步进式激光封装温度及功率探测与控制装置及方法

文档序号:10537067阅读:684来源:国知局
步进式激光封装温度及功率探测与控制装置及方法
【专利摘要】本发明公开一种步进式激光封装温度及功率探测与控制装置,包括:一激光器,用于产生一激光束加热一玻璃料,该激光束投射在该玻璃料上的光斑的宽度大于该玻璃料的宽度;一运动控制模块,用于使该光斑与该玻璃料同步步进运动;一温度检测模块,用于测量该同步步进运动过程中该玻璃料的温度;一激光检测与控制模块,用于检测该激光束的形貌并实时控制该激光束的功率。
【专利说明】
步进式激光封装温度及功率探测与控制装置及方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种集成电路装备制造领域,尤其涉及一种步进式激光封装温度及功率探测与控制装置及方法。
【背景技术】
[0002]随着当今IC (Integrated Circuit,集成电路)技术的迅速发展和人们对图像显示技术需求的日益提高,TFT (Thin Film Transistor,薄膜场效应晶体管)等LCD (LiquidCrystal Display,液晶显不器)由于其厚度大、可视角度小(约为120度)、响应时间长、抗震能力差等缺点,已难以满足手机、MP3等便携式消费类电子产品对屏幕高性能的需求,而OLED (Organic Light-Emitted D1de,有机发光二极管)显示屏以其自发光性、非常薄的有机材料涂层和玻璃基板、可视角度大(约160度)、省电等多方面的优点而逐渐受到各大屏幕生产商的青睐。OLED显示屏不止应用于手机、MP3等便携式电子产品,未来将在电视、照明等各个领域广泛应用。
[0003]然而,OLED显示屏的电极和有机层对水分子和氧气有着很高的敏感度,渗透至OLED显示屏的氧气和水分子会使OLED显示性能迅速恶化,严重影响着发光性能和工作寿命。因此,保证OLED器件封装的气密性就成为了制造OLED显示屏的关键点。下文简单描述了导致OLED难以密封的某些因素:
01、气密性要求:氧(〈10_3cm3/m2/天)和水(<10_6g/ m2/ 天);
2、窄边设计:一般FRIT的线宽尽可能细(<2mm),应保证不对OLED层的敏感区域(如电极)产生热影响;
03、温度控制:FRIT的热影响区不能使OLED的缓冲区超过100°C;
04、气密式密封应能使点连接部件(如薄膜铬电极)进入OLED显示器;
05、应力控制:气密式封装材料冷却时产生的应力不应该过大造成封装玻璃板的破损。
[0004]激光封装的常规方法是采用激光软化玻璃料的方法,是以预烧结后的玻璃料(FRIT)为中间封装焊料(该FRIT掺杂有对特定光波长具有高吸收率的材料,具有低熔点的特性),FRIT通常约0.7-lmm宽,6-100um厚,利用特定吸收波长(600-1000nm)激光热效应的波长选择性之优势,通过高能激光器输出可控功率的激光束照依次投射到涂覆FRIT的密封线上,将FRIT迅速加热至软化点与熔化点之间(软化点温度小于熔化点),保证其在封接界面获得良好的浸润性。熔融状态下,封装界面发生原子级相互扩散,产生很强的键合力,进而在冷却后形成良好的气密性封装。
[0005]上述顺序型加热玻璃料的方式,会在玻璃料内部形成不均匀的温度分布。FRIT内部的这种不均匀温度分布会导致封装体应力差的存在,一般封装体拐角处应力大于其他区域,这是由于拐角处面积较大,散热速度过快,与其他区域形成了温度梯度,这种应力差导致了封装体裂纹、脱层等问题的产生,且顺序加热后立即关闭激光器会导致玻璃料冷却过快而造成较大残存应力从而妨碍或削弱盖板玻璃与基板玻璃之间的气密性连接。同时,密封过程的主要参数如激光功率、扫描速度等的选择,受到这种方式的制约,限制了产率的提闻。

【发明内容】

[0006]为了克服现有技术中存在的缺陷,本发明提供一种步进式激光封装温度及功率探测与控制装置及方法,能有效解决温度分布不均及较大残存应力的问题。
[0007]为了实现上述发明目的,本发明公开一种步进式激光封装温度及功率探测与控制装置,包括:一激光器,用于产生一激光束加热一玻璃料,该激光束投射在该玻璃料上的光斑的宽度大于该玻璃料的宽度;一运动控制模块,用于使该光斑与该玻璃料同步步进运动;一温度检测模块,用于测量该同步步进运动过程中该玻璃料的温度;一激光检测与控制模块,用于检测该激光束的形貌并实时控制该激光束的功率。
