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专利赏析-MicroLED-利用可选的表面附着力转印元件的转印基材

MicroLED.cn 技术文章 2021-04-15 00:07:21 10466 0 | 文章出自:美国国家专利商标局 MicroLED

详细说明
本公开涉及物体的操纵和组装,并且在一些实施例中涉及经由转移基板的微型物体的大规模组装。一些电子设备是通过将小物体彼此机械叠加而制成的。尽管有时会使用晶圆形成技术(例如层沉积,掩膜和蚀刻)来制造微电子和微光学组件,但某些类型的材料彼此之间的生长不兼容。在这种情况下,组装可以包括在第一基板上形成一类器件并且在第二基板上形成第二类器件,然后例如经由倒装芯片或转移印刷技术将它们机械地结合。

专利赏析-MicroLED-利用可选的表面附着力转印元件的转印基材  第1张

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本文描述的方面涉及一种系统,该系统能够将大量的微物体(例如,颗粒/小芯片/微型LED或微型LED芯片)从供体基板并行转移到另一个基板,同时保持单个微镜的高位置配准。对象。该系统允许从转移基板选择性地转移微物体,并选择性地将微物体放置到目的地或目标基板。该系统可用于组装诸如microLED显示器之类的设备。

通常,microLED显示器是由形成各个传输元件的微观LED阵列制成的。与OLED一起,microLED主要针对小型,低能耗的移动设备。OLED和microLED与传统的LCD系统相比,可大大降低能耗。与OLED不同,microLED基于传统的GaN LED技术,与OLED相比,它提供了更高的总亮度,并且每单位功率发出的光的效率更高。它也不会遭受OLED较短寿命的困扰。

使用microLED的单个4K电视具有约2500万个小的LED子像素,然后需要对其进行组装。小芯片的传质是可用于microLED制造的一种技术。快速,准确,高产量地将microLED传输至目标背板将是制造商需要完善的技术之一,以实现microLED将成为可行的大众市场产品。下述技术可用于microLED制造以及其他组装程序,在这些程序中,大量(通常)小物体需要立即移动,并且可能有必要选择性地将这种设备的子集移动到和/或来自传输媒体。这样的微物体可以包括但不限于油墨,预沉积的金属膜,硅芯片,集成电路芯片,小珠, microLED管芯,微机电系统(MEMS)结构以及任何其他预制的微结构。

能够以任意模式选择性地转移小芯片,对于促进有效转移过程,像素修复, microLED的孔/空位重新填充非常有用显示器制造,这将导致高工艺良率。对于这种类型的应用,已经使用弹性体印模确定性地转移微型LED芯片。然而,弹性体印模具有固定的图案,并且不能转印小芯片的任意图案。不可避免地,小芯片的某些子集将是有缺陷的,因此变得难以使用这样的印章来替换其中的少数几个。

在图。参照图1和图2,框图示出了根据示例实施例的可以使用设备,系统和方法来实现的组装过程的示例。在图 参照图1,示出了供体晶片/衬底100,其包括可能已经生长或放置在衬底100上的小芯片101的阵列。阵列101中的阴影小芯片已经被识别为有缺陷的,并且当小芯片被转移到晶片100上时。在目标衬底102上,仅转移小芯片阵列的子集101a,即没有阴影的好小芯片。这可以通过如图2所示的转移基板200来实现。如图2所示,一旦识别出子集101a,就可以选择性地从供体衬底100拾取子集101a。如图1所示。参照图2,转移基板202随后拾取第二组小芯片200(例如,来自不同的供体基质)。芯片组200内的小芯片的位置对应于第一供体衬底100上的有缺陷的芯片小芯片的位置。转移衬底202将该芯片组200移动到目标衬底102,导致全套的工作芯片201位于其上。目标基板102。

