引言

近年來(lái)，采用微米級(jí)發(fā)光二極管 (mini light emitting diode,Mini-LED) 顯示技術(shù)的產(chǎn)品逐漸普及，其產(chǎn)品主要應(yīng)用于中大型屏幕的拼接顯示場(chǎng)景，主要分為背光式和直顯式產(chǎn)品兩類(lèi)，其中直顯式產(chǎn)品通過(guò)將微型化顯示芯片直接封裝于顯示基板，形成超高密度像素陣列以實(shí)現(xiàn)畫(huà)面呈現(xiàn)。根據(jù)近年公開(kāi)的技術(shù)資料，行業(yè)主流技術(shù)路線多以印制電路板 (printed circuit board,PCB) 作為基板載體，但受限于 PCB 的材料特性、制程工藝等，其顯示效果存在明顯不足，尤其是拼接顯示時(shí)的邊框?qū)挾群鸵曈X(jué)一致性較差，難以滿(mǎn)足近距離、高畫(huà)質(zhì)的觀看要求。因此，開(kāi)發(fā)一種無(wú)拼接邊框、支持高畫(huà)質(zhì)近距離觀看的顯示產(chǎn)品至關(guān)重要。相對(duì)于 PCB 基板，玻璃基板具有更高的工藝精度、更好的黑化效果及對(duì)比度和平整度。因此，本研究以玻璃基板替代傳統(tǒng) PCB 基板，擬開(kāi)發(fā)一套玻璃基多層金屬膜制備技術(shù)，通過(guò)對(duì)基板玻璃進(jìn)行加工，使驅(qū)動(dòng)面板的線路沿玻璃側(cè)邊沉積，從而實(shí)現(xiàn)屏幕無(wú)縫拼接，以期推動(dòng)大尺寸屏幕在顯示效果、近距離觀看體驗(yàn)等方面的跨越式提升。

1、 Mini-LED 技術(shù)原理

1.1 Mini-LED 顯示屏簡(jiǎn)介

Mini-LED 顯示技術(shù)作為一種新型顯示技術(shù)，采用 50~200μm 的小型化 LED 芯片，通過(guò)縮小相鄰像素點(diǎn)距離、精確控制每個(gè) LED 的色彩與亮度，實(shí)現(xiàn)高對(duì)比度和高動(dòng)態(tài)范圍的顯示畫(huà)質(zhì) [1]。主要分為直顯式產(chǎn)品和液晶顯示背光用產(chǎn)品兩類(lèi)，目前已廣泛應(yīng)用于電視、筆記本電腦、戶(hù)外大屏、安防應(yīng)急指揮中心、虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域，極大地提升了設(shè)備的顯示效果與用戶(hù)體驗(yàn)。Mini-LED 顯示的主要技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于可實(shí)現(xiàn)極高的對(duì)比度，使畫(huà)面更為生動(dòng)；可實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的局部調(diào)光，提升畫(huà)面亮度和暗度表現(xiàn)，進(jìn)而呈現(xiàn)出更為真實(shí)的畫(huà)面效果 [2-3]。另外，Mini-LED 顯示具有極高的亮度，即使在陽(yáng)光直射的環(huán)境下，依然可以呈現(xiàn)清晰的畫(huà)面。而且，Mini-LED 顯示具有較低的能耗和較長(zhǎng)的使用壽命，不易出現(xiàn)燒屏、殘影等問(wèn)題，極大地降低了設(shè)備維護(hù)成本。

其中，Mini-LED 直顯式產(chǎn)品通過(guò)將微型化 RGB 顯示芯片直接封裝于基板，形成超高密度像素陣列以實(shí)現(xiàn)畫(huà)面呈現(xiàn)，可滿(mǎn)足任意大小的無(wú)縫拼接以及高品質(zhì)、近距離、超大尺寸的顯示需求。隨著像素間距的不斷縮小，像素密度將不斷增加，這對(duì) PCB 基板的加工精度提出了極高要求。在此趨勢(shì)下，基于 PCB 基板的 Mini-LED 產(chǎn)品逐漸失去優(yōu)勢(shì)，其極小線寬的技術(shù)要求使得生產(chǎn)難度陡增。在中型尺寸高畫(huà)質(zhì)顯示面板領(lǐng)域，基于玻璃基板的 Mini-LED 產(chǎn)品成為更理想的選擇，其不僅具備優(yōu)異的導(dǎo)熱性能，還具有出色的熱穩(wěn)定性和極小的形變量，同時(shí)能保證基板的高度平整性。特別值得注意的是，在玻璃基底無(wú)縫拼接式 Mini-LED 產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中，為實(shí)現(xiàn)極窄無(wú)縫顯示效果，需要將驅(qū)動(dòng) IC 和控制單元全部設(shè)計(jì)在基板背面，這種特殊結(jié)構(gòu)使得如何通過(guò)產(chǎn)品和工藝設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)單元與發(fā)光單元的有效連接成為核心技術(shù)難題。

