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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(xué)物理與技術(shù)學(xué)院光學(xué)暨生物工程系統(tǒng)與技術(shù)教研室，莫斯科 107996

E-mail:vsk1950@mail.ru

²國(guó)際技術(shù)科學(xué)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(shí)驗(yàn)室，臺(tái)北11493

E-mail: jasber@nanoplustech.com（呂鴻圖）

lasercutan@163.com（納烏莫夫A S）

ilya@nanoplustech.com（維立科夫斯基 I E）

wynadya@nanoplustech.com（王薇媛）

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

LCD在汽車工業(yè)中的現(xiàn)代應(yīng)用以市面上具有復(fù)雜幾何形狀的各式面板（如圖 1）為代表，標(biāo)準(zhǔn)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(dá)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(yù)定曲線對(duì)玻璃面板進(jìn)行異形切割為制造LCD最重要的一道工序，對(duì)成品強(qiáng)度以及技術(shù)操作參數(shù)影響甚大，經(jīng)其他方法所取得之切割品質(zhì)可能會(huì)成為制造商實(shí)現(xiàn)構(gòu)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(nèi)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(shù)為硬質(zhì)合金刀輪劃線、飛秒或皮秒激光切割工藝。前述技術(shù)的缺點(diǎn)主要為產(chǎn)品斷面抗彎強(qiáng)度較低，導(dǎo)因于切割沿線應(yīng)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(qiáng)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(qiáng)度介于150～200 MPa，對(duì)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(qiáng)度極限之方法為后續(xù)研磨與拋光，可確保強(qiáng)度增至400～500 MPa，然該工序并不適合CF／TFT面板，因會(huì)使機(jī)械加工過程遭致污染。

除抗彎強(qiáng)度低，此兩項(xiàng)技術(shù)均需沿切割線另行劈裂。此外，采用前述LCD切割技術(shù)在制程中會(huì)產(chǎn)生微粒，并對(duì)玻璃表面造成污染。飛秒或皮秒激光切割有一項(xiàng)主要缺點(diǎn)，即激光輻射很可能會(huì)毀損TFT基板上的電路與接點(diǎn)，因就1064 nm激光波長(zhǎng)而言玻璃相當(dāng)透明。亦存在加熱區(qū)之寬度限制，如有些智能手機(jī)制造商限制激光切割LCD時(shí)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(duì)加工復(fù)雜幾何形狀之局限，以及采用LCT將整組LCD面板切割為個(gè)別矩形元件的成功經(jīng)驗(yàn)^[4]，由本文可知LCT方法已實(shí)現(xiàn)于新型現(xiàn)代化設(shè)備，並符合現(xiàn)代汽車工業(yè)最嚴(yán)苛的要求。

LCT技術(shù)是廣為人知且備受好評(píng)的俄羅斯技術(shù)，發(fā)明者為韓卓申科（Kondratenko V. S.）教授。 LCT方法首批發(fā)明和報(bào)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(guó)際專利^[7]的出現(xiàn)，該方法便躍上國(guó)際舞臺(tái)。LCT普及至世界各地，成功應(yīng)用于工業(yè)與研究相關(guān)之各領(lǐng)域，切割高科技裝置和其他工業(yè)領(lǐng)域所使用之各式脆性非金屬材料，例如：玻璃、藍(lán)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(shè)備之國(guó)際公司皆擁有或生產(chǎn)LCT激光設(shè)備。粗估此種設(shè)備在全球已有數(shù)千臺(tái)產(chǎn)出并使用中。

LCT物理模型如圖2所示，總結(jié)如下。以激光光斑加熱晶圓必須滿足兩項(xiàng)條件：

(1) 加熱應(yīng)位于材料表層，激光輻射波長(zhǎng)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(yīng)超過材料軟化溫度，即加熱程度不應(yīng)造成材料加熱區(qū)內(nèi)塑性變形。

圖2　晶圓的LCT切割

滿足上述條件時(shí)，加熱區(qū)內(nèi)所產(chǎn)生的彈性壓縮應(yīng)力σc無法使材料產(chǎn)生可控制斷裂，因脆性材料強(qiáng)度極限比抗拉或彎曲強(qiáng)度極限高出數(shù)倍。藉由致冷劑對(duì)加熱區(qū)進(jìn)行劇烈的局部冷卻，可使切割區(qū)內(nèi)形成必要之拉伸應(yīng)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(nèi)部至預(yù)定深度，該深度由多項(xiàng)條件決定，包含相對(duì)位移速度、激光輻射功率密度及材料熱導(dǎo)率。

LCD之生產(chǎn)必須進(jìn)行異形切割，對(duì)替代方案有很高的需求，因?yàn)閭鹘y(tǒng)方法有此前分析過之缺點(diǎn)。納諾公司經(jīng)由俄中合作成功開發(fā)并制造新型激光設(shè)備，可依照市場(chǎng)趨勢(shì)運(yùn)用LCT技術(shù)。

納諾以適用于制造LCD的LCT法為基礎(chǔ)，開發(fā)第一臺(tái)LCD異形切割用之激光設(shè)備（如圖3）。該設(shè)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(lǐng)域。

圖3　納諾公司開發(fā)之激光設(shè)備

此新技術(shù)設(shè)備符合以下操作要求：

(1) 符合安全法規(guī)

(2) 使用簡(jiǎn)易

(3) 自動(dòng)識(shí)別標(biāo)記，后對(duì)齊預(yù)定切割線

(4) 可搭配上下料及翻轉(zhuǎn)LCD輔助設(shè)備

(5) 人性化軟件

(6) 可輸入圖紙

(7) 成品抗彎強(qiáng)度極限高

(8) 制程潔凈

(9) 雙層玻璃間電子結(jié)構(gòu)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(jìn)行額外的邊緣加工，強(qiáng)度極限值可達(dá)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(yīng)用LCT切穿技術(shù)可實(shí)現(xiàn)下列結(jié)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(jié)構(gòu)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(qiáng)度提高。

參考文獻(xiàn)：

［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(shù)之研究［J］. 儀表設(shè)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(guó)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(guó)際范疇之國(guó)內(nèi)技術(shù)［J］. 工業(yè)中的科技，2011，3：20–24.

［9］［俄］韓卓申科VS，庫(kù)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(kù)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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