TWI794983B - 具有透紫外光基板的微芯片陣列光學組件製法及該組件 - Google Patents

Abstract

一具有透紫外光基板的微芯片陣列光學組件，包括：一透紫外光陣列基板，具有透光基板本體和一組驅動電路單元，透光基板本體供部分具有特定波長的紫外激發光穿透、並具有一供設置驅動電路單元的設置面和一相反於設置面的底面；一組可遮斷上述紫外激發光的微芯片陣列，包括複數彼此以一間隙間隔設置、且分別受驅動電路單元驅動的微芯片，每一微芯片是供發出及/或接收至少一光線，且每一微芯片均可遮斷紫外激發光穿透；一填充在間隙的遮光部；和一覆蓋微芯片陣列和驅動電路單元的透明保護單元，供將微芯片陣列氣密封閉在透紫外光陣列基板上。

Description

具有透紫外光基板的微芯片陣列光學組件製法及該組件

一種微芯片陣列光學組件，尤其是一種具有透紫外光基板的微芯片陣列光學組件。

發光二極體(LED,light-emitting diode)被發明之初即取代傳統的小型鎢絲燈泡，而應用在各式設備上指示用燈號，之後隨著螢光粉材料和封裝技術不斷進步，LED逐漸走向大型化且高流明化並且具有省電的特性，因而取代舊有的冷陰極管被應用在液晶顯示器的背光模組中充當被動開啟和關閉的光源，主要是以燈條的型式模仿冷陰極管在背光模組中的配置方式而配置。

之後又因為人們對液晶顯示器的原生對比以及畫面響應速度的要求日益提高，因而有人提出動態背光的概念，藉由在畫面周期結束時強制關閉背光電源以產生黑畫面，來避免消費者看到液晶分子反轉不及所產生的拖尾殘影；以及在畫素寫入時間內強制關閉背光電源以產生黑畫面來避免消費者看到畫面切換時液晶分子轉動中的雜亂畫面；甚至將數條LED燈條並排構成背光模組，然後依照要顯示的畫面內容選擇只驅動對應的特定燈條，來達到強調畫面主題或增強對比以及省電的目的，此即著名的區域控制(local dimming)技術，某些高階的液晶電視機還會採取遞色(dithering)技術搭配區域控制技術，在LED背光的某些區域產生亮度灰階以 更精準提供畫面主題需要的亮度和對比，因為LED的響應速度比當時的液晶面板快千倍以上，所以非常適合搭配區域控制技術而運用在液晶顯示器上，但是LED芯片的顆粒大且燈條數量不多，因此，上述區域控制技術僅能將整個顯示器畫面區分為少量幾個區域來控制，對於液晶顯示器的顯示品質改善程度還是十分有限。

後來LED的發光效率越見提高而可以小型化，電子元件焊接技術也進入表面黏著技術(SMT，Surface Mount Technology)時代，因此大量的LED芯片被製造而且組裝成為照明設備，並快速取代傳統的省電燈泡與燈管，並且已有多家LED芯片廠具有大量供應寬度小到100~150微米(μm)的次毫米發光二極體(mini LED)的製造能力，背光模組業者也得以實現由數萬顆以上的mini LED組成的陣列式mini LED背光模組，而進一步開發出更多微小區域的主動矩陣動態背光技術，將液晶顯示器的對比和演色能力推升至足以和有機發光二極體(OLED，organic light emitting diode)顯示器匹敵的程度，而且成本僅為OLED顯示器的70~80%具有立即的市場競爭力。

有些大型液晶面板廠甚至直接將巨量的發紅色光、發藍色光和發綠色光的mini LED芯片當做三原色次畫素，每三顆一組(構成全彩畫素)地安裝在陣列基板上，組裝成具有高解析度、高色飽和度、高對比以及高畫面更新速度的大尺寸mini LED顯示器，以8K解析度的顯示器來說，其在長度方向具有3840畫素而在寬度方向具有2160畫素整個畫面總共是8,294,400畫素，而每顆畫素中又包含紅色、藍色和綠色等3顆次畫素，所以使用的mini LED芯片總數達到24,883,200顆，並將完成的大尺寸mini LED顯示器在世界各大型顯示器展覽會場展示而大顯鋒頭其未來市場榮景可期。

