从Micro LED专利看华为的布局

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作为“显示终极技术”,Micro LED具有芯片尺寸小、集成度高和自发光等特点,相对其他显示技术,其在亮度、分辨率、对比度、能耗、使用寿命、响应速度和热稳定性等方面具有更大的优势。近日,据天眼查显示,华为新增多项专利信息,其中一项名称为“芯片的转移方法、晶圆以及用于抓取芯片的转移头”,公开号为CN114765118A。

实际上,除了华为之外,苹果、三星、索尼、LG、TCL、京东方、三安光电、利亚德等厂商均布局了Micro LED。Micro LED不仅极大地拓展了LED显示应用范围,未来也将颠覆显示技术竞争格局,将在电视、手机、iPad、显示器、AR/VR眼镜、智能手表等消费电子领域广泛应用。而这一专利信息不仅表明华为正在发力Micro LED,更侧面反映了其将进一步强化消费电子业务。

Micro LED技术挑战有哪些?

从概念表述来看,Micro LED显示技术是指以自发光的微米量级的LED为发光像素单元,将其组装到驱动面板上形成高密度LED阵列的显示技术。

其中,MicroLED显示器可提供与OLED相同的完美黑色,但没有烧伤的危险,并且比任何其他显示技术都具有更高的亮度。与OLED相比,MicroLED的另一个吸引人的特点是亮度增加。例如,尽管OLED电视的HDR标准为540尼特,但市售的基于MicroLED的电视有望提供约4000尼特,且随着技术的发展,甚至可能提供更高的尼特。

同时,从理论上来说,由于MicroLED使用了无机发光材料,相对OLED的有机发光材料,其寿命期显然更具优势。只不过由于MicroLED还存在诸多技术难题,仍未大范围应用。

尽管概念上很简单,但是MicroLED大规模量产却不简单。

现阶段,MicroLED还有许多技术瓶颈有待突破,如芯片制造、巨量转移、检测修复等,这也是目前MicroLED出货量低、售价高昂原因。其中,在芯片制造上,外延片厚度、波长、亮度均匀性与一致性要求更高,芯片结构比传统LED更为复杂,且目前行业制造工艺尚未标准化,使得工艺和设备标准化程度低、良品率和产量尚不成熟。

不过,MicroLED最大的技术痛点是巨量转移。因为芯片制造完成后,需要将微米级的晶粒转移到驱动电路基底上,无论是TV屏还是手机屏转移数量相当巨大,并且显示产品对于像素错误的容忍度极低。例如要制造少于5个像素坏点的全彩1920*1080显示屏,良率必须达到99.9999%!

同时,MicroLED坏点检测修复也是难点之一。由于MicroLED尺寸极小,传统测试设备难以使用,如何在百万级甚至千万级的芯片中对坏点进行检测修复是一大挑战,同样通过检测技术挑出缺陷晶粒后,如何替换坏点也是一项不可或缺的技术。

综合上文,我们可以得出关于巨量转移的结论:一是MicroLED芯片需要进行多次转移(至少需要从蓝宝石衬底→临时衬底→新衬底),且每次转移芯片量非常大,对转移工艺的稳定性和精确度要求非常高;二是对于R/G/B全彩显示而言,由于每一种工艺只能生产一种颜色的芯片,故需要将红/ 绿/蓝芯片分别进行转移,需要非常精准的工艺进行芯片的定位,极大的增加了转移的工艺难度;三是MicroLED的厚度仅为几微米,将其精确地放置在目标衬底上的难度非常高,芯片尺寸及间距都很小,要将芯片连上电路也是一个挑战。

最大的技术挑战为巨量转移

尽管MicroLED大规模量产还存在诸多技术挑战,但这里我们仅讨论巨量转移,以契合华为公布的MicroLED巨量转移的专利。

根据华为本次专利摘要显示,该申请提供了一种Micro LED芯片的转移方法、晶圆以及用于抓取芯片的转移头,该Micro LED芯片上具有疏水层,方法包括:将多个具有疏水层的Micro LED芯片放置于水溶液中;通过转移头抓取水溶液中的多个Micro LED芯片,转移头包括多个凹槽,凹槽用于容纳Micro LED芯片,凹槽的底部设置有亲水层,以使抓取的Micro LED芯片的疏水层远离凹槽的底部;将抓取的多个Micro LED芯片固定至目标基板上,Micro LED芯片的疏水层贴合目标基板。通过上述流体自组装的方法可以实现高效率的巨量Micro LED芯片的转移。

