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由無(wú)機(jī)發(fā)光二極管(LED)的微觀“顆?！被蛐⌒酒嚵袠?gòu)成像素的顯示器（稱為MicroLED顯示器）已受到相當(dāng)多的關(guān)注，因?yàn)樗鼈冊(cè)诠?、色彩飽和度、亮度和穩(wěn)定性方面可能優(yōu)于基于有機(jī)LED的商業(yè)顯示器，并且沒(méi)有圖像燒傷問(wèn)題。為了制造這些顯示器，LED小芯片必須在單獨(dú)的晶圓上外延生長(zhǎng)，以獲得最大的設(shè)備性能，然后轉(zhuǎn)移到顯示器基板上。鑒于轉(zhuǎn)移所需的LED數(shù)量巨大，這種能夠低成本、高吞吐量地組裝數(shù)千萬(wàn)個(gè)單獨(dú)LED的技術(shù)亟需被開發(fā)用于微發(fā)光二極體顯示器的商業(yè)化。
有鑒于此，首爾國(guó)立大學(xué)Sunghoon Kwon等人展示了一個(gè)MicroLED照明面板，由超過(guò)19000個(gè)盤形GaN 小芯片組成，直徑為45μm，厚度為5μm，通過(guò)簡(jiǎn)單的基于攪拌、表面張力驅(qū)動(dòng)的流體自組裝(FSA)技術(shù)在60秒內(nèi)組裝完成收率99.88%。由于小芯片的慣性較低，創(chuàng)建這種級(jí)別的大規(guī)模、高產(chǎn)量的亞100μm小芯片F(xiàn)SA被認(rèn)為是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。作者克服這一困難的關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)是，在組裝溶液中添加少量poloxamer會(huì)增加其粘度，從而增加液體到小芯片的動(dòng)量傳遞。該結(jié)果代表了 FSA在實(shí)現(xiàn)低成本、高產(chǎn)量全彩MicroLED顯示器制造的最終目標(biāo)方面取得了重大進(jìn)展。
FSA制造MicroLED照明面板
作者展示了一個(gè)簡(jiǎn)單的、基于攪拌的小芯片F(xiàn)SA的實(shí)驗(yàn)過(guò)程。首先，藍(lán)寶石基板上的結(jié)合位點(diǎn)由圖案化為圓形的金層限定，在其上通過(guò)浸焊形成熔融焊料凸點(diǎn)。將基底和底表面具有Au層的GaN MicroLED小芯片浸入水基液體中后，手動(dòng)攪拌以引起焊料凸塊和Au層之間的接觸。為了最大限度地提高組裝產(chǎn)量，將液體加熱到88°C以保持焊料凸塊熔化，以獲得大量（大約300萬(wàn)）小芯片，并添加少量乙酸到液體中，以防止小芯片和焊料凸塊上形成金屬氧化物。

圖1? FSA制造MicroLED照明面板?
組裝機(jī)制差異
首先應(yīng)用基于攪拌的FSA來(lái)組裝邊長(zhǎng)為150μm的立方硅小芯片，并實(shí)現(xiàn)了超過(guò)89%的良率。然而，當(dāng)小芯片尺寸減小時(shí)，得到了明顯不同的結(jié)果。組裝成品率是由于引起小芯片相對(duì)于基板的速度的機(jī)制的變化造成的。隨著小芯片尺寸的減小，導(dǎo)致較大小芯片以足夠的沖擊力與基板碰撞的慣性力實(shí)際上變得越來(lái)越小。通過(guò)在組裝溶液中添加聚合物以增加粘度，實(shí)現(xiàn)了組裝產(chǎn)率的顯著提高。進(jìn)一步地，組裝溶液的粘度是確定組裝產(chǎn)率的一個(gè)重要因素。

圖2??組裝機(jī)制的差異及其對(duì)組裝良率的影響
MicroLED照明面板
作者展示了FSA制造的MicroLED照明面板的結(jié)構(gòu)。MicroLED 面板的制造是通過(guò)形成垂直于底部電極線的互連金頂部電極線來(lái)完成的。
將小芯片設(shè)計(jì)為圓形以防止基板和小芯片之間的旋轉(zhuǎn)未對(duì)準(zhǔn)，通過(guò)調(diào)整小芯片底面上的金焊盤直徑和圓形開口的直徑，防止在單個(gè)結(jié)合位點(diǎn)上組裝多個(gè)小芯片。作者詳細(xì)顯示了小芯片制造過(guò)程。

圖3? 通過(guò)簡(jiǎn)單的基于攪拌的FSA工藝制造的MicroLED照明面板
基于攪拌的FSA工藝的FR與小芯片質(zhì)量的比較
作者FSA實(shí)驗(yàn)的故障率(FR)值與之前演示的基于攪拌的FSA過(guò)程進(jìn)行了比較。除了與添加poloxamer的FSA相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)點(diǎn)外，這些數(shù)據(jù)點(diǎn)共同顯示出隨著小芯片質(zhì)量的減少，F(xiàn)R呈增加趨勢(shì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果清楚地證明了表面張力驅(qū)動(dòng)的FSA的獨(dú)特屬性，并表明該技術(shù)的對(duì)準(zhǔn)精度對(duì)于中型和大型顯示應(yīng)用來(lái)說(shuō)都足夠高。

圖4? 基于攪拌的 FSA 工藝的FR與小芯片質(zhì)量的比較

參考文獻(xiàn)：
Lee, D., Cho, S., Park, C. et al. Fluidic self-assembly for MicroLED displays by controlled viscosity. Nature (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06167-5