不論是上述的mini LED背光模組或是mini LED顯示器都是先在一基板上按照預定的mini LED陣列位置，形成對應每一顆mini LED芯片配置位置的主動驅動電路陣列，一般來說每一顆mini LED芯片和上下左右相鄰的mini LED芯片的安裝位置的間隔距離在50μm左右，再以黑色樹脂形成在上述的間隔設置網格狀圍牆，然後再將每一顆mini LED芯片安裝在上述網格中的驅動電路上而形成mini LED陣列，最後再以具有低介電常數且高透光性的封裝材料連續覆蓋網格狀圍牆以及mini LED芯片，以阻絕靜電、水分和空氣對驅動電路和mini LED芯片的危害。

然而，如圖9所示，為了在面積有限的陣列基板9上盡可能設置最多的mini LED芯片90而提升畫面解析度，每一個上述網格92的寬度一般在110~160μm左右只比mini LED芯片90的寬度略大，在將巨量的芯片90同時轉移到如此密集的網格92內時很難精準定位，容易發生部分芯片90歪斜導致芯片90和驅動電路(圖未示)焊接面積變小而使電性連接阻抗升高，而降低芯片90發光亮度衍生出整體亮度不均勻的問題。

隨著芯片尺寸逐步縮小，畫面解析度無疑可以更進一步提升，但是在組裝過程中，精準定位也成為更大難題：尤其是作為遮蔽側光的網格狀圍牆94如何精準成形，如果要先移轉芯片並且焊接固定到驅動電路上，當微芯片安裝偏斜甚至部分佔據原本應該是間隔的位置時，網格狀圍牆就難以準確成形；相反地，如果要先成形網格狀圍牆，由於圍牆本身還有一定高度，微芯片根本無法被正確放置到驅動電路上焊接。

也因此，如何巨量轉移且準確成形網格狀圍牆，就變成LED尺寸縮減後亟需被克服的技術問題，而mini LED的下一代顯示產品micro LED顯示器因為芯片尺寸更小，更需要一種有效的巨量轉移技術來實現商品化，因此著名的Apple公司、Samsung公司以及各國頂尖大型企業著手進行研發，多年來招募大量尖端科技人才和投資龐大資金仍未有重大的改善，所以如何巨量轉移微芯片而加以定位安裝就是本發明要解決的問題。

另方面，諸如指紋辨識或面部辨識等光學檢測芯片，也需要佈局為陣列模式，同樣涉及芯片尺寸微型化，以及各晶胞(cell)間必須由網格狀圍牆隔絕側向光干擾的技術困擾，這也是本發明所要解決的技術特徵。

本發明之一目的，在提供一種具有透紫外光基板的微芯片陣列光學組件，能夠因應微芯片在巨量轉移時安裝歪斜，仍可精準提供網格狀圍牆，讓微芯片微型化的威力充分發揮，有效提升光學組件解析度。

本發明另一目的，在提供一種具有透紫外光基板的微芯片陣列光學組件，無論微芯片在巨量轉移安裝中是否略有歪斜，仍能精準佈局網格狀圍牆，大幅提升產品良率。

本發明再一目的，在提供一種具有透紫外光基板的微芯片陣列光學組件製造方法，利用既成的驅動電路以及微芯片陣列做為光學遮罩，精準成形分隔微芯片的網格狀圍牆，大幅增加產出效率。

本發明又一目的，在提供一種具有透紫外光基板的微芯片陣列光學組件的製造方法，利用既成的驅動電路以及微芯片陣列做為光學遮罩，依照微芯片間隔精準形成網格狀圍牆，使畫素微型化成為可能，提升光學組件的市場競爭力。

為達上述目的，本發明揭露一種具有透紫外光基板的微芯片 陣列光學組件，上述微芯片陣列包含一透紫外光陣列基板，具有一透光基板本體和一組驅動電路單元，上述透光基板本體至少可供穿透部分具有一特定波長的紫外激發光穿透、並具有一供設置上述驅動電路單元的設置面和一相反於上述設置面的底面；一組可遮斷上述紫外激發光的微芯片陣列，包括複數彼此以至少一間隙間隔設置、且分別受上述驅動電路單元驅動的微芯片，每一前述微芯片是供發出及/或接收至少一光線，以及每一前述微芯片均可遮斷上述紫外激發光穿透；一填充在上述間隙的遮光部；以及一覆蓋上述微芯片陣列以及上述驅動電路單元的透明保護單元，供將上述微芯片陣列氣密封閉在上述透紫外光陣列基板上。

