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以下文章來源于顯示之窗，作者李松舉

顯示屏幕作為信息的重要載體，是信息化時代不可或缺的電子元件之一。顯示技術從傳統的陰極顯像管到LCD顯示屏，再到近幾年增長迅速的OLED顯示屏，不斷推動著顯示體驗升級。甚至在不遠的將來，由VR/AR產品需求帶動的超精細微顯示器將帶來新的顯示革命，其中Micro-OLED、Micro-LED也將成為顯示技術的主力軍。

OLED作為主要的顯示技術，封裝（Encapsulation）是其制備過程中一個重要的組成部分。傳統的剛性封裝一般使用蓋板玻璃將含有對水氧敏感的OLED發光器件包裹封裝起來，而薄膜封裝則是在OLED上制作多層包裹OLED的水氧阻隔層來達到封裝效果，它們都能使OLED保持穩定發光的同時，保證OLED發出的光能透過封裝到達人眼。

剛性封裝的OLED顯示屏無法做成可折疊、彎折的形態，而薄膜封裝則因其較薄的厚度和使用了柔軟的有機緩沖材料，使得使用柔性襯底的OLED顯示屏可以彎折至半徑3mm甚至更低。更多地，剛性封裝會增加一個較厚的玻璃蓋板(0.3~0.5mm)，使得顯示屏的厚度增加，而薄膜封裝(5~20um)則可以將顯示屏做得很薄。

近期就有媒體爆料蘋果公司準備在新版IPad和Mac的顯示器中使用混合型OLED（Hybrid-OLED）技術，這種技術就在剛性的玻璃襯底上制作顯示器件后，再使用薄膜封裝對其進行保護的顯示技術。這一方面可以降低成本，另一方面還可以降低屏幕的厚度。這也從側面說明薄膜封裝已經成為一種成熟穩定的封裝方法。

目前量產的薄膜封裝技術大多采用無機-有機-無機三疊層結構，其中無機層使用等離子體增強化學氣相沉積（PECVD）制作氮化硅、氮氧化硅作為水氧阻隔層，它們能有效阻擋外界水氧的入侵。

然而由于PECVD形成的薄膜存在一定密度的缺陷，而且一旦有異物存在時，PECVD薄膜很容易就會失效，因此考慮在兩層無機層中增加一層由噴墨印刷（IJP）制作的緩沖層，這一緩沖層一方面可以有效覆蓋異物，使得其上的PECVD層能在一個較平坦的表面沉積；另一方面，有機材料組成的緩沖層具有更小的楊氏模量，有更強的柔韌性和應力緩沖能力。有利于提高顯示屏幕的彎折和可靠性能。

隨著顯示屏幕形態的不斷發展，進一步降低彎折半徑的需求越來越高，這就對薄膜封裝的厚度提出了更高的要求，當前PECVD制備的無機阻隔層至少都要在500nm以上才能保證OLED的長期使用。而有機緩沖層一般也需要達到8~14um才能有效覆蓋制程中的缺陷。

薄膜封裝的薄膜幾乎覆蓋整個顯示屏，其厚度是影響整個屏幕在彎折時應力強度的一個重要考慮點，對應可柔性，厚度往往越小越好。然而當前PECVD制備的無機阻隔層已無法繼續降低，在膜厚減薄的情況下仍能保證水氧阻隔性能的封裝技術是薄膜封裝的重要研發方向之一。

原子層沉積（ALD）技術可以在低溫下制備具有較高體密度、低缺陷低針孔密度的致密薄膜，因此膜厚為幾十納米薄膜的阻隔性即可媲美PECVD制作薄膜的幾百納米薄膜，也因此，ALD也成為替代PECVD的候選技術之一。

實際上，原子層沉積在半導體高端芯片和光伏領域已被導入量產線，在顯示領域，隨著其薄膜封裝性能的研發從高校實驗室到領域內研究機構的推進，結合噴墨印刷等有機緩沖層一同形成可靠的薄膜封裝結構，其實際應用也逐漸嶄露頭角：

原子層沉積的直接替代化學氣相沉積

在OLED封裝結構上，仍采用量產常用的無機-有機-無機3疊層結構。通過在較大的玻璃基板（100x100mm）上制備OLED顯示器和IGZO-AMOLED柔性顯示器進行了封裝相關性能驗證后的結果顯示：一是噴墨打印可以在原子層沉積薄膜上有效成膜，不僅鋪展良好，接觸角低至11.1°，而且邊緣直線性良好。二是OLED顯示屏性能良好，在常規環境放置363天后未失效，在60℃/85%RH狀態下，T95為300小時，三是OLED顯示屏在彎折后仍能有效顯示^[1]。

韓國電子與電信研究所（ETRI）的Byoung-Hwa Kwon團隊研究了使用該技術用于OLED新型薄膜封裝（TFE），無機層為使用PEALD制備的AlOx薄膜，TMA和O₂等離子體作為主要反應源，沉積溫度為95℃。有機緩沖層使用了三星SDI的亞克力型封裝墨水，通過噴墨印刷技術制得。（參考圖1）

