一种半导体激光焊接OLED的方法及激光焊接设备与流程

一种半导体激光焊接oled的方法及激光焊接设备
技术领域
1.本技术涉及激光焊接技术领域，更具体的说，特别涉及一种半导体激光焊接oled的方法及激光焊接设备。


背景技术：

2.有机发光显示屏(organic light emitting display，简称oled)是目前被业内外公认为的第三代显示技术的代表，oled的特性是主动发光，不像前代的lcd显示需要背光。作为显示领域的前沿代表，oled具有响应速度快、画质清晰、轻薄、宽视角、节能环保等诸多无可比拟的优点，被视为21世纪最具前途的产品之一。oled的构成包含基底、ito阳极、导电层、发射层、金属阴极几个部分，其中基层材料为透明塑料、玻璃或金属箔，其显示原理是在ito阳极和金属阴极加载电压后，通过载流子注入和空穴复合导致发光。
3.在当前的应用环境中，oled的封装方式主要有环氧树脂封装、薄膜封装、激光封装三种。其中环氧树脂封装对水、氧的阻隔性能差，薄膜封装中会不可避免地产生针孔、裂纹等缺陷，而激光焊接封装是目前行业内主要的应用于显示器的封装手段。由于玻璃对红外激光的吸收率较低，所以玻璃焊接需要采用添加玻璃料的方式，再以激光进行焊接。目前的工业化应用焊接多依托于工作平台进行自动焊接，由于焊接轨迹倒角半径很小，激光焊接过程中激光光斑出现重合现象，会致拐角处发生过熔问题，从而影响整体的焊接效果。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种半导体激光焊接oled的方法及激光焊接设备，可以解决拐角过焊的问题。
5.为了解决以上提出的问题，本发明实施例提供了如下所述的技术方案：
6.一种半导体激光焊接oled的方法，包括如下步骤：
7.将oled的上基板与下基板贴合；
8.使激光器发出的激光沿预设焊接轨迹焊接所述上基板和所述下基板，其中，所述预设焊接轨迹为井字型焊接轨迹或圆角矩阵焊接轨迹。
9.进一步地，所述井字型焊接轨迹包括四段直线焊接轨迹和设置在四段直线焊接轨迹两端的延伸焊接轨迹，直线焊接轨迹的焊接速度为第一焊接速度，延伸焊接轨迹的焊接速度为第二焊接速度，所述第一焊接速度为匀速运动，所述第二焊接速度为变速运动。
10.进一步地，所述使激光器发出的激光沿预设焊接轨迹焊接所述上基板和所述下基板的步骤包括：
11.控制激光器发出激光，并控制焊接头按第一焊接速度沿第一段直线焊接轨迹运动；
12.控制激光器关闭激光，并控制焊接头按第二焊接速度沿第一段直线焊接轨迹末端的延伸焊接轨迹运动至第二段直线焊接轨迹的首端；
13.控制激光器发出激光，并控制焊接头按第一焊接速度沿第二段直线焊接轨迹运
动；
14.控制激光器关闭激光，并控制焊接头按第二焊接速度沿第二段直线焊接轨迹末端的延伸焊接轨迹运动至第三段直线焊接轨迹的首端；
15.控制激光器发出激光，并控制焊接头按第一焊接速度沿第三段直线焊接轨迹运动；
16.控制激光器关闭激光，并控制焊接头按第二焊接速度沿第三段直线焊接轨迹末端的延伸焊接轨迹运动至第三段直线焊接轨迹的首端；
17.控制激光器发出激光，并控制焊接头按第一焊接速度沿第四段直线焊接轨迹运动。
18.进一步地，所述圆角矩阵焊接轨迹包括四段直线焊接轨迹和设置在四段直线焊接轨迹连接处的圆角焊接轨迹，直线焊接轨迹的焊接速度为第三焊接速度，圆角焊接轨迹的焊接速度为第四焊接速度，所述第三焊接速度为匀速运动，所述第四焊接速度大于所述第三焊接速度。
19.进一步地，所述使激光器发出的激光沿预设焊接轨迹焊接所述上基板和所述下基板的步骤包括：
