一种柔性可拉伸的Micro-LED巨量转移装置和方法与流程

本发明涉及半导体光电技术领域，尤其涉及一种柔性可拉伸的micro-led巨量转移装置和方法。

背景技术：

在本世纪初来自德州理工大学的研究者提出micro-led的概念之后，研究机构和厂商相继加大了对该技术开发的研究。micro-led及其衍生的技术指将传统的led进行微小化、薄膜化、阵列化，从而得以将密排的小尺寸集成在尺寸在1μm～10μm的各个芯片上，再分批次选择并转移到显示基板上，通过物理沉积制作出电极和保护层，再进行封装。与传统led、oled显示技术相比，其具有高发光效率、高对比度、高色彩饱和度、长寿命等优势，可用于解决原有显示设备产生的眩晕、穿戴不适等市场痛点。然而，在量产化过程中，其面临着巨量(规模化)转移、全彩化、微浓缩技术等技术阻碍。巨量转移作为一大关键工艺，要求在平方厘米级大小的晶体管面板上，均匀焊接固定成千上万个rgb三色晶片阵列，以实现全彩显示，且在转移过程中要求装备能够根据目标基板的显示需求，将同一转移批次的晶片间隔进行均匀分散后选择性释放。如此大批量的精细转移，要求开发更为高效、高精准度的工艺技术。

现有工艺链上的巨量转移方法，主要是(1)激光、超声波剥离技术，其具体过程是：用附着有弹性膜的转移基板粘结晶片，之后用图案化激光/超声换能器定点使薄膜凸起，在重力的作用下选择性地释放晶片，并且同时起到扩大晶片间隔距离的作用，如美国专利us8056222b2和us9161448b2等，然而该技术需要用到的图案化激光或者超声技术成本较高，且激光剥离容易造成晶片的损伤。(2)流体自组装技术，利用流体如气体、液体的干预，让micro-led落入预制的特殊结构中，达到自组装效果，但因为流体可控性不强而导致精准度难以把握。

柔性材料，例如水凝胶，可通过调控其组分，达到高韧性、可拉伸性的优异性能，可在上述选择性释放技术和晶片距离的可控均匀分散过程中发挥优势。然而在选择性释放过程中，已有的技术中没有将柔性材料应用在该工艺过程中。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对背景技术中的缺陷，提出一种柔性可拉伸的micro-led巨量转移装置和方法，以解决现有micro-led巨量转移效率低、可控性差和工艺流程复杂等问题，在保证精准度和良率之外，在选择性释放的同时实现可控分散晶片间隔距离的要求，进一步满足了低成本、易操作、高效率、高柔性并简化工艺等需求。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种柔性可拉伸的micro-led巨量转移装置，包括转移基板和承接单元；

所述转移基板包括柔性单元、热敏感胶、晶片和晶片焊盘，所述柔性单元设置有电热单元，所述电热单元的表面粘结有所述热敏感胶，所述热敏感胶的表面粘结有多个所述晶片，所述晶片附带有多个所述晶片焊盘；

