CN112002792B - 一种电泳组装制备led显示器的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电泳组装制备LED显示器的方法。该方法包括贴合一电泳基板于LED液体悬浮液上，对驱动电极和/或电极层施加电压，以捕获所述LED芯片于所述驱动电极通道中，对第一衬底进行退火以及通过退火使每个LED芯片和与其对应的驱动电极通道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发光二极管，并具有高良率。

Description

一种电泳组装制备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，尤其涉及一种电泳组装制备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(OrganicLight-Emitting Diode，OLED)等离子显 示(PlasmaDisplayPanel，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 业化上面的一大瓶颈技术。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，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芯片基本上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芯片对准具有磁场最大磁场强度 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与诸如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。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电泳组装制备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电泳组装制 备LED显示器的方法，其包括：
提供一第一衬底，所述第一衬底形上成有多个驱动电极；
形成一光刻胶层于所述第一衬底顶表面上，所述光刻胶层覆盖上述驱动电 极图案以及至少部分所述第一衬底；
对所述光刻胶层进行一曝光及显影步骤，以形成驱动电极通道和光阻层， 其中驱动电极通道至少曝露驱动电极，所述第一衬底、上述驱动电极、驱动电 极通道以及所述光阻层构成一驱动基板；
提供LED芯片的液体悬浮液，使所述液体悬浮液沉浸所述驱动基板的顶表 面，所述LED芯片带有电荷；
贴合一电泳基板于所述液体悬浮液上，其中所述电泳基板包括一第二衬底 和一电极层，所述电极层配置于所述第二衬底上且位于所述第二衬底与所述第 一衬底之间；
对驱动电极和/或电极层施加电压，以捕获所述LED芯片于所述驱动电极通 道中；
对所述第一衬底进行退火；以及
通过所述退火使每个LED芯片和与其对应的驱动电极通道的驱动电极电性 连接。
介电泳(Dielectrophoresis，简称DEP)技术作为一种重要的微纳米结构个体操作工具，与上述流体组装技术和微接触印刷技术相比，由于没有移动部件、不 需要昂贵的设备、属于非接触非入侵式操控，且实施简单、满足大量并行的主 动式(即LED芯片主动运动，而第一衬底以及第二衬底内的所有部件静止)操作 需求。
电泳组装制备LED显示器的方法施加在各个带有电荷的LED芯片上的定向 牵引力。该高变量的定向牵引力导致速度的高变量，从而作为用于捕获的最大 组装速度存在的范围，各个LED芯片的速度如果高于该最大阈值则不会被驱动 电极所捕获。高变量的第二个好处是在大型(米级)基板上的组件排布相对较快。 一旦被驱动电极所捕获，最大的应力为使组装的LED芯片不会从正确的方向移 开，而是错位的部件被移开。将各个带有电荷的LED芯片捕获在特制的所述驱 动电极通道中。所述驱动电极通道为凹槽结构，或者驱动电极为凸起结构。通 过对该分散体系施加和切换电场使带有电荷的LED芯片在电泳基板和驱动基板 之间的腔体中产生电泳从而实现驱动电极对LED芯片的捕获。在库仑力和表面 能的驱使下，LED芯片与电介质液体被封装在驱动电极以及驱动电极通道中， 驱动电极通道将电泳液分隔成细小的独立单元，有效地预防了LED芯片的脱离 以及LED芯片的位移。芯片与电介质液体被封装在驱动电极以及驱动电极通道， 具有造型上的任意性，结构完整性和机械稳定性的优点，在弯曲、卷曲、受压 的情况下显示性能优异，可备裁切成任意需要的尺寸和形状，电泳显示时邻近 区域的电泳液不会相互混合或者交叉干扰。另外微杯结构的驱动电极通道使 LED芯片具有较均匀的运动空间，并且微杯的高度比较一致，比较容易实现三 种(或者多种)LED芯片的控制组装，实现RGB三种LED芯片的巨量转移。 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800 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。
在一个优选实施例中，在形成一光刻胶层于所述第一衬底顶表面上之前， 第一衬底上形成有多条从所述驱动电极延伸至第一衬底边缘的导线。
在一个优选实施例中，所述光刻胶层覆盖所述导线。
在一个优选实施例中，电连接每个LED芯片包括将每个LED芯片与驱动电 极连接，无需形成覆盖金属层、附加导电走线、或在基板上引线邦定。
