激光再次拯救MicroLED显示

时间： 2024-06-28 来源：Coherent高意激光公众号

技术问答

三星在2024年1月举行的国际消费类电子产品展览会(CES)上凭借其巨大而透明的MicroLED显示屏令与会者惊叹不已。

但MicroLED显示的魅力不仅仅在于美观，相比于其他显示技术（例如LED和OLED），MicroLED具备多种优势，包括提升的能耗效率、更长的使用寿命、更高的亮度和更好的色彩精准度。此外，采用MicroLED技术，制造商能够轻松修改面板尺寸、形状和分辨率，以创建新的显示设计，而无需专门采购新设备。

尽管有上述诸多优点，但目前MicroLED尚未普及。这是因为其制造工艺通常比其他显示技术更复杂。要使该技术成功商业化，仍然必须克服一些重大挑战。

图 1

准分子激光为MicroLED发展提供动力

为了帮助理解这些挑战来自哪里，下面这张图展示了MicroLED显示制造中的一些关键步骤。这些步骤完成后，还有各种其他测试步骤和“老化”工艺。大型显示器通过组合多个较小尺寸面板制作而成，在这种情况下，需要额外的组装和封装步骤。

图 2

与大多数半导体器件一样，LED最初是在晶圆上做外延生长的，通常采用蓝宝石基板。MicroLED显示的每个像素都需要独立的LED，分别发出红、绿、蓝三原色，但每个生长晶圆仅包含单一颜色的LED发光器件。因此，必须将LED外延层分割成一颗颗单独的裸芯片，然后按照必要的设计图案排列在一起，以形成最终的显示屏。

准分子激光已经被业界认可是前两个主要工艺的高效方案，且兼具经济性。其中，激光剥离技术(LLO)首先将单颗LED芯片从蓝宝石晶圆上分离出来，并将其转移到临时载板上。

接下来，激光诱导前向转移(LIFT)被用作“巨量转移”。此工艺将LED芯片从临时载板转移到最终显示基板。很重要的是，巨量转移可以将LED芯片排列匹配到所需的像素图案。

图 3

MicroLED组装挑战

LED在转移到基板后，必须通过键合工艺将其电气连接到基板上。否则，显示屏无法点亮，并且在移动时LED芯片会从上面掉落！

为了执行键合工艺，首先要将焊料“凸块”（小焊球）放置在基板上所有预设的电气连接点上。然后，使用LIFT转移设备将LED芯片放置到位，再将焊料加热直至熔化。在此状态下，焊料在基板和芯片上的电气触点周围流动，随后焊料冷却并重新凝固，在它们之间形成电气和机械连接。这是整个电子材料行业的标准组装技术。

图 4

最常见的熔化焊料的方法称为“批量回流焊”（MR），其工艺过程中，将包含焊球和芯片的整个基板组件放入烤箱中，通过循环温度以熔化焊料，然后重新冷却。

但批量回流焊对于MicroLED显示制造帮助不大，其用到的LED芯片尺寸极小，彼此间距很近且位置精度极高。回流焊的关键问题是加热周期需要几分钟，这会在所有部件上产生大量热负载，并可能导致部件变形、引入热机械应变，并移动LED芯片在基板上的位置。回流焊加热炉中的较长处理时间则增加了电气连接不良的风险。该工艺本身也是能源密集型的。

热压键合（TCB）是一种替代方法，可以降低因回流焊引起的翘曲风险。热压键合在施加热量的同时施加压力，从而更好地控制了所形成互连的高度和形状。但它需要一个复杂的喷嘴，该喷嘴是针对特定芯片和封装尺寸定制的，并且每次只能键合一颗芯片。由于MicroLED技术可能需要键合数百万颗LED芯片来制作一个显示屏，这使得热压键合工艺不太适合。