MicroLED巨量转移技术专利分析

BOE知识酷 2022-11-30 12:09

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Micro LED是指将微米量级尺寸的发光二极管(LED),批量转移到基板上,再利用物理沉积完成保护层和电极,最后封装完成,使得LED以矩阵形式高密度集成在一个芯片上,实现显示功能。


Micro LED显示具有自发光、 高效率、低功耗、高集成度、高稳定性等诸多优点,且体积小、灵活性高、易于拆解与合并,能够应用于现有从小尺寸到大尺寸的任何显示应用场合中。图1所示为LCD、OLED 和 Micro LED显示基板的区别。


LCD、OLED 和 Micro LED显示基板的区别


传统的LED在封装环节,主要采用真空吸取的方式进行转移。但由于真空管在物理极限下只能做到大约80μm,而Micro LED的尺寸基本小于50μm,所以真空吸附的方式在Micro LED时代不再适用。


根据不同应用的显示面板尺寸的不同,显示器的制备可分为单片制造技术和巨量转移技术。


  单片制造技术


单片制造技术是指Micro LED直接在Si、GaN或者Sapphire等基底上制作高解析度显示器,将LED键结于终端显示基板上,最后用物理或化学机制剥离基板。这种方式避免了复杂的巨量转移过程,但也只限于构建较小的显示器,如近眼显示器、智慧手表等微显示器,限制了Micro LED的应用场景。


另外,每种制程只能在基板上生长一种颜色的LED芯片,故这种单片制造技术无法解决RGB全彩显示。近年研究提出的量子点全彩显示,采用单个紫外Micro LED发出的光激发其上层覆盖的红绿蓝三色发光介质,从而实现全彩化,这种彩色化替代技术在未来发展中可能会填补单片制造在全彩化方面的局限性。


  巨量转移技术


还有一种制造技术是巨量转移,在源基板上生长LED晶片,然后将LED从源基板上分离并通过某种作用力将晶片快速、准确且可靠地转移到显示电子器件上。对于手机、平板和电视等更广泛的显示应用场合,在衬底上制作完成后从基板上进行分离,不可避免地需要通过巨量转移的方式将Micro LED晶片在更大尺寸且带有逻辑电路的基板上进行组装,从而满足应用需求。然而由于每次转移的晶片尺寸极小、数量巨大,对转移制程的精确性和速率要求非常高,成为当前制约Micro LED量产的关键技术。


不同的公司在面对巨量转移的技术难题时,已经提出了多种解决方案,我们来看一下不同公司在不同年份的巨量转移技术都有哪些。


  Micro LED巨量转移技术



在2009年以前还没有出现针对Micro LED的巨量转移的专利,但已经出现了转移或转印的专利存在,并且Micro LED的专利也已经出现,如CREE公司于2010年提出的US6410942B1专利,已经将微型LED直径可以限定在1-50微米;株式会社理光于2007年提出CN100578378C的使用转印带进行转移的技术;佳能于2018年提出的CN101681095A涉及到图案形成方法,使用反转图形的模具的技术;Ricoh于2003年提出的JP4322077B2涉及到转印设备;


在2011年三星显示提出的KR101244926B1专利中,提到了将纳米或微米级别的超小型LED以墨水或浆糊的形式被转移或添加到子像素中的技术方案,之后每年都会有大量的关于Micro LED巨量转移的专利涌现,涉及到使用中间载体基板的转移、静电转移(苹果公司),激光转移技术(歌尔),压敏材料键合分离技术(英特尔),加热、液体刺激、改变微结构或光照改变粘附性的分离技术(脸谱科技),滚筒式巨量转移(华星光电),多个转移条或者选择性的转移(京东方),使用电信号进行寻址转移(武汉大学)和使用不同的磁场进行转移(乾照光电),不同的创新主体提出了不同的巨量转移的方法,并对所对应的方法布局多个专利,以对不同的方法进一步的完善、补充。


从巨量转移的技术来看,在2014年以前,专利基本在国外半导体器件的巨头手中,如科锐、佳能、LG、三星、苹果,并能够开拓性的提出面对巨量转移的问题时的一些解决方案,到2015年之后,随着歌尔、华星光电、京东方等国内企业的发展,针对micro LED的巨量转移技术提出了一些新的思路,或对之前技术的补充发展,或进行新的尝试,形成新的解决方案。


综上可以看出,巨量转移已发展出多种技术流派,尽管基于不同的原理,但都需要将晶片从源生长基板分离,然后通过某种作用方式选择性地将Micro LED晶片放置到目标基板上。其中,基板分离是通过机械应力、化学腐蚀或激光作用等方式,对源基板进行整体式批量处理,以便于后续的取放制程。而晶片取放制程是巨量转移技术中最重要的环节,从制程角度来讲,如何实现高精度且选择性地批量拾取、放置是各技术流派的核心内容。


总体而言,Micro LED显示技术仍属于起步阶段,巨量转移制约瓶颈使得其尚未能够大规模商业化发展。其未来的应用有两个方向,一个是小尺寸、超高解析度的方向;另一个是大尺寸巨型电视的方向。而小尺寸显示应用如穿戴式手表等领域由于转移数量少,难度相对较低,是当前最容易实现的应用Micro LED显示的领域;而中大尺寸应用如电视等领域的决定因素在于成本,即低成本前提下满足大批量、高速率转移,这一技术当前还需突破,目前商业化的可能性还比较低。


来源:江苏第三代半导体研究院
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