CN115692583A - 一种实现微型led显示器件封装制作方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种实现微型LED显示器件封装制作方法，通过设计新型的微型LED阵列显示器件结构，结合电极外引光刻工艺与贴片封装工艺，以进行微型LED阵列显示器件与驱动电路板的封装集成。一方面通过制备电极外引结构，可以增大像素的电极面积，使得贴片键合过程更容易操作且精确度更高，有效简化键合的步骤；另一方面结合漏印锡膏技术，将芯片与基板键合，减少金线或者合金等物料的使用，并且通过采用芯片高像素密度阵列式制作，提升生产效率，并降低生产成本。

Description

一种实现微型LED显示器件封装制作方法

技术领域

本申请涉及照明显示领域，尤其是涉及一种实现微型LED显示器件封装制作方法。

背景技术

近年来，高性能III族氮化物LED在显示、固态照明、通信等领域取得了巨大的发展。当LED像素尺寸小于100μm时被定义为微型LED（micro-LED），其具有亮度高、功耗低以及高可靠性等优良特性，同时由于其单个像素以及阵列像素间距可以降低至μm级别，相比于传统的LCD和OLED等显示器具有独到的优势，也被称为“新一代显示技术”，在微投影、透明显示、AR、VR等领域有广泛的应用前景。目前，市场上对于LED阵列显示器的封装路线主要是基于贴片机、固晶机、焊线机等设备与电路板进行焊接。对于micro-LED阵列显示器件封装，通常是将micro-LED阵列与TFT或CMOS等驱动电路进行倒装键合，由于micro-LED阵列显示器件像素以及电极尺寸较小，在封装过程中需要高精度的键合设备，键合工艺要求较高，并且还需要相关键合设备辅助，封装成本高而且在封装过程中也存在对micro-LED显示器件造成一定损害的风险。

为解决上述问题，现有技术中，专利公开号为CN213150775U的中国申请专利，其公开了一种采用TFT驱动的micro-LED显示封装单元。该封装单元将LED晶圆固定在电路板的正面，封装胶层封装在电路板正面并覆盖LED晶圆；电路板顶层与底层分别蚀刻发光面焊盘与转接焊盘；LED晶圆的红绿蓝芯片焊接于发光面焊盘上，然后发光面焊盘与转接焊盘通过电路板打孔实现信号连接，该单元的驱动部分为带有红绿蓝TFT驱动的玻璃基板；红绿蓝TFT驱动上固定有信号线焊盘，信号线焊盘与对应的焊线线弧固定连接。虽然该技术TFT驱动的玻璃基板在LCD领域中比较成熟，但是不难发现该技术的制备过程复杂，并且随着微型LED尺寸的进一步减小，电路板制程也越发困难，制作成本也急剧提高。

因此，现有技术无法解决当前micro-LED阵列显示器件封装技术存在的难题。针对micro-LED的封装技术现状和需求，仍然需要开发一种简单、高效且成本低的micro-LED封装制作技术，弥补现有micro-LED封装技术的缺点，加速micro-LED显示技术的产业化进程。

发明内容

为了使micro-LED的封装制作更加简单、高效且降低成本，本申请提供一种实现微型LED显示器件封装制作方法。

本申请提供的一种实现微型LED显示器件封装制作方法采用如下的技术方案：

一种实现微型LED显示器件封装制作方法，包括：

步骤一：在预设衬底上通过MOCVD进行GaN基LED外延生长形成外延片，所述外延片的外延结构包括GaN缓冲层、n型GaN层、InGaN/GaN多量子阱层、AlGaN电子阻挡层和p型GaN层；

