巨量转移技术最新动态：滚轮转印、流体自组装、磁动力

巨量转移技术是当前Mini/MicroLED厂商最值得研究的课题之一。目的是为了打破传统封装和芯片转移技术的天花板，通过高精度的设备把巨量的微米级LED芯片正确且高效地移动到目标基板及PCB板上，最终实现Mini/MicroLED的量产需求。

巨量转移过程中存在的主要技术难点可分为：转移数量、转移速度、转移精度、转移良率和转移成本。在转移数量和速度方面，由于具有较高的像素密度，相对于其他显示设备，MicroLED显示设备所需组件数量和转移速度需要大幅提高。

在转移精度方面，必须将单色MicroLED从生长基板上取下，并和其他两种颜色的Micro-LED进行组装以形成RGB像素，且转移过程对位精度要控制在±1.5μm以内。在转移良率方面，为了保证Micro-LED显示设备的质量，业界的标准是在全高清显示屏（1920×1080像素）中的无效像素的数量应控制在3个以内，换算成良率为99.9999%。

在转移成本方面，根据估算表明，对于5.8英寸2K分辨率的智能手机（LED器件尺寸约为10μm）和55英寸4K分辨率的电视（LED器件尺寸约为20μm）这样的Micro-LED显示设备，巨量转移成本将占总成本的20%。由此可见，实现低成本巨量转移对于Micro-LED显示设备的价格降低至合理范围至关重要。

近日，又有两项MicroLED巨量转移技术取得研究新进展，分别是MicroLED连续滚轮转印技术及MicroLED流体自组装技术。

英国研究者开发MicroLED连续滚轮转印技术，单次转移超75000颗。近日，英国斯特拉思克莱德大学（UniversityofStrathclyde）的研究者宣布开发了一项MicroLED新型转移工艺：连续滚轮转印技术，可在一次转印中精准地转移超75000颗MicroLED，并针对转移的数量和良率开发了自动计量系统。

a)滚轮转印设备示意图；b)转印制程（左到右），器件从供体释放到转移头，再放置到接收芯片上

研究人员表示，这项工艺可以实现MicroLED的巨量集成，可在一次转印中转移一个320x240像素阵列，相当于75000颗以上的MicroLED，相对位置精度达亚微米级，而且能够保持像素阵列的几何结构，像素空间定位误差与设计布局的偏差控制1μm以内。

另外，研究者还采用了基于简单光学显微镜的自动亚微米级精准计量系统，用于评估如此大规模数量的器件，同时还可以评估良率。

除了MicroLED巨量转移，该工艺还可用于其他类型的设备，包括硅和印刷电子设备，如柔性和可穿戴电子设备、智能包装和射频识别标签；同时，该工艺在光伏设备制造、药物输送系统、生物传感器和组织工程等生物医学应用中也具有应用潜力。

8月1日消息，据报道，近日首尔大学研究人员与LG电子合作，开发出「流体自组装」（FluidicSelfAssembly，FSA）新技术，这是一种基于流体制程的新巨量转移技术。

首尔大学首席研究员LeeDae-won形象描述了FSA背后的原理：想象一个装满液体的盒子，里面漂浮着许多“小拼图”。当盒子被震动时，这些拼图碎片自己会找到它们指定的插槽，就像LED芯片在基板上找到它们的位置一样。通过仔细控制液体的粘度，研究人员能够实现高达99.88%的组装成功率。

采用FSA技术制造的MicroLED面板(来源:《自然》杂志)

采用FSA技术不仅加快了制造速度，而且降低了成本，使其成为有前途的大规模生产解决方案。不过，虽然该技术显示出巨大的潜力，但产品真正实现大规模量产并进入市场还需要时间。在LeeDae-won看来，这项技术如果要在智能手机、平板电脑、智能手表和增强现实设备等商业显示器上全面应用，可能需要大约五年的时间。“制造技术的进步、生产过程的可扩展性和市场需求都将发挥推动作用。”他强调。

事实上，早在20多年前就已经使用这种做法来组装直径约300微米的元件。

在首次测试中，研究人员发现当芯片尺寸小于100微米时，组装良率会大幅下降；要想以高产量组装50微米以下芯片，必须增加从组装溶液传到每个芯片的动量。

对此，研究人员在溶液中加入poloxamer聚合物，提高溶液黏度的同时，也能清除结合点上任何微小气泡或颗粒，提升紧密接触机率。最后，研究人员制造出由19,000多个MicroLED芯片组成的照明面板，每个芯片都能发出蓝光，直径为45微米，实现高达99.88%的组装良率。

