OLED顯示屏的需求日益增長，這使得制造商承受著巨大壓力，他們需要在增加產量的同時提高工藝利用率并最大限度提升產出率。但是，OLED 顯示屏的分層結構非常復雜，需要在制造過程中實現極高精度，因此實現這些目標頗具挑戰(zhàn)性。與此同時，在元件上進行切割和分離這兩大工藝幾乎是在價值較高的接近成品上實施，加工效果非常重要。超短脈沖激光器已經被驗證是實現此類應用的最佳工具，而最近的成果顯示，高脈沖重復頻率的超短脈沖激光器則能進一步提高加工的產能和質量。本文將詳細介紹超短脈沖激光切割以及對 OLED 材料進行高重復頻率切割的最新成果。
OLED 顯示屏由相對較薄而復雜的異構材料堆疊而成，其中大部分材料熱敏性較高，且全部沉積于聚合物基板上。具體而言，OLED 包含一層硅基薄膜晶體管 (TFT)、多層活性有機材料、一層透明銦錫氧化物 (ITO) 導體以及其他半導體和聚合物材料（例如 PET 或聚酰亞胺）。
圖 1. 典型柔性 OLED 結構的簡化示意圖（未按比例尺繪制）。在加工期間的某個時間點會移除玻璃載體。
對于智能手機和智能手表，柔性 OLED 顯示屏已變得頗為流行，與傳統(tǒng)的剛性玻璃顯示屏加工方式相比，具有獨特的加工要求。尤其是當柔性 OLED 也在玻璃基板上生產時，OLED 顯示屏會在工藝流程某個時間點從臨時玻璃載體上移除。通常，可以使用一種準分子激光技術（稱為“激光剝離”）實現。
雖然OLED 顯示屏從載體上分離的時間和工序步驟因制造商而異，但所有柔性 OLED 都必須精確剪裁成最終形狀。而剪裁工作通常在向成品顯示器電路添加完其它功能層（偏振鏡、觸摸傳感器）之后進行。這種最終形狀越來越多地包括圓角切割和輪廓成形，甚至是挖剪。
一般來說，這些要求意味著切口寬度僅為 25 µm，整個加工影響區(qū)不超過幾十微米。傳統(tǒng)機械切割完全不能滿足這個高精準的加工要求。此外，從實用角度而言，只有能提供24/7工業(yè)生產可靠性、高產量和良率超過 99.9% 的切割方法才具有經濟效益。激光切割是唯一能夠滿足柔性 OLED所有加工需求的工藝。
為了實施激光切割，激光束通常會通過一對掃描振鏡的鏡片，通過其聚焦在OLED表面形成一個直徑為10~20µm的圓斑。由于掃描透鏡的范圍相對有限（通常只有幾百毫米），而如果采用電機驅動的 XY平臺結合激光束掃描操作，則可提供更大的運動范圍。另一種可選方式采用了XY平臺和固定鏡，樣品在固定激光束的下方移動。
超短脈沖激光器的紅外、綠光和紫外被廣泛應用于商業(yè)領域。就OLED而言，幾乎使用的所有材料（半導體和聚合物）在紫外光譜范圍內都有良好吸收性，因此采用紫外尤其有利。對紫外光的極強吸收性限制了光線在材料內的穿透深度，因此可以在加工時進行精細的控制并進一步減小熱影響區(qū)域。此外，幾乎針對所有材料，工藝質量（具體而言，是指切口寬度）通常會隨波長的降低而提高（參見圖2），因此超短脈沖紫外光激光器成為此應用領域的理想選擇。
圖 2. 使用相干公司的 HyperRapidNX 激光器（分別輸出紅外光、綠色可見光和紫外光）在玻璃上刻劃的220 µm 厚的模擬顯示層。上圖可證明降低波長對改善切割質量的影響。
除了這些因素之外，激光器還必須能夠產生高質量的高斯光束，光束在工件上聚焦成一個大小為 10 – 20 µm 的點，用于進行干凈利落的切割。而且，此光束最好高度對稱，確保在切割方向改變時切口和熱影響區(qū)域保持不變。
圖3 所示為相干公司的HyperRapid NX 激光器，在工作波長為355 nm 時，放射出的光束在聚焦成15 µm 的光束腰時可在超過500 µm 的聚焦深度上保持大于90% 的對稱度。無論顯示屏實際形狀多么復雜，激光器都可以確保切透典型厚度（在200 – 400 µm 范圍內）OLED堆疊的最佳切割質量。最后，該激光器必須具備工業(yè)級穩(wěn)定性和可靠性，以便在24/7工業(yè)生產中保持預期的產出率。
圖 3. 相干公司的 HyperRapid NX 激光器在工作波長為355 nm 時，放射出的光束在聚焦成 15 µm 的光束腰時可在超過500 µm 的聚焦深度上保持大于 90% 的對稱度。
30W 皮秒紫外激光器除了從功能上符合上述所有要求，每功率的單位成本也極具競爭優(yōu)勢，因此成為了OLED切割工藝的標準應用解決方案。這類商用產品在30W 紫外輸出時可實現最高 400 kHz 的重復頻率。最近市場上推出了具有更高重復頻率的激光器，于是相干公司的應用工程師調查了是否能夠利用這些更高的重復頻率來進一步優(yōu)化或改進工藝。
具體而言，相干公司的團隊實施了一項周密的應用研究，以確定在切割 OLED 顯示屏時的最佳加工條件。有趣的是，這項研究顯示，目前在生產中使用的高能工藝只是次優(yōu)方案。更具體地說，這些結果顯示，將平均功率保持在 30W 這一業(yè)界標準水平時，更高的重復頻率可以同時提高產量和質量。
