一种电润湿转印头、转印头阵列及微LED巨量转移的方法

摘要

一种电润湿转印头、转印头阵列及微LED巨量转移的方法，包括转印头和可根据电信号进行寻址操作的控制基板，所述转印头的顶面紧密排布于控制基板的底面以形成转印头阵列，相邻所述转印头的流道于其上部相互连通，相连通的通道内壁均铺设有亲水层，所述控制基板上设置有多个与流道的顶部相连通的压力调节孔，所述转印头的上电极和下电极分别通过电极引线与控制基板内对应的电路相连接，以使控制基板可对单个转印头进行寻址控制。本发明转印头阵列的各个转印头可单独寻址操作，实现对大量微LED的批量转印或者选择性转印；采用工作液体粘附，对微LED的几何形状、表面形貌、电磁特性无特殊要求。

说明书

技术领域

本发明涉及一种微器件转印头及微LED巨量转移方法，尤其涉及一种电润湿转印头、转印头阵列及微LED巨量转移的方法。

背景技术

目前显示器市场的主流技术是液晶显示(Liquid Crystal Display，LCD)和有机发光二极管(Organic Light Emitting Diode，OLED)。微LED（Micro-LED）显示技术是将1微米至100微米(μm)单位的LED芯片用作显示器的像素单元，相对于LCD 和OLED显示技术，其具有高量子效率、高对比度、高可视角度、高色域、极快的相应时间、易作为透明显示、长寿命等突出的优点，将逐渐成为下一代显示器的主流技术。

在微LED显示技术中的关键过程是将大量微LED芯片元件精确快速地转送到显示基板，此过程也被称为巨量转移。因微LED尺寸小至1 μm – 100 μm，因此无法使用以往的取放(pick&place)设备，需要一种以更高精确度进行移送的转印技术。关于这种转印技术，揭示如下所述的几种构造，但所揭示的各技术具有几个缺点。

美国LuxVue公司揭示了一种利用静电头实现静电吸附进而转印微LED的方法（中国注册专利申请号：CN201280067417.9）。这种方式的缺点在于：对转印对象表面的平整度以及转印对象的介电性有要求。美国X-Celeprint公司揭示了一种应用具有弹性的聚合物物质作为转印头而将晶片上的微LED移送到所期望的基板的方法（中国台湾公开专利公报公开编号：TW 201730095A)。这种方式的缺点在于：对单个LED进行局部操作较困难。韩国普因特公司揭示了一种利用多孔性材料构成吸附面而对微LED进行真空吸附和释放的方法（中国注册专利申请号：CN 201910433371.1）。这种方式的缺点在于：无法对单个LED进行局部操作。美国InnovaSonic公司揭示了一种利用指向物体的超声波能量或者紫外激光对粘性聚合物粘附的微LED进行选择性地分离而实微LED转印（美国专利号：US 10249520 B2）。这种方式的缺点在于：对单个LED进行局部操作较困难。美国SelfArray公司揭示了一种通过周期性磁极阵列使得带有磁性的微LED自动地均匀分布在基板上（美国专利公开号：US2018/0261570 A1）。这种方式的缺点在于：对单个LED进行局部操作较困难。且难以对不同颜色微LED进行单独转印。美国Uniqarta公司揭示了一种利用激光照射使得微LED和基板分离，从而通过中间基板和两次激光照射实现微LED转印（中国注册专利申请号：CN201880002383.2）。这种方式的缺点在于：对单个LED进行局部操作较困难。中国华灿光电公司揭示了一种通过将驱动电路板和微LED放入溶液中，Micro LED芯片在磁力的作用下固定安装在驱动电路板上，实现微LED的转印（中国注册专利申请号：CN 201710561814.6）。这种方式的缺点在于：需要在Micro LED芯片和目标基板上预制磁性，不能对单个LED进行局部操作对中国华星光电公司揭示了一种通过在中间基板上设置热失黏胶层，采用温度控制热失黏胶层的粘性实现对微LED的转印（中国注册专利申请号：CN 201911250235.5）。这种方式的缺点在于：对单个LED进行局部操作较困难。中国京东方公司揭示了一种采用电致伸缩器件的进行电至伸缩作为微LED的转印头实现对微LED的转印（中国注册专利申请号：CN201910243046.9）。这种方式的缺点在于：对微LED的形状要求严格，转印头结构复杂，加工和修复成本高。中国三安光电公司揭示了一种采用光刻材料粘附微LED，并采用光刻工艺实现对微LED的释放，以实现微LED转印（中国注册专利申请号：CN 201711153705.7）。这种方式的缺点在于：不能对单个LED进行局部操作，并且工艺繁琐，转印一次，就需要涂胶，加热，激光蚀刻，去胶等工艺，速度慢。中国三安光电公司揭示了一种利用载盘、传输带、可分解胶、挤压装置和释放装置组成的微LED转印方法（中国注册专利申请号：CN201711426885.1）。这种方式的缺点在于：对单个微LED操作比较困难，而且对载盘，传输带的同步运行，传输带的变形控制等要求较高。中国天马微电子公司揭示了一种采用高导热性材料制作的柱状凸起和对热敏感胶实现通过控制温度对微LED进行拾取和释放（中国注册专利申请号：CN 201811228521.7）。这种方式的缺点在于：对单个LED难以进行局部控温，且每转印一次需要给转印头重新涂胶一次。

