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作者：韓卓申科VS^{1, 2}，呂鴻圖^2,³，納烏莫夫 A S^2,³，維立科夫斯基 IE³，王薇媛³，彭信翰

¹俄羅斯科技大學物理與技術學院光學暨生物工程系統(tǒng)與技術教研室，莫斯科 107996

E-mail:[email protected]

²國際技術科學院，莫斯科 127051

³英屬開曼群島商納諾股份有限公司材料激光加工實驗室，臺北11493

E-mail: [email protected]（呂鴻圖）

[email protected]（納烏莫夫A S）

[email protected]（維立科夫斯基 I E）

[email protected]（王薇媛）

本文闡述俄羅斯激光控制熱裂解（Laser Controlled Thermal Cracking，以下簡稱LCT）技術與其新應用，即以此技術切割帶CF／TFT的有源矩陣液晶顯示器（Liquid Crystal Display，以下簡稱LCD）^{[1, 2]}。

LCD在汽車工業(yè)中的現(xiàn)代應用以市面上具有復雜幾何形狀的各式面板（如圖 1）為代表，標準矩形已退居次要地位。此外，玻璃厚度可介于0.15～0.5 mm，而最小曲率半徑達2 mm。制造LCD所使用之鋁硼硅酸鹽玻璃，熱膨脹系數(shù)約為常見硅酸鹽玻璃的三分之一。沿預定曲線對玻璃面板進行異形切割為制造LCD最重要的一道工序，對成品強度以及技術操作參數(shù)影響甚大，經(jīng)其他方法所取得之切割品質可能會成為制造商實現(xiàn)構想之限制。

圖1　LCD幾何形狀的圖式方案

從切割產(chǎn)品的角度出發(fā)，顯示器即兩片膠合玻璃板，帶有形成于內表面之CF／TFT有源矩陣，其間則為填滿液晶材料的小縫隙^[3]。

目前切割LCD的基本技術為硬質合金刀輪劃線、飛秒或皮秒激光切割工藝。前述技術的缺點主要為產(chǎn)品斷面抗彎強度較低，導因于切割沿線應力形成處之缺陷。根據(jù)各方來源，刀輪切割后玻璃平均抗彎強度介于90～290 MPa；另有消息指出，飛秒或皮秒激光切割后玻璃邊緣抗彎強度介于150～200 MPa，對LCD彎曲允許值、成品可靠性及操作參數(shù)有所限制。世人所熟知、用來提高玻璃邊緣拉伸強度極限之方法為后續(xù)研磨與拋光，可確保強度增至400～500 MPa，然該工序并不適合CF／TFT面板，因會使機械加工過程遭致污染。

除抗彎強度低，此兩項技術均需沿切割線另行劈裂。此外，采用前述LCD切割技術在制程中會產(chǎn)生微粒，并對玻璃表面造成污染。飛秒或皮秒激光切割有一項主要缺點，即激光輻射很可能會毀損TFT基板上的電路與接點，因就1064 nm激光波長而言玻璃相當透明。亦存在加熱區(qū)之寬度限制，如有些智能手機制造商限制激光切割LCD時熱影響區(qū)（Heat-AffectedZone，即HAZ）寬度不得超過70～100 μm。

鑒于上述LCD傳統(tǒng)切割制程對加工復雜幾何形狀之局限，以及采用LCT將整組LCD面板切割為個別矩形元件的成功經(jīng)驗^[4]，由本文可知LCT方法已實現(xiàn)于新型現(xiàn)代化設備，並符合現(xiàn)代汽車工業(yè)最嚴苛的要求。

LCT技術是廣為人知且備受好評的俄羅斯技術，發(fā)明者為韓卓申科（Kondratenko V. S.）教授。 LCT方法首批發(fā)明和報告可追溯至1970年代末期 ^[5^,^6]，自1992年以來因其俄羅斯專利^[1]及后續(xù)國際專利^[7]的出現(xiàn)，該方法便躍上國際舞臺。LCT普及至世界各地，成功應用于工業(yè)與研究相關之各領域，切割高科技裝置和其他工業(yè)領域所使用之各式脆性非金屬材料，例如：玻璃、藍寶石、陶瓷、硅……等^[8-10]。如今，幾乎所有從事玻璃加工或制造玻璃激光切割設備之國際公司皆擁有或生產(chǎn)LCT激光設備。粗估此種設備在全球已有數(shù)千臺產(chǎn)出并使用中。