所述承接单元包括接受基板及分布于所述接受基板的金属凸点；

所述金属凸点与所述晶片焊盘一一对应。

优选的，所述柔性单元包括上下两层水凝胶层及以三明治层压式于所述水凝胶层之间的弹性层；

所述柔性单元上还设置有屈曲结构的导线；

所述电热单元与所述水凝胶层稳固接触，且其两端连接所述导线。

优选的，所述水凝胶层由物理交联的耗散聚合物网络结构和共价交联的可拉伸聚合物网络结构构成；

所述可拉伸聚合物网络结构被共价接枝于所述弹性层。

优选的，物理交联的耗散聚合物网络结构由藻酸盐、壳聚糖和透明质酸构成；

共价交联的可拉伸聚合物网络结构由聚丙烯酰胺、聚乙二醇和聚乙烯醇构成；

所述可拉伸聚合物网络结构通过二苯甲酮共价接枝于所述弹性层。

优选的，还包括夹持单元，所述夹持单元围绕设置于所述柔性单元的边缘。

优选的，所述热敏感胶为聚羟基醚聚合物。

优选的，所述接受基板为嵌入式器件。

一种柔性可拉伸的micro-led巨量转移方法，包括使用所述一种柔性可拉伸的micro-led巨量转移装置进行转移，具体步骤如下：

步骤a：转移基板在micro-led生长晶圆上取下相邻排列的晶片矩阵，并将其转移到接受基板上方；

步骤b：根据晶片矩阵上的固晶位点的间距及所需释放的图形图案，通过夹持单元多维拉伸柔性单元，使所述柔性单元发生平面拉伸变形；

步骤c：使转移基板靠近所述接受基板，令晶片焊盘与金属凸点接触，根据所需释放的图形图案，使电热单元通电；

步骤d：电热单元通电加热热敏感胶，使所述晶片脱离所述热敏感胶，完成释放；

步骤e：重复步骤b-步骤d，直至所有晶片完成释放。

优选的，夹持单元多维拉伸柔性单元，使所述柔性单元发生平面拉伸变形包括：

对柔性单元沿y轴进行一维拉伸；

对柔性单元沿xy平面进行二维拉伸。

优选的，包括通过比例系数调控所述柔性单元的剪切模量，改变拉伸破坏极限，所述柔性单元受破坏前的拉伸破坏极限为100％-500％；

包括使用公式一获取所述比例系数，公式一如下：

其中，th表示水凝胶层的层厚，te表示弹性层的层厚，r表示比例系数，r的取值范围为0.5-15；

包括使用公式二获取柔性单元的剪切模量，公式二如下：

其中：g表示柔性单元的剪切模量，gh表示水凝胶层的剪切模量，ge表示弹性层的剪切模量；

水凝胶层和弹性层的剪切模量根据不同的水凝胶和弹性体的种类进行确定。

有益效果：

本发明解决现有micro-led巨量转移效率低、可控性差和工艺流程复杂等问题，在保证精准度和良率之外，在选择性释放的同时实现可控分散晶片间隔距离的要求，进一步满足了低成本、易操作、高效率、高柔性并简化工艺等需求。

附图说明

图1是本发明其中一个实施例的转移基板示意图；

图2是本发明其中一个实施例的转移装置拉伸过程示意图；

图3是本发明其中一个实施例的扩大间距并选择性释放micro-led晶片过程示意图；

图4是本发明其中一个实施例的扩大间距并选择性释放micro-led晶片过程的俯视图；

图5是本发明其中一个实施例导线在柔性单元中的两种设置方式的示意图。

其中：水凝胶层101；弹性层102；电热单元103；未通电的电热单元103a；通电电热单元103b；导线104；夹持单元201；晶片焊盘202；晶片203；未释放的晶片203a；释放的晶片203b；热敏感胶204；接受基板301；金属凸点302；晶圆401；固晶位点402。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明的一种柔性可拉伸的micro-led巨量转移装置，包括转移基板和承接单元；

所述转移基板包括柔性单元、热敏感胶204、晶片203和晶片焊盘202，所述柔性单元设置有电热单元103，所述电热单元103的表面粘结有所述热敏感胶204，所述热敏感胶204的表面粘结有多个所述晶片203，所述晶片203附带有多个所述晶片焊盘202；

所述承接单元包括接受基板301及分布于所述接受基板301的金属凸点302；

所述金属凸点302与所述晶片焊盘202一一对应。

通过在所述热敏感胶204下表面粘结多个晶片203，并将转移基板转移至所述接受基板301的上方，使附带在所述晶片203上的多个晶片焊盘202与所述接受基板301上的金属凸点302在空间分布上一一对应，通过在柔性单元上设置电热单元103，加热电热单元103，使得粘结于所述电热单元103表面的热敏感胶204受热，晶片203在重力的作用下脱离热敏感胶204，完成释放。

所述的晶片203的尺寸为1μm×1μm～10μm×10μm及以上，其包含例如n掺杂的氮化镓层、多量子阱结构、p掺杂的氮化镓层等。

优选的，所述柔性单元包括上下两层水凝胶层101及以三明治层压式于所述水凝胶层101之间的弹性层102；

普通的水凝胶层101的强度和断裂韧性通常远低于常见的弹性层102(弹性层102为弹性体，如硅橡胶)，无法满足本发明的高拉伸的需求，故通过三明治层压式的设计，引入中间弹性层102，一是可以根据需要，通过调控水凝胶层101和中间的弹性层102的层厚比例系数r来调控柔性单元的剪切模量；二是使柔性单元具有了普通水凝胶层101所不可达到的拉伸性能；三是利用水凝胶层101的自愈性，使得水凝胶层101的表面布置微小电路和器件时，避免可能造成裂纹等微小缺陷。