圖1 本文封裝結構及流程示意圖

封裝驗證用的器件方面，在較大的玻璃基板（100x100mm）上制備了OLED顯示器和IGZO-AMOLED柔性顯示器。

為了評估IJP能否在ALD薄膜上有效成膜，在AlOx-ALD薄膜上進行了噴墨點陣印刷以評估鋪展性，結果顯示鋪展良好。（參考圖2）

圖2 在ALD上TFE-Ink的(c)接觸角，(d)滴墨及鋪展性，(e)邊緣直線性

接著測試了AlOx的密度（3.09g/cm³）、AlOx/IJP/AlOx疊層的透過率(95% @380~780nm)、WVTR(<5x10^-5 g/m²/day)、彎折表現和表面粗糙度(0.99nm)。（參考圖3）

圖3 (a) ALD-AlO_x和TFE-IJP薄膜的折射率與波長關系曲線(b)測試AlO_x密度的XRR曲線 (c) AlO_x/IIJP/AlO_x、AlO_x/IJP和單層AlO_x三組薄膜的透過率曲線，其中插圖是100x100mm的3疊層薄膜透過率表現(d) AlO_x/IIJP/AlO_x 疊層的WVTR測試曲線(e)3疊層與單層AlO_x在R3.2彎折10次后的WVTR測試對比，在測試前兩者WVTR均小于10E-5 (f)AFM測試的疊層表面形貌圖

薄膜的測試還只是開始，能否應用至OLED顯示屏中才是關鍵。其中使用AlOx/IJP/AlOx疊層封裝的45x90mm OLED顯示屏性能明顯比單層AlO_x封裝要好。（參考圖4）

圖4 (a)簡單線段控制的OLED顯示屏layout，(b)OLED在常規環境下放置0、112、363天后的點亮情況。(c) 25℃/50%RH狀態下的壽命測試對比，(d) 60℃/85RH狀態下的壽命測試對比

此外，在IGZO-AMOLED顯示屏上也進行了點亮和彎折性能評估。結果顯示AlO_x/IJP/AlO_x疊層封裝后的顯示屏在彎折后仍能有效顯示，而單層AlO_x封裝的顯示屏在彎折后嚴重失效。如圖5所示。

圖5 (a) 疊層封裝的20x20mm柔性純OLED器件的點亮與彎折示意圖，(b)單層無機層封裝的40x40mm柔性AMOLED器件點亮與彎折示意圖(上) 、疊層無機層封裝的40x40mm柔性AMOLED器件點亮與彎折示意圖(下)

等離子體處理工藝可進一步提高阻隔與機械性能

可實現柔性顯示是薄膜封裝的優勢之一，因此，如何使封裝適應更加“柔”的顯示器是薄膜封裝開發的永恒主題。結合ALD與IJP時，引入等離子體處理工藝，在有效提高了疊層的水氧阻隔性的同時，WVTR從2.5x10^-2提升至6x10^-3 g/m²/day，也增加了疊層的機械強度，使TFE封裝層無需考慮與中性層的距離也能保證較高的可彎折性^[2]。

福州大學物理和信息學院的Guixiong Chen團隊使用TMA和H₂O在熱原子層沉積設備中制備了AlOx薄膜，接著亞克力系的UV固化型墨水被噴墨印刷至AlOx薄膜上。

固化后，樣品被送至反應離子蝕刻（RIE）設備中并進行了SF₆的等離子體處理。反復執行以上步驟直至形成3組無機-有機疊層，完成封裝。（參考圖6）

圖6 試驗流程示意圖

Chen等對該薄膜封裝結構進行了全面的表征。其中，經過SF₆等離子體處理后的有機薄膜，從平坦的表面變成了粗糙度非常大的具有凹凸結構的表面結構。如下圖7所示：

圖7 經過SF₆處理后有機層的高清SEM圖

從XPS和EDS分析結果判斷，有機層表面被氟化并形成了氟碳化合物，這些氟碳化合物使得有機層表面極性增強，從而可有效減少水汽分子的滲透，有利于WVTR的降低。進一步對比處理后有機膜與ALD-AlOx形成的疊層的水氧阻隔性，發現經過處理后的疊層比未處理疊層的WVTR更低。

機械性能方面，將樣品彎折至半徑3mm，未處理的疊層出現了大量的裂紋，而有機層經過SF₆處理的樣品裂紋非常少。如下圖8所示：

圖8 處理/未處理TFE結構的彎折后裂紋對比圖

經分析推測，經處理的TFE結構能具有更好的機械性能的原因是：一方面，凹凸不平結構能有效降低AlOx薄膜在彎折時產生的應力，而且這樣的非連續凸起結構使得裂紋不容易擴散。另一方面，有機層表面被氟化之后，其楊氏模量變得更大，從而降低了在90℃的AlOx沉積過程中AlOx與有機膜之間的熱應力，進而減少由界面應力帶來AlOx膜的應變，提高整體TFE的機械強度。

結語

隨著顯示技術的持續發展，適應更高端產品的新型薄膜封裝技術也陸續被開發，不僅僅是ALD和IJP，還有很多其他新型制程和設備，相信這些新技術不僅能給我們帶來更佳的視覺體驗，更能使產品的性價比更高，產品更快普及。

參考文獻

[1] B,H Kwon et al., ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 55391?55402. DOI: 10.1021/acsami.1c12253

[2] G Chen et al., Organic Electronics 97 (2021) 106263. DOI:10.1016/j.orgel.2021.106263

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