超薄荫罩式等离子体显示屏的工艺研究*

金 烨，杨兰兰，屠 彦

(东南大学电子科学与工程学院， 南京210096)

等离子显示屏(PDP)在超大屏幕显示上，正在逐步成为市场的主流， 是最有前途的超大屏幕HDTV接收机之一[1]。等离子平板显示器(Plasma Display Panel， PDP)由于宽视角，无图像畸变，可工作于全数字化模式， 寿命长等优点而受到人们关注[2]。东南大学提出的荫罩式等离子体显示屏(Shadow Mask Plasma Disp lay Panel， SMPDP)相对传统等离子体显示屏，采用导电金属荫罩代替了制作工艺难度高的介质障壁，简化了工艺，从而提高等离子体显示屏成品率，降低了成本[3]。

近几年，便携式和手持式设备的应用日趋广泛，许多研究机构正在尝试开发类似纸张的显示技术。超薄SMPDP因此诞生了，它是在传统SMPDP基础上提出的一种新型显示器[4]。在结构上，与传统SMPDP不同的是，超薄SMPDP基板玻璃采用D263T玻璃，其厚度仅50 μm，且充当介质层的作用，基板玻璃没有排气管，同时扫描电极和寻址电极制作在基板玻璃外侧，为典型的交流PDP两电极放电结构[5]。因此超薄SMPDP不仅继承了传统SMPDP原有优点[6-8]， 还具有厚度薄，重量轻，结构简单等特性。超薄SMPDP的结构如图1所示。

图1 超薄SMPDP结构示意图

由于D263T玻璃很薄，不易在超薄SMPDP上制作排气孔，同时为了屏结构美观坚固，提高屏的性能，对超薄SMPDP采用无排气管的封排一体化工艺，而且超薄玻璃高温环境下容易形变，温度和受力不均时容易破裂。因此，超薄SMPDP的工艺流程与传统SMPDP有很大不同，封接前的荫罩以及基板玻璃的处理，封接框的制作，封接温度控制比后者更为严格。本文将基于超薄SMPDP的结构特点，研究超薄SMPDP的封接工艺和实验制备，重点关注它与普通SMPDP不同的工艺处理，如荫罩处理工艺、封接固定装置设计、封接框制作工艺、封接温度曲线等方面的改进研究。

1 实验装置

超薄SMPDP封接实验所用设备——真空封排一体化系统，如图2 所示。系统可实现封接，充气，排气一体化，巧妙地解决了超薄玻璃表面无法制作排气管的工艺难题。此外，封排一体化技术可以简化封接工艺，降低封接温度，节省研制时间，保护氧化镁薄膜，防止其暴露在空气中受到污染，并且使研制出的显示屏维持电压可很快趋于稳定。超薄SMPDP主要封接步骤如下：把将前玻璃基板、荫罩和涂覆封接框的后玻璃基板使用夹具固定后，固定好的超薄SMPDP放入真空室内，由使用机械泵对真空室进行预抽气。然后打开和分子泵进行抽气，同时加热真空室对真空室抽气，在温度到达300 ℃左右，封接浆料即将融化前，充入纯氖或一定比例的氖氙混合气体，继续加热直至显示屏封接完毕。

图2 超薄SMPDP真空封排一体化系统

目前超薄SMPDP基板面积50 mm×50 mm，其中有效发光面积30 mm×30 mm，封接框自身宽度约为1.8 mm，高度为170 μm，荫罩边宽为30 mm，高度为150 μm，所充工作气体为纯氖，超薄SMPDP的尺寸示意图如图3。

图3 超薄SMPDP尺寸示意图

2 超薄SMPDP封接工艺

2.1 超薄SMPDP封接工艺流程

超薄SMPDP结构及采用的封接设备与传统SMPDP有很大不同，因此其工艺流程也有所变动，超薄SMPDP所用的工艺步骤如图4。在前基板玻璃上制作封接框，对封接框进行烧结，然后把前后基板放入真空蒸镀箱蒸镀氧化镁，最后与经过清洗预烧后的荫罩，形成三明治的组合，如图3(b)，放入动态测试真空系统利用封排一体化技术封接。

