DE102009006932A1

DE102009006932A1 - Anordnung und Verfahren zum gasdichten Versiegeln von OLED-Bauelementen

Info

Publication number: DE102009006932A1
Application number: DE102009006932A
Authority: DE
Inventors: Uwe Keim; Robert Michael Hartung
Original assignee: Centrotherm Thermal Solutions GmbH and Co KG
Current assignee: Centrotherm Thermal Solutions GmbH and Co KG
Priority date: 2009-01-30
Filing date: 2009-01-30
Publication date: 2010-08-19
Also published as: WO2010086072A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum gasdichten Versiegeln von OLED-Bauelementen, bestehend aus einer OLED-Schichtstruktur auf einem Substrat und einer Deckglasplatte sowie einem Lot im Randbereich dazwischen, mit einer Laserstrahl-Lötvorrichtung sowie ein Verfahren zum gasdichten Versiegeln von OLED-Bauelementen. Durch die Erfindung soll eine Anordnung zum schnellen und effektiven vakuumdichten Versiegeln von OLED-Bauelementen geschaffen werden, bei dem die OLED-Bauelemente nur geringfügig thermisch belastet werden. Erreicht wird das durch eine evakuierbare Kammer (1) mit einer oberen Montageöffnung (2), die mit einem Fenster (3) verschließbar ist, und mit einer vertikal gegen das Fenster (3) bewegbaren Substrataufnahme (5) zur Verpressung von auf der Substrataufnahme (5) vormontiert angeordneten OLED-Bauelementen (6), wobei der Laserstrahl (14) der Laserstrahl-Lötvorrichtung durch das Fenster (3) auf die Ebene zwischen Substrat (7) und Deckglasplatte (8) fokussierbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum gasdichten Versiegeln von OLED Bauelementen, bestehend aus einer OLED-Schichtstruktur auf einem Substrat und einer Deckglasplatte sowie einem Lot in Randbereich dazwischen, mit einer Laserstrahl-Lötvorrichtung sowie ein Verfahren zum gasdichten Versiegeln von OLED-Bauelementen.
Organische Licht emittierende Dioden, so genannte OLED-Bauelemente, bestehen aus mehreren Lagen organischer Schichten auf einem Substrat, die oben und unten durch Elektroden kontaktiert werden. Üblicherweise besteht das Substrat aus Glas, das mit einer transparenten leitfähigen Indiumzinnoxidschicht beschichtet ist. Darauf folgen ein Stapel aus organischen Loch- und Elektronentransportmaterialien und eine anorganische transparente Kathode. Durch die Integration von zwei durchsichtigen Elektroden ist das OLED-Bauelement im ausgeschalteten Zustand selbst durchsichtig.
Zusätzlich kann die untere Elektrode strukturiert werden, so dass auch Anzeigenanwendungen mit einzeln geschalteten Elementen möglich sind.
Ein Beispiel für ein solches OLED-Bauelement geht aus der EP 1 487 027 hervor.
Da Wasser und Sauerstoff die Bestandteile der OLED-Bauelemente unweigerlich zerstören würden, mussen diese gasdicht verkapselt und so vor äußeren Einflüssen geschützt werden. Das erfolgt üblicherweise mit einer Glasplatte, welche die obere Elektrodenschicht abdeckt und die mit dem Substrat im Randbereich gasdicht verbunden sein muss.
Die organischen Materialien sind zwar inzwischen resistenter gegen Wasser und Sauerstoff, dennoch bleibt eine gewisse Empfindlichkeit der hochreaktiven Injektionsschicht aus Kalzium und Barium bestehen. Auch können die Kanten der Mehrschichtstruktur durch Korrosion unterwandert werden, was im Ergebnis zu einer Abnahme der effektiv leuchtenden Pixelfläche führt, was insbesondere bei Bildschirmanwendungen stören würde.