本發明還揭露一種具有透紫外光基板的微芯片陣列光學組件的製造方法，包含以下步驟：(a)在一透光基板本體上形成一組驅動電路單元，其中上述透光基板本體至少可供穿透部分具有一特定波長的紫外激發光穿透、並具有一供設置上述驅動電路單元的設置面和一相反於上述設置面的底面；(b)焊接一組包括複數微芯片的微芯片陣列到上述驅動電路單元上，且前述微芯片彼此以至少一間隙間隔設置、且分別受上述驅動電路單元驅動，每一前述微芯片是供發出及/或接收至少一光線，以及每一前述微芯片均可遮斷上述紫外激發光穿透(c)形成一覆蓋上述微芯片陣列、上述間隙以及上述驅動電路的感光層；(d)以至少包括上述紫外激發光的光束自上述底面對上述感光層進行曝光，藉此改質位於上述間隙中的上述感光層；(e)去除被上述光束改質的上述感光層，使得在每一上述間隔的區域形成一鏤空區；(f)以一摻雜有至少一遮光性材料的高分子樹脂環繞填滿上述鏤空區，再以一固化光束照射上述高分子樹脂，使其固化形成對應於上述 間隙的遮光部；(g)移除受上述遮罩遮蔽的上述感光層而暴露上述微芯片陣列；以及(h)形成一可供上述光線穿透、且至少覆蓋上述微芯片陣列和上述驅動電路的透明保護層。

本發明藉由將驅動電路以及微芯片陣列做為遮罩來形成將每一個微芯片分隔離的網格狀圍牆，一方面能夠避免習知先形成網格狀圍牆後焊接微芯片時，網格狀圍牆對於巨量轉移微芯片時造成的阻礙，另方面也避免微芯片安裝歪斜後，無法精準成形網格狀圍牆的困擾，藉此使得具有透紫外光基板的微芯片陣列光學組件的產出效率及產品良率都遠勝以往，並且讓芯片微型化後，芯片尺寸縮小可以正確反應到畫素縮小及解析度提高的光學組件性能提升。

藉由本發明所揭露的製造方法和產品，可以讓無論是發光組件或感光組件等光學元件，都能隨著微芯片的縮小而有效微型化其晶胞，而且有效避免相鄰二個微芯片之間有光學干擾，大幅提高光學組件的市場競爭力。

1、1’、1”:光學組件

11:透紫外光陣列基板

2:透光基板本體

20:設置面

21:底面

22:驅動電路單元

3、3’:微芯片陣列

30:微芯片

32:螢光材料層

321:紅色光螢光膠

322:綠色光螢光膠

332’、332”:光感應芯片

34:間隙

4:感光層

42:曝光感光層

44:未曝光感光層

5:遮光性材料

51、51’、51”:凹陷

52、52’、52”:遮光部

6、6”:透明保護單元

60”:光穿透面

61”:稜鏡片

611”:凸透鏡微結構

62”:均勻擴散片

621”:擴散粒子

7’:紅外光源

70~79:步驟

9:陣列基板

90:mini LED芯片

92:網格

94:圍牆

圖1為本發明具有透紫外光基板的微芯片陣列光學組件之第一較佳實施例的微芯片陣列的陣列基板示意圖。

圖2和圖3為本發明具有透紫外光基板的微芯片陣列光學組件之第一較佳實施例的光刻法製作鏤空區的示意圖。

圖4和圖5為本發明具有透紫外光基板的微芯片陣列光學組件之第一較佳實施例的微芯片陣列光學組件完成示意圖。

圖6為本發明具有透紫外光基板的微芯片陣列光學組件之第一較佳實施例 的全彩背光模組應用的示意圖。

圖6為本發明具有透紫外光基板的微芯片陣列光學組件的製造方法的流程圖。

圖7為本發明具有透紫外光基板的微芯片陣列光學組件之第二較佳實施例的指紋辨識面板應用的示意圖。

圖8為本發明具有透紫外光基板的微芯片陣列光學組件之第三較佳實施例的紅外光訊號傳輸器應用的示意圖。

圖9為先前技術mini LED背光模組的示意圖。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之較佳實施例的詳細說明中，將可清楚呈現；此外，在各實施例中，相同之元件將以相似之標號表示。