本公开尤其涉及一种具有一组转移元件(例如,转移像素)的转移基板,该转移元件可以选择性地保持微对象的子集。因此,即使当所有传递元件与大于子集的微对象阵列接触时,也仅子集将被粘附并被传递,并且子集外部的对象将被留下或不受影响。类似地,转移基底可能能够选择性地释放当前附着在基底上的微小物体的子集,从而即使所有转移元件当前都保持着微小物体,也仅该子集被转移到目标。该过程是可重复的和可逆的,从而不需要永久性粘合来影响物体的选择性保持或释放。

在图 参照图3,侧视图示出了根据示例实施例的设备300的细节。该设备包括具有两个或更多个转移元件304的转移基板302。每个转移元件304包括粘附元件306,该粘附元件306在第一温度下具有第一表面粘附力并且在第二温度下具有第二表面粘附力。第二表面粘附力小于第一表面粘附力。每个传递元件304还包括热元件308,该热元件可操作以响应于例如经由输入310的输入而改变粘附元件306的温度。控制器312被耦合以将输入310提供给热元件308,

装置300可以是微转移系统的一部分,该系统是用于将微物体(例如,1μm至1mm)从转移基板302转移至目标基板316的系统。粘附元件306可以由包含丙烯酸硬脂基酯(SA)的聚合物形成。在这种情况下,第一温度和第二温度之间的差可以小于20度。C.(第二温度低于第一温度)以调节粘附元件306的粘性,使得表面粘附力有明显的差异。将理解的是,某些材料在相对较高的温度下可能失去表面粘附力。在这种情况下,本文描述的方法和设备可以被配置为使得第二温度大于第一温度。

热元件308可包括加热元件和冷却元件之一或两者。输入310可以包括电信号和/或激光。输入310可以被配置为(例如,使用矩阵电路),使得去往控制器312的线少于转移元件304的总数。转移元件304可以进一步包括在粘附元件306之间的热绝缘体309。绝缘体309有助于防止热量传递到基板302,从而减少影响粘合元件306处的温度变化所需的能量并减少响应时间。

通常,转印元件304形成中间转印表面,该中间转印表面的粘性可以根据温度而被调节(例如,可以从刚性变为粘性)。这样的表面可以用于以受控和可选择的方式拾取和释放微对象组。每个传递元件304可具有从几微米到几百微米的横向尺寸W。每个转移元件304可具有从小于一微米到几百微米的总厚度T。转移阵列的节距可以在几微米到几毫米之间变化。在一些实施例中,热元件308和绝缘层309是不物理上彼此隔离的连续层。这样,转印元件“像素” 是可以单独处理和控制加热/冷却元件的区域(请参见图6)。基板302的材料可以包括但不限于玻璃,石英,硅,聚合物和碳化硅。基板302的厚度可以在几十微米到几毫米的范围内,而横向尺寸可以在几毫米到一米的范围内。

注意,尽管示出的实施例示出了两个或更多个转移元件304,但是在某些情况下,可以使用单个转移元件。例如,单个传递元件304可以是放置在机械臂末端的操纵器的一部分。在这样的配置中,单个转移元件304可以用于拾取物体,而无需使用钳子,真空,磁性等。在其他配置中,一个或多个转移元件可以被放置在钳子或其他保持物的端部。附件,以帮助握持,而不必在被握持的物体上施加过大的压力。与其他实施例一样,热敏元件可在保持操作期间增加表面粘附力,并在释放操作期间降低表面粘附力。

已经研究了包含丙烯酸硬脂酯(SA)的相变聚合物作为用于粘附元件的双稳态电活性聚合物(BSEP)。BSEP聚合物是低于其玻璃化转变温度(Tg)的刚性聚合物。高于Tg,它变成弹性体,其表现出大的断裂伸长率和高的介电场强度。可以在Tg以上进行电驱动,而橡胶状BSEP则可以作为介电弹性体。当将聚合物冷却到Tg以下时,变形被锁定。当将聚合物重新加热到高于Tg时,形状变化可以逆转。

