TWI527710B - 整合式噴頭及用於形成其之方法 - Google Patents

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Description

整合式噴頭及用於形成其之方法
本揭示關於噴頭，其用於蒸發印刷有機發光裝置或二極體(organic light emitting device or diode，OLED)的材料。更特定而言，本揭示關於微機電系統(MEMS)噴頭，其由矽材料所製造並且使用背面支持結構所組合，如此以界定出模組化噴頭而容易建構、附接和組合。
有機光電裝置，例如用於平面顯示器的有機發光二極體(organic light emitting diode，OLED)，其製造是沉積有機膜層於標靶基板上並且把膜堆疊的頂部和底部耦合至電極。使用先進的技術則可以達到等級在100奈米的膜層厚度。
一種這樣的技術乃藉由從熱噴頭來熱蒸發有機材料而把OLED膜層沉積於基板上。有機油墨材料首先溶解於液態載體中以形成液體油墨。油墨再轉移到噴頭，並且將標靶基板和噴頭拉得很靠近。油墨然後於多個階段加熱。第一階段蒸發溶劑。於第二階段期間，油墨快速加熱到其昇華溫度之上，直到有機油墨材料蒸發而使有機蒸氣凝結於標靶基板上為止。該過程可以重複，直到達成所要的膜層厚度為止。可以改變油墨的組成以達到不同的顏色和使其他性質(例如黏滯度和昇華溫度)最佳化。
於印刷此種膜，也很重要的是沉積乾膜於表面上，如此則被沉積的材料在接觸基板時形成實質固態膜。固態膜必須具有均勻的厚度。這是相對於油墨印刷而言，後者將溼油墨沉積於表面上，然後油墨乾燥以形成固態膜。因為油墨印刷沉積溼膜，所以通常稱之為溼式印刷法。
溼式印刷法具有幾個顯著的缺點。第一，隨著油墨乾燥，油墨的固態內容物可能不會均勻沉積於沉積區域上。亦即隨著溶劑蒸發，膜的均勻性和厚度會實質變化。對於要求精確均勻性和膜厚度的應用來說，此種均勻性和厚度的變化令人無法接受。第二，溼油墨可能與底下的基板發生交互作用。當底下的基板預先披覆脆弱的膜時，交互作用是特別麻煩。最後，印刷膜的表面可能不平坦。解決這些問題的應用對於OLED沉積是很關鍵的。
溼式印刷的問題可以使用乾式轉移印刷技術而部分解決。於一般的轉移印刷技術，要沉積的材料首先披覆在轉移片上，然後該片再與材料所要轉移的表面做接觸。這是染料昇華印刷背後的原理，其中染料是從接觸著材料將轉移到之表面的色帶而昇華。這也是複寫紙背後的原理。然而，乾式印刷做法引入新的問題。因為轉移片和標靶表面之間須要接觸，所以如果標靶表面很脆弱，則它可能因接觸而受損。再者，轉移可能因轉移片或標靶表面上存在小量顆粒而受到負面衝擊。此種顆粒將產生阻礙轉移的不良接觸區域。
在轉移區域是由大面積所構成的情形，如在處理大面積電子產品(例如平面電視)所典型運用的，顆粒問題則是特別嚴重。此外，傳統的乾式轉移技術僅利用轉移介質上的部分材料，導致材料利用率低和顯著浪費。當膜材料很昂貴時，膜材料的利用率便很重要。
此外，高解析度的OLED顯示器可能要求像素特徵尺度在100微米或更小的等級。為了達到這種程度的品質控制，噴頭間隙(亦即噴頭和標靶基板之間的間隙)應該指定在與所要像素特徵尺度相稱的數量級。已經提議MEMS科技來製造熱噴頭以用於此精確度的蒸發沉積。此做法所要解決的一個問題(其係由本揭示所解決)是如何傳遞熱能到MEMS熱噴頭的印刷表面，同時還能有夠小的印刷間隙。
本揭示大致關於建構成印刷間隙小於50微米的模組化噴頭。於一具體態樣，本揭示乃針對整合式噴頭，其包括：噴頭模具，其上支持多個微孔洞；支持結構，其支持噴頭模具；加熱器，其插在噴頭模具和支持結構之間；以及電線，其將加熱器連接到電源供應器。支持結構經由它裡面所形成的電導通孔而容納電線，如此以形成裡面包含所有連接的實心狀態噴頭，並且提供可容易更換的噴頭。
