一种转印头、转印头阵列及微LED巨量转移方法

摘要

本发明公开了一种转印头、转印头阵列及微LED巨量转移方法，转印头包括基体和开设于基体上形状记忆聚合物容纳腔、微LED容纳腔，形状记忆聚合物容纳腔内设有形状记忆聚合物，多个转印头以阵列的形式安装在转移基板上组成转印头阵列；首先控制形状记忆聚合物处于第一形态，将转印头阵列对准需要转移的微LED，升温，使得形状记忆聚合物处于第二形态，形状记忆聚合物侧向膨胀挤压微LED，将微LED夹持，之后将微LED移动至目标基板，连接好LED后，降温，使得形状记忆聚合物恢复第一形态，释放LED，完成一次巨量转移。本发明结构简单，对微LED本身没有任何要求，转移效率高，成本低廉。

权利要求

1.一种转印头阵列，包括转印基板和以阵列形式连接在转印基板上的转印头，其特征在于：所述转印头包括基体和开设于基体上的形状记忆聚合物容纳腔、微LED容纳腔，所述形状记忆聚合物容纳腔设于微LED容纳腔侧方，形状记忆聚合物容纳腔内设有形状记忆聚合物材料，所述形状记忆聚合物材料具有侧向收缩的第一形态和侧向膨胀的第二形态，所述微LED容纳腔内设有供形状记忆聚合物材料膨胀的变形空间；利用第一形态使得微LED能顺利进入或者脱离微LED容纳，利用第二形态使得微LED夹持在微LED容纳内；

所述转印头以行列形成阵列组成转印头阵列，同一行或者同一列转印头的形状记忆聚合物相连通，采用同一根形状记忆聚合物材料；所述形状记忆聚合物材料为热致双向形状记忆聚合物材料。

2.如权利要求1所述的转印头阵列，其特征在于：所述基体采用石英玻璃或不锈钢制成。

3.如权利要求1所述转印头阵列，其特征在于：所述转印基板由高导热率的金属材料制成。

4.如权利要求1所述转印头阵列，其特征在于：所述转印基板具有温控功能，其实现方式为通过外部加热/降温装置给转移基板加热或者降温，或者在转印基板内置加热器与冷却器。

5.如权利要求1所述转印头阵列，其特征在于：所述转印基板采用与基体相同材料，即转印基板与基体一体化。

6.一种微LED巨量转移方法，采用如权利要求1所述转印头阵列，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、根据需要选择相应的转印头大小及转印头阵列密度；

步骤2、通过转印基板控制转印头基体温度，使得形状记忆聚合物容纳腔内的形状记忆聚合物材料处于第一形态；

步骤3、将转印基板移向外延基板，使各微LED进入各转印头的微LED容纳腔；

步骤4、通过控制转印基板的温度进而控制转印头温度，使得形状记忆聚合物容纳腔内的形状记忆聚合物材料处于第二形态，每个微LED被牢固的夹持在相应的微LED容纳腔内，实现对微LED的夹持；

步骤5、移动转印基板，将各转印头携带的微LED移动到目标基板，对准目标基板的相应电极，通过控制转印基板的温度进而控制转印头温度，使得形状记忆聚合物容纳腔内的形状记忆聚合物材料恢复第一形态，微LED被释放，完成微LED巨量转移。

7.如权利要求6所述微LED巨量转移方法，其特征在于：步骤5中，对准目标基板后，处理微LED的电极和目标基板之间的电极连接材料，使得电极连接材料将微LED的电极和目标基板上预制电路连接并固定，然后才控制基体温度，使得形状记忆聚合物容纳腔内的形状记忆聚合物材料处于恢复第一形态释放微LED。

说明书

一种转印头、转印头阵列及微LED巨量转移方法

技术领域

[0001] 本发明属于微器件制造领域，涉及一种微器件转移技术，具体涉及一种转印头、转印头阵列及微LED巨量转移方法，用于向目标基板传送一个或多个微器件的方法。

背景技术

[0002] 目前显示器市场的主流技术是液晶显示(Liquid Crystal Display，LCD)和有机发光二极管(Organic Light Emitting Diode，OLED)。微LED（Micro‑LED）显示技术是将1微
米至100微米(μm)单位的LED芯片用作显示器的像素单元，相对于LCD 和OLED显示技术，其
具有高量子效率、高对比度、高可视角度、高色域、极快的相应时间、易作为透明显示、长寿
命等突出的优点，将逐渐成为下一代显示器的主流技术。