在一个优选实施例中，所述方法还包括：所述驱动电极通道通过库伦力， 或者库伦力和至少一种辅助作用力捕获所述LED芯片，其中辅助作用力包括范 德华力、库伦力、约翰森-拉别克效应和机械力中的至少一种。
在一个优选实施例中，使用辅助机构用于分配所述LED芯片，所述辅助机 构选自由旋转或非旋转的刷子、擦拭器、旋转圆筒、加压流体和机械振动中的 至少一种。
在一个优选实施例中，在对所述第一衬底进行退火之前，所述驱动电极表 面涂覆有焊料。
在一个优选实施例中，电性连接每个LED芯片包括将每个所述LED芯片和 与其对应的驱动电极电性连接，而不需要在所述发光元件上施加外部压力。
在一个优选实施例中，电泳组装制备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，所述液体悬浮液选自由乙醇、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。
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的微型发光二极管显示装置的制造方法的步骤S1示 意图。
图2是本发明实施例1的微型发光二极管显示装置的制造方法的步骤S2示 意图。
图3是本发明实施例1的微型发光二极管显示装置的制造方法的步骤S3示 意图。
图4是本发明实施例1的微型发光二极管显示装置的制造方法的步骤S5示 意图。
图5是本发明实施例1的微型发光二极管显示装置的制造方法的步骤S6示 意图。
图6是本发明实施例1的微型发光二极管显示装置的制造方法的步骤S9示 意图。
图7是本发明实施例1的微型发光二极管显示装置的形成多个光转换机构 和光扩散机构的示意图。
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1-7，就本发明的实施例1的电泳组装制备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电泳组装制备LED显示器的方法， 其包括：
S1、提供一第一衬底10，如图1所示，所述第一衬底10上表面设置有多个 驱动电极101，所述第一衬底10上设置有驱动电路102，所述多个驱动电极101 与所述驱动电路102电性连接；
S2、如图2所示，形成一光刻胶层103于所述第一衬底10顶表面上，所述 光刻胶层103覆盖上述驱动电极101图案以及所述第一衬底10；
S3、如图3所示，对所述光刻胶层103进行一曝光及显影步骤，以形成驱 动电极通道104和光阻层105，其中驱动电极通道104曝露所述驱动电极101， 所述第一衬底10、上述驱动电极101、驱动电极通道104以及所述光阻层105 构成一驱动基板11；
S4、提供LED芯片201的液体悬浮液200，使所述液体悬浮液200沉浸所 述驱动基板11的顶表面，所述LED芯片201带有电荷，LED芯片201为mini-LED， LED芯片201的焊盘电极位于其侧面，其下方设有支撑构件；
S5、如图4所示，贴合一电泳基板30于所述液体悬浮液200上，其中所述 电泳基板30包括一第二衬底301和一电极层302，所述电极层302配置于所述 第二衬底301上且位于所述第二衬底301与所述第一衬底10之间；
S7、如图5所示，驱动基板11接地，对电泳基板30的电极层302施加电 压形成驱动电场E，以捕获所述LED芯片201于所述驱动电极通道104中；
S8、对所述第一衬底10进行退火；以及
S9、通过所述退火使每个LED芯片201和与其对应的驱动电极通道104的 驱动电极101电性连接，得到LED显示器，如图6所示，。
本实施例的介电泳(Dielectrophoresis，简称DEP)技术作为一种重要的微纳米结构个体操作工具，与上述流体组装技术和微接触印刷技术相比，由于没有移 动部件、不需要昂贵的设备、属于非接触非入侵式操控，且实施简单、满足大 量并行的主动式(即LED芯片201主动运动，而第一衬底10以及第二衬底301 内的所有部件静止)操作需求。
电泳组装制备LED显示器的方法施加在各个带有电荷的LED芯片201上的 定向牵引力。该高变量的定向牵引力导致速度的高变量，从而作为用于捕获的 最大组装速度存在的范围，各个LED芯片201的速度如果高于该最大阈值则不 会被驱动电极101所捕获。高变量的第二个好处是在大型(米级)基板上的组件排 布相对较快。一旦被驱动电极101所捕获，最大的应力为使组装的LED芯片201 不会从正确的方向移开，而是错位的部件被移开。将各个带有电荷的LED芯片 201捕获在特制的所述驱动电极通道104中。所述驱动电极通道104为凹槽结构， 驱动电极101为凸起结构。通过对该分散体系施加和切换电场使带有电荷的LED 芯片201在电泳基板30和驱动基板之间的腔体中产生电泳从而实现驱动电极 101对LED芯片201的捕获。在库仑力和表面能的驱使下，LED芯片201与电 介质液体被封装在驱动电极101以及驱动电极通道104中，驱动电极通道104 将电泳液分隔成细小的独立单元，有效地预防了LED芯片201的脱离以及LED 芯片201的位移。芯片与电介质液体被封装在驱动电极以及驱动电极通道104， 具有造型上的任意性，结构完整性和机械稳定性的优点，在弯曲、卷曲、受压 的情况下显示性能优异，可备裁切成任意需要的尺寸和形状，电泳显示时邻近 区域的电泳液不会相互混合或者交叉干扰。另外微杯结构的驱动电极通道104 使LED芯片201具有较均匀的运动空间，并且微杯的高度比较一致，比较容易 实现三种(或者多种)LED芯片201的控制组装，实现RGB三种LED芯片201 的巨量转移。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800万个微型组件。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。
