希波尔科技TFT-LCD切割工艺1

希波尔科技TFT-LCD切割工艺1第二章切割裂片工艺及原理2.1材料的断裂2.1.1断裂的形式和特征材料的断裂随材料的构造、应力、温度、应变速率、环境等条件的不同，其形式可分为脆性断裂、延性断裂和蠕变断裂。脆性断裂是指在断裂前没有显著的非弹性变形，破坏是突然的，而且在断裂前，没有形成局部断面的缩小。延性断裂是指在断裂前有明显的塑性变形，而且还经过局部断面缩小呈颈状而断裂。蠕变断裂是多晶体材料在升高温度时常遇到的一种断裂。因蠕变变形主要是由于晶界滑移引起的，而晶界滑移导致形成空隙。当空隙增大时，固体断面将减小，应力随之相对增大，直至发生破坏，呈现出脆性断裂的样子。断裂表面常是十分不规则的。玻璃的断裂表面特性，是典型的脆性断裂。见图2-1。图2-1玻璃棒断裂示意图断裂的起源常常是在表面缺陷K开始，随着破裂传播速度逐渐增加，通过镜面区S，然后迅速扫过，形成辐射状槽形表面区F（也称贝壳状断面），其中分布有指向断裂起始点的辐射状条纹，称撕裂线。在这两个区线之间还有一个粗糙度逐渐增加的过渡区R。此外玻璃一般断裂到镜面区后，裂成两个贝壳状断面F和F'。镜面区的大小依赖划痕、裂缝、结构不均匀等表面条件而定。如果玻璃棒在断裂前已经有划痕，则断裂时，镜面区要增大。工业上使用金刚石裁玻璃，就是应用此理俩扩大镜面区，避免产生贝壳状断面。2.1.2断裂机理葛利菲斯（Griffith）对于材料的断裂机理提出了微裂纹理论，他认为发生脆性变形的材料如玻璃纤维等，在拉出后自动形成一些微裂纹，而这些微裂纹的端部正是应力集中的地方，其邻近所贮藏的应变能逐步变成断裂表面能而使微裂纹进一步扩展，造成材料强度的降低，更进一步的会导致材料的断裂。因此，材料的断裂分为两个过程，一是微裂纹的产生；二是裂纹的扩展。对于玻璃的微裂纹的产生，有发现玻璃表面结合着极微小的脏粒子，而它和玻璃的弹性模量或热膨胀性能不同；或者粒子受到腐蚀，裂纹常常就从这些粒子中触发出来。英格里斯（Inglis）研究了微裂纹端部应力集中问题，得出结果是：不论裂纹是圆、椭圆或其他形状，其端部的应力是有裂纹的长度（）和端部曲率半径（）c2ρ决定的，得出关系式如下：(2-1）⎥⎦⎤⎢⎣⎡=21m)c2(+1ρσσKSF’FKFR希波尔科技TFT-LCD切割工艺2式中是裂纹尖端处的最大应力，是外施的应力。称为应力集中系数，它的mσσσσm大小表明外力施于材料时，裂纹尖端应力增加的倍数，由和决定。若裂纹是一个cρ圆气孔，即，则该系数等于3，裂纹端应力增加了三倍。因此，当外力较小时，ρ=c裂纹很快达到理论强度，就使裂纹扩展，使增长，相应系数又增大，如此恶性循环，c导致材料断裂。葛利菲斯（Griffith）从能量平衡角度，对微裂纹扩展问题作了研究。他设一个无限大薄平板受张应力的作用，在其中形成一个椭圆状微裂纹，长度为，如图2-2。σc2当生成微裂纹时，其周围材料内积蓄应变能的减少量（指单位板厚）应该是，而形成裂纹所需的表面能为，式中不是自由表面能，而是断EcS22σπ=γcT4=γ裂表面能。这样扩展裂纹所必须的能量是（2-2）EccSTW224σπγ−=−=由此画出和的关系示意图2-2。Wcσ2cC*裂纹长度c能量W图2-2能量和裂纹长度的关系示意图当临界裂纹长度时（由式求出）裂缝才能自动扩展而*cc=*c0242=−=Ecdcdwσπγ断裂,这时的相当于断裂应力。它表明当微裂纹超过临界长度，它就会迅速扩展而σ断裂。这是由于微裂纹扩展力，随增加而变大。而断裂表面力EcdcdsF2σπ==c，是一个常数，所以达到临界长度后，愈来愈大于，使材料迅速断裂。γ2=dcdTcγ4换句话说，达到临界值后，材料就发生脆性断裂了。因此可得断裂强度公式FcF（2-3）21*⎟⎠⎞⎜⎝⎛=cEFcfπσ希波尔科技TFT-LCD切割工艺3用葛利菲斯（Griffith）的理论还可以说明玻璃板断裂时常发生分支，裂成许多块。