[0003] 在微LED显示技术中的关键过程是将大量微LED芯片元件精确快速地转送到显示基板，此过程也被称为巨量转移。因微LED尺寸小至1 μm ‑ 100 μm，因此无法使用以往的取
放(pick&place)设备，需要一种以更高精确度进行移送的转印技术。关于这种转印技术，揭
示如下所述的几种构造，但所揭示的各技术具有几个缺点。

[0004] 美国LuxVue公司揭示了一种利用静电头实现静电吸附进而转印微LED的方法（中国注册专利申请号：CN201280067417.9）。这种方式的缺点在于：对转印对象表面的平整度
以及转印对象的介电性有要求。韩国普因特公司揭示了一种利用多孔性材料构成吸附面而
对微LED进行真空吸附和释放的方法（中国注册专利申请号：CN 201910433371.1）。这种方
式的缺点在于：无法对单个LED进行局部操作。美国SelfArray公司揭示了一种通过周期性
磁极阵列使得带有磁性的微LED自动地均匀分布在基板上（美国专利公开号：US 2018/
0261570 A1）。这种方式的缺点在于：难以对不同颜色微LED进行单独转印。中国华灿光电公
司揭示了一种通过将驱动电路板和微LED放入溶液中，Micro LED芯片在磁力的作用下固定
安装在驱动电路板上，实现微LED的转印（中国注册专利申请号：CN 201710561814.6）。这种
方式的缺点在于：需要在Micro LED芯片和目标基板上预制磁性，不能对单个LED进行局部
操作。中国华星光电公司揭示了一种通过在中间基板上设置热失黏胶层，采用温度控制热
失黏胶层的粘性实现对微LED的转印（中国注册专利申请号：CN 201911250235.5）。这种方
式的缺点在于对单个LED进行局部操作较困难。中国京东方公司揭示了一种采用电致伸缩
器件的进行电至伸缩作为微LED的转印头实现对微LED的转印（中国注册专利申请号：CN 
201910243046.9）。这种方式的缺点在于：对微LED的形状要求严格，转印头结构复杂，加工
和修复成本高。中国三安光电公司揭示了一种采用光刻材料粘附微LED，并采用光刻工艺实
现对微LED的释放，以实现微LED转印（中国注册专利申请号：CN 201711153705.7）。这种方
式的缺点在于：转印一次就需要涂胶、加热、激光蚀刻、去胶等工艺，工艺繁琐，速度慢。

[0005] 如上所述的现有技术分别存在诸如无法对单个微LED进行操作或者对微LED有预制磁性或者特定形状等要求。

[0006] [专利文献]

[0007] （专利文献1）中国注册专利申请号：CN201280067417.9；

[0008] （专利文献2）中国注册专利申请号：CN 201910433371.1；

[0009] （专利文献3）美国专利公开号：US 2018/0261570 A1；

[0010] （专利文献4）中国注册专利申请号：CN 201710561814.6；

[0011] （专利文献5）中国注册专利申请号：CN 201911250235.5；

[0012] （专利文献6）中国注册专利申请号：CN 201910243046.9；

[0013] （专利文献7）中国注册专利申请号：CN 201711153705.7。

发明内容

[0014] 本发明的目的在于提供一种基于形状记忆聚合物的转印头阵列及巨量转移方法，一次性对多个微LED进行转送，这种方法对微LED的表面材料性质、电磁特性无特殊要求，同
时其工艺简单，成本较低。

[0015] 为了解决上述技术问题，本发明采用技术方案如下：

[0016] 一种基于形状记忆聚合物的转印头，其特征在于：包括基体和开设于基体上的形状记忆聚合物容纳腔、微LED容纳腔，所述形状记忆聚合物容纳腔设于微LED容纳腔侧方，形
状记忆聚合物容纳腔内设有形状记忆聚合物材料，所述形状记忆聚合物材料具有侧向收缩
的第一形态和侧向膨胀的第二形态，所述微LED容纳腔内设有供形状记忆聚合物材料膨胀
的变形空间；利用第一形态使得微LED能顺利进入或者脱离微LED容纳，利用第二形态使得
微LED夹持在离微LED容纳内。