所述柔性单元上还设置有屈曲结构的导线104；

具体地，在本申请中，参照图5(a)，导线104以s形布置在柔性单元上；参照图5(b)，或者以半嵌入的方式布置在柔性单元上。其制备材料可以为金属、导电聚合物或其他导电物质，加工方法可以是3d打印、物理溅射等方法。s形图案可以有效降低柔性单元在拉伸过程中导线104发生的电阻变化，提高弹性拉伸性能，除了s形之外，还可以通过其他屈曲图案来实现，如锯齿状。

若将导线104设计为常规的直线图案，导线104的横截面积将会随着拉伸程度的不同而变化，从而产生电阻变化，降低电路性能，甚至有可能产生电路短路；而s型图案电路的总长度比直线形式的总长度大，从而尽可能降低了拉伸状态对导线104的横截面积的影响，从而减少了拉伸过程的电阻变化。

具体地，导线104的拉伸率为50％-400％。

所述电热单元103与所述水凝胶层101稳固接触，且其两端连接所述导线104。

具体地，电热单元103利用电流热效应工作，在通电状态下温度上升。可以为铂铱合金或者其他电热合金材料，通过物理溅射等方式设置于柔性单元上，与水凝胶层101稳固接触，电热单元103的两端连接有导线104。

优选的，所述水凝胶层101由物理交联的耗散聚合物网络结构和共价交联的可拉伸聚合物网络结构构成；

所述可拉伸聚合物网络结构被共价接枝于所述弹性层102。

优选的，物理交联的耗散聚合物网络结构由藻酸盐、壳聚糖和透明质酸构成；

共价交联的可拉伸聚合物网络结构由聚丙烯酰胺、聚乙二醇和聚乙烯醇构成；

所述可拉伸聚合物网络结构通过二苯甲酮共价接枝于所述弹性层102。

具体地，柔性单元的水凝胶层101由物理交联的耗散聚合物网络结构和共价交联的可拉伸聚合物网络结构组成。水凝胶层101中的可拉伸聚合物网络被共价接枝到弹性体链，即弹性层102上，以实现水凝胶和弹性层102之间的牢固结合。

具体地，弹性层102的制备材料包括聚二甲基硅氧烷(pdms)、ecoflex、乳胶或其他橡胶。水凝胶层101中，藻酸盐、壳聚糖和透明质酸构成物理交联网络结构；聚丙烯酰胺、聚乙二醇和聚乙烯醇构成共价交联的可拉伸聚合物网络结构；二苯甲酮在紫外波段的激光辅助下用于活化弹性层102的表面，以实现将水凝胶的可拉伸网络共价接枝到弹性体(即弹性层102)的分子链上。

优选的，还包括夹持单元104，所述夹持单元104围绕设置于所述柔性单元的边缘。

具体地，参照图2(a)，夹持单元104设置于柔性单元的周围，参照图2(b)可以对柔性单元进行沿y轴的一维拉伸；参照图2(c)，可以对柔性单元进行xy平面的二维拉伸，夹持单元104设置于精密操作臂(图未示)上。

优选的，所述热敏感胶204为聚羟基醚聚合物。

具体地，热敏感胶204为聚羟基醚聚合物，其优选的单体为二羟基的染料和二缩水甘油醚，也可以为其他的热敏感胶204等，其粘度可以由温度进行调控，呈负相关关系。热敏感胶204通过粘结方式可靠设置于电热单元103表面。