步骤二：在基于步骤一的所述外延片上蒸镀铟锡氧化物薄膜，进行图案化曝光显影并蚀刻至所述衬底，使所述外延片形成第一台面结构；

步骤三：在基于步骤二的所述外延片上进行图案化曝光显影并蚀刻至所述n型GaN层，使所述外延片形成第二台面结构；

步骤四：基于步骤三在所述外延片表面进行图案化曝光显影，蒸镀预定厚度的金属并剥离作为n型扩展金属电极；

步骤五：基于步骤四在所述外延片表面沉积介电材料形成钝化层；

步骤六：对所述钝化层进行图案化曝光显影并对形成钝化层的所述介电材料进行蚀刻，以在所述n型GaN层表面和铟锡氧化物薄膜表面开孔，在开孔处分别蒸镀外引电极，得到新结构的微型LED阵列显示器件，所述外引电极包括n外引金属电极和p外引金属电极；

步骤七：利用贴片工艺，将所述微型LED阵列显示器件的所述外引电极作为焊接区，结合漏印锡膏技术，进行所述微型LED阵列显示器件上电极与基板的焊接。

通过采用上述技术方案，能根据步骤一至步骤七，设计新的微型LED阵列显示器件结构，将微型LED的微小电极外引变大后作为焊接区，结合LED贴片技术进行相关封装工艺，解决微型LED封装技术工艺复杂、成本高的问题，使micro-LED的封装制作更加简单、高效且降低成本。

可选的，所述步骤一中的预设衬底设置为蓝宝石、GaN或SiC衬底。

通过采用上述技术方案，预设衬底为蓝宝石、GaN或SiC衬底时，增加微型LED显示器件的透光性。

可选的，所述步骤二之前还包括：

对进行步骤一后的所述外延片进行表面清洗。

通过采用上述技术方案，进行表面清洗以去除表面的杂质。

可选的，所述步骤二中进行图案化曝光前还包括：在所述外延片上旋涂光刻胶。

通过采用上述技术方案，通过光刻胶的曝光显影进行图案化，使外延片中需要的部分能通过旋涂的光刻胶曝光显影后作为光阻保留下来。

可选的，所述步骤二中的蚀刻包括湿法化学腐蚀和干法等离子蚀刻。

通过采用上述技术方案，采用湿法化学腐蚀和干法等离子蚀刻使能将外延片中对应的外延层材料进行蚀刻。

可选的，所述步骤二包括：

在基于步骤一的所述外延片蒸镀预设厚度的铟锡氧化物薄膜作为透明电流扩展层，并对所述外延片的外延结构进行图案化曝光、显影后进行湿法化学腐蚀与干法等离子蚀刻至衬底面，形成所述外延结构的第一台面结构。

通过采用上述技术方案，使能通过图案化曝光、显影后进行湿法化学腐蚀与干法等离子蚀刻至衬底面，形成第一台面结构。

可选的，所述步骤三包括：

对所述第一台面结构进行图案化曝光、显影并进行湿法化学腐蚀至所述铟锡氧化物薄膜、与干法等离子蚀刻至所述n型GaN层，形成第二台面结构。

通过采用上述技术方案，以通过湿法化学腐蚀与等离子蚀刻分别刻蚀不同的层面，形成第二台面结构。

可选的，所述n型外引电极为蒸镀在所述第二台面结构中所述n型GaN层的两端，且与所述n型扩展金属电极连接。

通过采用上述技术方案，通过n型扩展金属电极与外引型金属电极连接，以形成大尺寸外引焊接区，提升微型LED显示器件的性能，降低封装难点。

可选的，所述步骤七包括：

步骤七一：设计好对应电极分布的电路板与钢网版图，并制备电路板与钢网，通过钢网对准电路板电极分布，在电路板上进行锡膏漏印并刮除工艺，在对应电极上沉积合适厚度的锡膏；

步骤七二：将制作好的所述电极外引型微型LED阵列显示器件与沉积完成锡膏的电路板在贴片机下进行对准焊接，然后利用热风枪进行锡膏固化，得到封装完成的芯片阵列。

通过采用上述技术方案，使得贴片键合过程更加容易操作且精确度更高，有效简化键合的步骤。

综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：

1.设计新的微型LED阵列显示器件结构，将微型LED的微小电极外引变大后作为焊接区，结合LED贴片技术进行相关封装工艺，解决微型LED封装技术工艺复杂、成本高的问题；

