天津大学，最新Nature Electronics！

微尺度发光二极管 (LED) 可用作下一代显示器的背光。然而，高密度、大面积显示器对制造产量有严格的要求，而缺乏能够进行高通量电致发光检测的有效工具（这可以促进已知良好芯片的转移印刷）限制了微尺度 LED 的大规模生产。

鉴于此 ， 天津大学 黄显教授团队 展示了 一个三维柔性探头（类似于半导体测试中用于进行芯片晶 圆级测试 的刚性探针卡）和相应的电致发光检测系统，可以测量微尺度 LED 的电学和光学特性，而不会引入表面缺陷 。探头中的弹性 微柱可以 自适应变形以匹配微尺度 LED 的表面形貌，并可以容忍 LED 焊盘之间的高度差异。探头有 32 × 32 对探针，可以 在 0.5 秒内使用无源矩阵驱动方法同时测量 1,024 个 微尺度 LED 。探头施加于微米级 LED 的接触应力为 0.91 MPa，比通常会导致表面缺陷的 屈服应力至少低两个数量级 。 他们 证明， 该系统可以进行超过 100 万次重复接触测量，且探针磨损几乎可以忽略不计 。 相关 研究成果以题为“ Electroluminescence measurement of microscale light-emitting diode wafers using a three-dimensional flexible probe head ”发表在最新一期《nature electronics 》 上。

同期， 厦门大学陈忠教授 在《nature electronics》为此发表“ Testing microscale light-emitting diodes with a lighter touch ” 的评述。

【 3D-FPH 的设计 】

作者 对比了 传统刚性探针（RP）和新型柔性探针（FP），凸显 FP 避免了在器件焊盘上留下金属划痕的 “划擦” 行为 （图1a） 。图 1b 展开了 三层结构 ：( i ) 2 mm 厚的 PDMS/弹性体基底；(ii) 由 30 µm 长方柱和 45 µm 硅模锥体组合而成、总高 75 µm 的复合微柱；(iii) 在其顶部电镀 8 µm 铜半球的平面铜电极。每对电极占地 160 × 40 µm²，恰好对应 200 × 100 µm² 的微 LED p/n 焊盘，并在两轴各保留一个像素间距 (200 × 100 µm²) 供蛇形互连布线。因此，32 × 32 被动矩阵一次触碰即可测试 1 024 颗 LED。

层压箔片弯折而无金属裂纹 （ 图 1d ） ；图 1e 示范 探针头 插入 PCB 界面的真空吸盘； 作者 给出三步对准/测量流程 （ 图 1f ） ； 并 将 3D-FPH 与 PL、AOI 及 RP 卡对比， 在精度和多参数读取上得分最高且成本可控 （ 图 1g ） 。 探针头 可容忍 ≥5 µm 整片翘曲和 2 µm 局部焊盘台阶， 平均接触应力仅 0.91 MPa，比金 (Au) 屈服应力低两个数量级 。完整 1 024 像素扫描耗时 0.5 s，对应 7.37 × 10 ⁶ 像素 h ⁻ ¹ ，被动矩阵布局还能通过四次错位落点覆盖 4 096 像素而无需重新布线。

图 1 . 3D-FPH 的原理和示意图

【 3D-FPH 的力学表征 】

作者进一步 探讨 软-硬叠层几何如何分配载荷 （图2） 。拉伸试验表明，蛇形导线在 4.3 % (x) 与 4.5 % (y) 应变前将电阻波动压制在 1.6 % 以内；有限元模型预测 5 % 应变时边缘应力峰值 310 MPa，略高于块状铜断裂极限，界定了最大拉伸能力。图 2a–e 显示 单个微柱在 0–100 µm 压入下的应力场。最恶劣情况下 PDMS 最大应力仅 0.60 MPa，远低于其 2.24 MPa 屈服值 ；锥-柱界面应力集中最高，验证了 锥体上帽的 可制造性与低应力优势 。

尤为关键的是， 作者 比较了同样 2 µm 位移下 FP 与钨 RP 对焊盘的加载 （ 图 2g ） ： RP 造成 9.56 GPa ，应力达金屈服的 47 倍，而 FP 仅 0.71 MPa，安全裕度高三个数量级 ，这也解释了图 2f 中 测试后焊盘仍然完好无损 。实际测量期间每颗半球平均载荷 0.93 mN ，处于模拟安全包络内。

作者 讨论了 光刻和模具收缩误差 （ 图 2h–j ） 。为保证 6.4 mm 跨距内阵列偏差控制在 ±0.36 % (x) 和 ±1.12 % (y) 之内， 使每第 32 颗半球均能准确落在焊盘上，作者优化了 PDMS 固化温度并掺入 SiO ₂ 纳米颗粒 (α = 12 ppm K ⁻ ¹ )。将固化温度升至 100 °C 并加入 10 wt % SiO ₂ 后，收缩率降至 0.23 % (x) 和 0.28 % (y)，充分满足指标。 微柱高度 同时补偿晶圆翘曲。轮廓仪测得边- 心弓高 23 µm、 p/n 焊盘台阶 2 µm。仅 45 µm 锥体无法点亮角落 LED，但加上 30 µm 柱体后恢复了完整接触，模拟确认 75 µm 叠层可在 5 µm 倾斜时仍保持可靠啮合 。

