KR102031296B1 - 발광 다이오드들 및 이를 패키징하는 방법 - Google Patents

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로버트 에프. 카를리케크
제임스 지안-퀴앙 루
찰스 샌포드 굿윈
안톤 트카첸코
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렌슬러 폴리테크닉 인스티튜트
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Abstract

발광 다이오드(LED) 다이들의 어레이를 기판 상에 어셈블링하는 방법이 본 명세서에 기재되며, 그 방법은, 다이들을 유체에 포지셔닝시키는 단계; 기판 상에 또는 기판에 근접하여, 미리-결정된 위치들에 배열된 자석들 상으로 다이들을 끌어당기기 위해 다이들을 자기력에 노출시키는 단계; 및 다이들과 기판 사이에 영구적인 접속들을 형성하여, 기판 상에 LED 다이들의 어레이를 구성하는 단계를 포함한다.

Description

발광 다이오드들 및 이를 패키징하는 방법{LIGHT EMITTING DIODES AND A METHOD OF PACKAGING THE SAME}
관련 출원들에 대한 상호 참조
본 출원은, 발명의 명칭이 TRANSFORMATIVE LED PACKAGING으로 2012년 4월 20일자로 출원된 미국 가출원 제 61/687,240호에 관한 것이고 이를 우선권으로 주장하며, 그 가출원의 내용들은 본 명세서에 인용에 의해 포함된다.
연방정부 후원 연구에 관한 설명
본 발명은, 부분적으로는 국립 과학 재단으로부터의 승인(승인 번호 EEC-0812056)에 의해, 그리고 부분적으로는 NYSTAR로부터의 승인(승인 번호 C090145)에 의해 지원된다. 미국 정부는 본 발명에 대해 특정한 권리들을 가질 수도 있다.
본 발명은, 무기(inorganic) 반도체 재료들에 기초하는 발광 다이오드(LED)들 및 LED들을 패키징하기 위한 방법에 관한 것이다.
현재의 LED 패키징은, 반도체 디바이스들이 한번에 하나씩 기판 상에 포지셔닝되는 프로세스를 통상적으로 수반한다. 통상적인 프로세스들은, 시간당 약 10K개의 유닛들의 속도로 제한될 수도 있다. 이들 디바이스들 뿐만 아니라 연관된 제어 및 감지 디바이스들을 훨씬 더 높은 속도들, 예를 들어 분당 최대 10K개의 유닛들로 통합 조명 시스템들 내에 패키징할 필요성이 존재한다. 다이 인쇄 및 메조스코픽 자가 어셈블리(mesoscopic self assembly) 프로세스들을 포함하는 몇몇 현재의 접근법들은, 제조가능한 LED 칩 설계들의 이용가능성 및 고속 배치 에러들과 연관된 결함률(defect rate)들에 의해 제한될 수 있다.
고속이며 높은 정확도 및 낮은 결함률의 발광 다이오드(LED) 시스템 패키징 동작들에 대해 적절한 프로그래밍가능 유도(directed) 자가 어셈블리 및 에너지 보조 배치 프로세스들이 본 명세서에 설명된다.
본 발명의 일 양상에 따르면, 기판 상에 LED 다이들의 어레이를 어셈블링하는 방법이 제공된다. 그 방법은, 유체에 다이들을 포지셔닝시키는 단계; 기판의 후면 상에 직접 또는 기판의 후면에 근접하여, 미리-결정된 위치들에 배열된 자석들을 사용하여 기판의 전면 상으로 다이들을 끌어당기기 위해 다이들을 자기력에 노출시는 단계; 및 다이들과 기판 사이에 영구적인 전기적 및/또는 기계적 접속들을 형성하여, 기판 상에 LED 다이들의 어레이를 구성하는 단계들을 포함한다.
도 1은, 기판 상에 LED들을 어셈블링하기 위한 장치의 개략도를 도시한다.
도 2는, 테이프 배킹(backing)에 탑재된 LED 다이의 단면도를 도시한다.
도 3은, 다이의 부양 층(buoyant layer)을 제조하기 위한 예시적인 프로세스 시퀀스를 도시한다.
도 4는, 개략적으로 도시된 기판 상에 LED들을 어셈블링하기 위한 다른 장치의 개략도를 도시한다.
도 5는, 기판 상에 LED들을 어셈블링하기 위한 프로세스 단계들을 도시하는 흐름도이다.
도 1은, 본 발명의 제 1 예시적인 실시예에 따른, 기판 상에 LED 다이들을 어셈블링하기 위한 장치(1)를 도시한다. 다이는, 디바이스 웨이퍼로부터 다이싱(dice)된 개별적인 칩이며, 여기서, 디바이스 웨이퍼는 반도체의 큰 단편(piece)일 수도 있다. 장치(1)는 워터(water)와 같은 유체를 저장하기 위한 컨테이너(4)를 포함한다. 공급기(5)는, 유체의 표면(3) 상으로 부양 LED 다이들(2)을 배포시키기 위해 컨테이너(4) 위에 포지셔닝된다. 예를 들어, 공급기(5)는 퍼넬(funnel), 진동 공급기 또는 회전 공급기일 수도 있다.
