一 論文1
Ref：班章.微型AlGaInP-LED陣列器件及全色集成技術研究[D].中國科學院大學(中國科學院長春光學精密機械與物理研究所),2018.
設計並制備用於批量轉移芯片的電極基底，可將基底分為柔性型和平面型兩類以用於不同的使用范疇。
剛性平面型電極背板有利於保護芯片像素，使其在應用過程不易受到應力變形或是損傷；
柔性型電極背板具有更加輕薄、不易破碎、能卷曲便攜等吸引人的特點。
選擇合理的互連材料以保證像素芯片與電極背板的電熱互連，良好的焊接不但可以降低芯片與焊料間的接觸電阻，減小由短路的造成良率下降，同時也可以提高器件的導熱性能，將器件工作產生的熱量通過互連焊料傳導出去。
1.剛性基板電極制備
該文以Si材料為剛性基底電極工藝流程進行設計，工藝流程具體如下：
1.制作行電極：通過光刻和電子束蒸發在Si硅基晶片上形成列電極，其中金屬電極及引線焊盤為Cr/Pt/Au合金材料，總厚度為1500nm。
2.制備隔離層：采用氣相沉積法(PECVD)制備800nm的SiO2層；然后在基底表面旋塗制備2700nm厚聚酰亞胺層，並采用熱固化法在250ºC環境中堅膜5小時。
3.刻蝕隔離層：通過光刻及ICP刻蝕方法去除行電極表面多余SiO2層，保留行列電極交叉處的隔離層。
4.制作列電極：再次采用電子束蒸發制備厚度為1500nm的Cr/Pt/Au合金電極，最終，在電極表面生長250nm厚SiO2薄鈍化層，利用lift-off方法去除行電極表面的SiO2層，使Si基電極上表面露出貼片對准點。
2.柔性基板電極制備
柔性電極與硬質基底電極有所不同，其襯底材料可進行彎曲，此文以覆銅板為材料制備條形陣列驅動電極實現陣列器件轉印實驗。具體的工藝制作流程為：
i)將單側覆銅板PI層粘附於玻璃片表面；並放置於真空箱30min，抽取PI層與玻璃片表面交界處夾雜的殘留氣體；
ii)用0.1M/L 鹽酸溶液清洗銅層表面，在表面旋塗AZ5214光刻膠，前烘100ºC，時間2min，置於波長365nm紫外光環境曝光2min，在銅層表面形成圖案。
iii)采用FeCl3與HCl的混合溶液腐蝕銅層，利用氧化還原反應去除未被光刻膠圖層保護的銅金屬，將光刻膠圖形轉移至銅層；Fe3+具有強氧化性，可將Cu原子氧化成Cu2+，同時Fe3+被還原成Fe2+，由於Fe2+會再次被空氣中的氧氣所氧化，重新反應生成Fe3+，因此，此腐蝕銅的溶液可被重復運用。
iv)用去離子水清洗基底電極表面，然后利用丙酮溶液去除銅層表面光刻膠圖形。此時，升溫溶解低溫互連焊料，在焊料表面添加0.1M/L HCl溶液用於保護液態焊料不被氧化，然后將Cu金屬層接觸熔融狀態下的低溫焊，可將焊料提取至Cu層表面，而無Cu金屬處表面則無焊料吸附
電極圖案制作如圖，在覆銅板表面制作形成的AZ5214光刻膠圖案，其中條形區為需要腐蝕區域。圖b為基底電極從FeCl3溶液提出並清洗后的實驗圖片，其中腐蝕銅溶液FeCl3濃度為10M/L，HCl濃度0.1M/L二者配比為100:1；由實驗結果可以看出，銅層表面光刻圖形可以對金屬腐蝕反應形成保護，同時在光刻膠圖形邊緣下方形成了側壁腐蝕，對電極制備造成了不良效果。根據實驗結果進行判斷，造成上述情況主要有以下三種原因：
