CN101711438A - 改进熔结密封的玻璃封装体的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种气密封的封装体，它包括：包含内表面和外表面的第一板(102)；包含内表面和外表面的第二板(104)；设置于第二板内表面上的玻璃料(106)；以及直接或间接设置在以下两个内表面中至少一个内表面上的至少一个介电层(108)：(i)至少与玻璃料相对的第一板内表面，(ii)至少直接或间接位于玻璃料上的第二板内表面，其中玻璃料受热后形成抵靠介电层的气密封。

Description

改进熔结密封的玻璃封装体的方法和装置
发明背景
本发明涉及适合保护薄膜器件，尤其是对周围环境敏感的薄膜器件的气密封的封装体(package)。这种器件的一些例子是有机发光二极管(OLED)显示器、传感器及其它光学器件。本发明将通过举例的方式结合OLED显示器展开讨论，但不限于此种显示器。
近年来，OLED得到相当多的研究，因为它们在许多电致发光器件中具有现实和潜在应用。例如，单个OLED可用于孤立的发光器件，而OLED阵列可用于照明应用或平板显示器应用(例如OLED显示器)。已知传统OLED显示器非常亮，具有良好的色对比，可产生真色，具有宽视角。然而，传统OLED显示器，特别是位于其中的电极和有机层，容易与从周围环境漏入OLED显示器的氧气和水分相互作用，从而发生劣化。众所周知，若OLED显示器内的电极和有机层同周围环境隔绝，则OLED显示器的寿命可显著延长。
遗憾的是，要开发对OLED显示器进行气密封的密封工艺非常困难。给适当密封OLED显示器造成困难的一些因素包括：
(i)气密封应当隔断氧气(10-3cc/m2/天)和水(10-6g/m2/天)；
(ii)气密封的尺寸应当尽可能小(例如＜2mm)，避免对OLED显示器的尺寸造成不利影响；
(iii)在密封过程中产生的温度不应损坏OLED显示器内的材料(例如电极和有机层)(例如，在密封过程中，距OLED显示器内密封处约1-2mm的OLED第一像素不应受热至超过100℃)；
(iv)密封过程中释放的气体不应污染OLED显示器内的材料；以及
(v)气密封不应当造成电连接(例如薄膜铬)无法进入OLED显示器。
在上述挑战中，最大的困难之一是针对有机分子与氧气和水分之间的强反应性而进行的气密封。
密封OLED显示器的常规技术之一是使用不同类型的环氧化物、无机材料和/或有机材料，它们经紫外光固化后形成密封。维特克斯系统公司(VitexSystems)生产并销售一款商标为BatrixTM的涂料，它提供了一种基于复合物的技术，即利用无机材料和有机材料的交替层密封OLED显示器。虽然这些类型的密封通常具有良好的机械强度，但它们很贵，而且在许多情况下，它们不能防止氧气和水分扩散到OLED显示器中。密封OLED显示器的另一种常规技术是采用金属焊接或软焊；然而，所得密封无法经受宽温度范围，因为OLED显示器中玻璃板与金属之间的热膨胀系数(CTE)差异较大。
已转让给康宁股份有限公司(Corning Incorporated)的美国专利第6998776号披露了密封玻璃封装体(如OLED显示器)的另一种技术，该专利的整体内容通过参考并入本文。此技术涉及激光熔结密封技术，它相比于常规环氧化物密封方法具有许多优点，如气密性高得多，在固定基材尺寸上具有高显示密度，可用于顶端发射器件。然而，该技术要利用大功率激光熔化玻璃料，这可能带来一个或多个不利结果。实际上，加热过程带来的热循环可能在OLED器件内造成热破坏。
在激光熔结密封技术中，玻璃料可结合到许多器件材料上，如阴极金属引线、氧化铟锡(ITO)和其它保护性材料。器件边上的每种材料具有不同的热性质(例如CTE、热容和热导率)。在完成激光密封过程之后，器件边上的不同热性质可能导致玻璃料与器件周边之间的结合强度发生显著变化。此外，激光熔结密封之后，阴极金属引线可能脱层。由于阴极通常由两种或三种不同金属元素的多层组成，每层可能具有不同的CTE，所以激光熔结密封中采用的较快加热和冷却工艺有时可能损害金属阴极，如“闪耀”效应(winkle effect)。金属引线的高热导率也是降低结合强度的一个可能诱因，这是因为用大功率激光加热玻璃料的过程中热分散较快。
因此，本领域需要克服与玻璃封装体如OLED显示器的公知密封技术相关的前述问题及其它缺陷。
发明概述