2.通过制备的电极外引结构，可以增大像素的电极面积，使得贴片键合过程更容易操作且精确度更高，有效简化键合的步骤；

3.结合漏印锡膏技术，将芯片与基板键合，无需金线或者合金等物料，并且通过采用芯片高像素密度阵列式制作，提升生产效率，并降低生产成本。

附图说明

图1是本申请一种实现微型LED显示器件封装制作方法其中一种实施方式的流程框图；

图2是本申请一种实现微型LED显示器件封装制作方法步骤一中获取的外延片的侧面结构示意图；

图3是本申请一种实现微型LED显示器件封装制作方法中对图1中外延片进行蚀刻后形成的第一台面结构的切面结构示意图；

图4是本申请一种实现微型LED显示器件封装制作方法中对图2中第一台面结构进行蚀刻后形成的第二台面结构的切面结构示意图；

图5是本申请一种实现微型LED显示器件封装制作方法中对图3中第二台面结构蒸镀n金属电极后的切面结构示意图；

图6是本申请一种实现微型LED显示器件封装制作方法中对图4中第二台面结构沉积钝化层后的切面结构示意图；

图7是本申请一种实现微型LED显示器件封装制作方法中对图6中第二台面结构上钝化层开孔后的切面结构示意图；

图8是本申请一种实现微型LED显示器件封装制作方法中蒸镀n金属电极和p金属电极后得到的微型LED阵列显示器件的成品示意图；

图9是本申请一种实现微型LED显示器件封装制作方法中将微型LED阵列显示器件与基板进行焊接的示意图。

附图标记：1、微型LED阵列显示器件；11、预设衬底；12、GaN缓冲层；13、n型GaN层；14、InGaN/GaN多量子阱层；15、AlGaN电子阻挡层；16、p型GaN层；17、铟锡氧化物薄膜；18、n型扩展金属电极；19、外引电极；191、n外引金属电极；192、p外引金属电极；111、钝化层；2、基板。

具体实施方式

以下结合附图对本申请作进一步详细说明。

传统的大尺寸LED封装主要基于贴片工艺和引线键合技术将LED表面电极与驱动电路板连接导通。而微型LED像素电极尺寸达到了微米级别，无法利用传统LED的封装工艺流程，对其封装需要高精度倒装键合设备进行金属互连，整体工艺复杂，封装成本较高。因此为了加速微型LED显示技术的产业化进程，降低封装工艺难度和成本，实现利用传统LED贴片键合技术也能够对微型LED进行封装，有必要对微型LED的电极结构进行优化设计，达到高效封装的目的。因此，本申请实施例公开一种实现微型LED显示器件封装制作方法。

参照图1，一种实现微型LED显示器件封装制作方法，包括：

步骤一：在预设衬底11上通过MOCVD进行GaN基LED外延生长形成外延片，外延片的外延结构主要包括GaN缓冲层12、n型GaN层13、InGaN/GaN多量子阱层14、AlGaN电子阻挡层15和p型GaN层16。

参照图2，其中，外延片中的GaN缓冲层12是为了生长晶体质量更好的n型GaN薄膜；n型GaN层13用于提供电子，p型GaN层16用于提供与电子复合的空穴；AlGaN电子阻挡层15是为了使n型GaN层13提供的电子和p型GaN层16提供的空穴能在量子阱中进行有效的复合以增加发光效率，在其他实施例中，根据不同的需求还可设置不同的结构层包括超晶格层、电流扩展层等，设置的超晶格层与电流扩展层均介于n型GaN层13和InGaN/GaN多量子阱层14之间，超晶格层能增强载流子的隧穿耦合，电流扩展层能增强电子的传输。

