激光輔助鍵合繞過了 MicroLED 顯示走向量產制造的一個障礙。
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化，仍然必須克服一些重大挑戰。
準分子激光為 MicroLED 發展提供動力
為了幫助理解這些挑戰來自哪里，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，分別發出紅、綠、藍三原色，但每個生長晶圓僅包含單一顏色的 LED 發光器件。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。
準分子激光已經被業界認可是前兩個主要工藝的高效方案，且兼具經濟性。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
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。回流焊的關鍵問題是加熱周期需要幾分鐘，這會在所有部件上產生大量熱負載，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。回流焊加熱爐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，經過勻化處理后，整個光斑區域的強度分布實現高度一致性。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，因此焊接過程可以快速執行，并且不會產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域內的高度一致性，以實現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域（包含特定數量的LED 芯片），而完全不加熱周圍區域。因此，輸出一個優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調整。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"來實現的，這些小光束隨后被擴展并重疊以產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點是，在加工過程中可以"即時"調節，即矩形光斑的長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發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工藝條件。當然，Coherent 也可以采用同樣方法生產固定（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。現在看來，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。
