Micro LED驱动电极的制备

一 论文1

Ref：班章.微型AlGaInP-LED阵列器件及全色集成技术研究[D].中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所),2018.

设计并制备用于批量转移芯片的电极基底，可将基底分为柔性型和平面型两类以用于不同的使用范畴。

刚性平面型电极背板有利于保护芯片像素，使其在应用过程不易受到应力变形或是损伤；

柔性型电极背板具有更加轻薄、不易破碎、能卷曲便携等吸引人的特点。

选择合理的互连材料以保证像素芯片与电极背板的电热互连，良好的焊接不但可以降低芯片与焊料间的接触电阻，减小由短路的造成良率下降，同时也可以提高器件的导热性能，将器件工作产生的热量通过互连焊料传导出去。

1.刚性基板电极制备

该文以Si材料为刚性基底电极工艺流程进行设计，工艺流程具体如下：

1.制作行电极：通过光刻和电子束蒸发在Si硅基晶片上形成列电极，其中金属电极及引线焊盘为Cr/Pt/Au合金材料，总厚度为1500nm。

2.制备隔离层：采用气相沉积法(PECVD)制备800nm的SiO₂层；然后在基底表面旋涂制备2700nm厚聚酰亚胺层，并采用热固化法在250ºC环境中坚膜5小时。

3.刻蚀隔离层：通过光刻及ICP刻蚀方法去除行电极表面多余SiO₂层，保留行列电极交叉处的隔离层。

4.制作列电极：再次采用电子束蒸发制备厚度为1500nm的Cr/Pt/Au合金电极，最终，在电极表面生长250nm厚SiO2薄钝化层，利用lift-off方法去除行电极表面的SiO2层，使Si基电极上表面露出贴片对准点。

2.柔性基板电极制备

柔性电极与硬质基底电极有所不同，其衬底材料可进行弯曲，此文以覆铜板为材料制备条形阵列驱动电极实现阵列器件转印实验。具体的工艺制作流程为：

i)将单侧覆铜板PI层粘附于玻璃片表面；并放置于真空箱30min，抽取PI层与玻璃片表面交界处夹杂的残留气体；

ii)用0.1M/L 盐酸溶液清洗铜层表面，在表面旋涂AZ5214光刻胶，前烘100ºC，时间2min，置于波长365nm紫外光环境曝光2min，在铜层表面形成图案。

iii)采用FeCl₃与HCl的混合溶液腐蚀铜层，利用氧化还原反应去除未被光刻胶图层保护的铜金属，将光刻胶图形转移至铜层；Fe3+具有强氧化性，可将Cu原子氧化成Cu2+，同时Fe3+被还原成Fe2+，由于Fe2+会再次被空气中的氧气所氧化，重新反应生成Fe3+，因此，此腐蚀铜的溶液可被重复运用。

iv)用去离子水清洗基底电极表面，然后利用丙酮溶液去除铜层表面光刻胶图形。此时，升温溶解低温互连焊料，在焊料表面添加0.1M/L HCl溶液用于保护液态焊料不被氧化，然后将Cu金属层接触熔融状态下的低温焊，可将焊料提取至Cu层表面，而无Cu金属处表面则无焊料吸附

电极图案制作如图，在覆铜板表面制作形成的AZ5214光刻胶图案，其中条形区为需要腐蚀区域。图b为基底电极从FeCl₃溶液提出并清洗后的实验图片，其中腐蚀铜溶液FeCl₃浓度为10M/L，HCl浓度0.1M/L二者配比为100:1；由实验结果可以看出，铜层表面光刻图形可以对金属腐蚀反应形成保护，同时在光刻胶图形边缘下方形成了侧壁腐蚀，对电极制备造成了不良效果。根据实验结果进行判断，造成上述情况主要有以下三种原因：