Damit ist die Qualität der Verkapselung der OLED Bauelemente gegen Wasser und Sauerstoff bedeutsam für eine möglichst lange Lebensdauer solcher Bauelemente. Darüber hinaus muss eine gute Lagerfähigkeit der OLED Bauelemente von typischerweise 10 Jahren erreicht werden.
Geeignete Verkapselungen sind am Rand miteinander verschweißte Glasplatten, die so eine gasdichte Verbindung realisieren. Besonders geeignet wäre dafür an sich das Laserschweißen mit gepulster Laserstrahlung.
Dabei muss jedoch besonders auf die hohe Wärmeempfindlichkeit von OLED-Bauelementen Rücksicht genommen werden und es muss daher eine möglichst kurze Wärmebelastung gewährleistet werden. Das ist allerdings beim Laserschweißen wegen der hohen Schmelztemperatur von Glas schwierig zu realisieren.
In der WO 03/013779 A1 wird ein Verfahren zum Laserschweißen eines Werkstückes, insbesondere zur Herstellung von Bauteilen der Feinwerk- und Mikrosystemtechnik beschrieben, wel ches prinzipiell auch zum Verschweißen von Glasplatten miteinander geeignet ist, wenn der Laserstrahl entsprechend fokussiert wird. Die notwendige Bewegung und Positionierung des Laserstrahles erfolgt mit einer Strahlführung oder durch ein Positionier- und Bewegungssystem für das Bauteil.
Eine solche Anordnung ist jedoch nicht zum Verschweißen von Glasplatten unter Vakuum- und Reinstraum-Bedingungen für OLED-Anwendungen geeignet. Außerdem werden die Glasplatten bei diesem Verfahren im Bereich der Verschweißung und damit auch Teile der Beschichtung erheblich thermisch belastet, so dass eine Anwendung zum Versiegeln von OLED-Bauelementen ausscheidet.
Für die Fertigung von OLED-Bauelementen ist es unumgänglich, dass bereits vor der gasdichten Verschweißung des Substrates mit einer Glas-Deckplatte zwischen den Platten ein Gasaustausch stattfindet, was durch Erzeugen eines Vakuum erfolgen kann, so dass sichergestellt wird, dass weder Wasser/Wasserdampf, noch Sauerstoff eingeschlossen werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zum schnellen und effektiven vakuumdichten Versiegeln von OLED Bauelementen zu schaffen, bei dem die OLED-Bauelemente nur geringfügig thermisch belastet werden.
Gelöst wird die Aufgabe bei der eingangs genannten Anordnung durch eine evakuierbare Kammer mit einer oberen Montageöffnung, die mit einem Fenster versehen ist und mit einer vertikal von unten gegen das Fenster bewegbaren Substrataufnahme zur Verpressung von auf der Substrataufnahme vormontiert angeordneten OLED-Bauelementen, wobei der Laserstrahl der Laserstrahl-Lötvorrichtung durch das Fenster auf die Ebene zwischen Substrat und Deckglasplatte fokussierbar ist.
Damit lassen sich OLED-Bauelemente einfach gasdicht versie geln ohne dass die OLEDS gefährdet werden, weil die Temperatur nur im unmittelbaren Lötbereich kurzzeitig die nötige Löttemperatur erreicht, wohingegen sich die Umgebung maximal auf ca. 60°C erwärmt und sich auch nicht weiter Erwärmen darf.
In einer ersten Fortbildung der Erfindung besteht das Fenster aus einer ausreichend dicken Glasplatte, einer Quarzglasplatte oder einer anderen für den Laserstrahl transparenten Platte in Abhängigkeit von der Wellenlänge des zu verwendenden Laserstrahles, wobei zwischen dem Fenster und dem Außenrand der Montageöffnung eine Dichtung zur Sicherung der Gas- bzw. Vakuumdichtheit angeordnet ist.
Weiterhin befindet sich die Substrataufnahme auf einer vertikal bewegbaren Stange, welche durch eine Vakuumdurchführung in der Wandung der Vakuumkammer nach außen geführt und mit einer Antriebseinheit verbunden ist. Auf diese Weise lässt sich eine einfache und schnelle Bestückung der Substrataufnahme mit OLED-Bauelementen bewirken.