优选的，所述接受基板301为嵌入式器件。

所述的接受基板301可以为mems、微型传感器、功率半导体、发光二极管集成电路或其他嵌入式器件。

一种柔性可拉伸的micro-led巨量转移方法，包括使用所述一种柔性可拉伸的micro-led巨量转移装置进行转移，具体步骤如下：

步骤a：转移基板在micro-led生长晶圆401上取下相邻排列的晶片203矩阵，并将其转移到接受基板301上方；

步骤b：根据晶片203矩阵上的固晶位点402的间距及所需释放的图形图案，通过夹持单元104多维拉伸柔性单元，使所述柔性单元发生平面拉伸变形；

步骤c：使转移基板靠近所述接受基板301，令晶片焊盘202与金属凸点302接触，根据所需释放的图形图案，使电热单元103通电；

步骤d：电热单元103通电加热热敏感胶204，使所述晶片203脱离所述热敏感胶204，完成释放；

步骤e：重复步骤b-步骤d，直至所有晶片203完成释放。

具体地，转移过程是：参照图3(a)，转移基板在micro-led生长晶圆401上取下相邻排列的晶片矩阵①，热敏感胶204下表面黏结有多个晶片203，并转移到接受基板301上方；参照图3(b)，根据固晶位点402的间距以及所需释放的图形图案，通过夹持单元104使柔性单元发生平面拉伸变形的响应，以可控扩大晶片203的间距距离；参照图3(c)，靠近接受基板301并使晶片焊盘202与金属凸点302接触，再通过选择性的对通电的电热单元103b进行通电，未通电的电热单元为103a；参照图3(d)，因为热敏感胶204被选择性加热而黏度下降，释放的晶片203b在重力的作用下脱离热敏感胶204，该动作完成之后，转移基板在精密操作臂(图未示)的运载下，与未释放的晶片203a一起远离接受基板301的上表面，释放过程完成，进入下一个工作循环，直至将未释放的晶片203a释放完成，由于停止通电后的热敏感胶204的温度自发降低，直至完全能恢复初始温度后，可以多次利用。

具体地，参照图4(b)，经过上述过程，可供选择的释放图案包括②～⑤等。

具体地，上述电热单元103的通电时间为1ms～1s。

经过上述过程后，可以对晶片203进行常规的后续处理。例如，后续过程包括：在接受基板301上涂覆、蚀刻聚合物，在晶片203的外延层上形成金属电极并对电极进行封装，该过程为该领域人员所熟悉，不再赘述。

本发明的柔性可拉伸的micro-led巨量转移装置、转移方法还可以对接受基板301上发生电路故障的micro-led进行取出，完成电路修复功能。具体过程是将热敏感胶204设置为热结合胶，其他部件不变。过程是：根据故障的晶片203的图案，选择性地对需要更换的晶片203图案所对应的电热单元103进行通电，温度上升使热结合胶黏度增加，由此选择性地从接受基板301上取出故障晶片203，再根据上述正常晶片203的选择性释放并固晶的过程进行更换。

优选的，夹持单元104多维拉伸柔性单元，使所述柔性单元发生平面拉伸变形包括：

对柔性单元沿y轴进行一维拉伸；

对柔性单元沿xy平面进行二维拉伸。

具体地，参照图2(a)，夹持单元104设置于柔性单元的周围，参照图2(b)可以对柔性单元进行沿y轴的一维拉伸；参照图2(c)，可以对柔性单元进行xy平面的二维拉伸，夹持单元104设置于精密操作臂(图未示)上，通过夹持单元104使柔性单元发生平面拉伸变形的响应，以可控扩大晶片203间距的距离；。

优选的，包括通过比例系数调控所述柔性单元的剪切模量，改变拉伸破坏极限，所述柔性单元受破坏前的拉伸破坏极限为100％-500％；

包括使用公式一获取所述比例系数，公式一如下：

其中，th表示水凝胶层的层厚，te表示弹性层的层厚，r表示比例系数，r的取值范围为0.5-15；

包括使用公式二获取柔性单元的剪切模量，公式二如下：

其中：g表示柔性单元的剪切模量，gh表示水凝胶层的剪切模量，ge表示弹性层的剪切模量；

水凝胶层和弹性层的剪切模量根据不同的水凝胶和弹性体的种类进行确定。

通过调控比例系数r来调控柔性单元的剪切模量g，进而调控拉伸破坏极限，其中的ge和gh要根据不同的水凝胶和弹性体的种类才能确定，也就是说，既定的水凝胶和弹性体都有既定的剪切模量，通过调节比例系数r的大小来调控整个柔性单元的剪切模量g，剪切模量越小，意味着拉伸破坏极限越大。

以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。