1) 光刻胶层厚度过大，在显影过程中造成图形侧壁腐蚀严重，进而引起转移图形侧蚀严重；

2) FeCl₃溶液浓度过稀，降低了Cu金属腐蚀速率，增加了侧壁腐蚀时间。

3)覆铜板Cu金属层厚度过大，由于各项腐蚀性造成光刻胶下方Cu金属的侧壁腐蚀。

其中前两种情况为柔性电极制备条件设置不当所引起的，通过调整工艺参数可进一步改进；第三种情况为材料制备所引起的，通过减薄覆铜板Cu层厚度可改进实验结果。

由于，采用覆铜板制备柔性电极工艺流程更为简化，实验测试结果表明，该方法制备方案对微型器件光电性能并未产生不良影响，由此可知，该工艺流程可用于制备柔性基底电极背板。

也可用PET材料替代覆铜板制备柔性电极。图a为在PET表面涂覆负胶后的光刻图片，其中方形及条形区为无遮挡区域，采用AZ5214型光刻胶制备掩膜图形，图形一致性较好，且在无遮挡区内显影完全，明显无光刻胶残留；为沉积100nm厚的Au/Ni金属合金后置于丙酮溶液5min后的剥离效果。其中褶皱区域为未完全剥离的金属合金，其他平整区域为金属覆盖区。

互连材料温度特性为保护转印制作过程中材料和器件不因温度过高变形或受损，此文选用熔点为47ºC的低温焊料作为互连材料，但由于焊料受空气对流等影响，加热温度65ºC下，焊料处于半溶解状态，可见表面存在按压形状，对焊料表面添加PEG覆盖层前后进行实验对比，加热升温至70ºC，在焊料表面形成了一层灰白色致密的氧化薄膜，这将不利于芯片的焊接工艺制备；而在PEG图层保护下的低温焊料仍保持原有颜色；对处于熔融状态下低温焊料进行按压测试，结果表明，在溶剂状态下低温焊料表面涂覆PEG聚合物层可使焊料弹性形变力增强，防止了焊料因按压变形而引起扩散

低温焊料状态与温度变化关系：当温度低于60ºC时，焊料处于凝固状态；随温度升高，焊料颗粒逐渐变小，当温度达到70ºC时，焊料处于熔融状态且具有一定的延展性。

3 互连材料自组装

将低温焊料至于坩埚内升温75ºC使其处于熔融状态，加入0.1M/L的盐酸覆盖焊料表面，防止焊料表面因加热被空气氧化，然后将基底电极浸入焊料内部后再取出，低温焊料均匀分布在铜电极表面，同时在PI层表面没有形成附着，Cu金属电极厚度分布较为均匀为5μm；低温焊料厚度均值为10μm，波动误差为±1μm。

4.存在的问题

由于Cr/Au电极厚度仅为200nm，在AlGaInP基LED阵列器件制备过程中容易出现电极断裂的现象，造成部分像素无法驱动发光。考虑采用液体电镀法对蒸镀电极后的阵列器件进行再次电镀以增加电极厚度，保证电极可以正常工作。

目前转印实验使用的焊料为常见的铟锡合金焊料，由于受芯片压力及焊接的影响造成焊料回流能力下降，应计算分析焊料结构参数与可承受外力的函数关系。

全色LED阵列制备需进行二次及三次转印。在转印过程中需要升温改变焊料状态，多次转印难免对焊料工作质量造成影响，考虑通过选择性加热的方式实现局部升温，以确保多次转印的稳定性

二 论文二

Ref 基于量子点的Micro_LED彩色化研究_魏枫.

