激光复合切割/边缘修补技术助臂力 超薄玻璃基板不再破裂
时间：2013-12-27 07:53:00
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[导读]行动装置超薄玻璃制造良率可望大幅提升。行动装置已开始采用低于0.1毫米的超薄玻璃基板，然而，超薄玻璃基板仍具有玻璃硬脆特性，在制程中容易因形变或应力作用而产生破裂，因此，业界研发雷射复合切割与边缘修补技术
行动装置超薄玻璃制造良率可望大幅提升。行动装置已开始采用低于0.1毫米的超薄玻璃基板，然而，超薄玻璃基板仍具有玻璃硬脆特性，在制程中容易因形变或应力作用而产生破裂，因此，业界研发雷射复合切割与边缘修补技术，可精准切割玻璃基板之余，亦能消除玻璃边缘缺陷，提升超薄玻璃整体生产良率。
在电子产品追求轻薄的趋势下，做为关键材料的玻璃基板亦朝向薄型化以及可挠性目标迈进。由于玻璃具有硬脆的物理特性，因此切割时如何不损伤玻璃基板以及切割后如何消除玻璃边缘缺陷，一直是各界极力突破部分。本文将针对现有雷射玻璃切割制程与雷射强化边缘技术，以及业界目前开发之雷射相关技术进行深入的探讨。
玻璃基板演进
近年来各项电子装置如液晶显示(LCD)与触控面板(Touch Panel)等，均朝向薄型化以及可挠性的目标迈进。为达到薄型化目标，玻璃基板厚度由1.1毫米(mm)逐步减少至今日普及的0.4毫米，未来更朝向0.2及0.1毫米的厚度发展；在可挠性软性电子方面，为达到具有可挠曲、耐冲击以及易于携带等特性，塑胶材料成为目前最佳的基材之一。原本业界预期塑胶材料将逐步取代玻璃基板，然而由于塑胶材料无法承受高温的制程，限制其应用的可能性，因此对于达到最终可挠式电子产品而言，目前仍有很大的挑战。
2012年国际玻璃基板厂康宁(Corning)、旭硝子显示玻璃(Asahi)、日本电气硝子(NEG)与首德(SCHOTT)等皆已陆续成功发展及生产厚度低于0.1毫米之超薄玻璃(Ultra-thin Glass)，突破玻璃不可弯折的特性限制，加以玻璃优异的光学特性、温度与几何尺寸的稳定性，使玻璃基板再度充满强烈竞争力。
超薄玻璃基板在极少缺陷与超薄厚度下，虽具备相当程度的挠曲能力，但仍具有玻璃硬脆之物性，在处理过程中易因为形变与应力作用，产生缺陷或使已存在的缺陷延伸、扩大，最后导致基板破裂。因此，在进行制程转换过程中，超薄玻璃可挠基板必须具备足够的机械力学可靠度与对冲击的耐受性，并要求在移载传输过程中不易发生破片，才能确保制造的生产良率，所以如何提升超薄玻璃的机械强度要求，将是未来超薄玻璃真正应用时最重要的关键技术。
玻璃经过机械或雷射切割后，会在玻璃边缘形成微裂痕(Micro-crack)，而微裂痕的存在将使得玻璃边缘有强大的内应力存在，因此在制程转换过程中，有可能因为人为处理或不当的外力影响，造成微裂纹成长而产生破片，因此低损伤的玻璃切割技术以及切割后减少甚至消除损伤之磨边技术均是制程重要成功关键。
玻璃切割制程
传统玻璃切割是以轮刀直接机械加工达到所欲分割的尺寸，然而轮刀切割最大的问题在于刀具的损耗，尤其面对具有高硬度之强化玻璃的切割，刀具损耗尤为严重，除此之外，机械式的切割方式会产生机械应力，进而造成边缘破损，并且随着基板厚度越来越薄，切割时所造成的各式裂纹快速增多，严重影响切割制程的品质及良率，因此切割后均须搭配后续磨边，以减少边缘裂纹，而当厚度达0.2毫米以下之超薄玻璃时，由于素材相对脆弱，因此利用机械来切割或磨边的方式，将随着力量施与的作用范围过于狭小而难以有效控制，因此逐渐导入雷射制程来解决相关问题。