플렉서블하며 기판 릴(6)(reel)의 둘레(around)에 감겨있고 기판 릴(6)에 저장된 기판(7)은, 톱니(cog)(8), 자기 롤러(10), 톱니(12), 톱니(14) 및 릴(16) 주위에 감겨있다. 기판(7)은, 0.127 mm / 5 mil의 두께를 갖는 폴리에틸렌 테레프탈레이트로 선택적으로 구성된다. 가시광선(visible) 또는 자외선(UV)에서 양호한 투명도를 갖는 기판(7)으로서 사용하기 위한 다른 투명한 재료들은, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리카보네이트 또는 다른 유사한 재료들을 포함하지만 이에 제한되지 않는 플렉서블한 유리 또는 폴리머들을 포함할 것이다. 기판(7)은, LED 광을 다른 파장들로 변환하기 위해 사용되는 색 변환 재료들을 또한 포함할 수도 있다. 대안적으로, 유전체 반사재(reflector) 및/또는 금속 반사재로 구성되는 고(highly) 반사성 재료가 사용될 수도 있다. 시스템의 광학 설계 및 성능에 의해 요구되는 바와 같은 다양한 용도들이 고려될 수 있다.
도시되진 않았지만, 릴(6), 톱니(8), 자기 롤러(10), 톱니(12), 톱니(14) 및 릴(16) 중 하나 또는 그 초과는, 구동된 롤러/톱니/릴의 자신의 회전 축(회전 축은 페이지 내로 연장됨)에 대한 회전을 야기하는 스테퍼 모터(stepper motor)(도시되지 않음)에 접속될 수도 있다. 동작 시, 기판(7)이 릴(6)에서부터 릴(16)까지 이동함이 이해되어야 한다.
자기 롤러(10)에 인접한 컨테이너(4)의 엣지(edge)에 상주하는 스크린(15)은, 일련의 개구들(17)(하나가 도시됨)을 갖는다. 개구들(17)은, 다이들(2)이 기판(7) 상으로 로딩되기 전에 다이들(2)을 적절한 배향으로 포지셔닝시키도록 사이징(size)된다.
자기 롤러(10)는, 스크린(15)에 인접한 컨테이너(4)의 엣지에 포지셔닝된다. 자기 롤러(10)는, 자신의 외면(periphery) 상에 배열된 자석들(19)의 어레이를 포함한다. 자석들(19)은, 기판(7) 상에 다이(2)들의 자기 픽업(pickup)을 용이하게 한다. 일 예시적인 실시예에 따르면, 30개의 큐브-형상 자석들(19)이 롤러(10) 상에 배열된다. 각각의 자석(19)은, 미국, 펜실베니아의 K&J Magnetics of Jamison에 의해 상업적으로 배포되는 니켈-도금된 네오디뮴 N42 자석일 수도 있다. 또한, 전자석(electromagnet)들이 사용될 수도 있다.
일 예시적인 실시예에 따르면, 각각의 자석(19)은, 롤러(10) 둘레에 둘러싸이는 동일한 두께의 네오프렌(neoprene) 시트(19') 내에 임베딩되는 1.588 mm(1/16 inch)의 측 길이(side length)를 갖는다. 애플리케이션 요건들에 의존하여, 자석들(19)의 사이즈 및 피치(pitch)는 변할 수 있으며, 필요한 LED 다이 사이즈 및 LED 어레이의 밀도에 의해 영향을 받는다(dictate). 네오프렌 시트(19')의 개구부들은, 수평 방향(즉, 웹 이동의 방향에 대해 수직)으로 10 mm(피치
Figure 112014111553241-pct00001
10.79 mm)의 엣지-투-엣지 거리 및 웹 이동 방향으로 13 mm(피치
Figure 112014111553241-pct00002
13.79 mm)의 엣지-투-엣지 거리를 갖는 CO2 레이저를 사용하여 형성될 수 있다. 얇은 층의 투명 접착제 테이프(19'')는, 롤러(10) 상에 매끄러운 외부 표면을 제공하기 위해 자석들(19)의 상단 상에 적용된다.
장치(1)를 동작시키는 일 예시적인 방법에 따르면, 공급기(5)는 유체의 표면(3) 상으로 부양 LED 다이들(2)을 배포시킨다. 자석(9)은 활성화되어, LED 다이들(2)로 하여금 컨테이너(4)의 하단을 향해 일시적으로 가라앉게 한다. 일단 컨테이너(4)의 하단에서 또는 그에 근접하여 자석(9)은 비활성화되며, 부양성 있는 다이들(2)은, 그들이 유체의 상단 표면(3) 상으로 상승하고 다시 떠오르는(resurface) 경우, 적절한 상단/하단 배향을 취한다. 진동기(18)는, 다이들(2)이 다시 떠오르는 경우 다이들(2)의 적절한 상단/하단 배향을 추가적으로 용이하게 하도록, 컨테이너(4) 내의 유체를 진동시키기 위해 이용될 수도 있다.
유체 내의 약간의(slight) 유체 흐름은, 다이들(2)로 하여금 그들이 다시 떠오르면 자기 롤러(10)를 향해 부동(float)하게 한다. 흐름은 펌프(11)에 의해 생성되며, 펌프는, 자기 롤러(10) 아래의 컨테이너(4)의 하단 끝으로부터 유체를 인출하고, 자기 롤러(10)에 반대인 위치의 컨테이너(4)의 상단 끝으로 유체를 전달한다. 펌프(11)에 의해 제공되는 워터 흐름이 불리할 수도 있으므로, 펌프(11)는 장치(1)의 선택적인 컴포넌트이다.