1) 光刻膠層厚度過大，在顯影過程中造成圖形側壁腐蝕嚴重，進而引起轉移圖形側蝕嚴重；
2) FeCl3溶液濃度過稀，降低了Cu金屬腐蝕速率，增加了側壁腐蝕時間。
3)覆銅板Cu金屬層厚度過大，由於各項腐蝕性造成光刻膠下方Cu金屬的側壁腐蝕。
其中前兩種情況為柔性電極制備條件設置不當所引起的，通過調整工藝參數可進一步改進；第三種情況為材料制備所引起的，通過減薄覆銅板Cu層厚度可改進實驗結果。
由於，采用覆銅板制備柔性電極工藝流程更為簡化，實驗測試結果表明，該方法制備方案對微型器件光電性能並未產生不良影響，由此可知，該工藝流程可用於制備柔性基底電極背板。
也可用PET材料替代覆銅板制備柔性電極。圖a為在PET表面塗覆負膠后的光刻圖片，其中方形及條形區為無遮擋區域，采用AZ5214型光刻膠制備掩膜圖形，圖形一致性較好，且在無遮擋區內顯影完全，明顯無光刻膠殘留；為沉積100nm厚的Au/Ni金屬合金后置於丙酮溶液5min后的剝離效果。其中褶皺區域為未完全剝離的金屬合金，其他平整區域為金屬覆蓋區。
互連材料溫度特性為保護轉印制作過程中材料和器件不因溫度過高變形或受損，此文選用熔點為47ºC的低溫焊料作為互連材料，但由於焊料受空氣對流等影響，加熱溫度65ºC下，焊料處於半溶解狀態，可見表面存在按壓形狀，對焊料表面添加PEG覆蓋層前后進行實驗對比，加熱升溫至70ºC，在焊料表面形成了一層灰白色致密的氧化薄膜，這將不利於芯片的焊接工藝制備；而在PEG圖層保護下的低溫焊料仍保持原有顏色；對處於熔融狀態下低溫焊料進行按壓測試，結果表明，在溶劑狀態下低溫焊料表面塗覆PEG聚合物層可使焊料彈性形變力增強，防止了焊料因按壓變形而引起擴散
低溫焊料狀態與溫度變化關系：當溫度低於60ºC時，焊料處於凝固狀態；隨溫度升高，焊料顆粒逐漸變小，當溫度達到70ºC時，焊料處於熔融狀態且具有一定的延展性。
3 互連材料自組裝
將低溫焊料至於坩堝內升溫75ºC使其處於熔融狀態，加入0.1M/L的鹽酸覆蓋焊料表面，防止焊料表面因加熱被空氣氧化，然后將基底電極浸入焊料內部后再取出，低溫焊料均勻分布在銅電極表面，同時在PI層表面沒有形成附着，Cu金屬電極厚度分布較為均勻為5μm；低溫焊料厚度均值為10μm，波動誤差為±1μm。
4. 存在的問題
由於Cr/Au電極厚度僅為200nm，在AlGaInP基LED陣列器件制備過程中容易出現電極斷裂的現象，造成部分像素無法驅動發光。考慮采用液體電鍍法對蒸鍍電極后的陣列器件進行再次電鍍以增加電極厚度，保證電極可以正常工作。
目前轉印實驗使用的焊料為常見的銦錫合金焊料，由於受芯片壓力及焊接的影響造成焊料回流能力下降，應計算分析焊料結構參數與可承受外力的函數關系。
全色LED陣列制備需進行二次及三次轉印。在轉印過程中需要升溫改變焊料狀態，多次轉印難免對焊料工作質量造成影響，考慮通過選擇性加熱的方式實現局部升溫，以確保多次轉印的穩定性
二 論文二
Ref 基於量子點的Micro_LED彩色化研究_魏楓.
