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激光切割助力超薄玻璃基板柔性大增

發表日期:2014-11-27 發布者:廈門益唯特玻璃有限公司 [返回]



      在電子產品追求輕薄的趨勢下,做為關鍵材料的玻璃基板亦朝向薄型化以及可撓性目標邁進。由于玻璃具有硬脆的物理特性,因此切割時如何不損傷玻璃基板以及切割后如何消除玻璃邊緣缺陷,一直是各界極力突破部分。本文將針對現有雷射玻璃切割制程與雷射強化邊緣技術,以及業界目前開發之雷射相關技術進行深入的探討。
  
  玻璃基板演進
  
  近年來各項電子裝置的液晶顯示(LCD)與觸控面板(TouchPanel)等,均朝向薄型化以及可撓性的目標邁進。為達到薄型化目標,玻璃基板厚度由1.1毫米(mm)逐步減少至今日普及的0.4毫米,未來更朝向0.2及0.1毫米的厚度發展;在可撓性軟性電子方面,為達到具有可撓曲、耐沖擊以及易于攜帶等特性,塑膠材料成為目前最佳的基材之一。原本業界預期塑膠材料將逐步取代玻璃基板,然而由于塑膠材料無法承受高溫的制程,限制其應用的可能性,因此對于達到最終可撓式電子產品而言,目前仍有很大的挑戰。
  
  2012年國際玻璃基板廠康寧(Corning)、旭硝子顯示玻璃(Asahi)、日本電氣硝子(NEG)與首德(SCHOTT)等皆已陸續成功發展及生產厚度低于0.1毫米之超薄玻璃(Ultra-thinGlass),突破玻璃不可彎折的特性限制,加以玻璃優異的光學特性、溫度與幾何尺寸的穩定性,使玻璃基板再度充滿強烈競爭力。
  
  超薄玻璃基板在極少缺陷與超薄厚度下,雖具備相當程度的撓曲能力,但仍具有玻璃硬脆之物性,在處理過程中容易因形變與應力作用,產生缺陷或使已存在的缺陷延伸、擴大,最后導致基板破裂。因此,在進行制程轉換過程中,超薄玻璃可撓基板必須具備足夠的機械力學可靠度與對沖擊的耐受性,并要求在移載傳輸過程中不易發生破片,才能確保制造的生產良率,所以如何提升超薄玻璃的機械強度要求,將是未來超薄玻璃真正應用時最重要的關鍵技術。
  
  玻璃經過機械或雷射切割后,會在玻璃邊緣形成微裂痕(Micro-crack),而微裂痕的存在將使得玻璃邊緣有強大的內應力存在,因此在制程轉換過程中,有可能因為人為處理或不當的外力影響,造成微裂紋成長而產生破片,因此低損傷的玻璃切割技術以及切割后減少甚至消除損傷之磨邊技術均是制程重要成功關鍵。
  
  玻璃切割制程
  
  傳統玻璃切割是以輪刀直接機械加工達到所欲分割的尺寸,然而輪刀切割最大的問題在于刀具的損耗,尤其面對具有高硬度之強化玻璃的切割,刀具損耗尤為嚴重;除此之外,機械式的切割方式會產生機械應力,進而造成邊緣破損,并且隨著基板厚度越來越薄,切割時所造成的各式裂紋快速增多,嚴重影響切割制程的品質及良率,因此切割后均須搭配后續磨邊,以減少邊緣裂紋;不過當厚度達0.2毫米以下之超薄玻璃時,由于素材相對脆弱,利用機械來切割或磨邊的方式,將隨著力量施予的作用范圍過于狹小而難以有效控制,因此須逐漸導入雷射制程來解決相關問題。
  
  常見用于玻璃切割的雷射源種類有CO2雷射、UV雷射以及超快(Ultrafast)雷射,其特性比較如表1;其中,目前量產主流是CO2雷射,而超快雷射切割雖然品質佳,但是成本相對高昂,目前已有部分業者開始導入量產應用。
  
  CO2雷射切割技術為切割邊緣品質佳,且設備成本低,因此業界接受度較高,但是其必須要以機械或其他方式先于邊緣制作一初始裂紋,始可達到切割效果,且其作用原理是以冷熱裂紋加上裂片方式切割,加工路徑不易應用于異形(如弧形等)切割,必須搭配較長的磨邊時間將弧角修飾出來,且在非對稱切割時路徑會有偏移的現象,是其待改善的部分。
  
