CN111933775B - 界面限位组装制备led显示器的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种界面限位组装制备LED显示器的方法。该方法包括提供第一衬底，第一衬底的顶表面上设置有多个驱动电极和限位机构，限位机构设置在所述驱动电极的周围；提供悬浮有LED芯片的LED芯片液体悬浮液，LED芯片与所述限位机构的形状相契合；使所述LED芯片液体悬浮液流过第一衬底的顶表面；通过限位机构的界面限位，捕获LED芯片于多个驱动电极上；对第一衬底进行退火，以使得每个LED芯片和与其对应的驱动电极电性连接。本发明其可以简洁快速且精准地转移巨量的微型发光二极管，并具有高良率。

Description

界面限位组装制备LED显示器的方法
技术领域
本发明涉及半导体器件制造和光学系统，尤其涉及一种界面限位组装制备LED显示器的方法。
背景技术
微型发光二极管(Micro-LED)就是“微”LED(发光二极管)，微型发光二极管阵列显示作为一种新显示技术，与其它显示技术，比如液晶显示(Liquid Crystal Display，LCD)、有机电激光显示(Organic Light-Emitting Diode，OLED)等离子显示(Plasma DisplayPanel，PDP)等相比，其核心的不同之处在于其采用无机LED作为发光像素。
制作好的微小的LED需要转移到做好驱动电路103的基底上。无论是电视还是手机屏，其像素的数量都是相当巨大的，以一个55寸4K电视为例，需要转移的晶粒就高达2400万颗(以4000x 2000x RGB三色计算)，即使一次转移1万颗，也需要重复2400次，这种技术叫做巨量转移。巨量转印设备是实现三基色Micro-LED芯片集成制造的关键。而4K或8K显示像素的尺寸较小，并且显示产品对于像素错误的容忍度也很低，一块有“亮点”或“暗点”的显示屏无法满足用户需求，所以将这些小像素可靠地转移到做好驱动电路103的衬底上并实现电路连接是十分困难、复杂的技术。实际上，“巨量转移”确实是目前Micro-LED商业化上的一大瓶颈技术。其转移的效率，成功率都决定着商业化的成功与否。如何提高巨量转移后Micro-LED器件的良品率是值得研究的问题。将LED晶体薄膜无需封装直接搬运到驱动背板上，在Micro-LED的生产上，要把数百万甚至数千万颗微米级的LED晶粒正确且有效率的移动到电路基板上。
美国专利US20170133550A1首次提出用于制造发光显示器的流体组装方法，其技术是在Micro LED组装期间藉由流体悬浮液体当介质，该Micro LED悬浮液流过顶表面设置有多个井的发光基板从而Micro LED被捕获在井中，并利用熔融焊料在井的毛细管的界面对Micro LED电极进行机械和电性连接，将Micro LED捕获及对准至焊点上。由于此方法中毛细管作用力过大且不可控，一方面极易造成Micro LED损伤和失效，另一方面容易诱导Micro LED错位组装和堆叠，因此难以确保转移精度和良率，无法满足横向精度要求高的巨量转移，而且修复工艺繁杂耗时，难以满足大规模生产的要求。美国专利US20180261570A1提出一种定向自组装的方式则是通过反磁漂浮的办法处理巨量转移Micro LED，该方法包括将振动力施加到磁性台，磁性台包括多个磁体和以阵列布置的间隔物；将多个铁磁性的LED芯片(每个铁磁性的LED芯片都具有铁磁条)沉积到磁性平台上，振动力将多个铁磁性的LED芯片基本均匀地分布在磁性平台的表面上，并且其中振动力使多个铁磁性的LED芯片对准具有最大磁场强度的节点；通过磁场的物理反转去除一组不在最大磁场强度节点中的铁磁性的LED芯片。