Innovative Micro-LED-Displays: der partikelbasierte anisotrope leitfähige Film (ACF) ArrayFIX

Was sind Micro-LED-Displays?

Micro-LED-Displays sind eine Displaytechnologie, die weltweit die Aufmerksamkeit von Elektronikherstellern auf sich zieht. Nach vielen Jahren der Forschung und Entwicklung ist die Technologie nun marktreif und wird sich voraussichtlich rasant verbreiten. Dieser Artikel untersucht die grundlegenden Eigenschaften von Micro-LED-Displays, die neuesten Trends und die damit verbundenen Herausforderungen. Außerdem werden die Veränderungen, die ArrayFIX, ein partikelbasiertes ACF-Produkt von Dexerials, für die Micro-LED-Displaytechnologie mit sich bringen kann, detailliert erläutert.

Micro-LED-Chips sind mikroskopisch kleine LED-Chips mit einer Größe von weniger als 0,1 Millimetern. Die Displaytechnologie mit diesen Micro-LED-Chips verwendet kleinere Versionen der LEDs, die als Lichtquellen in alltäglichen Beleuchtungssystemen und Ampeln verwendet werden, und ordnet sie über ganze Displays an. Dadurch können Displays die LED-Eigenschaften – hohe Helligkeit, geringer Stromverbrauch und lange Lebensdauer – nutzen und gleichzeitig die kleinen LED-Chips für detailreiche Bilder nutzen.

Micro-LED-Displays erzeugen satte, gemäldeartige Bilder durch präzise Steuerung von Farbe und Helligkeit jedes Pixels. Diese Technologie basiert auf dem gleichen Prinzip wie die großen Bildschirme in Sportstadien. Micro-LED-Displays nutzen jedoch kleinere, einzelne Lichtquellen, um hochdetaillierte Bilder zu erzeugen, die auch aus kurzer Entfernung sichtbar sind. Ein Micro-LED-Chip ist weniger als halb so groß wie eine Standard-LED, manche sogar weniger als ein Sechstel so groß.

Mit der Weiterentwicklung der Technologie werden Micro-LEDs für den Einsatz in einer Vielzahl von Geräten wie Digital Signage, Fernsehern, tragbaren Geräten und Augmented-Reality-(AR)-Smart-Brillen in Betracht gezogen. Durch die Ermöglichung kleinerer und anspruchsvollerer Displays hat die Micro-LED-Technologie das Potenzial, zu bedeutenden Fortschritten bei elektronischen Geräten beizutragen.

Herausforderungen für die praktische Anwendung von Micro-LED-Displays

Es gibt jedoch zahlreiche Hindernisse für die weitverbreitete Verwendung von Micro-LED-Displays.

Ein solches Hindernis sind die Kosten. Die Preise von rund 80.000 US-Dollar für ein 89-Zoll-Display und rund 150.000 US-Dollar für ein 110-Zoll-Display, das 2022 auf den Markt kommt, verdeutlichen dies. Seit Januar 2024 verkauft ein großer südkoreanischer Elektronikhersteller Micro-LED-Displays für Fernseher, doch die Preise liegen immer noch über dem Preisniveau des Durchschnittsverbrauchers. Die Kosten der Micro-LED-Chips selbst sind ein Faktor für die hohen Preise, aber es wird vermutet, dass auch das Fehlen eines etablierten, effizienten Herstellungsprozesses ein Faktor ist. Dies könnte bedeuten, dass die Herstellungskosten nicht so stark gesenkt wurden wie erwartet.

Eine weitere große Herausforderung ist der LED-Anordnungsprozess (Massentransfer). Bei der Herstellung eines Micro-LED-Displays werden über 24 Millionen rote, grüne und blaue LED-Elemente benötigt, um die über 8 Millionen Pixel eines 4K-Displays zu bilden. Um diese LED-Elemente auf der Leiterplatte zu positionieren, wird ein sogenanntes „Pick-and-Place“-Verfahren eingesetzt. Ein Elastomerstempel nimmt die LED-Chips auf und transportiert sie zum Zielort. Da die Anzahl der gleichzeitig bewegbaren LED-Chips begrenzt ist, dauert das Bewegen aller Chips extrem lange.

Darüber hinaus stellen die geringe Beleuchtungsstärke und die Notwendigkeit der Ausbesserung unbeleuchteter Bereiche Engpässe im Herstellungsprozess dar. Die winzigen LED-Chips, die zur Erzeugung hochauflösender Bilder verwendet werden, sind so klein geworden, dass sie sich nur noch schwer an Leiterplatten anschließen lassen, was dazu führt, dass sie immer häufiger nicht leuchten. Wenn ein LED-Chip nicht leuchtet, fehlt nicht nur ein Bildpunkt und die Farben werden nicht richtig dargestellt, im schlimmsten Fall kommt es auch zu einem „fehlenden Pixel“, das eine Teilreparatur erforderlich macht.