由于基于硬脂基部分的结晶态和熔融态之间的急剧的相变,已经研究了基于丙烯酸硬脂基酯(丙烯酸十八烷基酯,SA)的形状记忆聚合物。硬脂基部分的结晶聚集体的突然和可逆的相变导致在温度循环期间聚合物的刚性态和橡胶态之间的快速转变。SA的转变通常低于50.degree。C.小于10度的狭窄相变温度范围。C.因此,SA是赋予尖锐的刚性到橡胶过渡的理想组分。还发现材料的这种从刚性到橡胶的急剧转变对应于从非粘性到粘性的急剧的表面转变。已经进行了一些初步实验以验证该特性。

在一个实验中,将派热克斯烧瓶底部在室温下压在派热克斯培养皿中的SA聚合物上。在室温下,派热克斯培养皿无法拾取,并且聚合物的表面完全不发粘。当聚合物的温度升至约65℃时。C.,表面显示出很强的粘性,结果可以用烧瓶捡拾耐热玻璃盘。该实验是可重复的,并且发现粘附转换是可逆的。如图2的曲线图所示,还已经在不同温度下测试了粘性,并且发现向该温度的粘性转变非常尖锐。10.此特性可用于微粒组装的拾放机,墨水和色调转移的转移打印系统中,或用于微芯片组装的微型组装工具中。microLED显示器。室温附近粘性的急剧转变使系统可以最小化用于加热/冷却聚合物以切换粘合力的能量。

粘附元件306可以由包括但不限于丙烯酸硬脂基酯(丙烯酸十八烷基酯,SA)的聚合物,丙烯酸硬脂基酯和氨基甲酸酯二丙烯酸酯共聚物或其他类型的聚合物的材料制成。粘合元件306优选地具有急剧的从刚性到橡胶的过渡,因此可以容易地通过温度变化来调节粘合性。热元件308可以是热电加热/冷却元件,电阻加热器,二极管加热器,感应加热元件,光学加热元件等。热元件308可以包括薄膜电阻器,二极管结构和/或高光能。隔热材料309可以由诸如聚酰亚胺,PDMS,聚对二甲苯,玻璃,氧化硅,Al的材料制成。

在一个实施例中,转移基板302包含有源电子元件阵列,并且热元件308可以在网格中与它们互连。这在图1和2中示意性地示出。如图4和5所示,加热元件的二维阵列(在这些示例中为电阻器)可以由二极管控制。图4所示的晶体管或图3所示的晶体管。在图5中所示的实施例中,在一个实施例中,它被设置为可移动的。如图4所示,加热元件R1-R9由二极管D1-D9的矩阵控制。这可以被称为无源开关矩阵,其减少了将加热元件连接到控制器芯片所需的电线数量。

在这种情况下,加热元件逐行寻址。例如,R1可以偏置到0V,而R2和R3偏置到5V。C1,C2和C3偏置电压将确定加热元件R1,R2或R3是打开(列偏置到5V)还是关闭(列线偏置到0V)。由于二极管阻塞了电流,所有其他加热器都关闭了。对于所选行的所有其余行,都重复此过程,将其偏置到0V,将所有其他行偏置到5V。加热元件的热时间常数将设计为比2D加热器扫描的“帧速率”更长,以确保每次可寻址的传输都保持准恒定的温度。

图1中的示意图。图5示出了另一电路,其中加热器元件由晶体管而不是二极管控制,这可以称为“有源矩阵开关”。使用晶体管的优点是可以实现更大的电压范围和更好的隔离度。在这种情况下,所有未选择的行将被偏置到例如-5V,以关闭晶体管。当选择的行,行线被偏压到例如20V,以导通晶体管。通过将列线偏置到特定电压,可以将选定行的相应加热元件加热到所需温度。类似于图1中的实施例。在图4中,将对其余其他行重复该过程。

在图 参照图6,侧视图示出了根据另一示例实施例的转印基板602。与图1的实施例一样,如图3所示,转移基板602具有两个或更多个转移元件604,每个转移元件包括具有随温度变化的表面粘附力的粘附元件606。每个传递元件604还包括热元件608,该热元件可操作以响应于输入而改变区域粘附元件606(例如,热元件608附近的元件的一部分)的温度。在该示例中,粘附元件604是覆盖不止一个转移元件604的连续层的一部分,在这种情况下,该连续层覆盖所有图示的元件604。本文所述的任何实施方式可以使用由单层形成的粘附元件。覆盖多个类似于图2中所示的元件的元件。6,

