解決MicroLED巨量轉移難題　Micro-in-mini封裝技術興起

1982年英國Dundee大學提出非晶矽薄膜電晶體(Amorphous Silicon Thin Film Transistor, a-Si TFT)的構想，到1988年夏普(Sharp)開發出彩色液晶顯示器(Liquid Crystal Display, LCD)，慢慢地由CRT進入LCD的時代。台灣則由1996年開始，LCD面板製造業開始風起雲湧。但是由於TFT LCD需要背光源，並非自發光的技術，所以在21世紀初期遭遇了來自電漿顯示面板(Plasma Display Panel, PDP)的挑戰，最終LCD勝出，主要原因在於PDP因為烙印現象所造成的可靠度不如LCD，所以最終只是曇花一現。

大約二十年前，學術界非常熱衷於有機發光二極體(Organic Light Emitting Diode, OLED)的研究，尤其是如何藉由封裝技術來提升OLED因為怕水怕氧所造成的可靠度問題，然而二十年過去了，這個OLED先天本質上的問題依舊沒有被攻克，它所造成的結果也類似PDP的烙印現象，所幸在iPhone及Android的推波助瀾之下，智慧型手機的產品生命週期(Product Life Cycle)被縮到非常短，現代人的手機很少用超過兩三年的，避開了OLED可靠度的先天缺點，再加上三星(Samsung)利用自有手機品牌與OLED面板的搭配，同時在使用OLED面板的iPhoneX推出之後，使得OLED幾乎被視為LCD之後的下一世代顯示器技術的主流，然而，除了手機之外，其餘的筆記型電腦、監視器螢幕乃至電視機，對產品壽命的要求都遠高於手機，試想家中的電視機沒有個五年十年應該不會更換吧？除非在不久的未來，OLED在可靠度方面有所突破，否則OLED在各種產品應用別的滲透率應該不會太高，因此，勢必會有其他的技術來挑戰LCD並成為下一世界顯示器技術的主流，在這種情況下，微發光二極體(MicroLED)就理所當然的被大家寄予厚望了。

圖1是過去這幾十年來，從CRT開始的顯示器技術的進展路線圖，並且包含了在品牌，面板製造及設備與材料供應鏈的狀況。從中可以看得出來，在CRT時代，從品牌到設備材料都掌握在索尼(SONY)等日本廠商手中。到了LCD時代，面板製造商掌握在台日韓乃至中國大陸手上，但是設備及材料依舊是日本廠商掌握，可是真正獲得最大利潤的品牌廠商卻是清一色的美國廠商，例如惠普(HP)、戴爾(DELL)、蘋果(Apple)。到了目前過渡期的OLED技術，雖然品牌及面板掌握在韓國的三星手上，但設備及材料依舊是由日本企業提供居多，可以說顯示器技術一直以來都在亞洲生根發芽茁壯長大。

而美國在經歷了2008年的金融海嘯乃至川普上台之後的中美貿易戰，已經深刻的體認到一個國家沒有實體的製造業，經濟是空虛而危險的，所以一直有聲音在要求Apple的產品要移回美國生產製造，然而，一個技術如果是在亞洲誕生成長，要將整個供應鏈從亞洲搬到美國，幾乎是不可能的事情。可是如果一個技術從誕生的第一天開始就在美國，那麼就極有可能會理所當然地在美國生根發芽成長茁壯，對美國的整體產業和經濟發展必有長遠的正面貢獻，這也是為何Apple在收購MicroLED技術開發商LuxVue之後，幾乎停止了所有與原先LuxVue在台灣及日本的合作夥伴的合作，將所有的技術及開發全部鎖在美國。所以可以說，MicroLED顯示技術的競爭將會是亞洲與美國的大型跨洲競爭。

解決四大難題　MicroLED量產指日可待

既然MicroLED技術如此之重要，現在到底有哪些技術瓶頸有待突破才能邁入量產呢？

1. 巨量轉移(Mass Transfer)

2. 接合(Bonding)

3. 維修(Repair)

4. 紅光MicroLED的發光效率

其中最重要的瓶頸技術就是巨量轉移的技術，因此本篇將會圍繞在這個主題，探討如何解決。

巨量轉移

巨量轉移顧名思義，就是非一次一顆，而是將非常多顆的MicroLED，例如一次100萬顆，從原生基板，例如藍寶石基板或是砷化鎵基板，以符合最終顯示器或電路基版的像素間距的方式，將其搬運到最終的薄膜電晶體(Thin Film Transistor, TFT)或電路基板上。如圖2所示，此為目前許多廠商所採用的方式。

首先在原本LED晶圓的基礎上進行雷射剝離，將MicroLED的晶片轉移至一個暫時性的載板上(Carrier)，接著進行一連串的半導體製程，最終將MicroLED晶片以繫鏈(Tether)半懸空式的弱化結構，暫時固定在Carrier上，即圖2右上的結構。然後使用具有黏性且有凹凸結構的聚二甲基矽氧烷(Polydimethylsiloxane, PDMS)，即圖2中印章(Stamp)，利用覆晶式接合機(Flip Chip Bonder, FCB)抓取Stamp，將Tether壓碎、黏取MicroLED晶片，將晶片轉移至最終電路板或TFT上。

此方法對絕大部分的廠商而言具有相當大的吸引力，原因在於FCB是工業界非常標準、常見的設備，廠商幾乎不用進行新的投資，或是只要小小的對設備進行修改即可使用在MicroLED的巨量轉移上，而Stamp和具有Tether弱化結構的MicroLED晶片只要向化學材料和LED供應商購買即可。

