OLED的失效分析課件

新型電子器件封裝OLED

器件的失效分析

OLED簡介失效分析的研究意義幾種典型失效現(xiàn)象分析總結(jié)參考文獻緒論3精選2021版課件1.1OLED簡介OLED(OrganicLightEmittingDiode)有機發(fā)光顯示技術(shù)是繼TFT-LCD(ThinFilmTransistorLiquidCrystalDisplay)的新一代平面顯示器技術(shù)。4精選2021版課件1.2OLED特性自發(fā)光，視角達170度以上響應(yīng)時間快無LCD殘影現(xiàn)象高亮度（100-14000cd/m2）高光效（16-38lm/w）低操作電壓（3-9vDC),低功率消耗全彩化面板厚度薄（2mm）可制作大尺寸與可撓曲性面板5精選2021版課件2.1失效分析通常我們定義失效為功能退化或者功能喪失失效分析是人們認識事物本質(zhì)和發(fā)展規(guī)律的逆向思維和探索，是變失效為安全的基本環(huán)節(jié)和關(guān)鍵，是人們深化對客觀事物的認識源頭和途徑。在失效分析中，通常將失效分類。從技術(shù)角度可按失效機制、失效零件類型、引起失效的工藝環(huán)節(jié)等分類。從質(zhì)量管理和可靠性工程角度可按產(chǎn)品使用過程分類。6精選2021版課件2.2OLED失效分析的意義目前阻礙OLED走向?qū)嵱没褪袌龌年P(guān)鍵問題是其發(fā)光效率低、工作壽命短、性能穩(wěn)定性差。開展OLED的失效分析工作，研究其失效機理，開發(fā)新的分析方法，對提高器件可靠性具有十分重大的意義。OLED失效涉及的問題很多，國內(nèi)外的研究機構(gòu)對此已經(jīng)做過大量有益的工作，工藝上取得了很大的進展!但失效的規(guī)律和具體機理仍然沒有被完全揭示。7精選2021版課件2.3非本質(zhì)劣化因素一般來說，只要不是由于元件的結(jié)構(gòu)和材料等基本性質(zhì)所造成的元件衰退，通常就被歸類為非本質(zhì)劣化，而非本質(zhì)劣化最重要的表現(xiàn)在黑點的增加，當不發(fā)光區(qū)域逐漸增加時，將會造成OLED發(fā)光的區(qū)域相對的減少，進而影響壽命的問題。

OLED器件中所用的材料大部分是對水汽和氧氣極度敏感的，如果器件沒有封裝，很容易在其發(fā)光區(qū)域發(fā)現(xiàn)很多黑色的不發(fā)光區(qū)域，而且黑色的不發(fā)光區(qū)域會隨著時間的增加而慢慢變大，黑色區(qū)域的半徑大致與時間的二次方根成正比關(guān)系，這似乎意味著黑色不發(fā)光區(qū)域的形成與某種擴散機制有關(guān)。由于當黑色不發(fā)光區(qū)域增大到一定程度時，我們用肉眼便可看到，所以O(shè)LED器件的壽命問題最早從研究黑點開始的。8精選2021版課件2.4本質(zhì)劣化