根据本发明的一个或多个实施方式，提供了用于气密封的封装体的方法和设备，所述气密性封装体包括：包含内表面和外表面的第一板；包含内表面和外表面的第二板；设置于第二板内表面上的玻璃料；以及直接或间接设置在以下两个内表面中至少一个内表面上的至少一个介电层：(i)至少与玻璃料相对的第一板内表面，(ii)至少直接或间接位于玻璃料上的第二板内表面。玻璃料受热后形成抵靠介电层的气密封。
封装体还可包括位于第一玻璃板内表面上的一个或多个电子组件。
介电层可包含氮化硅。或者，介电层可包含位于氮化硅上的氧化硅层。介电层可具有以下厚度之一：约10-600nm之间；约100-500nm之间；以及约10-50nm之间。氧化硅层的厚度可为约10nm，氮化硅层的厚度可为约400nm。
第一和第二板中的至少一个由金属、合金、陶瓷、玻璃、石英和/或聚合物形成。本领域的技术人员可以理解，封装体(特别是玻璃封装体)可用于液晶显示器(LCD)、荧光屏、太阳能电池以及其它任何需要在环境不友好的气氛中运行和/或需要防备腐蚀、意外损伤、刮擦等的电子器件。
结合附图阅读下面对本发明的描述，本领域的技术人员不难明白本发明的其它方面、特征、优点等。
附图简要说明
为了阐明本发明的各个方面，图中示出了可采用的简化形式，其中相同的标记表示相同的部分，但应理解，本发明不限于恰好在图中示出的设置和方式，而是仅受公告的权利要求限制。附图可能不是按比例绘制，附图所示的各个方面可能在不同附图中不是按相同比例绘制。为了帮助相关领域的普通技术人员实现和利用本发明的主题内容，给出以下附图作为参考，其中：
图1A是将要根据本发明的一个或多个方面，用玻璃料密封的封装体的部分剖开的截面图；
图1B是图1所示封装体在密封后的截面图；
图2是图1B所示封装体的俯视图；
图3是根据本发明的一个或多个方面，对图1B所示封装体和/或本文所披露的其它实施方式进行密封的方法流程图；
图4是将要根据本发明的一个或多个其它方面，用玻璃料密封的封装体的部分剖开的截面图；
图5是根据本发明的其它方面的介电层和引线的截面图。
发明详述
本发明的不同实施方式总体上涉及气密封的封装体。虽然该封装体可由例如金属、合金、陶瓷、玻璃、石英和/或聚合物中的至少一种形成，但是下面将借助用于密封OLED显示器的玻璃封装体讨论本发明。
参见图1-3，根据本发明的一个或多个方面，它们披露了玻璃封装体100及其制造方法。玻璃封装体100可以是气密封的OLED显示器100。图1A是玻璃封装体(或OLED显示器)100的部分剖开的截面图，图1B是密封的玻璃封装体100的截面图，图2是其俯视图。
OLED显示器100是包含第一基板102和第二基板104的多层结构，它们当中的一个或两个可以是玻璃板(图3中步骤202)。同样，在其它实施方式中，基板102、104中的一个或多个可由金属、合金、陶瓷、石英和/或聚合物形成。第一和第二基板102、104可以是透明玻璃板，如康宁股份有限公司以商标Code1737玻璃或Eagle 2000TM玻璃制造和销售的玻璃，或者其它公司如旭硝子玻璃公司(Asahi Glass Co.)(例如OA10玻璃和OA21玻璃)、日本电气玻璃公司(Nippon Electric Glass Co.)、NHTechno和三星康宁精密玻璃公司(Samsung Corning Precision Glass Co.)销售的玻璃。
第一和第二基板102、104分别包含内表面和外表面102A、102B。要气密封在板102与104之间的至少一个器件103(例如电子器件，如OLED阵列)设置在第一基板102的内表面102A上(图3中步骤204)。典型的OLED 103包括阳极(或引线)110A、一个或多个有机层和阴极(或引线)110B；然而，本领域的技术人员不难明白，任何已知的OLED 103或此后开发的OLED均可用于玻璃封装体100中。同样，任何其它器件也可用于玻璃封装体100，只要不背离本发明的精神和范围。
玻璃料106设置在第二基板104的内表面104A上(图3中步骤206)。玻璃料106可有利地沿第二基板104边缘沉积，例如距离板104的自由边缘约1mm。玻璃料的分配宽度约为0.3-3mm(优选0.7-1.0mm)，高度约为10-20μm(优选14-16μm)。在一个或多个实施方式中，玻璃料106可以是低温玻璃料，它包含一种或多种选自铁、铜、钒和钕的吸收离子。所述离子选来吸收特定波长(或其范围)的能量(例如光能或其它辐射能)，从而利用此波长的能源加热玻璃料106。玻璃料106中也可掺杂填料[例如转化填料(inversion filler)、添加剂填料等]，减小玻璃料106的热膨胀系数，以便与两块基板102和104的热膨胀系数匹配或基本匹配。几种示例性玻璃料106的组合物可参见美国专利第6998776号。
