微型发光二极管修复技术综述

付莹

（国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心 江苏苏州 215000）

随着科技的发展，显示屏已进入大众生活的方方面面。但是目前，显示器在功耗及亮度方面还不能满足需求，一是手机、穿戴设备等智能设备的续航能力有待提升，而显示屏的耗电占这些智能设备80%以上的能耗；二是智能设备在强环境光下泛白，无法看清楚。因此，需要研究新的满足高亮度以及低功耗的显示技术。Micro LED在亮度及功耗方面具有明显优势，是目前最热门的显示技术。

1 Micro LED显示技术

显示技术经历了阴极射线管（CRT）、液晶显示（LCD）、有机电致发光二极管（OLED）等发展历程。目前，CRT 已基本退出市场，LCD 和OLED 是两大主流。LCD 在大屏显示以及成本方面优势明显，但是随着手机全面屏以及柔性折叠屏的流行，OLED 的市场占有额越来越大［1-3］。自从2000年美国首次制备出基于Ⅲ族氮化物的Micro LED，索尼、三星、苹果等显示巨头都在致力于Micro LED 的研究，并相继推出了Micro LED显示屏。2019年5月中旬，主动发光显示和量子点技术委员会把基于Micro LED 显示为核心的高度集成半导体信息显示写入技术指南。2019年，Micro LED显示在全球的市场约为6 亿美元，预期到2025年将增加至20.5亿美元［4］。

Micro LED 技术是指在晶片上集成高密度微尺寸的LED 阵列，像素点距离达到微米级，能够集驱动、发光及信号传输为一体的高发光效率、低功耗器件，可实现超大规模集成发光单元的显示器件。作为自发光显示技术，Micro LED具有传统LED高亮度、高效率、高可靠性以及响应速度快的优点；与OLED相比，Micro LED具有超高的解析度和色彩饱和度，同时功耗更低、寿命更长［5-6］。Micro LED作为新一代显示技术，已逐渐成为了国际显示行业竞争的焦点。

2 Micro LED修复技术

Micro LED通常先生长于蓝宝石基底上，然后通过巨量转移技术将LED 晶片放置在显示基底上，再进行粘连。由于LED 晶片颗粒及晶片之间的间距都很小，在单位显示面积上需要安装的LED晶片的数量成倍增加，因此，Micro LED 产品转移封装过程中因为晶片损坏、移位、漏装等导致坏点存在的概率也成倍增加。为了保证大量微晶片都转移至目标区域，就必须进行坏点检查并进行坏点修复。因此，修复对Micro LED产品的良率及生产成本的控制都至关重要。

修复时，可以从修复时机的选择以及修复手段两大方面着手提升修复成功率。

2.1 修复时机——转移和修复同步进行

对于坏点的检测，通常是对晶片封装后得到的成品通电，然后通过探头检测坏点，这就意味着要在完成转移和固晶焊线后才能进行检测，耗时较长；而且在芯片和基板绑定后再修复，需要先把坏点处的晶片取下，然后安装新的LED 晶片。基于此，有人提出了巨量转移和检测修复同步进行的技术方案。例如，天马微电子在CN201810972545中提出，在像素定义层的开口内层叠设置导电层、光敏导电键合层及Micro LED 结构层，在将Micro LED 转移至衬底基板的光敏导电键合层后，给LED晶片的两个电极施加电信号，检测晶片能否正常发光，正常发光则进行键合，不能正常发光则不进行键合，并替换新LED晶片检测正常发光后再键合，使得Micro LED的键合和检测修复同时进行。

2.2 修复手段

虽然转移和修复同步进行能够提升修复的效率，降低成本，但是对于由封装造成的坏点以及在使用过程中出现的坏点则无能为力。因此，目前主流的修复技术还是在封装之后进行。主要的修复方法包括坏点转移替换、冗余结构设计以及从视觉上弱化坏点区域。

2.2.1 坏点转移替换

修复时，先检查Micro LED 背板确定坏点的位置，再将坏点处的晶片取下，然后拾取新的晶片并安装在需要修复的坏点处，进行焊接。在整个修复过程中，可以从坏点定位、坏点去除、取晶置晶补晶等过程着手提升修复成功率。

（1）坏点定位检测。目前，常用的Micro LED 芯片坏点检测技术包括光致发光扫描绘图技术和电致发光技术［1］，PL能在无接触的情况下快速扫描检测其发光波长、亮度，且不会损坏LED 芯片，但对于芯片的电学性能无法检测。EL 检测需要对LED 芯片加电进行测试，检测参数比较全面、准确度高，但工艺复杂。基于此，对于坏点的检测，大部分利用相机等光学模块对基板进行光学检查以获得坏点的位置坐标，确保坏点定位的准确性，从而提高坏点去除的精度。只有找准坏点的位置，才能精准去除坏点，确保整个修复过程顺利进行。