Die Antriebseinheit ist von Vorteil nach der Art einer hydraulischen, pneumatischen oder gefederten Antriebseinheit zur Erzeugung einer definierten Andruckkraft der Substrataufnahme gegen das Fenster ausgeführt, um eine gute Dosierbarkeit der Andruckkraft zu erreichen. Zusätzlich kann die Antriebseinheit über eine Feder mit der Stange verbunden sein, oder die Substrataufnahme ist federbelastet auf der Stange verschiebbar angeordnet. In diesen Fällen kann die Vertikalbewegung der Stange über eine einfache Wegesteuerung erfolgen, weil die Feder die Andruckkraft begrenzt. Der besondere Vorteil dieser Ausgestaltung ist darin zu sehen, dass dadurch die thermisch bedingten unterschiedlichen Aus dehnungen der Fügepartner kompensiert werden.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Substrataufnahme oder die Stange mit einer Kraftmesseinrichtung verbunden, um eine übermäßige mechanische Belastung der OLED-Bauelemente zu vermeiden.
Schließlich ist die Substrataufnahme mit einer Kühleinrichtung, z. B. in Form einer Flüssigkeitskühlung zur Kühlung der darauf aufliegenden Grundplatte versehen. Damit wird die thermische Belastung der OLED-Bauelemente weiter verringert.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird ferner durch ein Verfahren zum gasdichten Versiegeln von OLED-Bauelementen gelöst durch Herausfahren der Substrataufnahme aus der Montageöffnung und Bestücken mit einem OLED-Bauelement sowie einer Deckglasplatte bei gleichzeitigem Einbringen eines Lotes am Rand des OLED-BE zwischen Substrat und Deckglasplatte, Absenken der Substrataufnahme durch die Montageöffnung und gasdichtes Verschließen derselben mit einem Fenster, Evakuieren der Kammer über einen vorgegebenen Zeitraum wobei gleichzeitig der Zwischenraum zwischen Substrat und Deckglasplatte evakuiert wird, Andrücken der bestückten Substrataufnahme an das Fenster mit einer vorgegebenen Andruckkraft, Fokussieren des Laserstrahls durch das Fenster und Aufschmelzen des Lotes durch Führen des Laserstrahles entlang des Lotes, sowie Absenken der Substrataufnahme und Belüften der Kammer und Entnahme des gasdicht verschlossenen OLED-Bauelementes.
In einer Fortführung des Verfahrens wird das Lot bis zu einer Temperatur von ca. 300°C erwärmt, so dass eine übermäßige thermische Belastung der OLED-Bauelemente sicher vermieden werden kann.
Optional kann die Temperatur des Lotes während des Aufschmelzvorganges berührungslos gemessen werden, so dass der Laserstrahl bei Erreichen einer Solltemperatur der Lötstelle weiter geführt werden kann.
Die Anordnung kann auch zum vakuumdichten Versiegeln von undurchsichtigen oder durchsichtigen bzw. transparenten Substraten mit Glasplatten verwendet werden, die mit dem gleichen Lot lötfähig sind. Beispielsweise können auch gegen Umweltgifte empfindliche Papiere o. dgl. sicher gasdicht zwischen Glasplatten verpackt werden.
Weiterhin kann die erfindungsgemäße Anordnung problemlos zum vakuumdichten Versiegeln von behälterförmigen Substraten mit einer Glasplatte eingesetzt werden.
Auch kann die erfindungsgemäße Anordnung zum gasdichten Versiegeln von OLED-Bauelementen verwendet werden.
Die Erfindung soll nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:
1: die schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung nach dem Bestücken des Substratträgers mit einer OLED und verschlossener Vakuumkammer; und
2: die Anordnung nach 1 während des Laserlötvorganges.