任选地，玻璃料106可预烧结到第二基板104上。为此，将玻璃料106沉积到第二基板104上(步骤206)，然后加热，使其附着到第二基板104上。有关预烧结任选步骤的更详细讨论可参见美国专利第6998776号。
接下来，将介电层108直接或间接设置到第一基板102的内表面102A上，至少与玻璃料106相对(图3中步骤208)。介电层108用作钝化层，保护封装体100中的组件，例如OLED器件，使之免受机械和化学破坏以及其它潜在损害。如图所示，介电层108设置在引线110上。参见图5，介电层108可包含单层材料如氮化硅，也可以是多层结构，如位于起始层108A(例如氮化硅)上的氧化硅层108B。
介电层108可以许多方式沉积。例如，可将介电层108仅沉积在密封边界上，与玻璃料106相对(如图所示)，这样介电层108不会覆盖一个或多个器件103。或者，也可将介电层108沉积在玻璃料边界以内，这样介电层108至少部分覆盖一个或多个器件103。在OLED器件103的情况中，当介电层108至少部分覆盖阳极和阴极110中的至少一个时，可获得额外的益处，如图所示。
介电层108可用任何薄膜沉积技术沉积，如溅射、物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)或等离子体增强化学气相沉积(PECVD)。介电层108的厚度可在约10-600nm之间。在一个或多个实施方式中，已经发现约10-50nm的厚度可产生更好的密封效果。根据其它实施方式，介电层108的厚度可在约100-500nm之间。例如，当介电层108是多层结构时，氧化硅层108B的厚度约为10-100nm，氮化硅层108A的厚度约为200-500nm，优选400nm。涂布均匀的介电层108可在一定程度上抵消玻璃料106中的高度波动，从而提高气密封效果。
介电层108的压缩强度可能是封装体100的重要特性，特别是当介电层108由陶瓷材料(如前述SiNx/SiO)形成时。举例而言，介电层的压缩应力可为约0.01-700MPa，约200-500MPa，或优选约400-500MPa。用于形成介电层108的一种或多种材料如陶瓷可吸收大量压缩应力，但未必吸收拉伸应力。因此，当基板102、104受热时(在密封过程中)，由于基板102、104的CTE高于玻璃料106和/或介电层108，导致拉伸应力产生，这样的任何拉伸应力可由介电层108的内在压缩应力抵消，因为该内在压缩应力抑制了玻璃料106和/或基板102、104膨胀所产生的拉伸应力的负面影响。
虽然上面对沉积多层介电层108(例如氮化硅加氧化硅)的讨论似乎暗示了不连续层108A、108B，但在其它实施方式中，可构想在氮化硅到氧化硅的界面中存在一个梯度(即逐渐过渡)。该梯度可陡也可缓，取决于需求状况。该梯度可通过例如在沉积过程中将涂布气氛从NH3(氮源)逐渐变到O2来获得。
在步骤210中，通过从玻璃料到介电层的界面，将第一和第二基板102、104连接起来。在步骤212中，玻璃料106用辐射源(例如激光、红外灯等)加热，使玻璃料106形成气密封。所述密封将第一基板102连接并结合到第二基板104上。气密封保护OLED 103(和/或其它器件)，防止环境中的氧气和水分进入封装体100。
由于存在介电层108，从熔融玻璃料106传入器件103如金属电极110的热较少。因此，热损害预计显著减少。
介电层108应具有非常高的熔点，因为它在玻璃料密封过程中应具有热稳定性。如上所讨论的，介电层108可由氮化硅(SiNx)以非常薄的膜的形式形成，其中x可为约0.1-3。与在其上设置OLED器件103的玻璃(特别是Eagle 2000TM)相比，氮化硅的性质包括低密度、高温强度、优越的抗热冲击性、优异的耐磨损性、良好的断裂韧性、较高的抗机械疲劳性和抗蠕变性、优异的抗氧化性和耐蚀性以及高热导率。介电层108(例如陶瓷)相对于玻璃料106和基板102、104(例如玻璃)的高热导率有助于密封过程，因为玻璃料106中产生的热不会集中在局部区域；相反，热借助于较高的热导率分散到其它区域。集中出现在低热导率材料中的热(未得到良好分散)可能导致引线110和/或其它重要组件熔化或受到其它损害。采用氮化硅作为介电层108的另一个优点是削平玻璃料106与基板102、104之间的CTE差异。SiNx的CTE在约3×10-6/℃-4×10-6/℃的范围内。这缩小了玻璃料106与基板102、104如玻璃之间的显著CTE差异，避免了密封的破裂和/或脱层。
