サムスンは、2024年1月に開催されたコンシューマー・エレクトロニクス・ショー（CES）で、巨大な透明なmicroLEDディスプレイを披露し、来場者を驚かせました。しかし、microLEDディスプレイは単に見た目が美しいだけではありません。LEDやOLEDなどの他のディスプレイ技術と比較して、いくつかの利点があります。これには、エネルギー効率の向上、長寿命、より高い輝度、優れた色再現性が含まれます。さらに、microLEDを利用することで、メーカーは大規模な設備投資を必要とせずに、サイズ、形状、解像度を簡単に変更し、新しいディスプレイデザインを作成することができます。
こうした利点があるにもかかわらず、microLEDはまだ普及していません。これは、一般的に他のディスプレイに比べて製造が複雑であるためです。この技術の商業化を成功させるためには、まだ克服すべき重要な課題がいくつか残っています。
エキシマレーザーがmicroLEDにLIFTを提供
これらの課題がどこで発生するかを理解するのに役立つよう、図にはmicroLEDディスプレイ製造における重要な工程のいくつかが示されています。これらが完了すると、その他のさまざまな試験手順や「エージング」プロセスが実施されます。大型ディスプレイは複数の小型パネルを組み合わせて作られるため、この場合は追加の組み立ておよび梱包工程が発生します。
1) 赤、緑、青のLEDは、透明基板上に個別に製造されます。2) LLO：LEDは、それらを保持するための接着剤が塗布された一時的なキャリアに接続されます。エキシマレーザーは透明基板を通して焦点を合わせ、透明基板からLEDを分離します。3) リフト：エキシマレーザーを一時的なキャリアを通して集束させることで、個々のLEDが分離され、最終基板上のハンダパッドに向かって推進力が与えられます。4) レーザーアシストボンディング：ダイオードレーザーを用いて多数のLEDとハンダバンプを一度に加熱し、それらを急速に溶かして最終的な接合を形成します。
ほとんどの半導体デバイスと同様に、LEDも本来はウェハー上でエピタキシャル成長させられます。通常、このウェハーはサファイア基板です。microLEDディスプレイの各ピクセルを作成するには、赤、緑、青の各原色を発光する個別のLEDが必要です。しかし、各ウェハーには単一色のデバイスしか含まれていません。したがって、LEDを個々のダイに分割し、最終的なディスプレイを作成するために必要なパターンにまとめて配置する必要があります。
エキシマレーザーは、この加工プロセスの最初の2つの主要な工程において、費用対効果の高いツールであることがすでに実証されています。具体的には、まずレーザーリフトオフ（LLO）を用いて、サファイアウェハーから個々のLEDダイを分離し、一時的なキャリアに移します。
次に、レーザー誘導転送（LIFT）を用いて「大量転送」を行います。これは、ダイを一時的なキャリアから最終的なディスプレイ基板へ移動させる加工方法です。最も重要なのは、大量転送においてLEDが所定のピクセルパターンに配置されることです。
microLED組立における課題
LEDを基板上の所定の位置に配置した後、それを基板に接着し、電気的に接続する必要があります。そうしないと、ディスプレイが点灯せず、移動した際にすべてのLEDが外れてしまいます。
このプロセスを円滑に進めるため、まず、基板上のすべての電気接続予定箇所にはんだ「バンプ」（はんだの小さな球）が配置されます。次に、LIFTを使用してダイを配置した後、はんだが溶けるまで加熱します。この状態では、はんだが基板とダイの両方の電気接点の周囲に流れ込みます。その後、それらが冷却されて再固化することで、電気的および機械的な接続が形成されます。これは、エレクトロニクス業界全体で標準的な組立技術です。
はんだを溶かすための最も一般的な方法は「マスリフロー」（MR）と呼ばれます。基本的には、はんだボールとダイを含む基板アセンブリ全体をオーブンに入れるというプロセスです。温度は、はんだを溶かすために循環させられ、その後冷却されます。
しかし、マスリフローは、より高い位置精度でより密に配置する必要がある小型LEDへの移行には役立ちません。問題は、加熱サイクルに数分かかることです。これにより、すべての部品に大きな熱負荷がかかり、部品の歪みや熱機械的歪みが生じたり、基板上のダイの位置が物理的に移動したりする可能性があります。マスリフローオーブンでの処理時間が長くなると、電気的接続不良が発生するリスクも高まります。この処理自体も大量のエネルギーを消費します。
