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原創丨彤心未泯（學研匯 技術中心）
編輯丨風云
由無機發光二極管(LED)的微觀“顆粒”或小芯片陣列構成像素的顯示器（稱為MicroLED顯示器）已受到相當多的關注，因為它們在功耗、色彩飽和度、亮度和穩定性方面可能優于基于有機LED的商業顯示器，并且沒有圖像燒傷問題。為了制造這些顯示器，LED小芯片必須在單獨的晶圓上外延生長，以獲得最大的設備性能，然后轉移到顯示器基板上。鑒于轉移所需的LED數量巨大，這種能夠低成本、高吞吐量地組裝數千萬個單獨LED的技術亟需被開發用于微發光二極體顯示器的商業化。
有鑒于此，首爾國立大學Sunghoon Kwon等人展示了一個MicroLED照明面板，由超過19000個盤形GaN 小芯片組成，直徑為45μm，厚度為5μm，通過簡單的基于攪拌、表面張力驅動的流體自組裝(FSA)技術在60秒內組裝完成收率99.88%。由于小芯片的慣性較低，創建這種級別的大規模、高產量的亞100μm小芯片FSA被認為是一項重大挑戰。作者克服這一困難的關鍵發現是，在組裝溶液中添加少量poloxamer會增加其粘度，從而增加液體到小芯片的動量傳遞。該結果代表了 FSA在實現低成本、高產量全彩MicroLED顯示器制造的最終目標方面取得了重大進展。
FSA制造MicroLED照明面板
作者展示了一個簡單的、基于攪拌的小芯片FSA的實驗過程。首先，藍寶石基板上的結合位點由圖案化為圓形的金層限定，在其上通過浸焊形成熔融焊料凸點。將基底和底表面具有Au層的GaN MicroLED小芯片浸入水基液體中后，手動攪拌以引起焊料凸塊和Au層之間的接觸。為了最大限度地提高組裝產量，將液體加熱到88°C以保持焊料凸塊熔化，以獲得大量（大約300萬）小芯片，并添加少量乙酸到液體中，以防止小芯片和焊料凸塊上形成金屬氧化物。
圖 FSA制造MicroLED照明面板
組裝機制差異
首先應用基于攪拌的FSA來組裝邊長為150μm的立方硅小芯片，并實現了超過89%的良率。然而，當小芯片尺寸減小時，得到了明顯不同的結果。組裝成品率是由于引起小芯片相對于基板的速度的機制的變化造成的。隨著小芯片尺寸的減小，導致較大小芯片以足夠的沖擊力與基板碰撞的慣性力實際上變得越來越小。通過在組裝溶液中添加聚合物以增加粘度，實現了組裝產率的顯著提高。進一步地，組裝溶液的粘度是確定組裝產率的一個重要因素。
圖 組裝機制的差異及其對組裝良率的影響
MicroLED照明面板
作者展示了FSA制造的MicroLED照明面板的結構。MicroLED 面板的制造是通過形成垂直于底部電極線的互連金頂部電極線來完成的。
將小芯片設計為圓形以防止基板和小芯片之間的旋轉未對準，通過調整小芯片底面上的金焊盤直徑和圓形開口的直徑，防止在單個結合位點上組裝多個小芯片。作者詳細顯示了小芯片制造過程。
圖 通過簡單的基于攪拌的FSA工藝制造的MicroLED照明面板
基于攪拌的FSA工藝的FR與小芯片質量的比較
作者FSA實驗的故障率(FR)值與之前演示的基于攪拌的FSA過程進行了比較。除了與添加poloxamer的FSA相對應的數據點外，這些數據點共同顯示出隨著小芯片質量的減少，FR呈增加趨勢。實驗結果清楚地證明了表面張力驅動的FSA的獨特屬性，并表明該技術的對準精度對于中型和大型顯示應用來說都足夠高。
圖 基于攪拌的 FSA 工藝的FR與小芯片質量的比較
參考文獻：
Lee, D., Cho, S., Park, C. et al. Fluidic self-assembly for MicroLED displays by controlled viscosity. Nature (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06167-5