20.控制激光器发出激光，并控制焊接头按第三焊接速度沿第一段直线焊接轨迹运动；
21.控制焊接头按第四焊接速度沿第一段圆角焊接轨迹运动；
22.控制焊接头按第三焊接速度沿第二段直线焊接轨迹运动；
23.控制焊接头按第四焊接速度沿第二段圆角焊接轨迹运动；
24.控制焊接头按第三焊接速度沿第三段直线焊接轨迹运动；
25.控制焊接头按第四焊接速度沿第三段圆角焊接轨迹运动；
26.控制焊接头按第三焊接速度沿第四段直线焊接轨迹运动；
27.控制焊接头按第四焊接速度沿第四段圆角焊接轨迹运动。
28.进一步地，所述使激光器发出的激光沿预设焊接轨迹焊接所述上基板和所述下基板的步骤还包括：
29.通过光纤耦合的方式对激光器的激光束进行整形，使出射的光斑匀化。
30.进一步地，所述将oled的上基板与下基板贴合的步骤包括：
31.将上基板置入夹具中，调整上基板与下基板之间的压力；
32.用激光干涉仪测量上基板与下基板之间的距离，确保上基板与下基板的贴合。
33.进一步地，所述上基板为空白玻璃基板，所述下基板为预烧结玻璃料的玻璃基板。
34.为了解决以上提出的技术问题，本发明实施例还提供了一种激光焊接设备，采用了如下所述的技术方案：
35.一种激光焊接设备，所述激光焊接设备采用如上所述的半导体激光焊接oled的方法进行焊接。
36.与现有技术相比，本发明实施例主要有以下有益效果：
37.一种半导体激光焊接oled的方法及激光焊接设备，采用井字型焊接轨迹，井字型焊接轨迹包括四段直线焊接轨迹和设置在四段直线焊接轨迹两端的延伸焊接轨迹，所述预设焊接速度包括第一焊接速度和第二焊接速度，所述第一焊接速度为匀速运动，所述第二
焊接速度为变速运动，其中直线焊接轨迹部分为激光器实际出光轨迹，延伸焊接轨迹为焊接头移动轨迹但不出光，以保证焊接经过拐角时，更改运动方向所导致的运动平台轴的加减速阶段置于方形区域之外，从而使得有效焊接部分中的焊接速度完全为匀速运动，避免拐角过焊的问题；使用的半导体激光器，在内部通过光纤耦合的方式对于激光束进行整形，使出射的光斑匀化，匀化后的光斑中能量密度均匀一致，玻璃料全部均匀的发生了熔合，不存在未熔化的区域，焊接效果良好。
附图说明
38.为了更清楚地说明本发明的方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一个简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
39.图1为本发明实施例中半导体激光焊接oled的方法的流程框图；
40.图2为本发明实施例中半导体激光焊接oled的方法的焊接示意图；
41.图3为本发明实施例中拐角处焊接光斑重叠部分示意图；
42.图4为本发明实施例中井字形焊接轨迹示意图；
43.图5为本发明实施例中高斯光斑激光束焊缝显微形貌；
44.图6为本发明实施例中激光光斑匀化前后的光束质量测量图；
45.图7为本发明实施例中匀化光斑激光束焊缝显微形貌；
46.图8为本发明实施例中圆角矩形焊接轨迹的焊缝显微形貌；
47.图9为本发明实施例中井字型焊接轨迹的焊缝显微形貌；
48.图10为本发明实施例中拐角处单独提升速度得到的焊缝显微形貌。
具体实施方式
49.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本发明的说明书和权利要求书及上述附图说明中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排它的包含。本发明的说明书和权利要求书或上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。