[0008]更进一步地,该温度检测模块为一非接触式温度传感器。
[0009]更进一步地,该非接触式温度传感器为一红外温度传感器。
[0010]更进一步地,该玻璃料的加热区域被划分为电极区域、直线区域和拐角区域。
[0011]更进一步地,该拐角区域的内外径长度不同,该拐角区域的面积大于直线区域。
[0012]本发明同时公开一种步进式激光封装温度及功率探测与控制方法,包括:生成一激光束加热一玻璃料,使该激光束投射在该玻璃料上的光斑的宽度大于该玻璃料的宽度;使该光斑与该玻璃料同步步进运动;测量该同步步进运动过程中该玻璃料的温度及检测该激光束的形貌;根据测得的该温度及形貌控制该激光束的功率。
[0013]更进一步地,该玻璃料的加热区域被划分为电极区域、直线区域和拐角区域,该拐角区域的内外径长度不同,该拐角区域的面积大于直线区域。
[0014]更进一步地,该激光束的功率采用逐级撤销的方式以被减小。
[0015]更进一步地,当该玻璃料加热至一预设温度时,降低该激光束的功率并保持一段时间后取消。
[0016]更进一步地,当该玻璃料加热至一预设温度时,直线降低该激光束的功率直至为
v=J=,
ο
[0017]与现有技术相比较,本发明采用激光器功率控制撤销的方法,有效的避免了常规方法中由于立即撤销激光功率使温度降低过快而造成了残存应力的问题。本发明采用非接触式红外温度探测传感器,快速有效的探测封装过程中玻璃料温度信息。本发明对玻璃料温度、激光束功率、形状等实时监测与控制。本发明可根据用户需求进行玻璃料温度曲线的配置。本发明采用步进式代替传统扫描式封装,同步均匀加热的同时更提高了产率。
【附图说明】
[0018]关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及所附图式得到进一步的了解。
[0019]图1是本发明所涉及的步进式激光封装温度及功率探测与控制装置的结构示意图;
图2是本发明所涉及的步进式激光封装温度及功率探测与控制装置的运动模块控制流程图;
图3是OLED封装体俯视图; 图4是封装体玻璃料区域划分示意图;
图5是激光束功率空间分布曲线图;
图6是本发明所涉及的步进式激光封装温度及功率探测与控制装置的温度控制流程图;
图7是常规温度控制方法的示意图;
图8是Transient stress与温度下降梯度关系曲线图;
图9是预设温度下温度与功率曲线图;
图10是预设第一功率下温度与功率曲线图;
图11是预设第二功率下温度与功率曲线图;
图12是预设第三功率下温度与功率曲线图。
【具体实施方式】
[0020]下面结合附图详细说明本发明的具体实施例。
[0021]本发明的目的主要用于检测玻璃料的温度,并同多对激光束功率进行实时控制从未达到对玻璃料温度控制的结果。
[0022]本发明主要针对步进式激光封装而设计的,激光束经MMA调整后形成一个与封装图案相同的轮廓投射至玻璃料上,实现玻璃料图案的同步加热,由于玻璃料区域有电极存在,电极引线的导热系数、热容、反射率等均与玻璃料FRIT不一致,因此不同区域应使用不同的激光功率,形成激光束功率的空间分布。根据不同的玻璃料温度曲线,实时调节激光束在时间上的分布,而保持空间分布不变,从而达到对激光束功率的实时控制。
[0023]基于MMA (Micro-Mirror Array)的步进式激光封装的整体检测与控制架构如图1所示,包括:PC机100、运动控制模块1、温度检测模块2、激光检测与控制模块3、激光器4.其中,PC机100主要用于人机交互。用户将命令与数据(如激光器的启停、温度参数、速度允许的最大值、位置数据等)通过以太网5以发送至运动控制模块1、温度检测模块2、激光检测与控制模块3、激光器4,以实现对各模块的控制;当需要获取信息时,可以以中断请求的方式分别从运动控制模块1、温度检测模块2、激光检测与控制模块3中获取位置、温度、激光束形貌与功率等信息。
[0024]其中,运动控制模块I主要用于机械手、工件台、激光头等部件的运动控制。接收来自PC机100下发的命令与参数,对此进行解释和执行,控制机械手机型上下片、工件台与激光头的运动及对准等,同时通过反馈信息对各组件运动过程中的运动速率、是否达到目标位置进行精确调整,以解决各组件的运动与定位问题。如图2所示,将设定的信息与反馈信息进行对比,将对比结果传输至H(s),H(s)将误差信号转变成电压/电流,并经过放大装置放大后控制执行器(一般为电机)执行,以达到预期目标。
