CN117080106A - 一种用于led芯片巨量转移的实时共位检测装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于LED芯片巨量转移的实时共位检测装置及使用方法，属于半导体光电技术领域，包括对位系统、转移系统和光学检测系统，对位系统包括平台底座和设置于平台底座上方的纵向过渡底板、横向过渡底板、弓形支座，转移系统包括目标基板、芯片载板组件、激光头底座，光学检测系统包括相机固定器、顶部CCD相机、传感器固定器、对位光纤图像传感器、鼓包光纤图像传感器和板侧检测光纤图像传感器。本发明采用上述结构的一种用于LED芯片巨量转移的实时共位检测装置及使用方法，使激光头、芯片和PCB板焊盘三者垂直共位，借助两台光纤图像传感器实时检测板侧坏点芯片与晶膜鼓包尺寸，通过两台设备的图像检测转移结果，有利于提升芯片转移效率。

Description

一种用于LED芯片巨量转移的实时共位检测装置及使用方法

技术领域

本发明涉及半导体光电技术领域，尤其是涉及一种用于LED芯片巨量转移的实时共位检测装置及使用方法。

背景技术

Mini/Micro LED具备使用寿命长、能量利用效率高、画面显示品质高、能耗低、响应时间短、极限分辨率高等优点，是新一代显示技术发展的主流。巨量转移是Mini/MicroLED显示屏生产中的关键环节，将几百万甚至上千万颗Mini/Micro LED微芯片以单独或成组的形式从源晶膜分离，并精准转移至PCB板对应像素电极上的工艺过程，可应用于不同尺寸、不同材质显示屏的制作。工业生产要求芯片巨量转移良率不低于99.99％，转移误差优于±14μm，为保证芯片转移良率，提升屏幕显示效果，需通过特定的检测装置去实时检测源晶膜上芯片转移姿态及PCB板上芯片转移质量。在芯片转移的过程中，当芯片未从源晶膜脱落或未精准脱落至PCB板焊点位置时,继续转移会增加芯片坏点率。因此，光学视觉系统在芯片转移的实时检测极为重要。

在芯片转移过程中，芯片对位误差大小和晶膜鼓包高度会直接影响转移结果。在转移过程中，鼓包高度过小会导致芯片无法接触PCB板上的锡膏从而无法脱落，鼓包高度接触到PCB板但鼓包过大会导致相邻芯片发生剐蹭，影响后续转移。传统机器视觉系统受制于转移工装与相机和镜头大小，难以完成对晶膜与PCB板间隙中鼓包高度的测量。同时，膜侧检测装置只能在转移前进行检测，难以完成转移后对转移结果的检测，传统板侧检测装置受制于行程原因，限制了转移效率的提升。因此，亟需一种巨量转移用检测装置去实时检测晶膜鼓包高度和板侧坏点芯片。

授权发明专利15148036346.3的一种摆臂式巨量转移方法，通过晶膜与PCB板上方固定的CCD工业相机获取芯片和PCB板焊盘的坐标，通过转移头的电磁吸力拾取芯片并释放到PCB板焊盘上，实现了对板侧转移过程的实时检测，但是该方法转移头、芯片和PCB板焊盘在垂直方向不共位，转移头行程较大，限制了转移效率的提升。

授权发明专利151611436044.0的一种针刺式巨量转移方法，使用刺晶头将晶膜上的芯片转移至PCB板焊盘上，刺晶头、芯片和目标晶位在垂直方向共位，减小了芯片行程，提升了转移速度，但该方法相机与刺晶头不共位，无法进行转移过程中坏点芯片的实时检测，降低了芯片转移良率。综上，使用板侧测转实时的检测方法会有较高的转移质量，但易导致测转不共位，转移行程过大，限制转移速度的提升；使用测转共位的检测方法能有效提高转移速度，但易导致测转不实时，无法实时检测坏点芯片，限制转移良率的提升。

受理专利152161448336.2的一种LED芯片巨量转移用测转实时共位的检测装置，借助两台夹角为70°的相机测量激光头的两条投影反向延长线交点，实现了芯片转移的测转实时共位，但该方法受激光头工装安装误差影响较大，在激光头垂直方向安装误差偏大时，该装置精度会显著下降。