应当指出，基板102、104与其它组件如玻璃料和电介质108之间的CTE不匹配。这方面的考虑随着用于基板102、104的具体材料如金属、合金、玻璃、陶瓷、石英和/或聚合物的使用而复杂化。
器件侧的介电材料层可提供非常均匀的热性质，这与激光密封过程中的玻璃料相反。介电层可防止OLED器件上的电引线材料在密封前发生腐蚀。由于对应的玻璃料是单一材料(电介质)，玻璃料与介电层之间的材料相容性可得到改进，并且有可能得到优化。由于OLED器件侧存在介电材料，激光密封过程的复杂性[由于定制材料(customer material)变化]大为降低。薄介电层可防止电引线在激光密封过程中受到热损害。
在用来通过加热玻璃料密封玻璃封装体的波长上，当薄介电层不吸收光(例如激光或其它辐射)时，该薄介电层还具有另一个优点。在这种情况下，介电材料不干扰玻璃料的熔化，因为它没有减弱激光能向玻璃料的有效转移。举例而言，一些玻璃料可利用激光在约810nm的波长上加热。因此，当介电材料在810nm处不吸收光能时，即可获得所述优点。
由于薄层在玻璃料与器件之间提供了缓冲，一些玻璃料厚度波动可得到抵消。低介电材料的沉积容易在OLED制造过程的最后实施，因为不需要另外的薄膜沉积系统。
现在参见图4，该图是显示玻璃封装体100A的可选特征的侧视图，此处玻璃封装体同样可以是气密封的OLED显示器。由于与图1-3中相同的标记表示相同的部分，所以下面不重复叙述已经讨论过的部分。封装体100A可包括直接和/或间接设置在第二基板104内表面上的介电层108A。介电层108A可仅沉积在密封边界上，覆盖玻璃料106，仅直接覆盖第二基板的一部分(或不直接覆盖其任何部分)。或者，介电层108A可沉积(如图所示)在玻璃料106上，也可直接(或间接)沉积在第二基板104的内表面上。
上述特征产生了其它的替代设计形式。具体而言，介电层108和108A可组合使用，或者层108、108A可单独使用。
实施例
利用上述技术制备了一些结构。例如，这样一种结构包括位于OLED阵列上的400nm SiNx介电层，其上还有10nm SiOx外敷层。沉积介电层，使得它在400℃退火后具有493MPa的残余压缩应力。在OLED阵列的一半底板结构(backplane architecture)(包括所有电引线)上涂布介电层(SiNx+SiOx)。随后，将所得结构放到85/85湿度箱(humidity chamber)中。在此环境中暴露约73小时后，对该结构所作检测显示了以下组合优点：(i)电介质防止了对底板结构的腐蚀，而且不吸收用于加热玻璃料的光能。具体而言，无介电层的区域发生强烈腐蚀，而另一半涂布了电介质的区域不受影响，没有任何腐蚀迹象。对波长为810nm的激光能向玻璃料的传输过程进行监控，结果表明，介电层的吸收非常少。
虽然上面结合气密封的OLED显示器100描述了本发明各种实施方式中的密封方法和设备，但应当理解，在其它需要将两块玻璃板密封到一起的应用中，可使用相同或类似的密封方法。因此，不应以限制性思维理解本发明。
虽然本文参考特定实施方式描述了本发明，但应当理解，这些实施方式仅仅是为了说明本发明的原理和应用。因此，应当理解，可对示例性实施方式作出许多改进，可设计其它设置形式，只要不背离所附权利要求限定的本发明的精神和范围。

Claims (24)

1.一种气密封的封装体，其包括：
包含内表面和外表面的第一板；
包含内表面和外表面的第二板；
设置于第二板内表面上的玻璃料；以及
直接或间接设置在以下两个内表面中至少一个内表面上的至少一个介电层：(i)至少与玻璃料相对的第一板内表面，以及(ii)至少直接或间接位于玻璃料上的第二板内表面，
其中玻璃料受热后形成抵靠介电层的气密封。
2.如权利要求1所述的封装体，其特征在于，所述第一和第二板中的至少一个由选自金属、合金、陶瓷、玻璃、石英和聚合物的材料形成。
3.如权利要求1所述的封装体，其特征在于，所述介电层包含氮化硅。
4.如权利要求3所述的封装体，其特征在于，所述介电层具有以下厚度之一：约10-600nm之间，约100-500nm之间，约200-500nm之间，约10-50nm之间，约400nm。