主要是由于微裂纹长度一旦超过临界尺寸后，微裂纹扩展力和释放出弹性应变能愈来愈大，导致微裂纹增殖产生分支，形成更多新表面，并使表面粗糙呈波纹贝壳状，高低不平，以便能吸收更多的弹性应变能。2.2切割裂片的工艺2.2.1切割/裂片的目的由整个cell制程的流程来看，切割/裂片制程在其中占有很重要的地位。切割裂片制程的目的就是将已经组装好cell空盒通过一定的方法将其分离成为我们所需要的尺寸，成为单个的cell，以进行后段的液晶灌注等制程。图2-3切割裂片目的各代线的可切割的panel数量也不相同，3.5代线可形成342片1.5”的panel。各世代线的TFT基板的经济切割尺寸如表2-12.2.2切割裂片制程流程对于TFT-LCD中的切割裂片制程而言，其制程流程为：切TFT裂TFT切CF裂CF具体的工艺流程如图所示：表2-1经济切割尺寸之比较64pcs1.8’’单个cell希波尔科技TFT-LCD切割工艺4TFTCFTFTCFTFTCFTFTCFMS1MS1MS1MS1MB1MB1MB1MB1MS2MS2MS2MS2MB2MB2MB2MB2图2-4TFT-LCD的切裂流程2.2.3切割工艺（1）切割的方法当前段制程完成之后，大片的Motherglass上会形成许多同样尺寸大小的cell，3.5代线可形成342片1.5”的panel，切割裂片的制程目的就是通过一定的方法将单个的cell完全分离出来。目前，使cell完全分离出来有两种代表性的方法：a切割法（dicing）：切割法即以高速旋转的厚度约为50~200µm的钻石刀片来切削基板，而在基板上形成切割线槽。如图所示：侧视正视图2-5切割法b划线法（scribing）：以厚度约为0.6~2mm的钻石制刀轮或硬质合金制刀轮，通过施加一定的压力，在基板表面划出切割线（Scribingline），从而在基板的厚度方向上产生延伸性裂痕，必要时再通过裂片制程达到使基板分离的目的。其切割方法如图2-6：侧视正视图2-6划线法切割法因使用比划线法使用的刀轮更薄的刀片，当切割像有机EL元件之类的表面有薄膜（Layer）覆盖的玻璃基板时，由于切割线槽较窄，不易伤到薄膜层，因此对于切割有机EL器件是比较合适的。但是切割法，因为是在高速旋转的状态下进行，因此在很薄的刀片的切削区域会产生摩擦热，所以在切削的同时必须供应冷却水，但这对有着金属电极层的TFT基板而言又是极为不利的，因为切割完后要将切割过程中使用的冷却水完全去除是很困难的，当冷却水去除不完全，而在电极表面有水分残留时，就会存在使金属电极层腐蚀的危险（risk），从而影响LCD的后段制程及使用。因此切割法与划线法相比，切割时间长且具体生产的可操作性也较差。刀片厚度为50~200µm刀轮厚度为0.6~2mm希波尔科技TFT-LCD切割工艺5相比而言，划线法因完全不需要冷却水，故其切割时间较切割法短，目前对于脆性基板的分离，几乎都使用划线法进行。（2）切割工艺划线法是使用具有一定宽度且硬度大于玻璃硬度的刀轮，通过施加一定的压力，使刀轮在待加工的基板上形成一深切槽，使得基板在通过必要的裂片制程后可轻易的沿着该切槽而被断开，并且使得玻璃基板在断开时，沿着深切槽形成一垂直的切割断面，如图所示：切割方向切割线切割刀轮玻璃表面刀座切割压力施加方向图2-7划线法切割示意图使用划线法切出的玻璃断面如图2-8图2-8划线法切出的玻璃断面2.2.4裂片工艺裂片的目的仅仅是通过施加一定的压力，将在切割过程中在玻璃厚度方向上形希波尔科技TFT-LCD切割工艺6成的垂直裂缝延伸到玻璃基板的底部，达到使玻璃基板分离的目的。裂片的方法是使用具有一定宽度的材质较玻璃软的工具，从已划出切割线（Scribingline）的玻璃基板的背面给玻璃施加一定的压力，使的玻璃由于内部应力及外加压力的共同作用，沿着切割线槽断开，形成一垂直于玻璃表面的断面。裂片的方法如图2-9：Reverse图2-9裂片方法图示图2-10为裂片中所使用的裂片Bar的局部照片。