从专利摘要描述可见,华为所申请的Micro LED芯片转移方法是目前几大巨量转移方式之一,也正是被苹果公司收购、美国MicroLED巨量转移关键技术厂商eLux研究和开发的工艺和技术——流体自组装技术。如图表1。

 

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据悉,流体组装巨量转移方法可解决Micro LED外延片波长不均匀的问题,避免显示屏出现马赛克现象,能够有效提升Micro LED外延片的利用率,降低制造成本。因此,对于解决巨量转移的瓶颈问题,流体组装方式被认为是一种可行且有效的解决方案。

2021年4月19日,eLux在官方网站上宣布通过流体组装技术已生产出12.3英寸MicroLED显示器,自然产率为99.987%。显示器由581,400个GaN MicroLED 在10分钟内组装而成, 组装速度为每小时310万颗,即3.1KK/时。其中有34个失效颗粒,33个可用激光修复,修复缺陷率接近百万分之一。与最常见的取放及激光转移方案相比,流体组装技术耗材使用较少、成本较低,在转移设备和转移过程中,流体组装设备不需要精密的对位控制,因此成本相对低廉。

另外,3年前就传出华为向日本东丽购买MicroLED制造设备。据悉,东丽既有液晶面板设备业务,也有LED设备业务,在MicroLED设备研发上具有先天优势。东丽MicroLED制造解决方案包括巨量转移设备、MicroLED检测设备、MicroLED修复设备等关键制程设备。其中,巨量转移设备主要采用的是激光转移技术,而激光转移技术也是应用潜力较大、可行性较强的巨量转移技术之一,尤其适合AR/VR等小尺寸微显示领域。

尽管华为本次公布的专利更类似流体组装技术路线,但无论哪种路线得以大规模量产,都将助力华为在显示硬件获得更大的竞争自主权。

最完美的显示面板技术前景

MicroLED这项技术在出现之初,就被认为是史上第一种没有尺寸限制的显示技术,并成为公认的显示屏未来发展方向,因而受到整个显示屏产业链厂商的大力追捧。该技术技术的基础特性非常出色,拥有宽色域、高亮度、低功耗、高稳定、长寿命、宽视角、高动态范围、高对比度,高刷新率、透明性,支持无缝连接和集成内部传感器等特点。

虽然这些特性能分别在LCD、OLED和QD面板上得以实现,但MicroLED技术却能一次性实现这些技术特性,几乎不存在明显的短板,也是目前在技术条件下表现最全面的显示面板技术。

目前,三星、LG、索尼、TCL、康佳、夏普、京东方、华星光电、三安光电、天马、友达、京瓷、錼创(PlayNitride)、铼宝(RiTdisplay)、青鸟(JBD)、VueReal(加拿大初创公司)、Plessey(英国公司,VR和MR屏幕供应商)等公司都有推出了基于该技术的相关产品。

其中,三星连续多年在CES展上推出MicroLED显示器。比如,三星在CES2022上推出89英寸MicroLED电视,预计在今年9月在其越南工厂开始量产。苹果公司也正在探索在其智能手表中使用MicroLED,尽管目前尚无上市时间表。LG和索尼等其他电子制造商也在研究基于MicroLED的产品。

从各大巨头布局可以看出,MicroLED作为一种“完美”显示面板技术,拥有比LCD、OLED更强的竞争活力。根据IHS Markit的预测,MicroLED有望成为大屏幕显示器的标准技术,到2026年,MicroLED电视的出货量将超过1500万。

近几年来,华为消费电子业务在芯片受到限制的情况下无疑受到了巨大的影响,从曾经的全球第一滑落到五名开外,销售收入也大幅下滑。今年4月,在华为终端商用办公新品发布会上,华为宣布全面进军商用领域,且宣布华为“消费者业务”已更名为“终端业务”,依托硬件和软件两大生态,不断丰富商用笔记本、台式机与显示器、平板、智慧屏、穿戴等产品品类,重点为政府和教育、医疗、制造、交通、金融、能源等六大行业提供商用办公解决方案。

由此可见,华为消费电子业务还是受到了较大影响,否则也不会进行业务更名,推动业务多元化方向发展。

不过,华为布局MicroLED技术,在证明该技术的良好发展前景的同时,也侧面证明了华为未来将以MicroLED技术参与其多元化布局之路。如今,MicroLED技术正从“实验室”发展阶段,逐渐走向大规模量产阶段,前行的挑战仍在,但实际商用值得期待。

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