기판(7)은 자기 롤러(10)를 따라 이동하고, 컨테이너(4)의 엣지를 통과한다. 기판(7)은, 유체 표면(3)과 접촉하여 컨테이너(4) 내에 적어도 부분적으로 포지셔닝될 수도 있다. 롤러(10) 상의 자기 영역들은 다이들(2)을 끌어당긴다. 자기력은, 다이들(2)로 하여금 스크린(15)의 개구들(17)을 통해 통과하고, 기판(7) 상에 부착되게 한다. 개구들(17)은, 다이들(2)이 기판(7) 상에 적절하게 배향되는 것을 보장한다. 프로세스의 이러한 포인트에서, 다이들(2)은 기판(7)에 해제가능하게(releasably) 그리고 자기적으로 부착된다.
다이들(2)이 해제가능하게 부착된 기판(7)은 톱니(12) 위에 유도되며, 예를 들어, 적외선(IR)의 램프(13)에 의해 생성될 수 있는 열의 형태로 열 에너지에 노출된다. 램프(13)에 의해 생성된 열은, 다이들(2)의 하단 표면 상의 땜납으로 하여금 용융(melt)되고 기판(7)에 접착(adhere)되게 하여, 그에 의해 다이들(2)과 기판(7) 사이에 전기적 및 기계적 접속을 형성한다. 땜납은, 다이들(2)의 하단 표면 상에 범프(bump)들의 형태로 제공될 수도 있다. 일단 땜납이 냉각되면, 다이들(2)은 기판(7)에 영구적으로 부착된다. 대안적으로, 아이템(13)은 리플로우 오븐(reflow oven)을 표현할 수도 있다.
다이들(2)이 영구적으로 부착된 기판(7)은 톱니(14) 위에 유도되고 릴(16) 주위에 감겨진다. 다이들(2)이 영구적으로 부착된 기판(7)은 LED들의 시트를 형성한다. 일단 릴(6)이 비어지고 릴(16)이 채워지면, 릴(6)은 가득찬 릴로 대체되며, 릴(16)은, 장치(1)로부터 제거되고, LED들의 시트로서 사용할 준비가 된다.
장치(1)는, 도시되고 설명된 것으로부터 변할 수도 있다. 예를 들어, 자석들은, 롤러(10) 대신에 기판(7)의 전면 또는 후면 상에 포지셔닝될 수도 있다. 또한, 진동기(18), 펌프(11) 및 자석(9)과 같은 장치(1)의 수개의 컴포넌트들은 선택적이다.
도시되진 않았지만, 기판(7)은, 다이들(2)을 기판(7) 상에 어셈블링하기 전에 형성된 광학 및 전기 구조들(예를 들어, 인광물질(phosphor)들, 렌즈 구조들, 및 전기 상호접속들)을 포함할 수도 있다. 다이들(2)은, 그들이 기판(7)의 미리존재하는 특성들과 합치(register)되도록 기판(7) 상에 배치될 수 있다. 기판(7)은, 후속하여 프로세싱(예를 들어, 레이저 드릴링(drilling), 잉크젯 전기 트레이스 인쇄, 인광물질 증착 등)될 수 있는 라미네이팅(laminate)된 다이 구조들을 생성하기 위해 또한 사용될 수 있다. 프로세스와 관계없이, 얇은 "광 시트들"은, 유기 발광 다이오드(OLED) 기술과 흡사할 것이지만 OLED에 비해 구별된 이점들을 갖는 큰 부피의 저 비용 기초의 광범위한 신규의 일루미네이션(illumination) 시스템들을 형성할 수 있다. OLED 기술에 관한 추가적인 세부사항들은, 예를 들어 http://en.wikipedia.org/wiki/OLED에서 발견될 수도 있다.
도 2는 도 1의 다이(2)의 단면도를 도시한다. 테이프 해제 층(tape release layer)(24)에 해제가능하게 탑재되고, 캡슐화제(encapsulant)(25)에 캡슐화(encapsulate)된 다이(2)가 도시된다. 이제 다이(2)의 특성들을 참조하면, 각각의 다이(2)는, 예를 들어, 200 ㎛의 두께를 갖는 실리콘 웨이퍼(21)로부터 제조될 수도 있다. 실리콘 다이는 프로세스를 전개시키기 위해 사용될 수도 있다. 질화갈륨(GaN) 기반 LED 패키징에 대해, 웨이퍼(21)는, GaN으로 제조될 수도 있거나, 사파이어 또는 4H 실리콘 카바이드(SiC), 또는 실리콘과 같은 자신의 기판 상에 GaN을 포함할 수도 있다. 다이(2)의 두께는, 기판이 이용되는지 이용되지 않는지에 의존하여 또한 변할 수도 있다.
웨이퍼(21)의 일 측은 자기 층(22)을 포함한다. 자기 층(22)은, 99.999% 순도의 Ni 팰릿(pallet)들로부터 전자 빔 증발을 사용하여 증착된 1.65 ㎛ 두께의 니켈 막으로 구성될 수도 있다. 자기 층(22)은, 전기도금 또는 e-빔 증발과 같은 다양한 기술들을 사용하여 증착될 수 있다. 또한, 스크린 인쇄는 임베딩된 파우더 자석들을 생성하기 위해 사용될 수 있다. 니켈은, 통상의 LED 제조 프로세스들과 호환가능하며, 자기 층으로서의 사용을 위한 촉망되는(promising) 재료이다.
