CN104761132A - 一种双光束耦合的激光辅助玻璃料封装系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种双光束耦合的激光辅助玻璃料封装系统，其特征在于，包括：一激光光源，用于产生一激光光束；一分光元件，用于将该激光光束分为第一激光光束和第二激光光束；一第一光学元件，用于使该第一激光光束以一倾角入射该玻璃料并形成一加热光斑；一第二光学元件，用于使该第二激光光束以一倾角入射该玻璃料并形成一辅热光斑；该加热光斑与该辅热光斑共焦且同步与该玻璃料做相对扫描运动。

Description

一种双光束耦合的激光辅助玻璃料封装系统和方法
技术领域
本发明涉及一种集成电路装备制造领域，尤其涉及一种双光束耦合的激光辅助玻璃料封装系统和方法。 
背景技术
近年来，OLED具有自发光、结构简单、超轻薄、响应速度快、色彩对比度高、宽视角、低功耗及可实现柔性显示等优异特性，已成为平板显示和照明领域的一个重要发展方向。国际主流显示屏制造商，如韩国的三星移动显示（Samsung Mobile Display, SMD）及LG显示均以投资建成4.5代OLED大规模量产线，目前SMD的A2线（5.5代）P1、P2已顺利开工，预计其将在2013年开始投资A3生产线的P1、P2、P3以及V1线（8.5代），而在2014年则开始A4及V2线的投资。国内多个厂家亦开始投资或试制4.5代OLED生产线。 
OLED器件主要包括透明基板玻璃、TFT主动控制阵列、电极层、有机发光层以及封装层等。然而，由于目前OLED显示屏所采用的有机发光材料及电极对其周围环境中的水蒸气及氧气极度敏感，并因相互作用使其劣化造成暗点，而严重影响其寿命，为此需要对OLED进行极度苛刻的气密性封装：H2O<10-6 g/m2/day, O2<10-4cc/m2/day/atm。另外，OLED气密性封装还要求：（1）气密性封装的尺寸应尽可能的小（<2 mm）,避免对OLED显示器的有效尺寸产生不良影响；（2）封装过程中的温度不应破坏OLED显示器中热敏材料（< 100oC），如电极和发光有机层；（3）封装过程中释放的气体不应对OLED显示器中的物质产生污染；（4）气密性封装应能保证电连接引线，如ITO电极引线进入OLED器件内部；（5）封装过程应尽可能保证温度的均一性及冷却速度的适中，避免因温度不均匀、不同材料热膨胀系数存在较大差异以及加热及冷却速度太快而造成的其内部热应力集中，影响OLED的平整度甚至导致对应玻璃基板爆裂。 
根据封装材料的不同，迄今OLED封装技术大致可分为以下3种：（1）中空玻璃/金属+UV胶边缘密封+干燥剂；（2）激光玻璃料封装；（3）薄膜封装。上述3种封装技术的技术特征及其优缺点比较如表1所示。对比可知：UV胶边缘密封法虽然工艺简单，但需要腐蚀玻璃以形成空腔，气密性不佳，故往往需要在顶部添加剂，这就不适用于顶部发光的应用（如OLED显示）；薄膜封装虽然具有成本低，器件薄、结构轻、抗冲击性强、适合大尺寸柔性基底等优势，但这一新兴封装材料并不成熟，其气密性尚不能满足OLED电视等较长使用寿命的应用需求，其柔软性在触摸屏应用方面也略显不足；与之相对，激光辅助的玻璃料封装工艺以其优良的封装气密性、低温选择性及工艺成熟性已成为当前OLED玻璃封装的首选封装工艺。 
激光玻璃料封装属于低温激光热传导焊的一种，主要利用特定波长（如808nm/810nm）高能（30 ~70W）激光束对预烧结固化在上玻璃盖板下表面，对上述光波长具有高吸收性的玻璃料材料进行选择性的加热软化以形成气密性玻璃料封装。玻璃料料通常为1mm宽，约6~100 μm厚。研究表明，封装过程中玻璃料软化键合温度T控制方程如下: 
                                                  （1）
其中，
K ：封装材料玻璃料的热导率，在电极引线区其对应热导率与玻璃料不一致；
P ：激光入射有效功率，为可调整量；
a ：光斑直径，为可调整量，可通过光束整形或离焦等进行调整；
v ：光斑扫描速度，为次可调整量，因为其会影响产率；
D ：热扩散系数，由材料属性决定；
ε：材料热吸收系数；
L ：玻璃料高度，由OLED的工艺要求决定。
