前,主要國際大廠發表的 Micro LED 產品, 大多採用 RGB 三晶片的方式,來達到全彩化的目的,主要考量到其具有更高的演色性與色彩飽和度以達到廣色域要求,並藉由獨立控制 RGB 不同的晶片,可實現不同程度的混光色彩,另外,亦可藉此對個別顏色晶片作顏色補償如 ( 溫度、色偏、老化失效 ... 等等 ),達到更全面與智慧化的高品質顯示效果。

發光介質一般可分為螢光粉與量子點(Quantµm Dots)。螢光粉材料可在藍光( 或紫外光)LED 晶粒的激發下發出特定波長的光,再組合成白光,目前 LCM 背光模組的光源即是以藍光 LED + 黃光螢光粉 (YAG) 來達到全彩化效果,此方法因為發光構造簡單且成本低廉,因此亦廣泛應用於 LED 照明等用途。但此方式亦存在一些缺點,其一是螢光粉塗層將會吸收部分能量,降低了光的轉換效率;其二是色彩飽和度不好,對應到顯示器的色域效果不佳;其三則是螢光粉顆粒的尺寸較大,約為 1~10µm,隨著 Micro LED 晶粒像素尺寸不斷減小,螢光粉塗佈將變得更加不均勻且會影響到顯示器品質,儘管亦有廠商進行螢光粉材料的奈米化, 來達到縮小尺寸的效果,不過目前仍處於研究開發階段,尚未有具體商業化的實績,因此,這亦給量子點技術更多 Micro LED 的市場機會。

量子點,是一種由 II - VI 族( 如CdSe、ZnSe) 或 III - V 族元素 ( 如 InP) 組成的奈米顆粒,量子點的粒徑一般約在 1 ∼ 10nm 左右,遠小於螢光粉的 1~10µm,因此,非常適合應用於更小尺寸的 micro-display。量子點也具有電致發光與光致放光的效果,受激發後可以發射螢光,而發光顏色主要由材料種類和尺寸來決定,因此可通過調控量子點粒徑大小,來改變其不同發光的波長。當量子點粒徑越小,發光顏色越偏藍色;當量子點越大, 發光顏色越偏紅色,量子點的發光顏色可以覆蓋從藍光到紅光的整個可見區,其不但具有高能力的吸光 - 發光效率、很窄的半高寬,因此擁有很高的色彩純度與飽和度,且其具有寬的吸收頻譜的特性, 可有效消化綠光波長分佈寬廣而 out-bin 無法下線

圖 4 量子點在顯示器的使用況與色域比較_資料來源:工研院產科國際所 (2018/08)

的成本。而量子點技術存在的主要問題為各顏色均勻性以及各顏色之間相互影響的問題,所以解決紅綠藍三色分離與各色均勻性,成為量子點發光二極體應用於微顯示器的重要課題之一。

目前,量子點技術已藉由三星電子將其導入商業化,推出 QD-TV 產品,其藉由將原本背光模組中採用的藍光 + 黃光螢光粉 (YAG) 的結構,改成藍光 + 紅綠光量子點膜(QD Film),以達到增強顯示色域的效果,NTSC 由 75% 提高至 100% 以上,可使顯示器製造商在不增加系統功耗的前提下提升亮度、對比度和廣色域等特性 ( 如圖 4)。
雖然量子點技術應用已日漸普及,但當前量子點技術還存在著材料穩定性不夠、對散熱要求高、易受水與氧氣影響、含有鎘金屬元素、壽命短以及成本高等缺點,這亦大大限制了量子點技術的應用領域,但隨著Micro LED 晶粒尺寸的持續縮小,巨量轉移的成本亦將持續升高,而藍光晶片 + 量子點的解決方案將有機會扮演愈來愈重要的角色,屆時,亦將同步吸引更多色彩轉換材料廠商的資源投入,讓此種方法成為最具競爭優勢的解決方案之一。

四、巨量移轉成為 Micro LED 市場化的關鍵技術
隨著 Micro LED 尺寸的不斷縮小,以獲得更高PPI 的顯示品質,因此在顯示背板上就需要組裝愈來愈多的 Micro LED 晶粒,根據計算,一個 4K2K 顯示器需要約 2,490 萬顆 Micro LED,若以傳統 LED 的 Pick & Place 的取放方式來組裝,以約 5 次/ 秒來計算,一個 4K2K 顯示器光是組裝Micro LED晶粒到背板上,及需要約 1,383 小時( 約 57 天),

表 1 Micro LED 巨量轉移成本預估_資料來源:工研院產科國際所(2018/08) 