受理专利15198120641.2的一种LED芯片巨量转移用自补偿测转实时共位的检测装置，使用三台夹角为60°的相机，借助目标基板平台与载晶平台上的标定板进行相机实时标定，有效提升了芯片定位精度与对坏点芯片检测的鲁棒性。但上述方法只针对膜侧坏点芯片进行检测，无法完成板侧坏点芯片的检测。同时，上述方法均未提出有效的针对晶膜鼓包尺寸的检测方法，无法对鼓包高度异常芯片进行检测，极大限制了芯片转移良率的提升。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于LED芯片巨量转移的实时共位检测装置及使用方法，使激光头、芯片和PCB板焊盘三者垂直共位，借助两台光纤图像传感器实时检测板侧坏点芯片与晶膜鼓包尺寸，通过两台设备的图像检测转移结果，有利于提升芯片转移效率。

为实现上述目的，本发明提供了一种用于LED芯片巨量转移的实时共位检测装置，包括对位系统、转移系统和光学检测系统，对位系统包括平台底座和设置于平台底座上方的纵向过渡底板、横向过渡底板、弓形支座，横向过渡底板与纵向过渡底板滑动连接，纵向过渡底板与平台底座滑动连接，弓形支座与平台底座固定连接，弓形大理石的中部设置有滑槽，转移系统包括目标基板、芯片载板组件、激光头底座，光学检测系统包括相机固定器、顶部CCD相机、传感器固定器、对位光纤图像传感器、鼓包光纤图像传感器和板侧检测光纤图像传感器，目标基板通过若干支撑柱固定在横向过渡底板上，激光头底座设置于目标基板上方，激光头底座与弓形支座的顶面滑动连接，激光头底座的前端面顶部设置有激光发生器和顶部CCD相机，对位光纤图像传感器固定在激光头底座的前端面中部，鼓包光纤图像传感器和板侧检测光纤图像传感器设置于激光头底座的底部并朝向芯片载板组件，芯片载板组件包括芯片载板和晶膜，芯片载板的顶端与滑槽滑动连接，芯片载板的底端设置有凹槽，晶膜设置于凹槽内，晶膜的下表面粘接有若干芯片。

优选的，平台底座的上表面左右两端分别设置有纵向左导轨、纵向右导轨，纵向过渡底板的底面两端通过若干纵向滑块与纵向左导轨、纵向右导轨滑动连接，纵向过渡底板的上表面前后两端分别设置有横向前导轨和横向后导轨，横向过渡底板的底面前后两端分别通过若干横向滑块与横向前导轨、横向后导轨滑动连接，横向过渡底板的顶面四角分别设置有支撑柱，支撑柱的顶端与目标基板的底面四角固定连接。

优选的，弓形支座固定在平台底座的上表面后端，弓形支座跨设于纵向左导轨和纵向右导轨上方，弓形支座的顶面中部设置有平行排列的激光头左轨道和激光头右轨道，激光头左轨道和激光头右轨道与纵向左导轨、纵向右导轨平行，激光头底座通过若干滑块与激光头左轨道和激光头右轨道滑动连接，弓形支座中部的滑槽内设置有载板组件前轨道和载板组件后轨道，载板组件前轨道和载板组件后轨道与横向前导轨、横向后导轨平行，芯片载板通过若干滑块与横向前导轨、横向后导轨滑动连接，芯片载板位于弓形支座与激光头底座之间。

优选的，顶部CCD相机通过相机固定架与激光头底座的前端面固定连接，顶部CCD相机的镜头朝向芯片载板，芯片载板与目标基板的平行，芯片载板的下表面位于目标基板的上表面0.7mm±0.1mm处。

优选的，目标基板包括基载板、PCB板和标定板，基载板位于最底部并与支撑柱固定连接，基载板的上表面设置有放置槽，PCB板设置于放置槽中，标定板为放置槽右方使用激光刻蚀的图案。

优选的，对位光纤图像传感器通过传感器固定器固定在激光头底座的前表面中部，对位光纤图像传感器与激光头底座倾斜接触，对位光纤图像传感器的光轴与激光发生器的光路在芯片载板处交叉；

