CN105226204A - 一种激光封装设备及封装方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种激光封装设备，用于对封装单元进行密封，沿光束传播方向依次包括：光源，用于产生一激光束；照明单元，其特征在于包括光束整形单元，将所述激光束在垂直于光传播方向的截面整形为一中间光强小且边缘光强大的凹型光斑；以及振镜扫描单元，使凹形光斑沿封装单元的封装线进行扫描，所述凹型光斑在所述封装线表面沿非扫描方向分布，所述非扫描方向与扫描方向垂直。

Description

一种激光封装设备及封装方法

技术领域

本发明涉及集成电路装备制造领域,尤其涉及一种激光封装设备及封装方法。

背景技术

近年来，鉴于OLED（OrganicLight-EmittingDiode）在色域、视角、能耗、外形轻薄、响应速度等主要指标的优异性能，在平板显示和照明领域的应用越来越广泛，因此也得到迅速发展。然而，OLED显示器中的金属电极和有机层对氧气和水十分敏感，它们会严重影响OLED器件的性能，缩短OLED器件的寿命。因此，为OLED器件提供有效的气密式密封显得非常重要，并且对气密性的要求非常高，按照业界的标准，商用化OLED产品至少须达到工作寿命10，000小时，存储寿命至少50，000小时，这就要求水汽渗透率（WVTR）小于10-6g/m²/day，氧气穿透率（OTR）小于10-5cc/bar/m²/day。对OLED进行封装，除了能够增强器件的机械强度外，最重要的就是可以隔离外部氧气和水汽。

主流的OLED封装技术大致可分为以下3种：（1）UV胶边缘密封+干燥剂；（2）激光玻璃粉封装；（3）薄膜封装。UV胶封装方法简单，但密封性比较差，需要使用干燥剂作为辅助，因此采用此封装方式的OLED寿命相对较短。薄膜封装成本低，封装后的成品轻薄，水汽、氧气透过率低，主要适用于大尺寸的柔性基底，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。与之相对，激光玻璃粉封装工艺以其优良的封装气密性、低温选择性及成熟的工艺已成为当前OLED玻璃封装的首选封装工艺。

激光玻璃粉封装的基本原理是：在封装过程中，通过反射镜、透镜组、光纤组成的光路系统，将具有一定光强分布的光斑聚焦到玻璃粉上面，与预烧结之后形成的玻璃粉图案（封装线，FRIT）做相对运动，通过玻璃粉对激光的选择性吸收，使玻璃粉融化，实现玻璃粉与基板（基板分为第一基板和第二基板，一般为玻璃材料，但不局限于此种材料。）的键合，构成气密密封结构。

其封装工艺流程大致为：

第一步、制备玻璃粉膏。

第二步、通过丝网印刷等方式将玻璃粉膏涂敷在载有OLED的基板上面，形成一定玻璃粉膏图案（图案一般为方形环、圆角矩形环、圆环等，但不局限于以上所列举的图案）。

第三步、将玻璃粉膏通过预烧结，形成玻璃粉图案，固化在基板表面。

第四步、在待封装区域边缘涂敷预封装材料（如UV胶）。

第五步、在负压且有氮气保护的环境下，第一、第二基板完成对叠及预封装，以保证激光玻璃粉封装所需要的气密性。

第六步、将整形后的激光光斑，按预设的运动轨迹和功率随时间变化，与玻璃粉图案相对运动一周，通过激光加热玻璃粉，实现玻璃粉与基板的键合，完成封装过程。

上述激光玻璃粉封装流程的第6步主要在激光封装设备中完成。其中，激光光斑的运动方式和激光光斑的光强分布对于与激光玻璃粉封装的效果和产率具有显著的影响。对于目前工业上应用的激光封装设备，存在着以下的几个方面的不足：

第一、激光光斑的光强一般为是平顶型空间分布，光强在整个光斑范围内是均匀的，若仅考虑激光的加热效应，理论上光斑范围内的玻璃粉温度是均匀的，但是考虑到光斑所覆盖区域的边界处的散热效应，将会导致中心区域的温度高于边缘区域的温度。