然而制备铁磁性的LED芯片是复杂的，因而反磁漂浮流体组装的技术是昂贵的、缓慢的，并且可能缺少灵活性和诸如LED芯片的脆弱的结构和兼容性，这导致LED芯片分辨率的缺失和不均匀的LED芯片密度，这阻碍了复用、小型化和信号定量。另外，美国专利US20180053742A1提出将电子器件粘附于暂时性固定层，通过扩张该暂时性固定层来改变LED间距从而转移到承载基板上。由于此方法中暂时性固定层在横向和纵向均会扩张，难以确保横向转移精度，无法满足横向精度要求高的巨量转移，且暂时性固定层扩张倍数有限，无法满足大横向间距。这些技术遇到的问题是：1)转移的Micro-LED芯片尺寸极小(3μm-200μm)，需要极高精度的操作技术；2)一次转移需要移动几万乃至几十万颗Micro-LED芯片，数量巨大；3)如何提升转移良率到99.99％，甚至更高。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种界面限位组装制备LED显示器的方法，其可以简洁快速且精准地转移巨量的微型发光二极管，并具有高良率。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是提供一种界面限位组装制备LED显示器的方法，其包括：
提供第一衬底，所述第一衬底的顶表面上设置有多个驱动电极和限位机构，所述限位机构设置在所述驱动电极的周围；
提供悬浮有LED芯片的LED芯片液体悬浮液，所述LED芯片与所述限位机构的形状相契合；
使所述LED芯片液体悬浮液流过所述第一衬底的顶表面；
通过所述限位机构的界面限位，捕获所述LED芯片于所述多个驱动电极上；
对所述第一衬底进行退火，以使得每个LED芯片和与其对应的驱动电极电性连接。
本发明的界面限位组装制备LED显示器的方法施加在LED芯片上的取向性的局部应力。各个LED芯片的位置没有落入所述驱动电极捕获区域，或者各个LED芯片的速度如果高于被捕获速度的最大阈值则不会被所述驱动电极所捕获。一定取向性的局部应力主要为范德华力、库伦力和氢键作用，其在微观尺寸(5μm-500μm)下对于LED芯片的作用相对较弱，可以减少对LED芯片的损伤，从而提高良率。美国专利US20170133550A1的井或者凹槽位的捕获结构设计产生的毛细管作用力过大且不可控，一反面极易造成Micro LED损伤和失效，另一方面容易诱导Micro LED错位组装和堆叠，因此难以确保转移精度和良率，无法满足横向精度要求高的巨量转移。设置所述限位机构的第二个好处是在大型(米级)基板上的组件排布相对较快。LED芯片一旦被驱动电极所捕获，所述驱动电极和所述LED芯片之间的机械应力，以及所述限位机构对所述LED芯片的近距离作用力包括机械应力，使组装的LED芯片不会从正确的方向移开，而是错位的部件被移开。这提供了一种低成本且高速的组装方法，其实现预测组装速度达每小时超过500万个微型组件。该组装方法是一种可以适用于任何数量的基板的通用方法，而且非常适合于具有有限表面形貌的低填充因子和高面积的阵列。
在相同的位点密度情况下，第一衬底的顶表面上设置有多个限位机构，驱动电极表面能更高，在微观尺度下，这是至关重要的，因此驱动电极的捕获效率也更高，而且更加稳定，在势能差和表面能的驱使下，LED芯片一旦被捕获，驱动电极的表面能降低，也就是说不再具有继续捕获LED芯片能力，一方面不会出现多个LED芯片被同一驱动电极捕获的情况，另一方面，被捕获LED芯片的与驱动电极的组合结构稳定，很难被冲刷或离心分离。
驱动电极以及第一衬底系统的表面Gibbs自由能：
ΔG＝ΔH-ΔS·T。
捕获LED芯片过程，驱动电极以及第一衬底系统的表面Gibbs自由能的变化是测量两个驱动力焓变和熵变之间的平衡，以确定反应是否是自发的。
