[논문]마이크로 스탬프를 이용한 Micro-LED 개별 전사 및리플로우 공정에 관한 연구

한승; 윤민아; 김찬; 김재현; 김광섭

doi:10.9725/kts.2022.38.3.93

[국내논문] 마이크로 스탬프를 이용한 Micro-LED 개별 전사 및리플로우 공정에 관한 연구
A Study on Selective Transfer and Reflow Process of Micro-LED using Micro Stamp 원문보기

한국트라이볼로지학회지 = Tribology and lubricants, v.38 no.3, 2022년, pp.93 - 100

한승 (과학기술연합대학원대학교 나노메카트로닉스학과) , 윤민아 (과학기술연합대학원대학교 융합기계시스템) , 김찬 (한국기계연구원 나노융합장비연구부) , 김재현 (과학기술연합대학원대학교 융합기계시스템) , 김광섭 (과학기술연합대학원대학교 융합기계시스템)

Abstract ▼ AI-Helper

Micro-light emitting diode (micro-LED) displays offer numerous advantages such as high brightness, fast response, and low power consumption. Hence, they are spotlighted as the next-generation display. However, defective LEDs may be created due to non-uniform contact loads or LED alignment errors. Therefore, a repair process involving the replacement of defective LEDs with favorable ones is necessitated. The general repair process involves the removal of defective micro-LEDs, interconnection material transfer, as well as new micro-LED transfer and bonding. However, micro-LEDs are difficult to repair since their size decreases to a few tens of micron in width and less than 10 ㎛ in thickness. The conventional nozzle-type dispenser for fluxes and the conventional vacuum chuck for LEDs are not applicable to the micro-LED repair process. In this study, transfer conditions are determined using a micro stamp for repairing micro-LEDs. Results show that the aging time should be set to within 60 min, based on measuring the aging time of the flux. Additionally, the micro-LEDs are subjected to a compression test, and the result shows that they should be transferred under 18.4 MPa. Finally, the I-V curves of micro-LEDs processed by the laser and hot plate reflows are measured to compare the electrical properties of the micro-LEDs based on the reflow methods. It was confirmed that the micro-LEDs processed by the laser reflow show similar electrical performance with that processed by the hot plate reflow. The results can provide guidance for the repair of micro-LEDs using micro stamps.

주제어

표/그림 (9)

그림 Fig. 1. Manufacturing process of micro-LED display[Micro-Light Emitting Diode : Fabrication and Devices, 2022].
그림 Fig. 2. (a) Schematic of micro stamp fabrication process, stamp images of (b) top view and (c) side view.
그림 Fig. 3. Schematic of (a) interconnection materials transfer test, (b) micro-LED loading test, (d) laser reflow test.
표 Table 1. IM transfer test conditions.
그림 Fig. 4. Images of interconnection materials transfer test. Top view of (a) flux picking, (b) electrode after placing. Vol. 38, No. 3, June 2022Vol. 38, No. 3, June 2022
표 Table 2. Micro-LED loading test conditions.
표 Table 3. Laser reflow test conditions.
그림 Fig. 5. Images of loading test. (a) top view images, (b) loading test graph, (c) average contact load.
그림 Fig. 6. I-V curve of Micro-LEDs prepared by 2.4 V to 2.8 V (a) hotplate reflow and (b) laser reflow.

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

본 연구에서는 낮은 생산비용으로 50 µm 이하 LED 에 대응가능한 마이크로 LED용 리페어 공정을 설계하기 위해 마이크로 스탬프를 이용한 접속소재 및 마이크로 LED의 선택적 전사방법에 관해 연구하였다
본 연구에서는 마이크로 LED 패널 제작 시 반드시 필요한 리페어 공정의 공정 스텝별 시험조건에 대해 조사하였다. 마이크로 스탬프를 이용한 접속소재 및 마이크로 LED의 선택적 전사와 리플로우를 구현하기 위한 실 험적 연구를 수행하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
또한 일반적인 핫플레이트를 이용한 리플로우 방법과 레이저를 이용한 리플로우 방법을 비교하여 리페어 공정에 적합한 리플로우 조건을 제시하였다. 이를 통해 마이크로 스탬프를 이용한 접속소재 및 마이크로 LED의 선택적 전사공정, 레이저를 이용한 선택적 리플로우 공정에 중요한 가이드를 제공하고자 한다.

