激光輔助鍵合繞過了 MicroLED 顯示走向量產制造的一個障礙。
上海2024年6月26日 /美通社/ -- MicroLED 顯示作為LED領域最重要的發(fā)展歷程之一,其魅力除了美觀之外,相比于其他顯示技術(例如 LED 和 OLED),更具備諸多優(yōu)勢,包括提升的能耗效率、更長的使用壽命、更高的亮度和更好的色彩精準度。此外,采用 MicroLED 技術,制造商能夠輕松修改面板尺寸、形狀和分辨率,以創(chuàng)建新的顯示設計,而無需專門采購新設備。
盡管有上述諸多優(yōu)點,但目前 microLED 尚未普及。這是因為其制造工藝通常比其他顯示技術更復雜。要使該技術成功商業(yè)化,仍然必須克服一些重大挑戰(zhàn)。
準分子激光為 MicroLED 發(fā)展提供動力
為了幫助理解這些挑戰(zhàn)來自哪里,下面這張圖展示了 MicroLED 顯示制造中的一些關鍵步驟。這些步驟完成后,還有各種其他測試步驟和"老化"工藝。大型顯示器通過組合多個較小尺寸面板制作而成,在這種情況下,需要額外的組裝和封裝步驟。
1) 紅、綠、藍三色 LED 分別制作在透明基板生長晶圓上。2) LLO:生長晶圓上的 LED 與帶有粘合劑的臨時載板接觸并固定,準分子激光透過透明基板聚焦并將 LED 與其分離。3) LIFT:準分子激光透過臨時載板聚焦,選擇性分離各個單顆 LED,并將它們轉移到最終基板上的焊盤位置。4) LAB:半導體激光一次加熱多顆 LED 和焊料,使其快速熔化并形成最終鍵合。
與大多數半導體器件一樣,LED 最初是在晶圓上做外延生長的,通常采用藍寶石基板。MicroLED 顯示的每個像素都需要獨立的 LED,分別發(fā)出紅、綠、藍三原色,但每個生長晶圓僅包含單一顏色的 LED 發(fā)光器件。因此,必須將 LED 外延層分割成一顆顆單獨的裸芯片,然后按照必要的設計圖案排列在一起,以形成最終的顯示屏。
準分子激光已經被業(yè)界認可是前兩個主要工藝的高效方案,且兼具經濟性。其中,激光剝離技術 (LLO) 首先將單顆 LED 芯片從藍寶石晶圓上分離出來,并將其轉移到臨時載板上。
接下來,激光誘導前向轉移 (LIFT) 被用作"巨量轉移"。此工藝將 LED 芯片從臨時載板轉移到最終顯示基板。很重要的是,巨量轉移可以將 LED 芯片排列匹配到所需的像素圖案。
MicroLED 組裝挑戰(zhàn)
LED 在轉移到基板后,必須通過鍵合工藝將其電氣連接到基板上。否則,顯示屏無法點亮,并且在移動時 LED 芯片會從上面掉落!