50.在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
51.为了使本领域技术人员更好地理解本发明方案，下面将参照相关附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
52.实施例
53.一种半导体激光焊接oled的方法，如图1所示，包括如下步骤：
54.将oled的上基板与下基板贴合；
55.使激光器发出的激光沿预设焊接轨迹焊接所述上基板和所述下基板，其中，所述
预设焊接轨迹为井字型焊接轨迹或圆角矩阵焊接轨迹。
56.所述将oled的上基板与下基板贴合的步骤包括：
57.将上基板置入夹具中，调整上基板与下基板之间的压力；
58.用激光干涉仪测量上基板与下基板之间的距离，确保上基板与下基板的贴合。
59.本发明实施例中，实验时，采用特制的夹具，保证oled的空白玻璃基板与预烧结玻璃料的玻璃基板之间充分贴合，调整上基板与下基板两基板的压力，并用激光干涉仪测量上基板与下基板的距离，使其在λ/4内以确保两玻璃实现光学贴合，之后进行激光焊接，整体焊接示意图如图2所示。
60.所述使激光器发出的激光沿预设焊接轨迹焊接所述上基板和所述下基板的步骤还包括：
61.通过光纤耦合的方式对激光器的激光束进行整形，使出射的光斑匀化。
62.同时，目前生产中经常使用的半导体激光器的出射激光绝大部分为高斯光束，其特点为光斑中心能量密度高，越往外侧能量密度越低，因此焊接出来的产品容易出现玻璃料熔化不均匀的情况，如图5所示，焊缝两侧深色至黑色的部分为未完全熔化的区域。而本实验使用的半导体激光器，在内部通过光纤耦合的方式对于激光束进行整形，使出射的光斑匀化，整形前后两种类型光斑的光束质量对比图如图6所示，可以看到匀化后的光斑中能量密度均匀一致，用这种激光焊接出的焊缝如图7所示，玻璃料全部均匀的发生了熔合，不存在未熔化的区域，焊接效果良好。
63.日常使用的oled密封宽度约为0.5mm左右，由于所用半导体激光器的光斑经过激光器内部整形后光斑直径为1.6mm，而烧结玻璃料宽度约为0.5mm，同时整形后激光垂直度与光束质量良好，光斑内能量密度均匀一致，因此焊接过程可以一次扫描成型。由于所用基板的透光率极高，因此光斑超过玻璃料尺寸的激光也将直接透过，对于焊缝成形效果及尺寸没有任何影响。而如前文所提到的，传统圆角矩形轨迹的焊接会导致拐角处发生过熔问题，这是由于激光焊接过程中激光光斑出现重合现象，如图3所示。
64.本发明实施例中，为解决拐角过焊问题，采用了特殊的焊接轨迹。焊接轨迹为井字型焊接轨迹，如图4所示，所述井字型焊接轨迹包括四段直线焊接轨迹和设置在四段直线焊接轨迹两端的延伸焊接轨迹，直线焊接轨迹的焊接速度为第一焊接速度，延伸焊接轨迹的焊接速度为第二焊接速度，所述第一焊接速度为匀速运动，所述第二焊接速度为变速运动。
65.其中直线焊接轨迹部分为激光器实际出光轨迹，延伸焊接轨迹为焊接头移动轨迹但不出光，通过编程控制将焊接轨迹划分为四段直线焊接轨迹并在每一段直线焊接轨迹中独立出光，焊接时按照图4图示数字顺序与方向依次焊接，实际有效的焊接区域为轨迹中提前烧结有玻璃料的方形区域。焊接时通过焊接运动平台编程的精确控制，依照焊接速度调整井字型焊接轨迹在方形区域外侧的延伸焊接轨迹的线段长度，以保证焊接经过拐角时，更改运动方向所导致的运动平台轴的加减速阶段置于方形区域之外，从而使得有效焊接部分中的第一焊接速度完全为匀速运动，延伸焊接轨迹的线段实际长度只存在理论下限，可根据实际的焊接情况自行选择。
