Hersteller von MicroLED-Displays sind auf dem Weg zur Kommerzialisierung, mit Produkten wie Samsungs The Wall TV und Apples Smartwatch, die voraussichtlich nächstes Jahr oder 2024 in Serie produziert werden.
Diese winzigen Illuminatoren sind die heißeste neue Technologie in der Displaywelt, die eine höhere Pixeldichte, einen besseren Kontrast, einen geringeren Stromverbrauch und eine höhere Leuchtdichte bei direkter Sonneneinstrahlung ermöglicht – und dabei weniger Strom verbraucht als OLEDs oder LCDs. Während Verbraucher gespannt auf die Einführung von AR/VR-Brillen, Smartwatches, flexiblen Bildschirmen, adaptiven Scheinwerfern und Fernsehern warten, gehen Ingenieure die sehr reale Herausforderung der Ertragssteigerung an.
Frühe Testergebnisse weisen auf Ertragsprobleme beim Chiptransfer, Array-to-Driver-Bonding und anderen relativ neuen Prozessen hin. Hohe Kosten für diese unausgereifte Technologie halten microLED-Displays davon ab, den Sprung vom Prototyp zur Produktion zu schaffen. Und weil Prober nicht gut geeignet sind, Tausende von microLED-Pixeln in dicht gepackten Arrays zu testen, wird DFT mit Selbsttest eingesetzt, was Lebenszyklustests ermöglicht – bei ATE, Post-Assembly-Test und im Feld.
Zum Beispiel Dialog Semiconductor, ein Unternehmen von Renesas, entwickelte ein Testschema für ein weißes adaptives Scheinwerfermodul, das ein 20,000-Mikro-LED-Array mit einem Abstand von 40 µm enthält. „Es ist ein sehr gutes Beispiel dafür, dass eine DFT-Schaltung nicht nur Overhead und Kosten bedeutet, um Qualität zu kaufen“, sagte Hans Martin von Staudt, Direktor von Design-for-Test bei Renesas. „Stattdessen erfüllt es eine wertvolle Funktion über die Lebensdauer des Chips. Daher brauchten wir ein DFT-Schema mit hoher diagnostischer Abdeckung des Montageprozesses, um Prozessschwächen zu lokalisieren und gleichzeitig eine Überwachung vor Ort zu ermöglichen.“
Inspektions- und Testmethoden verbessern sich in ihrer Fähigkeit, Produkte zu identifizieren und auszusondern, die nicht den Spezifikationen entsprechen. Massentransfermethoden, die Mikro-LED-Chips von Wafern oder Filmträgern entfernen und sie auf IC-Treibern (für kleine AR/VR, Uhren und Scheinwerfer) oder TFT-Leiterplatten (für Fernseher) positionieren, müssen bekanntermaßen gute Chips (KGD) leicht von Fehlern und Minderleistung trennen sterben.
Die Ertragsziele für die meisten microLED-Display-Apps sind hoch (siehe Abbildung 1), da das menschliche Auge fehlende Pixel schnell erkennen kann. Um die Ertragsziele ins rechte Licht zu rücken: Ein 8K-Fernseher enthält 99 Millionen Mikro-LED-Chips. Bei einer Defektquote von 0.5 % müssen also 520,000 Geräte ausgebaut und ersetzt werden. Top Engineering schätzt, dass dieser Vorgang 144 Stunden dauern würde, was ihn unerschwinglich macht, bis die Reparaturkosten (Entfernen und Ersetzen einzelner Mikro-LEDs) beschleunigt werden können.
Abb. 1: Die Display-Ergiebigkeit ist ein Produkt der Prozessschritt-Ergiebigkeit, wobei Übertragung und Verklebung für einen Großteil der Fehler aufgrund von Prozessunreife verantwortlich sind. Quelle: UÇK
Inspektion, Messtechnik, Photolumineszenz
Optische Inspektion auf Waferebene (AOI) und Photolumineszenzmessung (PL) werden an mehreren Prozesspunkten eingesetzt, von der epitaktischen Waferbildung bis zur endgültigen Abnahme des Displays.
