10 000μ-LED贴放时间小于2 min

作者:CyberOptics公司总裁兼首席执行官: Subodh Kulkarni博士, Rohinni公司首席技术官: Justin Wendt

迷你(m-)和微型(μ-)LED将迎来新一代显示和专业照明技术。与目前的技术相比,这两种技术都有许多优势,包括更高的亮度、更黑的黑色、更宽的色域、更高的能源效率、抗潮湿和氧化以及没有图像老化。广泛采用m-LED和μ-LED产品的主要障碍是可制造性。两者都基于传统的LED制造工艺,但大大缩小了尺寸。传统的LED在侧面测量有1 mm或更大。而迷你LED介于1 mm和100 μm(一粒食盐)之间,微型LED介于100 μm和1 μm(一根头发的宽度)之间。与其他集成电路相比,LED的结构相对简单,制作过程也很容易理解。其中一个最大的挑战是,在大多数应用中,m-和μ-LED必须分开并分别贴放在最终产品的基片上,其贴放精度仅为LED尺寸的很小一部分,而且要以足够快的速度,以便在经济上是可行的。此外,制造商还需要有测量和检验能力,控制工艺过程、确保质量和达到产量目标。目前已有一种在大批量生产中使用的解决方案,它结合了一种新的贴放技术(Pixalux/Rohinni®),能够以大于50/s的速率贴放迷你LED,并结合了广泛用于监控贴放表面贴装技术(SMT)电子元件的3D检查和测量技术(MRS™/CyberOptics®)。

发光二极管(LED)

所有发光二极管(LED)都使用类似的发光技术。当电流流过适当材料的正向偏置二极管时,在p-n结附近,电子和空穴复合就会发光。光的波长可以从红外线到紫外线,涵盖整个可见光范围。光不是相干的或单色的(像激光),但它的波长分布相对较窄。波长由半导体材料的导带和价带的能级差决定。白色LED是通过在蓝色LED上涂覆磷光涂层制成的,这样涂层的黄色辐射与LED的蓝光结合在一起就会产生广谱白光。彩色显示器将红色、绿色和蓝色LED组合在一起,生成宽色域的颜色。传统LED和m-/μ-LED之间的一个重要区别是后者没有封装。封装为传统LED提供了保护性封装和电气连接。

应用

传统的LED无处不在。它们在很大程度上取代了家用白炽灯和荧光灯。它们广泛应用于大型户外显示器、汽车照明以及需要照明的任何地方。2021年2月,Statista报告说,世界上一半以上的光源是LED,预计到2030年,这一数字将增长到87%(https://www.statista.com/topics/1144/led-lighting-in-the-us/)。近年来,LED获得了广泛应用,主要是由于其能源效率的提高和制造成本的下降。

迷你LED在键盘和图形显示器的背光、汽车照明以及各种设计和品牌应用中都有着重要的应用。它们体积小、重量轻,大大扩展了照明设计师的选择范围。它们可以贴放在柔性基底上,以提供任何形状的照明,从头发细的线到复杂的人物和雕刻的表面。作为显示器背光,它们使笔记本电脑和移动设备更薄、更轻、更节能。多个迷你LED可贴放在通常由大型封装LED占据的空间中。这使得LED产生的热量可以扩散到更大的区域,从而使各个部件保持凉爽。这使得LED在更有效的范围内工作,并且整个产品将输出更多的流明每瓦。在显示器背光照明中,迷你LED的另一个主要优势是其对局部亮度的精细控制。传统的显示器背光设计是提供均匀的亮度,然后通过液晶显示器(LCD)过滤以产生颜色和对比度。数千个单独控制的迷你LED背光灯,允许更亮的显示与更黑的黑色和非常高的对比度。一家主要制造商刚刚宣布,为他们的顶级平板电脑推出一款高端显示器,该显示器在2 500多个区域使用了10 000个可调光的迷你LED阵列。背光显示器和键盘已经投入大批量生产。

微型LED可能提供最终的显示技术,它与迷你LED背光照明有根本的不同。在这种方法中,微型LED直接作为显示器的发射元件。通过改变由每个像素组成的红色、绿色和蓝色发光二极管的强度,就可以产生颜色和对比度,消除了LCD滤波器。每个像素可以完全关闭,以提供绝对黑色。改变RGB分量强度提供了比任何现有显示技术更宽的色域。更高的整体亮度使白天显示在全阳光下可见。与之最接近的是有机发光二极管(OLED)技术,它也是直接发光的。OLED也可以在大型基板上就地制造,大大简化了大型显示器的制造。最终,无机μ-LED可以更亮、更节能。此外,它们不受会使OLED退化的水分和氧气的影响,寿命更长,不易受到图像老化的影响。