LCT物理模型如圖2所示，總結如下。以激光光斑加熱晶圓必須滿足兩項條件：

(1) 加熱應位于材料表層，激光輻射波長取決于各種被分割材料之不透明度，從而確保激光輻射受表面薄層吸收；

(2) 最高加熱溫度不應超過材料軟化溫度，即加熱程度不應造成材料加熱區(qū)內塑性變形。

圖2　晶圓的LCT切割

滿足上述條件時，加熱區(qū)內所產(chǎn)生的彈性壓縮應力σc無法使材料產(chǎn)生可控制斷裂，因脆性材料強度極限比抗拉或彎曲強度極限高出數(shù)倍。藉由致冷劑對加熱區(qū)進行劇烈的局部冷卻，可使切割區(qū)內形成必要之拉伸應力σt，以控制材料斷裂。產(chǎn)生之溫度梯度可確保于「加熱－冷卻」局部區(qū)域形成分離的微裂紋，并穿透材料內部至預定深度，該深度由多項條件決定，包含相對位移速度、激光輻射功率密度及材料熱導率。

LCD之生產(chǎn)必須進行異形切割，對替代方案有很高的需求，因為傳統(tǒng)方法有此前分析過之缺點。納諾公司經(jīng)由俄中合作成功開發(fā)并制造新型激光設備，可依照市場趨勢運用LCT技術。

納諾以適用于制造LCD的LCT法為基礎，開發(fā)第一臺LCD異形切割用之激光設備（如圖3）。該設備亦可用于其他需切割脆性非金屬材料的工業(yè)及研究領域。

圖3　納諾公司開發(fā)之激光設備

此新技術設備符合以下操作要求：

(1) 符合安全法規(guī)

(2) 使用簡易

(3) 自動識別標記，后對齊預定切割線

(4) 可搭配上下料及翻轉LCD輔助設備

(5) 人性化軟件

(6) 可輸入圖紙

(7) 成品抗彎強度極限高

(8) 制程潔凈

(9) 雙層玻璃間電子結構和各種涂膜不受損

(10) 高良率。

采用LCT可確保切割后玻璃邊緣無缺陷（如圖4c），毋須于切割后進行額外的邊緣加工，強度極限值可達550 MPa。

（4a）刀輪切割后	（4b）皮秒激光切割后	（4c）LCT切割后
圖4　LCD斷面照片（玻璃厚度0.15 mm）

應用LCT切穿技術可實現(xiàn)下列結果：

(1) 一刀切穿，不需另行劈裂

(2) 制程潔凈

(3) 雙層玻璃間電子結構和各種涂膜不受損

(4) 切割精度±50 μm

(5) 沿切割線無缺陷（如圖4c）

(6) 玻璃抗彎強度提高。

參考文獻：

［1］［俄］韓卓申科VS. 非金屬材料切割法：俄羅斯聯(lián)邦，2024441［P］.1992-04-02.

［2］［俄］液晶顯示器─維基百科［OL］.［2020-02-25］.http://ru.wikipedia.org/wiki/Жидкокристаллический_дисплей.

［3］［英］群創(chuàng)光電. 何謂TFT-LCD［OL］.［2020-02-25］.http://www.innolux.com/Pages/EN/Technology/TFT_LCD_EN.html.

［4］［俄］韓卓申科VS，鮑里索夫斯基VE，納烏莫夫AS，等. 平板顯示器激光控制熱裂解技術之研究［J］. 儀表設備，2005，4（58）：35–38.

［5］［俄］韓卓申科VS.平板玻璃切割法：俄羅斯聯(lián)邦，776002［P］.1979-02-19.

［6］［俄］韓卓申科VS，別洛烏索夫EK，馬丘卡GA，等. 以激光輻射控制之玻璃熱裂解［J］. 電子業(yè)，1978，9（69）：65–68。

［7］［英］韓卓申科VS. 非金屬材料切割：國際專利，WO93/20015［P］.1993-10-14.

［8］［俄］韓卓申科VS，米納耶夫VV，納烏莫夫AS. 激光控制熱裂解──國際范疇之國內技術［J］. 工業(yè)中的科技，2011，3：20–24.

［9］［俄］韓卓申科VS，庫吉SA. 玻璃及其他脆性材料之激光控制熱裂解法精密切割（綜述）［J］. 玻璃與陶瓷，2017，3：5–12.

［10］［英］韓卓申科VS，庫吉SA. 玻璃及其他脆性材料之激光控制熱裂解法精密切割（綜述）［J］. 玻璃與陶瓷，2017，74（3–4）：75–81.

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