本發明一種具有透紫外光基板的微芯片陣列光學組件之第一較佳實施例，是以一液晶顯示器用背光模組為例，首先如圖1所示，採用一片例如是在300nm~1000nm波長的紫外光、全波段可見光和紅外光都具有80%以上透光率的無鹼玻璃薄片作為透光基板本體2，透光基板本體2即使在廻焊爐的高溫環境中，也不會輕易發生熔解或變形。為便於說明起見，將此透光基板本體2在圖式上方側稱為一設置面20，相反於設置面20的則定義為底面21。如圖6所示的步驟70中，先藉由光刻法，在上述設置面20上製作例釋為不透紫外光的金屬主動陣列電路的驅動電路單元22；驅動電路單元22是由複數呈陣列排列的薄膜電晶體藉由源極線彼此在行方向並聯並且藉由閘極線在列的方向並聯而組成，此時稱為透紫外光陣列基板11，並且在 每個薄膜電晶體的汲極上都以網版印刷法設置錫膏。

然後在步驟71，逐一搬移大量的微芯片至上述陣列排列的薄膜電晶體處，此處的微芯片30主要是藍色的mini LED芯片，在本例中，這些微芯片都無法容許365nm紫外波長的激發光束輕易穿透，藉此形成一組可遮斷波長為365nm紫外光的微芯片陣列3，在上述的微芯片陣列3中的任二個相鄰的微芯片30是以約50微米的間隙34彼此隔離，再經廻焊爐將所有微芯片30分別焊接在對應的驅動電路單元22上，由於巨量轉移時，任二個相鄰的微芯片30間都形成有約50微米的間隔，焊接後的微芯片陣列3中的任二個相鄰的微芯片30也大致是以約50微米的間隙34彼此隔離，此後便可以藉由選擇特定至少一條閘極線施加適當的電壓產生電場，使源極和汲極之間的半導體通道層暫時轉變為導體而可以從源極線輸入驅動訊號以點亮每一微芯片30。

請一併參閱圖2和圖3，接著步驟72在設置面20方向上塗佈一層光阻，藉此形成全面覆蓋微芯片陣列3和上述驅動電路22、也填滿上述微芯片3陣列中的間隙34之一感光層4；並且在步驟73，以上述微芯片陣列3和上述驅動電路22為遮罩，使用例如波長為365nm的紫外光作為激發光束，從底面21方向向上照射，對上述感光層4進行一光刻工序，未受微芯片陣列3和上述驅動電路22遮蔽的感光層4因此會受到激發光束的曝光而形成曝光感光層42；相反地，受微芯片陣列3和上述驅動電路22遮蔽的感光層4則未受激發光束照射而稱為未曝光感光層44。

曝光感光層42受上述紫外光照射後發生光化學反應而改質，變成可與顯影液反應而溶解；然後再於步驟74以顯影液進行顯影，以 去除曝光感光層42而露出包含間隙34的鏤空區，且在微芯片陣列3和驅動電路22上留下未曝光感光層44。即使在巨量移動的過程中，許多微芯片30並非完全整齊排列，但因為微芯片30就是作為遮蔽光罩，使得被鏤空的區域完全因應微芯片30的佈設位置而分布，沒有絲毫失真。也就是，即使微芯片30焊接位置稍微偏斜例如10μm，相鄰微芯片的間隙仍保留有40μm。

請繼續參閱圖4及圖5，接著在步驟75以模注法在透紫外光陣列基板11包含間隙34的鏤空區，環繞填滿以負型光阻劑為基底的光敏性黑色高分子樹脂，此處光敏性黑色高分子樹脂是摻雜有氧化鐵、石墨、石墨烯、氧化鋁、鉛鹵素鈣鈦礦、碳氫化合物紅螢烯(rubrene)、黑色橡膠或黑色矽膠等遮光性材料5，其具有不透紅外光和可吸收365nm波長紫外光、以及當其吸收紫外光時會發生光化學交聯反應而固化的特性。然後在步驟76，再度以365nm波長紫外光全面曝光，將包含間隙34的鏤空區的上述光敏性黑色高分子樹脂固化，以形成例釋為環繞網格狀圍牆的遮光部52，同時將原先位於微芯片陣列3和驅動電路22上的未曝光感光層44進行改質。