為了執(zhí)行鍵合工藝,首先要將焊料"凸塊"(小焊球)放置在基板上所有預設的電氣連接點上。然后,使用 LIFT 轉移設備將 LED 芯片放置到位,再將焊料加熱直至熔化。在此狀態(tài)下,焊料在基板和芯片上的電氣觸點周圍流動,隨后焊料冷卻并重新凝固,在它們之間形成電氣和機械連接。這是整個電子材料行業(yè)的標準組裝技術。
最常見的熔化焊料的方法稱為"批量回流焊"(MR),其工藝過程中,將包含焊球和芯片的整個基板組件放入烤箱中,通過循環(huán)溫度以熔化焊料,然后重新冷卻。
但批量回流焊對于 MicroLED 顯示制造幫助不大,其用到的 LED 芯片尺寸極小,彼此間距很近且位置精度極高?;亓骱傅年P鍵問題是加熱周期需要幾分鐘,這會在所有部件上產生大量熱負載,并可能導致部件變形、引入熱機械應變,并移動 LED 芯片在基板上的位置。回流焊加熱爐中的較長處理時間則增加了電氣連接不良的風險。該工藝本身也是能源密集型的。
熱壓鍵合 (TCB)是一種替代方法,可以降低因回流焊引起的翹曲風險。 熱壓鍵合在施加熱量的同時施加壓力,從而更好地控制了所形成互連的高度和形狀。但它需要一個復雜的噴嘴,該噴嘴是針對特定芯片和封裝尺寸定制的,并且每次只能鍵合一顆芯片。由于MicroLED 技術可能需要鍵合數百萬顆 LED 芯片來制作一個顯示屏,這使得熱壓鍵合工藝不太適合。
激光輔助鍵合
激光輔助鍵合(LAB)解決了所有這些問題。在 LAB 工藝中,高功率紅外波段半導體激光整形為矩形光斑,經過勻化處理后,整個光斑區(qū)域的強度分布實現高度一致性。矩形光斑尺寸因應用而異,其面積可以一次性覆蓋基板上數千甚至數百萬顆 LED。
在 LAB 工藝期間,激光器的開啟時間非常短——不到一秒鐘,但這足以將足夠的熱量傳遞到組件中以熔化焊料。由于時間極短,LAB 不會產生任何能導致基板翹曲或 LED 芯片位置偏移的整體加熱。激光工藝能夠精確控制加熱周期,并根據需要控制冷卻階段,因此焊接過程可以快速執(zhí)行,并且不會產生任何明顯的負面結果。LAB 的周期時間短也使其比回流焊或熱壓鍵合更加節(jié)能。
改進 LAB 的更好激光器
就激光而言,LAB 的一個關鍵且必要的要求是光束強度在整體區(qū)域內的高度一致性,以實現焊料加熱過程的一致和均勻,并獲得一致的鍵合結果。其目標是只選擇性地加熱所需的區(qū)域(包含特定數量的LED 芯片),而完全不加熱周圍區(qū)域。因此,輸出一個優(yōu)質的矩形光斑尤為重要,這要求在靠近光斑邊緣的位置光束強度不會下降太多,否則該區(qū)域的 LED 芯片可能根本無法鍵合。與此同時,矩形光斑的光束強度必須在照射區(qū)域外迅速下降。
Coherent HighLight DL 系列半導體激光器,通過光纖耦合輸出方式,可與我們的 PH50 DL Zoom Optic變焦光學組件搭配使用,以產生這種高勻化度矩形光斑。通常,典型功率為 4 kW 的HighLight DL 激光器可用于 MicroLED 激光輔助鍵合工藝。
Coherent PH50 DL Zoom Optic 變焦光學組件通過光纖耦合方式,將 Hilight DL 系列半導體激光器輸出的多模激光整形為高度勻化的矩形光斑,其長度和寬度可以獨立動態(tài)調整。上圖中展示的光斑尺寸從 12x12 毫米到 110x110 毫米不等,并有其他配置可供選擇。
通過使用我們自己的專有光學設計,上述組合可提供比任何競品更好的光束強度一致性。具體來說,光束勻化是通過使用微透鏡陣列將入射激光分成許多"小光束"來實現的,這些小光束隨后被擴展并重疊以產生高度一致的強度分布。
Coherent PH50 DL Zoom Optic 變焦光學組件的另一大優(yōu)點是,在加工過程中可以"即時"調節(jié),即矩形光斑的長度和寬度都可以根據需要在大范圍內獨立調節(jié)。這種縮放功能對于制造商開發(fā)和驗證工藝非常有用,這使他們能夠嘗試各種配置以尋找最優(yōu)工藝條件。當然,Coherent 也可以采用同樣方法生產固定(非變焦)光學組件以滿足客戶特定要求,線光斑的長度范圍可以從幾毫米到 1000 毫米不等。
LLO 和 LIFT 已成為賦能 MicroLED 顯示制造的兩項關鍵技術?,F在看來,基于Coherent激光器的另一種工藝--LAB--將促進高分辨率 MicroLED 顯示屏的批量生產。