雖然我們可以對器件由于外界干擾所造成的不發(fā)光區(qū)域的原因進行有效控制，但是發(fā)現(xiàn)器件的發(fā)光區(qū)域即使沒有黑點的產(chǎn)生，其亮度也會隨時間而衰退。顯然，這種現(xiàn)象不是由于外界所造成的，它是器件的本質(zhì)老化，或者說是由于材料本身的原因所造成的衰退。截至目前，OLED器件的劣化機制問題吸引了很多優(yōu)秀的學(xué)者進行研究和探索，并且取得了相當豐富的研究成果。但是依據(jù)目前的情況來看，仍然沒有形成一個非常明確和完美的理論來解釋目前OLED器件的劣化問題，這也說明OLED器件本質(zhì)劣化因素的復(fù)雜程度。9精選2021版課件3.1水汽氧氣對有機材料的影響很多研究表明影響有機EL器件壽命的因素之一是水分子和氧氣的存在對有機EL材料的作用，特別是水分子起了很大的作用。但是對于水分子和氧氣是怎樣使有機層發(fā)生變化的，國內(nèi)外的許多文章提到過這方面的問題，如有機層的氧化等，但具體的過程不得而知，而且這些理論也沒有得到充分的證實。10精選2021版課件發(fā)光面積退化封裝好的OLED器件在放置一段時間后，有發(fā)光面積減小甚至不能點亮的現(xiàn)象。經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)這樣的器件的粘接后蓋和鍍有器件材料的玻璃前蓋的環(huán)氧樹脂有空洞。這意味著封裝氣密性不佳，空氣與器件有直接接觸的可能。器件發(fā)光面積的減小，很可能與這樣的粘結(jié)層空洞有關(guān)。氧氣和水汽經(jīng)由通道進入器件內(nèi)部，對器件的性能產(chǎn)生影響，使器件的發(fā)光面積發(fā)生變化。11精選2021版課件實驗測量將開封好的器件發(fā)光面朝上置于下圖所示的密閉裝置中，通過裝置上方的觀察窗觀測器件發(fā)光面積的變化。我們測量了器件在空氣，干燥空氣，潮濕氮氣三種環(huán)境下的發(fā)光面積變化規(guī)律，以判斷氧氣水汽在OLED失效過程中的作用。12精選2021版課件空氣環(huán)境下發(fā)光面積的變化及分析下圖是器件開封后立即拍攝的照片，因為器件開封后僅僅在空氣中暴露了五分鐘的時間，所以可以看到其發(fā)光區(qū)域為較為完整的矩形，四角棱角分明，亮度均勻，紅綠藍三種顏色相互交替。13精選2021版課件空氣環(huán)境下發(fā)光面積的變化及分析通電三十分鐘后，可見發(fā)光區(qū)域己從四角開始模糊。14精選2021版課件空氣環(huán)境下發(fā)光面積的變化及分析1小時后2小時后3小時后結(jié)論：器件面積的縮小是從器件邊緣四角開始。這是因為氧氣水汽主要通過器件邊緣侵入器件內(nèi)部15精選2021版課件潮濕氮氣環(huán)境實驗排除了氧氣的影響，單獨考察水汽對器件的影響。通過以下操作得到潮濕氮氣環(huán)境:a.將開封后的器件置于該系統(tǒng)中b.連接導(dǎo)線后密閉導(dǎo)管以外的其它部分c.持續(xù)通氮氣0.5小時后完全密閉系統(tǒng)d.通電觀察拍照16精選2021版課件干燥空氣干燥空氣環(huán)境是在密閉容器中放上氫氧化鉀吸水劑實驗結(jié)果表明：器件在干燥環(huán)境下可持續(xù)發(fā)光超過四十八個小時；在潮濕的環(huán)境下通電四個小時以內(nèi)就會完全熄滅?？梢娝麑ζ骷l(fā)光面積的影響十分巨大！17精選2021版課件失效器件形貌分析通過對失效后器件的觀察發(fā)現(xiàn)，三種顏色的器件的陰極都有不同程度的氣泡狀突起結(jié)構(gòu)。邊緣和四角處的陰極顏色發(fā)生了變化，在器件內(nèi)部則隨機分布著氣泡。陰極顏色發(fā)生變化的區(qū)域產(chǎn)生不發(fā)光區(qū)域，而氣泡處仍能發(fā)光。