Coherent高意:激光再次拯救MicroLED 显示

2024-06-26 16:22   来源: 前瞻科技网    浏览次数:4028

激光辅助键合绕过了 MicroLED 显示走向量产制造的一个障碍。

上海2024年6月26日 /美通社/ -- MicroLED 显示作为LED领域最重要的发展历程之一,其魅力除了美观之外,相比于其他显示技术(例如 LED 和 OLED),更具备诸多优势,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。

MicroLED 显示具备诸多优势,包括美观、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等。
MicroLED 显示具备诸多优势,包括美观、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等。

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。

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。 

1) 红、绿、蓝三色 LED 分别制作在透明基板生长晶圆上。2) LLO:生长晶圆上的 LED 与带有粘合剂的临时载板接触并固定,准分子激光透过透明基板聚焦并将 LED 与其分离。3) LIFT:准分子激光透过临时载板聚焦,选择性分离各个单颗 LED,并将它们转移到最终基板上的焊盘位置。4) LAB:半导体激光一次加热多颗 LED 和焊料,使其快速熔化并形成最终键合。
1) 红、绿、蓝三色 LED 分别制作在透明基板生长晶圆上。2) LLO:生长晶圆上的 LED 与带有粘合剂的临时载板接触并固定,准分子激光透过透明基板聚焦并将 LED 与其分离。3) LIFT:准分子激光透过临时载板聚焦,选择性分离各个单颗 LED,并将它们转移到最终基板上的焊盘位置。4) LAB:半导体激光一次加热多颗 LED 和焊料,使其快速熔化并形成最终键合。

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。

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。 

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。 

激光辅助键合(LAB)能解决 MicroLED 组装过程中的难题
激光辅助键合(LAB)能解决 MicroLED 组装过程中的难题

激光辅助键合

激光辅助键合(LAB)解决了所有这些问题。在 LAB 工艺中,高功率红外波段半导体激光整形为矩形光斑,经过匀化处理后,整个光斑区域的强度分布实现高度一致性。矩形光斑尺寸因应用而异,其面积可以一次性覆盖基板上数千甚至数百万颗 LED。

在 LAB 工艺期间,激光器的开启时间非常短——不到一秒钟,但这足以将足够的热量传递到组件中以熔化焊料。由于时间极短,LAB 不会产生任何能导致基板翘曲或 LED 芯片位置偏移的整体加热。激光工艺能够精确控制加热周期,并根据需要控制冷却阶段,因此焊接过程可以快速执行,并且不会产生任何明显的负面结果。LAB 的周期时间短也使其比回流焊或热压键合更加节能。 

改进 LAB 的更好激光器

就激光而言,LAB 的一个关键且必要的要求是光束强度在整体区域内的高度一致性,以实现焊料加热过程的一致和均匀,并获得一致的键合结果。其目标是只选择性地加热所需的区域(包含特定数量的LED 芯片),而完全不加热周围区域。因此,输出一个优质的矩形光斑尤为重要,这要求在靠近光斑边缘的位置光束强度不会下降太多,否则该区域的 LED 芯片可能根本无法键合。与此同时,矩形光斑的光束强度必须在照射区域外迅速下降。

Coherent HighLight DL 系列半导体激光器,通过光纤耦合输出方式,可与我们的 PH50 DL Zoom Optic变焦光学组件搭配使用,以产生这种高匀化度矩形光斑。通常,典型功率为 4 kW 的HighLight DL 激光器可用于 MicroLED 激光辅助键合工艺。

Coherent PH50 DL Zoom Optic 变焦光学组件通过光纤耦合方式,将 Hilight DL 系列半导体激光器输出的多模激光整形为高度匀化的矩形光斑,其长度和宽度可以独立动态调整。上图中展示的光斑尺寸从 12x12 毫米到 110x110 毫米不等,并有其他配置可供选择。
Coherent PH50 DL Zoom Optic 变焦光学组件通过光纤耦合方式,将 Hilight DL 系列半导体激光器输出的多模激光整形为高度匀化的矩形光斑,其长度和宽度可以独立动态调整。上图中展示的光斑尺寸从 12x12 毫米到 110x110 毫米不等,并有其他配置可供选择。

通过使用我们自己的专有光学设计,上述组合可提供比任何竞品更好的光束强度一致性。具体来说,光束匀化是通过使用微透镜阵列将入射激光分成许多"小光束"来实现的,这些小光束随后被扩展并重叠以产生高度一致的强度分布。

Coherent PH50 DL Zoom Optic 变焦光学组件的另一大优点是,在加工过程中可以"即时"调节,即矩形光斑的长度和宽度都可以根据需要在大范围内独立调节。这种缩放功能对于制造商开发和验证工艺非常有用,这使他们能够尝试各种配置以寻找最优工艺条件。当然,Coherent 也可以采用同样方法生产固定(非变焦)光学组件以满足客户特定要求,线光斑的长度范围可以从几毫米到 1000 毫米不等。

LLO 和 LIFT 已成为赋能 MicroLED 显示制造的两项关键技术。现在看来,基于Coherent激光器的另一种工艺--LAB--将促进高分辨率 MicroLED 显示屏的批量生产。


责任编辑:小美
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