建構噴頭的方法包括以下步驟：形成多個微孔洞於噴頭模具的遠端表面上；形成加熱器於噴頭模具的近端表面上；形成至少一電線於支持結構上；以及經由連接器而將支持結構連接到電加熱器或噴頭模具當中一者。支持結構提供電源供應器和加熱器之間的實心狀態連接，以及其中連接器提供用於該連接的路徑。噴頭可以界定出整合的實心狀態裝置。
本揭示的另一具體態樣乃關於用來印刷OLED材料的噴頭模組。噴頭包括噴頭模具，其具有近端表面和遠端表面，該遠端表面界定出多個微孔洞。加熱器乃熱連通於噴頭模具的近端表面。也提供支持結構以接收和支持噴頭模具。支持結構提供將加熱器連接到電源供應器的電線。噴頭模具連同加熱器和支持結構形成了噴頭。於一具體態樣，噴頭模具的遠端表面界定出小於20微米的平坦度容許誤差。
OLED材料的應用須要在基板上產生實質平坦的OLED層。厚度的變化可以導致不想要的後果和製造後的失效。
圖1示意地顯示支持OLED膜的基板。特定而言，圖1顯示基板100上具有OLED膜110。如所述，想要沉積具有均勻厚度的OLED膜。於圖1的示意圖，OLED膜110具有平坦的表面。
圖2是傳統OLED噴頭的示意圖。圖2的OLED噴頭210乃定位於基板200上。噴頭210接收呈液體形式的OLED材料230。於一具體態樣，OLED材料230是由固態OLED顆粒所定義，其係懸浮和/或溶解於載液。傳統的載液包括可能具有低蒸氣壓的溶劑。
噴頭210可以包括一或更多個電阻加熱器。於圖2，電阻加熱器220顯示於噴頭210的遠端表面上。雖然圖2的示意圖顯示電阻元件220是在噴頭210的遠端(底部)表面上，但也有可能將加熱器置於近端(頂部)表面上。也可能在噴頭的近端和遠端表面上都包括電阻加熱器。於操作性的具體態樣，液體材料230是在噴頭210的近端表面接收，並且抽入微孔洞212。在配送之前，電阻加熱器220從OLED材料230移除實質所有的載液並且蒸發固態OLED材料。此過程示意地顯示於圖3，其中OLED蒸氣330從噴頭310來配送。在配送之前，OLED顆粒可以被蒸發。昇華的顆粒乃接收於比噴頭310的遠端表面(以及加熱器320)還冷的基板300。溫度的差異使OLED材料330凝結在基板300上，藉此形成OLED膜340。
圖4A示範傳統的盲OLED噴頭。相較於圖3所示的噴頭，盲噴頭具有的微孔洞乃在一端封閉。於圖4A，微孔洞412形成為噴頭410中的盲微孔洞。加熱器420定位於噴頭410的近端表面上。加熱器420經由打線接合440而與電源450相通。
於操作時，噴頭410的盲孔洞412接收OLED材料460，其包括一定量的固態顆粒懸浮和/或溶解於載液。OLED材料460經由微孔洞的毛細管作用而抽入微孔洞412。然後啟動加熱器420，並且噴頭410繞著軸旋轉(或相對於基板而定位)以面向基板400，如箭號所示。圖4B示意地顯示從噴頭410之盲孔洞的配送過程。在此，加熱器420已經從OLED材料460蒸發載液。此外，固態顆粒已經實質被蒸發。在面向基板400時，蒸發的OLED材料460從盲微孔洞配送，並且凝結在基板400上而形成OLED膜470。
如所述，最佳的製造要求OLED膜470具有均勻的厚度和足夠的印刷解析度。OLED材料460從噴頭410噴出，並且當它接近基板時側向分散。噴頭420對基板400的鄰近度可以直接影響OLED膜470的厚度均勻性和解析度。因此想要使印刷間隙降到最低，而達到相當於可接受之印刷特色邊緣分散的距離，其於典型用途可以差不多為20~30微米。小於50微米的印刷間隙則阻礙噴頭的遠端表面使用打線接合或其他突起特色。
