顯示行業(yè)背景

傳統(tǒng)LED的封裝環(huán)節(jié)，一般通過吸盤采用真空吸取，通過機械臂轉(zhuǎn)移到指定位置后再進行放置的方式實現(xiàn)。Mini/Micro LED的尺寸基本小于50 μm，而吸盤能夠吸取的最小尺寸極限在80 μm，因此真空吸附的方式不適用于Mini/Micro LED的封裝工藝。

巨量轉(zhuǎn)移是指將微米級的?LED晶?？焖偾揖珳实剞D(zhuǎn)移到驅(qū)動電路基板上，并與驅(qū)動電路之間形成良好的電氣連接和機械固定。這一過程通常涉及將大量的微米級晶粒（如Mini/Micro LED器件）轉(zhuǎn)移到特定的驅(qū)動基板上，并組裝成二維周期陣列。?

在巨量轉(zhuǎn)移領域中，可行方案有基于靜電力的轉(zhuǎn)移技術、基于范德華力的微圖章轉(zhuǎn)移技術、磁場力轉(zhuǎn)移技術、滾輪轉(zhuǎn)印技術、流體組裝技術、激光無接觸轉(zhuǎn)移技術、機械頂針轉(zhuǎn)移技術等。

基于靜電力的轉(zhuǎn)移技術是通過調(diào)節(jié)靜電力來實現(xiàn)LED芯片的拾取/放置動作。該技術對平整度要求極高，并且靜電失控會損壞LED管芯，導致失效。

基于范德華力的微圖章轉(zhuǎn)移技術是通過控制界面粘合力實現(xiàn)LED芯片的拾取/放置動作。雖然其控制速度較快，但粘附力的調(diào)節(jié)精度較難實現(xiàn)。由于外部壓力及溫度會使圖章產(chǎn)生不規(guī)則會變形，其轉(zhuǎn)印的精度難以保證，影響良率。

磁場力轉(zhuǎn)移技術是通過調(diào)整CI結構材料的比例來實現(xiàn)界面的黏附力，進而實現(xiàn)LED芯片的拾取/放置動作。但磁流變彈性體制備復雜，需要通過外加磁場調(diào)控CI粒子含量，技術復雜度極高。

滾輪轉(zhuǎn)印技術實現(xiàn)較為簡單，重點保證卷的輥隙壓力均勻和同步卷的角運動和樣品安裝平臺的平移運動，且轉(zhuǎn)移速率較高，但是選擇性差，后期檢修環(huán)節(jié)是綜合效率低的原因。

流體組裝技術兩個挑戰(zhàn)分別是如何實現(xiàn)最大的Mini/Micro-LED捕獲速度以及如何實現(xiàn)最小的高速陣列組件分配速度。該技術被認為是微型LED組裝的經(jīng)濟高效且快速的解決方案。與滾輪轉(zhuǎn)印技術相同的是，該技術選擇性差，后期檢修環(huán)節(jié)極大影響綜合效率。

激光無接觸轉(zhuǎn)移技術是以激光為驅(qū)動實現(xiàn)無接觸選擇性加工，并以圖案化方式實現(xiàn)Mini/Micro Led陣列化和批量化的轉(zhuǎn)移。激光無接觸轉(zhuǎn)移技術在效率上相對較高，但其工藝環(huán)節(jié)執(zhí)行前的準備中需要芯片預排。其預排效率是制約綜合效率及技術普及的關鍵因素，對于COB工藝而言，在預排過程所需時間內(nèi)即可實現(xiàn)相同數(shù)量的芯片轉(zhuǎn)移。

機械頂針式轉(zhuǎn)移工藝，是一種新型板上芯片倒裝轉(zhuǎn)移工藝（COB，chip on board），工藝執(zhí)行過程中，將LED芯片縱向投影點、頂針縱向投影點（頂針下扎上抬全過程需保證其尖端只有縱向移動）、焊接基板精準對齊，頂針直接從藍膜背面將芯片刺向基板完成轉(zhuǎn)移。該技術中涉及難點有：多層級機械機構的宏微協(xié)同控制方法；高頻、高加速度引起的非線性振動消除方法；針對藍膜自身彈性響應引起的芯片偏移量控制方法。

