产量是microled的首要问题

微型led显示屏制造商就是这样迈向商业化三星(Samsung)的The Wall TV和苹果(Apple)的智能手表等产品预计将于明年或2024年量产。

这些微型照明器是显示界的热门新技术，可以实现更高的像素密度、更好的对比度、更低的功耗以及在阳光直射下更高的亮度，同时比oled或lcd消耗更少的功率。在商业上，当消费者急切地等待AR/VR眼镜、智能手表、柔性屏幕、自适应大灯和电视的推出时，工程师们正在解决提高良率的真正挑战。

早期的测试结果表明，在芯片传输、阵列到驱动器的连接以及其他相对较新的工艺方面，成材率存在问题。这种不成熟技术的高昂成本阻碍了微型led显示屏从原型到量产的飞跃。由于探头不适合在密集排列的阵列中测试数千个microLED像素，因此采用了具有自我测试的DFT，从而实现了在ATE、组装后测试和现场的生命周期测试。

例如,瑞萨公司的Dialog Semiconductor该公司开发了一种白色自适应前大灯模块的测试方案，该模块包含一个间距为40微米的20,000 microled阵列。“这是一个很好的例子，说明DFT电路不仅仅是开销和购买质量的成本，”Hans Martin von Staudt说瑞萨．“相反，它在芯片的生命周期内发挥着重要的功能。因此，我们需要一种DFT方案，对装配过程进行高诊断覆盖率，以查明工艺缺陷，同时实现现场监控。”

检验和测试方法在识别和隔离不合格产品的能力方面正在改进。将microLED芯片从晶圆或薄膜载体上移除，并将其放置在IC驱动器(用于小型AR/VR，手表和大灯)或TFT pcb(用于电视)上的传质方法，必须容易地将已知的好芯片(KGD)与故障和性能不佳的芯片分开。

大多数microLED显示应用程序的良率目标都很高(见图1)，因为人眼可以快速发现缺失的像素。从产量目标的角度来看，一台8K电视包含9900万个微型led芯片。因此，如果不良率为0.5%，则必须移除和更换52万台设备。Top Engineering估计这一过程需要144小时，在维修成本(拆卸和更换单个microled)可以加速之前，成本高昂。

图1:显示良率是工艺步骤良率的乘积，由于工艺不成熟而导致的失败中，转移和粘接占了很大一部分。来源:解放军的

检验、计量、光致发光
晶圆级光学检测(AOI)和光致发光(PL)测量被用于多个工艺点，从外延晶圆形成到最终显示信号。

“任何类型的视觉缺陷，如颗粒、划痕等，都需要检测出来，因为它们会降低led发出的照明强度，”该公司应用工程总监Woo Young Han说上的创新．“除了传统的亮场和暗场检测外，将led暴露在400nm波长左右会激发微led，触发它们发射光(PL)，这必须在线验证。”

图2:光致发光测试提供了亮度数据，包括功能(右上)、亮度分布(左下)和波长变化(右下)。来源:东丽

MicroLED和显示器制造商目前使用多个检查步骤。“微led工艺真的很有挑战性，”查利朱说，研发副总裁CyberOptics．“为了提高良率，客户需要更多的检验步骤。一些公司使用我们的SQ3000或SQ3000+系统进行五项检查，包括裸球检查、锡膏检查、流前偏移测量和流后共面性和墓碑问题检查。我们还对模具周围的井区进行三维几何测量，然后进行钝化填充。我们生产的主要优势是更高的吞吐量，比竞争对手的工具快100倍，精度和重复性为2µm。”

每一步都要多做，才能达到效率。“在裸球检测步骤中，我们会寻找污染或异物，以及焊盘的形状，并测量每个焊盘的位置以确保其正确，”Zhu说，他指出，对于焊料连接，球的高度和体积是最关键的参数，而对于预流焊料球的偏移是关键。最终的图样晶圆检查是在晶圆厂进行的，也在交付给显示器制造商的薄膜框架上的入厂晶圆上进行。

Corbeau Innovation、Hamamatsu、InZiv、东丽等公司提供的光致发光系统可以是独立的系统，也可以是与工艺工具一起工作的独立模块。

据东丽介绍，PL可以安装在晶圆检测系统上，以检测epi工艺中的晶体缺陷，或通过模式化晶圆检测进行集成原型和批量生产检查。

PL测量波长、亮度和缺陷(见图2)。东丽的目标是覆盖microLED的大多数步骤，包括AOI/PL、激光修整和传输、激光传质(通过激光提升)和基于冲压传输的粘结剂。目前，基于邮票和基于激光的定位和修复(替换)转移方法都很流行。

KLA的计量、检验、工艺和数据分析解决方案旨在通过显示级别解决晶圆的良率挑战(见图3)。KLA的microLED产品组合提供等离子体刻蚀、硅衬底减薄、等离子体切块(singulation)、晶圆正面和背面金属沉积、晶圆检验和计量，以及面板检验，以及背板和传质步骤的计量和测试。

“行业关注microled背后的一个关键因素是LCD和OLED显示器是在大型基板上生产的，所有层都是一层接一层地沉积的，”该公司的营销传播经理Carolyn Short说心理契约．“但大型单一显示器可能很难处理和运输。然而，microled显示器可以通过将小模块无缝拼接成大显示器来生产。”[3]

图3:从外壳测试到背板和显示器组装的全面检查和良率管理。来源:解放军的

对于大批量生产，至少有两种检验方法需要改进。焊剂和MicroLED钝化层不是不透明的，因此采用彩色共聚焦测量。“在SMT中，人们不检查焊剂残留，但他们想检查microLED，”朱说。“此外，我们的许多客户正在使用彩色共聚焦技术来检查microled上的钝化层。但彩色共聚焦速度很慢，所以更像是抽样检查。每个人都在关注是否有任何可用于高速共聚焦检测的技术或这些应用的替代方案。”

