通过电镀Cu-SnAg凸点键合技术制造出的3175 PPI微LED阵列，具有FHD分辨率

《Materials Today Communications》：3175 PPI Micro-LED arrays with FHD-resolution fabricated via electroplating Cu-SnAg bump bonding technologies

Micro-LED显示技术中，通过电镀生长结合离子束刻蚀（IBE）去除种子层，成功制备出8μm间距、非均匀性仅3.78%的Cu-SnAg互连 bumps阵列，并实现与CMOS驱动背板的可靠键合，在4.0V工作电压下红Micro-LED亮度达45805 cd/m2。

　　在现代显示技术的快速发展中，Micro-LED作为一种具有高亮度、长寿命、低功耗和快速响应等优势的新型显示技术，正逐渐成为下一代显示解决方案的重要方向。Micro-LED显示技术的实现依赖于高密度和高均匀性的金属微凸起（bumps）结构，这些结构在Micro-LED阵列与驱动背板之间的互连中起着关键作用。本文围绕如何高效、高精度地制造这些微凸起展开研究，提出了一种结合电镀与离子束刻蚀（Ion Beam Etching, IBE）技术的新型制造策略，旨在解决Micro-LED微凸起在高密度和高精度要求下的制造难题。

在Micro-LED显示系统中，金属微凸起是实现芯片与背板之间电气连接的重要组件。随着显示分辨率的不断提升，微凸起的间距（pitch）逐渐缩小至微米级别，这对制造工艺提出了更高的要求。传统的制造方法，如使用湿法刻蚀技术去除铜种子层，由于其各向同性特性，容易导致微凸起的横向蚀刻和底部凹陷，从而影响连接的可靠性和结构的完整性。此外，湿法刻蚀通常需要复杂的化学试剂，对环境和健康存在潜在危害，这与当前绿色制造的发展趋势不符。相比之下，离子束刻蚀技术具有各向异性刻蚀的优势，能够在去除种子层的同时，有效控制刻蚀过程，从而保证微凸起的结构完整性和均匀性。

在本文的研究中，作者采用了一种基于电镀和离子束刻蚀相结合的制造策略，成功实现了高密度、高均匀性的Cu-SnAg微凸起阵列。研究重点在于优化制造过程中多个关键参数，包括软烘烤时间、表面润湿性、电镀时间以及离子束刻蚀参数，以确保最终产品的性能达到最佳状态。通过系统的实验分析，研究团队发现，通过7分钟的等离子体处理，可以显著提高光刻胶表面的润湿性，从而在后续的刻蚀过程中实现更干净、更精确的残余粘合剂去除。这一发现为实现高质量的微凸起提供了重要的工艺支持。

此外，研究还表明，通过优化离子束刻蚀的时间，可以有效控制微凸起表面的颗粒生成，从而提高微凸起的表面质量。这不仅有助于改善Micro-LED与背板之间的连接性能，还对最终产品的可靠性具有重要意义。最终，研究团队成功制造出一个具有8微米间距和1920×1080像素配置的Cu-SnAg微凸起阵列，其非均匀性值仅为3.78%。这一结果表明，所提出的制造策略在控制微凸起尺寸和形态方面具有较高的精度和一致性。

为了验证所制造微凸起的实际应用效果，研究团队进一步将这些微凸起与模拟CMOS背板进行翻转芯片键合（flip-chip bonding），成功点亮了Micro-LED阵列。实验结果显示，在4.0伏特的驱动电压下，红色Micro-LED能够达到高达45805 cd/m2的亮度，这表明该制造策略不仅在结构上具有优势，而且在功能实现上也表现优异。高亮度是Micro-LED显示技术的重要特性之一，尤其是在增强现实（AR）、虚拟现实（VR）和混合现实（MR）等高要求应用场景中，这一性能指标显得尤为重要。

从材料选择的角度来看，铜（Cu）因其优异的导电性和导热性，成为制造微凸起的理想材料。同时，铜还具有良好的化学稳定性和抗腐蚀能力，能够有效支持微凸起结构的长期使用。然而，在高像素密度的Micro-LED应用中，传统的双层光刻胶方法在去除铜种子层时存在显著的局限性。这种技术在光刻过程中难以精确控制第二层光刻胶的嵌套偏差，从而影响图案转移的准确性和完整性。因此，寻找一种更为可靠、高效的种子层去除方法成为研究的关键。