常见用于玻璃切割的雷射源种类有CO2雷射、UV雷射以及超快(Ultrafast)雷射，其特性比较如表1，其中，目前量产主流是CO2雷射，而超快雷射切割虽然品质佳，但是成本相对高昂，目前已有部分业者开始导入量产应用；CO2雷射切割技术为切割边缘品质佳，且设备成本低，因此业界接受度较高，但是其必须要以机械或其他方式先于边缘制作一初始裂纹，始可达到切割效果，且其作用原理是以冷热裂纹加上裂片方式切割，加工路径不易应用于异形(如弧形等)切割，必须搭配较长的磨边时间将弧角修饰出来，且在非对称切割时路径会有偏移的现象是其待改善的部分；而UV雷射与超快雷射在加工机制上，均属于以光化学作用机制来进行材料的削除切割，且可直接进行异形的轨迹加工，其加工品质决定于材料累积的热能，因此超快雷射的加工效果较奈秒雷射加工效果佳，由图1之加工结果剖面图可以明显观察到效果的差异，UV雷射(图1(b))切割之边缘品质明显较CO2雷射(图1(a))与超快雷射(图1(c))之结果差。
图1 不同雷射切割玻璃之结果：(a) CO2雷射、(b) UV雷射、(c)超快雷射
玻璃磨边技术
如前段所述，雷射切割虽然品质较轮刀切割佳，但观察其剖面仍可观察到明显的缺陷，此缺陷则会提高之后应用时破裂的可能性，因此不论是传统轮刀切割或是各式的雷射切割技术，于切割完成后，均会搭配后续的磨边技术以减少边缘的缺陷，藉以降低后续应用时破片的机率。
目前业界玻璃磨边技术以机械磨边机为主，机械磨边机是采用砂轮对玻璃边缘进行加工，然而由于玻璃本身硬度高，且属于高脆性材料，机械磨边时相当耗费时间，同时亦会使砂轮快速磨损，增加制程成本；另外，当玻璃基板薄型化至超薄玻璃尺寸时，虽然超薄玻璃具备相当程度的挠曲能力，但仍具有玻璃硬脆之物性，在处理过程中易因为形变与应力作用，产生缺陷或使已存在的缺陷延伸、扩大，最后导致基板破裂，因此无法以机械磨边之方法对其进行加工，因此，国际各大玻璃厂均尝试研发各种玻璃边缘缺陷补强技术。
为对超薄玻璃边缘进行强化，康宁提出以填充物填补边缘缺陷以抑制缺陷沿着基材边缘产生，并保护边缘的弯曲强度，主要是利用聚矽氧(Silicone)与环氧树脂(Epoxy)等材料，覆盖在玻璃的边缘处，待其固化后可达到补强效果，由于补强后并非材料本身无缺陷，补强程度有限；日本Asahi则提出将具缺陷的部分重新熔融的概念来达到强化效果，制程方法是将切割后之玻璃边缘缺陷部分以热效应强烈的CO2雷射对其进行照射，同时以冷却气体送风达到控制温度的效果，使边缘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达到强化效果，虽可去除缺陷，但是边缘部分仍会残留强大的应力，影响强化程度。
在消除边缘缺陷的部分，不同于康宁的修补以及Asahi的熔融概念，工研院南分院积层制造与雷射应用中心开发出直接将最外层缺陷部分进行边缘修补(Edge Healing)的技术，亦即利用雷射直接照射边缘缺陷处，透过雷射能量促使边缘缺陷部分脱离玻璃本体，移除缺陷的玻璃之基板边缘即呈现一完美表面，如图2所示，分别为UV雷射切割后之剖面(图2(a))以及将UV雷射切割之试片进行雷射处理后之结果(图2(b))，雷射处理后之玻璃基板呈现一完美光滑表面，以显微镜放大无明显缺陷，分别对雷射处理前后之试片进行弯折测试，如图3所示，可观察到其弯折半径明显提升，约可达15毫米以下，计算后可得到雷射处理前后弯折强度由约100MPa增强至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结构，因此可得到高强度之玻璃基板。 [!--empirenews.page--]
图2 (a)UV雷射切割后之剖面；(b)切割后之试片以雷射处理后之剖面，右上图为边缘之放大图。
图3 雷射处理前后玻璃基板弯折测试，(a)雷射处理前；(b)雷射处理后。
工研院南分院积层制造与雷射应用中心目前开发之雷射复合切割与边缘修补制程技术，除直线加工外，亦可直接进行异形的轨迹加工，且同时可将边缘缺陷部分修补，使边缘呈现光滑的表面形貌，并经由弯折测试可得到薄玻璃基板弯折半径达15毫米以下。 未来薄型玻璃的应用将逐渐导入智慧手持式产品，国际各玻璃大厂与面板相关业者亦积极找寻提升玻璃基板强度的解决方法，减少后续应用时玻璃基板损坏的机率，有助于提升制程良率。利用雷射进行复合式的切割磨边技术已经是未来的趋势，将取代传统机械式磨边技术，除此之外，雷射非接触加工的优势将更有机会整合卷轴式(Roll to Roll)生产线，亦可为国内面板制造业者提供更有效益的生产方案。
