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超薄电子玻璃加工技术有哪些?
2019-11-04 10:13作者:李建峰、王晓芳 来源:中国玻璃报道 1130
作者单位:中国建筑材料工业规划研究院
 
超薄电子玻璃已经成为现代信息产业的关键基础材料,广泛用于平板显示、触控屏、柔性显示、家电产品、办公产品等。超薄电子玻璃加工技术主要包括切割、强化、镀膜、热弯等。
 
观察目前超薄电子玻璃加工技术的发展可以看出,切割技术由传统金刚石刀轮切割开始向激光切割发展;强化工艺从物理强化发展到化学强化,从“一步法”工艺向“两步法”工艺发展,使玻璃的力学性能得到大幅提高;超薄电子玻璃镀膜工艺复杂,需要多次镀膜与蚀刻才能制成彩色滤光玻璃(CF)和薄膜晶体管承载玻璃(TFT)等,且向多种功能膜叠加方向发展;超薄电子玻璃热弯工艺经历了从2D、2.5D、3D甚至3.5D的发展历程,热弯产品加工难度越来越大。

超薄电子玻璃概况
 
超薄电子玻璃一般是指厚度不大于1.1mm的电子玻璃,其广泛用于平板显示、触控屏、柔性显示、家电产品、办公产品等领域,已成为现代信息产业的关键基础材料,因其应用在电子、微电子、光电子等高技术领域,具有光电、热电、声光、磁光等功能,故称之为电子玻璃。电子玻璃是电子信息产品的基础支撑产业之一,其发展快慢、技术水平高低也直接影响电子信息产品的发展。
 
超薄电子玻璃加工是指以平板电子玻璃原片为基材,采用物理方法、化学方法及其组合等现代科学技术,对玻璃进行再加工,将其制成具有新的结构、功能或形态的玻璃产品,提高玻璃产品的技术含量和附加值,从而扩大玻璃材料的应用领域。
 
超薄电子玻璃加工与传统玻璃加工有很大的不同。一是性能要求不同,超薄电子玻璃主要应用在显示领域,对其强度、耐磨性等有较高要求,如智能手机屏幕,必须有一定的抗摔能力和抗摩擦能力才具有实际使用价值,而传统玻璃如建筑玻璃则更侧重隔热保温、防火等功能;二是加工精度要求不同,超薄电子玻璃主要应用在显示屏上,显示屏是经过多道工艺加工制成,其中如果存在任何加工偏差,都会影响到下一步工艺的进行,且任何微小的加工缺陷都可能直接影响到显示效果,故超薄电子玻璃需要高精度加工,而传统玻璃则在这方面要求较少。
 
新显示技术和制程工艺的出现和改进,如OLED(有机发光二极体)显示技术、LTPS(低温多晶硅)制程工艺等,以及显示产品向超薄化、大型化及柔性化等方向发展,对超薄电子玻璃的加工技术提出了更高的要求,同时增加了加工的难度,同时超薄电子玻璃加工产品相应市场也发生了变化。

切割技术向激光切割发展
 
超薄电子玻璃的切割加工难度大,切割除了将玻璃片分割开,还需要对单片玻璃的四角、摄像头、感应器、指纹键等位置进行异形切割和钻孔,这对切割技术提出了更高的要求。超薄电子玻璃的切割加工主要包括两部分:一是玻璃原片的切割;二是加工后的电子玻璃的切割。切割质量好坏直接影响着后续加工进程,若边部有较大的缺陷裂纹,玻璃热处理时可能会直接炸裂,且玻璃为脆性材料,给切割加工带来很大的困难。目前,超薄电子玻璃切割方式主要有两种:传统的硬质合金或金刚石刀轮切割,以及新兴的激光切割等。
 
使用传统的硬质合金或金刚石刀具切割玻璃有两个步骤:第一步使用硬质合金或金刚石刀轮,通过施加一定的压力,在玻璃表面划出切割线,使得玻璃的表面产生一条裂纹。第二步就是采用机械手段将玻璃沿着裂纹线分割开,其切割质量好坏受刀轮材质、刀轮尺寸、加载压力及切割角度等多种因素影响。这种切割方式的优点是加工方式简单并能有效掰断玻璃,成本较为低廉。然而,采用该方法进行划刻和切割存在着一些缺陷,切割边缘易产生玻璃碎屑及微裂纹。切割引入的碎屑、碎块和微裂纹等缺陷使切割边缘的强度降低,从而需要进一步进行磨边抛光,才能保证玻璃的边缘强度。所以这种切割方式对于厚度不大于1.1mm的超薄电子玻璃来说,其应用具有一定的局限性。
 