1.2 玻璃基 Mini-LED 顯示技術(shù)

1.2.1 側(cè)邊工藝對(duì)比

為實(shí)現(xiàn)正面發(fā)光單元和背面驅(qū)動(dòng)單元的有效連接，常規(guī)的工藝技術(shù)路線包括柔性 PCB (flexible PCB,FPCB) 綁定技術(shù)、挖孔刻蝕技術(shù)和傳統(tǒng)平面磁控濺射鍍膜技術(shù)等。然而，這些技術(shù)均存在各自的應(yīng)用局限性。例如，F(xiàn)PCB 綁定技術(shù)需將電路板在顯示屏幕正面綁定后再?gòu)澱壑帘趁孢M(jìn)行驅(qū)動(dòng)連接，這勢(shì)必會(huì)造成顯示屏幕的黑邊框?qū)挾仍黾樱煌诳纂婂兂练e金屬技術(shù)面臨玻璃基材挖孔效率低下且平面磁控濺射設(shè)備難以實(shí)現(xiàn)深孔臺(tái)階覆蓋等技術(shù)瓶頸，無(wú)法滿(mǎn)足大規(guī)模高效生產(chǎn)需求。因此，針對(duì)玻璃基材的極窄邊框顯示產(chǎn)品線路制備問(wèn)題，亟須開(kāi)發(fā)新型制備工藝技術(shù)。本研究提出的 3D 磁控濺射設(shè)備與工藝可有效解決上述瓶頸問(wèn)題，為玻璃基底 Mini-LED 顯示屏幕實(shí)現(xiàn)極窄邊框設(shè)計(jì)路線提供創(chuàng)新解決方案。該技術(shù)主要應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)和通信金屬線路的沉積制備，可實(shí)現(xiàn)屏幕側(cè)面連接線路的高效制備，不僅能夠達(dá)到無(wú)縫拼接的顯示效果，而且更具備產(chǎn)業(yè)化大規(guī)模應(yīng)用潛力。

1.2.2 3D 磁控濺射技術(shù)原理

3D 磁控濺射鍍膜技術(shù)是物理氣相沉積 (physical vapor deposition,PVD) 技術(shù)的一種，PVD 是在真空條件下，通過(guò)材料源表面的氣化 (形成氣體原子、分子或部分電離成離子) 過(guò)程，基于低壓氣體和等離子體作用，在基體表面沉積功能性薄膜的技術(shù) [4]。其基本工藝過(guò)程可概括為 3 個(gè)關(guān)鍵階段：其一，通過(guò)蒸發(fā)、升華或?yàn)R射等過(guò)程使粒子從原材料中脫離；其二，粒子間發(fā)生碰撞，產(chǎn)生離化或復(fù)合等反應(yīng)并傳輸至基底層；其三，粒子在基片表面凝結(jié)、成核、生長(zhǎng)和成膜。在實(shí)際濺射工藝中，通常利用電場(chǎng)加速的正離子轟擊靶電極 (陰極), 誘導(dǎo)其原子發(fā)生濺射。該過(guò)程依賴(lài)于氣體的輝光放電現(xiàn)象。濺射方法種類(lèi)較多，具有高速、低溫、低損傷 [5] 等顯著優(yōu)勢(shì)。

