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环球体育登录平台:【科普】Micro-LED技能

发布时间:2021-09-05 15:03:01 来源:环球体育登录不上 作者:环球体育网站下载

  从2014年苹果公司收买Luxvue开端,Micro-LED技能越来越遭到世人的重视,各大电子巨子公司纷繁布局,许多厂商的目光投入很多的研制资源以及开端并购具有特别技能的新创公司,Micro-LED卡位战业已打响。

  能够预见,未来Micro-LED 以及Mini LED技能一旦老练,将关于显现工业供应链带来巨大的改动。

  Micro-LED是将LED结构进行薄膜化、细小化、阵列化,尺度缩小到1~10m左右,经过批量式搬运到基板上后再运用物理堆积完结维护层和电极,之后进行封装完结Micro-LED的显现。可是制作成显现器,需求整个外表掩盖LED阵列结构,有必要将每一个像素点进行独自可控、独自驱动,运用笔直交织的正负栅极衔接每一个Micro-LED的正负极,顺次通电,经过扫描办法点亮Micro-LED进行图形显现。

  Micro-LED显现器是由构成每个像素的微型LED数组组成。相较于OLED,Micro-LED选用传统的氮化镓(GaN)LED技能,可支撑更高亮度、高动态规模以及广色域,以完成快速更新率、广视角与更低功耗。Micro-LED的支撑者声称其全体亮度较OLED高30倍,一起供给更高的每瓦流明功率。

  Micro-LED选用的是1-10微米的LED晶体,完成0.05毫米或更小尺度像素颗粒的显现屏;MiniLED(次毫米发光二极管)则是选用数十微米级的LED晶体,完成0.5-1.2毫米像素颗粒的显现屏。而小距离LED,选用的是亚毫米级LED晶体,终究完成1.0-2.0毫米像素颗粒显现屏。小距离LED显现屏是指LED点距离在P2.5(2.5毫米)及以下的LED显现屏。

  Micro-LED技能是2000年由德州理工大学教授Hongxing Jiang和Jingyu Lin首要提出。之后的多年里,全球已有很多厂商投入相关技能的研制。

  Micro-LED是新一代显现技能,比现有的OLED技能亮度更高、发光功率更好、但功耗更低。比现有的LED、小距离LED更加运用广泛,可完成更加细腻的显现作用。

  假如考虑现在现有技能才能,Micro-LED有两大运用方向,一是可穿戴商场,以苹果为代表,据传苹果将在未来的苹果手表和iPhone上运用Micro-LED技能;二是超大尺度电视商场,以Sony为代表,2016年,索尼展出Micro-LED cledis,在分辨率、亮度、比照度上都具有优秀的功能。

  关于一个Micro-LED显现产品,它的根本构成是TFT基板、超微LED晶粒、驱动IC三部分。这三者有一个一起的特色,即很多承继于已有的液晶和LED工业,如可直接承继于LED晶粒(如三安)、半导体显现(如京东方)、IC规划企业(如聚积、奇景)等。因而,Micro-LED技能能够在现有基础上展开。但Micro-LED的中心技能却是纳米级LED的搬运,而不是制作LED这个技能自身。

  从现在Micro-LED干流技能途径来看,Micro-LED制作进程首要包括LED外延片成长、TFT驱动背板制作、Micro-LED芯片制作、芯片巨量搬运四部分组成。

  现在,Micro-LED在外延和芯片的要害技能上都需求获得打破。Micro-LED的外延要害技能包括三个:波长均匀性一致性、缺点和Particle的操控、外延面积的有用运用。而Micro的芯片要害技能包括五个:Sub微米级的工艺线宽操控、芯片旁边面漏电维护、衬底剥离技能(批量芯片搬运)、阵列键合技能(阵列搬运键合)、巨量测验技能。

  Micro-LED想要从试验室走向工厂,其间的四个要害过程尤为重要,包括:微缩制程技能、巨量搬运技能、键结技能(Bonding)、五颜六色化方案,其间又以微缩制程与搬运技能最为扎手。