„Jede Art von sichtbaren Fehlern wie Partikeln, Kratzern usw. muss erkannt werden, da sie die von LEDs emittierte Beleuchtungsintensität verringern können“, sagte Woo Young Han, Direktor für Anwendungstechnik bei Auf Innovation. „Zusätzlich zur herkömmlichen Hellfeld- und Dunkelfeldinspektion werden die Mikro-LEDs angeregt, wenn LEDs bei einer Wellenlänge von etwa 400 nm belichtet werden, wodurch sie dazu gebracht werden, Licht (PL) zu emittieren, was inline verifiziert werden muss.“
Abb. 2: Photolumineszenztests liefern Leuchtdichtedaten einschließlich Funktionalität (oben rechts), Helligkeitsverteilung (unten links) und Wellenlängenvariation (unten rechts). Quelle: Toray
MicroLED- und Display-Hersteller verwenden derzeit mehrere Inspektionsschritte. „Der Mikro-LED-Prozess ist wirklich herausfordernd“, sagte Charlie Zhu, Vizepräsident für Forschung und Entwicklung bei CyberOptik. „Um die Ausbeute zu verbessern, benötigt der Kunde mehr Inspektionsschritte. Einige Unternehmen führen fünf Inspektionen mit unseren SQ3000- oder SQ3000+-Systemen durch, einschließlich Bare-Ball-Inspektion, Lotpasteninspektion, Pre-Flow-Offset-Messungen und Post-Flow-Inspektion auf Koplanarität und Tombstone-Probleme. Wir nehmen auch 3D-Geometriemessungen an Vertiefungsbereichen um den Chip herum vor, die dann mit Passivierung gefüllt werden. Unser Hauptvorteil für die Produktion ist der höhere Durchsatz, der 100-mal schneller sein kann als konkurrierende Tools, mit einer Genauigkeit und Wiederholbarkeit von 2 µm.“
Effizienz wird erreicht, indem bei jedem Schritt mehr getan wird. „Beim Inspektionsschritt des bloßen Balls suchen wir nach Verunreinigungen oder Fremdkörpern, aber auch nach der Form der Pads und messen die Position jedes Pads, um sicherzustellen, dass es korrekt ist“, sagte Zhu und merkte an, dass es für Lötverbindungen auf Ballhöhe und Volumen ankommt die kritischsten Parameter, während für das Lötkugel-Offset vor dem Fließen der Schlüssel ist. Die endgültige Prüfung der gemusterten Wafer wird sowohl in der Waferfabrik als auch an eingehenden Wafern auf Filmrahmen durchgeführt, die an Displayhersteller geliefert werden.
Photolumineszenzsysteme, die von Corbeau Innovation, Hamamatsu, InZiv, Toray und anderen angeboten werden, können eigenständige Systeme oder unabhängige Module sein, die mit Prozesswerkzeugen zusammenarbeiten.
Laut Toray kann PL an Wafer-Inspektionssystemen montiert werden, um Kristalldefekte bei Epi-Prozessen zu erkennen oder um eine integrierte Prototypen- und Massenproduktionsinspektion durch strukturierte Wafer-Inspektion durchzuführen.
PL misst Wellenlänge, Helligkeit und Defekt (siehe Abbildung 2). Toray zielt darauf ab, einen Großteil der Mikro-LED-Schritte abzudecken, einschließlich AOI/PL, Lasertrimmen und -transfer, Laser-Massentransfer (über Laser-Lift-off) und auf Stamp-Transfer basierende Bonder. Heutzutage sind sowohl stempelbasierte als auch laserbasierte Transferverfahren zur Positionierung und Reparatur (Replacement) weit verbreitet.
Die Metrologie-, Inspektions- und Datenanalyselösungen von KLA zielen darauf ab, die Ertragsherausforderungen auf Wafer- bis Display-Ebene anzugehen (siehe Abbildung 3). Die SPTS-Abteilung von KLA bietet Plasmaätzen, Ausdünnen von Siliziumsubstraten, Plasma-Dicing (Vereinzelung), Wafer-Vorder- und Rückseiten-Metallabscheidung, Platzierungsmessungen, AOI, PL und gemusterte Wafer-Defektinspektion.
„Ein Schlüsselfaktor hinter der Fokussierung der Industrie auf Mikro-LEDs ist, dass LCD- und OLED-Displays auf großen Substraten hergestellt werden, auf denen alle Schichten nacheinander aufgebracht werden“, sagte Carolyn Short, Marketing Communications Manager bei UCLA's SPTS-Abteilung. „Aber große einzelne Displays können schwierig zu handhaben und zu versenden sein. MicroLEDs-Displays können jedoch durch nahtlose Kachelung kleiner Module zu größeren Displays hergestellt werden.“ [3]
Abb. 3: Umfassendes Inspektions- und Yield-Management vom Epilayer-Test bis hin zur Backplane- und Display-Montage. Quelle: UCK SPTS
Mindestens zwei Inspektionsverfahren müssen für die Massenfertigung verbessert werden. Lötflussmittel und MicroLED-Passivierungsschichten sind nicht opak, daher werden chromatisch-konfokale Messungen durchgeführt. „In der SMT untersuchen die Leute keine Flussmittelrückstände, aber sie wollen es für microLED“, sagte Zhu. „Darüber hinaus verwenden viele unserer Kunden die chromatisch-konfokale Technologie, um die Passivierungsschicht auf Mikro-LEDs zu inspizieren. Aber chromatisch konfokal ist sehr langsam, also eher eine Stichprobenprüfung. Alle schauen, ob es eine Technologie für die konfokale Hochgeschwindigkeitsinspektion oder eine Alternative für diese Anwendungen gibt.“
Design steigert die Quanteneffizienz
Aus gestalterischer Sicht ähneln Mikro-LEDs herkömmlichen LEDs, Mikro-OLEDs und anderen nanophotonischen Geräten, bei denen die elektronischen und optischen Funktionen des Geräts gemeinsam modelliert werden.
