Fertigungstechnische Herausforderungen beim Laserschneiden von OLED-Displays
Jeder an Display-Technologie Interessierte durfte feststellen, dass besonders im Bereich von Smartphones und Tablets ein Wandel von Flüssigkristallanzeigen (LCD) auf organische Leuchtdioden (OLED) stattfindet. Ein Technologiewandel und der daraus resultierende Nutzen für den Verbraucher stellt oft neue Anforderungen an die Fertigungsverfahren. Wie bei allen neuen Produktionsprozessen müssen natürlich auch die Hersteller von OLED-Displays auf Effizienz und Effektivität achten, um möglichst niedrige Ausschussraten bei gleichzeitig hoher Stückzahl und Profitabilität zu erzielen. Da die Nachfrage permanent ansteigt stehen die mit OLED-Displays belieferten Endmärkte sowohl unter einem hohen Zeit- als auch Kostendruck. Eine der größten Herausforderungen bei der Herstellung von OLED-Displays ist das Ausschneiden der einzelnen Displays aus einem sehr viel größeren Substrat. Für diesen Prozessschritt hat sich in den vergangenen Jahren das Laserschneiden als überlegene Technik entwickelt. Das hat im Wesentlichen drei Gründe: die zunehmende Größe der Displays (Flexibilität), die Schneidgeschwindigkeit (Effizienz) und die Qualität der Schneidkanten (Qualität), die speziell bei diesen Materialien extreme Herausforderungen an die Prozessparameter stellen.
Die Bildschirme von Smartphones und Tablets werden zunehmend größer, damit verbunden auch die Anforderungen an die Laserbearbeitung von OLED-Displays. Um wirtschaftlich sinnvolle Durchsatzraten zu erzielen, wird das Schneiden von Einzeldisplays mit Galvanometer-basierten Laserscannern durchgeführt. Allerdings gibt es scannerseitig gravierende Einschränkungen, welche die Herstellung von Displays mit einer Länge von deutlich mehr als 100 mm verhindern. Die OLED-Display-Polymere reagieren äußerst empfindlich auf Schwankungen der Laserparameter, wie Laserspotsize und Leistungsdichte. Es werden spezifische und konstante Laserspotsizes benötigt, damit qualitativ hochwertige Schnitte erzeugt werden können. Da die Laserspotsize bei Galvanometer-basierten Scannern direkt an den verfügbaren Arbeitsbereich gebunden ist, stellt dieses für OLED-Hersteller eine besondere Herausforderung dar: sie benötigen die Geschwindigkeit eines Galvo-Scanners, sind aber in der Feldgröße, die sie aufgrund der Laserspotsize erreichen können, begrenzt. Die Nachfrage nach OLED-basierten Displays begann am Markt für tragbare Geräte, für die sich auf Grund der Displaygröße keine Einschränkungen des Arbeitsbereiches von Laserscannern zeigten. Da jedoch Smartphones und Tablets ständig größer werden und auch angrenzende Märkte wie die Automobilindustrie nach immer größeren Displays verlangen, müssen die Hersteller Möglichkeiten finden, den Durchsatz eines scannerbasierten Systems bei gleichzeitig größeren Arbeitsbereichen zu erreichen.
Optimale Synchronisation zwischen Scanner- und Servotischbewegung
Hersteller von OLED-Displays erweitern den Arbeitsbereich ihrer Laserschneidanlagen in erster Linie mittels einer Kombination von Scannerbewegungen mit gleichzeitiger Bewegung eines größeren Subsystems (z.B. eines XY-Tisches der das Substrat bewegt). Aber nur wenige moderne Motion Controller erlauben diese Art der Synchronisation zwischen Scanner- und Servotischbewegung in einer Laserstrecke. Die Hersteller nutzen diesen, wie ich es nenne, kaskadierenden Bewegungsablauf, um die erforderliche Dynamik und Geschwindigkeit auf Scanner-Ebene über einen viel größeren Verfahrbereich zu erreichen. Die kaskadierte Bewegung eliminiert die Abhängigkeit zwischen Sichtfeld und Laserspotgröße des Scanners. So kann der Prozessingenieur unabhängig von der Bauteilgröße die optimale Optik auswählen, die für eine hochwertige Materialbearbeitung am besten geeignet ist. Abbildung 1 stellt dar, wie ein solches System funktionieren würde. Ohne ein Laserzuführsystem mit kombinierter Bewegung ist es für Display-Hersteller schwierig, die Durchsatz- und Ausbringungsraten zu erreichen, die erforderlich sind, um wirtschaftlich zu bleiben. Deshalb wird diese Art synchronisierter Bewegung als Schlüssel für den Fortschritt angesehen, während die Hersteller bereits damit beginnen, die Produktion von exotischeren Displays in Angriff zu nehmen.
