Laserschneiden: So lassen sich OLED-Displays bearbeiten

Ein Grund, warum die Hersteller vermehrt aufs Laserschneiden setzen, ist der Technologiewechsel von Flüssigkristallanzeigen (LCD) auf organische Leuchtdioden (OLED) bei Smartphones und sogar Fernsehern. Da die Nachfrage permanent steigt 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 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.

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Infos zum Artikel „Laserschneiden“

Autor: WIlliam S. Land II ist Business Development Manager bei Aerotech in Pittsburgh (USA).

Um wirtschaftlich sinnvolle Durchsatzraten in der OLED-Fertigung 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.

Laserschneiden: 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) beim Laserschneiden. 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.

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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).

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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.

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Optimale Variation der Pulsenergie beim Laserschneiden

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.

Aerotech – Antriebstechnik als Wissenschaft

Die Aerotech GmbH mit Sitz im fränkischen Fürth ist eine Tochtergesellschaft der weltweit agierenden Aerotech Inc. mit Firmensitz in Pittsburgh, USA. Das nach wie vor in der 2. Generation inhabergeführte Familienunternehmen wurde 1970 von Stephen J. Botos mit der Vision gegründet, die Wissenschaft der Bewegung im Bereich Motion Control voranzubringen.

Bis heute entwickelt Aerotech Motion Control-Systeme höchster Präzision, Positioniertische und die dazugehörigen Softwarelösungen und brilliert dabei durch seine hohe Innovationskraft gepaart mit wissenschaftlicher Präzision und praxisgerechter Umsetzung. Am deutschen Standort in Fürth werden die Systeme kundenspezifisch für den europäischen Markt konfiguriert und konfektioniert.

Die Motion Control-Produkte von Aerotech erfüllen die kritischen Anforderungen, die für die anspruchsvollen Anwendungsbereiche von heute erforderlich sind. Die innovativen und hochpräzisen Bewegungslösungen kommen überall dort zum Einsatz, wo ein hoher Durchsatz gefordert wird – in Industrie, Wissenschaft und Forschung.

Von dem umfassenden Know-how profitieren Kunden weltweit. Die Aerotech-Lösungen haben ein extrem breites Anwendungsfeld u.a. in der Medizintechnik und Life Science-Anwendungen, bei der Halbleiter- und Flachbildschirmproduktion, in den Bereichen Photonik, Automotive, Datenspeicherung, Laserbearbeitung, Militär/Luft- und Raumfahrt, Elektronikherstellung, sowie beim Prüfen und Testen bis hin zur Montage. Aerotech beschäftigt derzeit weltweit ca. 400 Mitarbeiter. Hier geht’s zur Website von Aerotech.

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