作者單位：中國建筑材料工業(yè)規(guī)劃研究院
超薄電子玻璃已經(jīng)成為現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵基礎(chǔ)材料，廣泛用于平板顯示、觸控屏、柔性顯示、家電產(chǎn)品、辦公產(chǎn)品等。超薄電子玻璃加工技術(shù)主要包括切割、強(qiáng)化、鍍膜、熱彎等。
觀察目前超薄電子玻璃加工技術(shù)的發(fā)展可以看出，切割技術(shù)由傳統(tǒng)金剛石刀輪切割開始向激光切割發(fā)展；強(qiáng)化工藝從物理強(qiáng)化發(fā)展到化學(xué)強(qiáng)化，從“一步法”工藝向“兩步法”工藝發(fā)展，使玻璃的力學(xué)性能得到大幅提高；超薄電子玻璃鍍膜工藝復(fù)雜，需要多次鍍膜與蝕刻才能制成彩色濾光玻璃（CF）和薄膜晶體管承載玻璃（TFT）等，且向多種功能膜疊加方向發(fā)展；超薄電子玻璃熱彎工藝經(jīng)歷了從2D、2.5D、3D甚至3.5D的發(fā)展歷程，熱彎產(chǎn)品加工難度越來越大。
超薄電子玻璃概況
超薄電子玻璃一般是指厚度不大于1.1mm的電子玻璃，其廣泛用于平板顯示、觸控屏、柔性顯示、家電產(chǎn)品、辦公產(chǎn)品等領(lǐng)域，已成為現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵基礎(chǔ)材料，因其應(yīng)用在電子、微電子、光電子等高技術(shù)領(lǐng)域，具有光電、熱電、聲光、磁光等功能，故稱之為電子玻璃。電子玻璃是電子信息產(chǎn)品的基礎(chǔ)支撐產(chǎn)業(yè)之一，其發(fā)展快慢、技術(shù)水平高低也直接影響電子信息產(chǎn)品的發(fā)展。
超薄電子玻璃加工是指以平板電子玻璃原片為基材，采用物理方法、化學(xué)方法及其組合等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，對(duì)玻璃進(jìn)行再加工，將其制成具有新的結(jié)構(gòu)、功能或形態(tài)的玻璃產(chǎn)品，提高玻璃產(chǎn)品的技術(shù)含量和附加值，從而擴(kuò)大玻璃材料的應(yīng)用領(lǐng)域。
超薄電子玻璃加工與傳統(tǒng)玻璃加工有很大的不同。一是性能要求不同，超薄電子玻璃主要應(yīng)用在顯示領(lǐng)域，對(duì)其強(qiáng)度、耐磨性等有較高要求，如智能手機(jī)屏幕，必須有一定的抗摔能力和抗摩擦能力才具有實(shí)際使用價(jià)值，而傳統(tǒng)玻璃如建筑玻璃則更側(cè)重隔熱保溫、防火等功能；二是加工精度要求不同，超薄電子玻璃主要應(yīng)用在顯示屏上，顯示屏是經(jīng)過多道工藝加工制成，其中如果存在任何加工偏差，都會(huì)影響到下一步工藝的進(jìn)行，且任何微小的加工缺陷都可能直接影響到顯示效果，故超薄電子玻璃需要高精度加工，而傳統(tǒng)玻璃則在這方面要求較少。
