微型發光二極管修復技術綜述

付瑩

（國家知識產權局專利局專利審查協作江蘇中心 江蘇蘇州 215000）

隨著科技的發展，顯示屏已進入大眾生活的方方面面。但是目前，顯示器在功耗及亮度方面還不能滿足需求，一是手機、穿戴設備等智能設備的續航能力有待提升，而顯示屏的耗電占這些智能設備80%以上的能耗；二是智能設備在強環境光下泛白，無法看清楚。因此，需要研究新的滿足高亮度以及低功耗的顯示技術。Micro LED在亮度及功耗方面具有明顯優勢，是目前最熱門的顯示技術。

1 Micro LED顯示技術

顯示技術經歷了陰極射線管（CRT）、液晶顯示（LCD）、有機電致發光二極管（OLED）等發展歷程。目前，CRT 已基本退出市場，LCD 和OLED 是兩大主流。LCD 在大屏顯示以及成本方面優勢明顯，但是隨著手機全面屏以及柔性折疊屏的流行，OLED 的市場占有額越來越大［1-3］。自從2000年美國首次制備出基于Ⅲ族氮化物的Micro LED，索尼、三星、蘋果等顯示巨頭都在致力于Micro LED 的研究，并相繼推出了Micro LED顯示屏。2019年5月中旬，主動發光顯示和量子點技術委員會把基于Micro LED 顯示為核心的高度集成半導體信息顯示寫入技術指南。2019年，Micro LED顯示在全球的市場約為6 億美元，預期到2025年將增加至20.5億美元［4］。

Micro LED 技術是指在晶片上集成高密度微尺寸的LED 陣列，像素點距離達到微米級，能夠集驅動、發光及信號傳輸為一體的高發光效率、低功耗器件，可實現超大規模集成發光單元的顯示器件。作為自發光顯示技術，Micro LED具有傳統LED高亮度、高效率、高可靠性以及響應速度快的優點；與OLED相比，Micro LED具有超高的解析度和色彩飽和度，同時功耗更低、壽命更長［5-6］。Micro LED作為新一代顯示技術，已逐漸成為了國際顯示行業競爭的焦點。

2 Micro LED修復技術

Micro LED通常先生長于藍寶石基底上，然后通過巨量轉移技術將LED 晶片放置在顯示基底上，再進行粘連。由于LED 晶片顆粒及晶片之間的間距都很小，在單位顯示面積上需要安裝的LED晶片的數量成倍增加，因此，Micro LED 產品轉移封裝過程中因為晶片損壞、移位、漏裝等導致壞點存在的概率也成倍增加。為了保證大量微晶片都轉移至目標區域，就必須進行壞點檢查并進行壞點修復。因此，修復對Micro LED產品的良率及生產成本的控制都至關重要。

修復時，可以從修復時機的選擇以及修復手段兩大方面著手提升修復成功率。

2.1 修復時機——轉移和修復同步進行

對于壞點的檢測，通常是對晶片封裝后得到的成品通電，然后通過探頭檢測壞點，這就意味著要在完成轉移和固晶焊線后才能進行檢測，耗時較長；而且在芯片和基板綁定后再修復，需要先把壞點處的晶片取下，然后安裝新的LED 晶片。基于此，有人提出了巨量轉移和檢測修復同步進行的技術方案。例如，天馬微電子在CN201810972545中提出，在像素定義層的開口內層疊設置導電層、光敏導電鍵合層及Micro LED 結構層，在將Micro LED 轉移至襯底基板的光敏導電鍵合層后，給LED晶片的兩個電極施加電信號，檢測晶片能否正常發光，正常發光則進行鍵合，不能正常發光則不進行鍵合，并替換新LED晶片檢測正常發光后再鍵合，使得Micro LED的鍵合和檢測修復同時進行。

