Coherent高意：激光再次拯救MicroLED 显示

　　MicroLED 显示作为LED领域最重要的发展历程之一，其魅力除了美观之外，相比于其他显示技术（例如LED 和OLED），更具备诸多优势，包括提升的能耗效率、更长的使用寿命、更高的亮度和更好的色彩精准度。此外，采用MicroLED 技术，制造商能够轻松修改面板尺寸、形状和分辨率，以创建新的显示设计，而无需专门采购新设备。

　　MicroLED 显示具备诸多优势，包括美观、提升的能耗效率、更长的使用寿命、更高的亮度和更好的色彩精准度等。

　　尽管有上述诸多优点，但目前 microLED 尚未普及。这是因为其制造工艺通常比其他显示技术更复杂。要使该技术成功商业化，仍然必须克服一些重大挑战。
　　准分子激光为MicroLED 发展提供动力

　　为了帮助理解这些挑战来自哪里，下面这张图展示了 MicroLED 显示制造中的一些关键步骤。这些步骤完成后，还有各种其他测试步骤和“老化”工艺。大型显示器通过组合多个较小尺寸面板制作而成，在这种情况下，需要额外的组装和封装步骤。

　　1） 红、绿、蓝三色 LED 分别制作在透明基板生长晶圆上。2） LLO：生长晶圆上的 LED 与带有粘合剂的临时载板接触并固定，准分子激光透过透明基板聚焦并将 LED 与其分离。3） LIFT：准分子激光透过临时载板聚焦，选择性分离各个单颗 LED，并将它们转移到最终基板上的焊盘位置。4） LAB：半导体激光一次加热多颗 LED 和焊料，使其快速熔化并形成最终键合。
　　与大多数半导体器件一样，LED 最初是在晶圆上做外延生长的，通常采用蓝宝石基板。MicroLED 显示的每个像素都需要独立的LED，分别发出红、绿、蓝三原色，但每个生长晶圆仅包含单一颜色的LED 发光器件。因此，必须将LED 外延层分割成一颗颗单独的裸芯片，然后按照必要的设计图案排列在一起，以形成最终的显示屏。
　　准分子激光已经被业界认可是前两个主要工艺的高效方案，且兼具经济性。其中，激光剥离技术（LLO）首先将单颗LED 芯片从蓝宝石晶圆上分离出来，并将其转移到临时载板上。
　　接下来，激光诱导前向转移（LIFT）被用作“巨量转移”。此工艺将LED 芯片从临时载板转移到最终显示基板。很重要的是，巨量转移可以将LED 芯片排列匹配到所需的像素图案。
　　MicroLED 组装挑战
　　LED 在转移到基板后，必须通过键合工艺将其电气连接到基板上。否则，显示屏无法点亮，并且在移动时 LED 芯片会从上面掉落！
　　为了执行键合工艺，首先要将焊料“凸块”（小焊球）放置在基板上所有预设的电气连接点上。然后，使用LIFT 转移设备将LED 芯片放置到位，再将焊料加热直至熔化。在此状态下，焊料在基板和芯片上的电气触点周围流动，随后焊料冷却并重新凝固，在它们之间形成电气和机械连接。这是整个电子材料行业的标准组装技术。
　　最常见的熔化焊料的方法称为“批量回流焊”（MR），其工艺过程中，将包含焊球和芯片的整个基板组件放入烤箱中，通过循环温度以熔化焊料，然后重新冷却。
　　但批量回流焊对于MicroLED 显示制造帮助不大，其用到的LED 芯片尺寸极小，彼此间距很近且位置精度极高。回流焊的关键问题是加热周期需要几分钟，这会在所有部件上产生大量热负载，并可能导致部件变形、引入热机械应变，并移动LED 芯片在基板上的位置。回流焊加热炉中的较长处理时间则增加了电气连接不良的风险。该工艺本身也是能源密集型的。
　　热压键合（TCB）是一种替代方法，可以降低因回流焊引起的翘曲风险。热压键合在施加热量的同时施加压力，从而更好地控制了所形成互连的高度和形状。但它需要一个复杂的喷嘴，该喷嘴是针对特定芯片和封装尺寸定制的，并且每次只能键合一颗芯片。由于MicroLED 技术可能需要键合数百万颗LED 芯片来制作一个显示屏，这使得热压键合工艺不太适合。
　　激光辅助键合（LAB）能解决 MicroLED 组装过程中的难题
　　激光辅助键合
　　激光辅助键合（LAB）解决了所有这些问题。在 LAB 工艺中，高功率红外波段半导体激光整形为矩形光斑，经过匀化处理后，整个光斑区域的强度分布实现高度一致性。矩形光斑尺寸因应用而异，其面积可以一次性覆盖基板上数千甚至数百万颗 LED。
　　在LAB 工艺期间，激光器的开启时间非常短——不到一秒钟，但这足以将足够的热量传递到组件中以熔化焊料。由于时间极短，LAB 不会产生任何能导致基板翘曲或LED 芯片位置偏移的整体加热。激光工艺能够精确控制加热周期，并根据需要控制冷却阶段，因此焊接过程可以快速执行，并且不会产生任何明显的负面结果。LAB 的周期时间短也使其比回流焊或热压键合更加节能。
　　改进 LAB 的更好激光器
　　就激光而言，LAB 的一个关键且必要的要求是光束强度在整体区域内的高度一致性，以实现焊料加热过程的一致和均匀，并获得一致的键合结果。其目标是只选择性地加热所需的区域（包含特定数量的LED 芯片），而完全不加热周围区域。因此，输出一个优质的矩形光斑尤为重要，这要求在靠近光斑边缘的位置光束强度不会下降太多，否则该区域的 LED 芯片可能根本无法键合。与此同时，矩形光斑的光束强度必须在照射区域外迅速下降。
　　Coherent HighLight DL 系列半导体激光器，通过光纤耦合输出方式，可与我们的PH50 DL Zoom Optic变焦光学组件搭配使用，以产生这种高匀化度矩形光斑。通常，典型功率为4 kW 的HighLight DL 激光器可用于MicroLED 激光辅助键合工艺。
　　Coherent PH50 DL Zoom Optic 变焦光学组件通过光纤耦合方式，将 Hilight DL 系列半导体激光器输出的多模激光整形为高度匀化的矩形光斑，其长度和宽度可以独立动态调整。上图中展示的光斑尺寸从 12x12 毫米到 110x110 毫米不等，并有其他配置可供选择。
　　通过使用我们自己的专有光学设计，上述组合可提供比任何竞品更好的光束强度一致性。具体来说，光束匀化是通过使用微透镜阵列将入射激光分成许多“小光束”来实现的，这些小光束随后被扩展并重叠以产生高度一致的强度分布。
　　Coherent PH50 DL Zoom Optic 变焦光学组件的另一大优点是，在加工过程中可以“即时”调节，即矩形光斑的长度和宽度都可以根据需要在大范围内独立调节。这种缩放功能对于制造商开发和验证工艺非常有用，这使他们能够尝试各种配置以寻找最优工艺条件。当然，Coherent 也可以采用同样方法生产固定（非变焦）光学组件以满足客户特定要求，线光斑的长度范围可以从几毫米到1000 毫米不等。
　　LLO 和LIFT 已成为赋能MicroLED 显示制造的两项关键技术。现在看来，基于Coherent激光器的另一种工艺--LAB--将促进高分辨率MicroLED 显示屏的批量生产。