MicroLED的这些制造难点，行业解决了几个？

Micro LED的这些制造难点，行业解决了几个？

Micro LED是一个未来显示技术发展的重要方向之一，虽然研发Micro LED的厂商包括三星、康佳等大厂在内不在少数，但目前实现量产的厂商屈指可数。

Micro LED的量产难点在哪里？要想实现量产，至少需满足三大条件。第一，如何实现巨量转移，据了解，良率要达到99.9999%才能够真正实现量产；第二，产线是否齐备，除了显示技术，Micro LED这样的高精尖微型设备在装配、封装等方面对车间的洁净程度、产线的精准率都有十分高的要求；第三，供应链是否跑通，要真正投入量产，成为合格的供应商，Micro LED所需要的背板、LED等材料备货要能够支撑量产和废品率。

Micro LED 显示器商业化样机生产制造难点

迄今为止，很多公司已经将micro LED显示器样机或初步产品商业化并进行了演示。

Plessey 0.7英寸 1920x1080 硅片 Micro LED

JBD 0.4英寸 1280x720 硅片 Micro LED

ADRC 0.22 英寸 Micro LED，配备 LTPS TFT 背板

ITRI 2.5 英寸120 x 120 Micro LED，配备无源基板

华星光电3.3 英寸 Micro LED 显示器，配备氧化铟镓锌 (IGZO) TFT 背板

PlayNitride 458像素/英寸 (ppi) Micro LED，配备 LTPS TFT 背板

天马 720x480 透明 Micro LED 显示器，配备 LTPS TFT 背板

eLux 12.1 英寸 720x240 全彩 Micro LED 显示器

AUO 9.6 英寸 1920x960 柔性 Micro LED 显示器，配备 228 ppi 和超过 550 万个 Micro LED 芯片组

AUO 12.1 英寸柔性 Micro LED 显示器，用于车载显示器应用

康佳 230 英寸 8K Micro LED 数字标牌

海信 118 英寸 4K Micro LED 数字标牌

TCL 132 英寸 4K Micro LED 电视，像素间距为 0.76mm

三星 146 英寸 The Wall 4K Micro LED 数字标牌显示器

夏普 24 英寸曲面 Micro LED 显示模块

索尼 395 英寸 7680x2160 Micro LED 标牌显示器

康佳2 英寸 Micro LED 显示器，用于具有量子点颜色转换和 LTPS TFT 背板的智能手表

2020 年，三星电子开始将其 146 英寸 Micro LED 显示器“The Wall”进行商业推广。

三星电子计划于 2021 年针对公共展示场所和豪华公寓的起居室推出一款全新的 110 英寸 Micro LED 显示器。该显示器仍然基于印刷电路板 (PCB) 背板，但三星电子的目标是在不久的将来应用 LTPS TFT 背板。

该款特殊产品有几个重要的里程碑：

Micro LED 显示器的 RGB 三合一封装

非常小的 Micro LED 尺寸：75μmx125μm

印模传输技术

下图为三星电子新推出的 110 英寸 Micro LED 显示器。

图 3：三星 110 英寸 Micro LED显示屏及规格

来源：Omdia，三星电子

三星 146 英寸的 The Wall Micro LED 数字标牌显示器每台售价超过 27 万美元。全新的 110 英寸 Micro LED 显示器估计每台售价超过 13 万美元。它的售价高昂，使它步入了超级奢侈品的行列。

三星电子计划从现在起为家庭推出更多的 Micro LED 显示器，包括 75 英寸、88 英寸、94 英寸和 99 英寸。所有这些显示器都具有高密度的微米级像素间距的 Micro LED 芯片和一个全新的 LTPS TFT 背板。三星电子的 Micro LED 电视供应链包括三安光电、EPISTAR、PlayNitride、AUO 和 BOE。

虽然如此多的企业参与，但是Micro LED 显示器商业化进程还是比较缓慢。

最关键的是，Micro LED 显示器模块的制造工艺尚未实现类似于 LCD 或 OLED 的标准化，并且每个制造商都在开发自己的独特工艺和产品技术。这使 Micro LED 显示器制造工艺复杂、品种繁多。

此外，设备和工具都是定制的，成本很高。同时，参与制造工艺的公司很多，包括 Micro LED 外延片制造商、PCB/LTPS 制造商、批量转移制造商、驱动器集成电路（IC）制造商、机柜组装制造商、模块化制造商和OEM/ODM制造商。涉及的制造商越多，转型成本就越高。