如圖 1 所示，3D 磁控濺射系統(tǒng)的核心特征在于：在靶材背面施加相互垂直的電磁場(chǎng) (靶材為陰極，基底為陽(yáng)極), 垂直于電場(chǎng)方向分布的磁力線將電子約束在靶材表面附近做螺旋進(jìn)動(dòng)位移，可有效延長(zhǎng)其在等離子體中的運(yùn)動(dòng)軌跡和路徑，提高電子與氬氣分子的碰撞概率。同時(shí)，受正交電磁場(chǎng)束縛的電子只能在其能量耗盡時(shí)湮沒(méi)在襯底上，在電場(chǎng) E 的作用下，電子與氬原子碰撞并發(fā)生電離，產(chǎn)生 Ar + 和新電子。新電子飛向襯底，Ar + 在電場(chǎng)作用下加速飛向陰極靶材，高速轟擊靶材，引生濺射現(xiàn)象。靶材原子產(chǎn)生的二次電子沿 E×B 方向漂移。經(jīng)多次碰撞后，二次電子能量下降，逐漸遠(yuǎn)離靶表面，最終沉積在襯底上 [6-8]。上述反應(yīng)原理使得磁控濺射具有低溫、高速的顯著優(yōu)勢(shì)，同時(shí)電子對(duì)玻璃基底的轟擊能量小，可減少基底損傷，避免基底溫升過(guò)高，降低薄膜污染的可能性 [9]。

2、 側(cè)邊金屬線路工藝設(shè)計(jì)與制作

2.1 設(shè)備硬件設(shè)施布局與相關(guān)性能指標(biāo)

根據(jù)玻璃基 Mini-LED 顯示器件的應(yīng)用場(chǎng)景需求，本研究設(shè)計(jì)出可 3D 沉積 Mini-LED 側(cè)面金屬線路的專(zhuān)用設(shè)備，進(jìn)行側(cè)邊線路的 PVD 鍍制銅金屬薄膜，實(shí)現(xiàn)正面顯示像素與背面控制單元的回路連接，設(shè)備型號(hào)為 POWERTECH SP-0606SI 型，設(shè)備的硬件結(jié)構(gòu)示意圖如圖 2 所示，主要包括真空腔室和泵組系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)、2 套離子電源、2 套直流電源、2 套高壓電弧電源、1 套偏壓控制系統(tǒng)、反應(yīng)氣體回路等 [10]。

設(shè)備相關(guān)性能參數(shù)如下：腔室真空系統(tǒng)真空能力為 5×10-5~Pa; 反應(yīng)氣體流量系統(tǒng)型號(hào)為 Area FC-R7700, 量程 0.6~300 L/H; 離子電源型號(hào)為 SP-485 系列，輸出最大電壓為 DC 1600 V, 輸出最大功率為 5 kW; 弧電源型號(hào)為 SP-3A150, 工作電壓為 16~30 V 最大輸出電流≤150 A; 直流電源型號(hào)為 AE-PNCL12k, 最大輸出功率為 12 kW, 工作設(shè)定電壓為 800 V。

工藝設(shè)施特殊要求如下：實(shí)施鍍膜工藝時(shí)，樣品需放置在腔室中心可旋轉(zhuǎn)的偏壓轉(zhuǎn)架上，保證導(dǎo)電良好，各靶材依次環(huán)繞腔室分布，當(dāng)對(duì)應(yīng)的靶材開(kāi)始工作時(shí)，樣品鍍膜區(qū)域可定向旋轉(zhuǎn)到靶材正對(duì)面位置；直流電源 1 連接直流銅靶材，直流電源 2 連接鈦靶材，這 2 套靶材設(shè)計(jì)有可移動(dòng)式電機(jī)，可以根據(jù)樣品在腔室中旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行前后移動(dòng)，調(diào)節(jié)靶基距離，以實(shí)現(xiàn)更高的鍍膜精度和正背面更好的臺(tái)階覆蓋性。基于該設(shè)備可針對(duì)性地在 Mini-LED 顯示屏幕的側(cè)面鍍制驅(qū)動(dòng)和通信線路，實(shí)現(xiàn)正面 - 側(cè)面 - 背面的線路連接和導(dǎo)通，最大程度縮小顯示屏幕邊框，極大提高屏占比。

2.2 工藝條件設(shè)計(jì)與樣品制作

設(shè)計(jì)好設(shè)備硬件設(shè)施后，根據(jù) Mini-LED 電路系統(tǒng)選擇金屬線路的材質(zhì)，側(cè)邊線路對(duì)導(dǎo)電性要求較高，要求阻抗 < 35 mΩ, 故使用金屬銅而非金屬鋁進(jìn)行導(dǎo)電連接，但是由于金屬銅的防腐蝕能力較差，其表面需覆蓋抗腐蝕性能優(yōu)異的保護(hù)金屬，而金屬鈦具有優(yōu)異的抗腐蝕能力，因此整個(gè)側(cè)邊線路選用金屬銅和金屬鈦進(jìn)行鍍制，以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電性與防腐蝕性的平衡。