Ein zusätzlicher Vorteil der Steuerung von Scanner und Servotisch mittels einheitlicher Hard- und Softwareplattform besteht darin, die dynamischen Fehler der Servostufen zu minimieren. Die Ausführung der kaskadierenden Bewegungen mittels eines einzigen integrierten Regelalgorithmus‘ ermöglicht es dem Scanner, Fehler in der Nachführung der Servotische in Echtzeit zu kompensieren. Auf diese Weise haben die Hersteller von OLED-Displays gegenüber einem getrennt gesteuerten Scannersystem wenig bis gar keine Genauigkeitseinbußen. Dieses ist für den Prozess von entscheidender Bedeutung, da die Beibehaltung der Genauigkeit während der schnellstmöglichen Bearbeitung eine weitere große Herausforderung für das Schneiden von OLED-Displays mittels Laser ist.
Das Schneiden von OLED-Display-Baugruppen erfordert eine hohe Laserspot Tracking-Genauigkeit über komplexe Geometrien hinweg. Um die Kosten so gering wie möglich zu halten, werden einzelne Displays mit Geschwindigkeiten von 2-5 m/s unter Beibehaltung einer dynamischen Spitzengenauigkeit von <2-3 µm lasergeschnitten. Diese dynamische Genauigkeit ist erforderlich, da die vielen Anschlüsse und Feinstrukturen an den Rändern der Displays diese mit der Anzeigeelektronik verbinden. Die Genauigkeitstoleranzen bei den geforderten Durchsatzraten zu erreichen, ist eine sehr schwierige Motion-Control-Aufgabe. Zusätzliche dynamische Fehler aus den größeren Servotischen würden sich zu den ohnehin schon engen Fehlertoleranzgrenzen addieren, wenn sie nicht durch einen integrierten Steuerungsansatz für die kaskadierende Bewegung berücksichtigt würden. Auch bei der integrierten Kaskadierung muss nahezu jedwede moderne Steuerungstechnik eingesetzt werden, um diese Anforderungen zu erfüllen. Damit verbunden ist die schwierigste Herausforderung bei Laserschneiden von OLED-Displays – die Empfindlichkeit der zu ihrer Herstellung verwendeten komplexen Materialstapel.
Konstanter Pulsabstand für gleichmäßige Bearbeitung
Traditionelle Lasersteuerungstechniken arbeiten auf Zeit-Basis. Die meisten gepulsten und kurzgepulsten Laser, welche in der Display-Herstellung beliebt sind, werden mit einer festen Frequenz gefeuert. Im Ergebnis führt die Beschleunigung welche zur Aufrechterhaltung der dynamischen Genauigkeit bei komplexen Profilsegmenten erforderlich ist daher zu Schwankungen in der ansonsten durchschnittlich flüssigen Bewegung und in dem Leistungseintrag in das Bauteil. Während der Laserspot sich durch eine scharfe Ecke bewegt, bei der er sich verlangsamen muss, bündeln sich die Laserpulse, was zu Überhitzung und schlechter Schnittqualität der Display-Polymere führt (Abbildung 2). Dieses ist unhaltbar in Bezug auf Ergiebigkeit – die Kontrolle über den durchschnittlich flüssigen Bewegungspfad muss bei diesen Polymeren erhalten bleiben. Die einzige akzeptable Option, die bei der herkömmlichen zeitlichen Lasersteuerung bleibt, ist die Aufrechterhaltung einer konstanten Geschwindigkeit über den gesamten Bewegungspfad. Da die maximale Geschwindigkeit begrenzt werden muss, um die erforderliche dynamische Genauigkeit durch die höchste dynamische Bewegung einzuhalten, wird der Durchsatz bei weniger dynamischen Bewegungen reduziert. Auch dieses ist in Bezug auf den Durchsatz nicht tragbar. Aus diesen Gründen setzen einige Display-Hersteller auf Steuerungen, welche die Möglichkeit bieten, Laser auf einzigartige Weise zu steuern.