科學無主流，工藝無優(yōu)劣。隨著科技發(fā)展的不斷進行，各類工藝輪番展現(xiàn)出各自的相對優(yōu)勢。如何選擇合適的技術與工藝，進而回答科技之問，解決時代之問題，是科技工作者時刻需要考慮的問題。

機械頂針式轉(zhuǎn)移工藝介紹

板上芯片倒裝轉(zhuǎn)移工藝（倒裝COB，chip on board），是在傳統(tǒng) PICK & PLACE 基礎上改進而來。

正裝COB與倒裝COB在結構上的區(qū)別

如圖1（a），對于板上芯片正裝轉(zhuǎn)移工藝，芯片固定在基板上，電極朝上，芯片與焊盤通過金屬線連接。如圖1（b），對于板上芯片倒裝轉(zhuǎn)移工藝，芯片固定在基板上，電極朝下，與焊盤直接接觸并連接。

圖1 COB結構。（a）正裝COB；（b）倒裝COB

正裝COB與倒裝COB在工藝上的區(qū)別

對于板上芯片正裝轉(zhuǎn)移工藝，其固晶工藝流程，如圖2所示。

圖2 傳統(tǒng)PICK&PLACE工藝（正裝COB）

① 待固定芯片在藍膜上。固晶頭上的頂針在藍膜下方并與待固定芯片縱向?qū)φ晃P在藍膜上方并與待固定芯片縱向?qū)φ?/p>

② 頂針上移，并接觸到藍膜的待固定芯片正下方。

③ 頂針繼續(xù)上移，將待固定芯片頂送至吸盤，吸盤將待固定芯片吸附住。

④ 頂針下移，待固定芯片脫離芯片并隨吸盤移動。

⑤ 頂針下移至原位置，藍膜恢復原狀態(tài)。

⑥ 吸盤攜帶待固定芯片移動至基板的預設焊盤的正上方。

⑦ 吸盤下移，將芯片按壓至玻璃基板的焊盤上。

⑧ 吸盤取消負壓，并向上移動，待固定芯片脫離藍膜留置在基板上。機構恢復初始位置并開始下一個運動周期。

對于板上芯片倒裝轉(zhuǎn)移工藝，其固晶工藝流程，如圖3。

圖3 倒裝COB工藝

① 待固定芯片在藍膜的下方。固晶頭上的頂針在藍膜上方并與待固定芯片縱向?qū)φ?/p>

② 頂針下扎，并接觸到藍膜的待固定芯片正上方。

③ 頂針繼續(xù)下扎，將待固定芯片頂送至玻璃基板的焊盤上。

④ 頂針上抬，待固定芯片脫離藍膜留置在基板上。

⑤ 頂針繼續(xù)上抬，并與藍膜脫離。機構恢復初始位置并開始下一個運動周期。

機械頂針式轉(zhuǎn)移工藝中涉及的參數(shù)

北京派和科技股份有限公司生產(chǎn)的π Bonder系統(tǒng)固晶頭是一種適用于Mini LED等巨量轉(zhuǎn)移行業(yè)的高速往復運動設備。該設備采用壓電陶瓷控制技術，能實現(xiàn)120 Hz頻率正交雙軸耦合的穩(wěn)定間歇式往復運動（縱向運動時間4 ms，空閑時間6 ms）。設備可實現(xiàn)縱向最大行程1.2 mm，在采用最大行程時末端重復精度可達10 μm以內(nèi)。同時，橫向動作可實現(xiàn)對安裝基臺75~700 mm/s的運動速度做出位移補償，使固晶頭機構末端在運動周期的固晶工作時間內(nèi)相對基臺做直上直下的縱向運動。

壓電陶瓷具有靈敏度高、?無磁場散播外溢、?成本低、?耗電少等特點，在效率及精度同時保障的條件下，可以做到低電磁干擾、節(jié)能環(huán)保。且其從動機構為無間隙機構的柔性鉸鏈，既無摩擦，也無間隙引起的非線性振動，可保持機構上時間穩(wěn)定運行且壽命較長。是高精度高速機構的優(yōu)選方案。

