OLED薄膜封装知多少？老司机私人定制的开课内容都在这儿……

OLEDindustry · 2017-07-06

Basics of Encapsulation

封装是显示屏生产中必不可少的一个过程。封装的目的是避免水汽和氧气侵入元器件内部, 从而导致器件的加速老化与失效。对于半导体元器件其封装的一个重要指标是水氧透过率(WVTR: Water Vapor Transmission Rate)。

水汽透过率单位是克每平方米每天(g/m2/day); 而氧气透过率单位是cc每平方米每天(cc/m2/day)。因为水汽分子小于氧气分子, 且对水汽的阻隔难度大于氧气, 可以仅采用水汽的透过率来评定封装效果。

不同的电子产品对水氧透过率的要求也不同(2), 比如同为显示屏的LCD和OLED器件其对水氧透过率的要求分别为10-3 gr/m2/day和10-6 gr/m2/day (Table I1)。

AMOLED在制作阴极时要用到功函数低的金属和低功函数的ETL/EIL等, 如Al、Mg、Ca和LiF等。这些材料往往比较活泼, 容易与渗透进来的水氧发生反应。

同时OLED中EML层也比较脆弱, 所以AMOLED器件对水氧阻隔的需求要高于TFT-LCD。在AMOLED中计算对水氧阻隔时, 是一般以器件阴极被腐蚀需要的水的量为基础值估算而来(4)。

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假设AMOLED阴极为Mg且厚度为50 nm, 而Mg的密度为1.74 g/cm3且摩尔质量为24 g/mol。则该OLED阴极Mg含量为3.6 × 10-7 mol / cm2。则每单位面积(cm2)的Mg电极被完全腐蚀需要水为6.4 × 10- 6 g 。则如果该AMOLED器件需要满足的工作时间为10000 h, 则水汽渗透率约为1.54 × 10-4 gr/m2/day。

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而如果考虑到阴极被腐蚀10%就会对器件产生较大影响, 同时考虑其他催化反应的作用, 则该器件对水的渗透率需要小于10-5 gr/m2/day (4)。一般认为为了使AMOLED能正常工作, 其水氧阻隔能力需要为10-6 gr/m2/day。

AMOLED的封装技术随着AMOLED市场的兴起也逐渐的迭代更新, 从最开始的金属盖板封装逐渐的过度到了玻璃盖板封装, 再在进一步的向薄膜封装(Thin Film Encapsulation)发展。

盖板封装技术主要分为Frit、Dam和Face Seal方式, 而薄膜封装根据封装层数分为无机材料封装和有机/无机叠加封装两种。

Table I1 WVTR Needed For ~10 Years Device Lifetime(2)

Fig I1 Encapsulation Methods

Metal/Glass Cover Encapsulation

盖板Glass Cover封装优点是器件密封效果好, 但是和薄膜封装相比, 完成后屏幕厚度增加。

为达到更好的封装效果, 盖板可以选为金属或玻璃。早期金属为封装首选, 其后封装盖板逐渐的转为玻璃材质。玻璃盖板和背板玻璃不同, 虽然无需采用无碱玻璃，但是往往需提前在封装器件前刻蚀凹槽以匹配基本器件的拓扑形貌。对于玻璃封装而言, 根据封装方法的不同又可进一步细分为三种不同结构。

虽然盖板型封装的效果优于薄膜封装, 但是为了进一步降低水氧对内部器件的损害, 往往亦会在内部通过贴附干燥片(Getter)或在内部涂敷含有吸水材料的聚合物封装胶的形式进一步减少已渗入的水氧对元器件的侵蚀。

Frit Encapsulation

Frit型封装前期主要被Samsung Display所采用。其技术特点是在器件制作完毕后, 在玻璃基板边缘涂敷玻璃粉, 其后在盖上玻璃盖板后用激光将玻璃粉烧结为玻璃以密封器件。