Gemäß 1 besteht die erfindungsgemäße Anordnung aus einer evakuierbaren Kammer 1 mit einer oberen Montageöffnung 2, die mit einem Fenster 3 versehen ist. Mittels einer Dichtung 4 kann das Fenster 3 die Montageöffnung 2 vakuum- oder gasdicht verschließen. Das Fenster 3 besteht aus einer aus reichend dicken Glasplatte, einer Quarzglasplatte oder einer für den Laserstrahl transparenten Platte, wobei die Dichtung 4 zwischen dem Fenster 3 und dem Außenrand der Montageöffnung 2 angeordnet ist.
In der Kammer 1 befindet sich eine vertikal gegen das Fenster 3 bewegbare Substrataufnahme 5, zur Aufnahme vormontierter OLED-Bauelemente 6. Die OLED-Bauelemente 6 bestehen aus einem Substrat 7 als Basis mit einem organischen Mehrschichtaufbau und einer Deckglasplatte 8, sowie einem Lot 9, welches umlaufend am Rand zwischen Substrat 7 und Deckglasplatte 8 eingebracht ist und zum gasdichten Versiegeln des OLED-Bauelementes 6 dient. Das Substrat besteht üblicherweise aus Glas, oder einem anderen lötfähigen Material.
Die Substrataufnahme 5 befindet sich auf einer vertikal bewegbaren Stange 10, welche durch eine Vakuumdurchführung 11 in der Wandung 12 der Kammer 1 auf deren Unterseite nach außen geführt und mit einem nicht dargestellten Linearantrieb verbunden ist. Die Abdichtung der Vakuumdurchführung 11 erfolgt mit einer Dichtung 13.
Der Linearantrieb kann eine hydraulische oder pneumatische Antriebseinheit zur Erzeugung einer definierten Andruckkraft der Substrataufnahme 5 gegen das Fenster 3 sein, die dadurch zudem gut dosierbar ist. Zusätzlich besteht die Möglichkeit, die Antriebseinheit gegen eine Federkraft arbeiten zu lassen, wodurch eine Überlastung der vormontierten OLED-Bauelemente 6 sicher vermieden werden kann.
Alternativ kann die Substrataufnahme 5 auch federbelastet verschiebbar auf der Stange 10 angeordnet werden. In beiden Fällen kann dadurch die auf die OLED-Bauelemente wirkende Kraft während des Verpressens auf eine einfache Weise be grenzt sowie Wärmedehnungen kompensiert werden. Außerdem kann in beiden Fällen die Vertikalbewegung der Substrataufnahme 5 bzw. der Stange 10 durch eine einfache Wegesteuerung gesteuert werden.
Die Substrataufnahme 5, oder die Stange 10, kann zusätzlich auch mit einer Kraftmesseinrichtung verbunden sein, um eine übermäßige mechanische Belastung der OLED-Bauelemente 6 zu vermeiden, bzw. um die Vertikalbewegung während des Anpressvorganges bei erreichen eines vorgegebenen Sollwertes zu stoppen und die Andruckkraft konstant zu halten.
Bei geöffnetem Fenster 3 kann die Substrataufnahme 5 aus der Kammer 1 nach oben durch die Montageöffnung 2 herausgefahren werden, so dass eine einfache und schnelle Bestückung der Substrataufnahme mit OLED-Bauelementen 6 bzw. deren Entnahme möglich ist. Anschließend muss die Substrataufnahme 5 in die Kammer 1 zurückgefahren werden, so dass die Montageöffnung 2 wieder verschlossen werden kann.
Weiterhin ist die Substrataufnahme 5 mit einer Kühleinrichtung, z. B. in Form einer Wasserkühlung versehen, um sicherzustellen, dass die OLED-Bauelemente während des Lötvorganges auch nicht kurzzeitig über ca. 60°C erwärmt werden.
