【深度】全方位解析AMOLED的FMM工艺设计及材料细节

AMOLED为实现RGB子像素单独发光，蒸镀过程中需要用到FMM（ fine metal mask）。FMM 是精细金属掩模版的简称。早在CRT显示器问世的时候，大日本印刷公司(DNP)就开始使用刻蚀技术制作金属掩模版。并花费巨资建设了一条全钛自动刻蚀线。后来LCD完全取代CRT时，这条豪华刻蚀线面临淘汰的结局。

DNP在金属刻蚀上的技术沉淀，使得三星电子在开发AMOLED显示器的时候首先想到的是使用mask技术，也正是因为此举动拯救了DNP。随着三星在AMOLED上的成功，也随着AMOLED的显示优势逐渐被消费者接受，DNP也因此起死回生。

从制作方式上看，FMM可分为full type 和divided type两类。Full type 整个mask面为一体式，一般采用激光刻蚀制作。由于制作效率的限制，只能适用小尺寸mask。且full type mask损坏后不易修复。

目前普遍采用的是divided type。divided type fine stick制作方式主要有刻蚀和电铸。目前以刻蚀为主。根据FMM 的开孔形状的不同, FMM 又可以为Slot type和Slit type（如下图）。

图1、Toppan Slot Type & Slit Type of FMM

一张FMM主要由frame，cover，support，align stick，fine stick五个部分组成。制作过程是把cover，support，align stick，fine stick以一定的方式焊接在frame上，这一过程称之为张网。因此，张网机又叫焊接机。

张网机设备主要供应商有HIMS，Hansong和KPS。这三家厂商的设备目前在国内生产线被普遍采用。

一、 为什么要张网——fine stick 收缩率设计

图二、FMM热膨胀示意图

蒸镀过程中有机材料释放热量，使FMM和玻璃温度升高。FMM热膨胀后变长，与玻璃之间形成缝隙，不利于蒸镀材料的规则沉积。因此要给FMM一定的预张力。与此对应，fine stick 在制作时，要设计一定的收缩率η。 这就是为什么要张网的根本原因。另外，fine stick制作来料的total pitch达不到所需求的PPA，也必须张网后才能达到更好的精度。

定义η=（设计尺寸-实际尺寸）/ 设计尺寸*100%

假设FMM的热膨胀系数为α，对于长度为 l 的FMM，在温度升高△T时，

即设计收缩率必须满足  η≥α△T  ……（1）

按Invar36平均热膨胀系数1.6×10-6算，可得出蒸镀不同温升的fine stick最小收缩率，如下表所示。

表一、不同温升下所需的fine stick最小收缩率

表二、  AMOLED常见材料的热膨胀系数

二、 FMM材质的选择及工艺技术要求

FMM制作材料一般选用金属材料。为降低蒸镀过程中FMM的热膨胀效应，frame，cover，support，align stick，fine stick倾向于选用热膨胀系数较小的材料。比如常用的INVAR36，称为不变钢。

Frame：一般厚度及尺寸根据蒸镀机的规格要求制作。普遍厚度为30mm。材质采用Invar36。由于涉及到张网时焊接原因，Frame 加工对平坦度要求比较高， 一般要达到50um以内。

Cover/ support：一般采用30um~100um厚度的Invar36或者SUS304制作。如果选用Invar36，则是利用Invar热膨胀系数小的优势，能保证蒸镀过程中MASK形变小。如果采用SUS304，则是利用SUS材质不导磁的特点，在蒸镀过程中减少FMM wrinkle 的产生。

Align stick：提供张网制作或者是蒸镀机对位的基准。对材质没有过多的要求。

Fine stick：Fine stick是FMM中最复杂，也是技术要求最高的部分。目前比较主流的有四大制作工艺：

(1) 蚀刻工艺，不断减薄基材的厚度，以期获得更精细的开孔；

(2) 电铸工艺，利用电铸工艺特点可以突破蚀刻工艺的瓶颈，开孔更精细，缺点是无法满足特定的蒸镀角以及与Invar匹配的物理特性 ；

(3) 蚀刻+激光复合材料 ，利用刻蚀Invar形成基材，在基材上覆盖PI材料 ，再利用激光工艺在PI表面形成精密开孔，以达到与FMM功能相同的效果。该方法可行性较好，但是设备要求过于苛刻，不适合产业化生产 。

