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解決方案

Mini 和 Micro LED制程工藝技術(shù)難題,該如何解決?

來源:炬光科技2023-07-31 我要評(píng)論(0 )   

7月29日,“清華大學(xué)(機(jī)械系)-深圳市創(chuàng)鑫激光股份有限公司激光先進(jìn)制造聯(lián)合研究中心”(以下簡(jiǎn)稱“聯(lián)合研究中心 ”)揭牌儀式在李兆基科技大樓舉行。清華大學(xué)副校長(zhǎng)鄭...

LED行業(yè)的長(zhǎng)期發(fā)展邏輯符合“海茨定律”,即提高發(fā)光效率、降低成本,二者共同推動(dòng)LED行業(yè)應(yīng)用的滲透和技術(shù)的發(fā)展,這相當(dāng)于LED行業(yè)的半導(dǎo)體摩爾定律——LED的產(chǎn)量每十年增加20倍,而成本則下降到原來的十分之一。從LED行業(yè)過去30年的發(fā)展來看,高功率、小型化、全彩成為推動(dòng)LED在顯示、背光、照明等領(lǐng)域應(yīng)用的關(guān)鍵詞。


Mini LED和 Micro LED (又稱μLED) 分別指芯片尺寸小于200μm和50μm的LED。與普通LED相同,它們也是自發(fā)光的,通常應(yīng)用在不同尺寸的直接顯示領(lǐng)域,使用時(shí)每個(gè)像素都可以通過三種發(fā)光顏色的RGB LED芯片來顯示。從技術(shù)、顯示等優(yōu)勢(shì)上講,Mini 和 Micro LED繼承了LED的特點(diǎn),能耗只有LCD的10%,OLED的50%,亮度是OLED的30倍,分辨率可達(dá)1500PPI。除此之外,它還具有可靠性高、速度快、壽命長(zhǎng)、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。

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Mini 和 Micro LED與傳統(tǒng)顯示技術(shù)對(duì)比

(來自網(wǎng)絡(luò)公開資料)


預(yù)計(jì)在未來十年,隨著LED芯片的尺寸和成本的進(jìn)一步降低及工藝難點(diǎn)的逐漸突破,Mini 和 Micro LED將在背光和顯示技術(shù)方面帶來一場(chǎng)革命,極有可能是商用顯示、可穿戴設(shè)備、手機(jī)、電腦等的終極方案。

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新技術(shù)的發(fā)展,勢(shì)必帶來制程工藝和技術(shù)的不斷迭代和升級(jí)。從Mini LED發(fā)展到Micro LED的過程中,隨著單個(gè)LED芯片尺寸成倍數(shù)的縮小,其顯示效果和精度得到了不斷提升,同時(shí)相同面積下LED芯片的使用數(shù)量也成倍數(shù)增長(zhǎng)。以4K分辨率直顯產(chǎn)品為例,其擁有近830萬顯示像素,約2400萬顆LED芯片,如此巨量的芯片,在面板制造過程中,巨量轉(zhuǎn)移、巨量焊接、芯片修復(fù)和驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)都需要全新的顛覆性的工藝來解決技術(shù)難題。


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激光巨量轉(zhuǎn)移

Mini和Micro LED顯示技術(shù)主要制程工藝中首先需要解決的就是芯片巨量轉(zhuǎn)移。芯片的轉(zhuǎn)移通常包括幾個(gè)關(guān)鍵工藝步驟,包括從供體/生長(zhǎng)基板批量釋放 Micro LED 芯片、調(diào)整芯片間距尺寸、將芯片對(duì)準(zhǔn)并移動(dòng)到接收基板。傳統(tǒng)的機(jī)械轉(zhuǎn)移設(shè)備速度最高在數(shù)十顆每秒,無法滿足 Micro LED 量產(chǎn)化的需求,因此巨量轉(zhuǎn)移技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。


常用的芯片巨量轉(zhuǎn)移方式有靜電力吸附轉(zhuǎn)移、流體裝配轉(zhuǎn)移、彈性印模轉(zhuǎn)移、激光巨量轉(zhuǎn)移等。通過不斷的技術(shù)開發(fā)和迭代,激光巨量轉(zhuǎn)移被認(rèn)為是效益和效率俱佳的方案,其主要原理是利用激光器產(chǎn)生的激光與物質(zhì)相互作用,在LED基底材料吸收紫外(UV)波長(zhǎng)的光子,產(chǎn)生性狀變化后,巨量LED芯片即可從基底材料上一次性脫離。該轉(zhuǎn)移技術(shù)需要精準(zhǔn)控制激光的功率和能量密度,才能不影響芯片性能并確保轉(zhuǎn)移良率和轉(zhuǎn)移效率。


