Heterogene integratie van micro-LEDs via meerdere gelijktijdige transfer- en bondingsstappen

Waarom die kleine nieuwe lichtjes ertoe doen

Televisies, slimme horloges en virtualrealitybrillen vertrouwen steeds vaker op zeer kleine lichtbronnen, micro-LEDs, om helderdere, scherpere en energiezuinigere schermen te maken. Het bouwen van deze displays verloopt echter traag en duur, vooral omdat het lastig is om miljoenen microscopische lichtchips te verplaatsen en elektrisch te verbinden met de aansturingselektronica. Deze studie presenteert een nieuwe manier om snel en betrouwbaar veel verschillende micro-LEDs naar één displaypaneel over te brengen en vast te zetten, wat kan helpen om hoogwaardige fullcolour micro-LEDschermen naar alledaagse producten te brengen.

Een nieuwe manier om chips te verplaatsen en te hechten

De onderzoekers ontwikkelden een proces dat ze multiple simultaneous transfer and bonding noemen, of SITRAB, dat zowel het verplaatsen van de chips als het maken van hun elektrische verbindingen in één stap afhandelt. Een dunne film van een speciaal ontwikkelde lijm wordt eerst op een display-backplane gelamineerd die al kleine metalen soldeerbolletjes draagt. Arrays van micro-LED-chips, vastgehouden op transparante rubberachtige carriers, worden zorgvuldig uitgelijnd boven de bijpassende elektroden. Wanneer een infrarode laser enkele seconden door de carrier schijnt terwijl lichte druk wordt uitgeoefend, activeert de hitte de lijm en smelt het soldeer, zodat elke chip stevig en elektrisch verbonden met het onderliggende paneel wordt. Wanneer de carrier wordt opgetild, blijven de chips in hun precieze patroon op het display achter.

Lijm die keer op keer kan werken

Een belangrijke uitdaging bij de fabricage van micro-LEDs is dat de meeste verbindingsmaterialen permanent uitharden na één verwarmingsstap, wat later toevoegen van chips of reparatie van defecten verhindert. De SITRAB-lijm is anders. Hij is gemaakt van epoxy, een carbocyzuur en een imidazool-gebaseerde katalysator, gemengd zodat hij het soldeeroppervlak kan reinigen, in openingen kan vloeien en de verbindingen beschermt, terwijl hij toch meerdere laserbelichtingen doorstaat. Met chemische analyse toonde het team aan dat de belangrijkste actieve groepen in de lijm intact bleven zelfs na zes laserpulsen, wat betekent dat de soldeereigenschappen behouden bleven. Alleen wanneer het materiaal in een conventionele oven bij hogere temperatuur werd gebakken, cureden deze groepen volledig, zodat het procesvenster nauwkeurig kan worden gecontroleerd.

Scherpe beelden en stevige verbindingen

Om te testen hoe goed deze methode werkt in echte apparaten, plaatste het team rode, groene en blauwe micro-LEDs gemaakt van verschillende halfgeleiderstacks op glas- en siliciumbackplanes. Microscopische beelden onthulden dichte, goed gevormde soldeerverbindingen tussen de goudpads op de chips en indiumgebaseerde bultjes op het paneel, waarbij de lijm netjes de omliggende ruimte vulde als een onzichtbaar kussen. Elektrische metingen toonden dat het stroom–spanning-gedrag van de LEDs nauwelijks veranderde na overdracht, en de lichtjes functioneerden probleemloos tot stroomniveaus veel hoger dan in typische displays nodig is. Optische tests bevestigden heldere rode, groene en blauwe emissie die een kleurruimte dekt die verder reikt dan wat standaardtelevisieformaten vereisen, en de apparaten behielden hun prestaties zelfs na hoge-temperatuur-, vochtigheids- en thermische cyclustests.

Grotere bouwsels en het repareren van fouten

Omdat SITRAB kan worden herhaald met dezelfde lijmlaag, wordt het mogelijk om displays modulair te assembleren en defecten te repareren. De auteurs demonstreerden het "stitchen" van vier afzonderlijke 15 bij 15 micro-LED-arrays op één backplane om een groter 30 bij 30 pixelgebied te vormen, en breidden dit uit naar honderden pixels op een paneel van zes inch. Ze ontwierpen ook backplanes met extra reparatie-elektroden in elk pixel. Na een eerste overdracht van een deels defecte bronarray identificeerden ze donkere pixels en gebruikten vervolgens een extra SITRAB-stap om reserve-LEDs op de reparatiepads te plaatsen, waardoor het aandeel werkende pixels dramatisch steeg van ongeveer 83 procent naar bijna 99,8 procent zonder enige van de originele chips te hoeven verwijderen.

Fullcolourdisplays uit gemengde onderdelen

Ten slotte gebruikten de onderzoekers meerdere SITRAB-stappen om fullcolourpixels samen te stellen door rode, groene en blauwe micro-LEDs van drie verschillende carriers op hetzelfde glazen backplane toe te voegen. Ondanks kleine verschillen in chipdikte bleef de uitlijning nauwkeurig zodat de drie gekleurde subpixels in elk pixel op slechts tientallen micrometers van elkaar zaten. Dwarsdoorsnedebeelden toonden schone soldeerverbindingen voor alle kleuren, en wanneer ze samen werden aangestuurd, konden de gecombineerde arrays wit licht en fullcolourpatronen weergeven op een resolutie die geschikt is voor vroege micro-LEDpanelen. Dit proof-of-concept suggereert dat fabrikanten op termijn micro-LEDs met verschillende materialen, afmetingen en functies op één paneel zouden kunnen mixen en matchen.

Wat dit kan betekenen voor toekomstige schermen

In gewone bewoordingen biedt dit werk een flexibelere, repareerbare en schaalbare manier om kleine lichtbronnen voor next-generation displays te bouwen. Door een laserbestendige lijm te gebruiken die actief blijft gedurende meerdere verbindingscycli, maakt de SITRAB-methode het mogelijk om kleine LED-blokken tot grotere schermen te rangschikken, defecte pixels te vervangen en rode, groene en blauwe chips van afzonderlijke bronnen te combineren zonder de verbindingslaag te herdoen. Hoewel er meer ontwikkeling nodig is om de resoluties van telefoons- en horlogeschermen te bereiken, pakt de aanpak verschillende praktische knelpunten in de micro-LEDfabricage aan en kan ze ook worden aangepast aan andere lichtgevende apparaten zoals op quantum dots gebaseerde emitteren en organische LEDs.

Bronvermelding: 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

Trefwoorden: micro-LED displays, laser bonding, adhesive interconnection, display repair, full color pixels