為驗(yàn)證工藝可行性，在設(shè)備調(diào)試完成后，選用預(yù)置電路布線的玻璃基板進(jìn)行藝參數(shù)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，具體實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如表 1 所示。第 1 組樣品在玻璃基底上分別鍍純銅膜層 (樣品 1-1)、純鈦膜層 (樣品 1-2); 第 2 組樣品在玻璃基底上鍍鈦 + 銅膜層 (樣品 2-1); 第 3 組樣品在玻璃基底上分別鍍鈦 + 鈦銅合金 + 銅 (樣品 3-1)、鈦 + 鈦銅合金 + 銅 + 銅鈦合金 + 鈦 (樣品 3-2)、在玻璃基板上鍍弧靶鈦 + 鈦 + 鈦銅合金 + 銅 + 銅鈦合金 + 鈦 (樣品 3-3)[11]。

表 1 工藝與膜層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

注：數(shù)字表示鍍制工藝順序。

3 、黏附力測(cè)試結(jié)果與分析

3.1 黏附力測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)與結(jié)果分析

樣品制備完成后，采用統(tǒng)一制式的 3M-2214 型膠黏帶進(jìn)行黏附力測(cè)試，測(cè)試方法如圖 3 所示。

具體測(cè)試方法：將膠黏帶放在樣品膜層中心，用手指將膠黏帶與膜層接觸部位壓平，膠黏帶超出接觸部位 10 mm。為確保膠黏帶與膜層接觸良好，用手指尖輕壓膠黏帶，保證膠黏帶與膜層全面接觸。在貼上膠黏帶 1 min 內(nèi)，拿住膠帶懸空的一端，以接近 60° 的角度，在 0.5~1 s 內(nèi)勻速撕開(kāi)膠黏帶。測(cè)試完成后使用基恩士超景深顯微鏡 VHX-7000 進(jìn)行高倍率成像，觀察樣品黏附力情況，并記錄正 - 背 - 側(cè)面的金屬膜層脫落面積比例。參考《色漆和清漆劃格實(shí)驗(yàn)》(GB/T 9286-2021) 等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)：A 級(jí)，沒(méi)有任何剝離，黏附力極好；B 級(jí)，只有微量剝離，脫落比例 < 5%, 黏附力良好；C 級(jí)，部分剝離，脫落比例 5%~15%, 黏附力一般；D 級(jí)，大部分剝離，脫落比例 15%~35%, 黏附力較差；E 級(jí)，嚴(yán)重剝離，脫落比例 35%~65%, 黏附力差；F 級(jí)，完全剝離或脫落比例 > 65%, 黏附力非常差。測(cè)試結(jié)果如表 2 所示。

表 2 黏附力測(cè)試結(jié)果

3.2 結(jié)果與分析

首先，對(duì)比樣品 1-1 與樣品 1-2 黏附力測(cè)試結(jié)果可知，純銅膜層與玻璃基底結(jié)合能力要弱于純鈦膜層。究其原因，一方面，可能是由于玻璃表面粗糙度低，金屬膜層沉積結(jié)合困難，另一方面，銅的熱膨脹系數(shù)為 17×10-6 K-1, 鈦的熱膨脹系數(shù)為 7.6×10-6 K-1, 而玻璃的熱膨脹系數(shù)為 3×10-6 K-1, 銅與玻璃的熱膨脹系數(shù)差異更大，在高溫鍍膜回溫后可能導(dǎo)致內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生，造成銅膜層脫落更加嚴(yán)重。此外，金屬銅的抗腐蝕性能力遠(yuǎn)弱于金屬鈦，即使銅膜層的黏附力得到提升，也不建議直接使用銅膜層與玻璃基底進(jìn)行接觸，因?yàn)殂~層更易被玻璃基底析出的雜質(zhì)元素侵蝕，導(dǎo)致通信線路失效，因此將鈦?zhàn)鳛榈讓幽づc玻璃基底結(jié)合更能確保線路的可靠性。