步驟77時，顯影移除已經改質的原先未曝光感光層44，露出微芯片陣列3和驅動電路的凹陷51，此時遮光部52已經成形，不僅因為摻雜有遮光性材料而讓微芯片發光不會輕易照射到相鄰晶胞，而且無論微芯片30安裝是否歪斜，每一處間隔都完全依照微芯片佈設形狀精準成形遮光部52，使得整體光學組件的產品製造良率大幅提昇，產出效率也隨之提高。步驟78時，在每一上述凹陷51中，分別依照需求填入例釋為紅色光螢光膠321(形成紅色次畫素)、綠色光螢光膠322(綠色次畫素)的螢光材料層32以及不填充螢光膠(藍色次畫素)，藉此構成全彩的三原色。

最後於步驟79再以具備白光可見光高透光性、高折射率、耐熱性，抗濕性、絕緣性及化學穩定等特性的環氧樹脂從設置面20方向全面覆蓋，而形成例釋為透明保護層的透明保護單元6，將上述微芯片陣列3、遮光部52和驅動電路單元22氣密封閉在上述透紫外光陣列基板11上而形成上述光學組件1，可避免水分與氧氣造成的不良影響。

因為在本實施例中的製造方法，是利用既成的驅動電路以及微芯片陣列做為光學遮罩，精準形成鏤空區，隨後在鏤空區填入遮光性材料，就可以精準地依照每一個微芯片的佈設安裝位置，將微芯片間隙成形出網格狀圍牆的遮光部，不僅減省一道光罩製作費用以及一次光刻工序的製程費用而降低成本，也可以完全發揮芯片微型化的優勢，讓光學組件的解析度同步提升。

此外，因為本實施例的陣列光學組件具有藍色、綠色和紅色次畫素，可以選擇同時點亮三種次畫素以提供白光做為液晶顯示器的光源之外，也可以選擇根據液晶顯示器畫面的需求只點亮一種或二種次畫素以提供不同顏色的光源，達到省電和提高對比的額外功效，讓液晶顯示器設計者做更複雜的驅動方法的變化以得到更好的顯示品質，甚至加上灰階控制電路以單獨作為低階顯示器使用。

本發明的主動陣列基板上也常被安裝其他光電元件而製成具有其他功能的陣列電子裝置，本發明的第二較佳實施例如下所述，本例中與上述各較佳實施例相同部分於此不再贅述，相似的元件也使用相似名稱與標號，僅就差異部分提出說明。請參閱圖7，本例中的光學組件1’是例釋為指紋辨識面板，其中的微芯片陣列3’中的多個微芯片是例釋為紅外光 感應微芯片的光感應芯片332’。

本例中的指紋辨識面板可以藉由一紅外光源7’發射紅外光，然後藉由手指表皮的溝槽和紋路反射，再驅動光感應芯片332’接收以產生指紋感測訊號，或是只驅動光感應芯片332’接收來自手指自然放射的紅外線，因為手指表皮的紋路會輕微的遮蔽紅外線，所以多個相鄰的光感應芯片332’會接收到不同強度的紅外光，藉此可以產生指紋感測訊號。

因為本例中光感應芯片332’是位在各自的凹陷51’中，相鄰的光感應芯片332’之間有黑色不透紅外光的遮光部52’阻隔，所以光感應芯片332’幾乎不會接收到凹陷51’開口角度以外的散射紅外光，因此當芯片微型化使尺寸縮小後，就可以在同樣一根手指的範圍內，佈設更多晶胞而提升解析度，而且同時具有極高的訊噪比和絕佳的靈敏度，光學組件1”在市場上更具有性能優的競爭優勢。

