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【深度解析】OLED蒸鍍段關鍵材料FMM必讀干貨!

2015-12-08 17:43:37

FMM全稱為Fine Metal Mask(精細金屬掩模版),其主材主要是金屬或金屬+樹脂。

圖1:OLED RGB的FMM制程

由于目前AMOLED面板量產的主流方法是真空蒸鍍,而真空蒸鍍必須用到FMM蒸鍍技術,在干式制程中運用遮罩將RGB三種光色分子分別附著于狹小的區域中。應用于大尺寸面板時,大尺寸Mask在蒸鍍制程中易產生變形與材料過度使用等弊病,維持平坦的表面是制程相對較難的精密金屬遮罩的關鍵技術。

FMM是在LTPS光盤下面帶上的精細的金屬掩模。掩膜是一種在薄鋼板上有一個小孔的器件,當沉積有機材料時只能沉積在特定位置。如果您不使用蒙版,則通過將紅色,綠色和藍色放在紅色(R)像素上,將無法獲得純色。因此,在沉積過程中不同的時間使用RGB的每個位置和形狀的不同掩模。

FMM的主要生產方式

從FMM開孔形狀來看,根據FMM的開孔形狀的不同,FMM 可以進一步細分為插槽型和狹縫型。從制作方式上看,FMM可分為fulltype 和dividedtype兩類。


圖2 FMM 開孔形狀分類

生產FMM的方式主要有三種:蝕刻、電鑄和多重材料(金屬+樹脂材料)復合。

蝕刻法—— 主要是通過蝕刻Invar Sheet 的方式制作?,F階段主要的OLED 面板FMM 供應商, 如DNP、凸版印刷和達運等均采用蝕刻技術。該方法制作出的FMM 在現階段最薄可以做到20 μm 左右并達到WQHD 級別分辨率。

  1. Invar薄片兩側涂布光阻;

  2. 通過 UV Mask進行曝光、顯影;

  3. 通過FeCl刻蝕液進行兩側刻蝕;

  4. 在一側涂布UV光阻;

  5. 在另一側通過FeCl刻蝕液繼續進行刻蝕,刻穿并達到規格值后停止;

  6. 剝離所有光阻后,完成 Invar FMM的制作。


圖3 蝕刻法制作流程圖

  1. 電鑄(Electroforming Metal)——通過該方法制作出的FMM 厚度很薄。采用該方法的廠家主要有日本Athene 與Hitachi Maxell。這兩家公司已經將板厚控制到約5 μm, 并正在研發WQHD 分辨率級別的FMM 產品。

  1. 在陰極襯底上涂布光阻;

  2. 通過 UV Mask進行曝光、顯影;

  3. 通過在電鍍溶液中進行電鍍作業,在陰極襯底上沉積 Invar材料,形成圖形;

  4. 剝離光阻;

  5. 剝離陰極襯底,完成 Invar FMM的制作。

  6. 多重材料復合法——主要采用樹脂和金屬材料混合以制作FMM 以應對熱膨脹, V-Technology 目前具有做到厚度為5μm, 且成膜精度位置為2 μm FMM 的能力(向1 μm 發展)。

雖然Hitachi Maxell與V-Technology分別采用電鑄和多重材料復合方式對QHD分辨率以上的FMM有進行研究,但是其產品還未進入量產和廠商驗證階段。

一張FMM主要由frame,cover,support,alignstick,finestick五個部分組成。制作過程是把cover,support,alignstick,finestick以一定的方式焊接在frame上,這一過程稱之為張網。因此,張網機又叫焊接機。

圖4 FMM熱膨脹示意圖

什么要張網——finestick 收縮率設計

蒸鍍過程中有機材料釋放熱量,使FMM和玻璃溫度升高。FMM熱膨脹后變長,與玻璃之間形成縫隙,不利于蒸鍍材料的規則沉積。因此要給FMM一定的預張力。與此對應,finestick 在制作時,要設計一定的收縮率η。這就是為什么要張網的根本原因。

另外,finestick制作來料的totalpitch達不到所需求的PPA,也必須張網后才能達到更好的精度。

定義η=(設計尺寸-實際尺寸)/設計尺寸*100%,假設FMM的熱膨脹系數為α,對于長度為l 的FMM,在溫度升高△T時:

按Invar36平均熱膨脹系數1.6×10-6算,可得出蒸鍍不同溫升的finestick最小收縮率,如下表所示:



FMM材質的選擇及工藝技術要求

FMM制作材料一般選用金屬材料。為降低蒸鍍過程中FMM的熱膨脹效應,frame,cover,support,alignstick,finestick傾向于選用熱膨脹系數較小的材料。比如常用的INVAR36,稱為不變鋼。

Frame:一般厚度及尺寸根據蒸鍍機的規格要求制作。普遍厚度為30mm。材質采用Invar36。由于涉及到張網時焊接原因,Frame加工對平坦度要求比較高,一般要達到50um以內。

Cover/support:一般采用30um~100um厚度的Invar36或者SUS304制作。如果選用Invar36,則是利用Invar熱膨脹系數小的優勢,能保證蒸鍍過程中MASK形變小。如果采用SUS304,則是利用SUS材質不導磁的特點,在蒸鍍過程中減少FMMwrinkle 的產生。

Alignstick:提供張網制作或者是蒸鍍機對位的基準。對材質沒有過多的要求。

Finestick:Finestick是FMM中最復雜,也是技術要求最高的部分。目前比較主流的有四大制作工藝

  1. 蝕刻工藝,不斷減薄基材的厚度,以期獲得更精細的開孔;

  2. 電鑄工藝,利用電鑄工藝特點可以突破蝕刻工藝的瓶頸,開孔更精細,缺點是無法滿足特定的蒸鍍角以及與Invar匹配的物理特性 ;

  3. 蝕刻+激光復合材料 ,利用刻蝕Invar形成基材,在基材上覆蓋PI材料 ,再利用激光工藝在PI表面形成精密開孔,以達到與FMM功能相同的效果。該方法可行性較好,但是設備要求過于苛刻,不適合產業化生產 。

  4. 混合工藝 ,利用電鑄+電鑄或者電鑄+蝕刻等混合工藝,其中電鑄+蝕刻工藝無論是可行性還是產業化都具有獨特的優越性,未來最有希望在這個工藝上突破高PPI難題。

Fine stick的設計及工藝技術要求

Finestick的設計涉及收縮率η,PPAY補償及wrinkle的控制。收縮率η在滿足(1)式的前提下,一般以5N大小的基礎拉力設計模擬。過大的拉力容易造成wrinkle增加,在蒸鍍磁板吸合時不易消除。

PPAY補償與物體的泊松效應有關。我們知道,材料沿載荷方向產生伸長(或縮短)變形的同時,在垂直于載荷的方向會產生縮短(或伸長)變形。

張網時finestick受到延X方向的拉力,造成PPA在Y方向有向內縮的趨勢。因此,在設計制作時,需對PPA進行補償。材料的物理力學性能,finestick 的設計本身會影響到補償量的變化。因此,一般第一模不進行補償,后面根據實際使用的效果進行PPA補償。


對finestick wrinkle的控制與蒸鍍使用的效果相關。理論上講,我們希望設計出沒有wrinkle的FMM。但實際上是做不到的。對于薄板的拉伸必然引起延厚度方向的wrinkle。因此wrinkle的形貌和大小成為設計的主要考量點。設計模擬時一般要求wrinkle平滑,這樣在蒸鍍磁板吸合時容易展開。同時,wrinkle的大小不要超過100um。如果是“C”型的wrinkle,則大小可以適當放寬。

