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Coherent 高意:激光再次拯救 MicroLED 顯示

字體變大  字體變小 發(fā)布日期:2024-06-27  瀏覽次數:1067
核心提示:現在看來(lái),基于 Coherent 激光器的另一種工藝--LAB--將促進(jìn)高分辨率 MicroLED 顯示屏的批量生產(chǎn)。
 激光輔助鍵合繞過(guò)了MicroLED顯示走向量產(chǎn)制造的一個(gè)障礙。

  MicroLED 顯示作為 LED 領(lǐng)域最重要的發(fā)展歷程之一,其魅力除了美觀(guān)之外,相比于其他顯示技術(shù)(例如 LED 和 OLED),更具備諸多優(yōu)勢,包括提升的能耗效率、更長(cháng)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(shù),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(wú)需專(zhuān)門(mén)采購新設備。
 

 

  MicroLED 顯示具備諸多優(yōu)勢,包括美觀(guān)、提升的能耗效率、更長(cháng)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(diǎn),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(shù)更復雜。要使該技術(shù)成功商業(yè)化,仍然必須克服一些重大挑戰。

  準分子激光為 MicroLED 發(fā)展提供動(dòng)力

  為了幫助理解這些挑戰來(lái)自哪里,下面這張圖展示了 MicroLED 顯示制造中的一些關(guān)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(guò)組合多個(gè)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(cháng)晶圓上。2) LLO:生長(cháng)晶圓上的 LED 與帶有粘合劑的臨時(shí)載板接觸并固定,準分子激光透過(guò)透明基板聚焦并將 LED 與其分離。3) LIFT:準分子激光透過(guò)臨時(shí)載板聚焦,選擇性分離各個(gè)單顆 LED,并將它們轉移到最終基板上的焊盤(pán)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(cháng)的,通常采用藍寶石基板。MicroLED 顯示的每個(gè)像素都需要獨立的 LED,分別發(fā)出紅、綠、藍三原色,但每個(gè)生長(cháng)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(gè)主要工藝的高效方案,且兼具經(jīng)濟性。其中,激光剝離技術(shù) (LLO) 首先將單顆 LED 芯片從藍寶石晶圓上分離出來(lái),并將其轉移到臨時(shí)載板上。

  接下來(lái),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(shí)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

  LED 在轉移到基板后,必須通過(guò)鍵合工藝將其電氣連接到基板上。否則,顯示屏無(wú)法點(diǎn)亮,并且在移動(dòng)時(shí) LED 芯片會(huì )從上面掉落!

  為了執行鍵合工藝,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(diǎn)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(diǎn)周?chē)鲃?dòng),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(gè)電子材料行業(yè)的標準組裝技術(shù)。

  最常見(jiàn)的熔化焊料的方法稱(chēng)為"批量回流焊"(MR),其工藝過(guò)程中,將包含焊球和芯片的整個(gè)基板組件放入烤箱中,通過(guò)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(guān)鍵問(wèn)題是加熱周期需要幾分鐘,這會(huì )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(dòng) LED 芯片在基板上的位置;亓骱讣訜釥t中的較長(cháng)處理時(shí)間則增加了電氣連接不良的風(fēng)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(fēng)險。熱壓鍵合在施加熱量的同時(shí)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(gè)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(shù)可能需要鍵合數百萬(wàn)顆 LED 芯片來(lái)制作一個(gè)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(guò)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(wèn)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(guò)勻化處理后,整個(gè)光斑區域的強度分布實(shí)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(wàn)顆 LED。

  在 LAB 工藝期間,激光器的開(kāi)啟時(shí)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(shí)間極短,LAB 不會(huì )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,并根據需要控制冷卻階段,因此焊接過(guò)程可以快速執行,并且不會(huì )產(chǎn)生任何明顯的負面結果。LAB 的周期時(shí)間短也使其比回流焊或熱壓鍵合更加節能。

  改進(jìn) LAB 的更好激光器

  就激光而言,LAB 的一個(gè)關(guān)鍵且必要的要求是光束強度在整體區域內的高度一致性,以實(shí)現焊料加熱過(guò)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域(包含特定數量的 LED 芯片),而完全不加熱周?chē)鷧^域。因此,輸出一個(gè)優(yōu)質(zhì)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(huì )下降太多,否則該區域的 LED 芯片可能根本無(wú)法鍵合。與此同時(shí),矩形光斑的光束強度必須在照射區域外迅速下降。

  Coherent HighLight DL 系列半導體激光器,通過(guò)光纖耦合輸出方式,可與我們的 PH50 DL Zoom Optic 變焦光學(xué)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(xué)組件通過(guò)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(cháng)度和寬度可以獨立動(dòng)態(tài)調整。上圖中展示的光斑尺寸從 12x12 毫米到 110110 毫米不等,并有其他配置可供選擇。

  通過(guò)使用我們自己的專(zhuān)有光學(xué)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(lái)說(shuō),光束勻化是通過(guò)使用微透鏡陣列將入射激光分成許多"小光束"來(lái)實(shí)現的,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(xué)組件的另一大優(yōu)點(diǎn)是,在加工過(guò)程中可以"即時(shí)"調節,即矩形光斑的長(cháng)度和寬度都可以根據需要在大范圍內獨立調節。這種縮放功能對于制造商開(kāi)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(xué)組件以滿(mǎn)足客戶(hù)特定要求,線(xiàn)光斑的長(cháng)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(guān)鍵技術(shù),F在看來(lái),基于 Coherent 激光器的另一種工藝--LAB--將促進(jìn)高分辨率 MicroLED 顯示屏的批量生產(chǎn)。

 
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