제안 방법

수십 마이크로미터 두께로 도포된 플럭스는 시간이 지남에 따라 솔벤트가 휘발되어 점도가 증가하게 되며, 이는 플럭스의 전사 경향에 영향을 미친다. 따라서 플럭스 도포 후, 에이징 시간에 따라 마이크로 스탬프로 전사경향을 조사하였다. Fig.
이후 리플로우 방법에 따른 마이크로 LED의 전기적 특성을 비교하기 위해 리플로우 공정 후 마이크로 LED의 I-V 커브를 측정하였다. 또한 레이저 리플로우 공정 조건이 잘 확립되었는지 확인하기 위해 기존에 주로 사용되었던 핫플레이트 리플로우 공정으로 제작된 마이크로 LED 샘플과 비교하였다.
본 연구에서는 낮은 생산비용으로 50 µm 이하 LED 에 대응가능한 마이크로 LED용 리페어 공정을 설계하기 위해 마이크로 스탬프를 이용한 접속소재 및 마이크로 LED의 선택적 전사방법에 관해 연구하였다. 또한 일반적인 핫플레이트를 이용한 리플로우 방법과 레이저를 이용한 리플로우 방법을 비교하여 리페어 공정에 적합한 리플로우 조건을 제시하였다. 이를 통해 마이크로 스탬프를 이용한 접속소재 및 마이크로 LED의 선택적 전사공정, 레이저를 이용한 선택적 리플로우 공정에 중요한 가이드를 제공하고자 한다.
마이크로 스탬프를 이용하여 마이크로 LED를 전사할 때, 접촉하중이 마이크로 LED 전사에 미치는 영향을 알아보기 위해 마이크로 LED가 전사되는 동일한 조건에서 압축 시험을 진행하였다. Fig.
이를 해결하기 위해 여러 연구들이 수행되었는데, 일반적인 마이크로 리페어 공정 순서는 다음과 같다. 먼저 불량 소자를 판별한 후에 불량소자만 선택적으로 제거하고 불량소자가 제거된 자리에 접속소재를 전사한 뒤 새로운 마이크로 LED를 전사하고 마지막으로 열과 압력을 가해 접합시킨다. 이때, 수십 마이크로 사이즈로 접속소재와 마이크로 LED를 개별 전사해야 하기 때문에 기존 LED 디스플레이 제조공정 중접속 소재를 토출하는 노즐을 이용하기 까다롭고, LED를 전사하는 진공 척을 이용하기 어렵다[12].
6 V의 전압을 가진다. 본 연구에서는 레이저 리플로우와 기존 핫플레이트 리플로우 방식으로 제작된 샘플들의 I-V 커브를 측정하여 비교하였다. Fig.
이때 마이크로 LED의 압축 속도를 3 µm/s로 설정하였으며, 플럭스의 에이징 시간은 5분으로 설정하였다. 압축시험 중에 발생한 마이크로 LED의 슬립(Slip) 및 파손현상을 고속 Charge Coupled Device(CCD) 카메라를 이용하여 관찰 및 녹화하였다.
레이저 리플로우 샘플 1번부터 4번까지는 3초, 5번과 6번은 2초 동안 레이저를 조사하였다. 이후 리플로우 방법에 따른 마이크로 LED의 전기적 특성을 비교하기 위해 리플로우 공정 후 마이크로 LED의 I-V 커브를 측정하였다. 또한 레이저 리플로우 공정 조건이 잘 확립되었는지 확인하기 위해 기존에 주로 사용되었던 핫플레이트 리플로우 공정으로 제작된 마이크로 LED 샘플과 비교하였다.
3(c)는 레이저 리플로우 실험에서 광학계의 모식도를 보여준다. 전극 위에 플럭스와 마이크로 LED를 전사한 샘플에 980 nm 파장의 다이오드 레이저를 조사하였다. 이때 사용된 레이저 출력은 9 W이며, 레이저 조사 시간을 2초와 3초로 다르게 설정하였다.
전사된 마이크로LED를 기판 전극에 전기적으로 연결하기 위해서는 리플로우 공정을 수행해야 하며, 본 연구에서는 개별 마이크로 LED를 리플로우하기 위해 레이저 리플로우 공정을 수행하였다. Fig
3(a)는 플럭스 전사실험의 모식도이다. 플라즈마 표면처리한 웨이퍼 위에 플럭스를 1 mL 주사기로 한 방울 떨어뜨린 뒤 5분, 30분, 60분, 90분이 지난 후, 마이크로 스탬프를 사용해 전극기판에 플럭스를 전사하였다. 마이크로 스탬프와 플럭스가 접촉할 때 5 mN의 접촉하중으로 접촉한 후 5초가 지난 후에 3 µm/s의 속도로 분리하면서 플럭스를 전사하였다.