18精選2021版課件失效器件形貌分析SEM顯微照片中可以清晰的看到陰極有大小不一的凸起19精選2021版課件失效器件形貌分析凸起處的截面圖20精選2021版課件現(xiàn)象分析陰極顏色發(fā)生變化的原因，主要是氧氣從邊緣進入器件內(nèi)部，與陰極作用，使陰極發(fā)生氧化從而產(chǎn)生不發(fā)光區(qū)域。陰極上氣泡產(chǎn)生的原因是由于制作器件的時候，一些微小的灰塵顆粒先于陰極沉積到有機層上，而形成針孔，又因為水汽很容易吸附在器件表面，通過Al電極表面的針孔進入器件內(nèi)部，在電流的作用下分解，分解出來的氣體因為高溫膨脹就會向AI電極產(chǎn)生一定的壓力，使Al電極和有機層分離，從而產(chǎn)生氣泡。21精選2021版課件現(xiàn)象分析氣體將陰極頂起，從而形成空洞的凸起結(jié)構(gòu)。陰極與有機層分離，電子的注入受到影響，從而導(dǎo)致器件上出現(xiàn)不發(fā)光區(qū)域。水對器件發(fā)光面積退化的影響比氧氣的更為明顯，快速，在水和氧氣的共同作用下，器件將很快失效。因此器件封裝的氣密性對OLED的穩(wěn)定性非常重要。22精選2021版課件氣泡面積超出器件邊緣有機材料和金屬電極間界面很不平整，當器件工作時，形成不均勻的電場，導(dǎo)致某些點電流過大、短路成為“熱點”，氧化金屬電極引起失效，形成黑斑。同時局部過熱使得有機材料發(fā)生熔融，而凸起的氣泡為熔融有機材料的流動提供了空間，于是出現(xiàn)了上圖所示的情況，觀察到有機材料的溢出，器件上氣泡面積超出器件邊緣的情況。，23精選2021版課件小結(jié)水汽和氧氣對器件面積退化速率有很大的影響。在有水汽的情況下，通電會導(dǎo)致水分解產(chǎn)生氣體將陰極金屬層頂起，同時為局部過熱導(dǎo)致的熔融態(tài)有機物流動提供了空間。未通電區(qū)域則可能發(fā)生有機物的結(jié)晶，也會影響器件發(fā)光性能。氧氣則會氧化陰極材料和有機層，導(dǎo)致不發(fā)光區(qū)域的產(chǎn)生。24精選2021版課件3.2OLED器件結(jié)構(gòu)分析OLED為多層有機薄膜器件,使得對OLED的結(jié)構(gòu)幾乎無法用傳統(tǒng)的表征手段進行分析,而各層膜厚度的不同會對OLED的性能產(chǎn)生重要影響。我們采用寬光譜分光光度測試法和Forouhi-Bloomer離散方程擬合計算程序相結(jié)合的新型實驗儀器N&K8000-CD多功能薄膜分析儀對OLED樣品進行分析測試,并與失效器件的測試結(jié)果進行比較。25精選2021版課件器件結(jié)構(gòu)所制備的器件結(jié)構(gòu)如圖，在樣品制備過程中采用石英晶振膜厚測量儀對有機薄膜的蒸發(fā)速度和厚度進行測量。蒸鍍完畢后,不對樣品進行封裝。26精選2021版課件N&K分析與測量N&K多功能薄膜儀不能直接對樣品信息進行分析，而是測量樣品對不同波長的光的反射率，通過對反射率的計算擬合，得到樣品信息的計算值。27精選2021版課件OLED器件結(jié)構(gòu)分析利用N&K多功能薄膜分析儀對經(jīng)過室溫老化7,10,40天的樣品行測試,得到樣品的反射率曲線,如下圖所示。為加速器件失效,對老化40天器件的一點通電使其失效,對這個失效點的反射率進行測試,并與未失效的器件的反射率圖譜進行比較。28精選2021版課件OLED器件結(jié)構(gòu)分析為分析樣品反射率變化的具體原因,我們選取老化40天的完好樣品和失效樣品進行進一步的厚度對比測試。老化40天后經(jīng)過通電失效的樣品的厚度測試如圖所示。29精選2021版課件OLED器件結(jié)構(gòu)分析下面的表格是厚度平均值對比表(失效點與其他部分12個完好點)。為減小計算量,經(jīng)過多次試驗后將ITO層和NPB層的厚度固定,只對另兩層的厚度進行計算擬合分析。nm失效點與完好點的厚度平均值對比30精選2021版課件結(jié)論：失效器件的反射率變化主要是第3層Alq3和第4

