Kulicke & Soffa verscheept eerste pick-and-placemachine voor mini- en microleds

Met de eerste verzending van zijn Luminex-platform onderstreept Kulicke & Soffa zijn commitment in de apparatenmarkt voor geavanceerde displays. Het bedrijf stelt zelfs dat pakken en plaatsen in de toekomst kan concurreren met lithografieprocessen voor displays.

René Raaijmakers
17 november

Bedacht aan de Universiteit van Noord-Dakota, ontwikkeld in Eindhoven. Dat is in één zin het pad dat Kulicke & Soffa’s eerste supersnelle assemblagemachine voor microleds aflegde. Het Singaporese concern heeft de eerste klant niet bekendgemaakt, maar het gaat hoogstwaarschijnlijk om Samsung. Deze machine, de Luminex, maakt gebruik van laser-enabled advanced placement (Leap) om duizend microleds per seconde op een substraat te schieten. Door de lasertechnologie ook nog eens te parallelliseren, kan het in de toekomst zelfs naar tienduizend plaatsingen per seconde. Die mijlpaal wordt over vier jaar verwacht en is nodig om op kosteneffectieve wijze een 4K-televisiescherm te produceren met 24 miljoen zelf-emitterende leds. Dat is te vergelijken met het in veertig minuten vullen van een voetbalveld met euromunten.

K&S verwierf de Leap-technologie afgelopen februari met de overname van Uniqarta voor 25 miljoen dollar. Met de technologie hoopt het Singaporese bedrijf zijn roadmap en leiderschap in de markt van backend-apparatuur voor led-achtergrondverlichting veilig te stellen. Daar heeft het een voorsprong genomen met een andere plaatsingsmachine, de Pixalux, voor minileds die het ontwikkelde op basis van een exclusieve ip-overeenkomst met het Amerikaanse Rohinni. De variant voor minileds wordt sinds 2019 in hoog volume geproduceerd en zorgt momenteel voor een revolutie op de premium lcd-markt. De Pixalux is in staat om tot vijftig componenten per seconde te positioneren en te plaatsen met een nauwkeurigheid van 20 micron. Op een recente investeerdersbijeenkomst van K&S vertelde het bedrijf dat het afgelopen december de honderdste Pixalux afleverde. Dit jaar draait K&S weer een topjaar. Achtergrondverlichting met minileds zal naar verwachting vanaf 2023 echt de overstap maken naar de massamarkt voor displays, meent het bedrijf.

Pixalux maakt gebruik van een mechanisch transferproces dat minileds van tape in de soldeerpasta op een printplaat perst. De technologie werd oorspronkelijk ontwikkeld door Rohinni en is door K&S op exclusieve basis ontwikkeld en gecommercialiseerd. Beeld: K&S

De vraag blijft toenemen. Marktonderzoeker Trendforce verwacht dat het aantal 4 inch-equivalente wafers met mini- en microleds zal groeien van bijna 2 miljoen dit jaar tot meer dan 10 miljoen in 2025. K&S denkt dat tegen 2024 het gebruik van microleds echt zal versnellen voor nieuwe zelf-emitterende displays die in eerste instantie gespecialiseerde markten zoals grote commerciële displays en wearables bedienen, met het potentieel om door te stoten naar premium displaymarkten met hogere volumes, zoals smartphones. In dat jaar verwacht K&S dat zijn led- en geavanceerde displayoplossingen 150 miljoen dollar aan de totale omzet zullen toevoegen.

Het huidige succes en de toekomstverwachtingen vormen een opsteker voor K&S’ engineeringteam in Eindhoven. De Pixalux- en Luminex-systemen vinden beide hun oorsprong in de pick-and-placeplatforms van Assembléon, de spin-out van Philips die K&S in 2015 voor 98 miljoen dollar overnam. Dit team engineerde zowel de Rohinni- als de Uniqarta-technologie en maakte beide processen rijp om de zeer veeleisende backend-markt te bedienen.

Mini-explosie

De Pixalux brengt minileds van ongeveer 125 micron mechanisch over van substraat naar printplaat. De dies worden ondersteboven op tape gemonteerd. Een pen drukt de componenten mechanisch naar beneden op een printplaat in soldeerpasta. K&S verwacht de snelheid op te kunnen voeren tot 75 dies per seconde. Dat mag dan opmerkelijk snel lijken, maar het mechanische proces zal op den duur tegen zijn grenzen lopen gezien de toenemende eisen voor high-end displays.

De overname van Uniqarta heeft K&S in staat gesteld zijn technologische roadmap uit te breiden. De spinoff van de Universiteit van Noord-Dakota gebruikt laserpulsen voor de supersnelle overdracht van substraat naar printplaat. Het proces lijkt op de werking van een inkjetprinter die een vloeistof verdampt om een inktdruppel op papier te schieten. Het Leap-procedé maakt ook gebruik van een mini-explosie om micro-leds naar hun gewenste positie over te brengen.