如上所述的现有发明1至现有发明12分别存在诸如无法对单个微LED进行操作或者对微LED有预制磁性或者特定形状等要求。

（专利文献1）中国注册专利申请号：CN201280067417.9

（专利文献2）中国台湾公开专利公报公开编号：TW 201730095A

（专利文献3）美国专利号：US 10249520 B2

（专利文献4）中国注册专利申请号：CN 201880002383.2

（专利文献5）中国注册专利申请号：CN 201911250235.5

（专利文献6）中国注册专利申请号：CN 201910243046.9

（专利文献7）中国注册专利申请号：CN 201711426885.1

（专利文献8）中国注册专利申请号：CN 201811228521.7

发明内容

为解决上述问题，本发明提出电润湿转印头及微LED巨量转移方法，具体技术方案为：

一种电润湿转印头，包括转印头基体、疏水性介电材料层、上电极和下电极，所述转印头基体开设有上下贯通的流道，所述流道的底部为吸附面开孔，靠近吸附面开孔的所述转印头基体底面的内侧及所述流道内壁的下部均铺设下电极，所述下电极的表面铺设疏水性介电材料层，所述疏水性介电材料层以外的流道内壁铺设有亲水层，所述转印头基体底面的外侧铺设疏水层，所述流道在铺设亲水层的区域内充满工作液体，所述上电极从转印头基体的顶面延伸至工作液体内，且始终与工作液体保持接触，所述上电极和下电极之间通过导线或电路布线连接有可施加或消除电势差的电润湿电源。

进一步地，所述工作液体为水、无机水溶液、有机水溶液、植物油、矿物油或液态金属中的一种。

进一步地，所述亲水层的材料为环氧树脂、聚乙烯、聚丙烯腈、聚砜或聚乙烯醇中的一种。

进一步地，所述疏水层的材料为聚四氟乙烯或聚六氟丙稀，或为纳米表面疏水结构的材料。

进一步地，所述疏水性介电材料层的材料为聚四氟乙烯或聚六氟丙稀。

一种微LED转印头阵列，包括转印头和可根据电信号进行寻址操作的控制基板，所述转印头的顶面紧密排布于控制基板的底面以形成转印头阵列，相邻所述转印头的流道于其上部相互连通，相连通的通道内壁均铺设有亲水层，所述控制基板上设置有多个与流道的顶部相连通的压力调节孔，所述转印头的上电极和下电极分别通过电极引线与控制基板内对应的电路相连接，以使控制基板可对单个转印头进行寻址控制。