还要注意,该实施例示出了在转移元件604和基板602之间使用绝缘体609,尽管这种绝缘体609可以是可选的。而且,如虚线所示,热元件608和绝缘体609中的一个或两者可以被实现为覆盖不止一个转移元件604的单层。在这样的实施例中,单独的信号线(例如,图3中的线310)可以将热导层(例如,图3和/或图7中的波导1112)附着到热元件层608,从而在限定单个传递元件608的尺寸和位置的区域内引起局部温度变化。

在图 参照图7,侧视图示出了根据另一示例实施例的转印基板1102。与图1的实施例一样,如图3所示,转印基板1102具有两个或更多个转印元件1104,每个转印元件1104包括具有随温度变化的表面粘合力的粘合元件1106。每个传递元件1104还包括热元件1108,该热元件1108可操作以响应于输入而改变粘附元件1106的温度。在该示例中,热元件1108由激光1110激活,激光1110经由衬底1102中的波导1112传送。光由一个或多个激光器1116提供,并且可以经由吸收光的光学开关元件1114选择性地激活转移元件1104。或将光线重定向到不被加热的传输元件上。注意,可以使用多个激光器1116,每个转移元件多达一个激光器,并且它们可以集成在基板1102中或安装在外部。光学开关1114可以被电激活,并且可以以类似于图1和图2所示的二极管和晶体管的矩阵布置。4和5可以减少到控制器的线路数。

在图 参照图8,侧视图示出了根据另一示例实施例的转印基板1202。与图1的实施例一样,如图3所示,转印基板1202具有两个或更多个转印元件1204,每个转印元件1204包括具有随温度变化的表面粘合力的粘合元件1206。每个传递元件1204还包括热元件1208,其可操作以响应于输入而改变粘附元件1206的温度。每个转移元件1204还包括绝缘体1209,其使热元件1208与转移基板1202热绝缘。

在该实施例中,转移基板1202是弯曲的并且安装到相对于目标基板1216旋转的辊子1213。辊子1213和目标基板也相对于彼此线性地移动(在该图中水平地),使得仅一部分转移元件1204(例如,单个元件1204)一次接触转移基板1216。转移元件1204的子集被选择性地激活以保持或释放物体1214,使得一些物体1214被选择性地转移至目标基板1216。注意,左侧的阴影物体1214没有被转移至目标基板1216。 。注意,辊1213和基板1202的另一部分可以与施主基板(未示出)接触,使得物体的转移可以是滚动转移过程,其中从施主拾取物体1214并转移至靶材1216。辊1213和基板1202可以在相同时间或不同时间与施主基板和目标基板接触。在这种情况下,可以使用第二转印基板(未示出)来沉积丢弃的物体1214,并且该第二转印基板还可以使用弯曲的基板。在此描述的任何其他实施例中的任何一个都可以使用如图1所示的弯曲转印基板和滚动转印工艺。8。辊1213和基板1202可以在相同时间或不同时间与施主基板和目标基板接触。在这种情况下,可以使用第二转印基板(未示出)来沉积丢弃的物体1214,并且该第二转印基板还可以使用弯曲的基板。在此描述的任何其他实施例中的任何一个都可以使用如图1所示的弯曲转印基板和滚动转印工艺。8。辊1213和基板1202可以在相同时间或不同时间与施主基板和目标基板接触。在这种情况下,可以使用第二转印基板(未示出)来沉积丢弃的物体1214,并且该第二转印基板还可以使用弯曲的基板。在此描述的任何其他实施例中的任何一个都可以使用如图1所示的弯曲转印基板和滚动转印工艺。8。

在图。参考图9A和9B,框图示出了根据示例实施例的方法。在方框1300中,示出了具有转移元件1304-1307的阵列的转移基板1302。所示的转移基板1302位于施主基板1308上方,使得转移元件1304-1307的阵列在相应的物体1309-1312上方对准。如阴影所示,对象1309、1311形成对象1309-1312的子集,该对象旨在从供体衬底1308转移出去。如箭头所示,转移衬底1302朝着供体衬底1308移动。 , 或相反亦然。