要理解為何能夠做到這一點，研究在微加工工藝中燒蝕率與峰值脈沖通量之間的典型關系是非常有用的 [1]。這種關系的通用曲線如圖 4 所示（未注明具體單位）。實驗證明，這類關系適用于敏感材料（例如 OLED）和“難加工”材料（包括玻璃和陶瓷）的切割。發(fā)生改變的只有燒蝕率和通量的實際數值（峰值脈沖通量較低時，脆性材料燒蝕率最佳）。
圖 4. 微機械加工工藝中燒蝕率與峰值脈沖通量
之間的依賴關系。
峰值脈沖通量是脈沖能量、焦點大小和脈沖寬度的函數。但假設激光器及其光學系統(tǒng)的聚焦光束特性不變，則峰值通量主要是脈沖能量的函數。如果激光器的平均功率保持恒定，則峰值脈沖通量與重復頻率成反比（因為平均功率 = 脈沖能量 x 重復頻率）。本圖 x 軸也可以表示“重復頻率”，其數值從左向右遞減，這直接對應于不斷增加的脈沖能量/峰值脈沖通量（所有其他因素保持不變）。
這一典型曲線呈鐘形，峰值燒蝕率在最佳通量（通常相當于材料開始燒蝕所需通量5-10 倍）下實現。當超過最佳通量時，盡管用于加工材料的能量更高，但工藝效率會下降，浪費的能量會作為熱量傳遞到材料中，從而降低切割質量。遺憾的是，這種并非最佳的方案在當今各家工廠的 OLED 生產工藝中頗具代表性。在超過最佳水平的通量下加工只會降低產量，而不會改善任何其他參數。
實際上，通常最好的做法是在圖中位于峰值燒蝕點右側的“甜蜜區(qū)”中進行加工。這是因為圖中的這一部分相對平緩，故而在此點產生的偏差也較小（由于材料質量和光束傳輸存在的細微差異、機器之間的差異或環(huán)境因素，此類偏差不可避免）；不要在曲線上較為陡峭的部分進行加工，因為這會導致結果受到嚴重影響。
用于印證這些假說并量化結果的測試在兩組不同的樣品材料上實施，兩者分別代表了目前的顯示屏技術。第一組材料是總厚度為 400 µm 的基板，其組成為 PET | OCA 粘合劑 | 偏振器 | OCA 粘合劑 | PET。第二組材料是總厚度為 230 µm 的三明治結構，其組成為PET | OCA 粘合劑 | PI | PET。兩種情況下，顯示屏結構中熱敏性最高的層均以斜體表示。
從下面的總體效果圖來看，顯然，更高的重復頻率能夠大幅提高切割質量，其中一個值得注意的原因就是熱影響區(qū)域 (HAZ) 較淺。
圖 6. 如在樣品材料 2 上進行激光切割（掃描速度為 0.5 m/s）的照片所示，在提高重復頻率的情況下，切割質量同樣得到了明顯提高。
下一組圖表對這些結果進行了量化。圖中顯示了兩種掃描速度的結果：較低的掃描速度為 0.5 m/s，代表的是采用轉換平臺在固定光束輸出下移動樣品的設置；較高的掃描速度為 2 m/s，代表的是使用商用掃描振鏡輸出的光束。具體而言，前兩張圖表顯示，對于測試的兩種材料，熱影響區(qū)域隨著重復頻率的提高而穩(wěn)步減小，其中使用兩種掃描速度的較低者 (0.5 m/s) 時的改善最大。在上述操作條件下，樣品 1 的熱影響區(qū)域減小系數接近于 2.5。
下兩張圖表顯示，切割質量的改善還與有效切割速度的提高相對應。對于第二種樣品（PET | OCA 粘合劑 | PI | PET），在相同的 30W 輸出功率下，僅通過提高重復頻率而實現的改善系數為 2。
本測試中質量和速度改善情況的精確數值與所使用的特定材料和測試條件有關。但是，鑒于先前所述的激光通量與燒蝕率之間的關系具有廣泛的適用性，我們有理由假設它們適用于幾乎所有集成方案，而無論是否采用移動平臺或使用何種掃描振鏡速度。另外，對于通廣泛采用的 30W 紫外光超短脈沖激光器加工脆性材料的大多數現有應用，也可以利用同樣的方法實現改進。
相干公司最新的 HyperRapid NX 可在最高 1600 kHz 的重復頻率下提供 30W 的紫外光平均功率，并且具有與其前代產品相同、在市場上領先的光束質量，而前代產品正是藉此成為 OLED 切割應用領域的標桿。這款新的高功率皮秒級激光器將構建在與現行標準模型完全相同的平臺上，使之可以輕易替換標準激光器。
正在建設新的 OLED 顯示屏生產線的廠商，可選擇在當前行業(yè)標準運營的同時從產量的提高中獲益。產量提升空間的幅度取決于整條生產線的設計。根據本文介紹的結果，激光切割工藝步驟有可能實現兩倍的速度增幅。但無論細節(jié)如何，考慮到普通工廠月產量超過 15,000 塊面板，單位部件成本的節(jié)約蘊含著巨大潛力。
對于目前擁有生產線的廠商而言，這種改進的OLED 切割工藝能快速將質量提升數倍（同時保持現有的生產速度）。同樣，實際的質量改善潛力取決于OLED 堆疊結構和工具設計。顯然這有助于實現下一代屏幕，消費者期望消除顯示屏邊框從而提高產品質量。
HyperRapid NX是相干公司新一代的超短脈沖激光器，提供的性能和可靠性能夠滿足注重成本的高產量工業(yè)制造應用的需求。
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