炬光科技基于產(chǎn)生光子和調(diào)控光子等基礎(chǔ)核心技術(shù),為Mini LED和 Micro LED巨量轉(zhuǎn)移提供全面的光子應(yīng)用解決方案。基于紫外(UV)波段的激光光源,通過靈活匹配客戶不同工藝需求的光學(xué)方案設(shè)計(jì),滿足激光巨量轉(zhuǎn)移過程中,對(duì)激光光斑細(xì)節(jié)指標(biāo)的定制,全面平衡工藝過程中的激光功率、激光能量均勻性和光斑大小,匹配客戶不同尺寸的量產(chǎn)產(chǎn)品和產(chǎn)能需求。

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激光巨量焊接

Mini和Micro LED顯示技術(shù)主要制程工藝中第二項(xiàng)重要工藝是巨量焊接。傳統(tǒng)的焊接方式使用回流爐,通過熔化和凝固焊料將LED芯片與電極焊接在一起。焊料固體結(jié)晶過程是一個(gè)固態(tài)——液態(tài)——固態(tài)的過程,由于LED芯片尺寸很小,在結(jié)晶過程中會(huì)發(fā)生移位,而在回流爐的整個(gè)加熱過程太長(zhǎng),且需要加熱整個(gè)基板,在回流過程中也容易發(fā)生基板變形。


激光巨量焊接作為傳統(tǒng)技術(shù)的替代技術(shù),其優(yōu)點(diǎn)為加熱時(shí)間短,焊接效果可控,芯片基本無位移,局部加熱,基板無變形。但傳統(tǒng)“點(diǎn)”光源的激光回流焊接在這一應(yīng)用中受到了巨大的挑戰(zhàn)。拿一個(gè)4K的Micro LED電視為例,其像素點(diǎn)個(gè)數(shù)為4096×2160(約830萬像素),每個(gè)像素點(diǎn)有RGB三色芯片,芯片總數(shù)約為2400萬個(gè)。如果使用點(diǎn)光源焊接,效率低到不敢想象,因此激光巨量焊接是最佳的解決方案。


什么是巨量焊接?相對(duì)于一次只能焊接一個(gè)點(diǎn)的傳統(tǒng)焊接方法來說,巨量焊接可以一次性實(shí)現(xiàn)一定面積內(nèi)所有LED芯片的焊接。利用炬光科技獨(dú)有的微光學(xué)調(diào)控光子技術(shù),巨量焊接工藝將傳統(tǒng)的“點(diǎn)”光束整形為一個(gè)大面積的勻化“面”光斑,使用勻化后的光斑對(duì)Mini 和 Micro LED焊接區(qū)域進(jìn)行加熱,實(shí)現(xiàn)勻化光斑區(qū)域照射下的LED芯片一次性焊接,達(dá)到巨量焊接的效果。

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激光芯片修復(fù)

為了提升Mini LED和 Micro LED芯片巨量轉(zhuǎn)移和巨量焊接的良品率,修復(fù)是制程中不可或缺的關(guān)鍵工藝步驟。以巨量轉(zhuǎn)移為例,轉(zhuǎn)移過程中每顆芯片的精準(zhǔn)度必須控制在正負(fù)0.5微米以內(nèi),否則就會(huì)造成良率的損失,以制造4K電視為例,即使達(dá)到99.999%的良率,仍會(huì)有260個(gè)壞點(diǎn)需要進(jìn)行修復(fù)。激光的高精度和高指向性在這里發(fā)揮了巨大的作用。通常激光芯片修復(fù)工藝中包含AOI檢測(cè)、激光去除和激光焊接修復(fù)等步驟,首先通過高精度檢測(cè)設(shè)備識(shí)別和定位芯片壞點(diǎn),然后使用高峰值能量的激光束去除壞點(diǎn)芯片,之后通過單個(gè)芯片的轉(zhuǎn)移和激光焊接修復(fù),最終完成修復(fù)壞點(diǎn)。


炬光科技基于產(chǎn)生光子和調(diào)控光子等基礎(chǔ)核心技術(shù),為Mini LED和 Micro LED芯片修復(fù)提供全面的光子應(yīng)用解決方案,如近紅外波段的極小矩形光斑激光系統(tǒng),光斑尺寸可根據(jù)客戶應(yīng)用進(jìn)行定制,最小可達(dá)50μm光斑長(zhǎng)度;同時(shí)光斑長(zhǎng)寬方向能量為平頂分布,光斑能量均勻性>97%,滿足不同尺寸LED芯片的修復(fù)需求。