该种方法器件密封性能最好, 但因需要激光设备的因素, 其制作设备较为昂贵且工艺复杂。

厂商亦可以选择性的在器件上方通过制作有机层、无机层亦或涂敷密封胶的形式进一步提高器件抗水氧性能。

Fig I2 Frit Encapsulation

Dam Encapsulation

Dam型封装与Frit型的结构相似, 只不过在Dam型中在边缘用环氧树脂等材料制作密封圈, 其后再涂敷封装胶、盖上玻璃盖板并对封装胶进行UV固化。与Frit相比, Dam型不需要激光设备, 则其制造成本略低。但是因为环氧树脂密封性不如玻璃, 水氧有一定几率从Dam侧面进入从而降低器件使用效果, 所以其Dam型对水氧阻隔性能低于Frit。为了增强器件水氧阻隔性, 一般会对器件先用有机或无机材料封装后, 再在密封圈内填充致密的封装胶以避免水氧从侧面对器件的侵蚀。

Fig I3 Dam Encapsulation

Face Seal Encapsulation

LG Display采用的是Face Seal型封装。该类型封装的特点是在器件制作完成后, 在器件上方先用ALD或PECVD方式制作致密的无机材料层, 如Si1-xNx。其后再在涂胶并黏附封装玻璃盖板。LG Display的Face Seal技术缺陷在于封装的边缘容易脱层，则水氧从侧面的渗透需要十分注意(3)。

Fig I4 Face Seal Encapsulation

Thin Film Encapsulation (TFE)

常规塑料薄膜水氧透过率(WVTR： Water Vapor Transmission Rate)为1-10 gr/m2/day(2)。并不能满足OLED器件的使用需求。

对于OLED器件来说, 为了实现10年左右的器件寿命需求, 其WVTR需要在10-6 gr/m2/day (Table I1)。所以以薄膜封装方式封装器件时, 主要还是以无机薄膜为主。

薄膜封装水氧透过率虽然不如盖板封装法, 但是薄膜封装可以有效的减少器件厚度和重量, 该优势对于随身携带型消费电子产品具有极大的吸引力。

除去传统的器件外, 薄膜封装的另一个主要是为了对柔性可挠性屏幕进行封装。一般柔性屏幕可采取的背板为超薄玻璃、金属和各种聚合物。若背板采取聚合物, 则如何有效的对水氧阻隔是长期的技术难度。

Inorganic Encapsulation

无疑无机薄膜的致密性使得其称为薄膜封装的首选材料。致密的无机薄膜可以通过ALD或PECVD方式进行制作。

ALD (Atomic Layer Deposition) 是通过两种介质的反应以生产二元化合物薄膜。一般来说该过程类似CVD。两者区别是ALD把CVD中的化学反应成分分成两步反应, 让母体材料在反应到一定程度后分离。

分离过程时通过突然充入大量的分离气体(Ar or N2)以除去腔体中过量的反应母体。

由此可以有序、定量地是反应物在基底上沉淀。ALD的优点是可以实现不同的反应周期, 对于薄膜厚度的精确控制甚至可以到达原子层的级别。

理论上单层ALD即可满足器件密封需求, 但是在实际运用中因为器件表面拓扑结构的影响和环境因素, 单层ALD很难沉积完美无缺陷的薄膜, 同时因为工艺时长过长, ALD暂时未能广泛的在产线上推广使用(5)。

PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 是借助微波或射频等使含有薄膜组成原子的气体电离, 在局部形成等离子体, 而等离子体化学活性很强, 很容易发生反应, 在基片上沉积出所期望的薄膜。

为了使化学反应能在较低的温度下进行, 利用了等离子体的活性来促进反应, 因而这种CVD称为等离子体增强化学气相沉积(PECVD)。PECVD可以用于沉积Si1-yOy和Si1-xNx。在用PECVD制作多层无机薄膜封装是会采取Si1-yOy + Si1-xNx叠层结构。该类型封装的结构如Fig I5所示。

PECVD制备的无机薄膜优点是能有良好的水氧阻隔性能, 但是缺点是其面缺陷较多, 而且因为刚性较大, 无法广泛的运动到柔性显示技术上。

与ALD相比, PECVD成膜较厚, 可以比较有效的覆盖点缺陷, 同时PECVD工艺时长短, 已经作为一种成熟的技术在产线上得到较大规模的推广。

Fig I5 PECVD Encapsulation

Organic/ Inorganic Multiple Layers

无论是CVD或ALD制作的封装单层无机封装薄膜厚度较薄, 无法做厚(如果将无机薄膜做得过厚, 其内部应力会过度集中, 总而器件的机械性能会出现明显的下降)。

当薄膜很薄时, 无法避免的在薄膜表面会存在沙孔、成膜缺陷和Particle缺陷, 从而使得水氧通过这些孔洞向内对器件渗透。在多层封装结构中水氧的渗透路径如Fig I6所示(2)。

