Micro LED的关键生产技术－「巨量转移」

Micro LED技术被炒得震天价响，俨然是次世代的显示技术霸主，更是2018年的显示明星。然而，目前Micro LED依然存在许多的难题，不管是制程技术、检验标准，或者是生产成本，都与大量商业应用有着很大的距离，而其中一个最主要的挑战，就是如何导入大量生产，以降低其制造成本，而此一环节被称为「巨量转移」。

要理解巨量转移，当然要先知道什么是Micro LED，以及它跟传统的LED有何不同之处。 Micro LED的英文全名是「Micro Light Emitting Diode」，中文也就称作是微发光二极管，也可以写作「μLED」。

与一般LED最大的不同之处，当然是尺寸。 但是多少的尺寸才能称作Micro LED，目前仍未有统一的标准，因此都是制造商各自表述的情况。 以台湾晶电的定义为例，一般的LED晶粒是介于200～300微米（micrometer, μm），Mini LED（被称为Micro LED前身）约50～60微米，而Micro LED则是在15微米。

μLED完胜所有显示技术 成本与量产是唯一挑战

由于晶粒尺寸的差异，其各自的应用也就有所不同。 一般的LED芯片以照明与显示器背光模块为主；至于Mini LED则也将会运用在背光应用上，但会是在高阶的消费产品，或者是车用市场，如群创光电的AM miniLED就是运用在车用显示上；至于Micro LED， 其应用概念跟前两者则完全不同，将会是一种全新的显示技术，而它的竞争对象则会是OLED。

从技术规格与应用概念来看，μLED在亮度、反应速度、电耗与耐用度上皆完胜目前市面上的显示技术，几乎可以说是具备完全取代LCD和OLED显示的潜力，但唯一的问题就是其生产成本与量产的能力。

目前μLED最大的生产挑战就在于如何把巨量的微米等级的LED晶粒，透过高准度的设备，将之布置在目标基板或者电路上，而此一程序被称为巨量转移（Mass Transfer）。

事实上，巨量转移是一个学术名词，经常用于物质处理流程的工程设计上，它涉及物理系统内的物质或粒子的扩散和对流。

更具体的说，巨量转移是在描述一个化学或物理的机制，它是一种运输的现象，它意指大数量的点（分子或粒子）从某一端移动到另一端。 它可以是单一阶段，或者多重阶段，且涉及一个液体或者气体的阶段，有时候也可能在固体物质中发生。

一个经典的巨量转移范例，就是水的「蒸发」，透过蒸发现象，能让大量的水分粒子移动到另一个物质上，同理，扩散也是如此。

如何搬运数千万颗微米级LED晶粒的挑战

而用在μLED的生产上，就是要把数百万甚至数千万颗微米级的LED晶粒正确且有效率的移动到电路基板上。 以一个4K电视为例，需要转移的晶粒就高达2400万颗（以4000 x 2000 x RGB三色计算），即使一次转移1万颗，也需要重复2400次。

台湾的工研院目前也正在着手研发巨量转移的相关技术，而主要负责的单位则是电子与光电系统研究所。 电光所所长吴志毅博士就表示：「目前LED与显示面板的制程已相对成熟，最大的困难就在于如何将如此大量的μLED晶粒进行转移。 」

吴志毅博士指出，虽然生产微米级μLED晶粒不易，但仍是有设备可以做到，只是良率与产量的问题，例如红光LED微缩至微米级会有硅材质易碎的问题，但还是有法可行，唯有巨量转移目前仍没有一个好的解决方案。

就因为巨量转移的良率与效率具备很高的技术难度，因此目前包含苹果、三星和索尼都正积极研究突破之道。

吴志毅博士表示，要达成巨量转移的原理其实很简单，就是产生一个作用力将μLED晶粒精准的吸附起来，然后将之转移到目标背板上，再精准的释放。 而可以使用的原理有：真空、静电、沾黏、UV和电子作用等。

