實(shí)際上所有類型生產(chǎn)中的平板顯示器（FPD）目前在其構(gòu)造中都用到了玻璃薄板。然而，傳統(tǒng)的切割玻璃的機(jī)械技術(shù)并不具有支持一些新興顯示應(yīng)用所需的加工質(zhì)量和產(chǎn)量的能力，對于那些采用超薄基底材料的應(yīng)用來說尤為顯著。而CO2 激光器已經(jīng)在特種玻璃切割領(lǐng)域應(yīng)用了多年，近來在激光穩(wěn)定性、冷卻技術(shù)以及玻璃加工方面的進(jìn)步，使得激光成為一種替代機(jī)械加工、用于平板顯示器制造的可行手段（見圖1）。
未來的趨勢
對于PDA和MP3播放器等消費(fèi)電子類產(chǎn)品，未來趨勢是更小的物理尺寸和更輕的重量，以及更低的成本。而與此同時，消費(fèi)者追求面積更大、質(zhì)量更高的顯示屏，比如蘋果iPhone就是一個典型的例子。相似的還有平板電視制造商們正尋找縮減產(chǎn)品重量的方法。解決這兩個問題的關(guān)鍵是采用更輕薄的玻璃基底材料。在超薄電話上，其厚度被縮小為0.3毫米。即使在更大的（60英寸）電視機(jī)上，厚度僅為2.8毫米的玻璃板已經(jīng)成為了標(biāo)準(zhǔn)配置。無論怎樣，更薄的玻璃從機(jī)械加工角度來說更為精密。這使得玻璃在生產(chǎn)中更難切割和加工，并且使最終產(chǎn)品極易破碎。后一個因素，對于雙層應(yīng)用，如觸摸屏來說，更是至關(guān)重要。
激光優(yōu)勢
切割玻璃的傳統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)被使用了幾個世紀(jì)，包括使用堅硬﹑銳利的工具（常見的是金剛石或硬質(zhì)合金）劃刻玻璃表面，隨后通過機(jī)械力使玻璃沿著劃刻的裂紋完全分開。在自動化系統(tǒng)中，這一分割過程通常采用裂片條作用于玻璃表面而完成。然而，這一方法對于超薄基底材料來說有一定的缺陷。特別是刀具在材料中產(chǎn)生的微裂痕以及后續(xù)的裂片步驟產(chǎn)生細(xì)小的碎渣，且切割面并不一定和玻璃表面垂直。
此外，機(jī)械切割在加工后的邊緣部分留下了顯著的機(jī)械應(yīng)力。實(shí)際上，采用機(jī)械切割加工厚度小于1毫米的基底材料是非常困難的，因為這個厚度的玻璃非常易碎。為了防止玻璃在初次切割后發(fā)生進(jìn)一步的破碎，它可能因此需要在切割面進(jìn)行磨削或拋光。而且，后道清理工序也是必需的，以清除可能對后續(xù)工藝（如電路形成）產(chǎn)生干擾的殘渣。激光切割玻璃解決了這些局限。首先，非接觸工藝完全消除了微裂痕和碎渣的問題。而且，激光切割使玻璃中不再有應(yīng)力的殘留，帶來更高的邊緣強(qiáng)度。這一點(diǎn)非常重要，因為即使當(dāng)外力作用于玻璃板的中心，其裂痕也通常開始于邊緣位置?？偟膩碚f，相比機(jī)械切割的玻璃，激光切割的玻璃能承受兩倍到三倍的外力。
激光切割還能減少工藝步驟，因其不需要任何后續(xù)的清潔及磨削步驟。所以雖然激光切割機(jī)的投資成本要高于機(jī)械系統(tǒng)，但激光切割的總投資成本將因免去了磨削設(shè)備而低于機(jī)械加工的成本。
最后，激光切割使得在玻璃上切割曲線更為簡單。對曲線切割的需求正在增長，尤其是移動電話領(lǐng)域，許多制造商希望使用玻璃來替代塑料的外殼，從而提高抗磨損能力。然而，這通常需要小半徑圓角邊緣，有些時候甚至需要切割出開口。
激光切割基本常識
對于玻璃切割來說有兩種基于激光的基本技術(shù)。第一種被稱為激光劃片，主要被用于基底材料厚度從0.3毫米到0.7毫米的玻璃（見圖2）。第二種被稱為激光整體切割，主要被用于切割基底材料厚度小于0.2毫米的材料。這兩種方法一般都使用連續(xù)波CO2 激光器，也可以采用脈沖CO2 激光器——能在該應(yīng)用下因進(jìn)給率的重復(fù)率足夠高從而接近連續(xù)波。
在激光劃片中，激光聚焦于玻璃的表面，以產(chǎn)生連續(xù)的劃痕。因為所有的玻璃都能強(qiáng)烈吸收波長為10.6 m的CO2 激光，幾乎所有的激光能量都保留在或接近玻璃的表面，產(chǎn)生快速的加熱效應(yīng)。通過從噴嘴向玻璃傳輸液體或空氣，能實(shí)現(xiàn)快速冷卻；帶來的熱沖擊會在玻璃中約100 m深處生成連續(xù)的裂紋。在整個劃片過程完成后，玻璃從機(jī)械輥?zhàn)踊蛄哑瑮l下方通過，施加足夠的外力使玻璃基底沿裂紋徹底分割開來。該裂片過程不產(chǎn)生任何碎渣，且切割面同表面垂直。
