Laser in der Displayfertigung: Form- und Lochschneiden bei FlexOLEDs

In anderen Beiträgen dieser Reihe wurde erläutert, wie zahlreiche Displays für Mobilgeräte gleichzeitig auf großen „Mutterglas“-Platten hergestellt werden. Nachdem alle Schaltkreise aufgebracht und verschiedene weitere Schichten hinzugefügt wurden, wird das große Substrat mit einem _CO₂-Laser in einzelne „Zellen“ geschnitten. 

Dies geschieht, weil Zellen, die nur wenige Displays enthalten, viel einfacher zu handhaben und zu transportieren sind als das ursprüngliche große Substrat. Man sollte bedenken, dass die letzten Schritte der Montage mobiler Geräte in der Regel in einer anderen Produktionsstätte (oft sogar in einem anderen Land!) erfolgen als dort, wo die Display-Schaltkreise ursprünglich hergestellt wurden. Je nach Größe der einzelnen Displays und anderen Faktoren enthalten die Zellen in der Regel zwischen zwei und zehn einzelne Displays.

Es ist schwer, den Sprung zu schaffen

Jedes einzelne Display muss vor der Montage des Smartphones oder Tablets aus der Zelle ausgeschnitten werden. Zudem erfordern viele Designs Löcher an bestimmten Stellen im Display. Diese dienen in der Regel dazu, den Blick für Kameras oder andere Sensoren freizugeben. Manchmal werden auch nur bestimmte Schichten des Displays in einem bestimmten Bereich selektiv entfernt. Dies geschieht, um Platz für Fingerabdrucksensoren zu schaffen, die sich unter dem Display befinden, aber keine Durchgangsbohrung benötigen.  

Diese Verfahren werden als Form- und Lochschneiden bezeichnet. Und sie stellen aus mehreren Gründen extrem hohe Anforderungen. Erstens werden sie an fast fertigen Displays durchgeführt – bei denen fast alle Kosten bereits eingerechnet sind. In dieser Phase möchte man kein Teil verschrotten!

Zudem müssen sie mit hoher mechanischer Präzision gefertigt werden. Das heißt, mit sehr engen Toleranzen und hoher Wiederholgenauigkeit. Dies ist notwendig, um Probleme bei der Montage zu vermeiden. Die meisten aktuellen Mobiltelefone verfügen über ein Display, das praktisch die gesamte Oberseite des Geräts bedeckt und von einem sehr schmalen Rahmen umgeben ist. Ist das Display zu groß ausgeschnitten, passt es nicht richtig in den Rahmen. Ist es zu klein, entstehen Spalten am Rand. Außerdem müssen alle Löcher genau auf die dahinter liegenden Bauteile (Kameras usw.) ausgerichtet sein.  

Ein weiterer äußerst wichtiger Aspekt dieser Schneideverfahren ist die dabei entstehendeWärmeeinflusszone(HAZ). Die HAZ ist der Bereich neben der Kante, in dem die beim Schneiden entstehende Wärme die Display-Schaltkreise beeinträchtigen oder Blasen, Risse oder andere Defekte verursachen kann. Diese können für den Nutzer als fehlerhafte Bereiche auf dem Display sichtbar sein. Bei faltbaren Smartphones können sie zudem Ausgangspunkte sein, an denen sich später Risse bilden oder ausbreiten können.  

Eine maximale HAZ-Spezifikation für das Konturschneiden eines typischen Smartphones könnte bei 100 µm liegen. Bei einem faltbaren Display könnte sie bei 50 µm liegen. Und beim Ausschnittschneiden ist es nicht ungewöhnlich, dass die maximal zulässige HAZ unter 20 µm liegt.  

Und haben wir vielleicht vergessen zu erwähnen, dass die Formschneideprozesse schnell sein müssen – buchstäblich in höchstens wenigen Sekunden erledigt? Denn das Schneiden muss mit den anderen Produktionsschritten Schritt halten und den außergewöhnlichen Durchsatzanforderungen gerecht werden, denen Hersteller mobiler Geräte gegenüberstehen.

Ultrakurzpulslaser bringen FlexOLEDs in Form

Es gibt nur eine Art von Laser, die diesen Anforderungen gerecht wird – oder, genauer gesagt, dem Display – und jede einzelne dieser Anforderungen erfüllt. Es handelt sich um einenUltrakurzpulslaser (USP), der mit hohen Wiederholungsraten arbeitet und im ultravioletten Bereich emittiert. Schauen wir uns einmal genauer an, warum jede dieser Eigenschaften so entscheidend ist.

USP-Laser sind erforderlich, da sie eine wesentlich kleinere HAZ erzeugen als jeder andere Lasertyp – zumindest im Vergleich zu solchen, die ein 0,5 mm dickes Display in wenigen Sekunden durchschneiden können. Im Allgemeinen wird die HAZ umso kleiner, je kürzer die Impulse sind. So USP-Laser ein USP-Laser eine HAZ von unter 10 µm erzeugen, während ein USP-Laser in der Regel unter 30 µm USP-Laser .

Aber ganz so eindeutig ist die Sache nicht. Die tatsächlichen Unterschiede bei der HAZ sind nicht immer so ausgeprägt, wie es die Theorie vermuten lässt. Zudem gibt es Unterschiede hinsichtlich Geschwindigkeit, Kosten und anderer praktischer Aspekte, die Einfluss darauf haben können, welcher Laser für eine bestimmte Anwendung am „besten“ geeignet ist. 

Daher werden derzeit sowohl Pikosekunden- als auch Femtosekundenlaser für die Form- und Lochbearbeitung in der Fertigung eingesetzt. Verschiedene Smartphone-Hersteller tendieren dazu, eine „bevorzugte“ Technologie zu haben. Dies hängt von den Anforderungen an die Wärmeeinflusszone sowie von ihren Erfahrungen und ihrer Vertrautheit mit einem bestimmten Lasertyp ab. 

Das Schneiden von Formen und Löchern erfolgt jeweils mithilfe eines Scanners. Der Laser muss denselben Weg mehrfach abfahren, um das Display vollständig zu durchschneiden. Daher ist die Wiederholfrequenz von entscheidender Bedeutung. Sie wirkt sich direkt auf die Schnittgeschwindigkeit aus: Wenn zwei Laser die gleiche Pulsenergie haben, schneidet derjenige mit der höheren Wiederholfrequenz schneller. 

Schließlich bietet die UV-Strahlung aus mehreren Gründen Vorteile. Erstens wird sie von den verschiedenen Materialien in dem heterogenen Schichtaufbau, aus dem ein Display besteht, gleichmäßiger absorbiert als längere Wellenlängen. Das bedeutet, dass jede Schicht gleichmäßig geschnitten wird, unabhängig von ihrer Zusammensetzung. 

UV-Licht lässt sich zudem auf kleinere Spotgrößen bündeln als Licht mit längeren Wellenlängen (aufgrund der Beugung). Dadurch erhöht sich die Energiedichte des fokussierten Spots, was bedeutet, dass jeder Impuls mehr Material abträgt. Dies beschleunigt den Schneidvorgang. Zudem ermöglicht UV-Licht den Einsatz von Optiken mit größerer Schärfentiefe. Dadurch ist der Schneidprozess unempfindlicher gegenüber geringfügigen Abweichungen in der Höhe oder Dicke der Werkstücke.

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