웨이퍼(21)의 반대 측은, 다이(2)에 부양성을 제공하고 유체 표면(3) 상에 정확한 상단/하단 배향으로 다이를 배향시키는 것을 돕도록 설계된 두껍고 경량인 부양 층(23)으로 코팅된다. 부양 층(23)은, 낮은 밀도를 갖고, 다이(2)의 다이싱 및 핸들링(handling)을 견디도록 기계적으로 강인하며, 워터에 잠긴 경우 낮은 흡수(water absorption)를 가져야 한다. 예로서, 부양 층(23)은 신택틱 폼(syntactic foam)으로 구성될 수도 있다. 다공성의 재료들은, 그들이 워터 흡수에 민감하다면 바람직하지 않을 수도 있다.
부양 층(23)을 생성하기 위한 일 예시적인 방법에 따르면, 먼저, 중공 유리 미소구(hollow glass microsphere)들이 유기 매트릭스 재료와 혼합(mix)된다. 중공 유리 미소구들에 관하여, 적절한 재료의 일 예는, 3MTM Energy and Advanced Materials에 의해 상업적으로 이용가능하게 제조되는 3MTM Glass Bubbles K1이다. 3MTM Glass Bubbles K1은, 그들의 낮은 밀도 (0.125 g/cc) 및 높은 등방 파쇄 강도(isostatic crush strength) (250 psi)로 인해 특히 적절하다. 이들 재료의 속성들은 표 1에 리스트된다.
Figure 112014111553241-pct00003
유기 매트릭스 재료에 관하여, 적절한 재료의 일 예는, 상표 명칭 CYCLOTENETM 3022-57로 Dow Chemical CompanyTM에 의해 상업적으로 이용가능하게 제조되는 벤조시클로부텐(BCB)이다. S1813 포토레지스트가 또한 사용될 수도 있다.
도 3은 다이(2)의 부양 층(23)을 제조하기 위한 예시적인 프로세스 시퀀스를 도시한다. 부양 층(23)을 제조하는 일 예시적인 방법에 따르면, 단계(30)에서, 접착 촉진제가 다이(2)의 웨이퍼(21)에 적용된다. 단계(32)에서, 유기 매트릭스는 1000 rpm에서 30초 동안 웨이퍼 상에 스핀 코팅된다. 단계(34)에서, 유리 미소구들은 1000 rpm에서 30초 동안 웨이퍼 상에 스핀 코팅된다. 유리 미소구들 및 유기 매트릭스는, 그들을 미리-혼합하는 것이 미소구들의 부양성으로 인해 균질한 혼합물을 제공하지 않을 수도 있기 때문에, 별개의 단계들에서 스핀-코팅을 사용하여 증착된다. 단계(36)에서, 웨이퍼는 섭씨 155도에서 2분 동안 베이킹(bake)된다. 그 후, 단계들(32, 34 및 36)은 시퀀스로 4회 반복된다. 단계(38)에서, 웨이퍼는 섭씨 155도에서 2분 동안 베이킹된다. 다음의 파라미터들, 즉 매트릭스 재료, 스핀-코팅 파라미터들, 스핀-코팅 단계들의 수, 베이킹 온도 및 지속기간은, 기계적으로 강인한 저-밀도 부양 층을 생성하도록 최적화될 수 있다. 이러한 프로세스들 중 하나 또는 그 초과의 단계들은 부양 층(23)의 바람직한 두께를 달성하기 위해 반복될 수 있다.
부양 층 증착 페이즈 후에, 샘플들은, 페이스 다운(face down)으로 배열된 다이(2)의 자기 층(22)을 이용하여 다이싱 테이프(24) 상에 탑재된다. 테이프(24)는 정사각형 다이들로 다이싱되고, 각각은 1.6 mm의 측 길이를 가지며, 이 길이는 조명 애플리케이션들에서 사용되는 전력 LED들의 통상적 사이즈에 근접한 사이즈이다.
웨이퍼 당 많은 양의 LED 다이들을 고려하면, 예를 들어, 아세톤, 또는 다른 용매를 사용하여 다이싱 테이프(24)로부터 다이들(2)을 해제함으로써 다이들(2)의 개별적인 핸들링을 회피하거나 최소화하는 것이 바람직하다. 용매가 부양 층(23)을 저하시키는 것을 방지하기 위해, 다이들(2)은 캡슐화제(25)로 커버된다. 개별적인 다이들(2)은, 서로 접속되지 않으면서 캡슐화제(25)의 얇은 층에 의해 코팅될 수 있거나, 그들은 많은 양의 캡슐화제(25)에 의해 접속된 테이프 상에 모든 다이들(2)을 포함하는 "의사웨이퍼(pseudowafer)"를 형성할 수 있다.
캡슐화제(25)의 적용 후에, 다이들(2)을 갖는 다이싱 테이프(24)는 용매 배쓰(solvent bath)에 잠긴다(또는 용매로 분무(spray)된다). 용매 배쓰는 컨테이너(4)의 워터 배쓰와는 별개이다. 수 분 동안 용매에 노출된 후, 다이들(2)은 용매 배쓰로부터 제거된다. 그 후, 캡슐화제(25)에 아직 임베딩되어 있는 다이들(2)은, (예를 들어, 박리(peeling) 또는 세척에 의해) 다이싱 테이프(24)로부터 제거되며, 캡슐화제(25)를 용해시키기 위해 탈이온수(deionized water) 배쓰에 전달된다. 탈이온수 배쓰는 컨테이너(4)의 워터 배쓰와는 별개이다. 탈이온수 배쓰의 온도는, 예를 들어, 섭씨 80-90도로 상승되며 그리고/또는 캡슐화제(25)의 용해를 가속화하기 위해 초음파를 포함할 수도 있다. 다이들(2) 상에 작용하는 부양 힘이 캡슐화제(25)에 대한 접착을 극복하는 경우, 다이들(2)은 캡슐화제(25)로부터 분리되고, 탈이온수 배쓰의 표면으로 상승하여, 탈이온수 배쓰의 하단 상에 나머지 캡슐화제(25)를 남긴다. 캡슐화제(25)는 완전히 용해될 수도 있다.
