用于可弯曲显示器OLED聚合物堆叠的精密激光切割

有机聚合物被用作许多微电子和显示设备的基底和其他组件。例如在微电子技术中，聚酰亚胺（PI）被用作钝化层、绝缘体和α粒子阻挡层。柔性电子设备使用PI作为基板和封装层，而液晶显示器（LCD）使用聚酰亚胺作为对准层。

图1a：实验确定的清除PI、PET和HC的烧蚀阈值

在可见光波长下高度透明的新型PI（透明PI）被用作柔性有机LCD（OLCD）和有机发光二极管（OLED）显示器中的基板和密封剂。含有硬质无机颗粒添加剂的丙烯酸树脂用于耐刮擦、抗指纹的硬涂层（HCs），聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）用于柔性OLED制造工艺中的透明基板和保护层。

最近开发出用于柔性和触摸敏感OLED的新型薄膜堆叠，以促进可折叠智能手机和可滚动显示器的新兴设计。这些堆叠通常采用柔性PET层和一薄层压敏粘合剂（PSA）作为可移除的保护层。光学透明PI用作基底和密封剂，而工程聚合物HCs或超薄玻璃（UTG）用于防划伤、防指纹层。

聚乙烯醇（PVA）薄膜用于偏振器层。在所有显示器组件层中实现较小的弯曲曲率半径，同时在较长的弯曲周期内保持功能，对于OLED设备制造来说是一个挑战。超薄玻璃易碎，难以制造和处理，因此在许多OLED设备中被PI/HC层所取代。

合适的加工工具

用于器件分割和特征生成的激光切割是唯一满足OLED制造所需精度的方法。超薄玻璃薄膜可以使用贝塞尔光束加工和红外皮秒激光器进行激光切割，但这种方法不适用于OLED聚合物堆叠。红外激光源以光热方式切割材料，产生局部高温切割区，该切割区通常会产生明显的外围热影响区。虽然超薄玻璃可以承受相对较高的温度，因此可以抵抗热影响区的形成，但有机聚合物很容易受到热损坏，并且红外激光源通常会产生不可接受的热影响区。

因此，高功率超短脉冲（皮秒或飞秒）紫外激光源被用于许多聚合物薄膜的精密切割。在切割过程中，紫外线波长有助于光热蒸发过程中的键断裂，切割是通过光烧蚀机制产生的。由于有机聚合物的光烧蚀阈值范围很广，因此使用皮秒脉冲紫外激光器切割OLED需要每个薄膜的聚合物特定激光源参数。

此外，OLED堆叠中使用的聚合物表现出非常不同的热影响区特性。因此，如果要实现最佳的整体质量和吞吐量，OLED堆叠的激光切割需要将激光源参数调整为堆叠内每层的先前优化值。

图1b：光学显微镜图像显示透明PI、PET 和HC材料的不同烧蚀特性

图1c：HC 切割优化的测试结果

MKS评估了使用高功率皮秒紫外混合光纤激光器（光谱物理IceFyre紫外皮秒激光器）对多层聚合物堆叠进行光烧蚀切割的情况，如可折叠OLED应用中使用的聚合物堆叠。IceFyre UV50激光器输出>50W的UV功率，脉冲能量>40µJ（突发模式下为100µJ），重复频率从单次激发到10MHz，典型脉冲宽度为10ps。该系统还允许使用时移技术进行脉冲裁剪，以产生具有恒定脉冲能量、可调脉冲重复频率和低至10ns的可变脉冲间隔的可编程脉冲波形。

OLED显示行业供应商开发的聚合物测试堆叠用于确定单脉冲烧蚀阈值和切割结果。它由50μm厚的透明PI膜、一个表面上12μm厚的工程复合HC层（一个嵌入无机粒子如高硬度玻璃/陶瓷纳米粒子的有机聚合膜）和一个50μm厚的保护性PET膜组成，该PET膜通过一个4μm厚的PSA涂层附着在HC层上。这些测试中解决的挑战是调整激光源参数，以在高切割速度下为整个堆叠生成高质量切割。

图2a：堆叠切割结果显示PI、HC 和PET层的优化切割

图2b：横截面显示没有分层或碎片在切割表面上涂抹的迹象

透明PI的阈值相对较低，约为0.25J/cm2，与传统PI的阈值相似，并且与紫外线能量的强线性吸收一致。PET材料的阈值是透明PI的两倍以上，约为0.56J/cm2，与355nm的更高透明度一致。工程复合材料HC层显示出最高阈值，为2.4J/cm2，约为透明PI的10倍。这一结果预计适用于玻璃材料和超短紫外脉冲激光器。单脉冲试验也强调了材料之间非常不同的烧蚀特性。虽然透明PI显示出干净的光烧蚀，但PET和HC材料分别显示出热熔融和脆性断裂的迹象（图1b）。

一旦获得了切割每种材料的优化激光源参数，堆叠切割试验确定了优化的OLED堆叠切割过程。阈值研究表明，堆叠切割是一个重大挑战，因为用于优化吞吐量和质量的激光源参数在每一层都有显著差异。

在这里，IceFyre激光源在飞行中改变参数的能力被证明是非常宝贵的。使用大焦点尺寸和中等激光注量切割透明PI层后，单焦点和PRF调整优化了切割HC层的激光源。切割HC层后，更热敏感的PET层只需要将激光源调整到较低的PRF值。IceFyre激光器在每个触发的PRF处自动输出最大脉冲能量，或者可以根据需要通过编程将其调整到适当的设置。如图2所示，经过优化的最终堆垛切割过程产生了良好的结果。

OLED叠层切割工艺的总切割速度大于400mm/s，与其他厚度相似的聚合物叠层的切割速度相似或略好。切割试验显示，对于透明PI和PET层，边缘加热热影响区值<10μm，对于临界HC层，边缘加热热影响区值<5μm。横截面检查表明，切割表面没有分层、粘合剂涂抹或热影响区迹象。

结论

有机聚合物（即聚酰亚胺、PET、聚乙烯醇等）的分层堆叠构成了新型微电子和显示设备（如可折叠电话、卷帘显示器和电视）的关键组件。当制造包含这些聚合物叠层的设备时，设备分离和特征生成中使用的精密切割工艺需要新的先进激光技术。

采用超短脉冲技术并结合紫外线波长的激光器已在应用中得到证实，成功地为各种聚合物层堆叠提供了精确切割能力。本文中提供的数据演示了如何使用光谱物理IceFyre皮秒混合光纤紫外激光器和时移皮秒技术，为开发高质量设备功能和高吞吐量的制造工艺提供一个灵活的平台。

来源：荣格-《国际工业激光商情》

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