MOCVD（Metal-Organic-Chemical-Vapor-Deposition）为金属有机化合物化学气相沉淀，在本实施例中通过MOCVD在预设衬底11上进行GaN基外延片的外延生长。在本实施例中预设衬底11可采用蓝宝石、GaN或SiC衬底，在其他实施例中也可根据实际需求进行对应的设置。且在步骤二蒸镀铟锡氧化物薄膜17前还需对外延片的表面进行清洗，以减少外延片表面的杂质。

步骤二：在基于步骤一的外延片上蒸镀铟锡氧化物薄膜17，进行图案化曝光显影并蚀刻至衬底，使外延片形成第一台面结构。

参照图3，铟锡氧化物又称为氧化铟锡（Indium Tin Oxide，ITO），主要的特性是铟锡氧化物的电学传导和光学透明，因此在本实施例中作为透明电流扩展层，起到导光与导电的作用。对于步骤二，还包括以下步骤：

在外延片中需要生长外延结构的整个面旋涂光刻胶，然后曝光显影进行图案化，需要保留的地方有光刻胶，其它裸露的地方进行蚀刻去除。光刻胶又称为光致抗蚀剂，是指通过、、、等的照射或辐射，其发生变化的耐蚀剂刻薄膜材料，在光刻工艺过程中，用作抗腐蚀覆层的材料，在本实施例中，外延片在加工过程前涂覆光刻胶，可在外延片上得到所需形状的外延结构，外延结构中第一台面结构为进行图案化曝光、显影后蚀刻至预设衬底11后光刻胶所保留的部分。而图案化曝光为在外延片上绘制微型LED阵列显示器件1图案的过程，以使光刻胶在外延片对应所需微型LED阵列显示器件1进行针对性改变。

步骤三：在基于步骤二的外延片上进行图案化曝光显影并蚀刻至n型GaN层13，使外延片形成第二台面结构。参照图4，第二台面结构为将n型GaN层13以上层级的一部分进行蚀刻以使n型GaN层13上表面部分显露所形成的台面结构，显露出的n型GaN层13便于后续蒸镀n型扩展金属电极18后，n型扩展金属电极18与外引电极19进行连接。在本实施例中对于第二台面结构的蚀刻中，与上一步骤不同，在进行图案化曝光后，湿法化学腐蚀是对ITO层进行腐蚀，而干法蚀刻是蚀刻至n型GaN层13，形成第二台面结构。

步骤四：基于步骤三在外延片表面进行图案化曝光显影，蒸镀预定厚度的金属并剥离作为n型扩展金属电极18。参照图5，n型扩展金属电极18为蒸镀在第二台面结构的表面，特别的，步骤二中在外延片表面进行图案化曝光、显影使蒸镀的预定厚度的金属为蒸镀在第二台面结构中n型GaN表面，蒸镀的预定厚度金属薄膜材质可为Ti/Au，Ti/Al，Ti/Al/Ti/Au，Cr/Au等，降低载流子在n型层间的传输电阻。

步骤五：基于步骤四在外延片表面沉积介电材料形成钝化层111。参照图6，在本实施例中，钝化层111所使用的介电材料可设为二氧化硅、氮化硅、氧化铝等材料，钝化层111将外延结构整体进行包覆，进行n外引金属电极191与p外引金属电极192间的电学隔离，同时进行器件侧壁的保护降低漏电概率，增加器件寿命。

步骤六：对钝化层111进行图案化曝光显影并对形成钝化层111的介电材料进行蚀刻，以在n型GaN层13表面和铟锡氧化物薄膜17表面开孔，在开孔处分别蒸镀外引电极19，得到新型结构的微型LED阵列显示器件1，外引电极19包括n外引金属电极191和p外引金属电极192。参照图7，n型GaN层13表面和铟锡氧化物薄膜17表面开孔，目的是去除n型GaN层13表面的介电材料，漏出n型扩展金属电极18，以便于在漏出的n型扩展金属电极18上沉积外引电极19，开孔位置位于n型扩展金属电极18的两端其中，参照图8中微型LED阵列显示器件1的成品示意图，其中微型LED阵列显示器件1中单个器件的尺寸大小小于100μm，对应n外引金属电极191和p外引金属电极192分布如图8所示，使能进行电极外引，其中外引电极19的n外引金属电极191和p外引金属电极192的大小为300-1000μm，使得能够增加微型LED阵列显示器件1中每一像素的电极面积，便于下一步骤中的贴片键合过程。