炬光科技較早地識(shí)別了Mini & Micro LED的發(fā)展趨勢(shì)。從2019年開始,炬光科技率先在Mini & Micro LED巨量焊接上開始研究,近兩年又在激光巨量轉(zhuǎn)移和激光芯片修復(fù)領(lǐng)域與客戶展開合作,憑借其在半導(dǎo)體激光器以及光學(xué)整形上的技術(shù)優(yōu)勢(shì),公司經(jīng)過幾年的研發(fā)和積淀,發(fā)布了Flux H系列激光系統(tǒng),可提供分別應(yīng)用于激光巨量焊接和激光芯片修復(fù)領(lǐng)域的光子應(yīng)用解決方案。


應(yīng)用于巨量焊接的Flux H激光系統(tǒng),采用4000-10000W功率976nm波長(zhǎng)的半導(dǎo)體光纖輸出激光光源,通過炬光科技自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的光學(xué)設(shè)計(jì),從光斑長(zhǎng)度和寬度方向分別使用微光學(xué)模組進(jìn)行光斑尺寸調(diào)控和光學(xué)勻化,光斑長(zhǎng)度和寬度可實(shí)現(xiàn)從2mm到200mm分段連續(xù)可調(diào)且光斑能量均勻度>97%。

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應(yīng)用于巨量焊接的Flux H激光系統(tǒng)


應(yīng)用于激光芯片修復(fù)的Flux H激光系統(tǒng),采用30-150W功率976nm波長(zhǎng)的半導(dǎo)體光纖輸出激光光源,光斑長(zhǎng)度和寬度方向分別實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)尺寸調(diào)控(365umx105um)和光學(xué)勻化,且光斑能量均勻度>90%。

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應(yīng)用于激光芯片修復(fù)的Flux H激光系統(tǒng)


炬光科技 Flux H系列激光系統(tǒng),牢牢把握了Mini LED和 Micro LED巨量焊接、激光芯片修復(fù)工藝的以下三個(gè)關(guān)鍵點(diǎn),為Mini 和 Micro LED工藝提供了優(yōu)選解決方案。

光斑調(diào)控:炬光科技獨(dú)特的折射光學(xué)(ROE)整形技術(shù),可以讓半導(dǎo)體激光器輸出方形、線性、矩形的大光斑或精準(zhǔn)小光斑??蛻艨蛇x擇標(biāo)準(zhǔn)的光斑尺寸,也可根據(jù)實(shí)際需求定制光斑參數(shù),實(shí)現(xiàn)一次性焊接整個(gè)光斑覆蓋內(nèi)的區(qū)域,真正達(dá)到巨量焊接的目的, 或通過精確光斑尺寸進(jìn)行激光芯片修復(fù)。

均勻性:炬光科技的光場(chǎng)勻化技術(shù),光斑均勻性的上限可達(dá)99%,無零級(jí)衍射,在實(shí)際產(chǎn)品中也有>97%的光斑均勻性表現(xiàn),有效保證焊接區(qū)域內(nèi)的良率和極高的一致性。

溫控閉環(huán):溫控閉環(huán)控制可以有效地模擬高溫回流爐的控制過程,實(shí)現(xiàn)溫度曲線的編輯以及實(shí)現(xiàn)錫膏預(yù)熱-升溫-保溫-降溫-冷卻的過程。


炬光科技作為全球高功率半導(dǎo)體激光器及應(yīng)用領(lǐng)域有影響力的公司和品牌,從元器件到模塊、模組、子系統(tǒng),能夠?yàn)榭蛻袅可矶ㄖ芃ini 和 Micro LED顯示制程光子應(yīng)用解決方案。炬光科技堅(jiān)持通過技術(shù)創(chuàng)新、卓越制造和快速響應(yīng),成為光子行業(yè)全球值得信賴的合作伙伴。


作者簡(jiǎn)介:

顧維一,炬光科技泛半導(dǎo)體制程事業(yè)部副總經(jīng)理。畢業(yè)于西安工業(yè)大學(xué)電信學(xué)院,工學(xué)碩士學(xué)位,在激光應(yīng)用領(lǐng)域有超過十年的從業(yè)經(jīng)驗(yàn),專注于高功率半導(dǎo)體激光系統(tǒng)在先進(jìn)制造和泛半導(dǎo)體領(lǐng)域的產(chǎn)品和應(yīng)用開發(fā),先后主導(dǎo)了炬光科技DLight H、DLight S及Flux H系列高功率半導(dǎo)體激光系統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)。

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