  Micro-LED制备需将传统LED阵列化、微缩化后定址巨量搬运到电路基板上,构成超小距离LED,以完成高分辨率。整个制程对搬运进程要求极高,良率需达99.9999%,精度需操控在正负0.5m内,难度极高,需求更加精细化的操作技能;

  一次搬运需求移动几万甚至几十万颗LED,数量级大幅进步,需求新技能满意这一要求。以一个4K电视为例,需求搬运的晶粒就高达2400万颗(以4000 x 2000 x RGB三色核算),即便一次搬运1万颗,也需求重复2400次。

  出产LED芯片常常导致一些细小的“侧壁”损坏,通常是在250x250微米(um)的LED芯片上呈现约1-2um的缺点。可是,制作Micro-LED所需的LED芯片小至5x5um,2um的侧壁缺点现已足以导致破坏性的影响,留下的可用面活跃端细小,大约仅占总芯片尺度的4%。

  微缩制程技能是指将原有的LED毫米级的长度微缩至预期方针10m以下,即1-10m,也叫LED芯片技能。Micro-LED的LED芯片与现有量产的LED红蓝黄芯片比较,在原料和外延工艺上通用。不同之处以及相应的技能难点在于:

  (1)Micro-LED需求用到微米等级的LED制程,现有的LED芯片量产工艺及设备无法满意LED芯片加工要求。

  (2)LED芯片需求做衬底剥离,现有的激光剥离衬底工艺,本钱高、功率低,需求开发合适于LED芯片的衬底剥离技能。LED芯片尺度缩小到了10m,可是现有设备的加工极限在100m以上,需求开发更高精度的工艺和设备。

  巨量搬运有必要打破的瓶颈包括设备的精密度、搬运良率、搬运时刻、制程技能、检测办法、可重工性及加工本钱。

  (1)搬运的仅仅是现已点亮的LED晶体外延层,并不搬运原生基底,搬运厚度仅有3%,一起Micro-LED尺度极小,需求更加精细化的操作技能。

  现在Micro-LED巨量搬运技能可谓是百家争鸣,而且均有不同技能特性,因而针对不同的显现产品或许会有相对合适的处理方案。

  2018年3月,草创企业X-Celeprint提交了关于他们的微转印技能(TP技能)的论文。

  用最简略的言语来描绘微转印技能,便是运用弹性印模(stamp)结合高精度运动操控打印头,有挑选地拾取(pick-up)微型器材的大阵列,并将其打印(放置)到替换基板上。首要,在“源”晶圆上制作微型器材(芯片),然后经过移除半导体电路下面的献身层获得“开释”。随后,一个微结构弹性印模(与“源”晶圆匹配)被用于拾取微型器材,并将这些微型器材打印(放置)在方针基板上。

  经过改动打印头的速度,能够挑选性地调整弹性印模和被打印器材之间的黏附力,终究操控设备工艺。当印模移动较快时,黏附力变得很大,得以“拾取”被打印元件,让它们脱离基板;相反,当印模远离键合界面且移动较慢时,黏附力变得很小,被打印元件便会“脱离”,然后“打印”在接纳面上。

  印模经过规划,能够完成单次拾取和打印操作,搬运不计其数个分立元器材,因而这项工艺流程能够完成大规模并行处理。例如,240平方微米的芯片被放置在距离为250um的晶圆上,需求把芯片“打印”(放置)到距离为2mm的新外表上,印模上的结尾(参阅下图转印印模)就会被制作成2mm的距离,然后从晶圆上拾取1、8、16等芯片,一次打印完结后再回来拾取2、9、17等芯片。

  该技能现已在很多“可印刷”微型器材中得到验证,包括激光、LED、太阳能电池和各种IC资料(硅、砷化镓、磷化铟、氮化镓和包括金刚石在内的介电薄膜)的集成电路。

  还有超声开释式Micro-LED巨量搬运办法,包括如下过程,A、搬运预备,搬运基板水平放置,搬运基板的下外表赋有弹性膜,Micro-LED晶片粘附在弹性膜的外表,在平放搬运基板的上外表的方位设有超声发生单元,在该超声发生单元外表设备有超声换能器;B、挑选对齐,超声发生单元与搬运基板上某处Micro-LED晶片对齐,经过超声换能器完成直接触摸;C、形变开释,超声作用在某些特定方位时,该处的弹性膜发生变形,在Micro-LED晶片反面拱起,使晶片脱离搬运基板,在重力作用下落到方针衬底上;D、继续开释,开释搬运基板某处Micro-LED晶片后,超声发生单元移动到下一开释方位,与该方位上的Micro-LED晶片对齐,开释该处Micro-LED晶片。