대상 데이터

본 실험에서 사용하는 마이크로 LED의 전극면에는 솔더가 코팅되어 있다. 따라서 마이크로 LED 전극의 솔더 층과 회로 기판의 전극 금속을 접합하기 위해 일반적으로 사용되는 플럭스를 접속소재로 사용하였다. 이때 마이크로 점착시험기를 사용하여 동일한 접촉 하중 내에서 플럭스의 에이징 시간에 따른 전사경향을 확인하였다.
본 실험에서 사용하는 마이크로 LED의 전극면에는 솔더가 코팅되어 있다. 따라서 마이크로 LED 전극의 솔더 층과 회로 기판의 전극 금속을 접합하기 위해 일반적으로 사용되는 플럭스를 접속소재로 사용하였다.
본 연구에서는 가로 세로 길이 40 µm × 35 µm 사이즈 의 두께 약 12 µm의 마이크로 LED를 사용하였으며, LED 의 전극부에는 접합을 용이하게 하기 위해 SAC305 솔더 코팅을 하였다
실험에 사용된 기판의 전극 간격은 약 6 µm이고, 두께는 약 1.2 µm으로 제작되었고, 유리기판 위에 Au가 사용되었다.

성능/효과

4 MPa이상이 되면 슬립이 발생하여 정렬이 틀어질 수 있으며, 접촉압력이 179 MPa에 다다르면 LED가 파괴될 수 있다. 따라서 마이크로 LED를 접속소재 위에 정렬오차 없이 전사하기 위해서는 접촉하중이 18.4 MPa 이하의 조건에서 전사해야 한다.
레이저 리플로우와 핫플레이트 리플로우 공정으로 각각 제작된 샘플들의 전기적 특성을 평가한 결과, 개별 마이크로 LED 리플로우를 위한 레이저 리플로우 방법을 사용한 경우에도 기존 핫플레이트 리플로우와 유사한 전기적 특성을 얻을 수 있음을 확인하였다.
마이크로 스탬프를 이용하여 마이크로 LED를 전사할 때 접촉압력이 18.4 MPa이상이 되면 슬립이 발생하여 정렬이 틀어질 수 있으며, 접촉압력이 179 MPa에 다다르면 LED가 파괴될 수 있다. 따라서 마이크로 LED를 접속소재 위에 정렬오차 없이 전사하기 위해서는 접촉하중이 18.
플럭스의 에이징 시간에 따른 전사경향을 분석한 결과, 플럭스를 도포한 뒤, 60 분 이 내에 마이크 로 스탬 프 를 이용하여 회로기판의 전극에 전사해야 한다.

후속연구

본 연구의 결과는 마이크로 LED 리페어를 위한 마이크로 스탬프 방식의 접속소재/마이크로 LED의 선택적 전사 및 리플로우 공정 개발을 위한 유용한 결과가 될 것으로 기대된다. 추가적으로 전사 공정에서의 마이크로 LED에 슬립이 일어나지 않는 하중조건에서 일정한 하중이 가해질 수 있도록 하는 기술이 요구되고 있다.
추가적으로 전사 공정에서의 마이크로 LED에 슬립이 일어나지 않는 하중조건에서 일정한 하중이 가해질 수 있도록 하는 기술이 요구되고 있다. 최근에는 스탬프 및 전사 필름에 폴리머 폼 등을 적용하여 일정 하중을 유지시키는 방법들이 연구되고 있는데, 위 방법을 잘 활용한다면 기존 하중 제어 부분을 변위 제어로 바꾸어 리페어 속도를 증가시키는 등 부가적인 이점도 얻을 수 있을 것으로 판단된다.
본 연구의 결과는 마이크로 LED 리페어를 위한 마이크로 스탬프 방식의 접속소재/마이크로 LED의 선택적 전사 및 리플로우 공정 개발을 위한 유용한 결과가 될 것으로 기대된다. 추가적으로 전사 공정에서의 마이크로 LED에 슬립이 일어나지 않는 하중조건에서 일정한 하중이 가해질 수 있도록 하는 기술이 요구되고 있다. 최근에는 스탬프 및 전사 필름에 폴리머 폼 등을 적용하여 일정 하중을 유지시키는 방법들이 연구되고 있는데, 위 방법을 잘 활용한다면 기존 하중 제어 부분을 변위 제어로 바꾸어 리페어 속도를 증가시키는 등 부가적인 이점도 얻을 수 있을 것으로 판단된다.