步骤七：利用贴片工艺，将微型LED阵列显示器件1的外引电极19作为焊接区，结合漏印锡膏技术，进行微型LED阵列显示器件1上电极与基板2的焊接。

参照图9，步骤七包括：

步骤七一：设计好对应电极分布的电路板与钢网版图，并制备电路板与钢网，通过钢网对准电路板电极分布，在电路板上进行锡膏漏印并刮除工艺，在对应电极上沉积合适厚度的锡膏。参照图9，微型LED阵列显示器件1即为图中的micro-LED array，对应n外引金属电极191和p外引金属电极192分布的电路板与钢网版图的电极分布设计可采用AltiumDesigner等软件进行设计。钢网为对应电路板上的n金属电极和p金属电极的分布进行设计，钢网上存在有对应n外引金属电极191和p外引金属电极192的焊盘孔，在钢网上沉积合适厚度的锡膏，使锡膏的位置对应n外引金属电极191和p外引金属电极192的分布位置。

步骤七二：将制作好的电极外引型微型LED阵列显示器件1与沉积完成锡膏的电路板在贴片机下进行对准焊接，然后利用热风枪进行锡膏固化，得到封装完成的芯片阵列。在本实施例中，当将微型LED阵列显示器件1进行与电路板进行焊接时，只需将微型LED阵列显示器件1上的n外引金属电极191和p外引金属电极192的分布对应电路板上锡膏的位置进行贴片键合，然后利用热风枪等加热工具对锡膏进行固化即可得到封装完成的芯片阵列。

本申请实施例一种实现微型LED显示器件封装制作方法的实施原理为：

步骤一：在预设衬底11上通过MOCVD进行GaN基LED外延生长形成外延片，外延片的外延结构包括GaN缓冲层12、n型GaN层13、InGaN/GaN多量子阱层14、AlGaN电子阻挡层15和p型GaN层；

步骤二：在基于步骤一的外延片上蒸镀铟锡氧化物薄膜，进行图案化曝光显影并蚀刻至衬底，使外延片形成第一台面结构；

步骤三：在基于步骤二的外延片上进行图案化曝光显影并蚀刻至n型GaN层，使外延片形成第二台面结构；

步骤四：基于步骤三在外延片表面进行图案化曝光显影，蒸镀预定厚度的金属并剥离作为n型扩展金属电极；

步骤五：基于步骤四在外延片表面沉积介电材料形成钝化层；

步骤六：对钝化层进行图案化曝光显影并对形成钝化层的介电材料进行蚀刻，以在n型GaN层表面和铟锡氧化物薄膜表面开孔，在开孔处分别蒸镀外引电极，得到新结构的微型LED阵列显示器件，外引电极包括n外引金属电极和p外引金属电极；

步骤七：利用贴片工艺，将微型LED阵列显示器件的外引电极作为焊接区，结合漏印锡膏技术，进行微型LED阵列显示器件上电极与基板的焊接。

根据步骤一至步骤七，对微型LED阵列显示器件结构进行优化，以设计新的微型LED阵列显示器件电极分布，进行电极外引设计，形成大尺寸外引焊接区域，并结合大尺寸LED的封装贴片工艺，能够有效地实现微型LED阵列显示器件的封装，降低的封装工艺难度与成本，同时也提高了器件的封装良率。

以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种实现微型LED显示器件封装制作方法，其特征在于，包括：