目前流体组装技术以美国eLux公司为主，该公司已经将MicroLED显示器的流体自组装商业化。

流体自组装技术英文全称FluidicSelfAssembly简称FSA，又称流水封装。很少人听过这个技术，听过或者了解过这个技术的人也许会质疑笔者为什么会讲一个非主流的技术。这里有两点理由，一是这个技术非常具有创新力，也许是下一代封装技术的始祖；二是现在市场依然使用的条带（Strap）最初是由FSA技术产生的。

FSA技术通过4个步骤可以生产出Strap，通过5个步骤可以生产出干Inlay，如图4-82所示其步骤如下：

准备大量Wafer，这台FSA设备一次开机就要吃掉几百万颗芯片，如果没有那么多芯片这个机器根本无法运转。

把整盘Wafer中的芯片切成图4-82中（b）的特定形状，这样的形状可以在流水封装中翻转为正方向。

进入流体冲刷过程，最终停留在指定的方格中，由于流体的冲力和可以让每一个方格被芯片按正方向填充。

正面凸点与导电印刷基板连接，这样就形成了Strap。

将Strap与天线封装在一起就形成了干Inlay。

FSA生产线是美国意联科技公司发明的，大概2008年开始运转，据说花了1.5亿美元的研发费用。一条生产线的年产能达2亿颗，相当于30台纽豹TAL-1500的产能。当年全球没有成熟的超高频RFID倒封装设备，这样一台庞然大物真的是巨兽一般的存在。但是2008年的时候全球超高频RFID标签需求量还不到2亿颗，市场还没有等来，却等来了金融危机，从此这台机器就放在了意联公司位于俄亥俄州Dayton的实训基地仓库里，至今一直寂寞的等在那里。如果今后物联网发展像计算机一样风靡，相信这台大家伙一定能进入物联网博物馆。

另外今年5月3日，韩国LG电子（LGElectronics）WonjaeChang,JungsubKim，JeongSooLee等，在Nature上发文，提出了一种基于流体自组装（FSA）技术的新转移方法，称为磁力辅助介电泳自组装技术（MDSAT），它结合了磁力和介电泳（DEP）力，在15分钟内，实现了同时的红色，绿色和蓝色(RGB)LED转移，转移良率为99.99%。

该报告中的磁力辅助介电泳自组装技术（MDSAT）即是通过在MicroLED中嵌入铁磁材料镍，控制整个运动，并通过施加以受体孔为中心的局部DEP力，这些MicroLED被有效地捕获并组装在受体位点。此外，通过MicroLED和受体之间的形状匹配，展示了RGBLED的并行组装。

最后，还制造了发光面板，显示出了无损伤转移特性和均匀RGB电致发光发射。研究证明了，磁力辅助介电电泳自组装技术MDSAT方法，有望成为有力的转移技术，用以实现MicroLED主流商业产品大批量生产。

磁力辅助介电电泳自组装技术magnetic-force-assisteddielectrophoreticself-assemblytechnology，MDSAT流体装配过程示意图，以及根据COMSOL模拟计算的电泳Dielectrophoresis，DEP和磁力分布。

电泳DEP力，与微发光二极管显示材料MicroLightEmittingDiode，MicroLED组装行为和转移屈服力的关系。

形状失配缺陷的显微镜图像和示意图，以及作为受体孔高度函数的电泳DEP力和转移屈服的变化。

无源矩阵微发光二极管MicroLED面板的图像，I–V特性和RGB光谱。

行业正在研究的Micro-LED巨量转移技术汇总

Micro-LED巨量转移是走向量产的关键技术，同时为下一阶段RGB像素全彩化做准备，其旨在将原始衬底上数量巨大的Micro-LED器件快速精确地转移到目标衬底表面，使MicroLED器件与其驱动集成电路系统之间形成良好的机械固定和电气连接。

为了解决巨量转移技术的种种技术难题，许多研究机构提出了各种不同的巨量转移技术解决方案，目前正在开发的Micro-LED巨量转移技术主要涉及粘弹体印章、激光剥离、滚轴转印、静电、电磁、流体自组和化学剥离等。虽然它们各具特色，但是仍不能同时满足巨量转移技术对于转移数量、转移速度、转移精度、转移良率和转移成本的要求。

粘弹体印章转移技术

粘弹体印章微转移印刷技术最早是2004年由Rogers实验小组构想的[3]，其关键技术是采用具有一定粘弹柱状高分子聚合物印章来调控与目标衬底的粘性力，制备该粘弹体印章普遍是使用聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane，PDMS）制成的。当Micro-LED显示器件与粘弹体印章充分接触时，二者表面将产生范德华力作用从而形成印章对器件的粘附。