在設計的時候,有一種制作手表的圓形排布比較特殊。采用常規的設計,wrinkle很難展開。因此,可采用fulletching加cover/support遮擋設計規避這種缺陷。這也是三星電子眾多設計方案中的一種。由于fulletching方式本身不定義產品的形狀,finestick設計簡單,變形相對可控。幾乎所有的產品設計都可以采用這種方式實現。

shadow的形成及影響因素

下圖是OLED蒸鍍的概念圖。最上面是玻璃基板,再由殷鋼(Invar Steel,即鐵鎳合金)制成的FMM蓋住玻璃,然后一起通過磁鐵吸附在上基臺上。蒸鍍源內放置有機材料,通過電阻絲加熱或電子束加熱的方式使材料蒸發,再通過FMM進人到規定的像素開口區。這里的TS(Target- Source Distance)就是指蒸鍍源到FMM目標的距離,蒸鍍角為θ,TS距離一般在400~800mm不等。如果是同樣的點蒸鍍源和同樣的蒸鍍角,TS距離較小時,材料利用率高,PI較小,但成膜均一性較差,且SD(Shadow Distance,即陰影距離)較大;而TS距離較大時,成膜均一性會變好,SD會變小,但材料利用率較低,PPI較大。



由于蒸鍍角,PDL&spacer,finestick制作采用二步刻蝕的方式,決定了蒸鍍成膜時pixel厚度并不是平的。我們把95%的成膜厚度定義為有效厚度,其他的則稱為shadow。Shadow的存在使得PDLgap增加,還會因為shadow鍍到相鄰的pixel而引起混色,所以設計上應盡量減少其產生。根據finestickslot開口CD,我們把CD范圍內的shadow稱為內shadow,CD范圍外的shadow稱為外shadow。假設PDL&spacer高度為h,蒸鍍角為α,FMMdead width為w,則

Shadow外=w+h*cotα……

設計上一般h為3um左右,蒸鍍角隨蒸鍍位置的不同是個變量。因此shadow是位置的函數。除了以上影響因素,shadow還與蒸鍍成膜條件相關。一般成膜越厚,scan次數越多,shadow越大。

下圖是FMM蒸鍍示意圖,SD在這里是指2f+2g+h的和,它會影響PPI,因此越小越好,否則會發生R串色到B的情況。

下面對這張圖片進行說明:


(1)θ是蒸鍍氣體與垂直法線的最大夾角,α是FMM二次刻蝕與法線的夾角,β是FMM一次刻蝕與法線的夾角,a是FMM和基板間距,b是FMM二次刻蝕深度,c是FMM一次刻蝕深度,d是FMM孔最窄處寬,e是子像素間距,f是FMM二次刻蝕的基準面延伸長度,g是FMM和基板間距基準面延伸長度,h是子像素下底間間距

(2)一般希望θ,α,β的值都小一點,這樣孔就是垂直的;同時,在a,b,c的值一定的情況下,f和g的值可以比較小;如果h的值也比較小的話,PPI可以做高。

FMM物理特性

蒸鍍過程中除掉器件結構外,其他的難點問題幾乎與FMM的使用息息相關??梢哉f,蒸鍍的問題的核心,在于對FMM特性的研究。由于FMM在蒸鍍過程中只存在物理變化,因此,對FMM物理特性的研究,顯得尤為重要。

FMM在制作和使用過程中,受到如重力,CF,壓力,磁力等應力的作用。此外蒸鍍有機材料熱量釋放的影響還會產生熱膨脹。以及FMM在應力作用下產生的蠕變行為。對FMM物理特性的研究,主要圍繞應變、蠕變和熱膨脹這三個方面展開。目前,國內很少有企業對此展開全面的研究。在這一點上,三星電子遠遠走在了前面。

蒸鍍良率分析

用于蒸鍍的LTPS玻璃基板,必須與FMM緊密貼合。否則就有混色不良產生。為了實現這一目的,蒸鍍過程中采用coolingplate下壓玻璃基板,采用magnet往上吸FMM,以消除兩者之間的gap。另外,FMM的slot開孔必須與LTPS玻璃基板上陽極圖案準確套合,否則蒸鍍材料會鍍偏造成混色。因此,決定蒸鍍良率的兩個關鍵因素:FMM與玻璃基板的貼合和套合。

1
貼合
影響貼合的主要因素有FMM平坦度,coolingplate的結構、位置和磁力大小。其中FMM平坦度涉及到MASK的設計和制作工藝,本文不展開討論。coolingplate 目前有兩種技術方案。一是Tokki采用的無冷卻水方式。優勢是能減輕plate下壓的重量,減少破片風險的產生。而且無冷卻水,結構可以做薄,減少對磁鐵的損耗。