新顯示技術(shù)和制程工藝的出現(xiàn)和改進(jìn)，如OLED（有機(jī)發(fā)光二極體）顯示技術(shù)、LTPS（低溫多晶硅）制程工藝等，以及顯示產(chǎn)品向超薄化、大型化及柔性化等方向發(fā)展，對(duì)超薄電子玻璃的加工技術(shù)提出了更高的要求，同時(shí)增加了加工的難度，同時(shí)超薄電子玻璃加工產(chǎn)品相應(yīng)市場(chǎng)也發(fā)生了變化。
切割技術(shù)向激光切割發(fā)展
超薄電子玻璃的切割加工難度大，切割除了將玻璃片分割開，還需要對(duì)單片玻璃的四角、攝像頭、感應(yīng)器、指紋鍵等位置進(jìn)行異形切割和鉆孔，這對(duì)切割技術(shù)提出了更高的要求。超薄電子玻璃的切割加工主要包括兩部分：一是玻璃原片的切割；二是加工后的電子玻璃的切割。切割質(zhì)量好壞直接影響著后續(xù)加工進(jìn)程，若邊部有較大的缺陷裂紋，玻璃熱處理時(shí)可能會(huì)直接炸裂，且玻璃為脆性材料，給切割加工帶來很大的困難。目前，超薄電子玻璃切割方式主要有兩種：傳統(tǒng)的硬質(zhì)合金或金剛石刀輪切割，以及新興的激光切割等。
使用傳統(tǒng)的硬質(zhì)合金或金剛石刀具切割玻璃有兩個(gè)步驟：第一步使用硬質(zhì)合金或金剛石刀輪，通過施加一定的壓力，在玻璃表面劃出切割線，使得玻璃的表面產(chǎn)生一條裂紋。第二步就是采用機(jī)械手段將玻璃沿著裂紋線分割開，其切割質(zhì)量好壞受刀輪材質(zhì)、刀輪尺寸、加載壓力及切割角度等多種因素影響。這種切割方式的優(yōu)點(diǎn)是加工方式簡(jiǎn)單并能有效掰斷玻璃，成本較為低廉。然而，采用該方法進(jìn)行劃刻和切割存在著一些缺陷，切割邊緣易產(chǎn)生玻璃碎屑及微裂紋。切割引入的碎屑、碎塊和微裂紋等缺陷使切割邊緣的強(qiáng)度降低，從而需要進(jìn)一步進(jìn)行磨邊拋光，才能保證玻璃的邊緣強(qiáng)度。所以這種切割方式對(duì)于厚度不大于1.1mm的超薄電子玻璃來說，其應(yīng)用具有一定的局限性。
圖1 刀輪切割示意圖 圖2 刀輪切割引入的缺陷
激光切割是用激光束的能量對(duì)玻璃進(jìn)行加熱以達(dá)到玻璃掰斷目的一種非接觸切割方式。激光能量對(duì)工件的指定部分進(jìn)行加熱，使其達(dá)到預(yù)先設(shè)定的溫度，該快速加熱的過程之后緊接著快速冷卻，使玻璃內(nèi)部產(chǎn)生垂直向的應(yīng)力帶，在該方向出現(xiàn)一條無碎屑或裂紋的裂縫。因?yàn)榱芽p只因受熱而產(chǎn)生，而非機(jī)械原因產(chǎn)生，所以不會(huì)有碎屑和微裂紋出現(xiàn)。因此，激光切割邊緣的強(qiáng)度比傳統(tǒng)劃刻分割方式高兩三倍。激光切割優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單方便、加工速度快、精度高。當(dāng)然，激光切割也存在問題，即切割時(shí)存在邊部熔融或豁口的缺陷。
對(duì)此，有學(xué)者提出了兩步切割的工藝，第一步用激光切割，原理和上述相同；第二步用激光照射導(dǎo)致薄玻璃層從玻璃邊緣自發(fā)剝離，使得邊緣缺陷除去，同等厚度使用激光剝離后的超薄電子玻璃的臨界彎曲斷裂半徑可以從8cm減小到2cm。雖然激光切割精度高，但切割成本較高，適合小尺寸加工，對(duì)于超薄電子玻璃的切割具有一定的優(yōu)勢(shì)。