[0017] 进一步地，所述形状记忆聚合物材料为热致双向形状记忆聚合物材料，如聚酯型聚氨酯。

[0018] 进一步地，所述形状记忆聚合物材料为棒材。

[0019] 进一步地，所述形状记忆聚合物材料为便于变形的空心棒材。

[0020] 进一步地，所述基体采用高刚度与和高强度材料制成，如石英玻璃，不锈钢。

[0021] 本发明还提供一种转印头阵列，其特征在于：由上述任意一项所述转印头以阵列形式连接在转印基板上组成。

[0022] 进一步地，所述转印基板由高导热率的金属材料制成。

[0023] 进一步地，所述转印头以行列形成阵列组成转印头阵列，同一行或者同一列转印头的形状记忆聚合物相连通，采用同一根形状记忆聚合物材料。

[0024] 进一步地，所述形状记忆聚合物为形状记忆聚氨酯。

[0025] 进一步地，所述转印基板具有温控功能，其实现方式为通过外部加热/降温装置给转移基板加热或者降温，或者在转印基板内置加热器与冷却器。

[0026] 进一步地，所述转印基板采用与基体相同材料，即转印基板与基体一体化。

[0027] 进一步地，所述转印基板内置加热装置或者温控装置。

[0028] 本发明还提供一种微LED巨量转移方法，采用上述转印头阵列，其特征在于，包括以下步骤：

[0029] 步骤1、根据需要选择相应的转印头大小及转印头阵列密度；

[0030] 步骤2、通过转印基板控制转印头基体温度，使得形状记忆聚合物容纳腔内的形状记忆聚合物材料处于第一形态；

[0031] 步骤3、将转印基板移向外延基板，使得各微LED进入各转印头的微LED容纳腔；

[0032] 步骤4、通过控制转印基板的温度进而控制转印头的基体温度，使得形状记忆聚合物容纳腔内的形状记忆聚合物材料处于第二形态，每个微LED被牢固的夹持在相应的微LED
容纳腔内，实现对微LED的夹持；

[0033] 步骤5、移动转印基板，将各转印头携带的微LED移动到目标基板，对准目标基板的相应电极，通过控制转印基板的温度进而控制转印头温度，使得形状记忆聚合物容纳腔内
的形状记忆聚合物材料恢复第一形态，微LED被释放，完成微LED巨量转移。

[0034] 进一步地，步骤5中，对准目标基板后，处理微LED的电极和目标基板之间的电极连接材料，使得电极连接材料将微LED的电极和目标基板上预制电路连接并固定，然后才控制
基体温度，使得形状记忆聚合物容纳腔内的形状记忆聚合物材料处于第一形态释放微LED。

[0035] 进一步地，本发明形状记忆聚合物不限于温控的形状记忆聚合物，还是可以是光控、磁控等等。

[0036] 有益效果：

[0037] 本发明的转印头，转印头阵列和巨量转移方法具有如下效果：

[0038] 1、转印头阵列依靠形状记忆聚合物的可恢复性的变形，实现对微LED的批量夹持与释放。

[0039] 2、形状记忆聚合物的低模量，对微LED的夹持是柔性的，不会造成微LED的损坏。

[0040] 3、一个转印头阵列，依靠形状记忆聚合物的大弹性形变，对微LED的形状及几何尺寸在一定范围内的变化具有一定的容纳能力。

[0041] 4、属于机械夹持，对微LED材料的表面性质、电磁特性等无特殊要求。

[0042] 5、经过多次微LED转印后，形状记忆聚合物的形状记忆功能可能失效。转印头阵列的结构易于更换新的形状记忆聚合物而恢复巨量转印功能。

附图说明

[0043] 图1是本发明实施例1的转印头和转印头阵列的截面侧视图图示。

[0044] 图2是本发明的实施例1转印头阵列的单个转印头的等距视图，其中，图2（a）为形状记忆聚合物处于第一形态单个转印头示意图，图2（b）为形状记忆聚合物处于第二形态单
个转印头示意图。