一切看似如此的美好，但是這個方法具有一些缺點。首先，具有Tether弱化結構的MicroLED製程本質上就是微機電系統(Microelectromechanical System, MEMS)的技術，由於比傳統的LED製程複雜許多，所以成本較高、良率較低，甚至在搬運的過程中，MicroLED非常容易脫落不見，目前能提供品質穩定的Tether弱化結構的LED供應商鮮少，令人非常擔心會不會像當年高通利用MEMS的技術試圖製造量產Mirasol顯示器一樣，最終因為MEMS製程的良率與穩定度不佳而宣告失敗。而且，如果去審閱LuxVue(已於2014年被Apple併購)及Xceleprint的專利，此Tether弱化結構如何避開上述二者的專利，著實需要費一番心力。再者，由於Tether是二氧化矽(Silicon Dioxide, SiO2)這類的絕緣材料所組成，在壓碎、轉移、Bonding的過程中，若沾黏而掉落在Bonding界面處，將導致電流無法導通而失敗。另外，除了Tether弱化結構的供應問題之外，Stamp由於要兼顧具凹凸結構的PDMS的可製作性、尺寸穩定度、結構強度、黏性高低，導致目前幾乎是處於單一供應商的情況下，這對將來的量產穩定度亦產生了一定程度的風險。

為了避開上述技術的缺點與風險，在開發巨量轉移技術時，需考量的幾個前提為：

1. 使用一般常見的LED晶圓結構，讓供應商的彈性最大化、良率最大化。

2. 設備、材料和製程與既有的半導體產業、LED產業、面板產業的共通性最大化，降低投資風險、提高成功機率。

3. 製程步驟與複雜度最小化，讓生產效率最大化、成本最小化。

4. 需考量到將來維修的問題。

選擇性雷射剝離/滾輪式巨量轉移

圖3是優顯科技所開發的巨量轉移技術製程流程(Process Flow)。首先，如圖3左上角所示，採用一個市面上常見的、通用結構的LED晶圓，上面有利用微影製程做出來的MicroLED，接著使用半導體業及LED業界標準的貼合機(Laminator)將MicroLED晶圓及金屬環(Metal Frame)貼到一張紫外線解膠的膠帶(UV Tape)上，這樣就完成了第一步驟。

接著，使用雷射剝離(Laser Lift-off, LLO)設備，選擇性的將要剝離下來的MicroLED晶片與藍寶石基板界面處的氮化鎵(GaN)分解，使MicroLED與藍寶石基板分開，此時留在UV Tape上的MicroLED兩兩之間的週期距離(Pitch)就已經和最終TFT基板的像素週期(Pixel Pitch)一致了。

然後對UV Tape進行UV照射，此舉會降低UV Tape對MicroLED的黏性。接著使用滾輪設備，由於滾輪上的黏性材料對MicroLED的黏力大於解膠後的UV Tape對MicroLED的黏力，所以能夠順利的將MicroLED從UV Tape上轉移到滾輪上。最後，再將MicroLED從滾輪上轉移到最終的電路基板或是TFT基板。

這套製程有以下許多優點：

1. 使用市面上常見的通用結構的LED晶圓，因此，製程良率以及成本將會與現行LED業界的水準趨於一致，供應鏈的穩定性以及價格競爭力可獲得保障。

2. 使用半導體業和LED業界標準的Laminator設備與製程進行UV Tape的貼合，這是工業界非常成熟穩定的技術，不管在設備投資與製程的困難度上都是最小化，UV Tape也早已被廣泛地使用在上述二產業，接受度最高。

3. 使用選擇性的LLO來進行Pitch的調整，不像前項技術需要開模具製作有凹凸結構的PDMS，大大降低了材料的困難度、增加材料的可選擇性。

巨量維修

除此之外，由於是利用選擇性LLO來決定有哪些MicroLED要被轉移到最終電路基板或是TFT基板上，不用受到模具固定的限制，所以此巨量轉移的技術也可以很順理成章地被應用在巨量維修(Mass Repair)上，如圖4所示，可說是一石二鳥。如果是其他巨量轉移技術，就筆者所知，都仍然需要開發另外一套不同的Mass Repair方法。

然而，就算有了Mass Repair的技術，在MicroLED轉移到TFT接合之前，若無法保證MicroLED晶片的良率或是顏色、亮度、電壓的一致性，那麼光靠事後的修補依舊會帶來巨大的困擾。因此，如何能在MicroLED轉移之前就能篩選出同樣亮度、顏色、電壓的晶片就成為了一個重要的課題。

但是由於MicroLED的晶片尺寸常常是落在30~40微米以下，所以它的電極尺寸大小就約略是十微米這種等級，因此導致MicroLED無法在LED晶片製程後進行測試。但是如果審視TV尺寸，例如75寸4K/2K解析度，簡單計算可以得到它的像素尺寸約為430微米，如果可以將R、G、B三種尺寸在幾十微米等級的MicroLED利用巨量轉移的技術，轉移到400微米左右的封裝內，也就是將巨量轉移應用為一種封裝的技術，那麼這個Micro-in-mini的封裝的電極尺寸將可以落在100微米以上，接下來就可以很輕易的利用既有LED產業的生產製造及測試的流程，對此Micro-in-mini LED進行測試，篩選出一樣的亮度、顏色、電壓的LED，之後再循業界熟知的技術，例如表面接合技術(Surface Mounting Technology, SMT)，將Micro-in-mini LED打件到TFT基板上，製成顯示器，如圖5所示。

雖然這個Micro-in-mini的方法只能適用在大尺寸的MicroLED TV上面，但是考量到如何在新技術、成本、價格、應用與市場滲透率之間的平衡，我們認為大尺寸的顯示器應當是MicroLED最適合的第一個切入點，所以Micro-in-mini的技術應該當仁不讓。

(本文作者為優顯科技執行長)