Während des Lötvorganges der OLED-Bauelemente 6 müssen diese verpresst werden, was durch deren Andrücken an das Fenster 3 erfolgt. Vorraussetzung hierfür ist, dass die Kammer 1 vorher evakuiert worden ist, so dass das Fenster 3 mit einer größeren Kraft an den Rahmen der Montageöffnung 2 gedrückt wird, als die die Andruckkraft der Substrataufnahme 5 beträgt. Danach wird mit einer geeigneten Laserstrahl-Lötvorrichtung ein Laserstrahl 14 durch das Fenster auf die Ebene zwischen Substrat und Deckglasplatte 8 bzw. auf das Lot 9 fokussiert und dann entlang des Lotes 9 geführt, wobei dieses lokal aufschmilzt.
Damit lassen sich OLED-Bauelemente 6 einfach gasdicht versiegeln ohne dass diese gefährdet werden, weil die Temperatur nur im unmittelbaren Lötbereich kurzzeitig die nötige Löttemperatur erreicht, wohingegen sich die Umgebung maximal auf ca. 60°C erwärmt. Zusätzlich kann eine berührungslose Temperaturmesseinrichtung zur Messung der Lottemperatur eingesetzt werden, so dass der Laserstrahl bei Erreichen der Löttemperatur weitergeführt werden kann. Auf diese Weise kann der Versiegelungsprozess automatisch mit hoher Qualität ausgeführt werden.
Der gasdichte Verschluss der vormontierten und auf der Substrataufnahme 5 positionierten OLED-Bauelemente 6 erfolgt durch mehrere Verfahrensschritte. Zunächst wird die Substrataufnahme 5 durch die vorher geöffnete Montageöffnung 2 herausgefahren und mit einem OLED-Bauelement sowie einer Deckglasplatte 8 bei gleichzeitigem Einbringen eines Lotes 9 am Rand des OLED-Bauelementes 6 zwischen Substrat 7 und Deckglasplatte 8 bestückt. Danach wird die Substrataufnahme 5 durch die Montageöffnung 2 in die Kammer 1 zurückgefahren und diese mit dem Fenster 3 vakuumdicht verschlossen.
Daraufhin wird die Kammer 1 mit einer geeigneten Vakuumpumpe über einen vorgegebenen Zeitraum evakuiert, wobei gleichzeitig der Zwischenraum zwischen Substrat 7 und Deckglasplatte 8 evakuiert bzw. entgast wird. Schließlich wird die Substrataufnahme 5 mit einer vorgegebenen Andruckkraft F gegen das Fenster 3 gedrückt und ein Laserstrahl durch das Fenster auf das Lot 9 fokussiert und das Lot unter Führen des Laserstrahles entlang des Lotes jeweils partiell aufgeschmolzen.
Zum Schluss wird die Substrataufnahme 5 geringfügig abgesenkt, die Kammer belüftet und zur Entnahme des nunmehr gasdicht verschlossenen OLED-Bauelementes 6 durch die Montageöffnung 2 wieder herausgefahren.
Während des Laserlötens wird das Lot 9 kurzzeitig bis zu einer Temperatur von ca. 300°C erwärmt, wohingegen die Umgebung des jeweiligen Schmelzpunktes auf einer Temperatur von maximal ca. 60°C gehalten wird, so dass eine übermäßige thermische Belastung der OLED's sicher vermieden wird.
Selbstverständlich kann die Anordnung sowie das zugehörige Verfahren auch zum gas- oder vakuumdichten Versiegeln von undurchsichtigen oder durchsichtigen bzw. transparenten Substraten mit Glasplatten verwendet werden. Voraussetzung hierfür ist lediglich, dass beide Platten mit dem gleichen Lot lötfähig sind und dass wenigstens die obere Platte aus einem durchsichtigen oder für den Laserstrahl zumindest transparenten Material besteht.
Auch kann die erfindungsgemäße Anordnung und das zugehörige Verfahren problemlos zum gasdichten Versiegeln von behälterförmigen Substraten mit größerem Innenraumvolumen mit einer Deckglasplatte eingesetzt werden.