層LiF的變化引起的。31精選2021版課件3.3電極引線腐蝕現(xiàn)象在OLED逐步走向?qū)嵱没唐坊耐瑫r，一些新的可靠性問題應(yīng)運而生，電極引線腐蝕造成的器件失效就是其中之一。電極引線是連接電壓驅(qū)動與發(fā)光器件的電極的部位，其腐蝕直接破壞驅(qū)動與器件之間的電連接從而導(dǎo)致器件失效。因此找出電極引線腐蝕發(fā)生的機理并提出控制方案以減少此類現(xiàn)象的發(fā)生，對提高OLED的可靠性至關(guān)重要。32精選2021版課件電極引線腐蝕現(xiàn)象通電后有部分連續(xù)的象素顯示變淺甚至不亮器件顯示缺陷33精選2021版課件電極引線腐蝕現(xiàn)象導(dǎo)致該現(xiàn)象的腐蝕電極顯微形貌34精選2021版課件器件正面圖中小方塊即一個獨立的發(fā)光器件，其陰極和陽極則分別與同行或同列的器件的陰極和陽極一起引出，通過芯片控制引線上的電壓調(diào)節(jié)象素的亮度，從而在器件上顯示不同的圖形。35精選2021版課件OLED引線ITO因具有對可見光和近紅外光透明和高電導(dǎo)率的特點而被廣泛應(yīng)用于光電器件中，OLED采用ITO作為透明陽極。引線與陽極同時采用ITO，這樣圖形可經(jīng)一次光刻工藝成形。由于單用ITO作為引線電阻率不夠低，Cr金屬鍍層則可提高引線電導(dǎo)率。同時Cr在空氣中或在室溫氧化性酸的氣氛中能形成致密的表面氧化層，對許多化學(xué)介質(zhì)有抗腐蝕性，在多種環(huán)境中具有優(yōu)良的耐蝕性，所以也可作為引線的保護層。36精選2021版課件實驗測試為分析引線腐蝕發(fā)生的原因，對電極材料進行了極化曲線測量及分析。將電極引線材料切割成10mm×8mm的小塊，清洗干燥后在一側(cè)繞上導(dǎo)線，并用石蠟松香混合物封裝導(dǎo)線，防止導(dǎo)線暴露在外。留出約6mm×8mm的引線材料表面作為工作面。實驗介質(zhì)為0.5mol/L，0.1mol/L的NaCl溶液及人工汗液溶液(含有0.5%氯化鈉、0.1%乳酸、0.1%尿素的去離子充氣水溶液)。實驗溫度控制在25℃37精選2021版課件實驗分析實驗發(fā)現(xiàn)：引線樣品剛發(fā)生腐蝕時，會在樣品表面生成棕色液體，水份蒸發(fā)后形成一層固態(tài)腐蝕產(chǎn)物，殘留在樣品表面。為分析腐蝕產(chǎn)物成分，首先進行XRD測試，樣品分別為未腐蝕引線樣品(a)和腐蝕引線樣品(b)。未腐蝕引線樣品樣品（a）及腐蝕引線樣本（b）的XRD圖譜38精選2021版課件實驗分析仔細觀察樣品(a)和(b)的測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，樣品(b)在26.77°處出現(xiàn)了Cr(OH)3水合物的衍射峰，而在樣品(a)中該峰未出現(xiàn);同時，樣品(b)中金屬Cr在44.30°和81.72°的衍射峰度都明顯減弱;這說明在腐蝕過程中，引線樣品中的金屬Cr發(fā)生反應(yīng)生成了Cr(OH)339精選2021版課件XPS分析未腐蝕引線樣品(a)及腐蝕的引線樣品(b)的XPS圖譜以Cls的結(jié)合能285ev進行結(jié)合能校準，得出樣品(a)中Cr的結(jié)合能峰值為577.4ev，對應(yīng)Cr2O3，其中Cr為正三價;樣品(b)中Cr的結(jié)合能峰值為579.6ev，對應(yīng)CrO3，其中Cr為正六價。由此可知腐蝕過程中產(chǎn)生了正六價的Cr。此外XPS結(jié)果顯示了Cl元素的存在，離子濃度均為0.1%以上。40精選2021版課件樣品形貌分析對腐蝕引線樣品進行了SEM分析，仔細觀察可以發(fā)現(xiàn)，樣品明顯分為3層臺階。60倍2000倍41精選2021版課件樣品形貌分析8000倍區(qū)域I為Cr和ITO在光刻工藝中被全部刻蝕掉的部分；區(qū)域Ⅱ為引線被完全腐蝕的區(qū)域；區(qū)域Ⅲ為未完全腐蝕區(qū)域；區(qū)域IV為未腐蝕區(qū)域。42精選2021版課件EDX測量引線完全腐蝕的區(qū)域Ⅱ，沒有Cr和In元素存在，與區(qū)域I完全相同;區(qū)域Ⅲ的能譜結(jié)果顯示沒有Cr元素而存在In元素;區(qū)域IV為未腐蝕區(qū)域，能譜結(jié)果顯示Cr與In元素均存在。由此可以確定腐蝕的發(fā)生過程是從上而下:表層的Cr先發(fā)生腐蝕，然后是ITO。腐蝕引線樣品不同區(qū)域的EDX結(jié)果為了分辨出每層臺階的成分，EDX能譜分析腐蝕樣品不同部位的元素，確定腐蝕樣品的結(jié)構(gòu)43精選2021版課件極化曲線分析在曲線的前半部分體現(xiàn)的是Cr鍍層的性質(zhì)，在反應(yīng)中Cr逐漸溶解，曲線的后半部分則體現(xiàn)的是Cr層溶解后露出的ITO的性質(zhì)。引線在不同溶液中的極化曲線44精選2021版課件實驗分析Cr在實驗介質(zhì)中體現(xiàn)了較好的鈍化特性，然而隨著電極點位的升高，電流密度也逐漸增加，Cr的溶解速率隨之增大。在曲線的后半部分可見0.5M的NaCl溶液中的電流密度相對較高，而氯離子濃度相對較低的0.1MNaCI溶液和人工汗液溶液(氯離子濃度約為0.086M)的電流密度則低得多?？梢娐入x子對ITO的腐蝕有著促進作用。45精選2021版課件小結(jié)(1)腐蝕過程中Cr鍍層反應(yīng)生成Cr(OH)3和CrO3，這是由