  巨量移转技能为现在各大厂的专利布局要点,会集在静电吸附、范德华力转印、流体拼装、激光剥离、电磁力/磁力、黏附层、真空吸附。磊晶与芯片、全彩化、电源驱动、背板及检测与修正技能,仍有许多专利布局空间。

  将LED直接进行切割成微米等级的Micro-LED chip(含磊晶薄膜和基板),运用SMT技能或COB技能,将微米等级的Micro-LED chip一颗一颗键接于显现基板上。

  在LED的磊晶薄膜层上用感应耦合等离子离子蚀刻(ICP),直接构成微米等级的Micro-LED磊晶薄膜结构,此结构之固定距离即为显现像素所需的距离,再将LED晶圆(含磊晶层和基板)直接键接于驱动电路基板上,最终运用物理或化学机制剥离基板,仅剩4~5m的Micro-LED磊晶薄膜结构于驱动电路基板上构成显现像素。

  运用物理或化学机制剥离LED基板,以一暂时基板承载LED磊晶薄膜层,再运用感应耦合等离子离子蚀刻,构成微米等级的Micro-LED磊晶薄膜结构;或许,先运用感应耦合等离子离子蚀刻,构成微米等级的Micro-LED磊晶薄膜结构,再运用物理或化学机制剥离LED基板,以一暂时基板承载LED磊晶薄膜结构。

  最终,依据驱动电路基板上所需的显现像素点距离,运用具有挑选性的搬运治具,将Micro-LED磊晶薄膜结构进行批量搬运,键接于驱动电路基板上构成显现像素。

  Micro-LED的五颜六色化是一个重要的研讨方向。在当今寻求五颜六色化以及其高分辨率高比照率的严峻趋势下,世界上各大公司与研讨组织提出多种处理办法并在不断拓宽中。首要的几种Micro-LED五颜六色化完成办法,包括RGB三色LED法、UV/蓝光LED+发光介质法、光学透镜组成法。

  RGB-LED全彩显现显现原理首要是依据三原色(红、绿、蓝)调色根本原理。众所周知,RGB三原色经过必定的配比能够组成自然界中绝大部分颜色。同理,对赤色-、绿色-、蓝色-LED,施以不同的电流即可操控其亮度值,然后完成三原色的组合,到达全五颜六色显现的作用,这是现在LED大屏幕所遍及选用的办法。

  在RGB五颜六色化显现办法中,每个像素都包括三个RGB三色LED。一般选用键合或许倒装的办法将三色LED的P和N电极与电路基板衔接,详细布局与衔接办法如下图所示。

  之后,运用专用LED全彩驱动芯片对每个LED进行脉冲宽度调制(PWM)电流驱动,PWM电流驱动办法能够经过设置电流有用周期和占空比来完成数字调光。例如一个8位PWM全彩LED驱动芯片,能够完成单色LED的2^8=256种调光作用,那么关于一个含有三色LED的像素理论上能够完成256*256*256=16,777,216种调光作用,即16,777,216种颜色显现。详细的全彩化显现的驱动原理如下图所示。

  可是事实上因为驱动芯片实践输出电流会和理论电流有差错,单个像素中的每个LED都有必定的半波宽(半峰宽越窄,LED的显色性越好)和光衰现象,继而发生LED像素全彩显现的误差问题。

  UV LED(紫外LED)或蓝光LED+发光介质的办法能够用来完成全五颜六色化。其间若运用UV Micro-LED, 则需激起红绿蓝三色发光介质以完成RGB三色配比;如运用蓝光Micro-LED则需求再调配赤色和绿色发光介质即可,以此类推。该项技能在2009年由香港科技大学刘纪美教授与刘召军教授请求专利并已获得授权(专利号:US 13/466,660, US 14/098,103)。