1 柔性基板的选型

根据构造方式的不同，柔性显示器件可划分为由柔性电路基板、发光像素单元和集成芯片这3个部分组成。对于柔性显示技术的研发工作，除了需要时 刻注意 PCB 的制作工艺和 LED 芯片与基板键合技术的发展外，还需要特别关 注不同柔性电路基底材料的研发情况。柔性电路基板对显示模块起到支撑与保 护的作用，且柔性电路基板的好坏直接与器件的显示效果和使用寿命相关联。 因此，国内外各研究机构目前都非常关注柔性基板的研发。 下表比较了现有主要3类柔性基板材料的性能：超薄玻璃，金属箔基板和聚合物薄膜基板。

从上面的表可知，由于聚合物材料基板在厚度、柔性、抗冲击力、 制作成本、绝缘性和透明性等方面的性能明显强于其他两类材料，因此该材料 得到了国内外研究机构的重点关注。下表对现有的主流聚合物柔性基板材料 进行了对比分析。 综合考虑，由于在进行 LED 芯片与柔性基板的倒装键合时，需要在 250℃ 的条件下进行回流焊作业，而 PI 材料是唯一能够经过此高温处理的柔性基板，同时 PI 材料其他各方面性能都非常优异，所以该论文选择市面上常见的 PI 材料作为柔性 Micro-LED 显示阵列基板的首选材料。

2 柔性基板的设计与制备

依据所选择的 ETi-DB205A-BL芯片具体的尺寸及结构，并结合无源寻址驱动原理，本节将详细介绍基于柔性透明 PET 材料的电路基板设计。为方便下一步对 LED 芯片进行倒装（Flip-chip）封装，需要对 P 和 N 电极焊盘进行开窗处理，使得 P 和 N 电极露出两个金属方形焊盘。将 64 根列线和 64 根行线分别布置在 PCB 的 Top layer 层和 Bottom layer 层，并在各阴极焊盘中心设置内径为 0.1mm 的通孔，将 N 焊盘与底层的行线（蓝 线）连接，以实现与 P 电极线路（红线）上下分开，避免短路。

该 PCB 设计及制作规格如表所示

图为柔性 Micro-LED 显示阵列模块制作实物图，由于基于 PI 聚合物 材料的印刷电路板的制作受限于 PCB 生产工艺，例如其孔径的极限最小为 0.1mm，而且本设计所使用的倒装结构 LED 芯片尺寸也近似是现有市场中最 小尺寸，因此想要在短时间内进一步缩小像素间距和提高分辨率相对较困难。

2 芯片与柔性基板的键合

由于 Flip-Chip 技术是专门用于倒装芯片的技术，且更适用于 LED 与柔性 基板的键合，因此本论文将采用 Flip-Chip 技术进行 LED 与基板的键合。其工 作原理是将 LED 芯片的各电极与上一节设计的柔性 PI电路基板实现物理和电 气连接，以完成对 LED 阵列与基板的键合，图 2-10 是该技术的具体操作步骤

首先，将制作好的柔性 PI 基板固定在吸真空夹具上，以实现将柔性 PI 基 板平整化，然后将夹具放置在机器上；之后，使用精确扩膜机对附着有 LED 芯片的蓝膜进行扩膜处理，使得蓝膜上 LED 芯片的间距从 0.1mm 均匀扩展到 0.6mm，便于下一步对芯片转移的操作；接着，需要将导电胶（一般使用的是 锡膏）解冻并放置在点胶机的相应位置；然后，使用点胶机在 PI 基板的对应 焊盘上点上导电胶；最后，使用 bonding 设备将 LED 芯片吸附并转移至已点 胶的焊盘位置。重复实施上述步骤，直到将 LED 芯片转移至柔性透明阵列基 板上。之后，将该基板从吸真空夹具上取下，并将其置于回流焊设备中进行加 热回流焊作业，回流焊后可使导电胶固化，增加 LED 芯片与柔性基板的粘结 度，同时可解决点胶过程中可能出现的相邻芯片短路问题。最后，对柔性 Micro-LED 阵列进行测试，检测 LED 芯片是否连接完好。Flip-chip 完成示意 图如图 2-11 所示。

图为采用了 Flip-chip 技术完成的柔性 Micro-LED 阵列实际效果图。 其中，单像素的规格为 512μm×157μm，相邻像素的中心距离为 0.6mm

