事實證明，工業(yè)級高功率紫外皮秒激光器能夠?qū)崿F(xiàn)絕大多數(shù)材料的高精度加工，且高效經(jīng)濟(jì)，可最大限度減少加工過程中產(chǎn)生的HAZ區(qū)域。因此得到了廣泛應(yīng)用。本文回顧了這種應(yīng)用使用情況，結(jié)果顯示，對于燒蝕閾值較低的敏感材料，提高激光重復(fù)頻率可以同時提高其工藝產(chǎn)量和質(zhì)量。

OLED顯示屏的需求日益增長，這使得制造商承受著巨大壓力，他們需要在增加產(chǎn)量的同時提高工藝?yán)寐什⒆畲笙薅忍嵘a(chǎn)出率。但是，OLED 顯示屏的分層結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，需要在制造過程中實現(xiàn)極高精度，因此實現(xiàn)這些目標(biāo)頗具挑戰(zhàn)性。與此同時，在元件上進(jìn)行切割和分離這兩大工藝幾乎是在價值較高的接近成品上實施，加工效果非常重要。超短脈沖激光器已經(jīng)被驗證是實現(xiàn)此類應(yīng)用的最佳工具，而最近的成果顯示，高脈沖重復(fù)頻率的超短脈沖激光器則能進(jìn)一步提高加工的產(chǎn)能和質(zhì)量。本文將詳細(xì)介紹超短脈沖激光切割以及對 OLED 材料進(jìn)行高重復(fù)頻率切割的最新成果。

 

柔性O(shè)LED的切割要求

 

OLED 顯示屏由相對較薄而復(fù)雜的異構(gòu)材料堆疊而成，其中大部分材料熱敏性較高，且全部沉積于聚合物基板上。具體而言，OLED 包含一層硅基薄膜晶體管 (TFT)、多層活性有機(jī)材料、一層透明銦錫氧化物 (ITO) 導(dǎo)體以及其他半導(dǎo)體和聚合物材料（例如 PET 或聚酰亞胺）。

圖 1. 典型柔性 OLED 結(jié)構(gòu)的簡化示意圖（未按比例尺繪制）。在加工期間的某個時間點會移除玻璃載體。

對于智能手機(jī)和智能手表，柔性 OLED 顯示屏已變得頗為流行，與傳統(tǒng)的剛性玻璃顯示屏加工方式相比，具有獨特的加工要求。尤其是當(dāng)柔性 OLED 也在玻璃基板上生產(chǎn)時，OLED 顯示屏?xí)诠に嚵鞒棠硞€時間點從臨時玻璃載體上移除。通常，可以使用一種準(zhǔn)分子激光技術(shù)（稱為“激光剝離”）實現(xiàn)。

 

雖然OLED 顯示屏從載體上分離的時間和工序步驟因制造商而異，但所有柔性 OLED 都必須精確剪裁成最終形狀。而剪裁工作通常在向成品顯示器電路添加完其它功能層（偏振鏡、觸摸傳感器）之后進(jìn)行。這種最終形狀越來越多地包括圓角切割和輪廓成形，甚至是挖剪。

 

一般來說，這些要求意味著切口寬度僅為 25 µm，整個加工影響區(qū)不超過幾十微米。傳統(tǒng)機(jī)械切割完全不能滿足這個高精準(zhǔn)的加工要求。此外，從實用角度而言，只有能提供24/7工業(yè)生產(chǎn)可靠性、高產(chǎn)量和良率超過 99.9% 的切割方法才具有經(jīng)濟(jì)效益。激光切割是唯一能夠滿足柔性 OLED所有加工需求的工藝。

 

為了實施激光切割，激光束通常會通過一對掃描振鏡的鏡片，通過其聚焦在OLED表面形成一個直徑為10~20µm的圓斑。由于掃描透鏡的范圍相對有限（通常只有幾百毫米），而如果采用電機(jī)驅(qū)動的 XY平臺結(jié)合激光束掃描操作，則可提供更大的運動范圍。另一種可選方式采用了XY平臺和固定鏡，樣品在固定激光束的下方移動。

 

紫外的優(yōu)勢

 

超短脈沖激光器的紅外、綠光和紫外被廣泛應(yīng)用于商業(yè)領(lǐng)域。就OLED而言，幾乎使用的所有材料（半導(dǎo)體和聚合物）在紫外光譜范圍內(nèi)都有良好吸收性，因此采用紫外尤其有利。對紫外光的極強(qiáng)吸收性限制了光線在材料內(nèi)的穿透深度，因此可以在加工時進(jìn)行精細(xì)的控制并進(jìn)一步減小熱影響區(qū)域。此外，幾乎針對所有材料，工藝質(zhì)量（具體而言，是指切口寬度）通常會隨波長的降低而提高（參見圖2），因此超短脈沖紫外光激光器成為此應(yīng)用領(lǐng)域的理想選擇。