2.2 修復手段

雖然轉移和修復同步進行能夠提升修復的效率，降低成本，但是對于由封裝造成的壞點以及在使用過程中出現的壞點則無能為力。因此，目前主流的修復技術還是在封裝之后進行。主要的修復方法包括壞點轉移替換、冗余結構設計以及從視覺上弱化壞點區域。

2.2.1 壞點轉移替換

修復時，先檢查Micro LED 背板確定壞點的位置，再將壞點處的晶片取下，然后拾取新的晶片并安裝在需要修復的壞點處，進行焊接。在整個修復過程中，可以從壞點定位、壞點去除、取晶置晶補晶等過程著手提升修復成功率。

（1）壞點定位檢測。目前，常用的Micro LED 芯片壞點檢測技術包括光致發光掃描繪圖技術和電致發光技術［1］，PL能在無接觸的情況下快速掃描檢測其發光波長、亮度，且不會損壞LED 芯片，但對于芯片的電學性能無法檢測。EL 檢測需要對LED 芯片加電進行測試，檢測參數比較全面、準確度高，但工藝復雜。基于此，對于壞點的檢測，大部分利用相機等光學模塊對基板進行光學檢查以獲得壞點的位置坐標，確保壞點定位的準確性，從而提高壞點去除的精度。只有找準壞點的位置，才能精準去除壞點，確保整個修復過程順利進行。

（2）壞點去除。找準壞點位置是第一步，找到壞點之后，需要將有缺陷的芯片去除，由于缺陷芯片已經封裝焊接固定，因此，需要熔解缺陷處的焊接材料。由于Micro LED 芯片的尺寸很小，傳統的電烙鐵技術肯定無法適用，因此，一些申請人提出了通過激光、研磨、加熱等方式去除壞點處的芯片。例如，韓國的QMC INC 公司在KR20200052221A中公開了利用激光束去除有缺陷的芯片。康佳公司在CN202010604494中公開了利用研磨的手段來消除壞點上的芯片。深圳市聯得自動化在CN202010934417 中公開了光照加熱使得缺陷晶片與基板分離，由于光照加熱的光斑大小可控，因此能夠進行精確定位。南京中電熊貓公司在CN201910687499 中公開了在顯示背板襯底上設置凹槽，凹槽內設置微型加熱電阻絲，微型加熱電阻絲部分位于顯示襯底上，凹槽內的微型加熱電阻絲下方設置底部電極；當微型發光二極管損壞時，微型加熱電阻絲對鍵合材料進行加熱熔融后，即可轉移走損壞的微型發光二極管。

（3）取晶置晶補晶。從基板上去除缺陷芯片后，需要拿取新的LED芯片（即取晶）放至缺陷芯片原本的位置，然后進行焊接（即置晶補晶）。由于Micro LED 芯片的尺寸小于50um，無法生產對應的吸嘴尺寸，因此，無法利用現有吸嘴實現真空吸附來取晶置晶；同時，補晶時也無法使用現有的加熱方式焊接LED 芯片。目前，通常采用靜電力、磁力或真空吸力等實現取晶置晶，然后采用激光焊接方式補晶。當然，也有一些公司提出了不同的取晶置晶補晶方式。例如，東莞市中麒光電在CN202110884883 中公開了用于承載粘貼件的承載件采用激光可穿透材料，借助粘貼件粘起新LED芯片，移至缺陷芯片原來的位置，此時，無需分離新LED 芯片與粘貼件，直接朝承載件的延伸方向照射激光，從而加熱基板上的焊接材料，完成新LED芯片與基板的焊接，焊接完成后，再分離芯片轉移結構，如此可以防止在焊接材料熔融過程中不同區域的張力差異導致新LED 芯片傾斜或位置偏移。另外，歌爾股份有限公司在CN201711137764 中提出了僅需使用一個襯底即可實現缺失位置的識別以及精準修補。具體方案為：根據TFT 背板的表面結構，制備倒模層，通過倒模層上形成的凹陷結構，反映出TFT 背板上缺失LED 芯片的位置及數量，將倒模層倒置于去除掉缺陷LED 芯片的襯底上，將倒模層上的凹陷結構倒置形成凸起結構并去除凸起結構，從而裸露出TFT 背板上缺失LED的位置，進而在裸露出的襯板位置上重新生長新的LED 芯片，最后，去除殘余倒模層，重新鍵合襯板至TFT背板，至此，新的LED芯片被鍵合到TFT背板上。