由方程（1）可知，玻璃料软化键合温度T与入射激光器功率P成正比，而与光斑直径平方（a2）及光斑扫描速度根（v1/2）成反比，三种密切相关。为此，为保证玻璃料的软化键合温度（一般约为350oC）均一稳定，故在封装过程中需要对激光功率P与光斑扫描速度V进行同步控制。研究表明，在光斑直径a一定（约1.8mm）的情况下，若光斑扫描速度为2mm/s，封装所需激光功率仅为10W左右；但若光斑扫描速度提高至20mm/s，则对应激光功率升约33 W。 
若仅从产率角度而言，在激光器输出功率（Coherent公司的生产的HightLightTM FAP系列二极管激光器可提供100W左右的810nm激光束）和激光头最大扫描速度（约<1m/s）允许的情况下，尽量提高封装过程中的光斑扫描速度v可以提高设备的产率。不过，令人遗憾的是其激光扫描速度不仅受激光器功率及运动台性能的约束，还受到瞬时及残余热应力的影响，而后者已成为制约其产率进一步提高的关键技术瓶颈。 
这是因为，根据热应力学原理， 
                                 （2）
其中，
E：为弹性模量；
α：为热膨胀系数（CTE）；
T ambient ：为考察点周围温度；
T SP ：为应变点温度；
可知，封装玻璃与玻璃料间对应CTE与弹性模量差异可能导致较大的热应力产生。
由于激光封装是一个与时间相关的动态热处理过程，一般可用有效驻留时间 
                                     （3）
其中，
w ；扫描向光斑宽度；
v scan ；扫描向的光斑速度。
来表征其加热及冷却速度。玻璃机械性能为抗压不抗拉，即仅需重点关注其冷却阶段。由此可见，过大的扫描速度v scan ，意味着有效加热时间t dwell 减小，即同一点温度的时间梯度变大，这将导致其内部因热应力而产生裂纹，进而影响玻璃料封装的质量。 
另外，目前的主流封装设备为避免在封装过程中，封装激光束照射到对温度极度敏感的OLED电极区（< 100oC）需要在封装基板的上方配置一个与封装单元图案完全一致的（1：1）掩模版，这就意味着需要对掩模和基板进行对准，且若封装尺寸及形状发生变化则需要配置额外的掩模，显然制造成本会大为增加。 
发明内容
    为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种可以以在封装过程中根据工艺需求灵活调整激光加热及冷却的速率的双光束耦合的激光辅助玻璃料封装系统和方法。 
为了实现上述发明目的，本发明公开一种双光束耦合的激光辅助玻璃料封装系统，其特征在于，包括：一激光光源，用于产生一激光光束；一分光元件，用于将该激光光束分为第一激光光束和第二激光光束；一第一光学元件，用于使该第一激光光束一倾角入射该玻璃料并形成一加热光斑；一第二光学元件，用于使该第二激光光束以一倾角入射该玻璃料并形成一辅热光斑；该加热光斑与该辅热光斑共焦且同步与该玻璃料做相对扫描运动。 
更进一步地，该分光元件为一分光棱镜。该第一光学元件包括一可变狭缝和一聚焦透镜。该第二光学元件包括一可变狭缝和一聚焦透镜。该辅热光斑的宽度是所述加热光斑的宽度的5倍。该激光光源为810nm光纤激光器。 
更进一步地，该封装系统还包括一温度探测单元，该温度探测单元用于根据该玻璃料表面的反射光信号探测该玻璃料表面的实际温度。该温度探测单元包括一高温计。 
本发明同时公开一种双光束耦合的激光辅助玻璃料封装方法，其特征在于，包括：利用一分光元件将一激光光束分为一第一激光光束和一第二激光光束，使该第一激光以一倾角入射该玻璃料并形成一加热光斑；使该第二激光光束以一倾角入射该玻璃料并形成一辅热光斑；该加热光斑与该辅热光斑共焦且同步与该玻璃料做相对扫描运动。 
    与现有技术相比较，本发明提出一种基于双光束耦合的激光辅助玻璃料封装系统和方法，以在封装过程中可根据工艺需求灵活调整激光加热及冷却的速率，进而避免了因瞬态或残留热应力过大而影响封装质量，可进一步提高产率。通过在双光路中引入可实时调整的可变狭缝，可避免使用掩模，降低了系统成本，提高了设备的工艺适应性。    
附图说明
关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及所附图式得到进一步的了解。
图1是本发明所涉及的双光束耦合的激光辅助玻璃料封装系统示意图； 
图2是本发明所涉及的光斑尺寸、扫描速度与驻留时间关系示意图；