鼓包光纤图像传感器和板侧检测光纤图像传感器通过螺纹固定在激光头底座底部的螺纹孔内，鼓包光纤图像传感器的光轴位于目标基板与芯片载板之间并与激光发生器的光路垂直，板侧检测光纤图像传感器位于鼓包光纤图像传感器前方，板侧检测光纤图像传感器的光轴位于目标基板上表面与激光发生器的光路接触处。

一种用于LED芯片巨量转移的实时共位检测装置的使用方法，步骤如下：

S1：顶部CCD相机扫描目标基板上表面的标定板，完成相机标定；使用对位光纤图像传感器扫描芯片载板组件，估算扫描区域晶膜凹凸角度；

S2：移动目标基板至顶部CCD相机的相机视野下，扫描目标基板上的PCB板焊盘，以PCB板焊盘为标准参照物，完成PCB板倾斜角度计算；

S3：顶部CCD相机扫描PCB板MARK点，通过补偿PCB板倾斜角度与相机位姿误差后，完成PCB板焊盘坐标计算；

S4：移动芯片载板组件至顶部CCD相机的相机视野下，扫描芯片载板组件上一定数量的芯片，完成芯片定位；

S4：移动芯片载板组件、目标基板和激光头底座，使激光发生器、芯片和PCB板三点一线，对位光纤图像传感器拍照，检测三者对位误差是否符合精度要求，若对位误差大于可接受误差，中止转移，系统报警，排查问题后重复S1-S4；

S6：开启激光发生器，照射芯片载板组件上的晶膜，使晶膜鼓包，让晶膜上的芯片接触目标基板焊盘上带有粘性的锡膏，将芯片转移至目标基板焊盘上，同时鼓包光纤图像传感器拍照，检测鼓包高度与直径，若鼓包高度未到达所需高度或鼓包过大时，中止转移，系统报警，排查问题后重复S1-S6；

S7：板侧检测光纤图像传感器拍照，检测转移结果，若转移结果不符合需求，中止转移，系统报警，排查问题后重复S1-S7。

因此，本发明采用上述结构和步骤的一种用于LED芯片巨量转移的实时共位检测装置及使用方法，利用光纤图像传感器体积小的优势，实现芯片转移过程中对板侧坏点芯片与晶膜鼓包的实时检测，实现了板侧测转实时共位。与现有摆臂式巨量转移检测方案相比，实现了转移的测转共位，缩短了芯片行程，提高了转移速度。与现有针刺式巨量转移方案相比，实现了转移过程中实时检测，提高了转移良率。与现有正交双相机测转实时共位转移检测装置和三相机自补偿测转实时共位转移检测装置相比，本方案通过下方的光纤图像传感器，实现了对晶膜鼓包尺寸与板侧坏点芯片的检测，有效提升了转移良率，特别适用于Mini/Micro LED芯片巨量转移。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明一种用于LED芯片巨量转移的实时共位检测装置实施例的结构示意图；

图2为本发明实施例的对位系统结构示意图；

图3为本发明实施例的转移系统结构示意图；

图4为本发明实施例的光学检测系统结构示意图；

图5为本发明实施例的芯片载板结构示意图；

图6为本发明实施例的目标基板结构示意图。

附图标记

1、平台底座；2A、纵向左导轨；2B、纵向右导轨；3、纵向滑块；4、纵向过渡底板；5A、横向前导轨；5B、横向后导轨；6、横向滑块；7、横向过渡底板；8、弓形支座；801、滑槽；9A、载板组件前轨道；9B、载板组件后轨道；10、载板滑块；11A、激光头左轨道；11B、激光头右轨道；12、顶部滑块；13、支撑柱；14、目标基板；1401、基载板；1402、PCB板；1403、标定板；1404、放置槽；15、芯片载板组件；1501、芯片载板；1502、晶膜；1503、芯片；16、激光头底座；17、激光发生器；18、相机固定器；19、顶部CCD相机；20、传感器固定器；21、对位光纤图像传感器；22、鼓包光纤图像传感器；23、板侧检测光纤图像传感器。