[0045] 图3是本发明的实施例1中单个转印头的等距视图；其中，图3（a）为形状记忆聚合物处于第一形态，微LED进入微LED容纳示意图，图3（b）为形状记忆聚合物处于第二形态，微
LED被形状记忆聚合物挤压夹持示意图。

[0046] 图4是本发明的实施例2行列分布的转印头阵列的等距视图，其中，图4（a）为形状记忆聚合物处于第一形态阵列转印头示意图，图4（b）为形状记忆聚合物处于第二形态阵列
转印头示意图。

[0047] 图5是根据本发明的实施例的转印头阵列拾取微LED过程示意图；其中，图5（a）为形状记忆聚合物处于第一形态微LED容纳腔和外延基板上的微LED对准示意图，图5（b）为形
状记忆聚合物处于第一形态，微LED进入微LED容纳腔示意图，图5（c）为形状记忆聚合物处
于第二形态，夹取微LED示意图，图5（d）为形状记忆聚合物处于第二形态，转印头阵列拾取
微LED脱离外延基板示意图。

[0048] 图6是根据本发明的实施例的转印头阵列释放微LED过程示意图；其中，图6（a）为已经夹取微LED的转印头阵列和目标基板对准示意图，图6（b）为是将微LED的电极和目标基
板之间的电极对准示意图，图6（c）为是将微LED的电极和目标基板之间的电极相连示意图，
图6（d）为是对形状记忆聚合物加热，使其处于第二形态，释放微LED示意图。

[0049] 图7是根据本发明的实施例利用微LED巨量转移方法完成一次微LED转印过程的流程图。

[0050] 附图标记：

[0051] 100：转印头；

[0052] 101：基体；

[0053] 102：粘连面；

[0054] 103：形状记忆聚合物容纳腔；

[0055] 104：微LED容纳腔；

[0056] 105：形状记忆聚合物；

[0057] 106：第一形态；

[0058] 107：第二形态；

[0059] 108：转印基板；

[0060] 200：微LED；

[0061] 300：外延基板；

[0062] 400：目标基板；

[0063] 401：电极连接材料。

具体实施方式

[0064] 以下内容仅例示发明的原理。因此，虽未在本说明书中明确地进行说明或图示，但本领域技术人员可实现发明的原理而发明包括在发明的概念与范围内的各种装置。另外，
应理解，本说明书中所列举的所有附有条件的术语及实施例在原则上仅明确地用于理解发
明的概念，并不限制于像这样特别列举的实施例及状态。

[0065] 上述目的、特征及优点根据与附图相关的以下的详细说明而变得更明确，因此发明所属的技术领域内的普通技术人员可容易地实施发明的技术思想。

[0066] 以下，参照附图，详细地对本发明的优选实施例进行说明。

[0067] 实施例1：本发明实施例提供了一种基于形状记忆聚合物的转印头，如图1所示，包括基体101和开设于基体101上的形状记忆聚合物容纳腔103、微LED容纳腔104，基体材料为
二氧化硅等硬度较高材料，微LED容纳腔104的一个侧面为粘连面102。将条状的形状记忆聚
合物105放置于形状记忆聚合物容纳腔103内，并使其一侧与粘连面102连接。

[0068] 形状记忆聚合物材料为双向记忆的形状记忆聚氨酯，此材料在25°C 60°C时可逆~
的在两个形状之间转变，在25°C时形成形状记忆聚合物形态1，如图2（a）所示。在60°C时形
成形状记忆聚合物形态2，如图2（b）所示。

[0069] 在25°C时形成形状记忆聚合物105第一形态106，如图2（a）所示，形状记忆聚合物105为圆形棒材。微LED容纳腔有足够空间容纳放入的微LED，如图3（a）所示。

[0070] 在60°C时形成形状记忆聚合物105的第二形态107，形状记忆聚合物105变成椭圆形棒材，椭圆的长轴侧面延伸对位于微LED容纳腔104内的微LED 200挤压，将微LED 200卡
合在微LED容纳腔104内，如图2（b）所示，实现对微LED的夹持。

