激光復(fù)合切割技術(shù)助臂力 超薄玻璃基板可撓性大增
[導(dǎo)讀]在電子產(chǎn)品追求輕薄的趨勢下，做為關(guān)鍵材料的玻璃基板亦朝向薄型化及可撓性目標(biāo)邁進(jìn)。由于玻璃具有硬脆的物理特性，因此研究機(jī)構(gòu)已開發(fā)出雷射玻璃切割制程與邊緣強(qiáng)化技術(shù)，以確保玻璃切割時不會損傷基板，且切割后也
在電子產(chǎn)品追求輕薄的趨勢下，做為關(guān)鍵材料的玻璃基板亦朝向薄型化及可撓性目標(biāo)邁進(jìn)。由于玻璃具有硬脆的物理特性，因此研究機(jī)構(gòu)已開發(fā)出雷射玻璃切割制程與邊緣強(qiáng)化技術(shù)，以確保玻璃切割時不會損傷基板，且切割后也能消除邊緣缺陷。
在電子產(chǎn)品追求輕薄的趨勢下，做為關(guān)鍵材料的玻璃基板亦朝向薄型化以及可撓性目標(biāo)邁進(jìn)。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(xiàn)有雷射玻璃切割制程與雷射強(qiáng)化邊緣技術(shù)，以及業(yè)界目前開發(fā)之雷射相關(guān)技術(shù)進(jìn)行深入的探討。
玻璃基板演進(jìn)
近年來各項電子裝置的液晶顯示(LCD)與觸控面板(Touch Panel)等，均朝向薄型化以及可撓性的目標(biāo)邁進(jìn)。為達(dá)到薄型化目標(biāo)，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(fā)展；在可撓性軟性電子方面，為達(dá)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(yè)界預(yù)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(yīng)用的可能性，因此對于達(dá)到最終可撓式電子產(chǎn)品而言，目前仍有很大的挑戰(zhàn)。
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(xù)成功發(fā)展及生產(chǎn)厚度低于0.1毫米之超薄玻璃(Ultra-thin Glass)，突破玻璃不可彎折的特性限制，加以玻璃優(yōu)異的光學(xué)特性、溫度與幾何尺寸的穩(wěn)定性，使玻璃基板再度充滿強(qiáng)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(dāng)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(yīng)力作用，產(chǎn)生缺陷或使已存在的缺陷延伸、擴(kuò)大，最后導(dǎo)致基板破裂。因此，在進(jìn)行制程轉(zhuǎn)換過程中，超薄玻璃可撓基板必須具備足夠的機(jī)械力學(xué)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(fā)生破片，才能確保制造的生產(chǎn)良率，所以如何提升超薄玻璃的機(jī)械強(qiáng)度要求，將是未來超薄玻璃真正應(yīng)用時最重要的關(guān)鍵技術(shù)。
玻璃經(jīng)過機(jī)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(qiáng)大的內(nèi)應(yīng)力存在，因此在制程轉(zhuǎn)換過程中，有可能因為人為處理或不當(dāng)?shù)耐饬τ绊?，造成微裂紋成長而產(chǎn)生破片，因此低損傷的玻璃切割技術(shù)以及切割后減少甚至消除損傷之磨邊技術(shù)均是制程重要成功關(guān)鍵。
玻璃切割制程
傳統(tǒng)玻璃切割是以輪刀直接機(jī)械加工達(dá)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(qiáng)化玻璃的切割，刀具損耗尤為嚴(yán)重；除此之外，機(jī)械式的切割方式會產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力，進(jìn)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(yán)重影響切割制程的品質(zhì)及良率，因此切割后均須搭配后續(xù)磨邊，以減少邊緣裂紋；不過當(dāng)厚度達(dá)0.2毫米以下之超薄玻璃時，由于素材相對脆弱，利用機(jī)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(dǎo)入雷射制程來解決相關(guān)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(chǎn)主流是CO2雷射，而超快雷射切割雖然品質(zhì)佳，但是成本相對高昂，目前已有部分業(yè)者開始導(dǎo)入量產(chǎn)應(yīng)用。
CO2雷射切割技術(shù)為切割邊緣品質(zhì)佳，且設(shè)備成本低，因此業(yè)界接受度較高，但是其必須要以機(jī)械或其他方式先于邊緣制作一初始裂紋，始可達(dá)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(yīng)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(xiàn)象，是其待改善的部分。