圖5示意地顯示本揭示一具體態樣。相對於傳統的噴頭，圖5的具體態樣界定出整合式裝置，其可以輕易組合(或分解)成大陣列的印刷器，而沒有打線接合從噴頭表面突起。打線接合也阻礙OLED材料達成足夠特色解析度和厚度均勻性所要求的小間隙印刷。於圖5，噴頭510顯示在其遠端表面上具有盲孔洞512。噴頭510可以由矽晶粒所形成。電阻加熱器550連接於噴頭的近端表面。支持結構520經由一系列的交互連接(包括凸塊下金屬(under-bump metal，UBM) 526、焊料凸塊524、封裝墊522)而耦合於噴頭/加熱器。交互連接經由連接線562和564而提供電阻加熱器550和電源供應器560之間的電連接。支持結構520可以包括一或更多種陶瓷或半導體材料。支持結構520包括內部電線542和544，其分別連通於連接線562和564。
控制器590可以包括一或更多個處理器電路(未顯示)和一或更多個記憶體電路(未顯示)以控制電源560。控制器590控制一或多個噴頭的加熱。為此目的，記憶體電路可以包含用於處理器的指令以熱OLED材料而實質移除所有的載液，以及啟動加熱器以從微孔洞512蒸發和噴出固態OLED顆粒於基板上。於範例性具體態樣，記憶體電路也可以包含指令以將噴頭帶去極靠近印刷基板。此種指令可以在處理器電路和一或更多個致動系統的輔助下來實施，其中基板和/或噴頭當中一或二者在印刷之前乃相對於彼此來定位(校準)。
圖6A和6B示意地顯示根據本揭示之具體態樣的印刷過程。於圖6A，噴頭模具610定位成在微孔洞612接收OLED材料605。OLED材料605包括於載液中的固態和溶解的OLED顆粒。整合式系統601包括噴頭模具610、支持結構620、加熱器650、UBM金屬626、焊球624、封裝墊622、電接觸630。支持結構620包括電線640以將加熱器650連接到電源供應器(未顯示)和/或控制器(未顯示)。在接收OLED材料605時，可以啟動電阻加熱器650以從噴頭的遠端表面蒸發實質所有的載液。
間隙613形成於噴頭模具610中以形成隔離的結構並且減少噴頭加熱部分的熱質量。因此，噴頭的油墨接收部分可以快速且有效率地加熱。應該注意間隙613僅出現於圖6的結構輪廓中。底下將討論整合式噴頭的平面圖。
UBM金屬626、焊球624、封裝墊622可以做成導電的，以便把電力通往電阻加熱器650。依據本揭示的具體態樣，整合式系統601界定出不包括打線接合的實心系統。
參見圖6B，整合式噴頭現在相對於基板而定位和校準，致使噴頭的遠端表面面向基板600。於本揭示一具體態樣，在校準之後，可以使用電阻加熱器以蒸發維持於微孔洞中的任何OLED材料。蒸發的OLED材料607凝結在基板600上而形成OLED膜609。
如所述，很想要沉積具有均勻厚度和足夠特色界定度的OLED膜607。申請人已經發現OLED膜607的厚度均勻性和印刷解析度乃直接關聯於跨越噴頭模具610遠端表面和基板600之間的間隙611。於本揭示的具體態樣，間隙611乃建構成小於30微米。於較佳的具體態樣，間隙的範圍在25~30微米。於另一較佳具體態樣，間隙小於20微米。於範例性具體態樣，噴頭模具的遠端表面界定出小於20微米的平坦度容許誤差。於另一範例性具體態樣，遠端容許誤差的範圍在5~10微米。
圖7A顯示根據本揭示一具體態樣的整合式組件。整合式組件700包括支持結構760、焊料凸塊接合750、懸掛結構720、懸掛平臺710。如所述，支持結構760可以由陶瓷材料所形成。絕緣溝槽770也顯示於圖7A，其分別對應於圖5和6所示的間隙513和613。懸掛結構720能使噴頭的微孔洞熱絕緣於固態質量的其餘部分。