3 驱动方式模块的设计与制备

经过前面章节对于 Micro-LED 驱动方式的介绍，本论文将采用无源扫描 驱动方式驱动显示阵列，使用无源驱动方式的好处是驱动电路的电路设计与制 作较为简，不需要对每个一发光像素都配备晶体管，且采用无源驱动驱动蓝光 Micro-LED 显示背板能基本满足本次研究中对蓝光 Micro-LED 显示背板的显 示要求。采用无源驱动方式的总体驱动设计系统原理如图所示。通过操 纵 FPGA 核心控制模块输出图像信息数据给恒流驱动芯片（SM16126 芯片） 和电压驱动芯片（SM5166P 芯片），然后恒流驱动芯片与电压驱动芯片并行输 出显示信号给 LED 阵列显示模块，实现 LED 阵列各像素的开启或关闭,从而 对 LED 阵列实现无源扫描驱动。

4 行列驱动芯片选型

LED 驱动芯片主要分为恒压、脉冲和恒流驱动芯片。恒压式驱动芯片 制作成本较后两者低而且不需要设计复杂的外围电路，但是其无法控制驱动的 输出电流，而 LED 是电流型驱动器件，这会直接影响 LED 芯片发光亮度的一 致性；脉冲式驱动芯片能有效节省输出电流，但是其驱动能力不足，无法满足本设计的需求；恒流驱动芯片可通过外接电阻的方式精确调节 LED 芯片输入 电流的大小，从而实现对 Micro-LED 阵列的发光亮度和色度一致性的控制， 因此本论文采用恒流驱动芯片作为阴极驱动芯片。 前一节讨论了柔性 Micro-LED 显示阵列模块的设计及制作，可知该阵列的分辨率为 64×64，因此该阵列的阴极需要 64 位 I/O 引脚对其控制。下表为现有主流的 LED 恒流驱动 IC 对比表。

由表可知，在芯片性能差不多的情况下，明微公司所出品的 SM16126 芯片因价格适中从而更具有竞争优势。另外，由于本设计中的输出引脚需要 64 位，若使用东芝公司同等价格的 TB62725 芯片，则需要 8 块该芯片级联才 能实现 SM16126 芯片 4 块级联的效果，所以该论文选择了 SM16126 芯片作为 本设计的阴极驱动芯片，在减少制作成本的同时提高了集成度，缩小了电路集 成面积。 SM16126 芯片是一种同时具有移位寄存器和锁存器功能的恒流 LED 驱动 芯片，可以实现数据的串入并出。其恒定的电流大小范围可以控制于 3~45mA 之间，而且芯片的电流大小可由外接电阻来控制。该芯片输出端口既能够承受 很大的电压，还提供有 16 个 I/O 口，因此一颗 SM16126 芯片可连接多颗 LED 芯片。SM16126 芯片具有 24 位引脚，其中 OUT0~OUT15 这 16 个引脚为输入输出 I/O 引脚；pin1 和 pin24 引脚则分别连接地和电源；SDI 引 脚为数据输入端口，并与外部 FPGA 驱动板连接，当 CLK 时钟信号上升时， 从 SDI 端口输入的数据会逐位被内部寄存器锁存，当 OE 数据输出端口收到下 降沿信号时，该芯片会将锁存于 LE 端口的锁存数据并行输出至 LED 阵列。对单颗 LED 芯片的输入电流和对应发光亮度进行对照测试，当 LED 芯片 的输入电流大小为 10ma 左右时，所对应的发光强度正好满足人们对显示器件 亮度的要求。计算得出 Rext=2000Ω，因 此本论文在阴极驱动芯片 R-EXT 端口外接了一个 2K 的电阻