1: Kammer
2: Montageöffnung
3: Fenster
4: Dichtung
5: Substrataufnahme
6: OLED-Bauelement
7: Substrat
8: Deckglasplatte
9: Lot
10: Stange
11: Vakuumdurchführung
12: Wandung
13: Dichtung
14: Laserstrahl
F: Andruckkraft

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 1487027 [0004]
- WO 03/013779 A1 [0010]

Claims

Anordnung zum gasdichten Versiegeln von OLED-Bauelementen, bestehend aus einer OLED-Schichtstruktur auf einem Substrat und einer Deckglasplatte sowie einem Lot im Randbereich dazwischen, mit einer Laserstrahl-Lötvorrichtung, gekennzeichnet durch eine evakuierbare Kammer (1) mit einer oberen Montageöffnung (2), die mit einem Fenster (3) verschließbar ist und mit einer vertikal gegen das Fenster (3) bewegbaren Substrataufnahme (5) zur Verpressung von auf der Substrataufnahme (5) vormontiert angeordneten OLED-Bauelementen (6), wobei der Laserstrahl (14) der Laserstrahl-Lötvorrichtung durch das Fenster (3) auf die Ebene zwischen Substrat (7) und Deckglasplatte (8) fokussierbar ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fenster (3) aus einer ausreichend dicken Glas- oder Quarzglasplatte oder einer für den verwendeten Laserstrahl transparenten Platte besteht, wobei zwischen dem Fenster (3) und dem Außenrand der Montageöffnung (2) eine Dichtung (4) angeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Substrataufnahme (5) auf einer vertikal bewegbaren Stange (10) befindet, welche durch eine Vakuumdurchführung (11) in der Wandung (12) der Vakuumkammer (1) nach außen geführt und mit einer Antriebseinheit verbunden ist.
Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinheit nach der Art einer hydraulischen oder pneumatischen Antriebseinheit zur Erzeugung einer definierten Andruckkraft (F) der Substrataufnahme (5) gegen das Fenster (3) ausgeführt ist.
Anordnung nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Substrataufnahme (5) federbelastet verschiebbar auf der Stange 10 angeordnet ist oder dass sich zwischen der Antriebseinheit und der Stange (10) eine Druckfeder befindet.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Substrataufnahme (5) oder die Stange (10) mit einer Kraftmesseinrichtung verbunden ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Substrataufnahme (5) mit einer Kühleinrichtung versehen ist.
Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung eine Flüssigkeitskühlung ist.
Verfahren zum gasdichten Versiegeln von OLED-Bauelementen mit einer Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 8, gekennzeichnet durch – Herausfahren der Substrataufnahme (5) aus der Montageöff nung (2) und Bestücken derselben mit einem OLED-Bauelement (6) sowie einer Deckglasplatte (8) bei gleichzeitigem Einbringen eines Lotes (9) am Rand des OLED-Bauelementes (6) zwischen Substrat (7) und Deckglasplatte (8), – Absenken der Substrataufnahme (5) durch die Montageöffnung (2) in die Kammer (1) und gasdichtes Verschließen derselben mit einem Fenster (3), – Evakuieren der Kammer (1) über einen vorgegebenen Zeitraum, – Andrücken der bestückten Substrataufnahme (5) an das Fenster (3) mit einer vorgegebenen Andruckkraft, – Fokussieren eines Laserstrahls (14) durch das Fenster (3) und Aufschmelzen des Lotes durch Führen des Laserstrahles (14) entlang des Lotes, sowie – Absenken der Substrataufnahme (5) und Belüften der Kammer (1) und Entnahme des gasdicht verschlossenen OLED-Bauelementes (6).
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Lot (9) bis zu einer Temperatur von ca. 300°C erwärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Lotes (9) während des Aufschmelzvorganges gemessen wird.
Verwendung der Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 8 zum gasdichten Versiegeln von undurchsichtigen oder durchsichtigen bzw. transparenten lötfähigen Substraten mit Glasplatten.
Verwendung der Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 8 zum gasdichten Versiegeln von behälterförmigen Substraten mit Glasplatten.
Verwendung der Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 8 zum gasdichten Versiegeln von OLED-Bauelementen.