[0071] 如图3所示为单个转印头100夹取微LED 200示意图，25°C时，位于形状记忆聚合物容纳腔103中的形状记忆聚合物105处于第一形态106，微LED容纳腔104有足够空间容纳放
入的微LED 200，如图3（a）所示，此时将微LED 200放入微LED容纳腔104内。

[0072] 温度升高到60°C时，形状记忆聚合物105由第一形态106转变为第二形态107，形状记忆聚合物105将微LED 200挤压到微LED容纳腔104边缘并夹持住，如图3（b）所示，虽然形
状记忆聚合物105的第二形态107对微LED 200具有挤压力，但是形状记忆聚合物105本身具
有弹性，不会损伤微LED 200，形状记忆聚合物105设置成空心棒材，一方面是便于加工，另
一方面是便于变形，防止实心棒材变形困难，变形后对微LED 200挤压力过大，而空心棒材
可以很好解决这个问题。

[0073] 实施例2，如图1所述，多个转印头100以阵列形式安装在转印基板108上，转印基板108由铜等高导热率材料制作。

[0074] 所述若干转印头100通过行列形式分布在转印基板108上，同一行或者同一列转印头100的形状记忆聚合物105相连通，采用同一根形状记忆聚合物材料，这样可以大幅度降
低转印头阵列的制作成本和提高工艺稳定性，图4（a）展示了形状记忆聚合物105处于第一
形态106时，转印头阵列的形态。图4（b）展示了形状记忆聚合物105处于第二形态107时，转
印头阵列的形态。

[0075] 实际生产中形状记忆聚合物在一定变形次数之后可能失效，需要更换新的形状记忆聚合物。本发明实施例中的阵列方法，将同一行或者同一列的形状记忆聚合物105采用同
一根形状记忆聚合物材料，因此，能快速更换新的形状记忆聚合物，大大降低了更换维护成
本，另外将形状记忆聚合物材料集中，降低聚合材料的分散度，也大幅度提高了形状记忆聚
合物材料的使用寿命。

[0076] 作为一种优选实施例，所述转印基板采用与基体相同材料，即转印基板与基体一体化。

[0077] 本发明还提供一种微LED 200巨量转移方法，如图5和图6所示，图5和图6提供了转印头阵列对微LED 200进行巨量转移的过程。

[0078] 步骤1、根据需要转移的微LED 200，选择相应大小和阵列密度的转印头阵列，即通过外延基板300上微LED 200阵列的间距，选择相应的间距分布的转印头阵列；

[0079] 步骤2、通过转印基板108控制基体101温度在25°C左右，使得形状记忆聚合物容纳腔103内的形状记忆聚合物材料处于第一形态106，移动转印头阵列，使得每个微LED容纳腔
104分别和外延基板300上的微LED 200对应，如图5（a）所示。

[0080] 步骤3、转印基板108移向外延基板300，使得微LED 200进入微LED容纳腔104，如图5（b）所示。

[0081] 步骤4、通过外部加热装置对转印基板108加热，温度传递到形状记忆聚合物105，使其温度升高到60°C左右。形状记忆聚合物105由第一形态106变为第二形态107，将微LED 
200夹持于微LED容纳腔104内，如图5（c）所示，实现对微LED的夹持。提升转印基板108，被夹
持于微LED容纳腔104内的微LED 200脱离外延基板300而跟随移动，如图5（d）所示。

[0082] 步骤5、转印头阵列携带夹持的微LED 200移动到目标基板400，对准放置微LED 200并施加一定压力，使得微LED 200的各电极对应目标基板400上的各电极连接材料401并
保持接触，如图6（a）和图6（b）所示。处理微LED 200的电极和目标基板400之间的电极连接
材料401，使得电极连接材料401将微LED 200的电极和目标基板400上预制电路连接并固
定，如图6（c）所示。如电极连接材料401是焊球，则采用加热的方式。通过转印基板108降温，
将形状记忆聚合物105的温度降低到25°C，形状记忆聚合物105由第二形态107恢复为第一
形态106，消除了对微LED 200的夹持。提升转印基板108，释放微LED 200，如图6（d）所示。

[0083] 以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、
修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要
求范围当中。