进一步地，所述微LED的尺度范围为0.1微米数量级至1000微米数量级。

进一步地，所述压力调节孔上连接有液压调节装置或气压控制装置。

进一步地，所述控制基板为TFT基板。

进一步地，所述转印头的中下部的形状为六面体形或圆柱体形。

一种微LED巨量转移方法，包括以下步骤：

(1)把外延基板上生长的LED外延层通过蚀刻加工工艺制作出微LED，微LED通过连接锚点和外延基板连接；

(2)利用转印头接触微LED，并压向外延基板，将微LED与外延基板之间的连接锚点压断；

(3)所述转印头拾取微LED；

(4)移动所述转印头，使微LED对准预放置的目标基板，并对微LED施加一定压力，使微LED上的预制电极和所述目标基板上预制的电极连接材料接触；

(5)通过加热或粘结的方式，使所述电极连接材料将微LED和所述目标基板的预制电路连接并固定；

(6)所述转印头释放微LED。

进一步地，所述电极连接材料为焊球、导电胶或单向导电胶中的一种。

本发明的有益效果：

(1)转印头阵列的各个转印头可单独寻址操作，实现对大量微LED的批量转印或者选择性转印。

(2)采用工作液体粘附，因此对微LED的几何形状，表面形貌，电磁特性无特殊要求。

(3)转印头的吸附能力与转印次数无关，只需定期更新工作液体，吸附力持久保持不变。

(4)如用蒸馏水，乙醇等易挥发液体作为转印工作液体，可以不用后续清洗工序。

附图说明

图1是本发明基于的物理现象：电润湿效应示意图图示。

图2是根据本发明的第一实施例的转印头的截面侧视图图示。

图3是根据本发明的第一实施例的带有压力调节孔的转印头的截面侧视图图示。

图4是根据本发明的第一实施例的转印头及转印头阵列的带剖面等距视图图示。

图5是根据本发明的第一实施例的转印头及转印头阵列的另一带剖面等距视图图示。

图6是根据本发明的第一实施例的充液转印头阵列拾取微LED过程示意图图示。

图7是根据本发明的第一实施例的充液转印头阵列释放微LED过程示意图图示。

图8是根据本发明的第二实施例的转印头的截面侧视图图示。

图9是根据本发明的第二实施例的转印头及转印头阵列的带剖面等距视图图示。

图10是根据本发明的第二实施例的转印头及转印头阵列的另一带剖面等距视图图示。

图11是根据本发明的第二实施例的充液转印头阵列拾取微LED过程示意图图示。

图12是根据本发明的第二实施例的充液转印头阵列释放微LED过程示意图图示。

图13是根据本发明的第三实施例的充液转印头阵列从外延基板上拾取微LED过程的示意图图示。

图14是根据本发明的第三实施例的充液转印头阵列将微LED放置到目标基板过程的示意图图示。

图15是根据本发明的第三实施例的转印头阵列完成一次微LED转印过程的流程图。

图中：

100：转印头；

101：转印头基体；

102：流道；

103：亲水层；

104：疏水层；

105：疏水性介电材料层；

106：吸附面；

107：吸附面开孔；

108：压力调节孔；

109：上电极；

110：下电极；

111：电极引线；

200：微器件；

201：微LED；

300：控制基板；

400：外延基板；

401：连接锚点；

500：目标基板；

501：电极连接材料；

600：工作液体。

具体实施方式

以下内容仅例示发明的原理。因此，虽未在本说明书中明确地进行说明或图示，但本领域技术人员可实现发明的原理而发明包括在发明的概念与范围内的各种装置。另外，应理解，本说明书中所列举的所有附有条件的术语及实施例在原则上仅明确地用于理解发明的概念，并不限制于像这样特别列举的实施例及状态。

参考作为本发明的理想的例示图的剖面图及/或立体图，对本说明书中所记述的实施例进行说明。为了有效地说明技术内容，夸张地表示这些附图中所示的膜及区域的厚度及孔的直径等。例示图的形态会因制造技术及/或容许误差等而变形。另外，附图中所示的微LED的个数仅例示性地在附图中表示一部分。因此，本发明的实施例也包括根据制造工艺发生的形态的变化，并不限制于所图示的特定形态。