  UV雷射與超快雷射在加工機制,均屬于以光化學作用機制來進行材料的削除切割,且可直接進行異形的軌跡加工,其加工品質決定于材料累積的熱能,因此超快雷射的加工效果較奈秒雷射加工效果佳,由圖1之加工結果剖面圖可以明顯觀察到效果的差異,UV雷射切割之邊緣品質明顯較CO2雷射與超快雷射之結果差。
  
  如前段所述,雷射切割雖然品質較輪刀切割佳,但觀察其剖面仍可觀察到明顯的缺陷,此缺陷則會提高之后應用時破裂的可能性,因此不論是傳統輪刀切割或是各式的雷射切割技術,于切割完成后,均會搭配后續的磨邊技術以減少邊緣的缺陷,藉以降低后續應用時破片的機率。目前業界玻璃磨邊技術以機械磨邊機為主,機械磨邊機是采用砂輪對玻璃邊緣進行加工,然而由于玻璃本身硬度高,且屬于高脆性材料,機械磨邊時相當耗費時間,同時亦會使砂輪快速磨損,增加制程成本;另外,當玻璃基板薄型化至超薄玻璃尺寸時,雖然超薄玻璃具備相當程度的撓曲能力,但仍具有玻璃硬脆之物性,在處理過程中易因為形變與應力作用,產生缺陷或使已存在的缺陷延伸、擴大,最后導致基板破裂,因此無法以機械磨邊之方法對其進行加工。

      有鑒于此,國際各大玻璃廠均嘗試研發各種玻璃邊緣缺陷補強技術。為對超薄玻璃邊緣進行強化,康寧提出以填充物填補邊緣缺陷以抑制缺陷沿著基材邊緣產生,并保護邊緣的彎曲強度,主要是利用聚矽氧(Silicone)與環氧樹脂(Epoxy)等材料,覆蓋在玻璃的邊緣處,待其固化后可達到補強效果,由于補強后并非材料本身無缺陷,補強程度有限;日本Asahi則提出將具缺陷的部分重新熔融的概念來達到強化效果,制程方法是將切割后之玻璃邊緣缺陷部分以熱效應強烈的CO2雷射對其進行照射,同時以冷卻氣體送風達到控制溫度的效果,使邊緣缺陷熔融后再固化重新成型,藉由材料本身融化而去除缺陷達到強化效果,雖可去除缺陷,但是邊緣部分仍會殘留強大的應力,影響強化程度。
  
  在消除邊緣缺陷的部分,不同于康寧的修補以及Asahi的熔融概念,工研院南分院積層制造與雷射應用中心開發出直接將最外層缺陷部分進行邊緣修補(EdgeHealing)的技術,亦即利用雷射直接照射邊緣缺陷處,透過雷射能量促使邊緣缺陷部分脫離玻璃本體,移除缺陷的玻璃之基板邊緣即呈現一完美表面,分別為UV雷射切割后之剖面以及將UV雷射切割之試片進行雷射處理后之結果,雷射處理后之玻璃基板呈現一完美光滑表面,以顯微鏡放大無明顯缺陷,分別對雷射處理前后之試片進行彎折測試,如圖3所示,可觀察到其彎折半徑明顯提升,約可達15毫米以下,計算后可得到雷射處理前后彎折強度由約100MPa增強至350MPa以上,主要在于此制程直接去除了切割制程中的缺陷部分,保留玻璃基板本身完整結構,因此可得到高強度之玻璃基板。
  
  工研院南分院積層制造與雷射應用中心目前開發之雷射復合切割與邊緣修補制程技術,除直線加工外,亦可直接進行異形的軌跡加工,且同時可將邊緣缺陷部分修補,使邊緣呈現光滑的表面形貌,并經由彎折測試可得到薄玻璃基板彎折半徑達15毫米以下。
  

  未來薄型玻璃的應用將逐漸導入智慧手持式產品,國際各玻璃大廠與面板相關業者亦積極找尋提升玻璃基板強度的解決方法,減少后續應用時玻璃基板損壞的機率,有助于提升制程良率。利用雷射進行復合式的切割磨邊技術已經是未來的趨勢,將取代傳統機械式磨邊技術,除此之外,雷射非接觸加工的優勢將更有機會整合卷軸式(RolltoRoll)生產線,亦可為國內面板制造業者提供更有效益的生產方案。



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