激光輔助鍵合繞過(guò)了 MicroLED 顯示走向量產(chǎn)制造的一個(gè)障礙。

MicroLED 顯示作為L(zhǎng)ED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(shì)，包括提升的能耗效率、更長(zhǎng)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(wú)需專(zhuān)門(mén)采購(gòu)新設(shè)備。

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(dòng)力

為了幫助理解這些挑戰(zhàn)來(lái)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(cè)試步驟和"老化"工藝。大型顯示器通過(guò)組合多個(gè)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。 

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(zhǎng)的，通常采用藍(lán)寶石基板。MicroLED 顯示的每個(gè)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(gè)生長(zhǎng)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(gè)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(lái)，并將其轉(zhuǎn)移到臨時(shí)載板上。

接下來(lái)，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(shí)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(guò)鍵合工藝將其電氣連接到基板上。否則，顯示屏無(wú)法點(diǎn)亮，并且在移動(dòng)時(shí) LED 芯片會(huì)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?chē)鲃?dòng)，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(gè)電子材料行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)組裝技術(shù)。 

最常見(jiàn)的熔化焊料的方法稱(chēng)為"批量回流焊"（MR），其工藝過(guò)程中，將包含焊球和芯片的整個(gè)基板組件放入烤箱中，通過(guò)循環(huán)溫度以熔化焊料，然后重新冷卻。 

但批量回流焊對(duì)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(wèn)題是加熱周期需要幾分鐘，這會(huì)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(dòng) LED 芯片在基板上的位置?；亓骱讣訜釥t中的較長(zhǎng)處理時(shí)間則增加了電氣連接不良的風(fēng)險(xiǎn)。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(xiǎn)。 熱壓鍵合在施加熱量的同時(shí)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(gè)復(fù)雜的噴嘴，該噴嘴是針對(duì)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(wàn)顆 LED 芯片來(lái)制作一個(gè)顯示屏，這使得熱壓鍵合工藝不太適合。 

激光輔助鍵合

激光輔助鍵合（LAB）解決了所有這些問(wèn)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(guò)勻化處理后，整個(gè)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(wàn)顆 LED。

在 LAB 工藝期間，激光器的開(kāi)啟時(shí)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(shí)間極短，LAB 不會(huì)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(guò)程可以快速執(zhí)行，并且不會(huì)產(chǎn)生任何明顯的負(fù)面結(jié)果。LAB 的周期時(shí)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(gè)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(guò)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?chē)鷧^(qū)域。因此，輸出一個(gè)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(huì)下降太多，否則該區(qū)域的 LED 芯片可能根本無(wú)法鍵合。與此同時(shí)，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(guò)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。

通過(guò)使用我們自己的專(zhuān)有光學(xué)設(shè)計(jì)，上述組合可提供比任何競(jìng)品更好的光束強(qiáng)度一致性。具體來(lái)說(shuō)，光束勻化是通過(guò)使用微透鏡陣列將入射激光分成許多"小光束"來(lái)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(guò)程中可以"即時(shí)"調(diào)節(jié)，即矩形光斑的長(zhǎng)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(duì)于制造商開(kāi)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(mǎn)足客戶(hù)特定要求，線光斑的長(zhǎng)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)?，F(xiàn)在看來(lái)，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)。