具体实施方式

以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

实施例

如图1所示，一种用于LED芯片巨量转移的实时共位检测装置，包括对位系统、转移系统和光学检测系统。

如图2所示，对位系统包括平台底座1和设置于平台底座1上方的纵向过渡底板4、横向过渡底板7、弓形支座8，平台底座1的上表面左右两端分别设置有纵向左导轨2A、纵向右导轨2B，纵向过渡底板4的底面两端通过四个纵向滑块3与纵向左导轨2A、纵向右导轨2B滑动连接。纵向过渡底板4的上表面前后两端分别设置有横向前导轨5A和横向后导轨5B，横向过渡底板7的底面前后两端分别通过若干横向滑块6与横向前导轨5A、横向后导轨5B滑动连接。

横向过渡底板7的顶面四角分别设置有支撑柱13，支撑柱13的顶端与目标基板14的底面四角固定连接，可通过调整支撑柱13改变目标基板14的平整度。目标基板14在纵向过渡底板4、横向过渡底板7的带动下具有纵向和横向两个方向移动的自由度。

弓形支座8与平台底座1固定连接，弓形支座8采用大理石材质，弓形支座8固定在平台底座1的上表面后端，弓形支座8跨设于纵向左导轨2A和纵向右导轨2B上方。弓形支座8的顶面中部设置有平行排列的激光头左轨道11A和激光头右轨道11B，激光头左轨道11A和激光头右轨道11B与纵向左导轨2A、纵向右导轨2B平行。弓形大理石的中部设置有滑槽801，滑槽801内设置有载板组件前轨道9A和载板组件后轨道9B，载板组件前轨道9A和载板组件后轨道9B与横向前导轨5A、横向后导轨5B平行。

如图3所示，转移系统包括目标基板14、芯片载板组件15、激光头底座16，光学检测系统包括相机固定器18、顶部CCD相机19、传感器固定器20、对位光纤图像传感器21、鼓包光纤图像传感器22和板侧检测光纤图像传感器23，目标基板14通过若干支撑柱13固定在横向过渡底板7上，激光头底座16设置于目标基板14上方，激光头底座16通过若干顶部滑块12与激光头左轨道11A和激光头右轨道11B滑动连接。

如图4所示，激光头底座16的前端面顶部设置有激光发生器17和顶部CCD相机19，激光发生器17通过紧固螺钉与激光头底座16固定连接。顶部CCD相机19位于激光头底座16的右方，顶部CCD相机19通过相机固定架与激光头底座16的前端面固定连接。顶部CCD相机19位于相机固定器18的套筒内侧，并通过橡胶圈固定在相机固定器18的套筒内。

对位光纤图像传感器21通过传感器固定器20固定在激光头底座16的前表面中部。鼓包光纤图像传感器22和板侧检测光纤图像传感器23通过螺纹固定在激光头底座16底部的螺纹孔内，板侧检测光纤图像传感器23位于鼓包光纤图像传感器22前方。当激光头底座16沿着激光头左轨道11A和激光头右轨道11B滑动时，其上的光学检测系统随之滑动。

如图5所示，芯片载板组件15包括芯片载板1501和晶膜1502，芯片载板1501的顶端通过若干载板滑块10与横向前导轨5A、横向后导轨5B滑动连接，芯片载板1501位于弓形支座8与激光头底座16之间。芯片载板1501的底端设置有凹槽，晶膜1502设置于凹槽内，晶膜1502的下表面粘接有若干芯片1503。顶部CCD相机19的镜头朝向芯片载板1501，芯片载板1501与目标基板14的平行，芯片载板1501的下表面位于目标基板14的上表面0.7mm±0.1mm处。

如图6所示，目标基板14包括基载板1401、PCB板1402和标定板1403，基载板1401位于最底部并与支撑柱13固定连接，基载板1401的上表面设置有放置槽1404，PCB板1402设置于放置槽1404中，标定板1403为放置槽1404右方使用激光刻蚀的图案。

对位光纤图像传感器21与激光头底座16倾斜接触，对位光纤图像传感器21的光轴与激光发生器17的光路在芯片载板1501处交叉；鼓包光纤图像传感器22的光轴位于目标基板14与芯片载板1501之间并与激光发生器17的光路垂直，板侧检测光纤图像传感器23的光轴位于目标基板14上表面与激光发生器17的光路接触处。