圖7B顯示根據本揭示一具體態樣的噴頭模具。噴頭模具705顯示有懸掛平臺710、懸掛結構720、加熱器金屬730、凸塊下金屬(UBM)墊740。從圖7A和7B可以輕易看出將噴頭模具705組合在支持結構760上則將包括耦合二部分並且重熔焊料凸塊接合750。因此，揭示的具體態樣導致有顯著的製造效率。
圖8A顯示根據本揭示之具體態樣的整合式噴頭支持結構。整合式噴頭支持結構800顯示在其兩端具有凸緣810，其提供維持系統。噴頭支持結構800也顯示具有結合墊820，其可以由金、銀或任何其他可以由焊料所溼潤的導電材料所做成。
圖8B是圖8A之噴頭支持結構的爆炸圖。在此，結合墊820顯示在整合式噴頭組件的頂層上，接下來是第一組電導通孔830、內部繞線840、第二組電導通孔850。如從圖8A和8B所見，模組化設計可以提供顯著的製造效率。層狀設計可以由氧化鋁和鎢電線所製成。於範例性具體態樣，諸層是網版印刷而成。噴射焊球或電鍍焊料可以用於共晶重熔模具附接。於一具體態樣，使用組成差不多是95重量%的錫、小於5重量%的銀、小於1重量%的錫之焊球來提供電、熱、機械連接。焊球可以設計成在噴頭和支持結構之間提供範圍在約100~400微米的分開間隙。於另一具體態樣，間隙的範圍在約200~300微米。
圖8C顯示圖8A所示之支持結構的底側。特定而言，圖8C顯示電接觸墊870，其允許控制器(圖5的590)和/或電源供應器(圖5的560)與噴頭相通。凸緣810也顯示於圖8C。加熱器730所產生的熱經由熱接觸區域880而從整合式噴頭轉移到熱槽。
圖9是實施本揭示之具體態樣的範例性方法。圖9的方法開始於步驟910，其中一或更多個微孔洞形成於模具中。於一具體態樣，微孔洞是盲微孔洞。於另一具體態樣，微孔洞界定出連接模具之頂面和底面的腔穴。於又一具體態樣，一系列之盲的完全微孔洞形成於矽晶粒上。於步驟920，電阻加熱器形成於模具的一或二表面上。電阻加熱器可以由傳統的材料所做成。於步驟930，支持結構使用陶瓷材料而形成，其中支持結構乃建構成具有電線以與電阻加熱器相通。於步驟940，支持結構乃使用一或更多個連接器而耦合到噴頭。連接器可以藉由提供凸塊下金屬(UBM)於加熱器上、沉積焊料凸塊於UBM上、將封裝墊插在焊料凸塊和支持結構之間而形成。當接合時，噴頭和支持結構形成實心狀態的整合式單元，而沒有延伸出打線接合。此外，因為噴頭提供實心狀態單元，所以噴頭的遠端上沒有接線；這能使噴頭定位成格外鄰近基板，此轉而允許印刷出顯著改善的平坦OLED膜。
圖10A~10C示意地呈現根據本揭示一具體態樣來印刷OLED膜。於圖10A~10C，噴頭相對於OLED供應器和基板是靜止的。參見圖10A，OLED供應器1010配送OLED液滴1015到噴頭1030的表面上。雖然未顯示，但是噴頭包括一或更多個微孔洞和電阻加熱器(包括控制電路)，如上所述。噴頭1030是以夾具1020來保持靜止。於圖10B，玻璃面板1050定位於噴頭上方。此外，啟動與噴頭1030相關的加熱器，如此以蒸發包含於OLED液滴1015(圖10A)的實質所有載液。於圖10C，電阻加熱器造成OLED材料從噴頭1030蒸發並且凝結於基板1050上。於圖10A~10C所示的過程期間，噴頭1030保持靜止，而OLED供應器1010和基板1050則相對於噴頭來移動和校準。噴頭1030所形成的膜1055界定出具有所要厚度和表面起伏型態的OLED膜。
雖然本揭示的原理已經關聯於在此所示的範例性具體態樣而示範，但是本揭示的原理並不限於此，而是包括其任何的修改、變化或交換。
100．．．基板