在对各种实施例进行说明时，即便实施例不同，方便起见而也对执行相同的功能的构成要素赋予相同的名称及相同的参照符号。另外，方便起见，省略已在其他实施例中说明的构成及动作。

如这里所使用的术语“微”器件或“微”LED结构可以指根据本发明的实施例的特定器件或结构的说明性的大小。如这里所使用的，术语“微”器件或结构意指1到1000 μm的级别。然而，将意识到本发明的实施例不必然如此受限，并且将意识到实施例的特定方面可以应用到更大的以及可能更小的大小级别。

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步描述：

本发明公开了一种基于电润湿效应的微器件转印头。这里微器件是指预制的微器件，预制的微器件可以具有具体的功能性，包括但不限于用于发光的微LED 、用于逻辑和存储的硅IC、用于射频（RF）通信的砷化镓（GaAs）电路。在某些实施例中，将预备好拾取的微LED器件阵列描述为具有10 μm × 10 μm间距、或5 μm × 5 μm间距。以这些密度，例如，6英寸衬底能够容纳近似1.65亿个具有10 μm × 10 μm间距的微LED 器件、或者容纳近似6.60亿个具有5 μm × 5 μm间距的微LED器件。包括与对应的微LED器件阵列的间距相匹配的传送头的阵列的传送工具能够用于拾起并且向接收衬底传送微LED器件阵列。以这一方式，有可能将微LED器件集成和组装到异质集成系统中，包括范围从微显示器到大面积显示器的任意大小的衬底，并且以高传送速率进行。例如，1 cm × 1 cm的微器件传送头阵列能够拾起并且传送多于100000个微器件，其中更大的微器件传送头阵列能够传送更多的微器件。

如图1所示，电润湿效应的原理：液滴置于下电极110上，下电极110板表面铺设一层疏水性介电材料层105，液滴在疏水性介电材料层105上形成类似荷叶表面水珠的形状，液滴接触角θ较大；在液滴中插入上电极109，上电极109与下电极110之间施加电压差，下电极110板表面铺设的疏水性介电材料层105转变为亲水性，液滴铺展，液滴接触角θ变小。

基于上述的电润湿效应，可设计一种电润湿转印头，从而实现对微器件的拾取和释放，具体如下：

如图3、4所示，一种电润湿转印头，包括转印头基体101、疏水性介电材料层105、上电极109和下电极110，所述转印头基体101开设有上下贯通的流道102，所述流道102的底部为吸附面开孔107，并形成吸附面106；靠近吸附面开孔107的所述转印头基体101底面的内侧及所述流道102内壁的下部均铺设下电极110，所述下电极110的表面铺设疏水性介电材料层105，所述疏水性介电材料层105以外的流道102内壁铺设有亲水层103，所述转印头基体101底面的外侧铺设疏水层104，所述流道102在铺设亲水层103的区域内充满工作液体600，所述上电极109从转印头基体101的顶面延伸至工作液体600内，且始终与工作液体600保持接触，所述上电极109和下电极110之间通过导线或电路布线连接有可施加或消除电势差的电润湿电源。

其中，所述转印头基体101为转印头100各功能部件提供承载作用，其在保证强度、刚度、结构的同时，不干扰电润湿效应。转印头基体101所用材料可以包括但不限于聚四氟乙烯（PTFE）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚二甲基硅氧烷（PDMS）等高分子聚合物材料，石英、玻璃、硅、陶瓷等无机材料，金属以及金属合金，以及多种材料的组合。

具体地，所述工作液体600包括但不限于水、无机水溶液、有机水溶液、植物油、矿物油或液态金属等液态材料；转印头基体101内部的流道102，为工作液体600提供存储、流动、转移的空间，其形状包括但不限于本发明实施例中的形状。在电润湿电源未给上电极109与下电极110之间施加电势差时，流道102内除下电极110以外的其它流道102区域充满了工作液体600。

所述亲水层103的材料包括但不限于环氧树脂（EP）、聚乙烯（PE）、聚丙烯腈（PAN）、聚砜（PS），聚乙烯醇（PEG）等带极性基团的的高分子聚合物材料；所述疏水层104和疏水性介电材料层105的材料包括但不限于聚四氟乙烯（PTFE）或聚六氟丙稀等低表面能材料，所述疏水层104也可以为纳米表面疏水结构的材料。