图4 超薄SMPDP工艺流程图

2.2 超薄SMPDP特殊工艺研究

由于超薄玻璃非常薄，相对传统PDP基板玻璃有很好的传热性，但也有在常温下易碎，高温下软化严重等缺点。此外，利用封排一体化技术，低玻粉熔点在非大气环境下熔点有显著变化。因此超薄SMPDP屏与传统SMPDP相比，除了工艺流程不同外，在许多方面还需要特殊的工艺处理，如荫罩表面工艺、封接框制作、超薄SMPDP封接固定装置、封接温度曲线等。

2.2.1 荫罩表面工艺研究

超薄SMPDP基板玻璃厚度仅50 μm，在高温时严重软化，荫罩表面稍有不平，即会戳破基板玻璃形成裂点，如图5所示。

图5 基板玻璃裂点

这些裂点主要是由荫罩表面毛刺引起，实验发现毛刺分为以下三类：(1)简单擦洗即可除去的毛刺(2)需高温汽化消除的毛刺(3)高温预烧后仍附着在荫罩表面，但已经可以擦除的毛刺。根据上述情况，在封接之前，需增加荫罩表面处理，具体处理流程图如图6所示。

图6 荫罩表面处理流程图

实验证明，按照以上处理方法，可以得到一块平整超净的荫罩，可有效消除封接时的基板玻璃破裂现象，大大提高超薄SMPDP的研制成功率。

2.2.2 超薄SMPDP封接固定装置

动态测试真空系统产生的震动会引起封接中的基板玻璃及荫罩偏移，采用平整度很高的PD200玻璃夹在基板玻璃的外侧。这样可防止基板玻璃及荫罩错位，同时还可以施加一定压力，有利于超薄玻璃与低玻粉浸润，具体固定方法如图7所示。

图7 超薄SMPDP固定装置

2.2.3 封接框制作工艺

封接框的尺寸参数对超薄SMPDP封接有重要影响。由Ansys 10.0软件模拟[9-10]及实验发现：(1)封接框四角由直角变成圆角，如图3(a)所示，可减小封接框四角对其上方基板玻璃的应力，防止基板玻璃破裂；(2)荫罩边缘与封接框间隙越大，由于气压差的影响，显示屏越容易破裂，如图8所示；(3)荫罩边缘与封接框间隙越小，荫罩产生的撑力越不利于低玻粉与超薄玻璃的粘合。经过反复试验，封接框涂抹高度定为250 μm，经高温烧结后封接框高度约为170 μm，荫罩边缘与封接框的间距为0.5 mm～1 mm。

图8 间隙上方的裂痕

2.2.4 封接温度曲线改进

本文在传统PDP封接温度曲线基础上提出了符合超薄SMPDP封接的温度曲线。由于低玻粉熔点是随气压变化的，因此超薄SMPDP的封接曲线会随所充入气体压强的不同而改变。现以常温下气压为350 Torr纯氖的超薄SMPDP所用的封接曲线为例，如图9。

图9 封接温度曲线

相对于传统PDP封接温度曲线[11]，图9做了如下改进：

(1)由于在真空下低玻粉熔点为330 ℃，所以充气温度设为300 ℃，一方面保证显示屏内部在充气前获得较高的真空度，另一方面防止封接框过早熔化，影响工作气体进入显示屏[12-13]。(2)低玻粉在560 Torr气压下熔点为425 ℃，图9在425 ℃保温15 min，与传统PDP封接温度曲线中在450 ℃保温有一定差别。(3)同时由于基板玻璃很薄，其表面可迅速均温，超薄玻璃在高温下又呈现一定的柔软性，不容易破裂，因此封接完毕后降温速率可以达4 ℃/min[14]。