其次，分析樣品 2-1 黏附力測(cè)試結(jié)果可知，鈦層和銅層之間的結(jié)合面黏附力較差，出現(xiàn)銅鈦分層脫落的現(xiàn)象，分析其原因，將鈦?zhàn)鳛榻Y(jié)合層置于中間時(shí)，銅與鈦的結(jié)合力優(yōu)于銅與玻璃基底的結(jié)合力，這是由于銅和鈦同為金屬晶體，界面結(jié)合相對(duì)容易，但是由于濺射工藝順序設(shè)置為鈦和銅分別沉積，導(dǎo)致兩層膜的微觀分界面明顯，屬于簡(jiǎn)單機(jī)械結(jié)合，再加上銅的延展性較好，易發(fā)生拉伸形變，從而導(dǎo)致一定比例的剝離脫落。為提升金屬鈦和金屬銅的界面結(jié)合力，調(diào)整磁控濺射鍍膜工藝，引入樣品 3-1 的銅鈦合金層作為金屬間過(guò)渡層，以改善金屬界面分層脫落的問(wèn)題。事實(shí)上，樣品 3-1 的 "鈦 + 鈦銅合金 + 銅" 多層復(fù)合膜的黏附力測(cè)試結(jié)果也顯示，銅層的脫落情況得到明顯改善，膜層與基底、各膜層之間的結(jié)合力均良好，未出現(xiàn)大量脫落的現(xiàn)象，這一創(chuàng)新性的膜層工藝設(shè)計(jì)極大地提高了膜層的黏附力。這是由于同時(shí)鍍制銅和鈦時(shí)，在成核過(guò)程中，銅鈦金屬交織生長(zhǎng)，且有一定概率形成銅鈦固溶合金，界面結(jié)合力更加牢固，界面內(nèi)膜層黏附力得以改善 [11]。另外，考慮到金屬鈦的抗腐蝕性能力優(yōu)異，且其氧化物結(jié)構(gòu)比較致密，能夠隔絕水分、氧等環(huán)境雜質(zhì)對(duì)通信線路的侵蝕，為更好地對(duì)表層金屬銅層進(jìn)行防護(hù)，本研究又設(shè)計(jì)了樣品 3-2"鈦 + 鈦銅合金 + 銅 + 銅鈦合金 + 鈦" 的多層復(fù)合膜結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提升金屬線路的綜合抗腐蝕能力，黏附力測(cè)試結(jié)果顯示，樣品 3-2 展現(xiàn)出良好的黏附力特性。

最后，為進(jìn)一步提升黏附力，在前述工藝基礎(chǔ)上，添加了高壓弧靶鈦金屬作為成核引導(dǎo)工序，根據(jù)磁控濺射儀器的工作特點(diǎn)，弧光放電產(chǎn)生的瞬時(shí)熔融高溫使得金屬鈦的晶粒以極高的動(dòng)能在玻璃表面沉積，這進(jìn)一步鞏固了底層膜層與基板的結(jié)合力，而且臺(tái)階覆蓋度能夠得到進(jìn)一步優(yōu)化，對(duì)后續(xù)增加功能膜層厚度有極大幫助。黏附力測(cè)試結(jié)果顯示，樣品 3-3 黏附力特性良好。特別的，為進(jìn)一步驗(yàn)證黏附力測(cè)試結(jié)論，基于上述工藝條件進(jìn)行了大批量樣品測(cè)試與試生產(chǎn)，黏附力特性均表現(xiàn)良好。

4 、結(jié)語(yǔ)

本研究通過(guò) 3D 磁控濺射法設(shè)計(jì)制備了不同膜層結(jié)構(gòu)的薄膜器件，通過(guò)黏附力測(cè)試篩選出最佳的膜層結(jié)構(gòu)，為玻璃基 Mini-LED 顯示屏幕的側(cè)邊線路鍍制提供了創(chuàng)新性解決方案，其創(chuàng)新性主要在于多層膜工藝方案、設(shè)備開(kāi)發(fā)、設(shè)備與工藝步驟相配合的技術(shù)要求等均屬于首次應(yīng)用，并且具備批量生產(chǎn)和大規(guī)模應(yīng)用的可能性。但是，該 3D 磁控濺射工藝中涉及的膜層黏附力和通信線路導(dǎo)電性能、抗腐蝕性能等還可做進(jìn)一步優(yōu)化，以提升產(chǎn)品的可靠性。另外，此技術(shù)可為硅基光電器件和柔性有機(jī) LED 發(fā)光器件等的工藝探索提供一定的參考。

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