如图2所示，此种转移技术主要分为拾取和放置两个步骤：拾取过程主要依靠粘弹体印章与原始衬底之间的范德华力将Micro-LED显示器件从原始衬底上剥离；放置过程是利用粘弹体印章将Micro-LED显示器件印制到目标衬底上。在这两个过程中，解决界面的粘附性问题主要涉及粘弹体印章与Micro-LED器件和Micro-LED器件与衬底两个界面之间的关系。

图2粘弹体印章转移技术示意图

X-Celeprint公司率先开发了一种可用Micro-LED大规模转移的粘弹体印章转移技术。该方法使用柔软的PDMS印章通过范德华力作用拾取和放置Micro-LED显示器件，由于粘附作用对速率十分敏感，当印章快速抬起时，Micro-LED显示器件可以从原始衬底被拾取并粘附在PDMS印章上。当印章缓慢抬起时，Micro-LED显示器件可以被粘附至目标衬底表面指定位置并与PDMS印章分离。

BOWER等研究了PDMS弹性印章转移技术，使用粘弹体印章将Micro-LED显示器件从原始衬底转移到目标衬底。实验证明，75μm×90μm芯片的晶圆级印章转移能够使一个印章每次可转移8万多颗Micro-LED，良率达99.95%，12.8μm×12.8mm和25.6μm×25.6mm的粘弹体印章转移70μm×35μm的Micro-LED芯片，良率达到99.99%[4]。

激光剥离转移技术

激光剥离转移技术是一种可以大规模转移Micro-LED器件的工艺，它利用激光束诱导Micro-LED显示器件与其原始衬底分离，然后将它们转移到目标衬底上。其中激光诱导正向转移工艺30年前就被Bohandy等人提出，如图3所示。

图3激光诱导前向转移过程示意图

Delaporte等人在激光辅助转移MicroLED显示器件阵列的过程中，使用激光束诱导Micro-LED器件从其原始衬底分离，然后转移至目标衬底表面[5]。激光束的照射导致在生长衬底和Micro-LED器件之间的界面处产生光与物质相互作用，使器件与衬底彻底分离，同时还会产生局部机械力将已经脱落的器件推向目标衬底。

这种界面相互作用与从蓝宝石衬底上进行GaN基LED激光剥离工艺中所产生的相互作用相同，激光在衬底/外延界面上烧蚀u-GaN层，并将其分解为氮气和液态Ga金属。UNIQARTA公司研发的大规模并行激光传输技术（MassivelyParallelLaser-enabledTransfer，MPLET）适用于各种尺寸和材料，有良好的缺陷检测能力和高速检测单颗或多颗Micro-LED显示器件的能力。

此外，研究人员研发了激光驱动的非接触式微转移印花技术，利用激光诱导加热，在弹性印章和硬质微/纳米材料之间的界面处开始分离，对于发展先进的工程系统，例如可伸缩和曲线电子学，是非常有价值的，但却不适用的小尺寸硅芯片。

滚轴转移技术

滚轴转移技术又称卷到卷或卷到面板印刷技术，可以实现低成本、高通量和高效率的印刷Micro-LED显示器件在柔性衬底或刚性衬底上。2017年7月24日韩国机械与材料研究所KIMM的NanoAppliedMechanics团队对外提出了自对准滚印转移技术。该技术可用于厚度小于10μm、尺寸小于100μm的MicroLED显示器件的转移，其转移速率达到每秒1万个器件，可以满足柔性、可拉伸和便携式显示设备的制成。

如图4所示，整个转移过程包括三个辊转移步骤：第一步是通过涂覆一次性转移膜的压印辊将控制的薄膜晶体管（ThinFilmTransistor，TFT）阵列拾起并放置到临时衬底表面；第二步将Micro-LED显示器件从其原始衬底剥离并转移至临时衬底上，同时通过共晶键合的方式将Micro-LED显示器件与TFT键合在一起；第三步将完成键合的Micro-LED显示器件与TFT阵列滚动转移到目标衬底，以形成有源矩阵Micro-LED显示器。