而该过程ΔH<0，而且ΔS>0，因此ΔG<0，从而有利于驱动电极捕获LED芯片过程，致使该过程是自发的。
在一个优选实施例中，所述限位机构为凸起结构或者为凹槽结构。
在一个优选实施例中，所述限位机构为向内收缩的漏斗状结构，所述驱动电极位于所述限位机构环绕的中心区域。
在一个优选实施例中，多个所述限位机构一体连接，可拆卸的固定在所述第一衬底的顶表面上。
在一个优选实施例中，在步骤对所述第一衬底进行退火，所述限位机构与所述LED芯片连接，以加固所述LED芯片。
在一个优选实施例中，所述驱动电极以凸起结构或者为凹槽结构设置在所述第一衬底的顶表面上。
在一个优选实施例中，所述界面限位组装制备LED显示器的方法还包括：
形成多个光转换机构，并覆盖于相对应的多个LED芯片的暴露的表面；
形成多个光扩散机构，并覆盖于相应的多个LED芯片。
在一个优选实施例中，所述LED芯片液体悬浮液的液体选自乙醇、多元醇、酮、卤代烃和水中至少一种，除去液体的方法包括热蒸发，UV光蒸发或者化学清洗。
在一个优选实施例中，所述LED芯片的上下表面均设置有焊盘电极。
在一个优选实施例中，所述限位机构为疏水性材料，其疏水性表面包括聚烯烃、聚碳酸酯、聚酰胺、聚丙烯腈、聚酯、不含氟的丙烯酸酯、聚四氟乙烯PTFE、氟化聚乙烯、氟碳蜡中的至少一种。
附图说明
本发明及其优点将通过研究以非限制性实施例的方式给出，并通过所附附图所示的特定实施方式的详细描述而更好的理解，其中：
图1是本发明实施例1的界面限位组装制备LED显示器的方法的第一衬底之俯视图。
图2是呈现本发明实施例1的LED芯片在第一衬底表面定向捕获的功能的局部横截面图。
图3是呈现本发明实施例2的LED芯片在第一衬底表面定向捕获的功能的局部横截面图。
图4是呈现本发明实施例3的LED芯片的截面视图。
图5是呈现本发明实施例4的LED芯片的截面视图。
具体实施方式
请参照附图中的图式，其中相同的组件符号代表相同的组件，本发明的原理是以实施在一适当的环境中来举例说明。以下的说明是基于所示例的本发明的具体实施例，其不应被视为限制本发明未在此详述的其它具体实施例。
本说明书所使用的词语“实施例”意指用作实例、示例或例证。此外，本说明书和所附权利要求中所使用的冠词“一”一般地可以被解释为意指“一个或多个”，除非另外指定或从上下文清楚导向单数形式。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或表示第一特征水平高度小于第二特征。
下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
实施例1
首先，通过图1-2，就本发明的实施例1的界面限位组装制备LED显示器的方法进行说明。尽管为了清楚起见，该法被描述为具有编号次序的多个步骤，但编号并不一定决定步骤的次序。可以理解的，这些步骤中的一些可以被跳过，并行执行，或者执行而不要求维持严格的先后次序。然而，通常，该方法遵循所示步骤的数字顺序。
本实施例采用的一个技术方案是提供一种界面限位组装制备LED显示器的方法，其包括：
S1、提供第一衬底10，所述第一衬底10的顶表面上设置有多个驱动电极101和限位机构102以及驱动电路103，所述限位机构102设置在所述驱动电极101的周围，驱动电极101和驱动电路103电性连接；
S2、提供悬浮有LED芯片201的LED芯片液体悬浮液200，所述LED芯片201与所述限位机构102的形状相契合；
S3、使所述LED芯片液体悬浮液200流过所述第一衬底10的顶表面；
S4、通过所述限位机构102的界面限位，捕获所述LED芯片201于所述多个驱动电极101上；
S5、对所述第一衬底10进行退火，以使得每个LED芯片201和与其对应的驱动电极101电性连接。
