微型LED组装技术

作者:吴懿平 博士 武汉光电国家实验室 教授

引言

微型LED(Micro LED)是借助微纳制造方法在同一发光二极管单元区域上高密度分隔成的微小尺寸LED的单元器件与二维阵列器件,或者是将微小的单元LED器件高密度集成封装成的芯片模组,其Micro LED的单元尺寸为几微米到几十微米之间。Micro LED作为一种全固态主动发光器件,拥有工作电压低、发光效率高、响应速度快、工作温度范围宽、寿命长,在极端条件如高或低温、湿度和不稳定环境下也能稳定可靠工作,应用前景无可限量。Micro LED显示阵列的低功耗、高亮度等优点,非常适用于小型化的高清LED显示屏,具有制造可弯曲的micro-LED屏的潜力,成为可弯曲的AMOLED屏幕潜在的替代者。各种无线产品和便携式移动通信的迅速发展,迫切需要高亮度、高清晰度、低功耗、小体积的终端显示产品,传统显示技术制造的笨重的显示器件显然不能满足市场的需求,因此Micro LED显示器件备受重视。Micro LED显示系统的设计简单、高光利用效率、日光下良好的可见度等优势使Micro LED阵列器件尤其在移动产品与可穿戴式电子产品应用领域获得多样化应用。

Micro LED也可用于光通信领域。Micro LED阵列器件的多量子阱结构保证了发射光波长范围很窄约25 nm,有高的色纯度和色保真度,作为数据通信的光源,可以提高系统响应速率和抗干扰性。同时也能用于光电传感器和光电数据编码器等,比之前机械式编码器有着更高的响应速度,且可靠性能高,错码率低,精度高,坚固耐用。

另外,Micro LED还可用于生物医学领域。有报道称,采用GaAs基Micro LED微阵列器件可以从透射光强的变化来检测葡萄糖浓度。而经微结构转移技术集成封装的GaN基Micro LED阵列器件也已用于前列腺特异性抗原(Prostate-Specific Antigen, PSA)的生物医学检测。

总之,以Micro LED为基础的阵列器件或者微组装的模组已日渐应用于户内外全彩色显示、穿戴式全彩色显示、光通讯和生物医学等领域。

LED的微型化与集成化历程

自1998年德国亚琛工业大学在AlGaInP材料上采用ICP刻蚀技术制作出微结构以来,Micro LED的研究开始受到越来越多的关注。

2000年美国科瑞公司(CREE)就申请了名为(Micro LED arrays with enhanced light extraction)的专利(见图1)。

2001年,美国堪萨斯州立大学研制出具有10×10的蓝色LED阵列。这种方法将构成LED阵列的多个LED单元以半导体集成工艺方法制作于同一衬底上,可以显著缩小LED单元尺寸和阵列尺寸,进而缩小整个微显示器件的尺寸,并且还可以节省LED阵列的制作成本。

2004年英国斯特拉思克莱德大学(University of Strathclyde)光子学研究院研制出一种矩阵寻址的微型InGaN-LED阵列。该团队利用多功能ICP刻蚀系统,用SiO2、光刻胶或金属作为掩膜层,利用ICP刻蚀制作出倒梯形的隔离沟槽,制作出具有良好光学特性及电学隔离的LED阵列。他们通过改变各种刻蚀工艺参数来控制侧壁的倾斜度,实现了各向异性的刻蚀要求,又不需要化学机械抛光,一致性和均匀性都很高。图2为该工艺制作的像素为128×96的微显示阵列。

2006年,德国的Oliver Kückmann等人提出了一种新型封装方法,将LED单元芯片封装成一个整体,得到高亮度的LED阵列。该研究小组将尺寸为1 mm2的LED芯片以100 μm的间距排列,封装密度约80只/cm2,在350 mA的电流下光功率为13 W/cm2,相比于传统封装的光功率1.3 W/cm2的LED阵列,提高了10倍。采用这种新型封装工艺制作出的LED阵列不仅具有更高的光功率密度,而且散热好,受热效应影响小。

2008年,帝国大学的V Poher研究团队研制出一种64×64的蓝色LED微型阵列并将其用于二维神经元的刺激模拟。这种LED微型阵列的像素尺寸在微米量级,基本都满足用以刺激模拟细胞所需的各种条件,同时可以通过单独寻址的方法实现各个发光单元的驱动。图3为64×64的蓝色LED阵列。这种微型阵列器件还能用于微显示和显微镜系统。