如上所述的实时共位检测装置的使用方法，可分为相机标定、视觉定位和转移检测三个阶段，步骤如下：

相机标定：

S1：顶部CCD相机19扫描目标基板14上表面的标定板1403，完成相机标定，实现对位光纤图像传感器21位姿计算；使用对位光纤图像传感器21扫描芯片载板组件15，估算扫描区域晶膜1502凹凸角度。

视觉定位：

S2：移动目标基板14至顶部CCD相机19的相机视野下，扫描目标基板14上的PCB板1402焊盘，以PCB板1402焊盘为标准参照物，完成PCB板1402倾斜角度计算；

S3：顶部CCD相机19扫描PCB板1402MARK点，通过补偿PCB板1402倾斜角度与相机位姿误差后，完成PCB板1402焊盘坐标计算；

S4：移动芯片载板组件15至顶部CCD相机19的相机视野下，扫描芯片载板组件15上一定数量的芯片1503，完成芯片1503定位；

S5：移动芯片载板组件15、目标基板14和激光头底座16，使激光发生器17、芯片1503和PCB板1402三点一线，对位光纤图像传感器21拍照，检测三者对位误差是否符合精度要求，若对位误差大于可接受误差，中止转移，系统报警，排查问题后重复S1-S4；

转移检测：

S6：开启激光发生器17，照射芯片载板组件15上的晶膜1502，使晶膜1502鼓包，让晶膜1502上的芯片1503接触目标基板14焊盘上带有粘性的锡膏，将芯片1503转移至目标基板14焊盘上，同时鼓包光纤图像传感器22拍照，检测鼓包高度与直径，若鼓包高度未到达所需高度或鼓包过大时，中止转移，系统报警，排查问题后重复S1-S6；此外，在转移之前，鼓包光纤图像传感器22可在下方没有PCB板的情况下进行实验，测量鼓包高度，根据测量结果改进实验变量；

S7：板侧检测光纤图像传感器23拍照，检测转移结果，若转移结果不符合需求，中止转移，系统报警，排查问题后重复S1-S7。

另外，除了上文提及的激光式芯片转移设备，对于针刺式巨量芯片转移的设备，本发明所提出的技术同样有效。将激光头替换成针刺操作头，通过鼓包光纤图像传感器22检测针刺时针头的刺入深度，能检测针刺转移的过程是否合格，也同样具有转移之前无PCB板情况的实验功能。

对于采用针刺式巨量转移生产的设备，由于能够检测刺入深度，除了面对传统PCB电路板，面对更易碎的玻璃基显示屏，能够更好的控制刺入深度，可以作为安全冗余设计增加生产良品率。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种用于LED芯片巨量转移的实时共位检测装置，其特征在于：包括对位系统、转移系统和光学检测系统，对位系统包括平台底座和设置于平台底座上方的纵向过渡底板、横向过渡底板、弓形支座，横向过渡底板与纵向过渡底板滑动连接，纵向过渡底板与平台底座滑动连接，弓形支座与平台底座固定连接，弓形大理石的中部设置有滑槽，转移系统包括目标基板、芯片载板组件、激光头底座，光学检测系统包括相机固定器、顶部CCD相机、传感器固定器、对位光纤图像传感器、鼓包光纤图像传感器和板侧检测光纤图像传感器，目标基板通过若干支撑柱固定在横向过渡底板上，激光头底座设置于目标基板上方，激光头底座与弓形支座的顶面滑动连接，激光头底座的前端面顶部设置有激光发生器和顶部CCD相机，对位光纤图像传感器固定在激光头底座的前端面中部，鼓包光纤图像传感器和板侧检测光纤图像传感器设置于激光头底座的底部并朝向芯片载板组件，芯片载板组件包括芯片载板和晶膜，芯片载板的顶端与滑槽滑动连接，芯片载板的底端设置有凹槽，晶膜设置于凹槽内，晶膜的下表面粘接有若干芯片。