图1 刀轮切割示意图 图2 刀轮切割引入的缺陷
图1 刀轮切割示意图 图2 刀轮切割引入的缺陷
 
激光切割是用激光束的能量对玻璃进行加热以达到玻璃掰断目的一种非接触切割方式。激光能量对工件的指定部分进行加热,使其达到预先设定的温度,该快速加热的过程之后紧接着快速冷却,使玻璃内部产生垂直向的应力带,在该方向出现一条无碎屑或裂纹的裂缝。因为裂缝只因受热而产生,而非机械原因产生,所以不会有碎屑和微裂纹出现。因此,激光切割边缘的强度比传统划刻分割方式高两三倍。激光切割优点是简单方便、加工速度快、精度高。当然,激光切割也存在问题,即切割时存在边部熔融或豁口的缺陷。
 
对此,有学者提出了两步切割的工艺,第一步用激光切割,原理和上述相同;第二步用激光照射导致薄玻璃层从玻璃边缘自发剥离,使得边缘缺陷除去,同等厚度使用激光剥离后的超薄电子玻璃的临界弯曲断裂半径可以从8cm减小到2cm。虽然激光切割精度高,但切割成本较高,适合小尺寸加工,对于超薄电子玻璃的切割具有一定的优势。
 
激光切割原理图4激光切割玻璃SEM
图3 激光切割原理图4激光切割玻璃SEM

玻璃力学性能得到大幅提高
 
超薄电子玻璃用作保护屏玻璃时,需要有较高的耐冲击强度及耐磨性,但玻璃为脆性材料,表面存在格列菲斯裂纹等缺陷,受到较小外部应力时就容易发生断裂,需要通过强化提升玻璃强度及耐磨性。强化,又称钢化,按照加工机理可分为物理强化法和化学强化法,物理强化法仅适用于较厚的玻璃,对于厚度不大于1.1mm的超薄电子玻璃则需要进行化学强化,且其强化工艺经历了“一步法”向“两步法”及多步法发展的历程。
 
化学强化是将玻璃置于熔融碱盐中,使玻璃表层中的小离子与熔盐中的大离子交换,由于交换后体积发生变化,在玻璃表面形成压应力,内部形成张应力,从而达到提高玻璃强度的效果。化学强化玻璃具有强度高、热稳定性好、表面不变形、无自爆现象等特点。化学强化分为“一步法”和“两步法”及多步法等,表面压应力(CS)和压应力深度(DOL)是表征评价玻璃化学强化后效果的两个关键指标,提高玻璃CS与DOL可增加玻璃强度,特别是提高DOL能有效地增加玻璃耐划伤与抗冲击力学性能。
 
化学强化示意图
图5化学强化示意图
 
“一步法”是较为普遍的化学强化方法,指将制备好的玻璃原片在硝酸盐熔盐中进行一次离子交换处理,较为典型的“一步法”是将含钠离子的超薄玻璃放置在高浓度硝酸钾熔盐中进行钠钾离子的交换,使得玻璃表面产生压应力。“一步法”化学强化处理后,玻璃的表面压应力值很高,但其深度不够,一般在50μm左右。“一步法”强化的玻璃抗冲击强度较低,需要进一步提升钢化深度,于是诞生了“两步法”强化工艺。

化学强化示意图
 
“两步法”化学强化工艺是将玻璃进行两次化学强化处理,可使玻璃表面DOL值增加,玻璃耐划伤、抗冲击性能得到提高。通过“两步法”化学强化,玻璃降低了断裂强度的离散性,增加了玻璃力学强度的稳定性。含有氧化锂的碱铝硅酸盐玻璃经“两步法”化学强化处理后,CS最大值仍保留在玻璃表面附近,既提高了DOL值,又提高了CS值,解决了CS值与DOL不能同时增加的矛盾。
 
含Li2O玻璃二步法化学强化离子交换过程示意图
(a离子交换前b一步法离子交换c二步法离子交换)
图6 含Li2O玻璃二步法化学强化离子交换过程示意图
 
向多种功能膜叠加方向发展
 
玻璃镀膜是指在玻璃表面涂覆一层或多层金属、金属化合物或其他物质的工艺过程。玻璃的镀膜技术按照生产方法可分为化学气相沉积法、物理蒸气沉积法和溶胶-凝胶法等,其中物理蒸气沉积法中的磁控溅射法因其成膜速率高、镀膜温度低、膜的粘附性好、可大面积镀膜等优点,而被广泛用作超薄电子玻璃镀膜方法。
 
超薄电子玻璃镀膜不同于一般玻璃,要求很高,镀膜工艺复杂,且有多道镀膜程序。如应用在液晶显示上的彩色滤光玻璃(CF)制成时,需要在透明玻璃基板上进行至少四次镀膜工艺,第一次是制作防反射的遮光层-黑色矩阵,利用溅射镀膜法,在洗净的玻璃基板上镀黑色矩阵材料(一般是黑铬)薄膜,在表面均匀地涂布光刻胶后进行预烘烤,然后在玻璃基板上进行掩膜,通过紫外线对光刻胶照射,进行曝光,再经显影,可仅保留掩膜遮蔽部分的光刻胶,再经过刻蚀制取相应于掩膜的黑铬图形,剥离光刻胶,得到的黑铬图形正是黑色矩阵;第二次是制作具有透光性红、绿、蓝三原色的彩色滤光膜层,形成RGB着色层的照相刻蚀工程由光刻胶涂布、预烘烤(预焙)、曝光、显影、洗净、后烘烤(后焙)等工序组成,在着色层的形成过程中,每种颜色的着色层是独立形成的,即这样的过程需要重复三次,才能形成所需要的RGB三色着色层;第三次是在滤光层上涂布一层平滑的保护层,一是防止由于彩色滤色片的污染物侵入液晶盒而引发误动作,二是对各色层进行平坦化,方便在其上面进一步制作ITO电极;第四次是溅镀上透明的ITO导电膜。其工艺过程如图7所示。
 