基于上述电润湿转印头100，可设计一种微LED 转印头阵列，以实现对微器件200，如微LED 201器件的转移。具体如下：

如图2-5所示，一种微LED转印头阵列，包括转印头100和可根据电信号进行寻址操作的控制基板300，所述转印头100的顶面紧密排布于控制基板300的底面以形成转印头100阵列，相邻所述转印头100的流道102于其上部相互连通，相连通的通道内壁均铺设有亲水层103，所述控制基板300上设置有多个与流道102的顶部相连通的压力调节孔108，所述转印头100的上电极109和下电极110分别通过电极引线111与控制基板300内对应的电路相连接，以使控制基板300可对单个转印头100进行寻址控制，实现对大量微LED 201的批量转印或者选择性转印。

其中，所述控制基板300可以为但不限于为TFT基板，只要能进行寻址控制的基板都可用于本发明中；所述转印头100的上电极109的下端始终与工作液体600保持接触，上电极109的上端向上延伸出转印头基体101外，并连接控制基板300或者电接地，下电极110通过电极引线111连接控制基板300，控制基板300的薄膜晶体管开关可以对每个转印头100的上电极109和下电极110之间进行独立通断电控制，从而可对单个转印头100的电极进行寻址控制，实现对转印头100的独立控制，从而可以选择性地拾取微器件200。

其中，如图3、4所示，所述压力调节孔108可被若干个转印头100共用，用于注入工作液体600，以及形成流道102内工作液体600与外界之间的压力差。压力调节孔108连接微管道，微管道连接外界压力调节装置，其中，压力调节孔108调节压力差的方式包括但不限于采用连接液压调节装置和气压控制装置。需要注意的是，吸附面开孔107压力等价于工作场所大气压力。

利用微LED 201转印头阵列，可拾取或传送大量的微器件200，所述微器件200的尺度范围为0.1微米数量级至1000微米数量级；所述微器件200可以是微LED 201，利用控制基板300对转印头100的独立控制，可实现对微LED 201阵列的选择性拾取过程。具体的操作过程如下：

如图6中的(a)、(b)所示的拾取微LED 201过程：利用控制基板300控制对所述上电极109和下电极110施加电压差，由于电润湿效应，疏水性介电材料层105由疏水性转变为亲水性，工作液体600从所述流道102中的亲水层103区域向下部的流道102区域浸润，并通过吸附面开孔107漫出到转印头基体101下表面的吸附面106上，直到浸润满整个吸附面106区域，并相对于转印头基体101的下表面形成一定的液滴高度。

如图6中的(b)、(c)所示，当使转印头靠近微LED 201，当吸附面106上的液滴触碰到微LED 201时，液滴会浸润所述微LED 201的表面而吸附微LED 201，工作液体600成为所述转印头100与所述微LED 201之间“粘合剂”；工作液体600通过表面张力，使得转印头100和微LED 201之间具有较大力的作用，此力的作用大于将微LED 201保持在载体衬底的力，该力可以包括但不限于重力、毛细力、粘滞效应、弹性恢复力、范德华力、静摩擦力。此时，微LED 201通过粘附在工作液体600上，而被转印头100拾取并跟随转印头100移动，实现对微LED 201的拾取。

如图7所示的释放微LED 201过程：如图7中的(a)、(b)所示，利用控制基板300控制对所述上电极109和下电极110消除电压差，下电极110表面铺设的疏水性介电材料层105由亲水性重新变为疏水性，工作液体600将从下电极110所在的区域收缩回流道102内；如图7中的(b)、(c)所示，当工作液体600回流到一定程度时，微LED 201表面粘附的工作液体600将和流道102中的工作液体600断开，工作液体600不再将微LED 201和转印头粘附，微LED201从吸附面106脱落，实现转印头对微LED 201的释放。