2.2.2 冗余修復

壞點轉移替換修復技術需要檢測壞點、去除壞點并放置新的LED芯片。盡管提出了很多提高壞點定位精度、精準去除壞點以及取晶置晶補晶的技術以改善Micro LED 修復的成功率，但是，當壞點較多且比較分散時，壞點轉移替換修復技術需要重復多次去除壞點，并重復多次放置新的LED 芯片，而多次操作會增加影響周圍正常顯示的LED 芯片的概率，修復效率較低。因此，冗余修復技術應運而生。冗余修復是指設計備用電路、備用焊盤或者備用LED 芯片，這樣，當其中一顆LED出現不良，直接啟用備用電路、備用焊盤或者備用LED 芯片，無需去除顯示不良的LED 芯片，只需簡單連接即可實現壞點修復。

（1）冗余電路與冗余焊點。Micro LED 顯示屏包括多個呈陣列排布的子像素，通過給每個子像素設置備用驅動電路、備用焊盤，或者將多個子像素劃分為組，每組子像素設置一個共用的備用驅動電路、備用焊盤，正常使用時，LED 芯片與主驅動電路、主焊盤連接，當與主驅動電路連接的LED 芯片出現損壞時，斷開LED 芯片與主驅動電路的連接，轉而與備用驅動電路連接，以快速實現對Micro LED 壞點的修復。三星在CN202080016350 中公開了設置多個與驅動電路具有相同電路結構并且并聯的冗余驅動電路，設置附加布線連接多個冗余驅動電路與驅動器以及多個像素電路，若某個微型LED 組成的像素出現異常，則斷開微型LED 芯片與對應的驅動電路的連接，改為從多個冗余驅動電路中對應的驅動電路接收驅動信號。昆山國顯光電在CN201820440383 中公開了設置兩對電極，正常使用時，僅在一對電極上焊接LED 芯片，當有LED 芯片出現異常時，將正常的LED 芯片焊接在剩余的一對電極上，從而達到修復的目的。福州大學在CN202010535556 中公開了在LED 芯片電極和背板電極設置連接區域和備用區域，采用噴墨打印等非Au-In互連方式和原位修復方式，對電極進行互連以及對缺陷像素進行修復。

（2）備用LED芯片。除了設置備用驅動電路、備用焊盤等備用方式，還可以為每個LED 芯片設置一個備用LED芯片，正常顯示時，只有主LED芯片點亮，當主LED芯片出現異常時，再點亮備用LED芯片。例如，華星光電在CN202010312409 中公開了設置備用LED 芯片，當主LED 芯片成為壞點時，備用LED 芯片替代主Micro LED芯片正常發光。康佳公司在WO2019CN130 524 中公開了每個像素包括兩個發光區域，兩個發光區域相鄰設置，且兩個區域中分別設置兩個發光顏色相同的微型發光二極管，當存在壞點時，將存在缺陷的發光二極管短接，另一個微型發光二極管正常發光。一般主LED 芯片和備用LED 芯片并排設置，對此，南京中電熊貓在CN202011369969 中提出了主LED 芯片和備用LED芯片上下疊置，事先設置好修復孔，當存在壞點時，無需對壞點處的芯片做任何處理，僅僅通過普通的切斷線和連接線路修補手段即可實現壞點處的再顯示，簡化了修補手法。LED 芯片發光缺陷包括不發光缺點和亮點缺陷，對于亮點缺陷帶來的顯示異常，還可以在每個子像素中均串聯設置兩個LED 芯片，正常顯示時，兩個LED芯片均發光，修復后，兩個LED芯片中僅一個發光。或者找到亮點缺陷區域，采用激光將亮點子像素短接，使其不發光，從而消除亮點缺陷。