Ein Ansatz, um die durch die Beschleunigung hervorgerufenen Schwankungen der Laserparameter zu mindern, ist das feuern von Pulsen auf Positions-Basis. Die auf Position bezogene Lasersteuerung ermöglicht es dem Anwender, Pulse in Abhängigkeit von der vom Laserpunkt zurückgelegten Wegstrecke und nicht von der verstrichenen Zeit zu steuern. Durch die Integration der Rückmeldung des Bewegungssystems in den Laserpulsgenerator sind moderne Steuerungen in der Lage die Pulsfrequenz in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des Laserspots zu modulieren. Dadurch wird ein konstanter Pulsabstand und damit eine gleichmäßige Bearbeitung des Bauteils erreicht. Mittels dieser Funktionalität kann ein komplettes Set von Schnittpfadplanungen und komplexen Bewegungssteuerungen angewendet werden, ohne die Qualität und Ergiebigkeit der Schneidoperationen zu beeinträchtigen. Dieses ermöglicht einen maximalen Schneiddurchsatz bei gleichzeitiger Einhaltung strenger Genauigkeitsanforderungen bei hohen Ausbringungsraten, die von der Display-Industrie gefordert werden.
Optimale Variation der Pulsenergie
Weitere Lasersteuerungen auf Positions-Basis, die den Anwender zusätzlich in die Lage versetzen, die Energiezufuhr zu steuern, werden häufig beim Schneiden von empfindlichen Materialien, wie OLED-Display-Komponenten, eingesetzt. Ein Beispiel ist die Fähigkeit, die mittlere Laserleistung oder bei gepulsten Lasern die Pulsenergie in Abhängigkeit von der Position innerhalb des optischen Feldes von Scannersystemen zu modulieren. Die Regelung der Pulsenergie in Abhängigkeit von der Position kann angewendet werden, um vorhersagbare Schwankungen des Energieeintrages zu korrigieren, welche sich aus Laserspotverzerrungen ergeben, die auf die Optik zurückzuführen sind. Diese optischen Einflüsse werden theoretisch modelliert und können durch die Variation der Pulsenergie bei Zunahme und Abnahme des Spotdurchmessers während der Scannerfahrt wirksam gemindert werden. Ebenso ermöglicht die integrierte Kenntnis der Rückmeldung des gesamten Bewegungssystems, also auch des Scanners, die Variation der Pulsenergie bzw. der mittleren Laserleistung in Abhängigkeit von der Tool-on-part-Geschwindigkeit des Laserspots. Durch moderne Lasersteuerungsfunktionalitäten wie diese wird dem Anwender eine weitere implizite Kontrolle über die Gleichmäßigkeit und Leistungsdichte des Schnittverlaufs ermöglicht. Die Vorteile, die diese Lasersteuerung bietet, beruhen jedoch weitgehend auf einer gemeinsamen Steuerungsarchitektur, bei der alle Rückmeldungen abgefragt und innerhalb der Steuerung kombiniert werden können. Besonders wichtig ist eine einheitliche Steuerungsarchitektur beim Einsatz von Lasersteuerungen mit kombinierten Bewegungssystemen, wie dem oben beschriebenen für die OLED-Fertigung kritischen kaskadierendem Bewegungsansatz.
Da viele der Lasersteuerungstechniken erst kürzlich bei Ultrakurzpulslasern eingeführt wurden, werden enge Beziehungen zwischen Bewegungslieferanten und Laserquellenlieferanten geknüpft um die Display-Hersteller besser zu unterstützen. Diese Beziehungen sind notwendig, um leistungsfähigste Kombinationen von Laser- und Bewegungsbearbeitungssystem für die Display-Hersteller zu liefern. Da die Industrie in angrenzende und noch kompliziertere Märkte, wie beispielsweise die Automobilindustrie, vordringt, wird die Neu- und Weiterentwicklung von Steuerungsmöglichkeiten zwischen Laser- und Bewegungsmodulen sicherlich erforderlich werden (Abbildung 3). Beispielsweise ist es wahrscheinlich, dass kaskadierte, koordinierte Bewegung sowie positionsbezogene Lasersteuerung im vollen 3D-Raum erforderlich werden um Freiform-Displays zu bearbeiten und zu schneiden. Da sich flexible und gewölbte OLED-Displays im Alltag immer mehr durchsetzen, werden moderne Steuerungsfunktionen wie die diskutierten dazu beitragen, neue OLED-Display-Märkte zu erschließen. Für die Herstellung der OLED-basierten Displays, die den Mobilfunkmarkt erobern, war bereits eine Menge Innovation nötig. Viele weitere werden nötig sein, um die Technologie über die bewährten LCD-Displaymärkte hinaus voranzutreiben.
