用于大规模和高密度 microLED 阵列的传质技术

微型发光二极管(microLED)显示技术被视为具有颠覆性和革命性的下一代显示技术。相比于传统显示技术(液晶技术、OLED技术)，microLED显示具有响应速度快、自主发光、对比度高、使用寿命长等突出优势，因此在VR/AR、高清、柔性、穿戴式的显示领域显示出得天独厚的优势。然而，随着microLED芯片尺寸逐渐减少(1~100 μm)，microLED芯片集成也成为其产业化一大技术瓶颈，其转移速度需要上百万颗/小时、转移可靠性需要满足99.9999%，转移精度需控制在±5 μm，这种极端的工艺要求使传统的芯片集成和组装技术完全失效，因此亟需发展面向未来的大面积、高密度 microLED显示的巨量转移技术。

未来microLED显示技术的核心之一是大面积microLED芯片大规模组装和集成，其高分辨率microLED显示器由数百万个红绿蓝(RGB)三色microLED自发光元件组成，图2展示了两种简化后的microLED显示器件的集成过程。一般来说，受限于外延生长技术，很难在大面积外延片上同时生长高质量的RGB三色microLED芯片，因此microLED芯片的组装一般包括2个关键工艺步骤，即将大规模microLED芯片从生长基板上剥离(即外延剥离工艺，Epitaxial Lift-off technique)，并将其对准并放置到背板(即拾起工艺，Pick-and-place technique)。

然而，由于microLED的特征尺寸小于100 µm，其组装过程面临三大挑战：

1)数量庞大，需要极高的转移效率。对于8K显示面板，需要选择性拾取超过1亿个芯片并将其放置到接收基板上，传统的拾放技术很难达到要求，当前的倒装芯片键合设备仅可以做到~8000个/小时芯片的组装吞吐量;

2)需要极高的转移精度，一般约为MicroLED尺寸5%。例如，10 µm尺寸的MicroLED芯片的转移误差应小于0.5 µm，这远远超出了传统转移技术的精度;

3)极端的可靠性要求，即便是~0.01%的故障率也会导致数千个坏点。

综上所述，传统集成技术在效率、精度和可靠性上都很难达到要求，无法适用于microLED芯片转移组装。面对这些严峻的挑战，需要引入革命性的先进巨量转移技术。

传质技术最近取得的令人瞩目的进展已被证明是克服组装 microLED 芯片极端要求的有前途的解决方案，包括激光剥离技术、接触式 µTP 技术、激光非接触式 µTP 技术和自组装技术。

这些先进的传质技术的发展也为超大显示器、柔性电子和可见光通信应用的 microLED 显示技术提供了评估。

在国际极限制造杂志上发表的一篇新论文中，由中国华中科技大学柔性电子研究中心数字制造装备与技术国家重点实验室黄永安博士领导的研究团队，全面总结了传质技术的极端过程和应用。

这篇综述的主要目的是探讨传质技术的最新发展和 microLED 显示器的广泛应用。首先讨论了 microLED 显示器的总装过程和传质技术的关键挑战。此后，描述了在 microLED 显示器的不同生产步骤(即外延剥离技术和取放技术)中采用的各种最先进的传质策略和原理。最后，从转移机制、可靠性和成本效应方面讨论了未来的研究方向和机会。

黄永安教授(华中科技大学)对传质所需的未来研究和应用进行了展望：

“进一步深入研究界面粘附机制是必要的。工艺参数与界面反应(如粘附强度、断裂力学和芯片剥离/飞行状态)之间的本质关系无疑可以为高可靠性提供定量指导。质量转移。”

“尽管许多小面积传输方案已得到广泛验证，但进一步提高大面积传输技术的可靠性、准确性和效率仍然是一个充满机遇的领域。”

“为了实现高可靠性，芯片、转移印章和接收基板/焊料的高精度微制造/定位技术和材料制备的发展是热点。由于许多传质技术依赖于特定位置的某些特定属性/形状.例如，流体自组装技术对粘合剂有特殊要求，要求更好的流动性，组装和未组装表面之间的高粘合选择性，以及考虑后续工艺的耐酸/高温。”

“进一步探索具有成本效益的传质技术充满了挑战和机遇。可逆激光辅助μTP的发展具有重要的现实意义，可以轻松实现大规模高产制造的高通量。并行激光系统和自动化平台。”

巨量转移技术为大面积、高密度microLED阵列的异质集成提供了可能，它为下一代microLED显示和基于microLED的新型电子器件的规模化生产铺平了道路，而这是传统的芯片集成和组装技术所无法做到的。