MicroLED显示器制造工艺和品质的新进展:缩小商业化差距

话题:
作者:
Anne Corning

自microLED显示器技术于2010年左右面世以来,其潜在的卓越性能一直令制造商、分析师和行业专家们感到兴奋。原因很容易理解:“MicroLED具有优异的性能属性。相比LED背光液晶显示器(LCD)或有机LED(OLED)显示器,它们提供更高的像素密度、更低的功耗、更快的(纳秒级)响应速度和更宽的视角。而且,在阳光直射条件下,它们提供比OLED或LCD显示器高一个数量级的亮度,这对于手持式设备至关重要,同时也是近眼显示器的关键推动因素。”1 

基于 MicroLED显示器的投影仪内置于Vuzix的最新智能眼镜中

然而,事实证明,建立具有成本效益的microLED显示器制造工艺具有很大的挑战性,制造商们目前仍在努力缩小产品承诺与市场现实之间的差距。这些纳米级元件涉及多个生产环节,并且每个环节都可能出现缺陷。而且,正如我们所知,消费类电子设备市场期望现今的显示器设备具有近乎完美的视觉质量和性能。

为了满足这些高期望,制造商们必须在每个生产环节进行仔细检测,同时还必须实现高良率,以确保生产成本在大众市场上仍具可行性。在将microLED显示器从研究实验室转移到量产线方面,行业进展一直很缓慢,迄今仍未完全实现这一目标。但近期的最新发展和进步将推动该行业更接近于最终实现microLED设备进入消费者市场的目标。

MicroLED多阶段制造挑战

MicroLED显示器的整个制造过程由多个阶段组成,其中包括下面列出的一部分或全部:外延生长、光刻、芯片制造/晶圆制造、基板移除、巨量转移、与控制电路的粘合和互连、测试、修复、面板装配等。虽然LED技术已经存在数十年,并广泛应用于LCD显示器,但 microLED需要新的制造工艺和技术。制造商们必须重新研发制造过程中的几乎每个环节,并需要优化每个组件的性能和成本。

举例来说,“微小的micro-LED具有较大的相对表面积,这可能会在制造过程中导致更多的缺陷。因此,解决工程设计/制造中的挑战非常重要,包括在保持高效率的同时实现晶粒尺寸小型化、芯片设计优化和芯片制造技术改进。”2

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microLED显示器各层简化示意图(左,图片source:Creative Commons)。将Plessey 0.26阵列粘合到CMOS背板,用于单片microLED显示器(右,图片source)。

microLED显示器的微小尺寸(通常3

开发人员正在努力解决色彩转换、外量子效率(EQE)降低、巨量转移过程中的低效率和低良率、粘合方法、背板和面板性能改进等挑战。实践证明,巨量转移环节尤其具有挑战性,原因在于传统的LED拾放和倒装芯片方法不适用于微型microLED。制造商们已大量尝试多种方法,包括弹性体冲压、激光诱导转移、流体自组装(FSA)、卷对卷(R2R)或卷对面板(R2P)转移、静电转移等,并取得了不同程度的成功。4 

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microLED显示器制造方法之一是使用CMOS集成驱动电路简化转移环节,产生由基于CMOS驱动电路的一体化RGB LED组成的基本元件。(图片来源:eenews

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一种更复杂的制造方法则侧重于从晶圆和CMOS驱动电路中分离蓝光、红光和绿光 LED,分别转移每种LED。(图片来源:eenews

行业最新突破和进展

尽管存在所有这些挑战,microLED仍然是显示器行业研发活动的重点,并且市场上不断涌现出创造性的新制造技术和解决方案。三星公司最近发布了一款110英寸的microLED电视机,这只是业界取得最新进展的标志之一。尽管该产品的售价高达155,000美元,但据专家们预计,该市场最终将实现规模经济效应。5

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三星的110英寸microLED电视机提供800万像素的 4K分辨率。 (图片© 三星,Source

一些其他最新进展包括:

  • Coherent公司开发出用于 microLED制造的新型集成激光系统。该系统可用于在制造过程中执行以下三个环节:激光剥离(LLO)、激光诱导正向转移(LIFT)和修复/修整。通过将这些环节相结合,该系统可以潜在降低microLED制造成本。了解更多…
  • 中国上海、台湾和成都的大学研究人员们一直在寻找生产全彩色microLED显示器的解决方案,包括生长技术、转移印刷和色彩转换方面的新进展。了解更多…
  • Royole公司于2021年推出了全球首款可延展microLED显示器。 这款新型可延展显示器不仅可折叠和可卷曲,而且还能够进行3D自由成型,包括拉伸、扭曲、凸凹变形。了解更多…
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一款新型柔性microLED显示器,具有可延展、可折叠和可卷曲特性,为可穿戴和嵌入式显示器市场开辟了新的可能性。(图片© Royole