2.根据权利要求1所述的一种用于LED芯片巨量转移的实时共位检测装置，其特征在于：平台底座的上表面左右两端分别设置有纵向左导轨、纵向右导轨，纵向过渡底板的底面两端通过若干纵向滑块与纵向左导轨、纵向右导轨滑动连接，纵向过渡底板的上表面前后两端分别设置有横向前导轨和横向后导轨，横向过渡底板的底面前后两端分别通过若干横向滑块与横向前导轨、横向后导轨滑动连接，横向过渡底板的顶面四角分别设置有支撑柱，支撑柱的顶端与目标基板的底面四角固定连接。

3.根据权利要求2所述的一种用于LED芯片巨量转移的实时共位检测装置，其特征在于：弓形支座固定在平台底座的上表面后端，弓形支座跨设于纵向左导轨和纵向右导轨上方，弓形支座的顶面中部设置有平行排列的激光头左轨道和激光头右轨道，激光头左轨道和激光头右轨道与纵向左导轨、纵向右导轨平行，激光头底座通过若干滑块与激光头左轨道和激光头右轨道滑动连接，弓形支座中部的滑槽内设置有载板组件前轨道和载板组件后轨道，载板组件前轨道和载板组件后轨道与横向前导轨、横向后导轨平行，芯片载板通过若干滑块与横向前导轨、横向后导轨滑动连接，芯片载板位于弓形支座与激光头底座之间。

4.根据权利要求1所述的一种用于LED芯片巨量转移的实时共位检测装置，其特征在于：顶部CCD相机通过相机固定架与激光头底座的前端面固定连接，顶部CCD相机的镜头朝向芯片载板，芯片载板与目标基板的平行，芯片载板的下表面位于目标基板的上表面0.7mm±0.1mm处。

5.根据权利要求4所述的一种用于LED芯片巨量转移的实时共位检测装置，其特征在于：目标基板包括基载板、PCB板和标定板，基载板位于最底部并与支撑柱相连接，基载板的上表面设置有放置槽，PCB板设置于放置槽中，标定板为放置槽右方使用激光刻蚀的图案。

6.根据权利要求5所述的一种用于LED芯片巨量转移的实时共位检测装置，其特征在于：对位光纤图像传感器通过传感器固定器固定在激光头底座的前表面中部，对位光纤图像传感器与激光头底座倾斜接触，对位光纤图像传感器的光轴与激光发生器的光路在芯片载板处交叉；

鼓包光纤图像传感器和板侧检测光纤图像传感器通过螺纹固定在激光头底座底部的螺纹孔内，鼓包光纤图像传感器的光轴位于目标基板与芯片载板之间并与激光发生器的光路垂直，板侧检测光纤图像传感器位于鼓包光纤图像传感器前方，板侧检测光纤图像传感器的光轴位于目标基板上表面与激光发生器的光路接触处。

7.如权利要求1-6任意一项所述的一种用于LED芯片巨量转移的实时共位检测装置的使用方法，其特征在于：步骤如下：

S1：顶部CCD相机扫描目标基板上表面的标定板，完成相机标定；

S2：移动目标基板至顶部CCD相机的相机视野下，扫描目标基板上的PCB板焊盘，以PCB板焊盘为标准参照物，完成PCB板倾斜角度计算；

S3：顶部CCD相机扫描PCB板MARK点，通过补偿PCB板倾斜角度与相机位姿误差后，完成PCB板焊盘坐标计算；

S4：移动芯片载板组件至顶部CCD相机的相机视野下，扫描芯片载板组件上一定数量的芯片，完成芯片定位；

S4：移动芯片载板组件、目标基板和激光头底座，使激光发生器、芯片和PCB板三点一线，对位光纤图像传感器拍照，检测三者对位误差是否符合精度要求，若对位误差大于可接受误差，中止转移，系统报警，排查问题后重复S1-S4；

S6：开启激光发生器，照射芯片载板组件上的晶膜，使晶膜鼓包，让晶膜上的芯片接触目标基板焊盘上带有粘性的锡膏，将芯片转移至目标基板焊盘上，同时鼓包光纤图像传感器拍照，检测鼓包高度与直径，若鼓包高度未到达所需高度或鼓包过大时，中止转移，系统报警，排查问题后重复S1-S6；

S7：板侧检测光纤图像传感器拍照，检测转移结果，若转移结果不符合需求，中止转移，系统报警，排查问题后重复S1-S7。