  发光介质一般可分为荧光粉与量子点(QD: Quantum Dots)。纳米资料荧光粉可在蓝光或紫外光LED的激起下宣告特定波长的光,光色由荧光粉资料决议且简略易用,这使得荧光粉涂覆办法广泛运用于LED照明,并可作为一种传统的Micro-LED五颜六色化办法。

  荧光粉涂覆一般在Micro-LED与驱动电路集成之后,再经过旋涂或点胶的办法涂覆于样品外表。下图则是一种荧光粉涂覆办法的运用,其间(a)图显现一个像素单元中包括红绿蓝4个子像素,图(b)则显现了Micro-LED点亮后的五颜六色作用。

  该办法直观易懂却存在不足之处,其一荧光粉涂层将会吸收部分能量,降低了转化率;其二则是荧光粉颗粒的尺度较大,约为1-10微米,跟着Micro-LED 像素尺度不断减小,荧光粉涂覆变的更加不均匀且影响显现质量。而这让量子点技能有了大放异彩的时机。

  量子点,又可称为纳米晶,是一种由II-VI族或III-V族元素组成的纳米颗粒。量子点的粒径一般介于1~10nm之间,可适用于更小尺度的Micro-display。量子点也具有电致发光与光致放光的作用,受激后能够发射荧光,发光颜色由资料和尺度决议,因而可经过调控量子点粒径巨细来改动其不同发光的波长。

  当量子点粒径越小,发光颜色越偏蓝色;当量子点越大,发光颜色越偏赤色。量子点的化学成分多样,发光颜色能够掩盖从蓝光到红光的整个可见区。而且具有高才能的吸光-发光功率、很窄的半高宽、宽吸收频谱等特性,因而具有很高的颜色纯度与饱和度。且结构简略,薄型化,可弯曲,十分适用于micro-display的运用。

  现在常选用旋转涂布、雾状喷涂技能来开发量子点技能,即运用喷雾器和气流操控来喷涂出均匀且尺度可控的量子点,设备与原理示意图如图所示。将其涂覆在UV/蓝光LED上,使其受激起出RGB三色光,再经过颜色配比完成全五颜六色化,如图所示。

  可是上述技能存在的首要问题为各颜色均匀性与各颜色之间的相互影响,所以处理红绿蓝三色别离与各色均匀性成为量子点发光二极管运用于微显现器的重要难题之一。

  透镜光学组成法是指经过光学棱镜(Trichroic Prism)将RGB三色Micro-LED组成全五颜六色显现。详细办法是是将三个红、绿、蓝三色的Micro-LED阵列别离封装在三块封装板上,并衔接一块操控板与一个三色棱镜。

  之后可经过驱动面板来传输图片信号,调整三色Micro-LED阵列的亮度以完成五颜六色化,并加上光学投影镜头完成微投影。整个体系的实物图与原理图、显现作用如图所示。

  据赛迪研讨院2019年研讨报告,现在全球Micro-LED的开发组织现已超越140余家。Yole Dveloppement 专利研讨报告显现,华星光电、京东方、中科院长春光机所、歌尔股份是我国大陆Micro-LED研制较为活泼的企业和组织。此外,三安光电等企业已布局了Micro-LED工业,三安光电将Micro-LED视作未来要点展开方向。

  Google在2017年藉由出资瑞典制作商Glo,获得了进入Micro-LED的门票。瑞典的一家网站报导Glo经过直接授权Google获得了1,500万美元,也让Google获得Glo约13%以上的股权。Google出资Glo之举反映业界关于这项得以完成虚拟现实(VR)眼镜、手机与平板核算机的新式显现器技能爱好日益添加。

  一连串围绕着Micro-LED新创公司打开很多出资和收买的活动,反映技能工业永无止境地寻求新一代显现技能。

  在这些参加厂商中,Virey观察到,Apple (在收买Luxvue之后)现在具有最广泛的Micro-LED专利组合。而LG和华为也是强壮的竞赛对手。

  Sony相同是Micro-LED技能的前期开发商。该公司自2008年以来致力于Micro-LED的立异,并曾在2012年CES展现55英寸的全高分辨率(Full HD) Micro-LED电视原型。但Virey说,Sony自那次之后的展开重心好像转向了大尺度屏幕的工业/商用商场。

