Heterogene Integration von Micro-LEDs durch gleichzeitige Mehrfach-Transfer- und Bonding-Prozesse

Warum winzige neue Lichtquellen wichtig sind

Fernseher, Smartwatches und Virtual-Reality-Headsets setzen vermehrt auf winzige Lichtquellen, so genannte Micro-LEDs, um hellere, schärfere und energieeffizientere Bildschirme zu erzeugen. Der Aufbau solcher Displays ist jedoch langsam und teuer, hauptsächlich weil es schwierig ist, Millionen mikroskopischer Lichtchips zuverlässig auf die sie steuernde Elektronik zu platzieren und elektrisch zu verbinden. Diese Studie stellt eine neue Methode vor, mit der viele verschiedene Micro-LEDs schnell und zuverlässig auf ein Displaypanel transferiert und befestigt werden können, was helfen könnte, hochwertige Vollfarb-Micro-LED-Bildschirme in Alltagsprodukten zu etablieren.

Ein neuer Weg, Chips zu bewegen und zu verbinden

Die Forschenden entwickelten einen Prozess, den sie "multiple simultaneous transfer and bonding" beziehungsweise SITRAB nennen, der das Übertragen der Chips und das Herstellen ihrer elektrischen Verbindungen in einem Schritt kombiniert. Zuerst wird eine dünne Schicht eines speziell entwickelten Klebstoffs auf ein Display-Backplane laminiert, das bereits winzige metallische Lötpunkte trägt. Arrays von Micro-LED-Chips, gehalten auf transparenten, gummiähnlichen Trägern, werden sorgfältig über die passenden Anschlusspads ausgerichtet. Wenn infrarotes Laserlicht für einige Sekunden durch den Träger scheint, während leichter Druck ausgeübt wird, aktiviert die Hitze den Klebstoff und schmilzt das Lot, sodass jeder Chip fest und elektrisch verbunden mit dem darunter liegenden Panel wird. Beim Abheben des Trägers verbleiben die Chips im präzisen Muster auf dem Display.

Klebstoff, der mehrfach funktioniert

Eine zentrale Herausforderung in der Micro-LED-Fertigung ist, dass die meisten Bondingmaterialien nach einem Hitzezyklus dauerhaft aushärten, was das spätere Nachfügen oder Reparieren von Chips verhindert. Der SITRAB-Klebstoff ist anders. Er besteht aus Epoxid, einer Carbonsäure und einem auf Imidazol basierenden Katalysator, so gemischt, dass er die Lotoberfläche reinigt, in Spalten fließt und die Verbindungen schützt, dabei aber wiederholte Laserbelichtung übersteht. Chemische Analysen zeigten, dass die wichtigsten aktiven Gruppen im Klebstoff selbst nach sechs Laserimpulsen intakt blieben, was bedeutet, dass seine Lötfähigkeit erhalten blieb. Erst bei höheren Temperaturen in einem herkömmlichen Ofen vollzog sich das vollständige Aushärten dieser Gruppen, sodass das Prozessfenster genau gesteuert werden kann.

Scharfe Bilder und robuste Verbindungen

Um die Funktionsfähigkeit der Methode in realen Geräten zu prüfen, übertrug das Team rote, grüne und blaue Micro-LEDs aus unterschiedlichen Halbleiterstapeln auf Glas- und Silizium-Backplanes. Mikroskopische Aufnahmen zeigten dichte, gut ausgeformte Lötstellen zwischen den Goldpads der Chips und den indiumbasierten Erhebungen auf dem Panel, wobei der Klebstoff den umgebenden Raum wie ein unsichtbares Polster ausfüllte. Elektrische Messungen ergaben, dass das Strom-Spannungs-Verhalten der LEDs nach dem Transfer kaum verändert war und die LEDs bis zu deutlich höheren Stromstärken stabil betrieben werden konnten als in typischen Displays benötigt. Optische Tests bestätigten helles Rot-, Grün- und Blau-Emission mit größerer Farbabdeckung als von Standard-Fernsehformaten gefordert, und die Bauteile hielten ihre Leistung auch nach Tests mit hoher Temperatur, Feuchtigkeit und thermischen Zyklen.

Größer bauen und Fehler beheben

Da SITRAB mit derselben Klebstoffschicht wiederholt angewendet werden kann, wird es möglich, Displays modular aufzubauen und Defekte zu reparieren. Die Autorinnen und Autoren demonstrierten das "Stitchen" von vier separaten 15×15 Micro-LED-Arrays auf ein Backplane, um eine größere 30×30-Pixel-Fläche zu bilden, und erweiterten dies auf Hunderte von Pixeln auf einem sechs Zoll großen Panel. Sie entwarfen zudem Backplanes mit zusätzlichen Reparaturelektroden in jedem Pixel. Nach einem ersten Transfer von einem teilweise defekten Quellarray identifizierten sie dunkle Pixel und setzten durch einen zusätzlichen SITRAB-Schritt Ersatz-LEDs auf die Reparaturpads, wodurch die funktionierenden Pixelanteile dramatisch von etwa 83 Prozent auf nahezu 99,8 Prozent stiegen, ohne dass vorhandene Chips entfernt werden mussten.

Vollfarbdisplays aus gemischten Bauteilen

Schließlich nutzten die Forschenden mehrere SITRAB-Schritte, um Vollfarbpixel zu erzeugen, indem sie rote, grüne und blaue Micro-LEDs von drei verschiedenen Trägern auf dasselbe Glas-Backplane setzten. Trotz leichter Unterschiede in der Chipdicke hielt der Prozess die genaue Ausrichtung ein, so dass die drei farbigen Subpixel in jedem Pixel nur wenige zehn Mikrometer auseinander lagen. Querschnittsaufnahmen zeigten saubere Lötverbindungen für alle Farben, und im gemeinsamen Betrieb konnten die kombinierten Arrays Weißlicht und Vollfarbmuster in einer Auflösung anzeigen, die für frühe Micro-LED-Panels geeignet ist. Dieses Proof-of-Concept deutet darauf hin, dass Hersteller eines Tages Micro-LEDs mit unterschiedlichen Materialien, Größen und Funktionen auf einem einzigen Panel mischen und kombinieren könnten.

Was das für zukünftige Bildschirme bedeuten könnte

Alltäglich gesprochen bietet diese Arbeit eine flexiblere, reparierbare und skalierbare Methode, winzige Lichtquellen für die nächste Generation von Displays zu erzeugen. Durch die Verwendung eines laserfreundlichen Klebstoffs, der über mehrere Bonding-Zyklen aktiv bleibt, erlaubt die SITRAB-Methode, kleine LED-Blöcke zu größeren Bildschirmen zu kacheln, fehlerhafte Pixel zu ersetzen und Rot-, Grün- und Blau-Chips aus separaten Quellen zu kombinieren, ohne die Bonding-Schicht neu auftragen zu müssen. Obwohl noch weitere Entwicklungen nötig sind, um die Auflösungen von Telefon- und Uhrendisplays zu erreichen, adressiert der Ansatz mehrere praktische Engpässe in der Micro-LED-Fertigung und könnte auch auf andere lichtemittierende Bauteile wie Quantenpunkt-Emitter und organische LEDs adaptiert werden.

Zitation: Joo, J., Choi, GM., Lee, C. et al. Heterogeneous integration of micro-LEDs via multiple simultaneous transfer and bonding. Microsyst Nanoeng 12, 170 (2026). https://doi.org/10.1038/s41378-026-01304-2

Schlüsselwörter: Micro-LED-Displays, Laser-Bonding, Klebverbinder, Displayreparatur, Vollfarb-Pixel