图2-10裂片Bar外观LCD切裂中所用的裂片Bar已标准化，其宽度固定为0.1mm，材质为橡胶，使用中应避免使用有机溶剂擦拭裂片Bar，以免裂片Bar材质发生变异，使得裂片时裂片Bar与玻璃间的粘附力加强，影响生产的品质。2.3切割裂片原理切割裂片对于TFT-LCD的制程而言，是很重要的。正如前面介绍的，LCD玻璃的切割工艺就是使用具有一定硬度的刀轮，在一定的压力下，划过玻璃表面，从而在玻璃表面形成一道深切槽，必要时借助裂片工艺，使得在切割时形成的深切槽贯穿整个玻璃的厚度，达到使玻璃分离的目的。2.3.1切割原理正如我们在切割工艺中所了解到的，切割时使用的刀轮材质硬度是大于玻璃硬度的。我们在切割时，对刀轮施加一定的切割压力，使刀轮能在刀座的引导下在玻璃表面划出一道连续的划痕，即切割线（Scribingline）。我们这样做的目的是为了使玻璃表面产生一定的微裂纹，同时使得产生的微裂纹在外加压力的作用下，沿着垂直于玻璃表面的方向扩展。切割时，即使在切割刀轮上施加很大的切割压力，当切割深度为时，mµ10050−刀轮划过玻璃时实际切入玻璃的深度也只有，因此切割刀轮在玻璃表面划过mµ52−时，形成的切割线（Scribingline）可以等效认为是由很多的微裂纹组成，每个微裂纹的长度沿着刀轮切割的方向。如图2-11BreakBar0.1mm希波尔科技TFT-LCD切割工艺7图2-11切割线等效因此由于刀轮在高速旋转状态下对玻璃造成的各种破坏现象也可以用微裂纹理论来解释。图2-12为刀轮在玻璃表面划过时对玻璃造成的状况。图2-12切割时玻璃的实际状况众所周知的，切割时，切割刀轮实际深入到玻璃中的深度也只有，由于mµ52−刀轮对于玻璃的挤压作用，会在刀轮的下方形成深为的破坏区域。根据微mµ105−裂纹理论，这一深度可认为是由于刀轮对玻璃表面造成的破坏形成的微裂纹的端面半径，由于微裂纹的端部是应力集中的地方，因此，由刀轮与玻璃间作用产生的微裂纹就会沿着玻璃的厚度方向扩展，当没有外在的压力存在时，微裂纹也会缓慢扩展。由式（2-1）可知，因切割时切割压力的存在，使得刀轮划过玻璃时产生的微裂纹端部的应力增大，裂纹很快达到理论强度，从而使得微裂纹很快向玻璃厚度方向扩展，形成通常我们所说的Mediancrack。根据葛利菲斯（Griffith）的微裂纹理论，对于材料的微裂纹而言，有一个临界裂纹长度，当裂纹长度大于临界尺寸后，微裂纹扩展力和释放出的弹性应变能愈来愈大，导致微裂纹增殖产生分支，形成更多新表面，并使表面粗糙呈波纹贝壳状，高低不平，以便能吸收更多的弹性应变能，在玻璃表面附近就形成我们所说的Lateralcrack。新形成的表面，在切割完后或裂片制程完后，因为玻璃内部应力的原因，在切割线周围就会以玻璃屑的形式弹出。图2-13为Mediancrack和Lateralcrack的示意图。图2-14为切割刀轮在玻璃表面的实际行走状况切割线希波尔科技TFT-LCD切割工艺8图2-15良好的切割状况下的Mediancrack切割线Lateralcrack图2-13mediancrack和lateralcrack图2-14刀轮在玻璃表面的实际行走状况当刀轮在玻璃表面进行切割时，施加的切割压力是恒定的，由微裂纹理论，对每一个微裂纹而言，施加在其上的外力基本都是一样的，因此，微裂纹端部的应力就应该都一样，由具有同样曲率半径的微裂纹扩展形成的Mediancrack的深度就应该是基本一致的，因此，从玻璃的断面来看，Mediancrack的末端就应该是连续的而且几乎都在同一条水平线上。图2-15表示了良好的切割状况下的Mediancrack的情况。而当刀轮在玻璃表面形成的微裂纹不连续或是微裂纹的曲率半径不一样时，当整个切裂制程完成之后，玻璃断面就会产生一些问题，下图所示的情况就是由于玻璃表面切割线不连续，而造成Mediancrack不佳，从而影响玻璃断面的品质。图2-15Mediancrack不良造成玻璃断面品质不佳因此，我们在切割时要保证切割条件使得形成的切割线均匀连续