由于相邻 LED 芯片的中心距离只有 0.6mm，而且无源扫描驱动是采用多 行多列的扫描方式，该电路板的布线必定非常紧密。所以该驱动方式容易产生 电流串扰现象，使得 LED 显示阵列不能呈现细致的画面效果，还可能出现低 亮度、色偏、渐层暗线以及出现“列上拖影”等问题。为解决这些因无源驱动扫 描方式而造成的问题，必须采用更加专业的驱动芯片。在上一节对各厂家芯片 的对比中，国产明微公司所生产的专业 LED 驱动芯片不仅性能能够比拟国外 大公司的芯片，而且价格相对低廉易购买，因此本论文准备使用明微公司生产 的 SM5166P 驱动芯片作为阳极驱动芯片。 SM5166P 芯片的工作原理类似 3-8 译码器，它可以提供 8 路输出电流驱 动。在各输出端口内置有电压钳位电路，能有效避免 LED 显示阵列出现“列上 拖影”的现象。而且其内部电路还具有短路保护功能，所以该芯片能提升 LED 阵列的可靠性。SM5166P 芯片具有 16 位引脚，其中 Y0~Y7 引脚对应 8 位 I/O 引脚；pin1、pin9 和 pin8 引脚则分别连接电源和地；A0，A1，A2 引脚 是数据输入端口，与外部驱动模块连接，当 EN1 引脚被拉高，且 EN2 引脚被 拉低时，被锁存在芯片内的数据将会被并行输出。

5 行列驱动模块电路设计

结合上一节对行、列驱动芯片的选择，并结合分辨率为 6464 的柔性 LED 阵列无源扫描驱动的原理，具体电路设计如图 2-17 所示。U1~U8 为 SM5166P 阳极驱动芯片，通过 8 块该芯片的级联实现对 LED 阵列阳极控制；UB1~UB4 为 SM16126 阴极恒流驱动芯片，通过 4 块该芯片的级联实现对 LED 阵列阴极 控制；JP1 为 HUB75 转接口设置，与 FPGA 驱动模块相连接；P1 为 64 位阳 极和 64 位阴极的金手指接收模块，用以实现行列驱动模块与 LED 显示阵列模 块的电气连接。

根据行列驱动模块的电路设计图，并结合现已有的 PCB 制作工艺，图 2-18 为行列驱动模块的 PCB 设计图。其具体的 PCB 设计规格如表，制作 板材是普通的 FR-4 电路基板，为了满足更小尺寸的行列驱动基板设计，本论 文按照最小线距为 0.1mm，最小线宽为 0.1mm，内孔径为 0.2mm 的 PCB 规格 来对行列驱动模块进行设计。为了满足输入输出的电流和电压稳定性，VDD 和 GND 引线均用 0.2mm 线宽布线。

6 核心控制模块

要实现整个系统的运行，还必定需要一个核心驱动模块 来驱动。这一节本文将详细介绍核心驱动模块的驱动方式选型，并且结合上述 两个模块实现柔性 Micro-LED 显示阵列的完整制作。 现今，主流的核心驱动方式包括单片机、ARM、DSP 以及 FPGA，下表将对它们进行对比分析

如表所示，不同的驱动方式，都对应有着不同的应用领域，一般通过 对各方面的因素进行综合考虑来选取合适的驱动方式。例如：对于一般的家用 电器控制系统，通常是选取价格最便宜的 8 位单片机模块完成；但如果是手机、 IPAD 等智能电子类产品，一般的单片机因功能缺陷无法满足这类器件的驱动， 就必须采用 ARM 或 DSP 等性能更好的方式来驱动。这几类器件的结构都是已

经完全设计好的，只需通过编程来实现功能。但不同于它们只能按顺序运行的 情况，FPGA 不仅可以并行处理数据，还能按顺序运行，所以 FPGA 数据处理 的速度最快。由于 LED 阵列要实现较好的显示效果，就必定需要非常高的显 示刷新率，因此本论文准备采用可并行处理数据，运行速度更快的 FPGA 驱动 方式作为核心控制模块