110．．．OLED膜
200．．．基板
210．．．OLED噴頭
212．．．微孔洞
220．．．電阻加熱器
230．．．OLED材料
300．．．基板
310．．．噴頭
320．．．加熱器
330．．．OLED材料
340．．．OLED膜
400．．．基板
410．．．噴頭
412．．．微孔洞
420．．．加熱器
440．．．打線接合
450．．．電源
460．．．OLED材料
470．．．OLED膜
510．．．噴頭
512．．．盲孔洞
513．．．間隙
520．．．支持結構
522．．．封裝墊
524．．．焊料凸塊
526．．．凸塊下金屬
530．．．接觸墊
542、544．．．內部電線
550．．．電阻加熱器
560．．．電源供應器
562、564．．．連接線
590．．．控制器
600．．．基板
601．．．整合式系統
605．．．OLED材料
607．．．蒸發的OLED材料
609．．．OLED膜
610．．．噴頭模具
611．．．間隙
612．．．微孔洞
613．．．間隙
620．．．支持結構
622．．．封裝墊
624．．．焊球
626．．．凸塊下金屬
630．．．電接觸
640．．．電線
650．．．加熱器
700．．．整合式組件
705．．．噴頭模具
710．．．懸掛平臺
720．．．懸掛結構
730．．．加熱器金屬
740．．．凸塊下金屬墊
750．．．焊料凸塊接合
760．．．支持結構
770．．．絕緣溝槽
800．．．整合式噴頭支持結構
810．．．凸緣
820．．．結合墊
830．．．電導通孔
840．．．內部繞線
850．．．電導通孔
870．．．電接觸墊
880．．．熱接觸區域
1010．．．OLED供應器
1015．．．OLED液滴
1020．．．夾具
1030．．．噴頭
1035．．．沉積膜
1050．．．基板
1055．．．OLED膜
本揭示的這些和其他具體態樣已參考上面範例性且非限制性的示範而加以討論，其中類似的元件做類似的編號，並且其中：
圖1示意地顯示包含OLED膜的基板；
圖2是傳統開放式噴頭的示意圖；
圖3示意地顯示使用傳統開放式噴頭的OLED印刷；
圖4A示範盲OLED噴頭；
圖4B示意地顯示配送過程；
圖5示意地顯示本揭示之具體態樣的截面圖；
圖6A和6B顯示根據本揭示之具體態樣的印刷過程；
圖7A顯示根據本揭示一具體態樣的整合式組件；
圖7B顯示根據本揭示一具體態樣的噴頭模具；
圖8A顯示根據本揭示之具體態樣的整合式噴頭支持結構；
圖8B是圖8A之整合式噴頭支持結構的爆炸圖；
圖8C顯示圖8A之整合式噴頭組件的背面；
圖9是實施本揭示之具體態樣的範例性方法；以及
圖10A~10C示意地呈現根據本揭示一具體態樣來印刷OLED膜。
600．．．基板
607．．．蒸發的OLED材料
609．．．OLED膜
610．．．噴頭模具
611．．．間隙

Claims (32)

  1. 一種整合式噴頭，其包括：噴頭模具，其上支持多個微孔洞；支持結構，其支持噴頭模具；加熱器，其在噴頭模具上而插在噴頭模具和支持結構之間；以及電線，其將加熱器連接到電源供應器；其中支持結構經由穿過其中所形成的導通孔而容納電線。
  2. 如申請專利範圍第1項的噴頭，其中至少一微孔洞界定出盲微孔洞。
  3. 如申請專利範圍第1項的噴頭，其中支持結構包括陶瓷材料。
  4. 如申請專利範圍第1項的噴頭，其中加熱器乃線性配置於噴頭模具的近端表面上，並且多個微孔洞乃配置於噴頭模具的遠端表面上。
  5. 如申請專利範圍第4項的噴頭，其中噴頭的遠端表面界定出約5~10微米的平坦度容許誤差。