在形成一光刻胶层103于所述第一衬底10顶表面上之前，第一衬底10上 形成有多条从所述驱动电极101延伸至第一衬底10边缘的导线。所述光刻胶层 103覆盖所述导线。
电连接每个LED芯片201包括将每个LED芯片201与驱动电极101连接， 无需形成覆盖金属层、附加导电走线、或在基板上引线邦定。
所述驱动电极101通道通过库伦力和一种辅助作用力捕获所述LED芯片 201，其中辅助作用力包括范德华力和机械力的组合。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。相比之下，范德华力、库伦力、约翰森-拉别克效应和机械力在微观 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。而库仑力通过调节驱动基板11和电泳基板之 间的电压和距离实现驱动电场E高度可控，从而精准有效的移动LED芯片201。
使用辅助机构用于分配所述LED芯片201，所述辅助机构选自由旋转或非 旋转的刷子、擦拭器、旋转圆筒、加压流体和机械振动中的至少一种。
在对所述第一衬底10进行退火之前，所述驱动电极101表面涂覆有焊料。
电性连接每个LED芯片201包括将每个所述LED芯片201和与其对应的驱 动电极101电性连接，而不需要在所述发光元件上施加外部压力。
电泳组装制备LED显示器的方法还包括：
如图7所示，形成多个光转换机构106，并覆盖于相对应的多个LED芯片 201的暴露的表面；随后形成多个光扩散机构107，并覆盖于相应的多个LED 芯片201。
所述液体悬浮液200选自由乙醇、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。
实施例2
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。
对所述驱动电极101和驱动电极层302分别施加不同的电压，形成驱动电 场以驱动所述LED芯片201被所述驱动电极101所捕获。
实施例3
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。
所述驱动电极通道104为凹槽结构，驱动电极101设置在凹槽内。
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 (10)

1.一种电泳组装制备LED显示器的方法，其特征在于，包括：
提供一第一衬底，所述第一衬底形上成有多个驱动电极；
形成一光刻胶层于所述第一衬底顶表面上，所述光刻胶层覆盖上述驱动电极图案以及至少部分所述第一衬底；
对所述光刻胶层进行一曝光及显影步骤，以形成驱动电极通道和光阻层，其中驱动电极通道至少曝露驱动电极，所述第一衬底、上述驱动电极、驱动电极通道以及所述光阻层构成一驱动基板；
提供LED芯片的液体悬浮液，使所述液体悬浮液沉浸所述驱动基板的顶表面；
贴合一电泳基板于所述液体悬浮液上，其中所述电泳基板包括一第二衬底和一电极层，所述电极层配置于所述第二衬底上且位于所述第二衬底与所述第一衬底之间；
对驱动电极和/或电极层施加电压，以捕获所述LED芯片于所述驱动电极通道中；
对所述第一衬底进行退火；以及
通过所述退火使每个LED芯片和与其对应的驱动电极通道的驱动电极电性连接。
2.根据权利要求1所述的电泳组装制备LED显示器的方法，其特征在于：在形成一光刻胶层于所述第一衬底顶表面上之前，第一衬底上形成有多条从所述驱动电极延伸至第一衬底边缘的导线。
3.根据权利要求2所述的电泳组装制备LED显示器的方法，其特征在于：所述光刻胶层覆盖所述导线。
4.根据权利要求1所述的电泳组装制备LED显示器的方法，其特征在于：电连接每个LED芯片包括将每个LED芯片与驱动电极连接，无需形成覆盖金属层、附加导电走线、或在基板上引线邦定。
5.根据权利要求1所述的电泳组装制备LED显示器的方法，其特征在于：所述方法还包括：所述驱动电极通道通过库伦力，或者库伦力和至少一种辅助作用力捕获所述LED芯片，其中辅助作用力包括范德华力、库伦力、约翰森-拉别克效应和机械力中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的电泳组装制备LED显示器的方法，其特征在于：使用辅助机构用于分配所述LED芯片，所述辅助机构选自由旋转或非旋转的刷子、擦拭器、旋转圆筒、加压流体和机械振动中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的电泳组装制备LED显示器的方法，其特征在于：在对所述第一衬底进行退火之前，所述驱动电极表面涂覆有焊料。
8.根据权利要求7所述的电泳组装制备LED显示器的方法，其特征在于：电性连接每个LED芯片包括将每个所述LED芯片和与其对应的驱动电极电性连接，而不需要在所述LED 芯片 上施加外部压力。
9.根据权利要求1所述的电泳组装制备LED显示器的方法，其特征在于：电泳组装制备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。
10.根据权利要求7所述的电泳组装制备LED显示器的方法，其特征在于：所述液体悬浮液选自由乙醇、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。
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