设计提高量子效率
从设计的角度来看，微led类似于传统的led、微oled和其他纳米光子器件，其中器件的电子和光学功能是一起建模的。

“microLED设计有两个主要问题:一个是提取效率，另一个是照明模式，”RSoft光子器件工具公司的产品经理徐成林说Synopsys对此．“由于设备表面的全部内部反射，提取效率最多可以达到15%到20%。因此，像我们的LED Utility这样的工具可以在微LED表面上模拟纹理模式，以帮助分散光线，提高外部量子效率。”

其他的微led设计本质上是不平坦的。例如，在AR/VR眼镜中，光源顶部的波导将光束引导到需要的地方。另外，一家名为Aledia的公司设计了亚微米直径的发光GaN纳米线，从硅表面突出来提高发光面积效率。

使用分析模型更容易模拟平面器件，但microled的亮度和辐射模式的3D模拟正变得越来越普遍，这需要一种更耗时的算法，称为时域有限差分(FDTD)。FDTD非常精确，但并不适用于所有microLED应用。“FDTD分析适用于小型微led，例如AR/VR或iWatch尺寸，但对于更大的微led显示器，我们的光线追踪软件工具可以用来节省计算时间，”Xu说。

图4:不同波长的微LED是不相干的，因此阵列内的亮度(LED底部最大)需要使用FDTD进行多平面远场计算。来源:Synopsys对此

在模拟微led阵列时，光以非相干的方式散射和相互作用，因此模拟需要结合几个周围的微led来产生准确的辐射模式。GaN器件和空气中的光都有助于辐射模式，并且应该包括在远场计算中。大约一年前，Synopsys对其FullWAVE FDTD软件进行了改进，更新了其远场计算，以考虑介质和空气中所有近场的辐射。徐说:“据我们所知，这是第一个将多平面远场照明计算扩展到非均匀介质的商业软件。”

LED失效模式及DFT策略
各公司正在为微型led开发新的DFT和测试方法。

密集的微型led，比如瑞萨和Lumileds正在研发的2万像素头灯，构成了严峻的测试挑战。“即使你可以使用今天的垂直探头与2万个I/ o进行接触，但现在你有2万个信号，而没有2万个仪器的ATE。因此，在内部测试你在外部不能正确做的事情要好得多，这就是DFT的全部意义。”

自适应汽车大灯与基于摄像头的ADAS协同工作，通过锐化道路线、调暗迎面灯或在危险发生时投射警告图像来提高安全性。Lumileds的工程师团队与瑞萨以及Nichia with英飞凌-正在与汽车制造商合作，将这些大灯推向市场。

在Renesas/Lumileds设备中，2万个微led阵列通过倒装芯片连接在硅驱动IC上，实现2万个I/O连接，每个像素一个。在固态照明中，脉宽调制是最节能的控制亮度的方式，允许阵列的电流源工作在相同的操作水平，最大限度地减少净空电压。瑞萨的von Staudt强调，项目团队开发了用于ATE自检的microLED驱动器测试算法，该算法基于感知microLED衬垫的正向电压。

von Staudt说:“在ATE使用这种自测方法，在现场进行组装后测试和自我监测，该小组证明了产品晶圆上的自测有效性，包括精确定位开口、短路和桥接故障位置的能力。”

图5:带有DFT的像素驱动。(蓝色=数字信号，红色=模拟信号)来源:瑞萨

带有DFT的像素驱动器中的电流源(见图5)由携带PWM信号的数字控制信号打开和关闭。一个开关将阳极垫连接到模拟测试总线上，通过两个比较器来区分许多故障类型。这些包括由于LED与驱动板连接不良导致的LED打开(非常常见)，LED短路，驱动器打开或卡住驱动器，卡住驱动器，驱动器短路(导致超亮像素)，或不合规格的电流。另一种故障类型可能发生在连接桥故障之后的相邻连接器之间。DFT方法可以实现作业过程中的自我监测，以及关键粘接作业前后的自我测试。

von Staudt表示:“2万像素的数量对模拟测试总线拓扑结构提出了挑战。“对于较小的像素间距来说，面积是非常宝贵的，因此最终的结构总是一条金属线服务于两个相邻的列或行。”

为了减少总总线长度，可以使用模拟开关将其切割成几段。采用多个比较器组实现并行自检，可降低容性负载，缩短诊断测试时间。

图6:在这款白色汽车前照灯中，带有20,000个微led的microLED芯片连接在硅驱动IC上，形成了阵列的背板。然后这个组件被COB(板上芯片)安装到PCB上。来源:Lumileds

“现在最大的挑战是将这2万像素推向市场。你还不能买它。还有一些工程方面的工作要做，主要是由led的制造商和led与驱动IC的组装人员来完成。”von Staudt说。“在下一代，我预计原始设备制造商也会自上而下地提出更多的功能安全要求。”

结论
microled的设计、DFT、检测和测试方法正在满足显示、AR/VR、汽车大灯和其他应用的各种需求。但半导体设计和显示器制造的坚实基础设施意味着技术正在迅速适应微型led。

这将影响目前市场上的大量技术，并使未来的新应用成为可能。

参考文献

1. 冯·施陶德等人。，“用于测试20k I/ o的汽车微型led头灯驱动IC的无探针DfT概念”，IEEE国际测试会议，2022年9月。
2. 乌劳布先生，”微型led和矩阵led，用于高分辨率车灯的混合光源结构，”SIA Vision Digital，巴黎，2021年3月。
3. 短。”微型led是显示屏的下一个大趋势吗?《半导体工程》，2022年6月8日。

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