另一種用于裂片的非機(jī)械方式最近被開發(fā)出來。這種方式中，初始的劃痕再次被暴露在另一束激光產(chǎn)生的熱量下，使玻璃膨脹并使劃痕向深處貫穿基底材料。這一階段中無須使用冷卻。
激光整體切割的設(shè)置同激光劃片相類似。不同在于其進(jìn)給率更低，且冷卻要求更低，使用氣體冷卻而非液體。因此，激光產(chǎn)生的劃痕在基底材料中不斷延伸，只需一步便可完成，免除了單獨(dú)的裂片工藝。表1總結(jié)了機(jī)械切割和兩種激光技術(shù)的特點(diǎn)。
工藝優(yōu)化
德國MDI Schott Advanced Processing公司是一家高精度玻璃切割設(shè)備的制造商，他們開發(fā)了基于激光的技術(shù)，用于各種不同的應(yīng)用當(dāng)中。MDI Schott尤其關(guān)注于平板顯示器領(lǐng)域。
“我們已經(jīng)對工藝的許多方面進(jìn)行了優(yōu)化，以為制造商提供最具成本競爭力的機(jī)械切割工具，并且在薄玻璃的生產(chǎn)中帶來出色的成果，”公司的副總裁Christoph Hermanns談到，“尤其在提供冷卻劑方面，是非常重要的領(lǐng)域。我們研究了各種氣體和液體產(chǎn)生的效果，并開發(fā)了用于噴嘴的新技術(shù)，能使冷卻劑帶來更高的可控性和可重復(fù)實(shí)現(xiàn)的結(jié)果。除此之外，還能最小化冷卻液用量并在加工后的零件上不產(chǎn)生殘留痕跡。”
該公司同樣還發(fā)現(xiàn)高斯光束輪廓并不適用于玻璃劃片。問題在于聚焦后的高斯分布在劃刻的中心區(qū)域達(dá)到功率密度峰值，使玻璃溫度升高超過熔點(diǎn)。這一形變帶來了殘余應(yīng)力，并將產(chǎn)生微裂紋。
MDI Schott公司利用多項技術(shù)來改變激光束的功率密度分布，但還要依賴于被加工對象的特定情況以及其他工藝參數(shù)。一種方法是使用鏡片系統(tǒng)或反射光路來生成線形光束。該光束能沿著劃痕線前后來回進(jìn)行高頻掃描（圖3）。
一般來說，公司使用的CO2 激光器在50~250W的功率水平；較高區(qū)間的功率能帶來更高的產(chǎn)量或加工更厚材料的能力。
“我們現(xiàn)在使用的一種激光器是相干公司的Diamond K250，該型號具有許多對我們應(yīng)用非常重要的特點(diǎn)，”Hermanns說道，“例如，我們要求非常好的功率穩(wěn)定性，因為劃片深度直接依賴于功率。出于同一種原因，橫向模式結(jié)構(gòu)的一致性也很重要，因為這決定了工件表面的激光功率密度分布。此外，我們需要輸出的功率密度分布能在激光器整體輸出功率范圍內(nèi)保持穩(wěn)定。這是因為一臺特定的機(jī)器可能被用于各種不同的任務(wù)，例如劃刻裸玻璃和帶涂層的玻璃，后者需要不同等級的功率。而且，同一型號產(chǎn)品單元之間的一致性非常重要，這樣我們在安裝一臺新的激光器時，就不用把所有參數(shù)都重新調(diào)校一遍。”
Hermanns還強(qiáng)調(diào)了運(yùn)行時間和可靠性的重要性，因為該應(yīng)用通常在每天24小時每周7天的模式下運(yùn)行，“相干近期推出了Diamond E-400激光器，因其具備出色的可靠性，我們正在利用該產(chǎn)品，”他談到，“例如，該激光器配備了集成電源，免去了射頻電纜所可能帶來的故障風(fēng)險。而且，E-400有著內(nèi)置的故障自檢裝置，能查出所有的激光操作參數(shù)并能預(yù)先預(yù)測可能出現(xiàn)的故障。該激光器自身也是一臺網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，甚至能讓我們遠(yuǎn)距離監(jiān)控單元的運(yùn)轉(zhuǎn)，并通知客戶任何即將發(fā)生的狀況。”
結(jié)論
總的來說，21世紀(jì)消費(fèi)類產(chǎn)品要求意味著顯示器中的玻璃板將不再采用沿用幾個世紀(jì)的老技術(shù)進(jìn)行切割了。幸運(yùn)的是，基于激光的切割避免了這些技術(shù)的致命缺陷。因為激光切割既能免除后續(xù)加工步驟，而且不會過分地增加產(chǎn)品成本。
轉(zhuǎn)載請注明出處。
相關(guān)文章
熱門資訊
精彩導(dǎo)讀
關(guān)注我們