其中Defect Spacing为平均两个孔洞/缺陷之间的平均距离, 而Effective Thickness为水氧渗透到最底层的有效距离。随着Polymer/Inorganic叠层数目的增加, Effective Thickness也亦增加, 从而减少了水氧对内部器件的侵蚀。比较有代表性的技术为Vitex System的Barix封装技术(2)。

Fig I6水氧透过原理(2)

Barix Encapsulation

Barix Encapsulation是由Vitax System公司研发的一种新型封装方式。Vitex的技术与传统封装技术不同且分为以下几步(2)：

先将前驱体(Liquid Precursor)快速蒸发到一种气体中。

气体进入真空室, 并在真空室中以液体的形式凝聚在几基板上。在该过程中, 凝聚的液体在基板上方形成覆盖层, 并在密封表面的同时把基板平坦化。此时有机物为Monomer形式, 且其厚度 > 0.25 μm。

平坦后用UV固化交联(Monomer交联称为Polymer)。

覆盖厚度无基层。材料可以选为氧化铝, 且可采用直流溅射形式制作(DC reactive sputtering)。该层厚度可以为30-100 nm。

重复以上过程多次以达到OLED封装对水氧的要求。一般重复制作4-5对Polymer/Inorganic层对即可达到使用需求。为了达到更好的性能可以采取7对以上, 而Samsung Display工艺仅用3对叠层即可满足使用需求。

以上过程如Fig I7所示(2)。

Fig I7 Barix Encapsulation(2)

Barix可以是为是对Multilayer封装的一种改进。其本质亦还是有机物(Organic)和无机物(Inorganic)叠加的形式。其中(2)：

· 有机物：有机物为平坦层。其主要作用是在平坦底层表面并覆盖Particle与缺陷的同时作为下一层无基层的基底。可被热或UV交联固化。

· 无机物：无机物为封装的核心层, 主要起对水氧阻隔作用。

与传统技术相比, Barix技术不再使用金属/玻璃盖板、粘胶和去潮剂, 并可以在封装完成后直接在大气环境下进行剩余组件的组装。虽然Vitax的技术被Samsung买断, 但是据传LG Display亦有意将该技术用于其E5的OLED产线上(1)。

Edge Sealing(3)

台湾ITRI与2017年SID会议上展出了Edge Sealing TFE技术。该技术的核心时在封装边缘处加入Side Wall以阻隔水和氧气从侧面进入器件的问题。该类型封装的结构如Fig I8所示。

Fig I8 Edge Sealing

从其技术图上看, 其Side Wall直接作在Barrier薄膜上, 其后在其表面用PECVD制作致密的无机层以阻挡水氧的渗透。制作完毕后的封装薄膜直接涂敷封装胶并黏附与OLED器件上。

在双85条件下(85 ℃ & 85%相对湿度), 用Edge Sealing制作的器件可以工作500 hour左右。

Side Wall可以使用点胶、光刻和丝印的技术制作。几个技术制作的Side Wall差异如Table所示。

Table I2 Side Wall的制作方法(3)

Appendix

Semiconductor Energy Laboratory Co,.Ltd (SEL)柔性器件制作和封装 (3)

Fig I9柔性面板的制作和封装流程

Industrial Technology Research Institute (ITRI)柔性面板Debonding剥离 (3)

Fig I10柔性器件三种剥离方式的对比

Table I3柔性器件三种剥离方式的对比

1. Brian Ahn, LG Display adopts its rival’s OLED encapsulation Technology, KIPOST, July 18th , http://english.kipost.net/2016/07/lg-display-adopts-its-rivals-oled.html (2016)

2. Robert Jan Visser, Barix Multilayers: a Water and Oxygen Barrier for Flexible Organic Electronic, Vitex Systems, Jan 12th , http://www.mitstanfordberkeleynano.org/events_past/0504%20-%20Organic%20Electronics/5%20-%20Nanoforum050422a.pdf (2010)

3. SID Report (2017)

4. Zhu Tong Jun, Li-Lai yun, Research on the Encapsulation Methods for Flexible OLED, Package , Test and Equipment, TN304, A, 10032353X 04-358-04 (2007)