第二、激光光源固定于龙门架上面，通过龙门架的运动实现对待封装区域（待封装区域由多个待封装单元组成，每一个待封装单元上面具有特定的玻璃粉图案）封装。由于龙门架运动速度的限制，只能进行顺序周线扫描封装（即，指将整形后激光光斑垂直聚焦在激光玻璃粉上面，顺序将玻璃粉图案上的各点加热至软化点之上，并依次冷却，键合，完成单个待封装单元的封装过程）。

发明内容

为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种激光封装设备和封装方法，能增加温度的均匀性，减小热应力，提高激光玻璃粉封装的良率和产率。

本发明公开一种激光封装设备，用于对封装单元进行密封，沿光束传播方向依次包括：光源，用于产生一激光束；照明单元，其特征在于包括光束整形单元，将所述激光束在垂直于光传播方向的截面整形为一中间光强小且边缘光强大的凹型光斑；以及振镜扫描单元，使凹形光斑沿封装单元的封装线进行扫描，所述凹型光斑在所述封装线表面沿非扫描方向分布，所述非扫描方向与扫描方向垂直。

更进一步地，该振镜扫描单元为一基于远心F-theta扫描镜组。

更进一步地，所述振镜扫描单元包括：第一反射镜；第二反射镜；远心F-theta扫描镜组，使所述凹型光斑垂直入射所述封装单元的封装线；以及伺服驱动单元，所述驱动单元带动所述第一反射镜、第二反射镜转动使所述凹型光斑沿所述封装线扫描。

更进一步地，所述照明单元还包括扩束准直单元以及匀光单元，所述激光束依次经过所述扩束准直单元以及匀光单元后进入所述光束整形单元。

更进一步地，所述扩束整形单元为由单透镜或望远镜系统构成。

更进一步地，所述匀光单元由微透镜阵列或积分棒组成。

更进一步地，所述光束整形单元包括二元光学元件或微透镜阵列。

更进一步地，所述凹型光斑呈中心对称分布。

更进一步地，还包括龙门架，用于承载光源、照明单元以及振镜扫描单元。

更进一步地，还包括承载台，用于承载所述封装单元。

更进一步地，所述振镜扫描单元汇聚的光斑的最大直径为，其中K为常数，为激光的波长，为振镜扫描单元镜片组的有效焦距与入射光瞳直径的商。

本发明同时公开一种激光封装方法，用于对封装单元进行密封，其特征在于，对一激光束进行光束整形，经光束整形的所述激光束在垂直于光传播方向的截面整形为一中间光强小且边缘光强大的凹型光斑；所述凹型光斑经过振镜扫描单元后对所述封装单元的封装线进行扫描。

本发明同时还公开一种激光封装方法，用于对阵列式封装单元进行密封，其特征在于，包括：步骤1：将阵列式封装单元传输至承载台；步骤2：龙门架承载激光系统运动至待封装单元；步骤3：主控制系统控制激光系统开启产生凹型光斑照射待封装单元的封装线；步骤4：承载台静止，使凹型光斑沿封装线进行扫描，使封装线的玻璃料熔化完成待封装单元密封；步骤5：主控制系统关闭激光系统，并判断所述待封装单元是否为阵列式封装单元中的最后一个封装单元，若是最后一个待封装单元，则结束所述激光封装方法，若否则执行下一步骤，步骤6：驱动龙门架带动激光系统运动至下一待封装单元处并执行上述步骤3-步骤5直至所有的待封装单元均完成封装。

更进一步地，还包括将凹型光斑与所述待封装单元进行对准的步骤。

更进一步地，在步骤4中，是利用顺序周线扫描或者准同步扫描的方式，使凹型光斑照射待封装单元的封装线。

与现有技术相比较，本发明在基于扫描振镜的激光封装系统中，结合“凹”型光强非均匀分布的光斑代替传统的平顶型分布的光斑，对Frit横向上（垂直与光斑扫描的方向）的温度均匀性有了极大的改善。

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是本发明所涉及的激光封装设备的结构示意图；

图2是本发明所涉及的凹型光斑的形成示意图；

图3是本发明所涉及的基于远心F-theta扫描镜组的振镜扫描单元的结构示意图；

图4是本发明所涉及的封装方法的流程图。

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。

本发明中的激光封装设备如图1所示，该装置主要包括：激光器1、扩束准直系统2、匀光系统3、光束整形系统4、基于远心F-theta扫描镜组（TelecentricF-thetaScanningLens）的振镜扫描单元（主要包括第一反射镜5、第二反射镜6、远心F-theta扫描镜组7以及伺服驱动单元）、基底承载台10、龙门架11。