本实施例的界面限位组装制备LED显示器的方法施加在LED芯片201上的取向性的局部应力
Figure BDA0002599894640000081
局部应力包括所述限位机构102对所述LED芯片201产生与两者间距r1相关的排斥力FREPULSION，以及所述驱动电极101对所述LED芯片201的焊盘电极2011产生与两者间距r2相关的吸引力FATTRATION。各个LED芯片201的位置没有落入所述驱动电极101捕获区域，或者各个LED芯片201的速度如果高于被捕获速度的最大阈值则不会被所述驱动电极101所捕获。一定取向性的局部应力主要为范德华力、库伦力和氢键作用，其在微观尺寸(5μm-500μm)下对于LED芯片201的作用相对较弱，可以减少对LED芯片201的损伤，从而提高良率。美国专利US20170133550A1的井或者凹槽位的捕获结构设计产生的毛细管作用力过大且不可控，一反面极易造成Micro LED损伤和失效，另一方面容易诱导Micro LED错位组装和堆叠，因此难以确保转移精度和良率，无法满足横向精度要求高的巨量转移。设置所述限位机构的第二个好处是在大型(米级)基板上的组件排布相对较快。LED芯片201一旦被驱动电极101所捕获，所述驱动电极101和所述LED芯片201之间的机械应力，以及所述限位机构对所述LED芯片201的近距离作用力包括机械应力，使组装的LED芯片201不会从正确的方向移开，而是错位的部件被移开。这提供了一种低成本且高速的组装方法，其实现预测组装速度达每小时超过500万个微型组件。该组装方法是一种可以适用于任何数量的基板的通用方法，而且非常适合于具有有限表面形貌的低填充因子和高面积的阵列。
在相同的位点密度情况下，第一衬底10的顶表面上设置有多个限位机构，驱动电极101表面能更高，在微观尺度下，这是至关重要的，因此驱动电极101的捕获效率也更高，而且更加稳定，在势能差和表面能的驱使下，LED芯片201一旦被捕获，驱动电极101的表面能降低，也就是说不再具有继续捕获LED芯片201能力，一方面不会出现多个LED芯片201被同一驱动电极101捕获的情况，另一方面，被捕获LED芯片201的与驱动电极101的组合结构稳定，很难被冲刷或离心分离。
驱动电极101以及第一衬底10系统的表面Gibbs自由能：
ΔG＝ΔH-ΔS·T。
捕获LED芯片201过程，驱动电极101以及第一衬底10系统的表面Gibbs自由能的变化是测量两个驱动力焓变和熵变之间的平衡，以确定反应是否是自发的。
而该过程ΔH<0，而且ΔS>0，因此ΔG<0，从而有利于驱动电极101捕获LED芯片201过程，致使该过程是自发的。
所述限位机构102为凸起结构。在步骤S5对所述第一衬底10进行退火，所述限位机构102与所述LED芯片201连接，以加固所述LED芯片201。
所述界面限位组装制备LED显示器的方法还包括：
形成多个光转换机构，并覆盖于相对应的多个LED芯片的暴露的表面；
形成多个光扩散机构，并覆盖于相应的多个LED芯片。
所述LED芯片液体悬浮液的液体选自乙醇、多元醇、酮、卤代烃和水中至少一种，除去液体的方法为热蒸发。
所述限位机构102为疏水性材料，其疏水性表面包括聚烯烃、聚碳酸酯、聚酰胺、聚丙烯腈、聚酯、不含氟的丙烯酸酯、聚四氟乙烯PTFE、氟化聚乙烯、氟碳蜡中的至少一种。
实施例2
请参照图3，是本发明的实施例2的界面限位组装制备LED显示器的方法的第一衬底的截面视图。以下仅就实施例2与实施例1的相异之处进行说明，关于相似之处在此不再赘述。
第一衬底10顶表面设置有凹槽结构，驱动电极101设置在第一衬底10顶表面的凹槽结构内。所述限位机构102为凸起结构，形成向内收缩的漏斗状结构。所述驱动电极101位于所述限位机构102的漏斗状结构的中心区域。