상술된 프로세스가 완료된 후에, 다이들(2)은 도 1의 공급기(5) 내로 전달될 수 있다. 다이들(2)은, 이소프로필 알코올 또는 부양 층(23)에 영향을 주지 않는 임의의 다른 용매를 이용하여 세정되며, 그들이 공급기(5)에 전달되기 전에 건조될 수도 있다.
캡슐화제(25), 용매 배쓰, 및 탈이온수 배쓰는 본 발명의 선택적 특성들임이 이해되어야 한다.
도 4는, 본 발명의 제 2 예시적인 실시예에 따른, 기판 상에 LED들을 어셈블링하기 위한 장치(50)를 도시한다. 도 1 및 도 4의 실시예들은 유사하며, 이들 실시예들 사이의 주된 차이들이 후술될 것이다. 장치(50)는, 워터와 같은 유체를 저장하기 위한 컨테이너(39)를 포함한다.
자석들(44)의 어레이를 갖는 플레이트(43)는 컨테이너(39) 내에 포지셔닝되며, 유체 내에 침지(immerse)된다. 개구들(41)을 갖는 마스크(40)가 플레이트(43) 위에 포지셔닝되어, 자석들(44)은 개구들(41)과 합치된다. 도 1의 기판(7)과 유사한 기판(42)은, 플레이트(43)와 마스크(40) 사이에 개재(sandwich)된다. 플레이트(43), 마스크(40) 및 기판(42)은, 도 4에서 부분적으로 분해되어(exploded) 도시되며 다이들(2)의 일부만이 도시됨이 이해되어야 한다.
동작 시, 자석들(44)은, 다이들(2)로 하여금 컨테이너(39)의 하단을 향해 가라앉게 하도록 활성화된다. 자석들(44)의 힘으로 인해, 다이들(2)은 내려앉으며(land), 각각의 개구들(41) 내로 그들 자신을 지향시킨다. 그 후, 플레이트(43), 마스크(40) 및 기판(42)은 컨테이너(39)로부터 제거된다. 그 후, 플레이트(43) 및 마스크(40)는 기판(42)으로부터 분리된다. 다이들(2)은 기판(42) 상의 그들 각각의 포지션들 내에 유지된다.
그 후, 기판(42) 및 다이들(2)은 적외선(IR) 램프(45)에 의해 생성되는 열의 형태로 열 에너지에 노출된다. 램프(45)에 의해 생성된 열은, 다이들(2)의 하단 표면 상의 땜납으로 하여금 용융되고 기판(42)에 접착되게 하여, 그에 의해 LED들의 시트를 형성하기 위해 다이들(2)과 기판(42) 사이에 전기적 및 기계적 접속을 형성한다.
도 5는, 기판 상에 LED들을 어셈블링하기 위한 예시적인 방법을 도시하는 흐름도이다. 도 5에 도시된 방법이 임의의 특정한 단계, 또는 단계들의 시퀀스에 제한되지 않음이 이해되어야 한다. 또한, 도 5에 도시된 방법은 도 1 및 4의 장치들(1 및 50)에 각각 적용된다.
예시적인 방법에 따르면, 단계(60)에서, 자기 층(22)이 각각의 다이들(2) 상에 형성된다. 니켈 전극들로 구성될 수도 있는 자기 층(22)은 전자 빔 증발을 사용하여 형성될 수 있다.
단계(62)에서, 부양 층(23)은 각각의 다이들(2) 상에 형성된다. 부양 층(23)은 신택틱 폼으로 구성될 수도 있다. 부양 층(23)의 증착은, 도 3에 도시된 프로세스 시퀀스를 사용하는 수 개의 단계들에서 스핀-코팅을 사용하거나, 몰딩(molding) 또는 스텐실(stencil) 인쇄와 같은 대안적인 방법들을 사용하여 달성될 수 있다. 유리가 부양 층(23)의 중공 미소구들에 대해 가장 통상의 재료이지만, 다른 재료들(예를 들어, 폐놀(phenolic) 중공 미소구들)의 사용이 또한 가능하다.
단계(64)에서, 다이들(2)은, 도 3에 관해 상술된 바와 같이, 테이핑되고 다이싱되며, 비닝(bin)된다.
단계(66)에서, 다이들(2)은, 용매를 사용하여 다이싱 테이프로부터 해제된다. 다이들(2)이 캡슐화제(25)를 포함한다면, 다이들(2)은 캡슐화제(25)를 용해시키기 위해 탈이온수 배쓰에 침지된다.
단계(68)에서, 다이들(2)은, 예를 들어, 공급기(5)를 사용하여 컨테이너(2) 내의 유체 내로 전달된다.
단계(70)에서, 다이들은 자기력을 사용하여 기판(7) 상에 어셈블링되며, 도 1 및 4의 장치들(1 또는 50)을 각각 사용한다. 프로세스의 이러한 단계는 유도 자가-어셈블리로 본 명세서에서 지칭된다.