换句话说，Micro LED 显示器的高成本是由以下四个因素造成的：

复杂的生产工艺

工艺和设备标准化程度低

多个供应链参与者

良品率管理和产量不成熟、不稳定

Micro LED 显示器模块工艺可以按照以下步骤排序：

Micro LED 部件

外延片的矽晶锭

Micro LED芯片分割

中介层上的倒装芯片 Micro LED

背板和批量转移

LTPS/PCB 背板

批量转移 （从中介层上的Micro LED到背板 ）

Micro LED 芯片检修

模块化

IC 键合

模块组装

检修

图 5：Micro LED 显示器模块制造工艺

来源：Omdia，三星 ─ 照片由 Park Ken/Omdia 在 2020 年 1 月内华达州拉斯维加斯的“2020 年消费电子展(CES)”拍摄

这些工艺存在四个主要的挑战和技术问题：

Micro LED 芯片和结构：Micro LED 芯片结构比传统LED更为复杂。

背板：TFT 背板设计比一般的TFT更为复杂。

批量转移工艺：存在许多可选的批量转移工艺，例如静电转移、电磁转移、激光转移、印模转移、整体转移、射流转移、逐一固晶转移和可拉伸巨量转移，每一种都有其优缺点。

检修：如有必要，需要对每个 Micro LED 芯片组进行检修。因为有数百万甚至数千万个亚像素，即使良品率达到 99.99%，仍需修复存在缺陷的 Micro LED 芯片组。检修非常耗时。

图 6：Micro LED 制造挑战和技术问题

来源：Omdia，Freepik Company S.L.

他们在努力

清华大学电子系开发叠层微型LED全色阵列

近日，清华大学电子工程系盛兴研究组开发了一种基于叠层式红、绿、蓝三色（RGB）微型发光二极管（micro-LED）的器件阵列设计，可用于全彩色照明和显示。该研究通过探索外延剥离和转移印刷技术，实现了基于不同单晶III-V族半导体的薄膜micro-LED在垂直方向上的异质集成。同时，通过设计具有波长选择透过的光学薄膜作为micro-LED之间的界面层，提高了器件的发光效率和辐射性能。这种新颖的策略能够实现可见光全覆盖的可独立寻址控制的动态图案化显示，为下一代新型显示系统提供新的途径。

图1. 堆叠RGB micro-LED阵列的概念图

随着智能可穿戴设备、增强现实和虚拟现实等新兴科技的兴起，高端显示技术已成为市场的迫切需求。相比于基于液晶和有机LED器件的显示技术，基于无机半导体材料的micro-LED显示具有亮度高、寿命长、能耗低、响应速度快等特点，是下一代新型显示技术的有力竞争者。然而，无机micro-LED显示技术仍然面临包括巨量器件集成在内的诸多关键技术难题，此外，micro-LED尺寸的减小也会带来器件性能恶化和制造难度增加等问题。

图2.堆叠RGB micro-LED阵列的示意图和实物图

本工作提出了一种叠层RGB micro-LED结构，与传统并排放置的RGB器件结构相比，在同等器件尺寸下，叠层结构比并排结构可将显示分辨率提升三倍，不仅提高了器件的发光性能，也降低了制备过程中对加工精度的要求。基于外延剥离和转移印刷的方法，将基于不同无机III-V族单晶半导体结构的薄膜式micro-LED，包括铟镓磷基（InGaP）红光LED、铟镓氮基（InGaN）绿光和蓝光LED（尺寸~100μm2，厚度~5μm）异质集成，形成垂直堆叠结构。此外，该设计还在堆叠结构中嵌入了一个具有波长选择性反射的薄膜界面层，以提升器件的光输出效率。结合成熟的平面化工艺，制作为可独立寻址控制的有源发光阵列，实现可见光波段全覆盖的多色显示。

图3.堆叠RGB micro-LED器件的发光照片和电致发光性能

图案化可动态调控的叠层RGB micro-LED显示阵列证明了垂直堆叠结构设计的可行性，这些阵列带有独立的电接触电极，用于LED的可独立控制。该叠层设计策略有望扩展到大规模显示阵列，也可被用来探索其在生物医学等其他领域的应用。

图4.用于显示的图案化RGB micro-LED阵列

该成果近期发表于《美国科学院院报》（Proceedings of the National Academy of Sciences USA），题为“面向全色显示的叠层微型LED阵列”（Transfer-printed, tandem microscale light-emitting diodes for full-color display）。论文的通讯作者为清华大学电子系副教授盛兴，第一作者为电子系博士生李丽珠，合作者来自于清华电子系、化学系、材料学院，成都辰显光电公司，中科院苏州纳米技术与仿生研究所等单位。本工作获得了国家自然科学基金、清华大学未来芯片技术高精尖创新中心、北京信息科学与技术国家研究中心等项目支持。