整个装置的光路走向为：激光器1发出的激光通过光纤耦合进经过扩束准直系统2，依次经过匀光系统3、光束整形系统4、第一反射镜5、第二反射反射镜6、远心F-θ扫描镜组7，垂直入射到待封装区域的第一基板8上面。

激光器1发出的激光波长处于红外区域，一般为800nm~1000nm；扩束准直系统2可采用单透镜或望远镜系统构成；匀光系统3可采用微透镜阵列或积分棒，使光斑的光强均匀分布；

光束整形系统4用于改变光斑的光强空间分布。

本技术方案中，光束整形系统采用光学整形元件（例如二元光学元件、微透镜阵列等），可以将入射光束整形成如图2所示的光强分布：入射光束在入射面A上光强均分布，经过光学整形元件401后，光斑中的光强分布发生了改变，在出射面B上的光强分布即为所需求的“凹”型光强分布，其基本特点为中心区域光强较小，甚至可以减小至零，两侧位置处光强较大。光斑的尺寸大于或等于待封装单元的玻璃粉封装线的线宽，一般为1~2mm，并呈中心对称分布。“凹”型光斑的光强最大、最小值，和中心区域的范围，以及中心位置处突变的速率（光强最大值与最小值的差值除以相应的距离）取决于具体的待封装材料和工艺。

基于远心F-theta扫描镜组（TelecentricF-thetaScanningLens）的振镜扫描单元主要包括第一反射镜5、第二反射镜6、远心F-theta扫描镜组7以及伺服驱动单元。

其中反射镜5和6，一般偏转角度在±20°以内。通过X轴及与Y轴扫描电机的协调转动，带动其转轴上的反射镜5和6，可以使激光光束沿着玻璃粉图案（玻璃粉图案及封装线）做相对运动，对待封装单元做顺序周线扫描封装。由于反射镜的惯性质量很小，反射镜可以通过伺服驱动单元高速转动，因而可以对待封装单元进行准同步式封装，即：是指利用高速、重复（待封装单元的扫描次数：N>1）扫描待封装单元，使得玻璃粉图案上的每一封装点的温度准同步梯次增加至软化点之上，兼具顺序周线扫描（N=1）的灵活性与同步封装技术的温度均匀性之优势。

如图3所示，通过多个透镜组的优化，远心F-theta扫描镜组701可以使主光线(chiefray)的传播方向始终垂直于封装区域的第一基板8。在焦平面中，光斑运动距离为，其中为系统镜片组的有效焦距，为激光光束传播的偏转角。改变可以实现对不同尺寸大小的待封装单元进行封装。

在这里需要注意的是，除扩束准直系统3对于激光光斑的尺寸具有控制之外，对于衍射受限系统的振镜扫描单元，聚焦的圆形光斑的最大直径为，其中K为常数（高斯型的光斑，K=1.27；平顶型的光斑，K=2.44），为激光的波长，为扫描振镜单元的镜片组的有效焦距与入射光瞳直径的商。

基底承载台10用于承载待封装基板，包括第一基板8和第二基板9，以及位于两个基板中间的玻璃粉图案12。

龙门架11用来承载激光器1、扩束准直系统2、匀光系统3、光束整形系统4、振镜扫描单元，位于待封装单元的指定位置处，完成单个待封装单元的封装；通过X和Y方向的运动，完成整个待封装区域的封装。