Schema van de laser-enabled advanced placement-technologie (Leap). Een laserpuls schiet door een transparante drager. Het materiaal van de absorberende laag verdampt in picoseconden, waardoor een mini-explosie ontstaat die een blaar vormt onder een microled. Beeld: K&S

Om dit mogelijk te maken, bestaat een substraat met mini- of microleds uit drie lagen. De eerste is een transparant substraat, zoals glas, dat de gewenste mechanische sterkte biedt. Tussen het gesmolten siliciumdioxide en de microleds bevinden zich twee dunne lagen. De mini-explosie vindt plaats in de tussenlaag: dat materiaal is in staat de laserpulsen te absorberen en te verdampen. De derde laag dient twee doelen: het is drager voor de leds en het is in staat om de mini-explosie te absorberen zonder dat er materiaal vrijkomt.

Een substraat met de leds ondersteboven wordt boven de printplaat gebracht. De laserstraal schiet door de glaslaag, het materiaal van de absorberende laag verdampt en dit veroorzaakt een blaar die de explosie insluit en tegelijkertijd de component op het substraat drukt. ‘Er komen geen brokstukken op de tape’, benadrukte K&S-cto Bob Chylak op een recente bijeenkomst voor investeerders. ‘Dat is het geniale aan deze technologie. Het is een micromachine die de dies zeer snel kan overbrengen. De laserpuls verhit het materiaal in slechts 10 picoseconden en de overbrenging duurt een paar microseconden. In tegenstelling tot mechanische overdracht wordt dit helemaal gestuurd door galvo-spiegels die extreem snel kunnen bewegen.’

Complementair

Chylak wierp tijdens de investeerdersdag nog meer licht op de toekomst van de laserapparatuur. ‘Voor een 8K-scherm met honderd miljoen microleds, hebben we een heel veel snellere overdracht nodig. Dus ontwikkelen we dezelfde technologie, maar we gaan vele componenten tegelijk schieten.’

Het Luminex-platform voldoet ook aan de strenge eisen voor zelf-emitterende displays. Voor de productie van dergelijke schermen worden wafers met tienduizenden leds geproduceerd. Vervolgens worden deze componenten in blokjes gesneden en op een tape gespannen. Maar de dies moeten ook worden gesorteerd en gemengd, omdat hun emissiegolflengtes niet uniform zijn. Dat betekent dat leds met dezelfde golflengte op een nieuw substraat moeten worden gezet om ongewenste kleurverschillen te voorkomen. Voor een rgb-display komen de leds op een pitched array module om daarna op het substraat te worden geplaatst.

K&S-cto Bob Chylak verwacht dat massale parallelle plaatsing de Leap-technologie op snelheden zal brengen die nodig zijn om 8K-schermen met honderd miljoen microleds kosteneffectief te assembleren. Beeld: K&S

‘De huidige Pixalux kan de uiteindelijke plaatsing op het substraat doen, maar niet sorteren of re-pitchen’, legt Chylak uit. ‘De Luminex kan sorteren, re-pitchen en plaatsen met zijn betere nauwkeurigheid en lasertransfer. Dat maakt rgb-toepassingen voor zowel mini- als microleds mogelijk.’ De automatische vervanging van defecte leds werd ook door Uniqarta ontwikkeld. In tegenstelling tot de mechanische transfertechnologie van Rohinni die in de Pixalux wordt gebruikt, bezit K&S alle eigendomsrechten van de Leap-technologie, wat het bedrijf niet nalaat te onderstrepen in gesprekken met investeerders.

K&S gelooft dat de snelle overdrachtstechnologie zelfs concurrerend zal worden met lithografie. In een interview met Ledinside zei Chan Pin Chong, verantwoordelijk voor producten en oplossingen bij K&S, dat microleds dure voorgefabriceerde fotomaskers of beam scanning-methodes zouden kunnen vervangen. Ledinside merkte op dat microled-lithografie technologie heeft aangetoond onder 5 µm resolutie en nog verder zou kunnen worden teruggeschaald naar sub-micron.

Terwijl de Pixalux de markt voor backlighting-toepassingen bedient, is het Luminex-platform zowel in te zetten voor backlighting als zelf-emitterende displays. Chylak onderstreept echter dat de Luminex de Pixalux niet zal vervangen. Hij verwacht dat de inkomsten van beide machines zullen blijven stijgen in een markt die de komende jaren naar verwachting gemiddeld met 66 procent zal groeien. Chylak: ‘Mini- en microleds zijn complementair en ze zullen in de toekomst naast elkaar blijven bestaan.’