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原创丨彤心未泯（学研汇 技术中心）

编辑丨风云

由无机发光二极管(LED)的微观“颗粒”或小芯片阵列构成像素的显示器（称为MicroLED显示器）已受到相当多的关注，因为它们在功耗、色彩饱和度、亮度和稳定性方面可能优于基于有机LED的商业显示器，并且没有图像烧伤问题。为了制造这些显示器，LED小芯片必须在单独的晶圆上外延生长，以获得最大的设备性能，然后转移到显示器基板上。鉴于转移所需的LED数量巨大，这种能够低成本、高吞吐量地组装数千万个单独LED的技术亟需被开发用于微发光二极体显示器的商业化。

有鉴于此，首尔国立大学Sunghoon Kwon等人展示了一个MicroLED照明面板，由超过19000个盘形GaN 小芯片组成，直径为45μm，厚度为5μm，通过简单的基于搅拌、表面张力驱动的流体自组装(FSA)技术在60秒内组装完成收率99.88%。由于小芯片的惯性较低，创建这种级别的大规模、高产量的亚100μm小芯片FSA被认为是一项重大挑战。作者克服这一困难的关键发现是，在组装溶液中添加少量poloxamer会增加其粘度，从而增加液体到小芯片的动量传递。该结果代表了 FSA在实现低成本、高产量全彩MicroLED显示器制造的最终目标方面取得了重大进展。

FSA制造MicroLED照明面板

作者展示了一个简单的、基于搅拌的小芯片FSA的实验过程。首先，蓝宝石基板上的结合位点由图案化为圆形的金层限定，在其上通过浸焊形成熔融焊料凸点。将基底和底表面具有Au层的GaN MicroLED小芯片浸入水基液体中后，手动搅拌以引起焊料凸块和Au层之间的接触。为了最大限度地提高组装产量，将液体加热到88°C以保持焊料凸块熔化，以获得大量（大约300万）小芯片，并添加少量乙酸到液体中，以防止小芯片和焊料凸块上形成金属氧化物。

图  FSA制造MicroLED照明面板 

组装机制差异

首先应用基于搅拌的FSA来组装边长为150μm的立方硅小芯片，并实现了超过89%的良率。然而，当小芯片尺寸减小时，得到了明显不同的结果。组装成品率是由于引起小芯片相对于基板的速度的机制的变化造成的。随着小芯片尺寸的减小，导致较大小芯片以足够的冲击力与基板碰撞的惯性力实际上变得越来越小。通过在组装溶液中添加聚合物以增加粘度，实现了组装产率的显着提高。进一步地，组装溶液的粘度是确定组装产率的一个重要因素。

图  组装机制的差异及其对组装良率的影响

MicroLED照明面板

作者展示了FSA制造的MicroLED照明面板的结构。MicroLED 面板的制造是通过形成垂直于底部电极线的互连金顶部电极线来完成的。

将小芯片设计为圆形以防止基板和小芯片之间的旋转未对准，通过调整小芯片底面上的金焊盘直径和圆形开口的直径，防止在单个结合位点上组装多个小芯片。作者详细显示了小芯片制造过程。

图  通过简单的基于搅拌的FSA工艺制造的MicroLED照明面板

基于搅拌的FSA工艺的FR与小芯片质量的比较

作者FSA实验的故障率(FR)值与之前演示的基于搅拌的FSA过程进行了比较。除了与添加poloxamer的FSA相对应的数据点外，这些数据点共同显示出随着小芯片质量的减少，FR呈增加趋势。实验结果清楚地证明了表面张力驱动的FSA的独特属性，并表明该技术的对准精度对于中型和大型显示应用来说都足够高。

图  基于搅拌的 FSA 工艺的FR与小芯片质量的比较

参考文献：

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