图3是本发明所涉及的单光束与双光束封装温度随时间的变化曲线示意图；
图4是本发明所涉及的不同封装位置的主辅光斑布局示意图；
图5是本发明所涉及的温度、光斑尺寸、运动轨迹以及焦面的闭环控制策略示意图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的具体实施例。 
本发明提出利用分光棱镜将单一激光束分解成高低能量比可任意组合的两束激光，其中的高能激光束对应扫描向光斑尺寸较小，用以获取玻璃料软化所需的峰值温度TP，而对应低功率激光束其扫描向光斑尺寸相对前者较宽，主要用于封装过程中预热及保温，二者对称分布，同步扫描。鉴于二者同步扫描，即扫描速度一致，故可通过可变狭缝设置不同的扫描向光斑尺寸比来调节对应加热及冷却速度，避免了传统单激光束封装技术其产率及封装质量受限于瞬时及残余热应力的技术瓶颈。 
为突出本发明的关键，附图中省略了现有技术中已有的相关部件，并省略了对这些公知部件的描述。图1示意性给出了一个双光束耦合的激光辅助玻璃料封装系统实施例的简化示意图。图1中，20为控制计算机、21为温度传感器、22为温度检测光纤、23为CCD、24为810nm光纤激光器、25为聚焦透镜、26为分光棱镜、27为聚焦透镜、28为反射棱镜、29为光导纤维、30为扩束准直光路、31为分光棱镜、32为分光棱镜、33为可变狭缝、34为可变狭缝、35为反射镜面、36为聚焦透镜、37为聚焦透镜、38为主加热光斑、39为辅热光斑、40为OLED封装盖板、41为玻璃料层、42为OLED封装底板。 
如图2所示，由光纤激光器24激发产生的810nm波长单激光束经光导纤维29导入扩束准直光路30后进行分光处理。分光棱镜31根据实际光能量分配比需求，将入射光束分拆为主封装激光束和辅助工艺激光束。其中，经分光棱镜32反射的主封装激光束所占能量比较高，通过可变狭缝34的光束调制和聚焦透镜37聚焦以与玻璃料面法线接近的微倾斜（例如15o）入射（防止反射光损伤激光器），形成相对窄的主加热光斑38（见图2），对焦面处的玻璃料材料41进行加热并使其迅速软化（约350 oC），以保证其冷却后与载有OLED的下玻璃基板面形成气密性键合；而由分光棱镜32分束获取的辅助工艺激光束，经由可变狭缝33调制、反射镜35的入射角控制及聚焦透镜36的聚焦作用后，形成相对较宽（典型宽度比，一般约5倍关系）的辅热光斑39（见图2）以一定倾斜角度耦合进玻璃料面的主加热光斑38中心，二者共焦、同步与玻璃料做相对扫描运动。 
此处相对扫描运动有两种方案可供选择，可以是激光束38和39保持静止，而运动台根据控制计算机20的运动控制信号带动预封装玻璃基板40、42以及位于玻璃板40、42之间的玻璃料层41做矩形的二维相对扫描运动，或者是处于封装位的预封装玻璃基板40、42以及位于玻璃板40、42之间的玻璃料层41保持静止，而光纤激光器所产生耦合激光束38和39基于控制计算机20的运动控制信号，做矩形的二维相对扫描运动。 
需要注明的是，图2中所示光斑形状仅为示意性，表示沿扫描向主加热光斑38其光束能量集中于中心区域，而辅热光斑39其能量分布于较宽区域，其光斑形状可以是平顶矩形、平顶圆形、高斯光斑等。考虑到加热过程的均一性，其光斑一般采用平顶矩形为宜。其中，主加热光斑非扫描向的光斑尺寸需与玻璃料宽度（一般为0.6mm）相匹配，一般选择为玻璃料线宽的两倍，而对于光斑扫描向，将扫描速度： 
带入玻璃料的温度控制方程：
有对应温度梯度：
由此可见，在激光器输出功率及相对扫描速度一定的情况下（输出功为30W，对应扫描速度约20mm/s）,其扫描向光斑尺寸W决定了玻璃料的温度变化速率。为此，若引入与之耦合的辅热激光束，并通过可变狭缝调整对应扫描向光斑尺寸，主辅光束耦合并做同步扫描（即扫描速度一致），二者叠加补偿可灵活调节加热及冷却过程中的温度变化梯度，其温度相对于时间的变化曲线如图3所示。对比单、双光束封装过程其温度相对于时间的变化曲线，其结果可以看出，双光束激光封装方案相当于在封装加热之前进行预热，而在冷却过程中进行保温处理。
结合热应力控制方程： 
显然在封装过程中若通过双激光束的光斑组合进行预热和保温处理，可降低热应力，进而可避免因瞬时或残余应力过大而导致产生裂纹甚至失效。