1 柔性基板的選型
根據構造方式的不同，柔性顯示器件可划分為由柔性電路基板、發光像素單元和集成芯片這3個部分組成。對於柔性顯示技術的研發工作，除了需要時 刻注意 PCB 的制作工藝和 LED 芯片與基板鍵合技術的發展外，還需要特別關 注不同柔性電路基底材料的研發情況。柔性電路基板對顯示模塊起到支撐與保 護的作用，且柔性電路基板的好壞直接與器件的顯示效果和使用壽命相關聯。 因此，國內外各研究機構目前都非常關注柔性基板的研發。 下表比較了現有主要3類柔性基板材料的性能：超薄玻璃，金屬箔基板和聚合物薄膜基板。
從上面的表可知，由於聚合物材料基板在厚度、柔性、抗沖擊力、 制作成本、絕緣性和透明性等方面的性能明顯強於其他兩類材料，因此該材料 得到了國內外研究機構的重點關注。下表對現有的主流聚合物柔性基板材料 進行了對比分析。 綜合考慮，由於在進行 LED 芯片與柔性基板的倒裝鍵合時，需要在 250℃ 的條件下進行回流焊作業，而 PI 材料是唯一能夠經過此高溫處理的柔性基板，同時 PI 材料其他各方面性能都非常優異，所以該論文選擇市面上常見的 PI 材料作為柔性 Micro-LED 顯示陣列基板的首選材料。
2 柔性基板的設計與制備
依據所選擇的 ETi-DB205A-BL芯片具體的尺寸及結構，並結合無源尋址驅動原理，本節將詳細介紹基於柔性透明 PET 材料的電路基板設計。為方便下一步對 LED 芯片進行倒裝（Flip-chip）封裝，需要對 P 和 N 電極焊盤進行開窗處理，使得 P 和 N 電極露出兩個金屬方形焊盤。將 64 根列線和 64 根行線分別布置在 PCB 的 Top layer 層和 Bottom layer 層，並在各陰極焊盤中心設置內徑為 0.1mm 的通孔，將 N 焊盤與底層的行線（藍 線）連接，以實現與 P 電極線路（紅線）上下分開，避免短路。
該 PCB 設計及制作規格如表所示
圖為柔性 Micro-LED 顯示陣列模塊制作實物圖，由於基於 PI 聚合物 材料的印刷電路板的制作受限於 PCB 生產工藝，例如其孔徑的極限最小為 0.1mm，而且本設計所使用的倒裝結構 LED 芯片尺寸也近似是現有市場中最 小尺寸，因此想要在短時間內進一步縮小像素間距和提高分辨率相對較困難。
2 芯片與柔性基板的鍵合
由於 Flip-Chip 技術是專門用於倒裝芯片的技術，且更適用於 LED 與柔性 基板的鍵合，因此本論文將采用 Flip-Chip 技術進行 LED 與基板的鍵合。其工 作原理是將 LED 芯片的各電極與上一節設計的柔性 PI電路基板實現物理和電 氣連接，以完成對 LED 陣列與基板的鍵合，圖 2-10 是該技術的具體操作步驟
首先，將制作好的柔性 PI 基板固定在吸真空夾具上，以實現將柔性 PI 基 板平整化，然后將夾具放置在機器上；之后，使用精確擴膜機對附着有 LED 芯片的藍膜進行擴膜處理，使得藍膜上 LED 芯片的間距從 0.1mm 均勻擴展到 0.6mm，便於下一步對芯片轉移的操作；接着，需要將導電膠（一般使用的是 錫膏）解凍並放置在點膠機的相應位置；然后，使用點膠機在 PI 基板的對應 焊盤上點上導電膠；最后，使用 bonding 設備將 LED 芯片吸附並轉移至已點 膠的焊盤位置。重復實施上述步驟，直到將 LED 芯片轉移至柔性透明陣列基 板上。之后，將該基板從吸真空夾具上取下，並將其置於回流焊設備中進行加 熱回流焊作業，回流焊后可使導電膠固化，增加 LED 芯片與柔性基板的粘結 度，同時可解決點膠過程中可能出現的相鄰芯片短路問題。最后，對柔性 Micro-LED 陣列進行測試，檢測 LED 芯片是否連接完好。Flip-chip 完成示意 圖如圖 2-11 所示。