圖3 激光切割原理圖4激光切割玻璃SEM
玻璃力學(xué)性能得到大幅提高
超薄電子玻璃用作保護(hù)屏玻璃時(shí)，需要有較高的耐沖擊強(qiáng)度及耐磨性，但玻璃為脆性材料，表面存在格列菲斯裂紋等缺陷，受到較小外部應(yīng)力時(shí)就容易發(fā)生斷裂，需要通過強(qiáng)化提升玻璃強(qiáng)度及耐磨性。強(qiáng)化，又稱鋼化，按照加工機(jī)理可分為物理強(qiáng)化法和化學(xué)強(qiáng)化法，物理強(qiáng)化法僅適用于較厚的玻璃，對(duì)于厚度不大于1.1mm的超薄電子玻璃則需要進(jìn)行化學(xué)強(qiáng)化，且其強(qiáng)化工藝經(jīng)歷了“一步法”向“兩步法”及多步法發(fā)展的歷程。
化學(xué)強(qiáng)化是將玻璃置于熔融堿鹽中，使玻璃表層中的小離子與熔鹽中的大離子交換，由于交換后體積發(fā)生變化，在玻璃表面形成壓應(yīng)力，內(nèi)部形成張應(yīng)力，從而達(dá)到提高玻璃強(qiáng)度的效果。化學(xué)強(qiáng)化玻璃具有強(qiáng)度高、熱穩(wěn)定性好、表面不變形、無自爆現(xiàn)象等特點(diǎn)。化學(xué)強(qiáng)化分為“一步法”和“兩步法”及多步法等，表面壓應(yīng)力（CS）和壓應(yīng)力深度（DOL）是表征評(píng)價(jià)玻璃化學(xué)強(qiáng)化后效果的兩個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，提高玻璃CS與DOL可增加玻璃強(qiáng)度，特別是提高DOL能有效地增加玻璃耐劃傷與抗沖擊力學(xué)性能。
圖5化學(xué)強(qiáng)化示意圖
“一步法”是較為普遍的化學(xué)強(qiáng)化方法，指將制備好的玻璃原片在硝酸鹽熔鹽中進(jìn)行一次離子交換處理，較為典型的“一步法”是將含鈉離子的超薄玻璃放置在高濃度硝酸鉀熔鹽中進(jìn)行鈉鉀離子的交換，使得玻璃表面產(chǎn)生壓應(yīng)力。“一步法”化學(xué)強(qiáng)化處理后，玻璃的表面壓應(yīng)力值很高，但其深度不夠，一般在50μm左右。“一步法”強(qiáng)化的玻璃抗沖擊強(qiáng)度較低，需要進(jìn)一步提升鋼化深度，于是誕生了“兩步法”強(qiáng)化工藝。
“兩步法”化學(xué)強(qiáng)化工藝是將玻璃進(jìn)行兩次化學(xué)強(qiáng)化處理，可使玻璃表面DOL值增加，玻璃耐劃傷、抗沖擊性能得到提高。通過“兩步法”化學(xué)強(qiáng)化，玻璃降低了斷裂強(qiáng)度的離散性，增加了玻璃力學(xué)強(qiáng)度的穩(wěn)定性。含有氧化鋰的堿鋁硅酸鹽玻璃經(jīng)“兩步法”化學(xué)強(qiáng)化處理后，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，解決了CS值與DOL不能同時(shí)增加的矛盾。
（a離子交換前b一步法離子交換c二步法離子交換）
圖6 含Li2O玻璃二步法化學(xué)強(qiáng)化離子交換過程示意圖
向多種功能膜疊加方向發(fā)展