圖 2. 使用相干公司的 HyperRapidNX 激光器（分別輸出紅外光、綠色可見光和紫外光）在玻璃上刻劃的220 µm 厚的模擬顯示層。上圖可證明降低波長對改善切割質(zhì)量的影響。

除了這些因素之外，激光器還必須能夠產(chǎn)生高質(zhì)量的高斯光束，光束在工件上聚焦成一個大小為 10 – 20 µm 的點，用于進(jìn)行干凈利落的切割。而且，此光束最好高度對稱，確保在切割方向改變時切口和熱影響區(qū)域保持不變。

 

圖3 所示為相干公司的HyperRapid NX 激光器，在工作波長為355 nm 時，放射出的光束在聚焦成15 µm 的光束腰時可在超過500 µm 的聚焦深度上保持大于90% 的對稱度。無論顯示屏實際形狀多么復(fù)雜，激光器都可以確保切透典型厚度（在200 – 400 µm 范圍內(nèi)）OLED堆疊的最佳切割質(zhì)量。最后，該激光器必須具備工業(yè)級穩(wěn)定性和可靠性，以便在24/7工業(yè)生產(chǎn)中保持預(yù)期的產(chǎn)出率。

圖 3. 相干公司的 HyperRapid NX 激光器在工作波長為355 nm 時，放射出的光束在聚焦成 15 µm 的光束腰時可在超過500 µm 的聚焦深度上保持大于 90% 的對稱度。 

 

更高的重復(fù)頻率可實現(xiàn)最佳工藝性能

 

30W 皮秒紫外激光器除了從功能上符合上述所有要求，每功率的單位成本也極具競爭優(yōu)勢，因此成為了OLED切割工藝的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用解決方案。這類商用產(chǎn)品在30W 紫外輸出時可實現(xiàn)最高 400 kHz 的重復(fù)頻率。最近市場上推出了具有更高重復(fù)頻率的激光器，于是相干公司的應(yīng)用工程師調(diào)查了是否能夠利用這些更高的重復(fù)頻率來進(jìn)一步優(yōu)化或改進(jìn)工藝。

 

具體而言，相干公司的團(tuán)隊實施了一項周密的應(yīng)用研究，以確定在切割 OLED 顯示屏?xí)r的最佳加工條件。有趣的是，這項研究顯示，目前在生產(chǎn)中使用的高能工藝只是次優(yōu)方案。更具體地說，這些結(jié)果顯示，將平均功率保持在 30W 這一業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)水平時，更高的重復(fù)頻率可以同時提高產(chǎn)量和質(zhì)量。

 

要理解為何能夠做到這一點，研究在微加工工藝中燒蝕率與峰值脈沖通量之間的典型關(guān)系是非常有用的 [1]。這種關(guān)系的通用曲線如圖 4 所示（未注明具體單位）。實驗證明，這類關(guān)系適用于敏感材料（例如 OLED）和“難加工”材料（包括玻璃和陶瓷）的切割。發(fā)生改變的只有燒蝕率和通量的實際數(shù)值（峰值脈沖通量較低時，脆性材料燒蝕率最佳）。

圖 4. 微機(jī)械加工工藝中燒蝕率與峰值脈沖通量

之間的依賴關(guān)系。

峰值脈沖通量是脈沖能量、焦點大小和脈沖寬度的函數(shù)。但假設(shè)激光器及其光學(xué)系統(tǒng)的聚焦光束特性不變，則峰值通量主要是脈沖能量的函數(shù)。如果激光器的平均功率保持恒定，則峰值脈沖通量與重復(fù)頻率成反比（因為平均功率 = 脈沖能量 x 重復(fù)頻率）。本圖 x 軸也可以表示“重復(fù)頻率”，其數(shù)值從左向右遞減，這直接對應(yīng)于不斷增加的脈沖能量/峰值脈沖通量（所有其他因素保持不變）。

 

這一典型曲線呈鐘形，峰值燒蝕率在最佳通量（通常相當(dāng)于材料開始燒蝕所需通量5-10 倍）下實現(xiàn)。當(dāng)超過最佳通量時，盡管用于加工材料的能量更高，但工藝效率會下降，浪費的能量會作為熱量傳遞到材料中，從而降低切割質(zhì)量。遺憾的是，這種并非最佳的方案在當(dāng)今各家工廠的 OLED 生產(chǎn)工藝中頗具代表性。在超過最佳水平的通量下加工只會降低產(chǎn)量，而不會改善任何其他參數(shù)。

 

