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Coherent高意:激光再次拯救MicroLED 顯示

2024-06-27 18:23 來源:中國企業(yè)網(wǎng) 次閱讀
 
Coherent高意:激光再次拯救MicroLED 顯示

  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、更長的使用壽命、更高的亮度和更好的色彩精準(zhǔn)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(shè)計(jì),而無需專門采購新設(shè)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(zhǔn)度等。

  盡管有上述諸多優(yōu)點(diǎn),但目前 microLED 尚未普及。這是因?yàn)槠渲圃旃に囃ǔ1绕渌@示技術(shù)更復(fù)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(zhàn)。
  準(zhǔn)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(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(lán)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(zhǔn)分子激光透過透明基板聚焦并將 LED 與其分離。3) LIFT:準(zhǔn)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(zhuǎn)移到最終基板上的焊盤位置。4) LAB:半導(dǎo)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(dǎo)體器件一樣,LED 最初是在晶圓上做外延生長的,通常采用藍(lán)寶石基板。MicroLED 顯示的每個像素都需要獨(dú)立的LED,分別發(fā)出紅、綠、藍(lán)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(dú)的裸芯片,然后按照必要的設(shè)計(jì)圖案排列在一起,以形成最終的顯示屏。
  準(zhǔn)分子激光已經(jīng)被業(yè)界認(rèn)可是前兩個主要工藝的高效方案,且兼具經(jīng)濟(jì)性。其中,激光剝離技術(shù)(LLO)首先將單顆LED 芯片從藍(lán)寶石晶圓上分離出來,并將其轉(zhuǎn)移到臨時載板上。
  接下來,激光誘導(dǎo)前向轉(zhuǎn)移(LIFT)被用作“巨量轉(zhuǎn)移”。此工藝將LED 芯片從臨時載板轉(zhuǎn)移到最終顯示基板。很重要的是,巨量轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(diǎn)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(yù)設(shè)的電氣連接點(diǎn)上。然后,使用LIFT 轉(zhuǎn)移設(shè)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(jī)械連接。這是整個電子材料行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)組裝技術(shù)。
  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(guān)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(fù)載,并可能導(dǎo)致部件變形、引入熱機(jī)械應(yīng)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(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(fù)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(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(dǎo)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(qiáng)度分布實(shí)現(xiàn)高度一致性。矩形光斑尺寸因應(yīng)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(dǎo)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(fù)面結(jié)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(jìn) LAB 的更好激光器
  就激光而言,LAB 的一個關(guān)鍵且必要的要求是光束強(qiáng)度在整體區(qū)域內(nèi)的高度一致性,以實(shí)現(xiàn)焊料加熱過程的一致和均勻,并獲得一致的鍵合結(jié)果。其目標(biāo)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(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(qiáng)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(qiáng)度必須在照射區(qū)域外迅速下降。
  Coherent HighLight DL 系列半導(dǎo)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(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)組件通過光纖耦合方式,將 Hilight DL 系列半導(dǎo)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(dú)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(xué)設(shè)計(jì),上述組合可提供比任何競品更好的光束強(qiáng)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(shí)現(xiàn)的,這些小光束隨后被擴(kuò)展并重疊以產(chǎn)生高度一致的強(qiáng)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(dú)立調(diào)節(jié)。這種縮放功能對于制造商開發(fā)和驗(yàn)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(dāng)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(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。現(xiàn)在看來,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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