离子束刻蚀技术为这一问题提供了可行的解决方案。该技术通过高能离子束对材料表面进行精确的刻蚀，能够在不破坏Micro-LED结构的前提下，高效去除铜种子层。此外，离子束刻蚀的干法特性使其避免了湿法刻蚀带来的化学污染和环境影响，符合绿色制造的发展理念。通过调整离子束刻蚀的参数，如刻蚀时间、离子束能量和气体流量等，可以进一步优化种子层的去除效果，从而提高微凸起的制造精度和一致性。

在制造过程中，研究团队还系统分析了不同工艺参数对微凸起微结构和均匀性的影响。例如，软烘烤时间对光刻胶中有机溶剂的挥发具有重要影响，而表面润湿性则直接决定了微凸起在电镀过程中的生长行为。通过合理控制这些参数，可以有效提高微凸起的生长质量和均匀性。同时，电镀时间的调整对微凸起的高度和形态具有显著影响，而电镀过程中电流密度、电极间距和溶液搅拌速度等参数的优化则有助于实现更精细的微凸起结构。

研究结果表明，所提出的制造策略不仅在技术上可行，而且在实际应用中表现出良好的性能。制造出的Cu-SnAg微凸起阵列在结构上高度均匀，尺寸控制精确，且在键合后能够稳定地点亮Micro-LED阵列。这些特性使得该制造方法在Micro-LED显示技术的集成和量产过程中具有重要的应用价值。此外，该策略还为未来高密度、高精度的Micro-LED制造提供了新的思路和技术支持。

从整个研究来看，作者在实验设计和数据分析方面表现出高度的严谨性。他们不仅对多个关键参数进行了系统研究，还通过实验验证了这些参数对最终产品质量的影响。这种全面而深入的研究方法有助于推动Micro-LED制造技术的发展，同时也为相关领域的研究人员提供了有价值的参考。此外，研究团队在实验过程中采用了先进的制造设备和技术，确保了实验结果的准确性和可重复性。

在实际应用中，高密度、高均匀性的金属微凸起阵列对于Micro-LED显示技术的可靠性至关重要。微凸起的均匀性不仅影响显示效果，还直接关系到整个显示系统的稳定性和寿命。因此，本文提出的制造策略在提升Micro-LED显示性能方面具有重要意义。通过优化工艺参数，研究团队成功实现了微凸起的精确制造，为Micro-LED显示技术的进一步发展奠定了基础。

从行业角度来看，Micro-LED显示技术正逐步向更广泛的应用领域扩展，包括可穿戴设备、智能手机、车载显示屏以及大型显示墙等。这些应用对Micro-LED的制造精度和互连可靠性提出了更高的要求。因此，本文提出的制造策略不仅适用于当前的Micro-LED显示技术，也为未来更复杂、更高密度的Micro-LED集成提供了技术支持。同时，该策略的可扩展性和工业适用性也值得关注，因为其工艺流程相对简单，且能够适应大规模生产的需求。

在制造工艺的优化过程中，研究团队还探讨了不同材料组合对微凸起性能的影响。例如，Cu-SnAg合金因其较低的熔点、良好的润湿性和类似焊料的特性，被广泛应用于电子封装领域。这种材料组合不仅能够满足Micro-LED微凸起在高密度和高精度下的性能需求，还能够有效降低制造成本，提高生产效率。因此，选择Cu-SnAg作为微凸起材料是一个合理且具有前瞻性的决定。

此外，研究团队还关注了微凸起在实际应用中的可靠性问题。通过翻转芯片键合技术，他们成功将制造出的Cu-SnAg微凸起与CMOS背板连接，确保了电气连接的稳定性和有效性。这种连接方式不仅能够实现高密度的互连，还能够减少信号传输损耗，提高整个显示系统的性能。因此，该制造策略在实际工程应用中具有重要的价值。

总体而言，本文的研究成果为Micro-LED显示技术的制造提供了新的思路和技术支持。通过结合电镀和离子束刻蚀技术，研究团队成功克服了传统制造方法中的诸多限制，实现了高密度、高均匀性的微凸起阵列。这一成果不仅有助于提升Micro-LED显示的性能，也为未来更复杂、更高密度的显示系统制造提供了可能。随着Micro-LED技术的不断成熟，这种制造策略有望在实际生产中得到广泛应用，从而推动整个显示行业的发展。