66.所述使激光器发出的激光沿预设焊接轨迹焊接所述上基板和所述下基板的步骤包括：
67.控制激光器发出激光，并控制焊接头按第一焊接速度沿第一段直线焊接轨迹运
动；
68.控制激光器关闭激光，并控制焊接头按第二焊接速度沿第一段直线焊接轨迹末端的延伸焊接轨迹运动至第二段直线焊接轨迹的首端；
69.控制激光器发出激光，并控制焊接头按第一焊接速度沿第二段直线焊接轨迹运动；
70.控制激光器关闭激光，并控制焊接头按第二焊接速度沿第二段直线焊接轨迹末端的延伸焊接轨迹运动至第三段直线焊接轨迹的首端；
71.控制激光器发出激光，并控制焊接头按第一焊接速度沿第三段直线焊接轨迹运动；
72.控制激光器关闭激光，并控制焊接头按第二焊接速度沿第三段直线焊接轨迹末端的延伸焊接轨迹运动至第三段直线焊接轨迹的首端；
73.控制激光器发出激光，并控制焊接头按第一焊接速度沿第四段直线焊接轨迹运动。
74.本发明实施例中，所述上基板为空白玻璃基板，所述下基板为预烧结玻璃料的玻璃基板。
75.实验中使用两片0.5mm厚的corning eagle slim的玻璃板代替oled作为演示，用超声波洗净玻璃片并烘干。其中一片玻璃为预烧结玻璃料的玻璃基板，其显微形貌如图3所示，而另一片玻璃保持为空白基板玻璃不变。将预烧结玻璃料的玻璃基板作为下基板，空白玻璃基板作为上基板置入专门的夹具中，上基板上施加一定的压力，以保证两片玻璃的光学贴合。焊前调整激光器焦点位置，使其处于两片玻璃间烧结的玻璃料处。其中，激光器光束通过内部光纤耦合将光斑匀化，提高了焊接光斑的光束质量，使光斑内部能量密度均匀一致。把夹具放在焊接工作台上，通过工作台的精确定位进行两次焊接试验，一次是采用普通的圆角矩形轨迹焊接作为对照组，另一次则按照预定特殊的井字型焊接轨迹进行焊接。两次焊接时均使用焊接功率25w，焊接速度15mm/s，所使用的井字型焊接轨迹时，延伸焊接轨迹为5mm，即在每段直线焊接轨迹段首段尾各延长5mm的长度。使用半导体整形激光器出光焊接，使用焊接平台编程控制激光沿着预定焊接轨迹行进，激光会透过上基板玻璃，透射至吸光的玻璃料上使玻璃料受热熔化，并对上基板和下基板两块玻璃实现连接的效果，焊后所得的焊缝在显微镜下放大100倍后得到的形貌如图8和图9所示。从焊缝显微形貌图中可以看到，预烧结的玻璃料在激光的作用下充分熔化，从而使得上基板、下基板两层之间形成有效的连结。其中，使用普通圆角矩形焊接时，焊缝在拐角处出现较为严重的过焊现象，而使用井字型轨迹焊接时，拐角处焊缝表现正常，焊缝中没有气孔等缺陷，密封区域经测定密封率可达到3
×
10－8mbar
·
l/s，因此该方法可以用在oled显示面板封装领域。
76.在其他实施例中，所述预设焊接轨迹还可为圆角矩阵焊接轨迹，所述圆角矩阵焊接轨迹包括四段直线焊接轨迹和设置在四段直线焊接轨迹连接处的圆角焊接轨迹，直线焊接轨迹的焊接速度为第三焊接速度，圆角焊接轨迹的焊接速度为第四焊接速度，所述第三焊接速度为匀速运动，所述第四焊接速度大于所述第三焊接速度。
77.所述使激光器发出的激光沿预设焊接轨迹焊接所述上基板和所述下基板的步骤包括：
78.控制激光器发出激光，并控制焊接头按第三焊接速度沿第一段直线焊接轨迹运
动；
79.控制焊接头按第四焊接速度沿第一段圆角焊接轨迹运动；
80.控制焊接头按第三焊接速度沿第二段直线焊接轨迹运动；
81.控制焊接头按第四焊接速度沿第二段圆角焊接轨迹运动；
82.控制焊接头按第三焊接速度沿第三段直线焊接轨迹运动；
