量產在即？Micro LED歷史、現況、原理制程及參與企業分析

文章來源:恒光電器

發布時間:2016-08-03

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　　近日，TrendForce集邦科技旗下LED行業研究品牌LEDinside（LED在線）得知micro LED將于2018年量產的消息。為了更全面的了解microLED的技術發展與市場潛力，在線君對microLED的歷史、現況、原理、制程及參與企業等多方面做了全面的梳理。

　　歷史

　　說起Micro LED，先得從顯示TFT-LCD背光模組應用說起。在1990年代TFT-LCD開始蓬勃發展時，因LED具有高色彩飽和度、省電、輕薄等特點，LED射燈，部分廠商就利用LED做背光源。然而因成本過高、散熱不佳、光電效率低等因素，并未大量應用于TFT-LCD產品中。

　　直到2000年，藍光LED芯片刺激熒光粉制成白光LED技術的制程、效能、成本開始逐漸成熟；當進入2008年，商業照明燈具，白光LED背光模組呈現爆發性的成長，幾年間幾乎全面取代了CCFL，其應用領域由手機、平板電腦、筆電、臺式顯示器乃至電視等等。

　　然而，CE認證，因TFT-LCD非自發光的顯示原理所致，其opencell穿透率約在7%以下，造成TFT-LCD的光電效率低落；且白光LED所能提供的色飽和度仍不如三原色LED，企業資訊，大部分TFT-LCD產品約僅72%NTSC；再則，于室外環境下，TFT-LCD亮度無法提升至1000nits以上，致使影像和色彩辨識度低，為其一大應用缺陷。故另一種直接利用三原色LED做為自發光顯示點劃素的LED Display或Micro LED Display的技術也正在發展中。

　　現況

　　隨著LED的成熟與演進，Micro LED Display自2010年起開始有著不一樣的面貌呈現。

　　從其發展歷程來看，2012年Sony發表的55寸“CrystalLEDDisplay”就是MicroLEDDisplay技術類型，其FullHD解析度共使用約622萬(1920x1080x3)顆micro LED做為高解析的顯示劃素，對比度可達百萬比一，色飽和度可達140%NTSC，無反應時間和使用壽命問題。但是因采單顆MicroLED嵌入方式，廠房照明，在商業化上，仍有不少的成本與技術瓶頸存在，以致于迄今未能量產。

　　雖然MicroLED理論上是皆可應用各類尺寸產品，但從自身良率及制程來看，目前對解析度高低的需求與良率成反比，所以對解析度要求不高的穿戴式產品的顯示器因尺寸面積小、制作良率較高、符合節電需求，而被優先導入microLED。

　　一般LED芯片包含基板和磊晶層其厚度約在100~500μm，且尺寸介于100~1000μm。而更進一步正在進行的Micro LED Display研究在于將LED表面厚約4~5μm磊晶層用物理或化學機制剝離，再移植至電路基板上。

　　其Micro LED Display綜合TFT-LCD和LED兩大技術特點，在材料、制程、設備的發展較為成熟，產品規格遠高于目前的TFT-LCD或OLED，辦公照明，應用領域更為廣泛包含軟性、透明顯示器，為一可行性高的次世代平面顯示器技術。

　　自2010年后各廠商積極于Micro LED Display的技術整合與開發，然因Micro LED Display尚未有標準的μLED結構、量產制程與驅動電路設計，各廠商其專利布局更是兵家必爭之地。

　　迄2016年止，恒光電器,照亮您的生活，已被Apple并購的Luxvue、MikroMesa、SONY、leti等公司皆已具數量規模的專利申請案，更有為數眾多的公司與研究機構投入相關的技術開發。

　　主要參與開發的企業

　　原理

　　Micro LED Display的顯示原理，是將LED結構設計進行薄膜化、微小化、陣列化，其尺寸僅在1-10μm等級左右；后將Micro LED批量式轉移至電路基板上，其基板可為硬性、軟性之透明、不透明基板上；再利用物理沉積制程完成保護層與上電極，即可進行上基板的封裝，完成一結構簡單的MicroLED顯示。

　　而要制成顯示器，其晶片表面必須制作成如同LED顯示器般之陣列結構，LED照明品牌，且每一個點劃素必須可定址控制、單獨驅動點亮。若透過互補式金屬氧化物半導體電路驅動則為主動定址驅動架構，MicroLED陣列晶片與CMOS間可透過封裝技術。