但是這會帶來一個問題,隨著蒸鍍過程的進行,FMM和plate溫度的變化造成MASK和玻璃基板的變形,不利于蒸鍍套合的穩定。因此,Tokki蒸鍍設備的長期穩定性,有待實踐檢驗。coolingplate除去Tokki,其他蒸鍍設備商都采用循環水冷卻。好處是可以保證整個蒸鍍過程中,MASK溫度上升不超過5℃。能有效降低MASK和玻璃基板的變形,增加蒸鍍過程的穩定性。但另一方面,coolingplate厚度的增加造成重量的過重,容易產生對玻璃的擠壓而破片。而且,也會增加對磁力的損耗。如Tokki蒸鍍機磁力能達到500Gs,而其他廠商最大在300Gs。但從實踐的效果來看,300Gs的磁力并不會影響貼合的效果。

2
套合
提高AMOLED屏幕的發光效率,要求RGB像素開口率越高越好。然而開口率的增加,會降低像素之間的間隙(PDLGap)。因此在特定的工藝條件下,為避免套合偏位混色,PDLGap最小尺寸滿足如下公式:


式中Margin表示工藝余量;Shift表示蒸鍍原因造成的PPA偏移;TP、CD、PPA和alignment分別表示LTPS玻璃像素精度,FMMslot開孔尺寸精度,mask張網精度和蒸鍍對位精度。

對于分辨率越高的顯示屏,PPA和shift等參數管控要求越高。在以上所有影響套合精度的因素中,MASKPPA和蒸鍍shift是影響最大的關鍵因子。他們決定了AMOLED生產廠商的技術能力。


表述方便,我們引入一個概念——蒸鍍PPA。它表示的是實際蒸鍍位置和LTPS玻璃陽極圖案之間的位置偏差。依據上述公式可得:


3
蒸鍍shift
導致蒸鍍shift的主要原因是溫度變化及MASK所受到的應力。

溫度影響:

蒸鍍過程中,有機材料被加熱到200-400℃之間,透過mask在玻璃上凝結。中間放出熱量使玻璃基板和mask溫度升高。在熱膨脹因素的作用下,玻璃基板的陽極圖案出現膨脹。而mask像素孔出現收縮。另一方面,熱量使maskframe框架膨脹。因此,溫度對蒸鍍PPA的影響較為復雜。需對最終結果進行分析總結相應的規律。

應力影響:

應力影響會發生形變,也會造成maskPPA的變化。這種變化一般來講沒有規律,只能調節。Maskframe在coolingplate的壓力作用下蒸鍍設備盡可能地降低該影響。

在重力作用的影響下,Maskstick 在與玻璃基板接觸時也會因為應力而產生偏移。這部分應力主要有擠壓應力和摩擦應力,不同stick在該應力的作用下會出現不同的偏移情況。

正因為蒸鍍shift的存在,造成蒸鍍套合PPA的控制是整個蒸鍍過程中最為關鍵的一環。目前的解決方案是總結最終mask的PPA變化規律,在張網時進行相應的補償。即便如此,蒸鍍shift也不能完全消除。而且,玻璃基板尺寸越大,該shift值也越大。這也是目前AMOLED只能做到中小尺寸的原因。從國內量產的情況來看,部分廠商能把蒸鍍shift最終控制到3um以內。只有做到這個水準,蒸鍍的技術才能說被基本掌握。

4
MASK PPA
FMM張網制作精度用PPA來表示。從表2可以看出,隨著屏幕分辨率的提高,mask張網精度要求不斷提升。制作全高清屏幕,一般要求maskPPA低于5um。目前通過工藝改善,國內有部分廠商能達到這一水平。FMM stick來料精度、張網過程,焊接偏移,CF加載情況等均影響到mask精度。

總體來說,國內已量產企業對于AMOLED技術并未取得全面突破。都存在某些方面的技術短板。但每家公司面臨的技術問題不一樣。比如有的解決了貼合問題,而蒸鍍套合PPA過大。而另外一些解決了套合問題,但貼合存在不良。因此,如果能綜合各家經驗,中國在攻克AMOLED技術的道路上會順利很多。


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