MicroLED检测要求

缺陷、色彩或亮度变化及其他异常可能会迅速导致购买者满意度降低,损害品牌声誉,并侵蚀市场份额。对于成品显示器设备缺陷,代工厂和制造商必须达到接近于零容忍的程度。如果无法在组件层面解决和纠正质量问题,低良率和高生产成本将阻碍microLED显示器技术进入大众市场的可行性。

由于microLED显示器制造过程较为复杂,涉及多个阶段,因此质量检测也必须分为多个阶段进行。制造商们不希望遗漏芯片/晶圆阶段的缺陷,因为这些缺陷芯片/晶圆最终可能会内置到组装完毕的设备中,在这种情况下,必须将其连同所有零部件和人工投入全部废弃。因此,在整个制造过程中的所有关键点进行检测至关重要。

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LED制造商们正在增加使用线上计量、自动化光学检测和测试方案。(图片来源:KLA

适用于每个制造阶段的 MicroLED检测解决方案

无论实践最终证明哪种microLED制造方法最成功,制造商们都必须在整个制造过程中确保质量。凭借将近30年为电子产品生产的所有阶段开发解决方案的经验,瑞淀已开发出一套有效的microLED显示器测量和检测解决方案,涵盖从芯片/晶圆层面到面板/组装层面的所有生产阶段。

为确保microLED显示器设备的绝对质量,瑞淀的测量解决方案(包括ProMetric®成像亮度计和色度计显微镜头选项)使microLED制造商能够在多个制造阶段评估显示器的性能和均匀性,并提供准确且可重复的结果。

由于microLED显示器属于自发光类型(每个microLED像素单独驱动并自行发光),因此不同像素之间的亮度和色度变化可能会导致均匀性问题。瑞淀的高分辨率成像系统和TrueTest™软件采用获得专利的demura缺陷校正方法,使制造商们能够准确检测和校正每个像素和亚像素元素,以提高良率。

瑞淀的ProMetric系统提供捕获和测量每个像素的独立输出所需的高分辨率成像,并正确定位亚像素(无论形状或布局如何),确保对单个像素和亚像素进行极其精确的检测。瑞淀的显微镜头通常应用于研发和实验室环境下的亚像素表征,能够将成像系统的全分辨率应用于显示器或晶圆的极小(放大)部分,在每个发光元件(每个单独的microLED)上实现指数级更高的测量精度。

在将microLED转移到背板上后,瑞淀的测量系统可用于同时评估整个面板的亮度和色度均匀性。2D成像亮度计或色度计的优势在于能够通过单个图像采集较大的空间区域,并对测得值进行比较,以检测和评估任何不均匀或具有Mura(瑕疵)的区域。

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使用瑞淀解决方案对来自Jasper Display的MicroLED显示器进行均匀性校正(demura)之前和之后的比较图示。

瑞淀的超高分辨率成像系统(高达6100万像素)可以采集显示器的单个图像进行评估,还可以在不适用显微镜的情况下进一步测量显示器中所有像素的像素级亮度和色度值。这些全面的测量可确保非常高效的像素均匀性测试以及在产线上设置用于显示器校准(demura)的校正因子计算。

如需了解更多有关microLED质量检测和校正解决方案的信息,请阅读瑞淀白皮书:MicroLED显示器均匀性测量和校正”。

read the white paper_microled uniformity

 

 

 

  1. Peters, L., “MicroLEDs Moving from Lab to Fab.Semiconductor Engineering, July 22, 2021.
  2. Micro-LED display development unhindered by COVID-19.Semiconductor Today, July 16, 2021.
  3. Peters, L., “MicroLEDs Moving from Lab to Fab.Semiconductor Engineering, July 22, 2021.
  4. Wu, Y., et al., “Full-Color Realization of Micro-LED Displays.Nanomaterials, December 10, 2020
  5. Chen, Z., Yan, S., and Danesh, C., “Topical Review MicroLED technologies and applications: characteristics, fabrication, progress, and challenges.Journal of Physics D Applied Physics, January 2021. 
     
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