激光輔助鍵合繞過了 MicroLED 顯示走向量產(chǎn)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。
MicroLED 顯示具備諸多優(yōu)勢，包括美觀、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等。
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(shù)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(jīng)被業(yè)界認可是前兩個主要工藝的高效方案，且兼具經(jīng)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(chǎn)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?；亓骱讣訜釥t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(shù)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（LAB）能解決 MicroLED 組裝過程中的難題
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(jīng)過勻化處理后，整個光斑區(qū)域的強度分布實現(xiàn)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(shù)千甚至數(shù)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(chǎn)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(jù)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(chǎn)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(nèi)的高度一致性，以實現(xiàn)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(shù)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(chǎn)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(diào)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(xiàn)的，這些小光束隨后被擴展并重疊以產(chǎn)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(diào)節(jié)，即矩形光斑的長度和寬度都可以根據(jù)需要在大范圍內(nèi)獨立調(diào)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(chǎn)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(xiàn)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(chǎn)。