UV雷射與超快雷射在加工機(jī)制，均屬于以光化學(xué)作用機(jī)制來進(jìn)行材料的削除切割，且可直接進(jìn)行異形的軌跡加工，其加工品質(zhì)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(jié)果剖面圖可以明顯觀察到效果的差異，UV雷射(圖1(b))切割之邊緣品質(zhì)明顯較CO2雷射(圖1(a))與超快雷射(圖1(c))之結(jié)果差。
圖1 不同雷射切割玻璃之結(jié)果：(a)CO2雷射、(b)UV雷射、(c)超快雷射
[@B]玻璃磨邊技術(shù)[@C] 玻璃磨邊技術(shù)
如前段所述，雷射切割雖然品質(zhì)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(yīng)用時破裂的可能性，因此不論是傳統(tǒng)輪刀切割或是各式的雷射切割技術(shù)，于切割完成后，均會搭配后續(xù)的磨邊技術(shù)以減少邊緣的缺陷，藉以降低后續(xù)應(yīng)用時破片的機(jī)率。目前業(yè)界玻璃磨邊技術(shù)以機(jī)械磨邊機(jī)為主，機(jī)械磨邊機(jī)是采用砂輪對玻璃邊緣進(jìn)行加工，然而由于玻璃本身硬度高，且屬于高脆性材料，機(jī)械磨邊時相當(dāng)耗費(fèi)時間，同時亦會使砂輪快速磨損，增加制程成本；另外，當(dāng)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(dāng)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(yīng)力作用，產(chǎn)生缺陷或使已存在的缺陷延伸、擴(kuò)大，最后導(dǎo)致基板破裂，因此無法以機(jī)械磨邊之方法對其進(jìn)行加工。
有鑒于此，國際各大玻璃廠均嘗試研發(fā)各種玻璃邊緣缺陷補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)。為對超薄玻璃邊緣進(jìn)行強(qiáng)化，康寧提出以填充物填補(bǔ)邊緣缺陷以抑制缺陷沿著基材邊緣產(chǎn)生，并保護(hù)邊緣的彎曲強(qiáng)度，主要是利用聚矽氧(Silicone)與環(huán)氧樹脂(Epoxy)等材料，覆蓋在玻璃的邊緣處，待其固化后可達(dá)到補(bǔ)強(qiáng)效果，由于補(bǔ)強(qiáng)后并非材料本身無缺陷，補(bǔ)強(qiáng)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(dá)到強(qiáng)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(yīng)強(qiáng)烈的CO2雷射對其進(jìn)行照射，同時以冷卻氣體送風(fēng)達(dá)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(dá)到強(qiáng)化效果，雖可去除缺陷，但是邊緣部分仍會殘留強(qiáng)大的應(yīng)力，影響強(qiáng)化程度。
在消除邊緣缺陷的部分，不同于康寧的修補(bǔ)以及Asahi的熔融概念，工研院南分院積層制造與雷射應(yīng)用中心開發(fā)出直接將最外層缺陷部分進(jìn)行邊緣修補(bǔ)(Edge Healing)的技術(shù)，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(xiàn)一完美表面，如圖2所示，分別為UV雷射切割后之剖面(圖2(a))以及將UV雷射切割之試片進(jìn)行雷射處理后之結(jié)果(圖2(b))，雷射處理后之玻璃基板呈現(xiàn)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(jìn)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(dá)15毫米以下，計算后可得到雷射處理前后彎折強(qiáng)度由約100MPa增強(qiáng)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(jié)構(gòu)，因此可得到高強(qiáng)度之玻璃基板。 [!--empirenews.page--]
圖2 (a)UV雷射切割后之剖面；(b)切割后之試片以雷射處理后之剖面，右上圖為邊緣之放大圖。
圖3 雷射處理前后玻璃基板彎折測試，(a)雷射處理前；(b)雷射處理后。
工研院南分院積層制造與雷射應(yīng)用中心目前開發(fā)之雷射復(fù)合切割與邊緣修補(bǔ)制程技術(shù)，除直線加工外，亦可直接進(jìn)行異形的軌跡加工，且同時可將邊緣缺陷部分修補(bǔ)，使邊緣呈現(xiàn)光滑的表面形貌，并經(jīng)由彎折測試可得到薄玻璃基板彎折半徑達(dá)15毫米以下。
未來薄型玻璃的應(yīng)用將逐漸導(dǎo)入智慧手持式產(chǎn)品，國際各玻璃大廠與面板相關(guān)業(yè)者亦積極找尋提升玻璃基板強(qiáng)度的解決方法，減少后續(xù)應(yīng)用時玻璃基板損壞的機(jī)率，有助于提升制程良率。利用雷射進(jìn)行復(fù)合式的切割磨邊技術(shù)已經(jīng)是未來的趨勢，將取代傳統(tǒng)機(jī)械式磨邊技術(shù)，除此之外，雷射非接觸加工的優(yōu)勢將更有機(jī)會整合卷軸式(Roll to Roll)生產(chǎn)線，亦可為國內(nèi)面板制造業(yè)者提供更有效益的生產(chǎn)方案。