图4滚轴转移技术示意图

电磁力转移技术

电磁力转移技术是通过改变电磁转移头和Micro-LED显示器件上铁磁层之间的磁引力来捕获和释放Micro-LED显示器件。这个过程包括用电磁转移头将Micro-LED从原始衬底上剥离出来，施加电信号产生磁性吸引，然后将Micro-LED显示转移到目标衬底上。每个Micro-LED显示器件单独的被磁性吸引控制，使选择性和大规模的Micro-LED传输不需要任何压缩过程。Yu等人提出了一种基于磁力控制的转移技术，其设计了一种具有独特结构的电磁辅助转移印章，如图5所示。

图5电磁辅助转移印章示意图

该电磁印章中含有一个填满不可压缩液体的腔室，位于可压缩气体腔室的顶部，液体腔室的顶部为磁响应薄膜材料，其可以由外部磁场致动而产生形变。外加磁场时，磁响应薄膜的形变可以通过不可压缩液体传导至底部气体腔室，引起气体压力变化，从而有效调节电磁印章与待转移存底接触界面的粘附力。

LinghuC等人受到蚜虫启发，设计了一种可快速调节粘附力的磁驱动印章系统，其使用表面包覆有薄膜的磁性材料填满储液槽，通过磁场控制磁性材料以使印章底部发生变形，从而到达快速调节粘附力的效果。不过该磁控转移印章体积过于庞大，尚不能应用于Micro-LED显示器件的转移。

静电力转移技术

2012年，苹果公司旗下的LuxVue公司提出了一种根据静电原理运行的转移技术，并成功地利用异性电荷的吸引力的方式吸引MicroLED显示器件。这种方法的工作原理见图6。通过向一种包含单极或双极电极结构的静电印章施加电压，该静电印章通过带电吸附力从原衬底拾取该Micro-LED显示器件阵列。然后将目标衬底与Micro-LED显示器件阵列接触，去除静电印章的控制电压，从而将Micro-LED显示器件阵列释放到目标衬底上。

图6静电力转移技术示意图

静电转移技术的优点是可以选择性地转移单个元件或部分元件，并且静电印章的间距与原始衬底上Micro-LED显示器件的间距不必相同，因此转移非常灵活。然而，在静电感应过程中施加到静电印章上的电压很可能会导致LED被击穿，从而损坏Micro-LED显示器件。

PARC开发了一种确定性的、定向的、并行的MicroLED静电组装和转移工艺[8]。可以生成动态电场模式主动控制单个芯片的运动，将它们排列成确定性的模式，然后转移到目标衬底上，通过投影仪进行寻址，以实现阵列的有源矩阵寻址。也可以使用带有互补金属氧化物半导体CMOS或大面积薄膜晶体管背板TFT的全电子有源矩阵寻址，实现了自动并行组装、微米级配准及异构集成等功能。

流体自组装转移技术

流体自组装(FluidicallySelfassembled，FSA)技术通过重力和毛细管力来驱动和捕获驱动集成电路阵列表面上的MicroLED显示器件。从而实现Micro-LED的大规模转移。以富士康旗下的elux公司提出的FSA为代表，其转移技术是将大量Micro-LED显示器件放置于转移系统中，以流体力或磁力转移作用力使得芯片以一定的速度快速移动，以动态注入速率穿过目标衬底，然后悬浮液体将MicroLED显示器件捕获在孔中，同时液体还被作为介质以实现器件和衬底之间电气和机械连接，并自行完成与衬底相应组装位置的对位组装。

据报道，每小时可以实现超过5000万个设备的填充(传输)速率。Yeh等人通过流体自组装技术实现了从生长晶片到硅衬底的梯形砷化镓基板的转移，其过程如图7所示。

图7流体自组装转移技术示意图

Cho等采用流体自组装方式，将圆形芯片、表面具有低熔点合金涂层的衬底和自组装溶液放在一起，加热并振荡，Micro-LED显示器件在流动时被低熔点合金捕获并与衬底形成电气连接，在1分钟内将1.9万多块蓝色Micro-LED组装在衬底上，成功率达到99.9%[9]。

化学剥离转移技术

化学剥离是指通过选择性蚀刻工艺将LED从蓝宝石基板上分离。Chan等介绍了一种纳米级LED的化学剥离方法，结合胶体光刻和光电化学刻蚀，具有通过金属有机化学气相沉积外延生长的活性和牺牲多量子阱层，并释放到溶液中蚀刻牺牲MQW层[10]。优化蚀刻条件以最大限度地减少咬边粗糙度，从而限制对有源MQW层的损坏。可将LED与衬底有效分离。

总而言之，相比于激光剥离转移技术，化学剥离转移技术不需要使用高功率深紫外激光器，成本更低，制程时间更短，可用于柔性器件的巨量转移。