Лазерный мир

В.С. Кондратенко, Иванов В.И // Опубликовано в: В сборнике: Перспективные материалы и технологии. (ПМТ — 2023). Сборник докладов Национальной научно-технической конференции с международным участием Института перспективных технологий и индустриального программирования РТУ МИРЭА. Под редакцией А.Н. Юрасова. МИРЭА — Российский технологический университет, 2023. С. 30-34.

Органические светоизлучающие диоды (OLED) быстро стали массовой технологией производства как малых, так и больших систем отображения (дисплеев). Данная технология постоянно масштабируется для увеличения разрешающей способности с использованием пикселей меньшего размера, изготовленных с узким шагом. Поэтому есть потребность в лазерной технологии для резки контуров дисплея, а также отверстий в дисплеях, например, для размещения фронтальных камер и микрофонов. В этой статье представлены результаты резки УФ-лазером с ультракоротким импульсом (USP) и резки метом лазерного управляемого термораскалывания (ЛУТ).

Существует несколько различных типов OLED дисплеев. Жесткие OLED производятся на стеклянных подложках для плоскопанельных дисплеев. Но есть типы нежестких OLED
дисплеев: гибкие и складные. Сегодня они применяются для смартфонов, даже при условии, что дисплей не является гибким или складным, например, для всех телефонов с изогнутым краем экрана требуется гибкий дисплей. При разработке технологии следует учитывать также детали в зависимости от конечного продукт.
При резке контуров и отверстий в дисплеях, ключевым моментом является то, что все дисплеи имеют общую толщину в диапазоне нескольких сотен микрон и включают нескольких сложенных слоев: подложка, поляризатор, сенсор и сам слой OLED. При этом слои соединяются между собой с помощью оптически прозрачного клея (optically clear adhesive — ОСА). И кроме тог полимерные слои защищают всю сборку дисплея сверху и снизу (рис.1).

Рис.1. Структура OLED дисплея толщиной порядка 320 мкм (а) и его срез (б).

Исследование процесса резки гибкого OLED дисплея
Различные физические и оптические характеристики слоев представляют собой серьезную проблему для сквозной резки всей сборки. Например, полимерные слои и тонкие слои металлизации (анод/катод) являются хрупкими, и это сразу означает, что механическая резка нецелесообразна, поскольку потребует серьезного запаса ширины реза (неактивного материала) из-за повреждений, возникающих в процессе удаления материалов связанным инструментом (режущим диском) алмазным зерном вдоль реза.
Технологии лазерной резки позволяют минимизировать ширину реза (≤ 200 мкм), что позволяет одновременно снизить расход материала и тем самым повысить экономическую эффективность. Но в случае с OLED на полимерной подложке следует отметить, что ИК- лазеры, либо имеющие длительностью импульса в наносекундном режиме, не смогут разрезать некоторые из составных слоев. Таким образом получается, что применение ИК- лазера вызовет термические повреждения или недопустимую зону термического влияния (ЗТВ) на поверхности и нижележащих слоях.
В предыдущих работах мы привели множество результатов применения ИК- и УФ- лазера в случае резки OLED на базе кремниевой пластины [1-3]. Слои OLED особенно уязвимы к термическому влиянию при их толщине менее 1 мкм. Поэтому самым перспективным типом лазера, способным резать все слои и обеспечивающим достаточное качество, является УФ-лазер с ультракоротким импульсом. Действительно, вырезание отверстий и форм в OLED дисплеях в настоящее время почти исключительно выполняется с использованием этого типа лазера [4].
Преимущества ультракороткой ширины импульса и короткой длины волны
По сути основная задача состоит в том, чтобы свести к минимуму ЗТВ и эффективно разрезать несколько слоев различных материалов. В случае лазерного излучения есть два способа минимизировать ЗТВ – использовать более короткую ширину импульса и короткую длину волны. Для большинства материалов, если ширина импульса находится в пикосекундном режиме или короче, большая часть энергии каждого импульса поглощается материалом и избыточное тепло просто не успевает передаваться в другие слои.
Пикосекундные лазеры с короткой шириной импульса известны под общим названием USP-лазеры (ultra-short pulse lasers). Чем короче импульс, тем меньше время прямого воздействия лазера на материал. Использование длины волны УФ-диапазона позволяет фотонам высокой энергии напрямую разрушать связи в целом ряде материалов, тогда как более длинноволновое излучение вызывает абляцию материала, нагревая его до точки испарения (кипения). По сути USP-лазеры позволяют обрабатывать практически любой материал, даже если он номинально прозрачен на длине волны лазера (рис.2).

Рис.2. Влияние линейного поглощения на точность резки полимерных пленок при помощи USP-лазеров ИК-диапазона с λ=1064 нм (а), зеленого спектра с λ=532 нм (б) и УФ-диапазона с λ=355
нм (в). Резка произведена USP-лазерами фирмы Coherent со скорость резки 400 мм/с, мощность каждого лазера была 30 Вт.
Кроме того, если сфокусировать пятно и подать достаточно высокую интенсивность, то даже незначительное поглощение позволяет создать эффект нелинейного
поглощения, но только УФ USP-лазер минимизирует ЗТВ, т.к. сильно поглощается всеми материалами, составляющими слои OLED структуры.
Особенности импульсного режима при обработке контура
Управление импульсами расширяет возможности резки сложных форм, в частности, обеспечивает ускорение и замедление обработки при движении пучка по крутым кривым и поворотам. Следует учитывать, что чрезмерное перекрытие импульсов может привести к накоплению тепла и образованию ЗТВ, несмотря на небольшую тепловую нагрузку, создаваемую УФ USP-лазерами. Контроль частоты импульса в режиме реального времени, с обратной связью и синхронизацией по положению/скорости от сканеров и/или столиков, гарантирует что перекрытие между импульсами остается на постоянном оптимальном уровне. Не менее важно и то, что контроль длительности импульсов позволяет в активном режиме стабилизировать их энергию. Это является преимуществом современных лазерных систем, поскольку изменение частоты повторения импульсов обычно вызывает изменения их
энергии.

Заключение
OLED дисплеи следующего поколения также требуют и технологии следующего поколения, их многослойная структура становится все более сложной, а требования к скорости производства и качеству конечного продукта продолжают расти. При обработке хрупких материалов методом ЛУТ (рис.3) обеспечивается высокое качество кромки по сравнению с механической или лазерной резкой и отсутствует негативное влияние на технико- эксплуатационные параметры самих структур.

Рис.3. Примеры экранов изделий Apple Inc. (а) и качества кромки (б), полученные резкой методом ЛУТ по нелинейной траектории.
Результаты научных исследований, представленные в многочисленных научных работах профессора В.С. Кондратенко (а их у автора более 500), объективно демонстрируют преимущества метода ЛУТ по сравнению с традиционными способами резки, а именно:
высокая производительность (скорости резки до 1000 мм/с);
чистота процесса (практически нулевая ширина реза);
повышение прочности и качества изделий за счёт отсутствия дефектов на кромке.

Опубликовано на https://aventine.ru/wp-content/uploads/2023/04/