[0025]其中,温度检测模块2主要用于激光封装过程中FRIT (玻璃料)12的精确温度测量。通过红外辐射波9将FRIT的温度信息发送至温度检测模块2,与激光检测与控制模块3共同完成FRIT的温度控制。
[0026]其中,激光检测与控制模块3主要用于激光束形状的检测与激光器4的功率控制,激光检测与控制模块3接收温度检测模块2的温度信息,通过光纤7来控制激光器4的功率(提高、降低或保持恒定),同时,激光检测与控制模块3可以通过激光束检测器控制激光束的形貌,通过功率检测器实时监测激光束的功率。
[0027]其中,激光器4主要用于封装过程中激光束的产生,激光束的波长为80(Tl000nm,产生的红外激光束8投射到玻璃料12上,激光束8在玻璃料12上具有特定的形貌、特定功率的光斑15,一般要求光斑15的宽度略大于FRIT 12宽度,以达到最佳的加热效果。
[0028]所述玻璃料12位于玻璃封装体6的基板玻璃11上,所述玻璃封装体6典型实例为OLED显示屏,其主要结构包括:基板玻璃11、盖板玻璃10、玻璃料12、OLED层14和电极13。其截面图如图1所示,俯视图如图3。玻璃料通过丝网印刷、预烧结等步骤预固化在盖板玻璃10上,形成具有一定厚度的圆角矩形密封线。基板玻璃11上的OLED层位于玻璃料密封线的内侧,同时玻璃基板上存在连接OLED显示器内外部的电极。
[0029]封装体中,有电极引线自OLED有机层中引出,电极引线的导热系数、热容、反射率等均与玻璃料FRIT不一致,因此会导致该区域受热不均匀;拐角区域面积较大,内外径长度不同,因此相同时间内所获得能量较大且不均。为尽量减小以上两中情况,一般采用FRIT区域划分,不同区域激光束功率差异等方式,如图4和图5所示。
[0030]在OLED封装完成之后,常规的做法为直接关闭激光器,停止对封装体加热,如图7所示。由于温度的快速下降,残存应力(Transient stress & Residual stress)存在于封装体中,造成封装体的裂纹而影响产品良率。Transient stress (暂时应力)只存在于温度下降过程中,其计算公式总结为σ = Ea (ΛΤ)2,应力与温度梯度曲线关系如图8所示,其中E为Frit的弹性系数,a为热膨胀系数,Λ T为单位时间内温度的下降数。最终残存应力Residual stress (剩余应力)与Transient stress (暂时应力)、上下玻璃基板的热膨胀系数和弹性系数、Frit周围温度等有关。直接关闭激光器的另一方面:由于Frit同时冷却,拐角处由于面积大于其他区域,散热速度快,与其他区域产生温度梯度,从而产生应力梯度,造成封装体拐角处易碎裂。
[0031]Frit的弹性系数E和膨胀系数α为固定值,欲减小Transient stress,只能降低单位时间内的温度下降量ΔΤ。综合温度控制时间与Transient stress,可采用不直接关闭激光器而逐级降低激光器功率的方法,如图9所示。通过温度检测模块2与激光检测与控制模块3,对温度进行实时检测和功率实时调整,以控制FRIT的温度,使FRIT的温度按照用户预设的温度曲线变化,控制流程如图6所示。本次采用PID算法实现温度的实时控制。由温度检测模块2采样FRIT温度,经过DA转化后与预设温度曲线对比,通过PID算法对温度进行控制,温度的控制是通过实时调整激光束功率实现的,因此,将温度调整结果通过功率控制卡转化为激光束的功率曲线,并对激光器控制,实现一个闭环控制结构。控制过程中,功率空间分布曲线保持不变,只在时间上根据预设温度曲线改变功率的大小,如图9所示(实线为温度预设曲线,虚线为实时控制功率曲线)。同样,激光器功率的不直接撤销可对封装体持续加热,保持拐角处与其他区域的温度平衡,减小甚至消除拐角处的应力梯度。
[0032]本技术方案中,FRIT温度下降期的控制也可采用预设激光束功率曲线的方式实现(因温度下降期对温度的实时调控要求不严格)。实时检测和调整激光束功率,使激光束功率与预设功率保持一致;不进行温度的实时采样,用户事先得之FRIT散热速率,使激光束功率在温度下降期低于该散热速率,将功率-时间曲线作为输入值,进而控制FRIT温度。