图 2 .3D-FPH 的机械特性

【 3 D-FPH的实施 】

紧接着， 作者 将探针头、力传感器、位移激光、同轴光学与分光计整合成桌面测试站 （图3a） 。在 1 mA 恒流驱动下，蓝光 LED 平均光通量 4.22 lm 、电压 2.89 V (σ = 0.58 V)、峰值 467 nm (FWHM = 16 nm)。图 3b–d 绘制 32 × 32 区域的 EL 亮度、电压与波长分布，揭示 需在后续灰阶校正环节中处理的工艺非均匀性 。图 3e 叠加 2 048 颗半球的 3D 扫描，平均高度 95 µm (σ = 0.72 µm)，证明电学散布并非探针引起。通过 ITO 电阻仿焊盘 (图 3f–h) 标定接触力学。当总法向载荷超过 0.5 N 时，全部 1024 通道进入欧姆接触；载荷 > 1.2 N 时电阻稳定在 10 ⁶ Ω 左右，意味着半球-焊盘接触电阻 ≈ 1 Ω。压缩 60 µm (1.9 N) 时 100 % 焊盘被激活，对应前述 0.91 MPa 平均应力。

图 3.3D-FPH 晶圆检测结果及测量结果影响因素研究

【 微尺度 LED多色EL检测 】

作者 将方法推广到同晶片版图的 RGB 晶圆 （图4） 。图 4a 的显微照片（透过磨砂生长基底拍摄）仍能显示 像素级良 /坏信息。图 4b 在 CIE-1931 图中绘制每种颜色的 1 024 个 色度点，标准差分别为红 1.23、绿 0.37、蓝 0.44，均落在显示可接受的 “不可察觉” (< 1) 或 “几乎不可察觉” (< 2) 范围。图 4c 证明 RGB 组合覆盖了 98.5 % 的 sRGB 三角，高于消费 级显示 的 73 % 门槛。图 4d 直方图给出峰值波长：红 625 ± 0.04 nm，绿 525 ± 3 nm，蓝 466 ± 4 nm。图 4e–g 描述电流依赖的光谱行为：红光随温度呈红移；蓝、绿因 QCSE 呈蓝移。绿光仅在 < 25 A cm ⁻ ² 时能满足 FWHM < 25 nm 的色纯度目标；最窄 FWHM 25.2 nm 出现在 2.5 A cm ⁻ ² ，刚好超过 ITU-BT.2020 的 25 nm 规范。这些数据 为工程师提供了最小化色偏的驱动电流窗口 。

图 4. 不同颜色微尺度 LED 的 EL 检测

【 3D-FPH的动态响应 】

“动态响应” 部分 (图 5a–c) 量化了速度与耐用性 。探针表现为一阶 RC，τ = 5 µs，20 µs 内达到 2 % 稳定；理论上一幅 1 024 像素帧可在 0.02 s 捕获 (50 kHz 行速)， 若平台运动理想，可放大到 1.8 × 10 ⁸ 像素 h ⁻ ¹ 。为验证寿命，作者进行了 100 万次连续触测。0、50 万、100 万循环后的 SEM 显示尖端无钝化；同一 LED 的 I-V 曲线一致；全阵列电压地图差异 < 0.7 % (图 5d– f)。 相比之下，商业 RP 卡额定仅 ~10 万次插入。快速、可逆的接触甚至实现了无需永久背板、以 50 Hz 刷新 1 024 LED 的被动矩阵演示，为晶圆级测试显示提供了可能。 作者 将非接触 PL 与新型接触 EL 数据并列 （ 图 5g-h ） 。255 像素中仅 70.2 % 判定一致；21.2 % 在 PL 中表现良好却在 EL 中暗/死；8.6 % 则相反或出现其他不匹配。即便以 PL 图像训练的神经网络分类器，对 “熄灭” 像素的准确率也只达到 84 %，对 “昏暗” 仅 57 %。 若无低压电探，微 LED 工厂可能错判潜在失效或误报良品。

图 5 .3D-FPH 的耐用性和有效性

【总结】

3D-FPH 将晶圆级覆盖、轻柔力学与多通道读取整合于一体，尺寸误差 < 0.23 % 。主要成果包括： （1） 超低焊盘应力 ——平均 0.91 MPa，比 RP 接触低约 47 000 倍，消除金属损伤。 （2） 高通量 ——实测 7.37 × 10 ⁶ 像素 h ⁻ ¹ ；在 20 µs 驻留和更快总线下可达 1.8 × 10 ⁸ 像素 h ⁻ ¹ 。 （3） 全面计量 ——同时获得 I-V、光谱、光功率、接触力和高度地图。 （4） 广泛适用 ——RGB 晶圆、Mini-LED，未来可扩展至 10 µm 级微 LED 的 10 000 探针头。 （5） 卓越耐久 ——> 1 × 10 ⁶ 次插拔，电学漂移 < 0.7 %。

作者指出， 后续工作将着眼于更宽视场光学、亚微米平台控制和更快 ADC，以释放理论速度上限，并将该概念推广至薄膜晶体管背板和高引脚数 RF 芯片等同样需无损焊盘测试的领域 。

凭借巧妙的机械设计和材料工程，3D-FPH 弥合了光学检测与破坏性 探针卡 之间的鸿沟，为 LED 制造商提供真正 “已知良芯” 打印与更高良率下一代显示的可行路径。

来源：高分子科学前沿

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