참고문헌 (15)

Meitl, M., Zhu, Z.-T., Kumar, V., Lee, K. J., Feng, X., Huang, Y. Y., Adesida, I., Nuzzo, R. G., Rogers, J. A., "Transfer printing by kinetic control of adhesion to an elastomeric stamp", Nature Materials, Vol.5, pp.33-38., 2006.

상세보기
Kim, C., Yoon, M.-A., Jang, B., Kim, J.-H., Lee, H.-J., Kim, K.-S., "Ultimate Control of Rate-Dependent Adhesion for Reversible Transfer Process via a Thin Elastomeric Layer", ACS Appl. Mater. Interfaces, Vol.9, 12886-12892, 2017.

상세보기
Jang, B., Kim, C.-H., Choi, S., Kim, K.-S., Kim, K.-S., Lee, H.-J., Cho, S., Ahn, J.-H., Kim, J.-H., "Damage mitigation in roll-to-roll transfer of CVD-graphene to flexible substrates", 2D Mater., Vol.4, 024002, 2017.
Day, J., Li, J., Lie, D., Bradford, C., Lin, J., Jiang, H., "III-nitride full-scale high-resolution microdisplays", Appl. Phys. Lett., Vol.99, pp.031116, 2011.

상세보기
Choi, M., Jang, B., Lee, W., Lee, S., Kim, T. W., Lee, H. J., Kim J.-H., Ahn, J. H., "Stretchable active matrix inorganic light-emitting diode display enabled by overlay-aligned roll?transfer printing", Adv. Funct. Mater., Vol.27, pp.1606005, 2017.

상세보기
Lewis, D., Dechter, R., Ley, R., Wong, M., Khoury, M., "Overcoming the Challenges in microLED Inspection and Manufacturing", International Conference on Display Technology(ICDT), Beijing, China, May 2021.
Chen, Z., Yan, S., Danesh, C., "MicroLED technologies and applications:characteristics, fabrication, progress, and challenges" J. Phys. D: Appl. Phys., Vol.54, pp.123001, 2021.
Wang, W., Yang, W., Wang, H, Li, G., "Epitaxial growth of GaN films on unconventional oxide substrates" J. Mater. Chem. C, Vol.2, pp.9342-9358, 2014.

상세보기
Liu, L., Edgar, J. H., "Substrates for gallium nitride epitaxy", Materials Science and Engineering R, Vol.37, pp.61-127, 2002.

상세보기
Behrman, K., Fouilloux, J., Ireland, T., Fern, G., Silver, J., Kymissis, I., "Micro LED Defect Analysis via Photoluminescent and Cathodoluminescent Imaging" SID Display Week Virtual Conference, San Francisco, USA, August 2020.
Ding, K., Avrutin, V., Izyumskaya, N., Ozgur, U., Morkoc, H., "Micro-LEDs, a Manufacturability Perspective" Appl. Sci., Vol.9, Issue 6, pp.1206, 2019.
Sheng, C., Wang, Y., Dong, X., Li, M., Wang, C., Huang, X., Ge, Y., "A Study on Micro-LED Selective Repair Technology for Mass Production Purpose" International Conference on Display Technology (ICDT), Beijing, China, May 2021.
Prevatte, C., Radauscher, E., Meitl, M., A., Gomez, D., Ghosal, K., Bonafede, S., Raymond, B., Moore, T., Trindade, A., J., Hines, P., Bower, C., A., "Miniature Heterogeneous Fan-Out Packages for High-Performance, Large-Format Systems", IEEE 67th Electronic Components and Technology Conference, Florida, USA, June 2017.
Meitl, M., Radauscher, E., Bonafede, S., Gomez, D., Moore, T., Prevatte, C., Raymond, B., Fisher, B., Ghosal, K., Fecioru, A., Trindade, A., Kneeburg, D., Bower, C., "Passive Matrix Displays with Transfer-Printed Microscale Inorganic LEDs", SID International symposium, San Francisco, USA, May 2016.
Sa, K.-d., Micro LED repair process, Korea Photonics Technology Institute, KR Patent No. 10-2021-0012980.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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