本發明的第三較佳實施例如下所述，本例中與上述第二較佳實施例相同部分於此不再贅述，相似的元件也使用相似名稱與標號，僅就差異部分提出說明。請參閱圖8，本例中的光學組件1”是做為紅外光訊號接收器，為得到較穩定的訊號傳輸品質，可在光學組件1”的透明保護單元6”遠離光感應芯片332”的光穿透面60”貼附具有凸透鏡微結構611”的稜鏡片61”，其具有集光效果可使感應芯片332”也可以接收原本照射到上述遮光部52”的紅外光，而接收到更多光通量的紅外光訊號；並且貼附具有擴散粒子621”的均勻擴散片62”，使紅外光在光學組件1”上的照度更加均勻。

本實施例的光學組件藉由在透明封裝層的表面貼附均勻擴散片，使所發射和接收的紅外光輝度更加均勻，而得到較穩定的光訊號傳 輸品質，使本實施例的光學組件更具有市場競爭力，達成本發明之另一目的。

綜上所述，本發明是在微芯片陣列焊接在驅動電路之後，才將網格狀圍牆的遮光部填滿在微芯片陣列光學組件上微芯片陣列和驅動電路以外的鏤空區，在將巨量微芯片陣列轉移到驅動電路上時不會受到網格狀圍牆的遮光部的阻礙而產生電性連接不良的問題；並且利用焊接完成的微芯片陣列和驅動電路做為遮罩，以光刻法製出鏤空區而節省一道光罩和光刻工序的成本；而形成的鏤空區供精準填滿網格狀圍牆的遮光部，可以將相鄰的微芯片隔離不使互相干擾而提高微芯片陣列光學組件的訊噪比使其具有更好的市場競爭力。

當然，在上述各較佳實施例中，螢光膠的也可以採用二道光罩光刻工序來完成，而網格狀圍牆也可以採用噴墨法來精確灌注，上述兩處製法都可以因應各實施例的需要而互相變換，均無礙本發明之實施。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，不能以此限定本發明實施之範圍，凡是依本發明申請專利範圍及發明說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

1:光學組件

11:透紫外光陣列基板

2:透光基板本體

20:設置面

22:驅動電路單元

3:微芯片陣列

32:螢光材料層

321:紅色光螢光膠

322:綠色光螢光膠

34:間隙

51:凹陷

52:遮光部

6:透明保護單元

Claims (7)

1. 一種具有透紫外光基板的微芯片陣列光學組件，包括：一透紫外光陣列基板，具有一透光基板本體和一組驅動電路單元，上述透光基板本體至少可供穿透部分具有一特定波長的紫外激發光穿透、並具有一供設置上述驅動電路單元的設置面和一相反於上述設置面的底面；一組可遮斷上述紫外激發光的微芯片陣列，包括複數巨量轉移、彼此以至少一間隙間隔設置、且分別受上述驅動電路單元驅動的微芯片，每一前述微芯片是供發出及/或接收至少一光線，以及每一前述微芯片均可遮斷上述紫外激發光穿透，其中至少部分前述微芯片焊接位置稍微偏斜；一填充在上述間隙的遮光部；以及一覆蓋上述微芯片陣列以及上述驅動電路單元的透明保護單元，供將上述微芯片陣列氣密封閉在上述透紫外光陣列基板上。
2. 如申請專利範圍第1項所述的具有透紫外光基板的微芯片陣列的光學組件，其中上述微芯片至少包含放射一種波長光的發光二極體管。
3. 如申請專利範圍第1項所述的具有透紫外光基板的微芯片陣列的光學組件，其中上述微芯片至少包含一光感應芯片。
4. 如申請專利範圍第1項所述的具有透紫外光基板的微芯片陣列的光學組件，其中上述遮光部摻雜包含選自於氧化鐵、石墨、石墨烯、氧化鋁、鉛鹵素鈣鈦礦，碳氫化合物紅螢烯或黑色橡膠等遮光性材料。
5. 如申請專利範圍第1項所述的具有透紫外光基板的微芯片陣列的光學組件，其中還包含至少一設置在至少一上述微芯片上的一螢光材料層。
6. 如申請專利範圍第1項所述的具有透紫外光基板的微芯片陣列的光學組件，其中還包含至少一光擴散單元設置在上述透明保護單元的光穿透面。
7. 如申請專利範圍第1、2、3、4、5或6項所述的具有透紫外光基板的微芯片陣列的光學組件，其中上述透紫外光陣列基板是在300nm^~1000nm波長的紫外光、全波段可見光和紅外光都具有80%以上透光率的玻璃基板。

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