  在曩昔十年中,三星电子在韩国总共请求了24件Micro-LED专利,三星显现器公司请求了24个专利。

  尽管较晚进军Micro-LED商场,三星仍一向“活跃地寻觅可收买或授权技能的公司”,比方出资了30%的台湾公司錼创科技即PlayNitride所有权。该公司具有以Micro-LED芯片制作技能为首的巨量搬运技能、不良芯片检出和修理技能。除了PlayNitride,三星2018年头还与三安光电(Sanan Optoelectronics)到达项协议,方案一起开发Micro-LED显现器。

  2018年3月2日,国星光电隆重举行“国星Micro&Mini LED研讨中心”揭牌典礼。早在2015年,国星光电就开端布局Mini LED和Micro-LED技能,现在已获得阶段性研讨进展:Mini LED芯片技能堆集老练,已具有量产才能;高清Mini LED显现产品已处于试产阶段;P0.5及以下Mini LED显现技能正在研制中;Mini LED背光方面,正和一些世界厂家协作开发。下一步,国星Micro&Mini LED研讨中心将在现有研讨成果的基础上,依托和整合LED芯片及LED封装技能,完成P0.5以下Mini LED显现量产技能的开发、Mini LED背光显现模组的开发、柔性曲面Mini LED封装显现技能的开发、Micro-LED芯片及相关技能的开发

  其间,依据LuxVue中心的微机电体系(MEMS)微芯片搬运技能,而展开出来的搬运、拼装和互连等专利宗族数,就有40多项。此外,苹果也具有如进步Micro-LED芯片功率、颜色转化∕发生、光办理、画数或显现架构、测验,以及传感器整合等其它各项要害技能专利。

  近来外媒报导称苹果 Apple Watch将选用Micro-LED 显现器,最快2020年推出。现在,苹果已与錼创、铼宝公司协作,拼装Micro-LED 显现器。由錼创供给晶片,铼宝拼装显现器。

  看到老对手三星在Micro-LED电视上的行为后,LG也不甘示弱,赶紧对Micro-LED电视的布局。在2018年的柏林世界电子消费品博览会(IFA展)上,LG更是直接搬出了一台175英寸“巨无霸”Micro-LED电视,比之前三星发布的146英寸“THE Wall”还要大不少,而且更轻浮。

  而在曩昔十年中,LG电子公司请求了29个Micro-LED专利,LG显现器公司的请求数量则为35个。

  作为Micro-LED技能的先驱者,Sony产品布局是以高阶商用型大尺度显现屏幕产品为首要方针,主打高阶家庭和电影院投影场景运用,以与OLED竞赛。像是CES 2017展Sony展出的CLEDIS显现器,正是以144片Micro-LED拼接而成。

  2016年,Sony改动战略从头推出拼接型显现屏幕,并将该项技能命名为CLEDIS

  Sony早在CES 2012展中便已推出Crystal LED Display技能,选用622万颗微型LED颗粒导入55英寸(1920×1080×3)电视,但造价适当贵重,加上巨量搬运相关技能没有老练,致使出产良率低且耗时费工,无法完成量产。2016年Sony改动战略从头推出拼接型显现屏幕,并将该项技能命名为CLEDIS,树立借由Micro-LED专攻大尺度显现器商场的战略。

  跟着Micro-LED受业界重视程度添加,鸿海集团自2017年起活跃布局,已出资美国Micro-LED企业eLux,并连续找夏普、群创、荣创入股eLux。计算显现,群创、荣创别离持有13.64%、9.09%股权,凸显鸿海董事长郭台铭对群创与荣创展开Micro-LED高度仰赖。