在动态测试真空系统封接超薄SMPDP仅需4 h(加热前抽真空还需要1.5 h)，相对传统PDP封接工艺，封排一体化技术大幅度地减少了封接时间。

按照新的封接温度曲线制备显示屏，不仅可以节省时间，并且封接质量好，成功率接近80%，封接成功的超薄SMPDP如图10。下图是我们用2 块条状ITO玻璃作为电极，对超薄SMPDP进行老练，如图11所示。由于所充气体为纯氖气体，可看到超薄SMPDP呈明亮均匀的橙黄色。

图10 封接成功的超薄SMPDP

图11 点亮的超薄SMPDP

3 结论

超薄SMPDP由于其重量轻，厚度薄，工艺简化受到关注。针对超薄SMPDP制备难度大，本文对其封接工艺进行了深入研究，特别在荫罩处理，超薄SMPDP封接固定装置，封接框制作，封接温度曲线等方面有了很大进展。在超薄SMPDP封接过程中，对荫罩的平整度和清洁度要求特别苛刻，本文在传统荫罩处理的基础上增加了三个步骤，即清洗，真空预烧，再清洗，确保荫罩十分整洁。封接框与荫罩边缘的间距应该在0.5 mm～1 mm之间，可避免气压差引起的破裂，同时还能减小荫罩引起的撑力，有利于封接。超薄SMPDP的封接曲线是随显示屏所充入气体压强的不同而不同，因为低玻粉在不同气压下熔点有很大变化，所以要根据超薄SMPDP所需的气压来确定对应的封接温度曲线。目前超薄SMPDP封接成功率接近80%，但超薄SMPDP研究还留有一些问题，例如在超薄SMPDP电极制作，亮度均匀性方面还需要进一步研究。

[ 1] Harm Tolner.FPD Technology Overview[ R] .SID' 04， Seminar M-1， 2004.

[ 2] 应根裕.平板显示技术.北京：人民邮电出版社， 2004.

[ 3] 张雄.全彩色PDP设计理论的研究[ D] .东南大学电子科学与工程学院， 2003.

[ 4] 蒯秀琳.超薄PDP的研究及性能测试[ D] .硕士毕业论文，东南大学电子科学与工程学院， 2008.

[ 5] Doyeux H.A 23-inch Diagonal Color AC Plasma Display[ R].SID91， Anaheim(1991).

[ 6] 姜有燕.荫罩式等离子体显示屏单元放电特性的研究[ D]：[硕士学位论文].南京：东南大学电子工程系， 2007.

[ 7] Tu Yan， Wang Baoping， Zhang Xiong， etal.Investigation ofDischarge Characteristic of Shadow Mask PDP[ J] .IMID05， 2005：243-246.

[ 8] 朱振华.基于荫罩式PDP新型十字扫描电极放大单元的研究[ J] .电子器件， 2009， 32(3)：492-496.

[ 9] 杨欣.超薄荫罩式PDP放电单元玻璃基板形变分析[J].电子器件， 2009， 32(2)：249-253.

[ 10] Yang Xin， Tu Yan， Yang Lanlan.Finite Element Analysis of G lass Substrate Deformation in Ultra-Thin Shadow Mask PDP[ C] //ASID 09， 2009， 08-2.

[ 11] 胡文波.等离子显示屏的封接工艺[ J] .真空电子技术， 1998.

[ 12] Kwon Sang jik， Lee Chang-ho， Sung JungHo.A Vacuum In-Line Sealing Technology for PDP Process Innovation， IDW 2000.

[ 13] Choi Seung-woo， Lee Yun-Hi.Development of AC-PDP Tubeless Packaging Method and Their Operating Characteristics， SID2001.

[ 14] 袁旦，储开荣.场发射显示器的基板形变分析[ J] .真空电子技术， 2006， 1：65-67.