實際上，通常最好的做法是在圖中位于峰值燒蝕點右側(cè)的“甜蜜區(qū)”中進(jìn)行加工。這是因為圖中的這一部分相對平緩，故而在此點產(chǎn)生的偏差也較小（由于材料質(zhì)量和光束傳輸存在的細(xì)微差異、機(jī)器之間的差異或環(huán)境因素，此類偏差不可避免）；不要在曲線上較為陡峭的部分進(jìn)行加工，因為這會導(dǎo)致結(jié)果受到嚴(yán)重影響。

 

實驗結(jié)果

 

用于印證這些假說并量化結(jié)果的測試在兩組不同的樣品材料上實施，兩者分別代表了目前的顯示屏技術(shù)。第一組材料是總厚度為 400 µm 的基板，其組成為 PET | OCA 粘合劑 | 偏振器 | OCA 粘合劑 | PET。第二組材料是總厚度為 230 µm 的三明治結(jié)構(gòu)，其組成為PET | OCA 粘合劑 | PI | PET。兩種情況下，顯示屏結(jié)構(gòu)中熱敏性最高的層均以斜體表示。

 

從下面的總體效果圖來看，顯然，更高的重復(fù)頻率能夠大幅提高切割質(zhì)量，其中一個值得注意的原因就是熱影響區(qū)域 (HAZ) 較淺。

圖 6. 如在樣品材料 2 上進(jìn)行激光切割（掃描速度為 0.5 m/s）的照片所示，在提高重復(fù)頻率的情況下，切割質(zhì)量同樣得到了明顯提高。

下一組圖表對這些結(jié)果進(jìn)行了量化。圖中顯示了兩種掃描速度的結(jié)果：較低的掃描速度為 0.5 m/s，代表的是采用轉(zhuǎn)換平臺在固定光束輸出下移動樣品的設(shè)置；較高的掃描速度為 2 m/s，代表的是使用商用掃描振鏡輸出的光束。具體而言，前兩張圖表顯示，對于測試的兩種材料，熱影響區(qū)域隨著重復(fù)頻率的提高而穩(wěn)步減小，其中使用兩種掃描速度的較低者 (0.5 m/s) 時的改善最大。在上述操作條件下，樣品 1 的熱影響區(qū)域減小系數(shù)接近于 2.5。

 

下兩張圖表顯示，切割質(zhì)量的改善還與有效切割速度的提高相對應(yīng)。對于第二種樣品（PET | OCA 粘合劑 | PI | PET），在相同的 30W 輸出功率下，僅通過提高重復(fù)頻率而實現(xiàn)的改善系數(shù)為 2。

 

本測試中質(zhì)量和速度改善情況的精確數(shù)值與所使用的特定材料和測試條件有關(guān)。但是，鑒于先前所述的激光通量與燒蝕率之間的關(guān)系具有廣泛的適用性，我們有理由假設(shè)它們適用于幾乎所有集成方案，而無論是否采用移動平臺或使用何種掃描振鏡速度。另外，對于通廣泛采用的 30W 紫外光超短脈沖激光器加工脆性材料的大多數(shù)現(xiàn)有應(yīng)用，也可以利用同樣的方法實現(xiàn)改進(jìn)。

 

結(jié)論 

 

相干公司最新的 HyperRapid NX 可在最高 1600 kHz 的重復(fù)頻率下提供 30W 的紫外光平均功率，并且具有與其前代產(chǎn)品相同、在市場上領(lǐng)先的光束質(zhì)量，而前代產(chǎn)品正是藉此成為 OLED 切割應(yīng)用領(lǐng)域的標(biāo)桿。這款新的高功率皮秒級激光器將構(gòu)建在與現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)模型完全相同的平臺上，使之可以輕易替換標(biāo)準(zhǔn)激光器。

 

正在建設(shè)新的 OLED 顯示屏生產(chǎn)線的廠商，可選擇在當(dāng)前行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)運營的同時從產(chǎn)量的提高中獲益。產(chǎn)量提升空間的幅度取決于整條生產(chǎn)線的設(shè)計。根據(jù)本文介紹的結(jié)果，激光切割工藝步驟有可能實現(xiàn)兩倍的速度增幅。但無論細(xì)節(jié)如何，考慮到普通工廠月產(chǎn)量超過 15,000 塊面板，單位部件成本的節(jié)約蘊含著巨大潛力。

 

對于目前擁有生產(chǎn)線的廠商而言，這種改進(jìn)的OLED 切割工藝能快速將質(zhì)量提升數(shù)倍（同時保持現(xiàn)有的生產(chǎn)速度）。同樣，實際的質(zhì)量改善潛力取決于OLED 堆疊結(jié)構(gòu)和工具設(shè)計。顯然這有助于實現(xiàn)下一代屏幕，消費者期望消除顯示屏邊框從而提高產(chǎn)品質(zhì)量。

HyperRapid NX是相干公司新一代的超短脈沖激光器，提供的性能和可靠性能夠滿足注重成本的高產(chǎn)量工業(yè)制造應(yīng)用的需求。