（2）坏点去除。找准坏点位置是第一步，找到坏点之后，需要将有缺陷的芯片去除，由于缺陷芯片已经封装焊接固定，因此，需要熔解缺陷处的焊接材料。由于Micro LED 芯片的尺寸很小，传统的电烙铁技术肯定无法适用，因此，一些申请人提出了通过激光、研磨、加热等方式去除坏点处的芯片。例如，韩国的QMC INC 公司在KR20200052221A中公开了利用激光束去除有缺陷的芯片。康佳公司在CN202010604494中公开了利用研磨的手段来消除坏点上的芯片。深圳市联得自动化在CN202010934417 中公开了光照加热使得缺陷晶片与基板分离，由于光照加热的光斑大小可控，因此能够进行精确定位。南京中电熊猫公司在CN201910687499 中公开了在显示背板衬底上设置凹槽，凹槽内设置微型加热电阻丝，微型加热电阻丝部分位于显示衬底上，凹槽内的微型加热电阻丝下方设置底部电极；当微型发光二极管损坏时，微型加热电阻丝对键合材料进行加热熔融后，即可转移走损坏的微型发光二极管。

（3）取晶置晶补晶。从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，然后进行焊接（即置晶补晶）。由于Micro LED 芯片的尺寸小于50um，无法生产对应的吸嘴尺寸，因此，无法利用现有吸嘴实现真空吸附来取晶置晶；同时，补晶时也无法使用现有的加热方式焊接LED 芯片。目前，通常采用静电力、磁力或真空吸力等实现取晶置晶，然后采用激光焊接方式补晶。当然，也有一些公司提出了不同的取晶置晶补晶方式。例如，东莞市中麒光电在CN202110884883 中公开了用于承载粘贴件的承载件采用激光可穿透材料，借助粘贴件粘起新LED芯片，移至缺陷芯片原来的位置，此时，无需分离新LED 芯片与粘贴件，直接朝承载件的延伸方向照射激光，从而加热基板上的焊接材料，完成新LED芯片与基板的焊接，焊接完成后，再分离芯片转移结构，如此可以防止在焊接材料熔融过程中不同区域的张力差异导致新LED 芯片倾斜或位置偏移。另外，歌尔股份有限公司在CN201711137764 中提出了仅需使用一个衬底即可实现缺失位置的识别以及精准修补。具体方案为：根据TFT 背板的表面结构，制备倒模层，通过倒模层上形成的凹陷结构，反映出TFT 背板上缺失LED 芯片的位置及数量，将倒模层倒置于去除掉缺陷LED 芯片的衬底上，将倒模层上的凹陷结构倒置形成凸起结构并去除凸起结构，从而裸露出TFT 背板上缺失LED的位置，进而在裸露出的衬板位置上重新生长新的LED 芯片，最后，去除残余倒模层，重新键合衬板至TFT背板，至此，新的LED芯片被键合到TFT背板上。

2.2.2 冗余修复

坏点转移替换修复技术需要检测坏点、去除坏点并放置新的LED芯片。尽管提出了很多提高坏点定位精度、精准去除坏点以及取晶置晶补晶的技术以改善Micro LED 修复的成功率，但是，当坏点较多且比较分散时，坏点转移替换修复技术需要重复多次去除坏点，并重复多次放置新的LED 芯片，而多次操作会增加影响周围正常显示的LED 芯片的概率，修复效率较低。因此，冗余修复技术应运而生。冗余修复是指设计备用电路、备用焊盘或者备用LED 芯片，这样，当其中一颗LED出现不良，直接启用备用电路、备用焊盘或者备用LED 芯片，无需去除显示不良的LED 芯片，只需简单连接即可实现坏点修复。

（1）冗余电路与冗余焊点。Micro LED 显示屏包括多个呈阵列排布的子像素，通过给每个子像素设置备用驱动电路、备用焊盘，或者将多个子像素划分为组，每组子像素设置一个共用的备用驱动电路、备用焊盘，正常使用时，LED 芯片与主驱动电路、主焊盘连接，当与主驱动电路连接的LED 芯片出现损坏时，断开LED 芯片与主驱动电路的连接，转而与备用驱动电路连接，以快速实现对Micro LED 坏点的修复。三星在CN202080016350 中公开了设置多个与驱动电路具有相同电路结构并且并联的冗余驱动电路，设置附加布线连接多个冗余驱动电路与驱动器以及多个像素电路，若某个微型LED 组成的像素出现异常，则断开微型LED 芯片与对应的驱动电路的连接，改为从多个冗余驱动电路中对应的驱动电路接收驱动信号。昆山国显光电在CN201820440383 中公开了设置两对电极，正常使用时，仅在一对电极上焊接LED 芯片，当有LED 芯片出现异常时，将正常的LED 芯片焊接在剩余的一对电极上，从而达到修复的目的。福州大学在CN202010535556 中公开了在LED 芯片电极和背板电极设置连接区域和备用区域，采用喷墨打印等非Au-In互连方式和原位修复方式，对电极进行互连以及对缺陷像素进行修复。