5.如权利要求3所述的封装体，其特征在于，所述介电层包括位于氮化硅上的氧化硅层。
6.如权利要求5所述的封装体，其还包括从氮化硅层到氧化硅层的梯度。
7.如权利要求5所述的封装体，其特征在于：
氧化硅层的厚度约为10-100nm；以及
氮化硅层的厚度为以下之一：约10-500nm之间，约100-500nm之间，约200-500nm之间，约10-50nm之间，约400nm。
8.如权利要求1所述的封装体，其特征在于，所述介电层的压缩应力为以下之一：约0.01-700MPa，约200-500MPa，约400-500MPa，约500MPa。
9.如权利要求1所述的封装体，其还包括设置在第一板内表面上的一个或多个电子组件。
10.如权利要求9所述的封装体，其具有以下特征之一：
所述至少一个介电层不覆盖所述一个或多个电子组件；以及
所述至少一个介电层覆盖所述一个或多个电子组件，从而减少对电子组件的腐蚀。
11.如权利要求9所述的封装体，其特征在于，所述一个或多个电子组件包括一个或多个有机发光器件(OLED)。
12.如权利要求11所述的封装体，其特征在于：
所述一个或多个OLED包括阳极和阴极；以及
所述至少一个介电层至少部分地覆盖阳极和阴极中的至少一个，从而减小对电极的腐蚀和损害中的至少一种影响。
13.如权利要求1所述的封装体，其具有以下特征中的至少一个：
所述介电层覆盖玻璃料并且直接覆盖第二板内表面的至少一部分；
所述介电层覆盖玻璃料并且直接覆盖第二板的几乎全部内表面；
所述介电层覆盖玻璃料并且不覆盖第二板内表面的显著部分。
14.如权利要求1所述的封装体，其具有以下特征之一：
所述至少一个介电层直接或间接设置在第一板和第二板两者的内表面上；以及
所述至少一个介电层直接或间接设置在第一板和第二板之一的内表面上。
15.一种方法，其包括：
提供第一板和第二板，各板分别包含内表面和外表面；
将玻璃料设置在第二板内表面上；
将至少一个介电层直接或间接设置在以下内表面中的至少一个内表面上：(i)至少与玻璃料相对的第一板内表面，以及(ii)至少直接或间接位于玻璃料上的第二板内表面；
使玻璃料与介电层接触；以及
加热玻璃料，使之至少部分熔化，形成抵靠介电层的气密封，从而形成气密封的封装体。
16.如权利要求15所述的方法，其还包括在玻璃料接触介电层之前烧结玻璃料。
17.如权利要求15所述的方法，其特征在于，将介电层设置在第一板内表面上的步骤包括沉积第一层氮化硅并在氮化硅上沉积第二层氧化硅。
18.如权利要求17所述的方法，其还包括从氮化硅层到氧化硅层形成梯度。
19.如权利要求15所述的方法，其还包括在设置介电层之前，在第一板内表面上设置一个或多个电子组件。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，设置介电层的步骤包括沉积介电层，使得：(i)所述介电层不覆盖所述一个或多个电子组件；或者(ii)所述介电层覆盖所述一个或多个电子组件，从而至少在加热步骤中减少对电子组件的腐蚀。
21.如权利要求19所述的封装体，其特征在于：
所述一个或多个电子组件包括一个或多个有机发光器件(OLED)，各器件包括阳极和阴极；以及
设置介电层的步骤包括在阳极和阴极中的至少一个上至少部分地沉积介电层，从而减小对电极的腐蚀和损害中的至少一种影响。
22.如权利要求19所述的方法，其特征在于，设置介电层的步骤包括溅射、物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积和等离子体增强化学气相沉积(PECVD)中的至少一种。
23.一种有机发光器件(OLED)，其包括：
第一和第二玻璃板，各玻璃板分别包含内表面和外表面；
设置在第一玻璃板内表面上的一个或多个OLED；
设置在第二玻璃板内表面上的玻璃料；以及
直接或间接设置在以下两个内表面中至少一个内表面上的至少一个介电层：(i)至少与玻璃料相对的第一玻璃板内表面，以及(ii)至少直接或间接位于玻璃料上的第二玻璃板内表面，
其中玻璃料受热后形成抵靠介电层的气密封。
24.如权利要求23所述的OLED，其特征在于：
所述一个或多个OLED包括阳极和阴极；以及
所述介电层至少部分地覆盖阳极和阴极中的至少一个。
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