(本文作者任職于工研院南分院積層制造與雷射應(yīng)用中心雷射應(yīng)用系統(tǒng)部)
在電子產(chǎn)品追求輕薄的趨勢下，做為關(guān)鍵材料的玻璃基板亦朝向薄型化以及可撓性目標(biāo)邁進(jìn)。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(xiàn)有雷射玻璃切割制程與雷射強(qiáng)化邊緣技術(shù)，以及業(yè)界目前開發(fā)之雷射相關(guān)技術(shù)進(jìn)行深入的探討。
玻璃基板演進(jìn)
近年來各項電子裝置的液晶顯示(LCD)與觸控面板(Touch Panel)等，均朝向薄型化以及可撓性的目標(biāo)邁進(jìn)。為達(dá)到薄型化目標(biāo)，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(fā)展；在可撓性軟性電子方面，為達(dá)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(yè)界預(yù)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(yīng)用的可能性，因此對于達(dá)到最終可撓式電子產(chǎn)品而言，目前仍有很大的挑戰(zhàn)。
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(xù)成功發(fā)展及生產(chǎn)厚度低于0.1毫米之超薄玻璃(Ultra-thin Glass)，突破玻璃不可彎折的特性限制，加以玻璃優(yōu)異的光學(xué)特性、溫度與幾何尺寸的穩(wěn)定性，使玻璃基板再度充滿強(qiáng)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(dāng)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(yīng)力作用，產(chǎn)生缺陷或使已存在的缺陷延伸、擴(kuò)大，最后導(dǎo)致基板破裂。因此，在進(jìn)行制程轉(zhuǎn)換過程中，超薄玻璃可撓基板必須具備足夠的機(jī)械力學(xué)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(fā)生破片，才能確保制造的生產(chǎn)良率，所以如何提升超薄玻璃的機(jī)械強(qiáng)度要求，將是未來超薄玻璃真正應(yīng)用時最重要的關(guān)鍵技術(shù)。
玻璃經(jīng)過機(jī)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(qiáng)大的內(nèi)應(yīng)力存在，因此在制程轉(zhuǎn)換過程中，有可能因為人為處理或不當(dāng)?shù)耐饬τ绊?，造成微裂紋成長而產(chǎn)生破片，因此低損傷的玻璃切割技術(shù)以及切割后減少甚至消除損傷之磨邊技術(shù)均是制程重要成功關(guān)鍵。
玻璃切割制程
傳統(tǒng)玻璃切割是以輪刀直接機(jī)械加工達(dá)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(qiáng)化玻璃的切割，刀具損耗尤為嚴(yán)重；除此之外，機(jī)械式的切割方式會產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力，進(jìn)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(yán)重影響切割制程的品質(zhì)及良率，因此切割后均須搭配后續(xù)磨邊，以減少邊緣裂紋；不過當(dāng)厚度達(dá)0.2毫米以下之超薄玻璃時，由于素材相對脆弱，利用機(jī)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(dǎo)入雷射制程來解決相關(guān)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(chǎn)主流是CO2雷射，而超快雷射切割雖然品質(zhì)佳，但是成本相對高昂，目前已有部分業(yè)者開始導(dǎo)入量產(chǎn)應(yīng)用。
CO2雷射切割技術(shù)為切割邊緣品質(zhì)佳，且設(shè)備成本低，因此業(yè)界接受度較高，但是其必須要以機(jī)械或其他方式先于邊緣制作一初始裂紋，始可達(dá)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(yīng)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(xiàn)象，是其待改善的部分。
UV雷射與超快雷射在加工機(jī)制，均屬于以光化學(xué)作用機(jī)制來進(jìn)行材料的削除切割，且可直接進(jìn)行異形的軌跡加工，其加工品質(zhì)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(jié)果剖面圖可以明顯觀察到效果的差異，UV雷射(圖1(b))切割之邊緣品質(zhì)明顯較CO2雷射(圖1(a))與超快雷射(圖1(c))之結(jié)果差。