„Beim microLED-Design gibt es zwei Hauptprobleme: Das eine ist die Extraktionseffizienz und das andere das Beleuchtungsmuster“, sagte Chenglin Xu, Produktmanager von RSoft Photonic Device Tools bei Synopsys. „Die Extraktionseffizienz kann aufgrund der internen Totalreflexion an der Geräteoberfläche höchstens 15 bis 20 Prozent betragen. Daher ermöglichen Tools wie unser LED-Dienstprogramm eine Gerätesimulation mit einem Texturmuster auf der microLED-Oberfläche, um das Licht zu streuen und die externe Quanteneffizienz zu verbessern.“
Andere microLED-Designs neigen dazu, von Natur aus nicht flach zu sein. Bei AR/VR-Brillen beispielsweise leiten Wellenleiter auf der Lichtquelle den Strahl dorthin, wo er benötigt wird. Alternativ hat ein Unternehmen, Aledia, lichtemittierende GaN-Nanodrähte mit Submikrometerdurchmesser entwickelt, die von der Siliziumoberfläche nach oben ragen, um die Effizienz der leuchtenden Fläche zu verbessern.
Planare Geräte lassen sich mit analytischen Modellen einfacher simulieren, aber die 3D-Simulation der Helligkeit und des Strahlungsmusters von Mikro-LEDs wird immer üblicher und erfordert einen zeitaufwändigeren Algorithmus namens Finite Difference Time Domain (FDTD). FDTD ist extrem genau, gilt aber nicht für alle microLED-Anwendungen. „Die FDTD-Analyse ist gut für kleine Mikro-LEDs, wie z. B. für AR/VR- oder iWatch-Größen, aber für größere Mikro-LED-Displays können unsere Raytracing-Softwaretools verwendet werden, um Rechenzeit zu sparen“, sagte Xu.
Abb. 4: Mikro-LEDs unterschiedlicher Wellenlängen sind inkohärent, sodass die Helligkeit (am größten an der LED-Unterseite) innerhalb eines Arrays eine multiplanare Fernfeldberechnung mit FDTD erfordert. Quelle: Synopsys
Bei der Simulation von Mikro-LED-Arrays streut und interagiert Licht auf inkohärente Weise, sodass die Simulation mehrere umgebende Mikro-LEDs einbeziehen muss, um ein genaues Strahlungsmuster zu erhalten. Das Licht sowohl im GaN-Gerät als auch in der Luft trägt zum Strahlungsmuster bei und sollte in die Fernfeldberechnung einbezogen werden. Eine Verbesserung, die Synopsys vor etwa einem Jahr an seiner FullWAVE FDTD-Software vorgenommen hat, war die Aktualisierung seiner Fernfeldberechnungen, um die Strahlung von allen Nahfeldern sowohl in Medien als auch in Luft zu berücksichtigen. „Dies ist unseres Wissens nach die erste kommerzielle Software, die Mehrebenen-Fernfeld-Beleuchtungsberechnungen auf inhomogene Medien ausdehnt“, sagte Xu.
LED-Fehlermodi und DFT-Strategie
Unternehmen entwickeln neue DFT- und Testverfahren für Mikro-LEDs.
Dicht gepackte Mikro-LEDs, wie der 20,000-Pixel-Scheinwerfer, an dem Renesas und Lumileds arbeiten, stellen eine ernsthafte Testherausforderung dar. „Auch wenn Sie mit den heutigen vertikalen Sonden vielleicht 20,000 I/Os kontaktieren können, haben Sie jetzt 20,000 Signale und es gibt keine ATE mit 20,000 Instrumenten. Also ist es viel besser, intern zu testen, was man draußen nicht richtig machen kann, das ist der springende Punkt der DFT“, sagte von Staudt.
Adaptive Fahrzeugscheinwerfer arbeiten mit kamerabasierten ADAS zusammen, um die Sicherheit zu verbessern, indem sie Straßenlinien schärfen, Gegenlichter dimmen oder im Gefahrenfall ein Warnbild projizieren. Ingenieurteams bei Lumileds, zusammen mit Renesas – sowie Nichia mit Infineon — arbeiten mit Autoherstellern zusammen, um diese Scheinwerfer auf den Markt zu bringen.