台工研院开发柔性透明Micro LED面板

4月22日，在显示产业年度盛会Touch Taiwan展上，台湾地区工研院透露，在透明Micro LED显示系统与应用的研发成果已跻身世界领先群，相较于韩国大厂所开发的40％穿透率的透明AMOLED显示器模组，且无支援AR虚实融合显示功能，法人科专可做到透明面板60％穿透率、绕射强度小于1％；另外在非穿戴式直视型透明显示虚实融合技术之专利布局亦为国际领先，过去3年技术移转与产业服务之收入超过新台币3亿元，研发效益屡屡创新高。

工研院电子与光电系统研究所所长吴志毅表示，工研院作为研究法人，配合经济部技术处的技术发展策略，在技术研发课题上，聚焦在发展key enabling的技术项目，并提出2个例子。第一个例子是针对背景光通过透明显示面板时产生的光绕射问题，工研院开发出”低绕射透明面板结构设计”，可以提升透明面板背景的可视性，以”绕射强度”作为评判指标，目前大多数透明显示器绕射强度约为30％~40％，工研院的技术可以达到小于1％，有利于让透明显示器扩大应用在医疗AR手术资讯系统、移动车辆的智慧车窗等。

第二个例子是”面板级重布线层RDL”技术，相较在晶圆基板做的RDL或是在PCB载板上的RDL线路，工研院的面板级RDL重布线层技术对制程中面板翘曲量可以控制在1％，厚铜导线的线宽与线距可达到2um，能够整合功能元件，像是RDL整合通讯滤波器可以应用在5G通讯晶片的封装上，满足电路面积轻薄短小的需求。同时，面板级RDL技术也可以应用在Micro LED显示面板的驱动线路，增加面板设计弹性。

设备商K&S：正研发Mini LED/Micro LED雷射转移技术设备

全球最大半导体封测暨Mini LED/Micro LED设备商Kulicke&Soffa(库力索法)执行副总裁张赞彬指出，目前看到多数供应链商持续不断Micro LED投资计划，除了良率之外，最大挑战来自于生产晶圆、封测成本问题，目前还看不到可达量产标准，不过，Micro LED应用速度较预期快了许多，商机引爆只是时间早晚问题。张赞彬说，目前看到多家供应链正解决Micro LED显示屏很难克服成本问题，经济低迷导致去年整体供应链放缓Micro LED的制造和研发，是很正常状况，Micro LED所面临问题，就如同过去半导体产业所解决技术困境一般，问题一定会有，如何解决、用什么方法才是重点，所以，Micro LED商用时间何时到来，还是取决于Micro LED成本降低、良率提升，相关技术改进提升是推动Micro LED市场应用关键。

去年虽受疫情影响，但Mini LED/Micro LED产业发展仍是乐观，已有多家企业供应链进行该专案投资，目前三星及LG在Micro LED大萤幕产品早期布局，在技术投资，战略合作等都有积极动作，重点关注韩国厂商在Micro LED产品的开发进度。

而目前大尺寸显示器仍是焦点，视频墙(数字显示)和电视将继续是现阶段微LED显示的主要产品。他预期Micro LED导入智慧型手机采用，需要多年技术成熟度，主要还是价格成本考量，大尺寸显示屏价格高，对Micro LED可接受度相对较高，慢慢朝向智慧型手机渗透。

而Micro LED最大竞争对手OLED，OLED发展相当长时间、技术成熟，相对的成本是OLED最大优势，且OLED技术不断提升，反映在成本及显示效能提升。不过，苹果今年新款iPad Pro强调采用Mini LED后，瞬间亮度、均匀度及对比率优于传统显示，而下一代Micro LED在效能表现上又会胜于Mini LED、OLED。

K&S在2017年开始Mini LED，经过四年时间学习累积丰富制程经验，可将宝贵经验带向Micro LED。张赞彬指出，Mini LED/Micro LED设备对于稳定性、可靠度之软、硬体要求更高，是K&S设备开发重要考量点，因此，年初K&S收购Uniqarta取得重要雷射转移技术；传统机械式转移在精度及速度上会受限，传统贴片机每秒约10 Hz转移速度，K&S正在研发下一代Mini LED/Micro LED雷射转移技术设备，可提供单颗转移、巨量转移，每秒高达1000Hz速度，是目前100倍速度提升，是目前业界最快。

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编辑整理：GDLED

资料来源：Omdia、清华大学电子系、台湾工商时报、财讯快报

题图来源：聚积科技LED驱动IC

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