(本文作者任职于工研院南分院积层制造与雷射应用中心雷射应用系统部)
在电子产品追求轻薄的趋势下，做为关键材料的玻璃基板亦朝向薄型化以及可挠性目标迈进。由于玻璃具有硬脆的物理特性，因此切割时如何不损伤玻璃基板以及切割后如何消除玻璃边缘缺陷，一直是各界极力突破部分。本文将针对现有雷射玻璃切割制程与雷射强化边缘技术，以及业界目前开发之雷射相关技术进行深入的探讨。
玻璃基板演进
近年来各项电子装置如液晶显示(LCD)与触控面板(Touch Panel)等，均朝向薄型化以及可挠性的目标迈进。为达到薄型化目标，玻璃基板厚度由1.1毫米(mm)逐步减少至今日普及的0.4毫米，未来更朝向0.2及0.1毫米的厚度发展；在可挠性软性电子方面，为达到具有可挠曲、耐冲击以及易于携带等特性，塑胶材料成为目前最佳的基材之一。原本业界预期塑胶材料将逐步取代玻璃基板，然而由于塑胶材料无法承受高温的制程，限制其应用的可能性，因此对于达到最终可挠式电子产品而言，目前仍有很大的挑战。
2012年国际玻璃基板厂康宁(Corning)、旭硝子显示玻璃(Asahi)、日本电气硝子(NEG)与首德(SCHOTT)等皆已陆续成功发展及生产厚度低于0.1毫米之超薄玻璃(Ultra-thin Glass)，突破玻璃不可弯折的特性限制，加以玻璃优异的光学特性、温度与几何尺寸的稳定性，使玻璃基板再度充满强烈竞争力。
超薄玻璃基板在极少缺陷与超薄厚度下，虽具备相当程度的挠曲能力，但仍具有玻璃硬脆之物性，在处理过程中易因为形变与应力作用，产生缺陷或使已存在的缺陷延伸、扩大，最后导致基板破裂。因此，在进行制程转换过程中，超薄玻璃可挠基板必须具备足够的机械力学可靠度与对冲击的耐受性，并要求在移载传输过程中不易发生破片，才能确保制造的生产良率，所以如何提升超薄玻璃的机械强度要求，将是未来超薄玻璃真正应用时最重要的关键技术。
玻璃经过机械或雷射切割后，会在玻璃边缘形成微裂痕(Micro-crack)，而微裂痕的存在将使得玻璃边缘有强大的内应力存在，因此在制程转换过程中，有可能因为人为处理或不当的外力影响，造成微裂纹成长而产生破片，因此低损伤的玻璃切割技术以及切割后减少甚至消除损伤之磨边技术均是制程重要成功关键。
玻璃切割制程
传统玻璃切割是以轮刀直接机械加工达到所欲分割的尺寸，然而轮刀切割最大的问题在于刀具的损耗，尤其面对具有高硬度之强化玻璃的切割，刀具损耗尤为严重，除此之外，机械式的切割方式会产生机械应力，进而造成边缘破损，并且随着基板厚度越来越薄，切割时所造成的各式裂纹快速增多，严重影响切割制程的品质及良率，因此切割后均须搭配后续磨边，以减少边缘裂纹，而当厚度达0.2毫米以下之超薄玻璃时，由于素材相对脆弱，因此利用机械来切割或磨边的方式，将随着力量施与的作用范围过于狭小而难以有效控制，因此逐渐导入雷射制程来解决相关问题。
常见用于玻璃切割的雷射源种类有CO2雷射、UV雷射以及超快(Ultrafast)雷射，其特性比较如表1，其中，目前量产主流是CO2雷射，而超快雷射切割虽然品质佳，但是成本相对高昂，目前已有部分业者开始导入量产应用；CO2雷射切割技术为切割边缘品质佳，且设备成本低，因此业界接受度较高，但是其必须要以机械或其他方式先于边缘制作一初始裂纹，始可达到切割效果，且其作用原理是以冷热裂纹加上裂片方式切割，加工路径不易应用于异形(如弧形等)切割，必须搭配较长的磨边时间将弧角修饰出来，且在非对称切割时路径会有偏移的现象是其待改善的部分；而UV雷射与超快雷射在加工机制上，均属于以光化学作用机制来进行材料的削除切割，且可直接进行异形的轨迹加工，其加工品质决定于材料累积的热能，因此超快雷射的加工效果较奈秒雷射加工效果佳，由图1之加工结果剖面图可以明显观察到效果的差异，UV雷射(图1(b))切割之边缘品质明显较CO2雷射(图1(a))与超快雷射(图1(c))之结果差。