玻璃鍍膜是指在玻璃表面涂覆一層或多層金屬、金屬化合物或其他物質(zhì)的工藝過程。玻璃的鍍膜技術(shù)按照生產(chǎn)方法可分為化學(xué)氣相沉積法、物理蒸氣沉積法和溶膠-凝膠法等，其中物理蒸氣沉積法中的磁控濺射法因其成膜速率高、鍍膜溫度低、膜的粘附性好、可大面積鍍膜等優(yōu)點(diǎn)，而被廣泛用作超薄電子玻璃鍍膜方法。
超薄電子玻璃鍍膜不同于一般玻璃，要求很高，鍍膜工藝復(fù)雜，且有多道鍍膜程序。如應(yīng)用在液晶顯示上的彩色濾光玻璃（CF）制成時(shí)，需要在透明玻璃基板上進(jìn)行至少四次鍍膜工藝，第一次是制作防反射的遮光層-黑色矩陣，利用濺射鍍膜法，在洗凈的玻璃基板上鍍黑色矩陣材料（一般是黑鉻）薄膜，在表面均勻地涂布光刻膠后進(jìn)行預(yù)烘烤，然后在玻璃基板上進(jìn)行掩膜，通過紫外線對(duì)光刻膠照射，進(jìn)行曝光，再經(jīng)顯影，可僅保留掩膜遮蔽部分的光刻膠，再經(jīng)過刻蝕制取相應(yīng)于掩膜的黑鉻圖形，剝離光刻膠，得到的黑鉻圖形正是黑色矩陣；第二次是制作具有透光性紅、綠、藍(lán)三原色的彩色濾光膜層，形成RGB著色層的照相刻蝕工程由光刻膠涂布、預(yù)烘烤（預(yù)焙）、曝光、顯影、洗凈、后烘烤（后焙）等工序組成，在著色層的形成過程中，每種顏色的著色層是獨(dú)立形成的，即這樣的過程需要重復(fù)三次，才能形成所需要的RGB三色著色層；第三次是在濾光層上涂布一層平滑的保護(hù)層，一是防止由于彩色濾色片的污染物侵入液晶盒而引發(fā)誤動(dòng)作，二是對(duì)各色層進(jìn)行平坦化，方便在其上面進(jìn)一步制作ITO電極；第四次是濺鍍上透明的ITO導(dǎo)電膜。其工藝過程如圖7所示。
圖7 彩色濾光玻璃制備工藝
智能顯示的高清化、曲面化、柔性化及大尺寸化，對(duì)鍍膜技術(shù)提出了要更高求，鍍膜工藝更加復(fù)雜，各種功能膜復(fù)合增多，加工方式變得更加多樣化。為了提升顯示效果和屏幕刷新速率，需要對(duì)沉積在玻璃基板表面的非晶硅進(jìn)行熱處理，使其轉(zhuǎn)化成多晶硅，從而使電子遷移速率提高100倍以上，可使LCD/OLED顯示產(chǎn)品具有分辨率高、反應(yīng)速度快、亮度高、開口率增大等特點(diǎn)，使其顯示像素達(dá)到400PPI~600PPI（PPI為每英寸像素）。在提高觸摸屏透過率方面，在玻璃基片鍍制ITO導(dǎo)電膜的同時(shí)，再鍍上增透減反的AR功能膜層，可使觸摸屏透過率從86%提升至92%，大幅度提高平板顯示器在強(qiáng)光環(huán)境中的對(duì)比度和清晰度，此外還會(huì)增加抗指紋的AF膜層，甚至防眩光的AG膜層等，使得鍍膜技術(shù)向多層數(shù)、多功能化發(fā)展。此外，超薄電子玻璃鍍膜技術(shù)也出現(xiàn)了新的加工方式，當(dāng)超薄電子玻璃厚度小于0.10mm時(shí)，可以卷在輥?zhàn)由希芍苯釉诰頎畈Ａ襄兡ぜ庸ぃ瑢?shí)現(xiàn)卷對(duì)卷鍍膜加工方式，這樣成卷連續(xù)生產(chǎn)，可大幅提升加工效率。
圖8 卷對(duì)卷加工工藝示意圖
向多種功能膜疊加方向發(fā)展