단계(72)에서, 영구적인 전기 접속들이 다이들(2)과 기판(7) 사이에 형성된다. 땜납 결합들은, 기판(7) 상의 전기 트레이스들이 다이들(2)의 어셈블리 전에 형성되었다면 사용될 수 있다. 도전성 트레이스들의 잉크젯 인쇄(예를 들어, 은 나노입자 잉크) 및 레이저 드릴링은, 트레이스들이 수용 기판(7) 상의 다이들(2)의 어셈블리 후에 형성된다면 사용될 수 있다. 대안적으로, 단계(70)에 따라 어셈블링된 다이는 전기 접촉 형성 전에 제 2 광학 재료를 이용하여 라미네이팅될 수도 있으며, 후속하는 전기 접촉 형성은, 매설된(buried) 다이에 대한 인쇄된 또는 도금된 전기 접속들을 위해 비아를 레이저 드릴링하는 것을 통해 행해진다.
단계(74)에서, 부양 층(23)은 용해된다. 이러한 단계는, 다이 표면에 부착된 부양 층(23)을 유지하는 부양 층(23)의 매트릭스 또는 (선택적인) 접착 층 중 어느 하나를 용해시킬 수 있는 유기 용매들을 사용하여 달성될 수 있다.
단계(76)에서, 인광물질들이 다이들(2) 상에 증착되며, 그 후, 다이들(2)은 캡슐화된다. 이러한 단계는, 부양 층(23)이 용해된 후 또는 단계(62)에서 부양 층(23)이 다이(2) 상에 증착되기 전에 달성될 수 있다. 그 후, 기판(7) 상의 다이들(2)은 사용할 준비가 된 LED들의 시트를 구성한다.
테스트 결과들: 유체 내로 다이들을 도입시킴
다이들을 정확한 상단/하단 배향으로 유체에 도입시키는 것은, 플렉서블한 기판 상으로의 다이들의 픽업에 대한 전제조건(prerequisite)이다. 다이들의 정확한 상단/하단 배향을 달성하기 위한 가장 양호한 방식을 결정하기 위해 수 개의 방법들이 테스팅되었다. 테스트의 목표는, 정확한 상단/하향 배향, 즉, 상단 상으로 배향된 부양 층, 하단 상으로 배향된 자기 층, 및 90도 미만인 다이와 워터들의 표면 사이의 각도로 부동하는 높은 퍼센티지의 다이들(수율(yield)로 지칭됨)을 달성하기 위한 것이다. 다음의 방법들에 대한 수율들이 테스트 동안 비교되었다.
A. 다이들로 하여금 하강 동안 그들 자신을 배향하게 하기 위해, 다이들(2)을 유체 표면(3) 상으로 30 cm로부터 퍼넬을 통해 드롭시킴;
B. 얕은 컨테이너의 하단에 로케이팅된 자석(9)을 이용하여 다이들(2)을 가라앉게 하고 자석(9)을 제거하거나 비활성화함; 및
C. 유체를 갖는 하나의 컨테이너에서 다이들(2)을 가라앉게 하거나 습윤화(wetting)하고, 비-자기 메쉬(mesh)(즉, 0.4572 mm의 와이어 직경 및 1.12 mm의 개구부들을 갖는 알루미늄 메쉬)를 이용하여 다른 컨테이너에 다이들을 전달함.
컨테이너(4) 내의 유체의 표면 장력은, 유체의 표면 장력이 다이들(2)이 유체에서 습윤화되는 방식에 영향을 주기 때문에, 프로세스에서 중요한 역할을 맡을 수 있으며, 다이들이 부동하게 할 수 있는데, 이는 바람직하지 않다. 3개의 옵션들이 테스트 동안 조사되었다.
A. 탈이온(DI)수로의 다이들(2)의 도입
B. 이소프로필 알코올(IPA)로의 다이들(2)의 도입, 후속하여 IPA-습윤화된 다이들의 탈이온(DI)수로의 전달; 및
C. 0.008 M의 임계 미셀(micelle) 농도보다 약간 위인 0.01 M의 몰 농도를 갖는 SDS(Sodium Dedecyl Sulfate)의 계면활성제를 포함하는 워터로의 다이들(2)의 도입.
수율들은, 표 2에 도시된 바와 같이, 유체로 다이들을 도입시키는 방법들에 대해 비교되었다. 각각의 경우에서, 500개의 데이터 포인트들(다이들)이 사용되었다. 테스트들은, 1 리터의 유체를 갖는 22 × 18 cm 컨테이너에서 수행되었다. 다이 표면은 각각의 테스트 전에 IPA로 세정되고 건조되었다.
Figure 112014111553241-pct00004
테스트로부터 초래되는 3개의 중요한 관측들이 이하에서 요약된다. 첫째로, IPA 습윤화된 다이들이 워터로 전달 되었던 이후 수 초 내에, 다이들(2)은, 종종 다이들의 회전에 의해 동반되는, 고속의 급속한 추력(fast abrupt thrust)들로 이동했다. 이러한 거동은, 다이들이 메탄올 또는 아세톤으로 습윤화된다면 또한 관측될 수 있다. 이러한 거동은, IPA의 존재로 인한 표면 장력의 국부적(local) 감소에 기여될 수도 있다.
둘째로, 몇몇 다이들(2)은 다른 다이들 아래에 트랩핑(trap)되었다. 교반(agitation) 또는 진동은, 임의의 트랩핑된 다이들로 하여금 워터 표면을 이탈하고 워터 표면에 도달하게 한다. 어셈블리 프로세스 상에서, 이러한 다이 거동의 어떤 주목할만한 영향도 존재하지 않는다.