圖為采用了 Flip-chip 技術完成的柔性 Micro-LED 陣列實際效果圖。 其中，單像素的規格為 512μm×157μm，相鄰像素的中心距離為 0.6mm
3 驅動方式模塊的設計與制備
經過前面章節對於 Micro-LED 驅動方式的介紹，本論文將采用無源掃描 驅動方式驅動顯示陣列，使用無源驅動方式的好處是驅動電路的電路設計與制 作較為簡，不需要對每個一發光像素都配備晶體管，且采用無源驅動驅動藍光 Micro-LED 顯示背板能基本滿足本次研究中對藍光 Micro-LED 顯示背板的顯 示要求。采用無源驅動方式的總體驅動設計系統原理如圖所示。通過操 縱 FPGA 核心控制模塊輸出圖像信息數據給恆流驅動芯片（SM16126 芯片） 和電壓驅動芯片（SM5166P 芯片），然后恆流驅動芯片與電壓驅動芯片並行輸 出顯示信號給 LED 陣列顯示模塊，實現 LED 陣列各像素的開啟或關閉,從而 對 LED 陣列實現無源掃描驅動。
4 行列驅動芯片選型
LED 驅動芯片主要分為恆壓、脈沖和恆流驅動芯片。恆壓式驅動芯片 制作成本較后兩者低而且不需要設計復雜的外圍電路，但是其無法控制驅動的 輸出電流，而 LED 是電流型驅動器件，這會直接影響 LED 芯片發光亮度的一 致性；脈沖式驅動芯片能有效節省輸出電流，但是其驅動能力不足，無法滿足本設計的需求；恆流驅動芯片可通過外接電阻的方式精確調節 LED 芯片輸入 電流的大小，從而實現對 Micro-LED 陣列的發光亮度和色度一致性的控制， 因此本論文采用恆流驅動芯片作為陰極驅動芯片。 前一節討論了柔性 Micro-LED 顯示陣列模塊的設計及制作，可知該陣列的分辨率為 64×64，因此該陣列的陰極需要 64 位 I/O 引腳對其控制。下表為現有主流的 LED 恆流驅動 IC 對比表。
由表可知，在芯片性能差不多的情況下，明微公司所出品的 SM16126 芯片因價格適中從而更具有競爭優勢。另外，由於本設計中的輸出引腳需要 64 位，若使用東芝公司同等價格的 TB62725 芯片，則需要 8 塊該芯片級聯才 能實現 SM16126 芯片 4 塊級聯的效果，所以該論文選擇了 SM16126 芯片作為 本設計的陰極驅動芯片，在減少制作成本的同時提高了集成度，縮小了電路集 成面積。 SM16126 芯片是一種同時具有移位寄存器和鎖存器功能的恆流 LED 驅動 芯片，可以實現數據的串入並出。其恆定的電流大小范圍可以控制於 3~45mA 之間，而且芯片的電流大小可由外接電阻來控制。該芯片輸出端口既能夠承受 很大的電壓，還提供有 16 個 I/O 口，因此一顆 SM16126 芯片可連接多顆 LED 芯片。SM16126 芯片具有 24 位引腳，其中 OUT0~OUT15 這 16 個引腳為輸入輸出 I/O 引腳；pin1 和 pin24 引腳則分別連接地和電源；SDI 引 腳為數據輸入端口，並與外部 FPGA 驅動板連接，當 CLK 時鍾信號上升時， 從 SDI 端口輸入的數據會逐位被內部寄存器鎖存，當 OE 數據輸出端口收到下 降沿信號時，該芯片會將鎖存於 LE 端口的鎖存數據並行輸出至 LED 陣列。對單顆 LED 芯片的輸入電流和對應發光亮度進行對照測試，當 LED 芯片 的輸入電流大小為 10ma 左右時，所對應的發光強度正好滿足人們對顯示器件 亮度的要求。計算得出 Rext=2000Ω，因 此本論文在陰極驅動芯片 R-EXT 端口外接了一個 2K 的電阻