　　黏貼完成后Micro LED能藉由整合微透鏡陣列，提高亮度及對比度。Micro LED陣列經由垂直交錯的正、負柵狀電極連結每一顆Micro LED的正、負極，商業照明燈具，透過電極線的依序通電，透過掃描方式點亮Micro LED以顯示影像。

　　Micro LED結構圖

　　Micro LED典型結構是一PN接面二極管，由直接能隙半導體材料構成。當對Micro LED上下電極施加一正向偏壓，致使電流通過時，電子、空穴對于主動區復合，道路照明，發射出單一色光。MicroLED光譜主波長的FWHM約20nm，可提供極高的色飽和度，通常可>120%NTSC。

　　而且自2008年以后，LED光電轉換效率得到了大幅提高，100lm/W以上已成量產標準。因此對于Micro LED顯示的應用，因其自發光的顯示特性，搭配幾乎無光耗元件的簡易結構，就可輕易實現低能耗或高亮度的顯示器設計。

　　這樣可解決目前顯示器應用的兩大問題，一是穿戴型裝置、手機、平板等設備的80%以上的能耗在于顯示器上，低能耗的顯示器技術可提供更長的電池續航力；二是環境光較強致使顯示器上的影像泛白、辨識度變差的問題，高亮度的顯示技術可使其應用的范疇更加寬廣。

　　制程種類及技術發展

　　對于半導體與芯片的制程微縮目前已到極限，而在制造上的微縮卻還存在相當大的成長空間，對于Micro LED制程上，目前主要呈現分為三大種類：Chip bonding、Wafer bonding和Thin film transfer。

　　三大制程的各自優劣勢及廠商

　　Chip bonding（芯片級焊接）

　　將LED直接進行切割成微米等級的Micro LED chip(含磊晶薄膜和基板)，利用SMT技術或COB技術，將微米等級的Micro LED chip一顆一顆鍵接于顯示基板上。

　　Wafer bonding（外延級焊接）

　　在LED的磊晶薄膜層上用感應耦合等離子離子蝕刻(ICP)，直接形成微米等級的MicroLED磊晶薄膜結構，此結構之固定間距即為顯示劃素所需的間距，節能與環保，再將LED晶圓(含磊晶層和基板)直接鍵接于驅動電路基板上，最后使用物理或化學機制剝離基板，廠房照明，僅剩4~5μm的MicroLED磊晶薄膜結構于驅動電路基板上形成顯示劃素。

　　Thin film transfer（薄膜轉移）

　　使用物理或化學機制剝離LED基板，以一暫時基板承載LED磊晶薄膜層，再利用感應耦合等離子離子蝕刻，形成微米等級的MicroLED磊晶薄膜結構；或者，先利用感應耦合等離子離子蝕刻，LED筒燈，形成微米等級的MicroLED磊晶薄膜結構，電工照明，再使用物理或化學機制剝離LED基板，以一暫時基板承載LED磊晶薄膜結構。

　　最后，根據驅動電路基板上所需的顯示劃素點間距，利用具有選擇性的轉移治具，將Micro LED磊晶薄膜結構進行批量轉移，鍵接于驅動電路基板上形成顯示劃素。

　　總結

　　盡管Micro LED顯示已經備受企業關注和加大研發，LED球泡燈，在規格上也較LCD具有多重好處，甚至劃質上可與OLED相媲美，但是現階段該顯示器發展并未普及，主要困難點有三大方面。

　　第一，在于LED固晶上。以目前已成熟的LED燈條制程為例，在制作一LED燈條尚有壞點等失敗問題發生，何況是一片顯示器上要嵌入數百萬顆微型LED。而LCD與OLED已采批次作業，良率表現相對較佳。

　　第二，在LED組件上。覆晶LED適合于MicroLED顯示，因其體積小、易制作成微型化，不需金屬導線、可縮減LED彼此間的間隙等，雖然FlipChip目前的良率還有一定問題，但是隨著LED的技術的逐漸完善和資本的不斷注入，已經在穩步提升。

　　第三，在規模化轉移上。未來MicroLED顯示困難處在于嵌入LED制程不易采大批量的作業方式，尤其是RGB的3色LED較單色難度更高。但是未來隨著LED黏著、印刷等技術方法的提升，則有利于MicroLED顯示導入量產化階段。（文/LEDinsideskavy）

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