圖1 不同雷射切割玻璃之結(jié)果：(a)CO2雷射、(b)UV雷射、(c)超快雷射
[@B]玻璃磨邊技術(shù)[@C] 玻璃磨邊技術(shù)
如前段所述，雷射切割雖然品質(zhì)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(yīng)用時破裂的可能性，因此不論是傳統(tǒng)輪刀切割或是各式的雷射切割技術(shù)，于切割完成后，均會搭配后續(xù)的磨邊技術(shù)以減少邊緣的缺陷，藉以降低后續(xù)應(yīng)用時破片的機(jī)率。目前業(yè)界玻璃磨邊技術(shù)以機(jī)械磨邊機(jī)為主，機(jī)械磨邊機(jī)是采用砂輪對玻璃邊緣進(jìn)行加工，然而由于玻璃本身硬度高，且屬于高脆性材料，機(jī)械磨邊時相當(dāng)耗費(fèi)時間，同時亦會使砂輪快速磨損，增加制程成本；另外，當(dāng)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(dāng)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(yīng)力作用，產(chǎn)生缺陷或使已存在的缺陷延伸、擴(kuò)大，最后導(dǎo)致基板破裂，因此無法以機(jī)械磨邊之方法對其進(jìn)行加工。
有鑒于此，國際各大玻璃廠均嘗試研發(fā)各種玻璃邊緣缺陷補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)。為對超薄玻璃邊緣進(jìn)行強(qiáng)化，康寧提出以填充物填補(bǔ)邊緣缺陷以抑制缺陷沿著基材邊緣產(chǎn)生，并保護(hù)邊緣的彎曲強(qiáng)度，主要是利用聚矽氧(Silicone)與環(huán)氧樹脂(Epoxy)等材料，覆蓋在玻璃的邊緣處，待其固化后可達(dá)到補(bǔ)強(qiáng)效果，由于補(bǔ)強(qiáng)后并非材料本身無缺陷，補(bǔ)強(qiáng)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(dá)到強(qiáng)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(yīng)強(qiáng)烈的CO2雷射對其進(jìn)行照射，同時以冷卻氣體送風(fēng)達(dá)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(dá)到強(qiáng)化效果，雖可去除缺陷，但是邊緣部分仍會殘留強(qiáng)大的應(yīng)力，影響強(qiáng)化程度。
在消除邊緣缺陷的部分，不同于康寧的修補(bǔ)以及Asahi的熔融概念，工研院南分院積層制造與雷射應(yīng)用中心開發(fā)出直接將最外層缺陷部分進(jìn)行邊緣修補(bǔ)(Edge Healing)的技術(shù)，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(xiàn)一完美表面，如圖2所示，分別為UV雷射切割后之剖面(圖2(a))以及將UV雷射切割之試片進(jìn)行雷射處理后之結(jié)果(圖2(b))，雷射處理后之玻璃基板呈現(xiàn)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(jìn)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(dá)15毫米以下，計算后可得到雷射處理前后彎折強(qiáng)度由約100MPa增強(qiáng)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(jié)構(gòu)，因此可得到高強(qiáng)度之玻璃基板。 [!--empirenews.page--]
圖2 (a)UV雷射切割后之剖面；(b)切割后之試片以雷射處理后之剖面，右上圖為邊緣之放大圖。
圖3 雷射處理前后玻璃基板彎折測試，(a)雷射處理前；(b)雷射處理后。
工研院南分院積層制造與雷射應(yīng)用中心目前開發(fā)之雷射復(fù)合切割與邊緣修補(bǔ)制程技術(shù)，除直線加工外，亦可直接進(jìn)行異形的軌跡加工，且同時可將邊緣缺陷部分修補(bǔ)，使邊緣呈現(xiàn)光滑的表面形貌，并經(jīng)由彎折測試可得到薄玻璃基板彎折半徑達(dá)15毫米以下。
未來薄型玻璃的應(yīng)用將逐漸導(dǎo)入智慧手持式產(chǎn)品，國際各玻璃大廠與面板相關(guān)業(yè)者亦積極找尋提升玻璃基板強(qiáng)度的解決方法，減少后續(xù)應(yīng)用時玻璃基板損壞的機(jī)率，有助于提升制程良率。利用雷射進(jìn)行復(fù)合式的切割磨邊技術(shù)已經(jīng)是未來的趨勢，將取代傳統(tǒng)機(jī)械式磨邊技術(shù)，除此之外，雷射非接觸加工的優(yōu)勢將更有機(jī)會整合卷軸式(Roll to Roll)生產(chǎn)線，亦可為國內(nèi)面板制造業(yè)者提供更有效益的生產(chǎn)方案。
(本文作者任職于工研院南分院積層制造與雷射應(yīng)用中心雷射應(yīng)用系統(tǒng)部)
下載文檔