  6. 如申請專利範圍第1項的噴頭，其進一步包括互補電線，其將加熱器連接到互補電源供應器。
  7. 如申請專利範圍第1項的噴頭，其中整合式噴頭模具界定出不包括外部接線的裝置。
  8. 如申請專利範圍第1項的噴頭，其中噴頭模具進一步包括第一溝槽，其形成穿過噴頭模具的腔穴。
  9. 如申請專利範圍第1項的噴頭，其進一步包括至少一連接器，其將支持結構連接到噴頭模具上的至少一加熱器。
  10. 如申請專利範圍第9項的噴頭，其中連接器包括焊料凸塊、封裝墊或凸塊下金屬(UBM)當中至少一者。
  11. 如申請專利範圍第9項的噴頭，其中連接器接收電線。
  12. 一種形成整合式噴頭裝置的方法，該方法包括：形成多個微孔洞於噴頭模具的遠端表面上；形成加熱器於噴頭模具的近端表面上；形成至少一電線於支持結構上；以及經由連接器而將支持結構連接到電加熱器或噴頭模具當中一者；其中支持結構提供電源供應器和加熱器之間的實心狀態連接，以及其中連接器提供用於該連接的路徑。
  13. 如申請專利範圍第12項的方法，其中至少一微孔洞界定出盲微孔洞。
  14. 如申請專利範圍第12項的方法，其中噴頭模具包括矽材料。
  15. 如申請專利範圍第12項的方法，其中支持結構進一步包括陶瓷材料。
  16. 如申請專利範圍第12項的方法，其中噴頭的遠端表面界定出約5~10微米的平坦度容許誤差。
  17. 如申請專利範圍第12項的方法，其進一步包括經由互補電線而將加熱器連接到互補電源供應器。
  18. 如申請專利範圍第12項的方法，其中整合式噴頭晶片界定出不包括外部接線的實心狀態裝置。
  19. 如申請專利範圍第12項的方法，其進一步包括形成穿過噴頭模具的溝槽。
  20. 如申請專利範圍第12項的方法，其進一步包括經由多個連接器而將支持結構連接到加熱器或噴頭模具當中至少一者。
  21. 如申請專利範圍第12項的方法，其進一步包括藉由在加熱器上的連接位置形成凸塊下金屬(UBM)、沉積焊料凸塊於UBM上、將封裝墊插在焊料凸塊和支持結構之間而形成連接器。
  22. 一種用於印刷OLED在基板上的噴頭，其包括：噴頭模具，其具有近端表面和遠端表面，該遠端表面界定出多個微孔洞；加熱器，其熱連通於噴頭模具的近端表面；以及支持結構，其支持噴頭模具，該支持結構提供將加熱器連接到電源供應器的電線；其中噴頭模具連同加熱器和支持結構形成了實心狀態噴頭，以及其中噴頭模具的遠端表面界定出小於20微米的平坦度容許誤差。
  23. 如申請專利範圍第22項的噴頭，其中噴頭模具界定出小於10微米的平坦度容許誤差。
  24. 如申請專利範圍第22項的噴頭，其中噴頭模具界定出範圍在約5~10微米的平坦度容許誤差。
  25. 如申請專利範圍第22項的噴頭，其中多個微孔洞當中至少一者界定出盲微孔洞
  26. 如申請專利範圍第22項的噴頭，其中支持結構包括陶瓷材料。
  27. 如申請專利範圍第22項的噴頭，其中電線包括用於將加熱器連接到電源供應器的連接。
  28. 如申請專利範圍第22項的噴頭，其中噴頭模具進一步包括第一溝槽，其形成穿過噴頭模具的腔穴。
  29. 如申請專利範圍第22項的噴頭，其進一步包括連接器，其將支持結構連接到加熱器。
  30. 如申請專利範圍第29項的噴頭，其中連接器包括焊料凸塊、封裝墊或凸塊下金屬(UBM)當中至少一者。
  31. 如申請專利範圍第29項的噴頭，其中連接器接收電線。
  32. 如申請專利範圍第22項的噴頭，其中噴頭在印刷時乃定位成離基板不大於約40微米。
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