[0033]首先将激光束功率提升至一个较大值,以便使FRIT快速软化;当玻璃料吸收了足够的能量而达到了 Th时(设置温度Th =Tsoft+50°C, Th为温度设置最高点,Tsoft为玻璃料软化点),开始对激光器功率进行调整。业界通常采用的方法为直接将激光器关闭,使玻璃料自然冷却,但是由于图4所示的各区域的散热速度不同而造成的热应力差异,且自然冷却会导致热量过快的散失而造成玻璃料与上下玻璃板间的应力增加从而引起开裂、脱层等影响产率的问题。
[0034]本技术方案采用了三种逐级撤销功率的方法,如图10至12,用以避免上述热应力问题:
功率逐级降低:如图10所示,当玻璃料加热到预设温度Th时,激光器开始降低输出功率,输出功率降低的百分比由单位时间内的能量散失N决定。玻璃料吸收的能量Ql=Pt (P为激光器功率,t为时间),玻璃料热量散失为Q2=Nt,因此玻璃料的实际获得的能量Q=Ql -Q2 = (P-N) t0物质的获得能量与温度的关系Q=mc Λ T (m为物质的质量,c为比热容,Λ T为温度的变化量),因此欲控制温度T的变化,只需要改变激光器功率P。温度T随着功率P的逐级下降而呈现一个平滑的下降曲线。
[0035]功率保持:如图11所示,当玻璃料加热到预设温度Th时,降低激光器功率值某一个值(该值小于N),且保持一段时候后撤销,其温度曲线为一个斜率较大的近似直线;
0功率斜率K降低:如图12所示,当玻璃料加热到预设温度Th时,功率降低至某一个值后呈斜率K的曲线下降,直至减小为零,而温度曲线呈现类抛物线的形式。
[0036]本说明书中所述的只是本发明的较佳具体实施例,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案,皆应在本发明的范围之内。
【主权项】
1.一种步进式激光封装温度及功率探测与控制装置,其特征在于,包括: 一激光器,用于产生一激光束加热一玻璃料,所述激光束投射在所述玻璃料上的光斑的宽度大于所述玻璃料的宽度; 一运动控制模块,用于使所述光斑与所述玻璃料同步步进运动; 一温度检测模块,用于测量所述同步步进运动过程中所述玻璃料的温度; 一激光检测与控制模块,用于检测所述激光束的形貌并实时控制所述激光束的功率。2.如权利要求1所述的步进式激光封装温度及功率探测与控制装置,其特征在于,温度检测模块为一非接触式温度传感器。3.如权利要求2所述的步进式激光封装温度及功率探测与控制装置,其特征在于,所述非接触式温度传感器为一红外温度传感器。4.如权利要求1所述的步进式激光封装温度及功率探测与控制装置,其特征在于,所述玻璃料的加热区域被划分为电极区域、直线区域和拐角区域。5.如权利要求4所述的步进式激光封装温度及功率探测与控制装置,其特征在于,所述拐角区域的内外径长度不同,所述拐角区域的面积大于直线区域。6.一种步进式激光封装温度及功率探测与控制方法,其特征在于,包括:生成一激光束加热一玻璃料,使所述激光束投射在所述玻璃料上的光斑的宽度大于所述玻璃料的宽度;使所述光斑与所述玻璃料同步步进运动;测量所述同步步进运动过程中所述玻璃料的温度及检测所述激光束的形貌;根据测得的所述温度及形貌控制所述激光束的功率。7.如权利要求6所述的步进式激光封装温度及功率探测与控制方法,其特征在于,所述玻璃料的加热区域被划分为电极区域、直线区域和拐角区域,所述拐角区域的内外径长度不同,所述拐角区域的面积大于直线区域。8.如权利要求6所述的步进式激光封装温度及功率探测与控制方法,其特征在于,所述激光束的功率采用逐级撤销的方式以被减小。9.如权利要求6所述的步进式激光封装温度及功率探测与控制方法,其特征在于,当所述玻璃料加热至一预设温度时,降低所述激光束的功率并保持一段时间后取消。10.如权利要求6所述的步进式激光封装温度及功率探测与控制方法,其特征在于,当所述玻璃料加热至一预设温度时,直线降低所述激光束的功率直至为零。
【文档编号】H01L21/66GK105895828SQ201410198182
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2014年5月12日
【发明人】聂仕华, 陈明, 谢仁飚
【申请人】上海微电子装备有限公司
网友询问留言 已有0条留言
  • 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞!
1