Beim Gerät von Renesas/Lumileds ist das Array aus 20,000 Mikro-LEDs per Flip-Chip auf den Silizium-Treiber-IC gebondet, wodurch 20,000 E/A-Verbindungen hergestellt werden, eine pro Pixel. Bei der Festkörperbeleuchtung ist die Pulsweitenmodulation die energieeffizienteste Methode zur Steuerung der Helligkeit, da die Stromquellen des Arrays auf dem gleichen Betriebspegel arbeiten können, wodurch die Headroom-Spannung minimiert wird. Von Staudt von Renesas betonte, dass das Projektteam Mikro-LED-Treiber-Testalgorithmen für den ATE-Selbsttest entwickelt hat, die auf der Erfassung der Durchlassspannung des Mikro-LED-Pads basieren.
„Mit diesem Selbsttest-Ansatz bei ATE, dem Post-Montage-Test und der Selbstüberwachung im Feld, bewies die Gruppe die Wirksamkeit des Selbsttests auf einem Produktwafer, einschließlich der Fähigkeit, Unterbrechungen, Kurzschlüsse und Überbrückungsfehler zu lokalisieren“, von sagte Staudt.
Abb. 5: Pixeltreiber mit DFT. (Blau = digitale Signale, Rot = analoge Signale) Quelle: Renesas
Die Stromquelle im Pixeltreiber mit DFT (siehe Bild 5) wird durch ein digitales Steuersignal ein- und ausgeschaltet, das das PWM-Signal trägt. Ein Schalter verbindet das Anodenpad mit dem analogen Testbus mit zwei Komparatoren, um viele Fehlertypen zu unterscheiden. Dazu gehören LED-Unterbrechungen (sehr häufig), die durch eine schlechte Verbindung der LED zum Treiberpad verursacht werden, LED-Kurzschlüsse, Treiberunterbrechungen oder hängengebliebener Treiber, festsitzender Treiber, Treiberkurzschlüsse (was zu einem superhellen Pixel führt) oder ein spez. Strom. Ein weiterer Fehlertyp kann nach dem Bonden zwischen benachbarten Steckverbindern auftreten – Brückenfehler. Der DFT-Ansatz ermöglicht eine Selbstüberwachung während des Betriebs sowie einen Selbsttest vor und nach dem kritischen Verbindungsvorgang.
„Die schiere Anzahl von 20 Pixeln stellt die analoge Testbustopologie vor Herausforderungen“, sagt von Staudt. „Da die Fläche für den kleineren Pixelabstand knapp ist, erhalten Sie am Ende immer eine Struktur, bei der eine Metallleitung zwei benachbarte Spalten oder Reihen bedient.“
Um die Gesamtlänge des Busses zu reduzieren, kann er mit analogen Schaltern in Abschnitte geschnitten werden. Die Implementierung eines parallelen Selbsttests mit mehreren Komparatorsätzen reduziert die kapazitive Last und verkürzt die Diagnosetestzeit.
Abb. 6: Bei diesem weißen Autoscheinwerfer ist der Mikro-LED-Chip mit 20,000 Mikro-LEDs auf den Silizium-Treiber-IC gebondet, der die Rückwand des Arrays bildet. Diese Baugruppe wird dann COB (Chip-on-Board) auf eine Leiterplatte montiert. Quelle: Lumileds
„Die größte Herausforderung besteht nun darin, diese 20,000 Pixel auf den Markt zu bringen. Sie können es noch nicht kaufen. Es bleibt noch einiges an Engineering-Arbeit zu leisten, vor allem von den Leuten, die die LEDs herstellen und die LEDs mit dem Treiber-IC zusammenbauen“, sagte von Staudt. „Und in der nächsten Generation würde ich erwarten, dass auch von oben nach unten mehr Anforderungen an die funktionale Sicherheit von den OEMs gestellt werden.“
Zusammenfassung
Die Design-, DFT-, Inspektions- und Testmethoden für Mikro-LEDs adressieren die vielfältigen Anforderungen für Displays, AR/VR, Fahrzeugscheinwerfer und andere Anwendungen. Aber die solide Infrastruktur im Halbleiterdesign und in der Displayherstellung bedeutet, dass Technologien schnell an Mikro-LEDs angepasst werden.
Dies wird sich auf eine breite Palette von Technologien auf dem heutigen Markt auswirken und in Zukunft neue Anwendungen ermöglichen.
Bibliographie
- HM von Staudt, et.al., „Probeless DfT Concept for Testing 20k I/Os of an Automotive Micro-LED Headlamp Driver IC“, IEEE International Test Conference, Sept. 2022.
- Herr Urlaub, “Mikro-LED und Matrix-LED, eine hybride Lichtquellenarchitektur für hochauflösende Scheinwerfer“, SIA Vision Digital, Paris, März 2021.
- Kurz, "Sind winzige MicroLEDs das nächste große Ding für Displays?” Halbleitertechnik, 8. Juni 2022.
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