由於相鄰 LED 芯片的中心距離只有 0.6mm，而且無源掃描驅動是采用多 行多列的掃描方式，該電路板的布線必定非常緊密。所以該驅動方式容易產生 電流串擾現象，使得 LED 顯示陣列不能呈現細致的畫面效果，還可能出現低 亮度、色偏、漸層暗線以及出現“列上拖影”等問題。為解決這些因無源驅動掃 描方式而造成的問題，必須采用更加專業的驅動芯片。在上一節對各廠家芯片 的對比中，國產明微公司所生產的專業 LED 驅動芯片不僅性能能夠比擬國外 大公司的芯片，而且價格相對低廉易購買，因此本論文准備使用明微公司生產 的 SM5166P 驅動芯片作為陽極驅動芯片。 SM5166P 芯片的工作原理類似 3-8 譯碼器，它可以提供 8 路輸出電流驅 動。在各輸出端口內置有電壓鉗位電路，能有效避免 LED 顯示陣列出現“列上 拖影”的現象。而且其內部電路還具有短路保護功能，所以該芯片能提升 LED 陣列的可靠性。SM5166P 芯片具有 16 位引腳，其中 Y0~Y7 引腳對應 8 位 I/O 引腳；pin1、pin9 和 pin8 引腳則分別連接電源和地；A0，A1，A2 引腳 是數據輸入端口，與外部驅動模塊連接，當 EN1 引腳被拉高，且 EN2 引腳被 拉低時，被鎖存在芯片內的數據將會被並行輸出。
5 行列驅動模塊電路設計
結合上一節對行、列驅動芯片的選擇，並結合分辨率為 6464 的柔性 LED 陣列無源掃描驅動的原理，具體電路設計如圖 2-17 所示。U1~U8 為 SM5166P 陽極驅動芯片，通過 8 塊該芯片的級聯實現對 LED 陣列陽極控制；UB1~UB4 為 SM16126 陰極恆流驅動芯片，通過 4 塊該芯片的級聯實現對 LED 陣列陰極 控制；JP1 為 HUB75 轉接口設置，與 FPGA 驅動模塊相連接；P1 為 64 位陽 極和 64 位陰極的金手指接收模塊，用以實現行列驅動模塊與 LED 顯示陣列模 塊的電氣連接。
根據行列驅動模塊的電路設計圖，並結合現已有的 PCB 制作工藝，圖 2-18 為行列驅動模塊的 PCB 設計圖。其具體的 PCB 設計規格如表，制作 板材是普通的 FR-4 電路基板，為了滿足更小尺寸的行列驅動基板設計，本論 文按照最小線距為 0.1mm，最小線寬為 0.1mm，內孔徑為 0.2mm 的 PCB 規格 來對行列驅動模塊進行設計。為了滿足輸入輸出的電流和電壓穩定性，VDD 和 GND 引線均用 0.2mm 線寬布線。
6 核心控制模塊
要實現整個系統的運行，還必定需要一個核心驅動模塊 來驅動。這一節本文將詳細介紹核心驅動模塊的驅動方式選型，並且結合上述 兩個模塊實現柔性 Micro-LED 顯示陣列的完整制作。 現今，主流的核心驅動方式包括單片機、ARM、DSP 以及 FPGA，下表將對它們進行對比分析
如表所示，不同的驅動方式，都對應有着不同的應用領域，一般通過 對各方面的因素進行綜合考慮來選取合適的驅動方式。例如：對於一般的家用 電器控制系統，通常是選取價格最便宜的 8 位單片機模塊完成；但如果是手機、 IPAD 等智能電子類產品，一般的單片機因功能缺陷無法滿足這類器件的驅動， 就必須采用 ARM 或 DSP 等性能更好的方式來驅動。這幾類器件的結構都是已
經完全設計好的，只需通過編程來實現功能。但不同於它們只能按順序運行的 情況，FPGA 不僅可以並行處理數據，還能按順序運行，所以 FPGA 數據處理 的速度最快。由於 LED 陣列要實現較好的顯示效果，就必定需要非常高的顯 示刷新率，因此本論文准備采用可並行處理數據，運行速度更快的 FPGA 驅動 方式作為核心控制模塊