  2017年5月鸿海对外布告,公司经过子公司CyberNet出资约资1,000万美元获得eLux部分股份,出资后,CyberNet估计将持股45.45%、群创将持股13.64%,荣创将持股9.09%,到时泛鸿海集团将成为eLux最大股东。eLux是一家建立于2016年10月的美国新创公司,挂号地址为美国德拉瓦州,而实践地址坐落美国华盛顿州南边的小镇Camas。eLux与日本夏普的根由很深,执行长Jong-Jan Lee与技能长Paul Schuele均出自夏普美国试验室(SharpLaboratories of America),连地址也与夏普美国试验室彻底相同。

  此前,鸿海旗下Micro-LED新创公司就泄漏,流体设备与定位技能已获得专利,可完成最大设备速度,是技能一大打破。

  相同瞄准Micro-LED巨量搬运,比利时微电子研制组织爱美科(Imec)传出自动找上从属泛鸿海集团的帆宣,要一起协作开发“晶粒布植机”试验机台,让帆宣被看好成为鸿海集团布局Micro-LED的要害要角。

  有业界猜测,苹果与鸿海集团严密协作,群创、荣创将扮演前锋。荣创是鸿海集团重要的LED转出资公司,协作集团资源整合,与群创、夏普等面板客户协作,活跃开发Mini LED背光面板。荣创也正活跃开发Micro-LED技能,全力朝量产方针行进。

  业界预期,跟着eLux获得Micro-LED严重技能打破,群创、荣创等也将扮演要角,全力助攻鸿海抢苹果新代代面板商机。

  作为我国LED芯片巨子,三安光电在Micro-LED范畴也不甘人后,现在请求Micro-LED相关专利约27件。

  除了和三星到达战略协作,为三星面板供给独家供货商外,三安光电还方案树立首条Micro-LED外延片和芯片出产线。

  有音讯称,三安现已开宣告了直径为20微米的Micro-LED产品;与此一起,三安还将出产4微米LED和10微米的LED倒装芯片。三安方案在2019年年末前开端出产用于智能可穿戴设备、100英寸以上大尺度面板和轿车尾灯等小尺度面板的Micro-LED产品。

  2019年4月25日,三安光电宣告与湖北省葛店经济技能开发区办理委员会签定项目出资合同,出资总额120亿元。依据合同约好,三安光电将在湖北省葛店经济技能开发区办理委员会辖区内出资兴办III-V族化合物半导体项目,首要出产经营Mini/Micro-LED外延与芯片产品及相关运用的研制、出产、出售。据悉,该项目建成达产后,构成年产Mini LED芯片210万片、Micro-LED芯片26万片的研制制作才能。

  2019年头,京东方宣告与美国公司 Rohinni 将建立Micro-LED合资公司,首要展开Mini LED背光处理方案和Micro-LED显现器的研制。据了解,这家合资公司将设在我国,并将由京东方控股,在初期将专心于大尺度消费电子产品(32英寸以上的显现器)以及工业,轿车和其他商场。

  2018年,华星光电在第二十届我国世界高新技能成果交易会上推出了全球首款依据IGZO-TFT玻璃通明基板的AM-Mini LED RGB全彩显现屏,为开发大尺度Micro-LED背板及显现做了很好的打破和演示。

  在2019年美国世界显现周及SID年会议上,华星光电展现了3.5英寸IGZO TFT自动式Micro-LED显现屏,作为全球初次将 IGZO技能运用于Micro-LED显现的产品。

  2018年3月29日,欧司朗在其官网披露了一则知识产权相关音讯。欧司朗光电半导体最近与X-Celeprint签署了技能和专利答应协议,且此项协议触及X-Celeprint公司的Micro-Transfer-Printing (TP)技能。

  依据LEDinside研讨报告数据显现,Mini LED显现将运用于电视、手机、车载显现、数字显现(商业广告与显现等),预估2025年商场规模为10.7亿美元;而Miro LED显现将运用于电视、手机、AR/VR、车载显现、可穿戴电子、数字显现(商业广告与显现等),预估2025年商场规模为28.9亿美元。

  而Micro-LED在许多显现技能中的优越性显而易见,国内外科技企业、LED企业、显现企业加大对Micro-LED布局,Micro-LED商场有望迎来快速展开。GGII估计Micro-LED将在2020年迎来爆发性增加,2020年全球商场规模有望到达14.1亿元。