此時間還包括其他製程、組裝、測試的時間,顯然,以 Pick & Place 的取放方式來組裝 Micro LED 是不符合經濟效益的,因此發展快速、準確、高良率的巨量轉移製程製程技術,即成為Micro LED 產品是否可以商品化、普及化的關鍵因素之一。
若以晶粒成本以及巨量轉移的成本來做比較,分別針對 Smart watch、4K Mobile、13 吋MacBook Pro、4K 85 吋 TV 等應用產品來做比較( 如表 1),可以發現在 Smart watch 產品,因為所需運用到的晶粒數量較少,巨量轉移的次數亦較少,使得巨量轉移的成本約只是晶粒成本的一半不到, 但是當 4K 85 吋 TV 等大型產品, 需要更多次的巨量轉移製程,因此,此時巨量轉移的成本已轉變為晶粒成本的二倍。而當晶粒尺寸不斷在縮小 ( 由 5µm 降為 2µm),雖然巨量轉移的次數不多,但是,牽涉到巨量轉移製程的困難度、良率 ... 等等因素,此時巨量轉移的成本已轉變為晶粒成本的四倍以上。

圖 5 主要 Micro LED 巨量轉移技術_資料來源:工研院產科國際所(2018/08)

目前全球投入 Micro LED 巨量移轉技術開發者不在少數,主要包含 Luxvue(Apple)、X-Celeprint、ITRI、eLux... 等等廠商 ( 如圖 5),目前雖仍面臨製程良率、產能與產出速度、成本 ... 等等問題,但已較之前有很大之進展,以每次巨量移轉的晶粒數量為例,已從每次移轉 2,500 顆,漸漸提升至10,000 顆、100,000 顆,再到 500,000 顆,不過仍有持續再進步之空間。
 
Apple 於 2014 年 5 月收購 LuxVue,取得多項關鍵的 Micro LED 巨量移轉專利,站在專利制高點,並投入大量資源發展Micro LED 關鍵技術(500 億美元、1,400 名技術人員 ),事過三年之後,依舊遲遲無法解決 Micro LED 導入量產所遇到之良率問題,因此,Apple 於 2017 年 11 月攜手台積電, 即是為解決 Micro LED 的巨量移轉瓶頸問題。

圖6 Luxvue 移轉頭設計與巨量移轉程序( 一)_資料來源:工研院 IEK (2018/08)

 
Luxvue 利用 Al2O3 或 Ta2O5 等材料做成移轉頭主體 (Mesa)( 如圖 6A),其移轉頭可做成單電極或雙電極的類型,以符合抓取不同結構的微型電子元件,此電極區域並鍍有 TiW 等高熔點材料,而在電極的最表面並鍍有高介電係數的介電材料 ( 如Al2O3、Ta2O5) ( 如圖 6D),轉移頭的平台結構被介電層對半分離形成一對矽電極 ( 如圖 6B),當要抓取基板上的 LED 時,藉由在移轉頭通入交流電壓或直流電壓以產生靜電吸力,如對一電極通正電,對另一電極通負電,即可將目標微型電子元件拾取。( 如圖 6E),此移轉頭呈現矩陣式的排列 ( 如圖 6C),其可藉由個別電流的控制,選擇性地只抓取部分的微型電子元件,以達到微型組裝的目的。
 
由於抓取微型電子元件的力量大小與通入電壓有關,因此通入愈高的電壓,除了選用較高介電係數的材料之外,介電層材料的厚度亦需再提高, 以防止元件崩壞。而由於Mesa 主體的厚度約2~10
µm,因此,對於被吸取微型電子元件基板的平整度要求很高,以免基板平整度起伏過大,造成無效的抓取動作。
Luxvue 抓取原理是藉由在待轉移基板 ( 如圖6F) 上的微型電子元件下方的低熔點鍵結材料(210)( 如圖 6G),在移轉頭抓取微型電子元件之前,先將此材料 (210) 加熱融化,產生從固體到液體的相變化,以順利達到抓取微型電子元件的目的,並且將移轉頭陣列在微型器件基板上來回摩擦晃動 ( 如圖 6H),以便移除任何移轉頭或微型器件的接觸表面上可能存在的任何微粒。接著在轉移過程中,再將微型電子元件下方的低熔點鍵結材料 (210) 再次加熱融化,以與接收基板上的元件接點結合,達到移轉與置放的目的 ( 如圖 6I)。

另一方面,Apple 另一個主要的 Micro LED 晶粒供應商—OSRAM,為加速 Micro LED 巨量移轉製程之進展與後續量產考量,於 2018 年 3 月與X-Celeprint 簽署了技術和專利授權合約,此項協議涉及 X-Celeprint 公司的 Micro-Transfer-Printing(µTP) 技術,顯見 X-Celeprint 的巨量轉移技術,已漸漸獲得國際大廠肯定。