83.控制焊接头按第四焊接速度沿第三段圆角焊接轨迹运动；
84.控制焊接头按第三焊接速度沿第四段直线焊接轨迹运动；
85.控制焊接头按第四焊接速度沿第四段圆角焊接轨迹运动。
86.实验中使用两片0.5mm厚的corning eagle slim的玻璃板代替oled作为演示，用超声波洗净玻璃片并烘干。其中一片玻璃为预烧结玻璃料的玻璃基板，其显微形貌如图3所示，而另一片玻璃保持为空白基板玻璃不变。将预烧结玻璃料的玻璃基板作为下基板，空白玻璃基板作为上基板置入专门的夹具中，上基板上施加一定的压力，以保证两片玻璃的光学贴合。焊前调整激光器焦点位置，使其处于两片玻璃间烧结的玻璃料处。其中，激光器光束通过内部光纤耦合将光斑匀化，提高了焊接光斑的光束质量，使光斑内部能量密度均匀一致。把夹具放在焊接工作台上，通过工作台的精确定位进行焊接试验，焊接轨迹为圆角矩阵焊接轨迹。焊接时所使用的的焊接功率为25w，轨迹中直线焊接轨迹的焊机速度保持15mm/s不变，将圆角焊接轨迹的焊接速度单独提升至30mm/s。使用半导体整形激光器出光焊接，使用焊接平台编程控制激光沿着预定轨迹行进，激光会透过上基板玻璃，透射至吸光的玻璃料上使玻璃料受热熔化，并对上基板和下基板两块玻璃实现连接的效果，焊后所得的焊缝在显微镜下放大100倍后得到的形貌如图10所示。从焊缝显微形貌图中可以看到，预烧结的玻璃料在激光的作用下充分熔化，从而使得玻璃基板上基板、下基板两层之间形成有效的连结。拐角处焊缝的过现象得到改善，焊缝中没有气孔等缺陷，密封区域经测定密封率可达到3
×
10－8mbar
·
l/s，因此该方法可以用在oled显示面板封装领域。
87.通过对于弯角过焊问题的本质的理解，以及根据本发明实施例井字型焊接轨迹解决问题的方向，本本发明实施例还提供了一种可行的替代方案。依托于焊接使用的大理石运动平台编程操控系统，可以实现在圆角矩形焊接轨迹的前提下，保持直线运动时的焊接速度为15mm/s不变，将拐角速度单独提升至30mm/s，从而减少拐角处圆形光斑重叠的时间，进而缓解拐角过焊问题。但是在本替代方案中，为了实现整条焊缝焊接形貌与性能的一致性，直线焊接轨迹阶段与圆角焊接轨迹阶段的焊接速度配比存在着一个最优值，实际焊接过程中只能通过焊接效果进行粗略推定而无法达到精确的配比；相应的，本发明实施例中的井字型焊接轨迹想要达到均匀化效果，只需要保证平台轴体运动加减速只存在于实际焊接区域外侧即可，即只存在最小长度要求，调节范围相对更加宽泛，因此在实际应用过程中的适用范围更广。因此本替代方案仅作为解决问题的另一种可能性而提出。
88.为了解决以上提出的技术问题，本发明实施例还提供了一种激光焊接设备，采用了如下所述的技术方案：
89.一种激光焊接设备，所述激光焊接设备采用如上所述的半导体激光焊接oled的方法进行焊接。
90.显然，以上所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，附图中给了本发明的较佳实施例，但并不限制本发明的专利范围。本发明可以以许多不同的
形式来实现，相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员而言，其依然可以对前述各具体实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等效替换。凡是利用本发明说明书及附图内容所做的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本发明专利保护范围之内。