(4) 混合工艺 ，利用电铸+电铸或者电铸+蚀刻等混合工艺，其中电铸+蚀刻工艺无论是可行性还是产业化都具有独特的优越性，未来最有希望在这个工艺上突破高PPI难题。

三、  Fine stick的设计及工艺技术要求

Fine stick的设计涉及收缩率η，PPAY补偿及wrinkle的控制。

收缩率η在满足（1）式的前提下，一般以5N大小的基础拉力设计模拟。过大的拉力容易造成wrinkle增加，在蒸镀磁板吸合时不易消除。

PPAY补偿与物体的泊松效应有关。我们知道，材料沿载荷方向产生伸长(或缩短)变形的同时，在垂直于载荷的方向会产生缩短(或伸长)变形。张网时fine stick受到延X方向的拉力，造成PPA在Y方向有向内缩的趋势。因此，在设计制作时，需对PPA进行补偿。材料的物理力学性能，fine stick 的设计本身会影响到补偿量的变化。因此，一般第一模不进行补偿，后面根据实际使用的效果进行PPA补偿。

图三、未补偿的fine stick PPA示意图

对fine stick wrinkle的控制与蒸镀使用的效果相关。理论上讲，我们希望设计出没有wrinkle 的FMM。但实际上是做不到的。对于薄板的拉伸必然引起延厚度方向的wrinkle。因此wrinkle的形貌和大小成为设计的主要考量点。设计模拟时一般要求wrinkle平滑，这样在蒸镀磁板吸合时容易展开。同时，wrinkle的大小不要超过100um。如果是“C”型的wrinkle，则大小可以适当放宽。

在设计的时候，有一种制作手表的圆形排布比较特殊。采用常规的设计，wrinkle很难展开。因此，可采用full etching加cover/ support遮挡设计规避这种缺陷。这也是三星电子众多设计方案中的一种。由于full etching方式本身不定义产品的形状，fine stick设计简单，变形相对可控。几乎所有的产品设计都可以采用这种方式实现。

四、shadow的形成及影响因素

由于蒸镀角，PDL&spacer，fine stick制作采用二步刻蚀的方式，决定了蒸镀成膜时pixel厚度并不是平的。我们把95%的成膜厚度定义为有效厚度，其他的则称为shadow。Shadow的存在使得PDL gap增加，还会因为shadow镀到相邻的pixel而引起混色，所以设计上应尽量减少其产生。

图四、 Shadow形成原理图

根据fine stick slot开口CD，我们把CD范围内的shadow称为内shadow，CD范围外的shadow称为外shadow。假设PDL&spacer高度为h，蒸镀角为α，FMM dead width为w，则

Shadow外=w+h*cotα                  ……（2）

设计上一般h为3um左右，蒸镀角随蒸镀位置的不同是个变量。因此shadow是位置的函数。除了以上影响因素，shadow还与蒸镀成膜条件相关。一般成膜越厚，scan次数越多，shadow越大。

五、 FMM物理特性

蒸镀过程中除掉器件结构外，其他的难点问题几乎与FMM的使用息息相关。可以说，蒸镀的问题的核心，在于对FMM特性的研究。由于FMM在蒸镀过程中只存在物理变化，因此，对FMM物理特性的研究，显得尤为重要。

FMM在制作和使用过程中，受到如重力，CF，压力，磁力等应力的作用。此外蒸镀有机材料热量释放的影响还会产生热膨胀。以及FMM在应力作用下产生的蠕变行为。对FMM物理特性的研究，主要围绕应变、蠕变和热膨胀这三个方面展开。目前，国内很少有企业对此展开全面的研究。在这一点上，三星电子远远走在了前面。

参考文献

1、高小平等，OLED FMM行业现状及发展趋势简析，《电子世界》2016年16期

2、你对Mask的了解可能是错的！在LGD和三星产线上的Mask技术是这样的

OLEDindustry, August 15, 2017

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