圖6  Luxvue 移轉頭設計與巨量移轉程序( 二)_資料來源:工研院產科國際所 (2018/08)

 
X-Celeprint 的巨量轉移技術 Micro-Transfer- Printing (µTP) 是用壓印頭在 LED 上施壓,利用凡得瓦力讓 LED 附著在壓印頭上後,再從來源基板上將其拾取,移至目標基板上的預定位置上後,壓印頭連同 LED 壓向目標基板,使 LED 上的連接柱插入背板接觸墊後完成 LED 轉移 ( 如圖 7)。

圖 7 X-Celeprint 巨量移轉示意圖_資料來源:工研院產科國際所(2018/08)

 
五、超大型 Micro LED 顯示將以 PCB 作為主要背板
Micro LED 終端產品依照應用領域不同,微組裝所採用的背板材料亦不同,如大型看板、劇院等超大型顯示器,是使用 PCB 來當作背板材料,一般電視、NB/PC 顯示器則採用玻璃基板當作背板,而 AR/MR 等產品,即採用 Si 基板來當作背板材料,其中以 PCB 基板為基礎的大型顯示器或戶外看板,被視為未來 Micro LED 產值最大的應用市場之一,如 Sony 的 CLEDIS 大型顯示器、Samsung 的 146 吋 The Wall 大型看板,即採用PCB 作為 Micro LED 的背板。

因 LED 的組裝在背板材質,牽涉到固晶的程序,目前 LED 主要的固晶方式有銀膠、不導電膠、共晶 (Sn-Au)、刷焊錫、ACF... 等等製程方式,但因考量到 Micro LED 微組裝製程的精度、產出速度、生產成本、製程溫度、製程相容性、修復難易度 ... 等等,目前 Micro LED 在 PCB 背板的架構下,主要採用刷焊錫的方式來當作固晶的方式,而Micro LED 晶片結構則採用 Flip Chip 的結構,其關鍵步驟包含如錫膏刮刀的壓力與速度、stencil 開孔品質、錫膏的位置與錫量 ... 等等,以免造成 micro LED 焊錫的短路 (solder short) 與空焊 (solder empty)等問題出現。
由於 Micro LED 晶粒尺寸較小 (<100µm),因此製程與組裝方式都與傳統 LED 組裝方式不同, 如巨量轉移程序對於接收板材的平整度要求很高, 以確保 Micro LED 晶粒轉移良率的穩定性,因此, 多是先藉由將 Micro LED 移轉至一個平整度良好的暫時性基板 ( 如玻璃 ),再將其巨量移轉至目標PCB 背板上 ( 如圖 8)。另外,線寬 / 線距對於傳統PCB 製程一是很大的挑戰,傳統 PCB 線寬 / 線距約在 40/40µm 左右,但以目前 Micro LED 晶粒尺寸約 80x80µm 左右,其 Flip Chip 晶片結構的 PNgap 約 20~30µm 左右,此細線寬 / 細線距的製程能力,就必須仰賴半加成法或加成法的方式才可達成,另外,基板材料亦須改用 BT 等類載板材質, 而非傳統 FR4 的材料,良好的基板平整度可確保移轉的良率與製程穩定性。

圖 8 Micro LED 微組裝示意圖_資料來源:工研院產科國際所(2018/08)

五、結論

台灣在 Micro LED 製造的領域,擁有相當完整的供應鏈( 如圖 9),如在 Micro LED 晶粒端有晶電、隆達、光鋐、錼創 ... 等等廠商,在驅動 IC 方面有瑞鼎、聯詠、奇景、聚積 ... 等等廠商,玻璃基板系統廠方面則有友達、群創、Sharp 等面板廠商, 在 PCB 製造領域方面,不僅有欣興、華通、健鼎、臻鼎、南亞、景碩 ... 等板廠,且在材料與設備領域都有台灣相關廠商全力支持 PCB 產業的發展, 形成在 Micro LED 製造端完整的產業鏈生態系,未來 Micro LED 的產品將隨著量產技術的成熟,各應用產品之滲透率將逐年提高,而不同的 Micro LED 應用產品,將根據不同的基板材質特性,而有不同的製造程序與結構設計,而呈現各自擁有一片天空的狀態,未來三年內,Micro LED 的主流技術將逐漸收斂,唯有掌握產業趨勢與先期佈局,才能掌握未來 Micro LED 創新應用與關鍵產品之商業契機。

9 Micro LED 產業鏈_資料來源:工研院產科國際所(2018/08)

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台灣電路版協會(TPCA) 服務專員 陳致宇 Alvin ✉:alvin@tpca.org.tw 
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