如框1316中所见,在转移元件1304-1307与对象1309-1312之间进行接触之后,将输入施加到转移元件1304的子集1304、1306。这些输入导致该子集中的每个转移元件1304、1306为了达到第一温度,使得子集中的每个转移元件1304、1306的粘附元件实现第一表面粘附。该输入可以在转移元件1304、1306的子集接触对象1309的相应子集之前或之后施加。在第一表面粘附力下粘附到转移元件1304、1306的子集的对象1309的子集。

注意,不在转移元件1304、1306的子集中的其他转移元件1305、1307处于第二温度,这导致转移元件1305、1307具有第二表面粘附力。在该第二表面粘附力下,其他转移元件1305、1307将不粘附至相应的物体1310、1312。注意,在框1300所示的先前步骤中,转移元件1304-1307可以处于任何温度,包括第一温度和第二温度。第二温度。在一些实施例中,可能期望使所有元件1304-1307处于第二温度,或者具有将所有元件1304-1307设置为第一温度和第二温度,如框1316所示。

如框1318中所见,转移衬底1302远离供体衬底移动(由箭头指示),从而使对象的子集1309、1311与供体衬底1308分离,而其他对象1310、1312保留在供体衬底上。供体底物。如在图13的框1320中看到的,如图9B所示,转移基板1302与目标基板1322对准并向目标基板1322移动。如在框1324中所见,转移基板1302上的物体1309、1311的子集接触目标基板1322。

可选地,在框1324、1326中的一个或两个中,可以将第二输入应用于转移元件1304、1306的子集,从而使子集中的每个转移元件达到第二温度,使得每个转移元件1304、1306的粘附元件子集中的第二层获得较低的第二层表面附着力。第二表面粘附力使物体1309、1311的子集易于转移到目标基板1322。在第二温度低于第一温度的情况下,一些或全部的转移基板1302可以被冷却的环境空气,热电冷却器,蒸气压缩冷却器和使用气体/液体作为冷却剂的强制对流冷却元件。在对象的子集1309之间也可能存在固有的或主动产生的吸引力,1311和目标基板1322,这样物体1309、1311可以在第一表面粘附时释放,从而无需显着改变转印元件1304、1306的温度(尽管在可能的情况下改变温度仍然是有益的) )。例如,可以从目标基板1322施加反作用力,该反作用力包括但不限于粘合力,电力,磁力和真空产生的力。

除非另有说明,否则在本说明书和权利要求书中使用的所有表示特征尺寸,数量和物理特性的数字均应理解为在所有情况下均被术语“约”修饰。因此,除非有相反的指示,否则在前述说明书和所附权利要求书中提出的数值参数是近似值,其可以根据本领域技术人员利用本文公开的教导内容寻求获得的所需特性而变化。端点对数字范围的使用包括该范围内的所有数字(例如1到5包括1、1.5、2、2.75、3、3.80、4和5)以及该范围内的任何范围。

可以使用相互作用以提供特定结果的电路,固件和/或软件模块来实现上述各种实施例。使用本领域公知的知识,本领域技术人员可以在模块级别或整体上容易地实现所描述的功能。例如,本文所示的流程图和控制图可用于创建计算机可读指令/代码以供处理器执行。这样的指令可以被存储在非暂时性计算机可读介质上,并且被传送到处理器以执行,这在本领域中是已知的。上面示出的结构和过程仅是可用于提供上述功能的实施例的代表性示例。

为了说明和描述的目的,已经给出了示例实施例的前述描述。并不旨在穷举或将实施例限制为所公开的精确形式。鉴于以上教导,许多修改和变化是可能的。所公开的实施例的任何或所有特征可以单独地或以任何组合地应用,并不意味着是限制性的,而仅仅是示例性的。意图是,本发明的范围不限于该详细描述,而是由所附权利要求确定。

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