如图4所示，在激光封装过程中玻璃料除直线扫描区外还存在以下3个典型工艺特征区域：（1）激光束扫描起始和终止区；（2）圆弧拐角区；（3）电极引线区。在玻璃料封装的起始区，其激光输出功率在一定时间内增大至目标功率，而对应激光束亦是一个加速过程，二者需要实时同步控制，其对应停止区域，与之类似。对于FRTI的圆弧拐角区，受其角速度影响，其玻璃料的内外侧对应扫描速度存在一个速度差，且单一方向速率变化亦是一个加减速的过程，这就给对应拐角处功率的同步变化带来很大的技术难题。而对于玻璃料的电极引线区，由于OLED的电极引线是热的良导体，其热吸收系数、热扩散系数等与玻璃料材料差异性很大，因此在电极引线区亦需要同步修正其对应激光器功率。 
针对上述激光封装的典型玻璃料工艺区域，为保证玻璃料封装区温度的均一性与稳定性，且避免对温度极度敏感的OLED电极区受到不必要的光照，有必要对封装激光束的相对运动轨迹、光斑尺寸、焦面高度以及焦点处的玻璃料温度等进行监测以构成闭环的工艺参数反馈控制系统。 
为此，如图1和图5所示，玻璃料41设置在OLED封装底板上，玻璃料41面反射后的光信号在通过分光棱镜32后，由另一分光棱镜26分成两束，其一路经由聚焦透镜25后通过检测光纤传递至可测量温度的高温计（如Raytek的Marathon MM三色传感器）以获得光斑处的实际温度并与预设温度相比较，进而构成对激光器输出功率的闭环反馈控制；而另一路检测光则经由聚焦透镜27和反射棱镜28后进入检测CCD23以对光斑尺寸、光斑实际扫描轨迹和焦面位置进行实时监控并与对应预设值进行比较，其光斑尺寸差异可通过调整可变狭缝33或34进行补偿，比传统的掩模方案更具有灵活性，而运动轨迹和焦面位置的偏移则主要通过实时调整激光束致动器（如具有X\Y\Z自由度的龙门架系统）来进行补偿。图5为上述温度、光斑尺寸、运动轨迹以及焦面的控制策略示意图。 
与现有技术相比较，本发明提出一种基于双光束耦合的激光辅助玻璃料封装系统和方法，以在封装过程中可根据工艺需求灵活调整激光加热及冷却的速率，进而避免了因瞬态或残留热应力过大而影响封装质量，可进一步提高产率。通过在双光路中引入可实时调整的可变狭缝，可避免使用掩模，降低了系统成本，提高了设备的工艺适应性。   
本说明书中所述的只是本发明的较佳具体实施例，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的范围之内。
  

Claims (9)

1.一种双光束耦合的激光辅助玻璃料封装系统，其特征在于，包括：一激光光源，用于  
产生一激光光束；一分光元件，用于将所述激光光束分为第一激光光束和第二激光光束；一第一光学元件，用于使所述第一激光光束以一倾角入射所述玻璃料并形成一加热光斑；一第二光学元件，用于使所述第二激光光束以一倾角入射所述玻璃料并形成一辅热光斑；所述加热光斑与所述辅热光斑共焦且同步与所述玻璃料做相对扫描运动。
2.如权利要求1所述的双光束耦合的激光辅助玻璃料封装系统，其特征在于，所述分光元件为一分光棱镜。
3.如权利要求1所述的双光束耦合的激光辅助玻璃料封装系统，其特征在于，所述第一光学元件包括一可变狭缝和一聚焦透镜。
4.如权利要求1所述的双光束耦合的激光辅助玻璃料封装系统，其特征在于，所述第二光学元件包括一可变狭缝和一聚焦透镜。
5.如权利要求1所述的双光束耦合的激光辅助玻璃料封装系统，其特征在于，所述辅热光斑的宽度是所述加热光斑的5倍。
6.如权利要求1所述的双光束耦合的激光辅助玻璃料封装系统，其特征在于，所述激光光源为810nm光纤激光器。
7.如权利要求1所述的双光束耦合的激光辅助玻璃料封装系统，其特征在于，所述封装系统还包括一温度探测单元，所述温度探测单元用于根据所述玻璃料表面的反射光信号探测所述玻璃料表面的实际温度。
8.如权利要求7所述的双光束耦合的激光辅助玻璃料封装系统，其特征在于，所述温度探测单元包括一高温计。
9.一种双光束耦合的激光辅助玻璃料封装方法，其特征在于，包括：利用一分光元件将一激光光束分为一第一激光光束和一第二激光光束，使所述第一激光以一倾角入射所述玻璃料并形成一加热光斑；使所述第二激光光束以一倾角入射所述玻璃料并形成一辅热光斑；所述加热光斑与所述辅热光斑共焦且同步与所述玻璃料做相对扫描运动。
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