封装过程如图4所示，其步骤如下：阵列式封装单元传输至承载台10上（步骤41）。龙门架运动至待封装单元的指定位置（步骤42）。将光斑与待封装单元进行对准（步骤43）。主控系统控制激光器打开，激光束依次通过扩束准直系统2，匀光系统3，光束整系统4构成的照明单元，以及振镜扫描单元之后入射到待封装单元的封装线上（步骤44）。承载台10处于静止，利用顺序周线扫描或者准同步扫描的方式，用激光光斑照射待封装单元的封装线，使基底中间玻璃粉融化，将第一基板8和第二基板9封接在一起。完成封装后，主控系统控制激光器关闭封装用光束（步骤45）。判断该待封装单元是否为阵列式封装单元上的最后一个封装单元（步骤46）。若是最后一个待封装单元，则该阵列式封装单元封装完成，若不是，则进入步骤47。当该待封装单元不是待封装区域上的最后一个封装单元时，在该单元完成封装后，龙门架将运动至下一个待封装单元的指定位置处（步骤47）。之后重复步骤44至46直至阵列式封装单元上所有的待封装单元均完成封装。

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 (15)

1.一种激光封装设备，用于对封装单元进行密封，沿光束传播方向依次包括：

光源，用于产生一激光束；

照明单元，其特征在于包括光束整形单元，将所述激光束在垂直于光传播方向的截面整形为一中间光强小且边缘光强大的凹型光斑；以及

振镜扫描单元，使凹形光斑沿封装单元的封装线进行扫描，所述凹型光斑在所述封装线表面沿非扫描方向分布，所述非扫描方向与扫描方向垂直。

2.如权利要求1所述的激光封装设备，其特征在于，所述振镜扫描单元为一基于远心F-theta扫描镜组。

3.如权利要求2所述的激光封装设备，其特征在于，所述振镜扫描单元包括：

第一反射镜；

第二反射镜；

远心F-theta扫描镜组，使所述凹型光斑垂直入射所述封装单元的封装线；以及

伺服驱动单元，所述驱动单元带动所述第一反射镜、第二反射镜转动使所述凹型光斑沿所述封装线扫描。

4.如权利要求1所述的激光封装设备，其特征在于，所述照明单元还包括扩束准直单元以及匀光单元，所述激光束依次经过所述扩束准直单元以及匀光单元后进入所述光束整形单元。

5.如权利要求4所述的激光封装设备，其特征在于，所述扩束整形单元为由单透镜或望远镜系统构成。

6.如权利要求4所述的激光封装设备，其特征在于，所述匀光单元由微透镜阵列或积分棒组成。

7.如权利要求1所述的激光封装设备，其特征在于，所述光束整形单元包括二元光学元件或微透镜阵列。

8.如权利要求1所述的激光封装设备，其特征在于，所述凹型光斑呈中心对称分布。

9.如权利要求1所述的激光封装设备，还包括龙门架，用于承载光源、照明单元以及振镜扫描单元。

10.如权利要求1所述的激光封装设备，还包括承载台，用于承载所述封装单元。

11.如权利要求1所述的激光封装设备，其特征在于，所述振镜扫描单元汇聚的光斑的最大直径为d＝K×λ×f_number，其中K为常数，λ为激光的波长，f_number为振镜扫描单元镜片组的有效焦距与入射光瞳直径的商。

12.一种激光封装方法，用于对封装单元进行密封，其特征在于，对一激光束进行光束整形，经光束整形的所述激光束在垂直于光传播方向的截面整形为一中间光强小且边缘光强大的凹型光斑；所述凹型光斑经过振镜扫描单元后对所述封装单元的封装线进行扫描。

13.一种激光封装方法，用于对阵列式封装单元进行密封，其特征在于，包括：

步骤1：将阵列式封装单元传输至承载台；

步骤2：龙门架承载激光系统运动至待封装单元；

步骤3：主控制系统控制激光系统开启产生凹型光斑照射待封装单元的封装线；

步骤4：承载台静止，使凹型光斑沿封装线进行扫描，使封装线的玻璃料熔化完成待封装单元密封；

步骤5：主控制系统关闭激光系统，并判断所述待封装单元是否为阵列式封装单元中的最后一个封装单元，若是最后一个待封装单元，则结束所述激光封装方法，若否则执行下一步骤，

步骤6：驱动龙门架带动激光系统运动至下一待封装单元处并执行上述步骤3-步骤5直至所有的待封装单元均完成封装。

14.如权利要求13所述的激光封装方法，其特征在于，还包括将凹型光斑与所述待封装单元进行对准的步骤。

15.如权利要求13所述的激光封装方法，其特征在于，在步骤4中，是利用顺序周线扫描或者准同步扫描的方式，使凹型光斑照射待封装单元的封装线。