实现上述拾取和释放操作时，所述工作液体600的表面能不大于所述亲水层103的表面能和施加电压差时的疏水性介电材料层105的表面能，且大于所述疏水层104表面能和未施加电压差时的疏水性介电材料层105表面能。等价的表述为：所述工作液体600和亲水层103、施加电压差时的疏水性介电材料层105表现为亲水性，所述工作液体600和疏水层104、未施加电压差时的疏水性介电材料层105表现为疏水性。此处所用的“疏水”、“亲水”，不仅仅表示狭义的对水（H

在本实施例中，所述工作液体600、亲水层103、疏水性介电材料层105和疏水层104的材料选用具有多种组合方式，包括但不限于表1中的组合：

表1工作液体600、亲水层103、疏水层104、微LED 201组合

说明：微LED 芯片因其结构和材质，在其表面往往同时包含金、银、铝等金属电极材料和氮化镓、蓝宝石等半导体材料，因为金属材料的存在，其等价表面能一般大于40 dynes/cm。

然而应当理解的是，所述工作液体600、亲水层103、疏水层104、疏水性介电材料层105的组合不限于上述表1所列举的组合，只要符合上述所提出的条件所形成的组合，都理应为本发明的各种实施例的组合，在此不一一列出。

在上述实施例中，所述转印头基体101中下部的形状圆柱体形；由于相邻的所述转印头100的流道102于其上部相互连通，故转印头100的上部宜设置成长方体形，以使转印头基体101的上部整齐地排列于控制基板300的下表面，形成转印头100阵列，从而使转印头100的下部之间均形成一定的间隙。

优选的，在保持实施例一功能和结构的基础上，本发明实施例二提供了一种结构更简单的转印头及转印头阵列。

如图8、9、10所示，与实施例一相较，结构上的区别是所述转印头基体101中下部的形状为正六面体形，从而使转印头100阵列的制作工艺更加简单。由于所述转印头基体101底面的外侧铺设疏水层104，使得两个相邻转印头100的吸附面开孔107处浸润的液滴在疏水层104区域相隔开。

如图11所示，实施例二的施加电势差时工作液体流动及拾取微LED过程示意图；图12所示为实施例二的施加电势差时工作液体流动及释放微LED过程示意图。

如图13、14、15所示，基于实施例一和实施例二所述的转印头及转印头阵列，本发明提供一种微LED 201巨量转移方法，从而利用转印头100阵列对外延基板400上的微LED201进行转印并固定到目标基板500之过程；包括以下步骤：

(1)如图13中的(a)所示，把外延基板400上生长的LED外延层通过蚀刻等加工工艺制作出单个的微LED 201，微LED 201通过连接锚点401和外延基板400连接；

(2)如图13中的(b)所示，利用转印头100接触微LED 201，并压向外延基板400，将微LED201与外延基板400之间的连接锚点401压断；

(3)如图13中的(c)所示，在步骤（2）之前，或者同时或者随后，利用控制基板300对转印头100的上电极109与下电极110之间施加电势差，电润湿效应下电极110表面的疏水性介电材料层105由疏水性变为亲水性，使工作液体600流向吸附面106处，工作液体600粘附微LED201，以对微LED 201进行拾取；

(4)如图14中的(a)所示，移动所述转印头100，使微LED 201对准预放置的目标基板500，并对微LED 201施加一定压力，使微LED 201上的预制电极和所述目标基板500上预制的电极连接材料501接触；

(5)如图14中的(b)所示，通过加热或粘结的方式，使所述电极连接材料501将微LED201和所述目标基板500的预制电路连接并固定；

(6)如图14中的(c)所示，利用控制基板300给所述转印头100的上电极109与下电极110之间取消电势差，下电极110表面的疏水性介电材料层105由亲水性重新变为疏水性，粘附于转印头吸附面106和微LED 201表面的工作液体600有回流到转印头内部流道102的趋势，由于微LED 201已经固定于目标基板500，提升转印头100，克服工作液体600表面张力而将连续工作液体600拉断，微LED 201与工作液体600分离，完成微LED 201的释放。

其中，所述电极连接材料501包括但不限于焊球、导电胶或单向导电胶等。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。