為每個LED 芯片均設置備用芯片，能大大提高修復的成功率，但是一個顯示面板上包含眾多LED 芯片，出現缺陷的畢竟只是少數，因此，為每個LED 芯片設置備用芯片會造成資源浪費，成本較高。對此，可以將多個LED芯片劃為一組，組內的多個LED芯片共用一個備用多個LED 芯片，如此，不僅可以提高顯示面板的良率，同時可以降低成本。例如，友達光電在CN201910874200 中公開了在顯示面板中設置多個包括第一發光二極管的第一區域和被第一區域圍繞的、包括第二發光二極管的第二區域，正常顯示時，僅第一區域的第一發光二極管顯示，第二區域的第二發光二極管不顯示；當檢測到第一發光二極管異常時，將異常的第一發光二極管的控制信號線連接至第二發光二極管，使得第二發光二極管取代異常的第一發光二極管顯示。

（3）覆蓋缺陷區域。雖然冗余設計無需去除壞點，但是冗余設計需要雙倍的LED 芯片及額外的布線，因此，這種修復方式成本較高，且冗余修復需要在前期設計時制定修復方案，靈活性較差。另外，由于冗余設計中，正常顯示時，備用LED 芯片不發光，但是占用了一定的面積，因此影響顯示面板的PPI。對此，有人提出了直接采用修復基板覆蓋存在缺陷的晶片區域，無需去除壞點，也無需進行冗余設置，可以簡化修復工藝，降低修復成本。例如，LG 公司在KR20190176217A 中提出了將微型LED 芯片堆疊設置在存在缺陷的微型LED 芯片上，將原本與缺陷LED 芯片連接的電信號連接至堆疊在其上的修復LED 芯片上。青島海信CN201810469429 中提出了直接通過更換硅基板來修復缺陷區域，將微型LED 芯片裝在已經預處理過的硅基板上行，然后將硅基板直接貼附于顯示基板上。

2.2.3 視覺上弱化缺陷區域

針對一些點缺陷，除了采用以上替換壞點芯片、冗余設計以及直接覆蓋缺陷區域等改造壞點的修復方式之外，還可以從視覺上弱化缺陷區域，使得缺陷點不再明顯，甚至無法察覺。例如，京東方在CN201710686537 中提出了在顯示屏的缺陷區域噴涂涂層，對涂層加熱固化，隨后將涂層研磨均勻，使得涂層顆粒化，以此從視覺上弱化缺陷區域，以達到修復的目的。中國科學院在CN202010471609 中公開了設置運動機構帶動具有壞點的微型LED 單元運動，利用視覺暫留原理，使人眼無法察覺壞點存在。安徽熙泰在請CN202011492322 中公開了在亮點缺陷對應的像素處沉積不透光材料，使亮點像素不透光，同樣可以修復亮點缺陷。

3 結語

Micro LED 是當前最熱門的顯示技術之一，自2000年美國首次制備出Micro LED 以來，經過20 余年的研究，隨著在巨量轉移、全彩色等方面的持續突破，目前，索尼、三星、蘋果都相繼推出了自己的Micro LED顯示屏，國內也有雷曼光電、康佳、利亞德等推出了Mi?cro LED 顯示屏。雖然Micro LED 顯示屏還在試驗階段，無法量產，但是基于Micro LED 與LCD、OLED 相比的諸多優點，Micro LED 顯示技術必定在將來大放異彩。雖然國外對Micro LED 的研究起步較早，握有很多基礎專利，但是國內申請人在近幾年提出了很多新穎實用的技術方案。隨著Micro LED 顯示逐步產業化，國內提出的這些實操層面的技術方案將顯得越來越重要，尤其是關于修復技術的實用性技術方案將會發揮重要作用。