其產(chǎn)品在固晶過程中，固晶頭涉及的最重要的參數(shù)如圖4。

圖4 固晶頭重要的運動參數(shù)

在位置方面有位移，膜下高度，向上過沖量，向下過沖量；在時間方面有總運動周期，頂針自本周期開始運動到回到零點的回零周期，頂針自本周期開始運動到回零穩(wěn)定的整定周期，頂針自接觸藍膜到離開藍膜之間的膜下時間。

固晶過程中，固晶頭與基臺配合運動，涉及的最重要的參數(shù)如圖5。

圖5 固晶頭重要的運動參數(shù)。（a）運動參數(shù)定義1；（b）運動參數(shù)定義2

在位置方面主要有位移，膜下高度，下扎劃膜距離，上抬劃膜距離，總劃膜距離等。

不同的打件模式

為便于說明，將縱向向下定義為Z軸正向，沿橫梁長度方向定義為Y軸，沿垂直于橫梁長度方向定義為X軸。

1.快打模式

快打指除換行需求外的持續(xù)快速打件（每行內(nèi)打件速度100 Hz），包括正打（90度）和反打（270度）。此模式狀態(tài)下的固晶頭刺針觸膜過程中，固晶頭隨橫梁沿Y向勻速運動。

在快打模式中，固晶頭所在橫梁的路徑規(guī)劃包括S型路徑、Z型路徑及混合路徑（圖6）。換行時間不超過120 ms。

圖6 S型路徑、Z型路徑及混合路徑三種快打模式的打件路徑

2.慢打模式

慢打指打件速度較低的狀態(tài)，如對漏打的芯片進行補打、壞點修復中的補打、剩余芯片較分散等的情況。此模式狀態(tài)下的固晶頭刺針觸膜過程中，固晶頭在橫梁保持相對靜止。

工藝難點解決

多層級機械機構的宏微協(xié)同控制方法

多層級機械機構的宏微協(xié)同控制方法的核心原理如下：

1.結構分層

將控制系統(tǒng)分為不同的層級，每個層級都有相應的目標和任務，同一層級中，具有特定目標和任務的一個機械機構的集合作為該任務的執(zhí)行單元。執(zhí)行單元也可分為多個層級。

2.控制協(xié)同

各層級之間通過信息交流和控制指令來實現(xiàn)協(xié)同控制，以達到整體性能最優(yōu)化的目標。

3.問題分解

將復雜的控制問題分解為多個子問題，子問題又可繼續(xù)再分，形成問題樹。各個層級分別處理自己的層級問題，并通過信息交流和指令傳遞來協(xié)調(diào)各個子問題的處理。

4.分配優(yōu)化

根據(jù)控制系統(tǒng)的目標和約束條件，對各層級的任務和資源進行優(yōu)化分配，使得整個系統(tǒng)的性能最優(yōu)化。

通過對問題的分解、控制及執(zhí)行的分配與優(yōu)化，達到復雜系統(tǒng)協(xié)同運行的目的。

高頻、高加速度引起的非線性振動消除方法

1.連續(xù)控制

對于壓電陶瓷的驅(qū)動電壓控制，采用連續(xù)控制方法，避免傳統(tǒng)的棒棒控制引起高頻激振。

2.非間隙機構設計

將固晶頭的運動機構設計為無間隙鉸鏈機構，且其驅(qū)動用壓電陶瓷本身也是非間隙的連續(xù)結構，因此可以避免機構高速往復運動過程中的剛性沖擊。

3.高速運動規(guī)劃

在機構高速運動的驅(qū)動規(guī)劃中，考慮高速機構的動態(tài)特性，在曲線中消除柔性沖擊。使高速機構在高速往復運動過程中的振動表現(xiàn)為低速運動表征。

4.運動耗散

在機構設計中適當增加阻尼，以耗散快速往復運動沖量帶來的振動。