셋째로, 다음 단계(즉, 플렉서블한 기판 상에서 픽업)가 수행되는 경우, 자석(9)을 사용하여 다이들(2)을 가라앉게 하는 것은 가장 양호한 결과들을 제공하며, 메쉬를 사용하여 다이들을 전달하는 것은, 셋업의 제한들이 컨테이너 바로 아래에 자석을 배치하는 것을 허용하지 않는 경우에도 이러한 방법을 사용하는 것을 허용한다.
테스트 결과들: 자기력-보조 다이 어셈블리
일단 다이들(2)이 컨테이너(4)의 유체에 전달되면, 전술한 바와 같이 다이들은 플렉서블한 기판(7) 상에 어셈블링된다. 핵심(key) 프로세스 파라미터들의 효과들은 다음과 같이 평가되고 요약된다.
A. 기판과 컨테이너 사이의 각도: 기판과 컨테이너 사이의 90도에 근접한 각도는, 기판 상에서 다이들의 우발적인 픽업을 감소시키는 것에 유익할 수 있다.
B. 기판 이동 속도: 1 - 10 mm/s의 범위에 있는 더 낮은 속도는, 하나의 자석을 이용한 다수의 다이들의 픽업을 초래한다. 기판 속도를 50 - 100 mm/s의 범위로 증가시키는 것은 이러한 이슈를 해결할 수 있지만, 높은 기판 속도는 계면(interface)으로의 신뢰가능한 다이 공급을 더 어려운 과제로 만든다.
C. 워터 표면의 진동: 워터 표면의 저-주파수 진동(7 - 10 Hz)은, 다이 픽업 동안 거부(rejection) 메커니즘을 제공하며, 잘못된 포지션들에서 픽업되는 다이들의 양을 감소시킨다. 고주파수 진동들(예를 들어, 진동 디스크 모터에 의한 12000rpm에서의 1G 진동)은 프로세스 상에서 어떠한 측정가능한 영향도 갖지 않는다.
D. 자석 재료: 네오디뮴(Nd) 자석의 강도는 픽업 프로세스에 적절하다. 다이 거부 메커니즘으로서 진동들 대신 더 낮은 표면 장력이 사용된다면, 이들 자석들에 의한 인력(attraciton)은 너무 강하며, 섭씨 140도 위의 상승된 온도들에서 부분적인 자기소거(demagnetization)에 의해 감소될 수 있다.
E. 워터 흐름: 제로(zero) 워터 흐름에서의 어셈블리는 더 많은 재현가능한(reproducible) 결과들을 초래한다. 제로 워터 흐름은, 컨테이너 내의 유체의 난류(turbulent flow)에 의해 야기되는 불확실성을 감소시키며, 표면 장력을 더 신뢰가능하게 제어하도록 돕는다. 테스트 구동들 사이에, 컨테이너 내의 유체는 주입기(syringe)를 이용하여 다시 채워질 수 있다. 제로 워터 흐름에서도, 기판은, 그것이 이동하는 경우 일정한 양의 유체를 인출하며, 다이들에 대해 기판으로의 부가적인 인력을 제공한다.
F. 다이 픽업 프로세스는, 각각의 자석에 의해 하나를 초과하는 다이를 픽업하는 가능성을 감소시키도록, 기판의 전방에 수직의 슬릿(slit)들 또는 개구들(17)을 갖는 (스크린(15)과 같은) 스크린을 배치함으로써 개선될 수 있다. 2.4 내지 3 mm의 개구 폭은 다이들이 장애없이 통과하게 하면서, 롤러 헤드의 자석들의 좌측 및 우측으로의 다이들의 픽업을 방지한다.
G. 컨테이너 내의 유체의 표면 장력은, 다음의 효과들, 즉, 그것이 표면 상에서 다이 픽업의 기회를 증가시키고, 유체 표면 상에서 에어 버블 형성의 기회를 감소시키며, 계면으로 다이들을 끌어당기는 것을 돕고, 기판 상의 자기 픽업에 대하여 다이들의 신뢰가능한 공급을 생성하는 것을 통해 발현(manifest itself)한다. 더 낮은 표면 장력은, 자기 픽업과 경쟁하는 힘을 낮추는 이득들이 표면 장력에 의해 제공되는 이점들보다 뛰어난 경우 바람직하다. (0.01 M의 SDS를 갖는 워터에 대해) 42 dyn/cm의 측정된 표면 장력은 우발적인 픽업을 방지하기에 충분히 낮으며, 다이 거부 메커니즘으로서 진동에 대한 대안으로 사용된다.
표 3은 어셈블리 수율에 대해 최적화되었던 어셈블리 파라미터들을 요약한다. 달성가능한 수율은 86%이며, 이는 픽업된 다이들의 총량에 대한 정확한 위치들에 픽업된 다이들의 양 사이의 비율로서 정의된다.
Figure 112014111553241-pct00005
테스트 결과들: 요약 및 결론들
테스팅은, 유도 자가-어셈블리 기술이, 롤-투-롤 프로세스에서 넓은 면적의 플렉서블한 기판 상에 작은 반도체 다이들의 고속 어셈블리를 가능하게 한다는 것을 나타낸다.
