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中国大陆AMOLED技术进展及蒸镀良率分析

发布时间:2018-10-11

AMOLED (Active-Matrix Organic Light Emitting Diode),与液晶显示器LCD 相比,具有轻薄、低功耗、快速响应、柔性透明、画质卓越五大优势,被誉为CRT、LCD 之后的第三代显示技术。 AMOLED 可分为刚性屏和柔性屏,刚性屏的基板材料是玻璃,封装材料也是玻璃;柔性屏的基板材料是薄膜(PI、PET 等),封装材料也是薄膜,如果采用透明膜材、透明有机填充材料,可将柔性屏做成透明、可弯折的屏幕。


AMOLED的主要制程分为LTPS、蒸镀和封装。根据我国技术积累的时间和难度,LTPS和封装基本不存在技术障碍。因此,蒸镀问题是AMOLED的核心问题。精密遮罩蒸镀技术(FMM)用来解决蒸镀有机材料RGB 三基色的像素阵列涂布。也是目前唯一实现量产的彩色化技术方案。由韩企SAMSUNG电子率先开发成功,我国目前基本沿用此技术。


据了解,SAMSUNGAMOLED产品综合良率柔性屏为80%左右,而刚性屏达到90%以上。国内首先量产的京东方成都六代中小尺寸柔性生产线(B7)采用 Tokki 蒸镀机,于去年10月份量产。经过几个月的良率爬坡,到今年 3 月份时,综合良率已经爬升到65%【1】。而根据相关测算,刚性屏良率需达到80%以上,制造成本才和LCD相当。                       

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表1.中国大陆AMOLED生产企业

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图1.AMOLED面板在各良率数字中的生产成本(Source:NPDDisplaySearch)


制造AMOLED的精密遮罩蒸镀技术,其原理如下所示:

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图2.AMOLED蒸镀原理示意图


用于蒸镀的LTPS 玻璃基板,必须与FMM紧密贴合。否则就有混色不良产生。为了实现这一目的,蒸镀过程中采用cooling plate下压玻璃基板,采用magnet往上吸FMM,以消除两者之间的gap。另外,FMM的slot开孔必须与LTPS 玻璃基板上阳极图案准确套合,否则蒸镀材料会镀偏造成混色。因此,决定蒸镀良率的两个关键因素:FMM与玻璃基板的贴合和套合。

1、贴合


影响贴合的主要因素有FMM平坦度,cooling plate的结构、位置和磁力大小。其中FMM平坦度涉及到MASK的设计和制作工艺,本文不展开讨论。cooling plate 目前有两种技术方案。一是Tokki采用的无冷却水方式。优势是能减轻plate 下压的重量,减少破片风险的产生。而且无冷却水,结构可以做薄,减少对磁铁的损耗。但是这会带来一个问题,随着蒸镀过程的进行,FMM和plate温度的变化造成MASK和玻璃基板的变形,不利于蒸镀套合的稳定。因此,Tokki蒸镀设备的长期稳定性,有待实践检验。cooling plate除去Tokki,其他蒸镀设备商都采用循环水冷却。好处是可以保证整个蒸镀过程中,MASK温度上升不超过5℃。能有效降低MASK和玻璃基板的变形,增加蒸镀过程的稳定性。但另一方面,cooling plate厚度的增加造成重量的过重,容易产生对玻璃的挤压而破片。而且,也会增加对磁力的损耗。如Tokki蒸镀机磁力能达到500Gs,而其他厂商最大在300 Gs。但从实践的效果来看,300 Gs的磁力并不会影响贴合的效果。


 2、套合


 为提高AMOLED屏幕的发光效率,要求RGB像素开口率越高越好。然而开口率的增加,会降低像素之间的间隙(PDL Gap)。因此在特定的工艺条件下,为避免套合偏位混色,PDL Gap最小尺寸满足如下公式:

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式中 Margin表示工艺余量;

        Shift表示蒸镀原因造成的PPA偏移;

        TP、CD、PPA和alignment分别表示LTPS玻璃像素精度,FMM slot开孔尺寸精度,mask张网精度和蒸镀对位精度。


对于分辨率越高的显示屏,PPA和shift等参数管控要求越高。


在以上所有影响套合精度的因素中,MASK PPA和蒸镀shift是影响最大的关键因子。他们决定了AMOLED生产厂商的技术能力。

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表2.不同分辨率下对应的工艺技术要求


为表述方便,大家引入一个概念——蒸镀PPA。它表示的是实际蒸镀位置和LTPS玻璃阳极图案之间的位置偏差。依据上述公式可得:

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2.1 蒸镀shift


导致蒸镀shift的主要原因是温度变化及MASK所受到的应力。


2.1.1温度影响


蒸镀过程中,有机材料被加热到200-400℃之间,透过mask在玻璃上凝结。中间放出热量使玻璃基板和mask温度升高。在热膨胀因素的作用下,玻璃基板的阳极图案出现膨胀。而mask 像素孔出现收缩。另一方面,热量使mask frame框架膨胀。因此,温度对蒸镀PPA的影响较为复杂。需对最终结果进行分析总结相应的规律。


2.1.2 应力影响会发生形变。也会造成mask PPA的变化。这种变化一般来讲没有规律,只能调节。Mask frame在cooling plate的压力作用下蒸镀设备尽可能地降低该影响。


在重力作用的影响下,Mask stick 在与玻璃基板接触时也会因为应力而产生偏移。这部分应力主要有挤压应力和摩擦应力,不同stick 在该应力的作用下会出现不同的偏移情况。


正因为蒸镀shift 的存在,造成蒸镀套合PPA的控制是整个蒸镀过程中最为关键的一环。目前的解决方案是总结最终mask的PPA变化规律,在张网时进行相应的补偿。即便如此,蒸镀shift也不能完全消除。而且,玻璃基板尺寸越大,该shift值也越大。这也是目前AMOLED只能做到中小尺寸的原因。


从国内量产的情况来看,部分厂商能把蒸镀shift最终控制到3um以内。只有做到这个水准,蒸镀的技术才能说被基本掌握。


2.2 MASK PPA


FMM张网制作精度用PPA来表示。从表2可以看出,随着屏幕分辨率的提高,mask张网精度要求不断提升。制作全高清屏幕,一般要求mask PPA低于5um。目前通过工艺改善,国内有部分厂商能达到这一水平。FMM stick来料精度、张网过程,焊接偏移,CF加载情况等均影响到mask 精度。

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图3.蒸镀套合PPA(蓝色为设计点位,棕色为实际蒸镀位置)


总体来说,国内已量产企业对于AMOLED技术并未取得全面突破。都存在某些方面的技术短板。但每家企业面临的技术问题不一样。比如有的解决了贴合问题,而蒸镀套合PPA过大。而另外一些解决了套合问题,但贴合存在不良。因此,如果能综合各家经验,中国在攻克AMOLED技术的道路上会顺利很多。



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