熱圧着（TCB）は、MRによって引き起こされる反りのリスクを軽減する代替手段です。TCBは熱を加えると同時に力を加えることで、相互接続部の高さや形状をより適切に制御します。ただし、特定のダイとパッケージ本体のサイズに合わせてカスタマイズされた複雑なノズルが必要であり、基本的には一度に1つのダイのみを接合します。このため、1つのディスプレイを作成するために文字通り何百万ものLEDダイを接合する必要があるmicroLEDアプリケーションにはあまり適していません。
レーザーアシスト接着
レーザー支援接合（LAB）は、これらの問題のすべてに対処します。LABでは、高出力の赤外線ダイオードレーザービームが長方形に成形されます。強度分布は、ビームの全領域にわたって高度に均一になるよう均質化されます。長方形ビームの寸法は用途によって異なりますが、それでも基板上の数千個あるいは数百万個のLEDを一度に照射するのに十分な大きさにすることは十分に可能です。
LABの動作中、レーザーは極めて短時間（1秒未満）のみオンになります。しかし、これははんだを溶かすのに十分な熱をアセンブリに伝達するには十分な時間です。一方で、ダイの反りや位置ずれを引き起こすような過度な加熱が生じるには、この時間は短すぎます。レーザーを使用することで、必要に応じて冷却フェーズを含めた加熱サイクルを正確に制御することが可能になります。その結果、はんだ付け工程は迅速に実行され、重大な悪影響は発生しません。LABはサイクル時間が短いため、MRやTCBよりもエネルギー効率が大幅に高くなります。
LABを改善するためのより優れたレーザー
レーザーに関して言えば、LABの重要な要件は、ビーム強度がその領域全体にわたって均一であることです。これは、はんだの一貫した均一な加熱と、それによる一貫した結果を実現するために必要です。目標は、特定の数のmicroLEDを含む必要な領域のみを選択的に加熱し、周囲の領域を全く加熱しないことです。このため、エッジ付近で強度があまり低下しない長方形のビームパターンを生成することが特に重要になります。そうしないと、この領域のLEDが全く結合されない可能性があります。ただし、照射領域の外側では、ビーム強度が非常に急速に低下する必要があります。
Coherent DLシリーズファイバー伝送ダイオードレーザーは、PH50 DLズームオプティックと組み合わせることで、この種の非常に均一な長方形ビームを生成することができます。通常、4kW HighLight DLレーザー（1～4 kW）がmicroLEDの研究室で使用されています。
Coherent DL ズーム光学系は、ファイバーで伝送されるHighLight DDシリーズ ダイオードレーザーのマルチモード出力を、極めて均一な長方形のビームに変換します。長方形の縦幅と横幅は、個別に動的に調整可能です。ここに示されているスポットサイズの範囲は12×12mmから110×110mmですが、その他のズーム構成も利用可能です。
この組み合わせは、当社独自の光学設計を採用することで、競合製品の中で最も優れた強度均一性を実現します。具体的には、入射レーザービームを多数の「ビームレット」に分離するマイクロレンズアレイを用いてビームの均質化を行います。次に、これらを拡大して重ね合わせることで、極めて均一な強度分布を生成します。
Coherent DL ズーム光学系のもう1つの大きな利点は、プロセス中に「オンザフライ」で調整できることです。長方形のビームの長さと幅は、必要に応じて幅広い範囲で個別に調整可能です。このズーム機能は、製造業者が加工方法を開発・評価する際に役立ちます。これにより、さまざまな構成を試して、何が最も効果的かつ効率的に機能するかを確認できるようになります。もちろん、Coherentは、この同じアプローチを活用して、特定の顧客要件を満たす固定（ズームではない）光学系を製造することも可能です。このようなラインビームの幅は、数ミリメートルから最大1000 mmまでの範囲になります。
LLOとLIFTは、microLED製造における2つの主要な実現技術としてすでに確立されています。現在、Coherentレーザーをベースとした別の加工方法であるLABにより、高解像度のmicroLEDディスプレイの量産が容易になりつつあるようです。
LAB用コヒーレントレーザーの詳細については、こちらをご覧ください。