（2）备用LED芯片。除了设置备用驱动电路、备用焊盘等备用方式，还可以为每个LED 芯片设置一个备用LED芯片，正常显示时，只有主LED芯片点亮，当主LED芯片出现异常时，再点亮备用LED芯片。例如，华星光电在CN202010312409 中公开了设置备用LED 芯片，当主LED 芯片成为坏点时，备用LED 芯片替代主Micro LED芯片正常发光。康佳公司在WO2019CN130 524 中公开了每个像素包括两个发光区域，两个发光区域相邻设置，且两个区域中分别设置两个发光颜色相同的微型发光二极管，当存在坏点时，将存在缺陷的发光二极管短接，另一个微型发光二极管正常发光。一般主LED 芯片和备用LED 芯片并排设置，对此，南京中电熊猫在CN202011369969 中提出了主LED 芯片和备用LED芯片上下叠置，事先设置好修复孔，当存在坏点时，无需对坏点处的芯片做任何处理，仅仅通过普通的切断线和连接线路修补手段即可实现坏点处的再显示，简化了修补手法。LED 芯片发光缺陷包括不发光缺点和亮点缺陷，对于亮点缺陷带来的显示异常，还可以在每个子像素中均串联设置两个LED 芯片，正常显示时，两个LED芯片均发光，修复后，两个LED芯片中仅一个发光。或者找到亮点缺陷区域，采用激光将亮点子像素短接，使其不发光，从而消除亮点缺陷。

为每个LED 芯片均设置备用芯片，能大大提高修复的成功率，但是一个显示面板上包含众多LED 芯片，出现缺陷的毕竟只是少数，因此，为每个LED 芯片设置备用芯片会造成资源浪费，成本较高。对此，可以将多个LED芯片划为一组，组内的多个LED芯片共用一个备用多个LED 芯片，如此，不仅可以提高显示面板的良率，同时可以降低成本。例如，友达光电在CN201910874200 中公开了在显示面板中设置多个包括第一发光二极管的第一区域和被第一区域围绕的、包括第二发光二极管的第二区域，正常显示时，仅第一区域的第一发光二极管显示，第二区域的第二发光二极管不显示；当检测到第一发光二极管异常时，将异常的第一发光二极管的控制信号线连接至第二发光二极管，使得第二发光二极管取代异常的第一发光二极管显示。

（3）覆盖缺陷区域。虽然冗余设计无需去除坏点，但是冗余设计需要双倍的LED 芯片及额外的布线，因此，这种修复方式成本较高，且冗余修复需要在前期设计时制定修复方案，灵活性较差。另外，由于冗余设计中，正常显示时，备用LED 芯片不发光，但是占用了一定的面积，因此影响显示面板的PPI。对此，有人提出了直接采用修复基板覆盖存在缺陷的晶片区域，无需去除坏点，也无需进行冗余设置，可以简化修复工艺，降低修复成本。例如，LG 公司在KR20190176217A 中提出了将微型LED 芯片堆叠设置在存在缺陷的微型LED 芯片上，将原本与缺陷LED 芯片连接的电信号连接至堆叠在其上的修复LED 芯片上。青岛海信CN201810469429 中提出了直接通过更换硅基板来修复缺陷区域，将微型LED 芯片装在已经预处理过的硅基板上行，然后将硅基板直接贴附于显示基板上。

2.2.3 视觉上弱化缺陷区域

针对一些点缺陷，除了采用以上替换坏点芯片、冗余设计以及直接覆盖缺陷区域等改造坏点的修复方式之外，还可以从视觉上弱化缺陷区域，使得缺陷点不再明显，甚至无法察觉。例如，京东方在CN201710686537 中提出了在显示屏的缺陷区域喷涂涂层，对涂层加热固化，随后将涂层研磨均匀，使得涂层颗粒化，以此从视觉上弱化缺陷区域，以达到修复的目的。中国科学院在CN202010471609 中公开了设置运动机构带动具有坏点的微型LED 单元运动，利用视觉暂留原理，使人眼无法察觉坏点存在。安徽熙泰在请CN202011492322 中公开了在亮点缺陷对应的像素处沉积不透光材料，使亮点像素不透光，同样可以修复亮点缺陷。

3 结语

Micro LED 是当前最热门的显示技术之一，自2000年美国首次制备出Micro LED 以来，经过20 余年的研究，随着在巨量转移、全彩色等方面的持续突破，目前，索尼、三星、苹果都相继推出了自己的Micro LED显示屏，国内也有雷曼光电、康佳、利亚德等推出了Mi⁃cro LED 显示屏。虽然Micro LED 显示屏还在试验阶段，无法量产，但是基于Micro LED 与LCD、OLED 相比的诸多优点，Micro LED 显示技术必定在将来大放异彩。虽然国外对Micro LED 的研究起步较早，握有很多基础专利，但是国内申请人在近几年提出了很多新颖实用的技术方案。随着Micro LED 显示逐步产业化，国内提出的这些实操层面的技术方案将显得越来越重要，尤其是关于修复技术的实用性技术方案将会发挥重要作用。