关键的问题就在于良率可以达到多少，以及产能是否合乎成本。

如果不考虑产能的话，透过目前的转移设备，如Pick-and-Place的方式，也是可以制作出μLED显示面板，但其成本将会非常昂贵，除非对于价格很不敏感的客户和应用，否则很难有商业发展的空间。

目前已有几家业者宣布其在小尺寸面板上取得初步的成功，包含台湾的镎创科技（PlayNitride）、晶电、苹果收购的LuxVue、日本的索尼，以及韩国的三星，但这些业者皆没有透露其转移的形式与技术，当然产量与产能也没有公布。

而在今年CES 2018展上，三星展示的146吋Micro LED电视「The Wall」，其是使用模块化拼接的方式，达成了大尺寸面板效果。

相较于μLED急需巨量转移技术来解决其量产的问题，晶粒尺寸在50～60微米间的Mini LED则完全可使用既有的生产设备来进行量产，因此目前的LED制造商皆先选择投入此一过渡的产品，甚至三星和索尼先前发表的Micro LED产品，可能都是属于Mini LED等级并透过现有设备来生产的产品。

这些国际大厂频频的动作当然引来市场的关注，但在μLED技术的研发上台湾其实并没有落后，甚至还可能有超前的机会。 工研院早在2009年就开始投入μLED技术的研发，只是一开始没有要往主流显示应用发展，但随着市场与技术的演进，也逐渐意识到其市场的潜力。

「当时我们认为OLED可以，LED也一定可以。 」吴志毅博士说道。

他指出，理论上，LED能够取代目前所有的OLED显示产品，唯一的问题就是制造成本和所谓的C/P值，如果做出的产品售价居高不下而乏人问津，那就没有发展的价值。 几年前的OLED电视几乎就是这样的情形。

而对于巨量转移技术，吴志毅博士则透漏，目前工研院也已有相关的解决方案，但他仍无法透漏相关的信息，仅响应今年将会有相关的技术发表，请大家拭目以待。

但他认为，目前巨量转移最可行的制程还是在6吋到8吋晶圆上，并以小尺寸的显示应用为主，大尺寸的显示应用只能透过拼贴的方式来进行，才能解决生产成本的问题；至于使用的技术形式，则是会是以吸附转移的方式，也就是利用静电、 凡得瓦力或其他的作用力来转移。

μLED应用市场将呈现M型化发展

也由于转移的技术不易，且产量和良率受限的缘故，因此μLED的应用市场将会呈现M型化来发展，也就是先从极大和极小的两个尺寸开始，最后才会逐渐往数量最大的消费性电子和电视的尺寸来发展。 但能不能发展至主流消费性电子产品市场，甚至取代目前的OLED电视或LCD电视，则需视届时的生产成本。

吴志毅博士表示，由于LED的特性就是发光面积小于组件面积，因此非常适合以拼接的方式来生产超大尺寸的显示面板，尤其是户外或者是公共空间的大尺寸显示屏，再加上这些应用对于价格的敏感度不高， 因此将会是μLED显示的第一个商用市场。

而接在超大尺寸之后，就会是超小型的显示应用，例如穿戴式和AR/VR装置，尤其是AR和VR。 吴志毅博士表示，μLED的高亮度、低功耗和高反应速度特性，非常适用于这些应用，不仅能克服日光下显示的问题，也能改善电耗，同时也能满足游戏的高速显示需求。

只不过吴志毅博士并不认为μLED会大量进入消费性电子市场，尤其是一般的家用电视市场。 他认为，目前μLED的生产成本仍十分昂贵，就算制程成熟，也是会高于LCD面板甚多，就算显示性能极佳，也不易说服消费者购买，因此仍需一段时间来观察。

但至少现在可以清楚的知道一件事，就是在巨量转移技术成熟之前，μLED的产品和应用都距离实际商用市场十分遥远，最快也要等到今年下半年之后，才会有更具体的技术细节被揭露。 而在那之前，所有关于μLED的一切，恐怕都只是个愿景和话题而已。