熱彎工藝是將平板玻璃放在模具中加熱軟化成型，再經(jīng)退火制成的曲面玻璃（又稱3D玻璃）的工藝過程，其過程包括加熱、成型、退火、冷卻等。該成型方法為一次成型，無需傳統(tǒng)的粗磨、精磨、拋光等加工工序，具有高效率、高質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)，是目前制備3D超薄電子玻璃（以下簡(jiǎn)稱3D玻璃）較為理想的方法。3D玻璃熱彎技術(shù)不同于常規(guī)玻璃的熱彎，具有精度高、加工難度大等特點(diǎn)，其難點(diǎn)主要在于對(duì)模具材料的選用和加熱及加壓工藝的精準(zhǔn)控制。
圖9 熱彎過程示意圖
熱彎模具直接接觸玻璃承載壓力和傳導(dǎo)熱量，其性能好壞直接影響3D玻璃的質(zhì)量和生產(chǎn)良率。熱彎模具材料應(yīng)具有晶粒細(xì)、組織致密均勻、熱穩(wěn)定性高、易于加工、熱膨脹系數(shù)小等特點(diǎn)。熱彎模具的表面平整度直接影響玻璃表面質(zhì)量，模具表面顆粒度較大時(shí)，玻璃表面容易產(chǎn)生麻點(diǎn)等缺陷；加熱時(shí)，模具最高溫度達(dá)到800℃，要求模具材料熱穩(wěn)定性高，且高溫時(shí)不產(chǎn)生力學(xué)變形；熱彎模具熱膨脹系數(shù)要小，否則加熱和冷卻過程中較大的變形量直接會(huì)使蓋板玻璃炸裂。
鑒于上述材料性能要求，可供選擇的材料主要有合金、陶瓷、石墨等，由于石墨材料更加符合上述材料特性要求，更適合用作3D玻璃熱彎模具，目前業(yè)內(nèi)較多地使用石墨作為模具原材料。
在3D玻璃熱彎成型技術(shù)中，溫度的控制對(duì)玻璃的成型起著至關(guān)重要的作用，也是衡量玻璃彎曲成型質(zhì)量的關(guān)鍵性指標(biāo)，加熱溫度控制范圍還可以影響到模具的使用壽命。熱彎成型溫度一般在變形點(diǎn)溫度（Td）和軟化點(diǎn)溫度（Ts）之間，玻璃加熱溫度過高時(shí)，會(huì)發(fā)生玻璃軟化，冷卻后出現(xiàn)粘模現(xiàn)象，導(dǎo)致模具整體報(bào)廢；玻璃加熱溫度過低，又會(huì)導(dǎo)致玻璃熱彎成型后出現(xiàn)冷紋、精度不高，甚至出現(xiàn)直接壓碎現(xiàn)象，且上下模具溫差需控制在一定范圍內(nèi)，否則易產(chǎn)生翹曲等現(xiàn)象。玻璃的升降溫速率對(duì)3D玻璃成型也有重要影響，如果升降溫速率過快，則會(huì)造成玻璃片溫度分布不均勻，容易產(chǎn)生翹曲甚至炸裂現(xiàn)象，嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量和良率。
熱彎加壓參數(shù)是玻璃成型的關(guān)鍵參數(shù)之一，需要綜合考慮熱彎玻璃厚度、熱彎形狀、工作區(qū)域、熱彎溫度制度等因素進(jìn)行設(shè)置。其中最為重要的是加壓參數(shù)要密切配合熱彎溫度制度，在不同的溫度階段施加不同的加載壓力及加載時(shí)間，若玻璃尚未軟化或玻璃變硬后再加載，加載壓力過大或者壓力分配不均，都會(huì)直接導(dǎo)致玻璃破碎。此外，加載速率及方式也會(huì)影響生產(chǎn)，在玻璃受熱逐漸軟化的過程中，如施加壓力增幅過快，也容易造成破碎，在熱彎區(qū)域尤其應(yīng)注意壓力曲線的設(shè)置，逐步增加壓力的方式明顯優(yōu)于間斷施加壓力方式。