다이들의 유체 핸들링은, 일련의 기계적 핸들링에 대한 대안으로서 사용될 수 있다. 본 명세서에서 설명된 유체 핸들링 방법들은, 유체 표면 상의 다이들의 부상분리(floatation)에 기초한다. 다이 부상분리는, 수 개의 스핀-코팅 단계들에서 중공 유리 미소구로 구성되는 층을 생성함으로써 달성된다. 유체 표면 상에서 정확한 상단/하향 배향을 갖는 다이들의 어셈블리는 높은 수율로 달성될 수 있다. 자기 다이 픽업은, 넓은 면적 기판들 상에 다이들을 어셈블링하기 위한 고속의 방법이다. 광범위한 파라미터 공간은, 다이 배치 수율을 개선하기 위한 프로세스 최적화, 특히, 특별히 설계된 LED들의 어셈블리에 대해 다수의 옵션들을 허용한다.
자기력 및 유체 매체를 사용하는 유도 자가 어셈블리(DSA)는 픽-앤-플레이스(pick-and-place) LED 어셈블리에 대한 전망 대체제(perspective replacement)이다. 정전기 대신 자기의 사용은, 어셈블리 동안, 컴포넌트들에 대한 정전기 방전(ESD) 손상의 위험을 감소시킨다. 또한, 자기는 컴포넌트 및 기판의 표면 속성들에 대해 덜 민감하다.
본 발명의 바람직한 실시예들이 본 명세서에 도시되고 설명되었지만, 그러한 실시예들은 단지 예로서 제공됨이 이해될 것이다. 본 발명의 사상에서 벗어나지 않으면서, 다수의 변경들, 변화들 및 치환들이, 당업자들에게 떠오를 것이다. 따라서, 첨부된 청구항들이 모든 그러한 변경들을 본 발명의 사상 및 범위 내에 있는 것으로서 커버함이 의도된다.

Claims (10)

  1. 발광 다이오드(LED) 다이들의 어레이를 기판 상에 어셈블링하는 방법으로서,
    다이들 각각의 일측 상에 부양(buoyant) 층을 형성하는 단계;
    상기 다이들을 유체에 포지셔닝시키는 단계;
    상기 기판의 후면 상에 직접 또는 상기 기판의 상기 후면에 근접하여, 미리-결정된 위치들에 배열된 자석들을 사용하여 상기 기판의 전면 상으로 상기 다이들을 끌어당기기 위해 상기 다이들을 자기력에 노출시키는 단계; 및
    상기 다이들과 상기 기판 사이에 영구적인 전기적 및/또는 기계적 접속들을 형성하여, 상기 기판 상에 상기 LED 다이들의 어레이를 구성하는 단계를 포함하는, 발광 다이오드 다이들의 어레이를 기판 상에 어셈블링하는 방법.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 포지셔닝시키는 단계 이전에, 상기 방법은, 상기 다이들 각각의 다른 측에 자기 층을 형성하는 단계를 포함하는, 발광 다이오드 다이들의 어레이를 기판 상에 어셈블링하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 포지셔닝시키는 단계 이후에, 상기 방법은, 다른 자기력을 사용하여 다이들을 일시적으로 가라앉게하고, 그 후, 상기 부양 층이 상향 방향으로 대면(face)하면서 상기 유체의 상단 표면으로 다이들이 상승하도록 상기 자기력을 비활성화시키는 단계를 더 포함하는, 발광 다이오드 다이들의 어레이를 기판 상에 어셈블링하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 방법은, 상기 부양 층을 용해시키는 단계를 더 포함하는, 발광 다이오드 다이들의 어레이를 기판 상에 어셈블링하는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 다이들을 자기력들에 계속 노출시키고, 상기 기판의 상기 후면에 직접 또는 상기 기판의 상기 후면에 근접하여 상기 미리-결정된 위치들에 배열된 상기 자석들의 각각의 자석들 상으로 상기 다이들을 계속 끌어당기기 위해, 상기 유체에 대하여 상기 기판을 전진(advance)시키는 단계를 더 포함하는, 발광 다이오드 다이들의 어레이를 기판 상에 어셈블링하는 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 노출시키는 단계는, 상기 유체의 표면 아래로, 그리고 상기 기판 상에 또는 그 근처에 배열된 상기 자석들 중 각각의 자석들 상으로 상기 다이들을 가라앉게 하기 위해, 상기 기판 상에 또는 아래에 및 상기 유체의 상기 표면 아래에 배열된 자기력에 상기 다이들을 노출시키는 단계를 더 포함하는, 발광 다이오드 다이들의 어레이를 기판 상에 어셈블링하는 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 노출시키는 단계는, 상기 기판의 상단에 걸쳐 적용된 마스크의 각각의 개구들에 상기 다이들을 안치(seat)시키는 단계 ― 상기 개구들은 적소에서(in position) 상기 자석들에 대응함 ― 를 더 포함하는, 발광 다이오드 다이들의 어레이를 기판 상에 어셈블링하는 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 영구적인 전기적 및/또는 기계적 접속들을 형성하는 것 이전에, 상기 방법은, 상기 다이들을 상기 기판 상의 상기 다이들의 각각의 포지션들에 유지하면서 상기 마스크를 제거하는 단계를 더 포함하는, 발광 다이오드 다이들의 어레이를 기판 상에 어셈블링하는 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 영구적인 전기적 및/또는 기계적 접속들을 형성하는 것은, 상기 다이들의 표면 상의 땜납으로 하여금 상기 기판에 접착하게 하기 위해, 상승된(elevated) 온도에 상기 다이들 및 상기 기판을 노출시키는 것을 포함하는, 발광 다이오드 다이들의 어레이를 기판 상에 어셈블링하는 방법.
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