彩色滤光玻璃制备工艺
图7 彩色滤光玻璃制备工艺
 
智能显示的高清化、曲面化、柔性化及大尺寸化,对镀膜技术提出了要更高求,镀膜工艺更加复杂,各种功能膜复合增多,加工方式变得更加多样化。为了提升显示效果和屏幕刷新速率,需要对沉积在玻璃基板表面的非晶硅进行热处理,使其转化成多晶硅,从而使电子迁移速率提高100倍以上,可使LCD/OLED显示产品具有分辨率高、反应速度快、亮度高、开口率增大等特点,使其显示像素达到400PPI~600PPI(PPI为每英寸像素)。在提高触摸屏透过率方面,在玻璃基片镀制ITO导电膜的同时,再镀上增透减反的AR功能膜层,可使触摸屏透过率从86%提升至92%,大幅度提高平板显示器在强光环境中的对比度和清晰度,此外还会增加抗指纹的AF膜层,甚至防眩光的AG膜层等,使得镀膜技术向多层数、多功能化发展。此外,超薄电子玻璃镀膜技术也出现了新的加工方式,当超薄电子玻璃厚度小于0.10mm时,可以卷在辊子上,可直接在卷状玻璃上镀膜加工,实现卷对卷镀膜加工方式,这样成卷连续生产,可大幅提升加工效率。
 
卷对卷加工工艺示意图
图8 卷对卷加工工艺示意图
 
向多种功能膜叠加方向发展
 
热弯工艺是将平板玻璃放在模具中加热软化成型,再经退火制成的曲面玻璃(又称3D玻璃)的工艺过程,其过程包括加热、成型、退火、冷却等。该成型方法为一次成型,无需传统的粗磨、精磨、抛光等加工工序,具有高效率、高质量等优点,是目前制备3D超薄电子玻璃(以下简称3D玻璃)较为理想的方法。3D玻璃热弯技术不同于常规玻璃的热弯,具有精度高、加工难度大等特点,其难点主要在于对模具材料的选用和加热及加压工艺的精准控制。
 
热弯过程示意图
图9 热弯过程示意图
 
热弯模具直接接触玻璃承载压力和传导热量,其性能好坏直接影响3D玻璃的质量和生产良率。热弯模具材料应具有晶粒细、组织致密均匀、热稳定性高、易于加工、热膨胀系数小等特点。热弯模具的表面平整度直接影响玻璃表面质量,模具表面颗粒度较大时,玻璃表面容易产生麻点等缺陷;加热时,模具最高温度达到800℃,要求模具材料热稳定性高,且高温时不产生力学变形;热弯模具热膨胀系数要小,否则加热和冷却过程中较大的变形量直接会使盖板玻璃炸裂。
 
鉴于上述材料性能要求,可供选择的材料主要有合金、陶瓷、石墨等,由于石墨材料更加符合上述材料特性要求,更适合用作3D玻璃热弯模具,目前业内较多地使用石墨作为模具原材料。
 
在3D玻璃热弯成型技术中,温度的控制对玻璃的成型起着至关重要的作用,也是衡量玻璃弯曲成型质量的关键性指标,加热温度控制范围还可以影响到模具的使用寿命。热弯成型温度一般在变形点温度(Td)和软化点温度(Ts)之间,玻璃加热温度过高时,会发生玻璃软化,冷却后出现粘模现象,导致模具整体报废;玻璃加热温度过低,又会导致玻璃热弯成型后出现冷纹、精度不高,甚至出现直接压碎现象,且上下模具温差需控制在一定范围内,否则易产生翘曲等现象。玻璃的升降温速率对3D玻璃成型也有重要影响,如果升降温速率过快,则会造成玻璃片温度分布不均匀,容易产生翘曲甚至炸裂现象,严重影响产品质量和良率。
 
热弯加压参数是玻璃成型的关键参数之一,需要综合考虑热弯玻璃厚度、热弯形状、工作区域、热弯温度制度等因素进行设置。其中最为重要的是加压参数要密切配合热弯温度制度,在不同的温度阶段施加不同的加载压力及加载时间,若玻璃尚未软化或玻璃变硬后再加载,加载压力过大或者压力分配不均,都会直接导致玻璃破碎。此外,加载速率及方式也会影响生产,在玻璃受热逐渐软化的过程中,如施加压力增幅过快,也容易造成破碎,在热弯区域尤其应注意压力曲线的设置,逐步增加压力的方式明显优于间断施加压力方式。
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