大型、直接发光的μ-LED显示器面临着巨大的制造挑战。一个4K显示屏包含超过800万像素,需要近2 500万个单独贴放的红、绿、蓝LED子像素。寻找可行贴放方案的竞争非常激烈。这将需要重大创新,以实现必要的速度和精度,包括贴放技术以及控制和优化过程所需的检查和测量能力。至少有两家显示器制造商已经发布了集成多个较小面板的大型显示器技术,但这些技术并不适用于消费市场。手机和可穿戴设备等小型显示器的解决方案可能即将问世。另一个有前途的应用是透明的近眼显示器,它可能被用于增强现实眼镜或平视显示器。这些应用可能由单片制造工艺来实现,其中μ-LED与控制电子设备集成,而无需分离和贴放每个单独的器件。

工艺过程

LED制造(图1)从一个类似晶圆的蓝宝石衬底开始,在该衬底上使用金属有机气相外延(MOVPE)沉积多层化合物半导体材料。各层的顺序、厚度和组成至关重要,它们在整个晶圆上的均匀性也是如此。随着LED尺寸的减小,对均匀性的需求增加,这是制造m型和μ型LED的第一个挑战。最后一层铟锡氧化物是一种透明导体,用于在表面分布电流,同时允许光线逸出。与集成电路相比,该器件结构相对简单,每个LED内的唯一图案是向顶部和底部导电层提供电气触点。此时,LED可以相互分离,也可以与蓝宝石衬底分离,并贴放在产品基板上,该基板包含匹配的电气触点和控制电路。产品基板上的电气触点被焊料覆盖,对其加热形成永久连接。这本质上与表面贴装技术(SMT)相同,SMT用于将集成电路和各种电子元件固定到印刷电路板或其他基材上。

贴装

在传统的电子组装工艺中,通过拾取和贴放机器人将单独封装的元件从托盘或胶带上移动到基板上。虽然它们的移动速度看起来很快,但它们通常每秒只能贴放几个位置。这对于贴放数百个零部件的许多装配操作来说已经足够快了。但这对于下一代显示器背光上的数千个m-LED不实用,对于高清发射显示器上的数千万个μ-LED也不实用。

一种全新的贴放技术(Rohinni)每秒可以贴放100多个LED(图2和图3)。灵感的闪现导致了它的发展,它意识到传统的拾取和贴放机器人所消耗的大部分时间是由于它们必须从托盘到基板的距离,以及它们必须以非常高的精度执行复杂的运动。解决方案在于使元件非常靠近基板,并简化所需的贴放动作。为此,将携带LED的蓝宝石基板翻转到由框架支撑的柔性粘合膜上,然后移除蓝宝石基板。再次翻转薄膜框架,并将其放置在非常靠近产品基板的位置。框架可以移动,以快速将每个LED与其目标贴装位置对齐,并且键合头将LED从薄膜释放到基板上的最终位置。动作发生得比眼睛所能看到的要快。最新版本的技术通过同时运行多个键合头来提高吞吐量。

检查和测量

与任何组装过程一样,检查和测量对于控制过程和确保高产量至关重要。制造商必须测量LED贴放的准确性,并确认其功能。检验和测量技术不仅必须具有足够的精度和重复性,还必须具有足够的速度以跟上制造过程。鉴于LED贴装与SMT工艺的相似性,制造商能够采用现有技术来完成这项任务也就不足为奇了。

CyberOptics公司SQ3000™多功能检测和计量系统中的MRS传感器技术(图4),在一种称为相移轮廓形貌测量(PSP)的技术中使用结构光,以适合生产的速度提供微米级三维测量。该技术可以配置用于从微米到厘米尺度的应用。从半导体高级封装应用中的微凸点和柱凸点到大规模坐标测量机(CMM)的测量,它可以在几秒钟内完成,而不是几分钟或几小时。

相移轮廓形貌测量的工作原理是在目标物体上投射条纹图案,并从投射方向的另一个角度观察由于受物体表面高度的影响而引起的条纹变形。图5给出了PSP原理的示意图和在有高度差异的物体表面投射的条纹图案。

投射图案的强度沿条纹呈正弦变化,可以非常精确地测量相移。这些变化可以直接转化为高度差的测量。

PSP测量在某些应用中可能会遇到挑战。例如,有光泽的镜面表面(如焊接连接的表面)会产生闪烁,使相机饱和或使光线完全远离相机。在有光泽表面之间的多重镜面反射可能导致不准确的高度测量。高密度组件,尤其是靠近矮元件的较高元件,可能会遮挡相邻区域的可见性。具有大范围反射率特性的材料,需要在图像分析中进行特殊处理。

MRS传感器(图6)使用一个垂直定位的条纹投影仪、一个用于2D测量的同轴摄像机,以及围绕投影仪布置的离轴附加摄像机,从不同角度捕捉3D测量图像。数字条纹投影仪可以在一系列频率和方向上投影图像。该传感器利用不同频率的条纹图案和图像“展开”分析技术,在垂直测量中实现高分辨率和扩展范围。使用一个投影仪和多个摄像头并行采集数据,可实现高速测量。多个视图还确保相邻的高元件不会遮挡任何一个表面。MRS传感器技术每秒可获取超过1亿个3D数据点,分辨率横向可至1.5 μm,纵向可至0.025 μm。它可以一次完成2D和3D测量,被广泛应用于电子制造商使用表面贴装技术组装印刷电路板(PCB)的3D自动光学检测(AOI)。

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