图1 不同雷射切割玻璃之结果：(a) CO2雷射、(b) UV雷射、(c)超快雷射
玻璃磨边技术
如前段所述，雷射切割虽然品质较轮刀切割佳，但观察其剖面仍可观察到明显的缺陷，此缺陷则会提高之后应用时破裂的可能性，因此不论是传统轮刀切割或是各式的雷射切割技术，于切割完成后，均会搭配后续的磨边技术以减少边缘的缺陷，藉以降低后续应用时破片的机率。
目前业界玻璃磨边技术以机械磨边机为主，机械磨边机是采用砂轮对玻璃边缘进行加工，然而由于玻璃本身硬度高，且属于高脆性材料，机械磨边时相当耗费时间，同时亦会使砂轮快速磨损，增加制程成本；另外，当玻璃基板薄型化至超薄玻璃尺寸时，虽然超薄玻璃具备相当程度的挠曲能力，但仍具有玻璃硬脆之物性，在处理过程中易因为形变与应力作用，产生缺陷或使已存在的缺陷延伸、扩大，最后导致基板破裂，因此无法以机械磨边之方法对其进行加工，因此，国际各大玻璃厂均尝试研发各种玻璃边缘缺陷补强技术。
为对超薄玻璃边缘进行强化，康宁提出以填充物填补边缘缺陷以抑制缺陷沿着基材边缘产生，并保护边缘的弯曲强度，主要是利用聚矽氧(Silicone)与环氧树脂(Epoxy)等材料，覆盖在玻璃的边缘处，待其固化后可达到补强效果，由于补强后并非材料本身无缺陷，补强程度有限；日本Asahi则提出将具缺陷的部分重新熔融的概念来达到强化效果，制程方法是将切割后之玻璃边缘缺陷部分以热效应强烈的CO2雷射对其进行照射，同时以冷却气体送风达到控制温度的效果，使边缘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达到强化效果，虽可去除缺陷，但是边缘部分仍会残留强大的应力，影响强化程度。
在消除边缘缺陷的部分，不同于康宁的修补以及Asahi的熔融概念，工研院南分院积层制造与雷射应用中心开发出直接将最外层缺陷部分进行边缘修补(Edge Healing)的技术，亦即利用雷射直接照射边缘缺陷处，透过雷射能量促使边缘缺陷部分脱离玻璃本体，移除缺陷的玻璃之基板边缘即呈现一完美表面，如图2所示，分别为UV雷射切割后之剖面(图2(a))以及将UV雷射切割之试片进行雷射处理后之结果(图2(b))，雷射处理后之玻璃基板呈现一完美光滑表面，以显微镜放大无明显缺陷，分别对雷射处理前后之试片进行弯折测试，如图3所示，可观察到其弯折半径明显提升，约可达15毫米以下，计算后可得到雷射处理前后弯折强度由约100MPa增强至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结构，因此可得到高强度之玻璃基板。 [!--empirenews.page--]
图2 (a)UV雷射切割后之剖面；(b)切割后之试片以雷射处理后之剖面，右上图为边缘之放大图。
图3 雷射处理前后玻璃基板弯折测试，(a)雷射处理前；(b)雷射处理后。
工研院南分院积层制造与雷射应用中心目前开发之雷射复合切割与边缘修补制程技术，除直线加工外，亦可直接进行异形的轨迹加工，且同时可将边缘缺陷部分修补，使边缘呈现光滑的表面形貌，并经由弯折测试可得到薄玻璃基板弯折半径达15毫米以下。 未来薄型玻璃的应用将逐渐导入智慧手持式产品，国际各玻璃大厂与面板相关业者亦积极找寻提升玻璃基板强度的解决方法，减少后续应用时玻璃基板损坏的机率，有助于提升制程良率。利用雷射进行复合式的切割磨边技术已经是未来的趋势，将取代传统机械式磨边技术，除此之外，雷射非接触加工的优势将更有机会整合卷轴式(Roll to Roll)生产线，亦可为国内面板制造业者提供更有效益的生产方案。
(本文作者任职于工研院南分院积层制造与雷射应用中心雷射应用系统部)
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