于反應(yīng)時Cr所處的電位不同所造成的:處于較低電位

時，Cr以三價形式溶解;處于較高電位時，Cr發(fā)生過

鈍化溶解，以六價形式溶解。(2)Cr鍍層溶解后，ITO隨后發(fā)生腐蝕。其中氯離子對ITO

的腐蝕有促進作用:氯離子濃度越高，ITO腐蝕速率越

快。46精選2021版課件針對以上發(fā)現(xiàn)，建議采取以下方式來控制電極引線腐蝕的發(fā)生：(1)光刻工藝中殘留的氯離子會造成Cr的鈍化膜破壞以

及加速ITO的腐蝕。建議優(yōu)化清洗工藝，降低殘留

含量。(2)防止電極引線腐蝕的發(fā)生，關(guān)鍵是要控制Cr鍍層的

腐蝕。建議在電極部分整個涂附一層保護膜，防止Cr與吸附液體發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。47精選2021版課件4.1總結(jié)通過實驗討論，本文得到如下結(jié)論:1.通過對OLED發(fā)光面積退化規(guī)律的研究，發(fā)現(xiàn)水汽和氧氣對器件面積退化速率有很大的影響。在有水汽的情況下，通電會導(dǎo)致水分解產(chǎn)生氣體將陰極金屬層頂起，同時為局部過熱導(dǎo)致的熔融態(tài)有機物流動提供了空間。未通電區(qū)域則可能發(fā)生有機物的結(jié)晶，也會影響器件發(fā)光性能。氧氣則會氧化陰極材料和有機層，導(dǎo)致不發(fā)光區(qū)域的產(chǎn)生。2.N&K多功能薄膜分析儀為OLED的失效分析提供了一種新的方法，能快速無損地從器件結(jié)構(gòu)和材料性質(zhì)的角度對器件進行失效分析，測量膜的均勻性等。該方法還可應(yīng)用于大規(guī)模的生產(chǎn)檢測。對結(jié)構(gòu)為ITO/NPB/Alq3/LiF的器件，其失效主要是Alq3層和LIF層發(fā)生變化。48精選2021版課件4.1總結(jié)3.通過對鍍Cr的ITO電極引線腐蝕產(chǎn)物的分析發(fā)現(xiàn)，腐蝕是由電極引線的結(jié)構(gòu)特點引起的，腐蝕過程中Cr在不同電位下反應(yīng)生成Cr(OH)3或CrO3。Cr鍍層溶解后，ITO隨后發(fā)生腐蝕;氯離子對ITO的腐蝕有促進作用。49精選2021版課件參考文獻[1]PoPeM，KallmannH

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