步骤一：在预设衬底（11）上通过MOCVD进行GaN基LED外延生长形成外延片，所述外延片的外延结构包括GaN缓冲层（12）、n型GaN层（13）、InGaN/GaN多量子阱层（14）、AlGaN电子阻挡层（15）和p型GaN层（16）；

步骤二：在基于步骤一的所述外延片上蒸镀铟锡氧化物薄膜（17），进行图案化曝光显影并蚀刻至所述衬底，使所述外延片形成第一台面结构；

步骤三：在基于步骤二的所述外延片上进行图案化曝光显影并蚀刻至所述n型GaN层（13），使所述外延片形成第二台面结构；

步骤四：基于步骤三在所述外延片表面进行图案化曝光显影，蒸镀预定厚度的金属并剥离作为n型扩展金属电极（18）；

步骤五：基于步骤四在所述外延片表面沉积介电材料形成钝化层（111）；

步骤六：对所述钝化层（111）进行图案化曝光显影并对形成钝化层（111）的所述介电材料进行蚀刻，以在所述n型GaN层（13）表面和铟锡氧化物薄膜（17）表面开孔，在开孔处分别蒸镀外引电极（19），得到新结构的微型LED阵列显示器件（1），所述外引电极（19）包括n外引金属电极（191）和p外引金属电极（192）；

步骤七：利用贴片工艺，将所述微型LED阵列显示器件（1）的所述外引电极（19）作为焊接区，结合漏印锡膏技术，进行所述微型LED阵列显示器件（1）上电极与基板（2）的焊接。

2.根据权利要求1所述的一种实现微型LED显示器件封装制作方法，其特征在于，所述步骤一中的预设衬底（11）设置为蓝宝石、GaN或SiC衬底。

3.根据权利要求1所述的一种实现微型LED显示器件封装制作方法，其特征在于，所述步骤二之前还包括：

对进行步骤一后的所述外延片进行表面清洗。

4.根据权利要求1所述的一种实现微型LED显示器件封装制作方法，其特征在于，所述步骤二中进行图案化曝光前还包括：在所述外延片上旋涂光刻胶。

5.根据权利要求1所述的一种实现微型LED显示器件封装制作方法，其特征在于，所述步骤二中的蚀刻包括湿法化学腐蚀和干法等离子蚀刻。

6.根据权利要求1所述的一种实现微型LED显示器件封装制作方法，其特征在于，所述步骤二包括：

在基于步骤一的所述外延片蒸镀预设厚度的铟锡氧化物薄膜（17）作为透明电流扩展层，并对所述外延片的外延结构进行图案化曝光、显影后进行湿法化学腐蚀与干法等离子蚀刻至衬底面，形成所述外延结构的第一台面结构。

7.根据权利要求1所述的一种实现微型LED显示器件封装制作方法，其特征在于，所述步骤三包括：

对所述第一台面结构进行图案化曝光、显影并进行湿法化学腐蚀至所述铟锡氧化物薄膜（17）、与干法等离子蚀刻至所述n型GaN层（13），形成第二台面结构。

8.根据权利要求1所述的一种实现微型LED显示器件封装制作方法，其特征在于，所述步骤四中的n型扩展金属电极（18）为蒸镀在所述第二台面结构的表面。

9.根据权利要求1所述的一种实现微型LED显示器件封装制作方法，其特征在于，所述外引电极（19）为蒸镀在所述第二台面结构中所述n型GaN层（13）的两端，且与所述n型扩展金属电极（18）连接。

10.根据权利要求1所述的一种实现微型LED显示器件封装制作方法，其特征在于，所述步骤七包括：

步骤七一：设计好对应电极分布的电路板与钢网版图，并制备电路板与钢网，通过钢网对准电路板电极分布，在电路板上进行锡膏漏印并刮除工艺，在对应电极上沉积合适厚度的锡膏；

步骤七二：将制作好的所述电极外引型微型LED阵列显示器件（1）与沉积完成锡膏的电路板在贴片机下进行对准焊接，然后利用热风枪进行锡膏固化，得到封装完成的芯片阵列。

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