2009年,美国伊利诺大学开发了一种新的LED制程,结合了无机LED明亮持久和有机LED轻薄柔软的优点,制作出柔性微型LED显示器。他们采用特制的AlInGaP-LED外延片,该外延片以n-GaAs为衬底,包括n-AlGaAs作为牺牲层。运用光刻、干法刻蚀、纳米压印等微纳工艺制作出像素尺寸为50 μm×50 μm的LED阵列器件,并将其放置在玻璃、塑料或橡胶等基底上。图4为包覆在指甲上的16×16LED柔性显示阵列。

2011年,美国德克萨斯科学技术大学(Texas Tech of University)的研究小组在GaN基材料上制作出640×480个像素单元的微显示集成LED阵列。该研究小组采用倒装方式,通过金属In将LED单元与Si基COMS集成电路进行键合,实现了单个像素的独立驱动,且像素大小仅为12 μm×12 μm,像素间距仅为3 μm。

2012年,Sony公司推出了名为Crystal LED Display的产品。这是消费者第一次看到使用Micro LED生产的55寸全高清大屏幕。无论是对比度还是色域,都非常出色。但是太贵了,因此产能很低。然而这已经是非常接近商业化量产的大屏幕了。

实际上,学术界对Micro LED的研究一直在持续。但在苹果公司2014年收购LuxVue之前只有很少人知道和从事Micro LED及其显示阵列领域的研究,而现在已经有很多人开始讨论这项技术。表1给出2009年Luxvue成立以来有关Micro LED的发展历程。

可以说苹果和索尼同时选择了Micro LED,一个致力于往小尺寸显示方向发展,另一个则往大尺寸屏幕方向发展。两个巨人公司看似走了完全不同的方向,但其面临的技术挑战是一样的:高的PPI(每英寸像素数量)和大的Pixel数量(像素的总数量)。PPI对应着LED单元的尺寸,而Pixel则对应着成品良率。既要把Micro LED单元芯片做得更小,又要精准地将Micro LED单元芯片批量转移、在电驱动下发光,可见其制造难度之所在。在Micro LED尺度下的批量对位封装已经不可能再通过传统的机械拾取与贴片的方式来实现了。

尽管可以直接在衬底上大规模集成Micro LED阵列结构,或制造更小尺寸的Micor LED单元芯片,但是这种直接集成的阵列显示器件暂时还找不到大规模的应用领域,因为这种近乎100%发光面积LED集成阵列芯片的PPI太高了(>>500),且最大芯片面积突破不了LED晶圆尺寸的限制,因此毫无竞争优势。一般地,可穿戴显示产品的PPI在200~300之间,而大屏幕显示的PPI值大致为15~50,且发光源面积仅占显示面板的1%~10%。

自LuxVue被苹果收购之后,VerLASE公司宣布获取突破性的色彩转换技术专利,这种技术能够让全彩Micro LED阵列适用于近眼显示器。Leti推出了iLED matrix,其蓝光EQE 9.5%,亮度可达107 Cd/m2;绿光EQE 5.9%,亮度可达108 Cd/m2,采用量子点实现全彩显示,阵列间距只有10 μm,未来目标做到1 μm。Leti近程计划从smart lighting应用切入,10年内切入到大尺寸显示屏的应用。台湾Play Nitride公布的同样以氮化镓为基础的PixeLEDTM display技术,通过移转技术转移至面板,转移良率可达99%!

由此可见,Micro LED技术已经由市场和工业界大力推动,其发展速度迅猛。

Micro LED的巨量转移

Micro LED转移技术分析

其实Micro LED的核心技术是微米尺寸的LED单元器件的批量转运技术,而不是制作Micro LED单元芯片这个技术本身。由于晶格匹配的原因,LED微器件必须先在蓝宝石类的基板上通过分子束外延生长出来。而做成显示器,必须要把LED发光微器件转移到大面积的基板上。由于制作LED微器件的蓝宝石基板尺寸基本上就是硅晶元的尺寸,而制作显示器则是尺寸大得多的玻璃基板或其他柔性基板,因此必然需要进行Micro LED微芯片的多次大批量的转运。

对于微器件的多次批量转运,其技术难度是特别高的,而用在追求高精度显示器的产品上难度就更大。通过此前苹果公司收购Luxvue后公布的专利列表也已看出,大多都是采用非机械拾取方式完成转运过程,这才是Luxvue的关键核心技术。

传统的LED例如3030的封装体其光源尺寸达3 000 μm,因此可借由SMT设备即可达到贴片转移;当光源尺寸在100 μm时,也可借由固晶机(Die Bonder)实现芯片从蓝膜上转移至基板或支架上;当光源尺寸不断地缩小至10 μm时,所有的机械方法均很难实现芯片的转移(Pick & Place)。………………….

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