Um diese Probleme zu lösen, arbeiten die Hersteller an der Entwicklung von Technologien für die Chipseite, etwa die gleichzeitige Bildung von LED-Schaltkreisen auf einem Wafer, sowie für den Montageprozess, etwa die gemeinsame Übertragung von LED-Chips. Darüber hinaus bewältigen wir zahlreiche Fertigungsherausforderungen, wie beispielsweise das „Kacheln“, bei dem kleine LED-Anzeigetafeln wie Kacheln angeordnet werden, um eine große Anzeige zu erstellen, sowie das Versiegeln und Laminieren von LED-Chips.

ArrayFIX kann Herausforderungen bei Micro-LED-Displays lösen

Da sich die Micro-LED-Displaytechnologie ständig weiterentwickelt, bietet Dexerials Produkte an, die bei der Herstellung von Micro-LED-Displays eine wichtige Rolle spielen können. Neben Produkten wie optischen Folien und optisch elastischen Harzen gewinnt auch der anisotrope leitfähige Film (ACF) als unverzichtbarer Bestandteil der elektrischen Verbindung verschiedener Displayteile zunehmend an Bedeutung. Insbesondere wurde ein partikelbasierter ACF namens ArrayFIX zur Miniaturisierung von Anschlussverbindungen, wie sie beispielsweise auf Micro-LED-Chips zu finden sind, entwickelt, dessen potenzielle Anwendungen hoch bewertet werden.

ArrayFIX-Technologie für Micro-LEDs

Da die Verbindungsfläche zwischen LED-Chips und Substrat im Herstellungsprozess von Micro-LED-Displays schrumpft, entwickelt sich ArrayFIX von Dexerials kontinuierlich weiter, um dieser Herausforderung gerecht zu werden. Insbesondere ist der Durchmesser der leitfähigen Partikel kleiner als bei Vorgängerprodukten, was zu einer höheren Partikeldichte führt und so eine präzisere Positionierung ermöglicht.

Bisher hatte das ArrayFIX ACF mit der höchsten Dichte einen Partikeldurchmesser von 3,2 Mikrometern und eine Partikeldichte von 28 kpcs/mm² und wurde für die Chip-on-Glass (COG)-Technologie zur Montage von ICs für hochauflösende Displays, beispielsweise für Smartphones, entwickelt. ArrayFIX für Micro-LEDs erfordert jedoch noch höhere Präzision. Daher entwickeln wir eine Version mit einem auf 2,2 Mikrometer reduzierten Partikeldurchmesser und einer auf 58 kpcs/mm² erhöhten Partikeldichte.

ArrayFIX für Micro-LEDs ermöglicht dank der angeordneten Partikel stabile Verbindungen und eine niederohmige Verbindung zu extrem kleinen Elektroden von 100 μm² und weniger. Da die Partikel ihre Position beibehalten, wird zudem selbst bei extrem geringen Elektrodenabständen eine hervorragende Isolierung gewährleistet.

Der Einsatz von „ArrayFIX“ ermöglicht die Montage bei niedrigen Temperaturen, was mit herkömmlichem Löten schwierig war, und vereinfacht den Herstellungsprozess, da keine Au/Sn-Bumps mehr gebildet werden müssen. Die Vorbereitung für die Montage erfolgt einfach durch Anbringen des ACF an der Platine. Da im Vergleich zu anderen Klebemethoden keine Vorverarbeitung erforderlich ist, sind erhebliche Zeit- und Kosteneinsparungen zu erwarten. Darüber hinaus können die LEDs beim LED-Massetransfer vorübergehend bei Temperaturen zwischen Raumtemperatur und 50 °C fixiert und anschließend durch Thermokompression miteinander massenhaft verbunden werden, wodurch die Produktion großer Displays effizienter wird.

Innovative ACF-Platzierungstechnologie für die Herstellung von Micro-LED-Displays

Die hochpräzise Chipmontage ist ein entscheidender Faktor im Herstellungsprozess von Micro-LED-Displays und beeinflusst maßgeblich die Qualität des Endprodukts. Um dieser Herausforderung gerecht zu werden, hat Dexerials eine innovative Methode entwickelt, um vorgeschnittene ACF-Stücke präzise an den gewünschten Stellen zu platzieren. Der Schlüssel zu dieser Technologie sind mikrometergroße ArrayFIX-Stücke.
Konkret haben wir eine Technologie entwickelt, mit der ACF mithilfe von Lasern nur an die Stellen übertragen wird, an denen eine Montage erforderlich ist. Dadurch wird die ACF-Platzierung nur dort ermöglicht, wo sie benötigt wird, um eine hochpräzise Montage der LED-Chips auf der Leiterplatte zu ermöglichen.

Auch andere Anwendungen dieser Technologie sind möglich. Wir prüfen ein Verfahren, bei dem ein bestimmter LED-Chip und die umgebende ACF mit einem Laser entfernt, ein neues ACF-Stück an die gewünschte Stelle übertragen und die Verbindung erneut hergestellt wird. Dies könnte die Displayqualität und die Fertigungseffizienz verbessern.
Darüber hinaus ermöglicht diese Technologie die Übertragung von ACF ausschließlich auf den Substratanschlussbereich. Wir erforschen zudem weitere Anwendungen, wie beispielsweise die Herstellung transparenter Micro-LED-Displays.

Dexerials wird sich weiterhin auf die Entwicklung dieser Spitzentechnologien konzentrieren, um das Leben der Menschen angenehmer und bereichernder zu machen.