实施例3
请参照图4，是本发明的实施例3的界面限位组装制备LED显示器的方法的LED芯片的截面视图。以下仅就实施例3与实施例1的相异之处进行说明，关于相似之处在此不再赘述。
所述LED芯片201的顶表面和底表面均设置有焊盘电极。
实施例4
请参照图5，是本发明的实施例4的界面限位组装制备LED显示器的方法的LED芯片的截面视图。以下仅就实施例4与实施例1的相异之处进行说明，关于相似之处在此不再赘述。
所述LED芯片201为两个LED贴合而成，其顶表面和底表面均设置有焊盘电极。
实施例5
以下仅就实施例5与实施例1的相异之处进行说明，关于相似之处在此不再赘述。
多个所述限位机构102一体连接，可拆卸的固定在所述第一衬底10的顶表面上。
虽然在上文中已经参考一些实施例对本发明进行了描述，然而在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，本发明所披露的各个实施例中的各项特征均可通过任意方式相互结合起来使用，在本说明书中未对这些组合的情况进行穷举性的描述是出于省略篇幅和节约资源的考虑。因此，本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (9)

1.一种界面限位组装制备LED显示器的方法，其特征在于，包括：
提供第一衬底，所述第一衬底的顶表面上设置有多个驱动电极和限位机构，所述限位机构设置在所述驱动电极的周围；
提供悬浮有LED芯片的LED芯片液体悬浮液，所述LED芯片与所述限位机构的形状相契合；
使所述LED芯片液体悬浮液流过所述第一衬底的顶表面；
通过所述限位机构的界面限位，捕获所述LED芯片于所述多个驱动电极上；
对所述第一衬底进行退火，以使得每个LED芯片和与其对应的驱动电极电性连接；
所述限位机构为疏水性材料，其疏水性表面包括聚烯烃、聚酰胺、聚丙烯腈、聚酯、不含氟的丙烯酸酯、聚四氟乙烯PTFE、氟化聚乙烯、氟碳蜡中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的界面限位组装制备LED显示器的方法，其特征在于，所述限位机构为凸起结构或者为凹槽结构。
3.根据权利要求2所述的界面限位组装制备LED显示器的方法，其特征在于，所述限位机构为向内收缩的漏斗状结构，所述驱动电极位于所述限位机构环绕的中心区域。
4.根据权利要求3所述的界面限位组装制备LED显示器的方法，其特征在于，多个所述限位机构一体连接，可拆卸的固定在所述第一衬底的顶表面上。
5.根据权利要求1所述的界面限位组装制备LED显示器的方法，其特征在于，在步骤对所述第一衬底进行退火，所述限位机构与所述LED芯片连接，以加固所述LED芯片。
6.根据权利要求1所述的界面限位组装制备LED显示器的方法，其特征在于，所述驱动电极以凸起结构或者为凹槽结构设置在所述第一衬底的顶表面上。
7.根据权利要求1所述的界面限位组装制备LED显示器的方法，所述界面限位组装制备LED显示器的方法还包括：
形成多个光转换机构，并覆盖于相对应的多个LED芯片的暴露的表面；
形成多个光扩散机构，并覆盖于相应的多个LED芯片。
8.根据权利要求1所述的界面限位组装制备LED显示器的方法，其特征在于：所述LED芯片液体悬浮液的液体选自乙醇、多元醇、酮、卤代烃和水中至少一种，除去液体的方法包括热蒸发，UV光蒸发或者化学清洗。
9.根据权利要求1所述的界面限位组装制备LED显示器的方法，其特征在于：所述LED芯片的上下表面均设置有焊盘电极。
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