LCT激光技術在汽車LCD屏幕切割設備中的實現

作者：韓卓申科VS^{1, 2}，呂鴻圖^2,³，納烏(wu) 莫夫 A S^2,³，維立科夫斯基 IE³，王薇媛³，彭信翰

¹俄羅斯科技大學物理與(yu) 技術學院光學暨生物工程係統與(yu) 技術教研室，莫斯科 107996

E-mail:vsk1950@mail.ru

²國際技術科學院，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驗室，台北11493

E-mail: jasber@nanoplustech.com（呂鴻圖）

lasercutan@163.com（納烏(wu) 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製熱裂解（Laser Controlled Thermal Cracking，以下簡稱LCT）技術與(yu) 其新應用，即以此技術切割帶CF／TFT的有源矩陣液晶顯示器（Liquid Crystal Display，以下簡稱LCD）^{[1, 2]}。

LCD在汽車工業(ye) 中的現代應用以市麵上具有複雜幾何形狀的各式麵板（如圖 1）為(wei) 代表，標準矩形已退居次要地位。此外，玻璃厚度可介於(yu) 0.15～0.5 mm，而最小曲率半徑達2 mm。製造LCD所使用之鋁硼矽酸鹽玻璃，熱膨脹係數約為(wei) 常見矽酸鹽玻璃的三分之一。沿預定曲線對玻璃麵板進行異形切割為(wei) 製造LCD最重要的一道工序，對成品強度以及技術操作參數影響甚大，經其他方法所取得之切割品質可能會(hui) 成為(wei) 製造商實現構想之限製。

圖1　LCD幾何形狀的圖式方案

從(cong) 切割產(chan) 品的角度出發，顯示器即兩(liang) 片膠合玻璃板，帶有形成於(yu) 內(nei) 表麵之CF／TFT有源矩陣，其間則為(wei) 填滿液晶材料的小縫隙^[3]。

目前切割LCD的基本技術為(wei) 硬質合金刀輪劃線、飛秒或皮秒激光切割工藝。前述技術的缺點主要為(wei) 產(chan) 品斷麵抗彎強度較低，導因於(yu) 切割沿線應力形成處之缺陷。根據各方來源，刀輪切割後玻璃平均抗彎強度介於(yu) 90～290 MPa；另有消息指出，飛秒或皮秒激光切割後玻璃邊緣抗彎強度介於(yu) 150～200 MPa，對LCD彎曲允許值、成品可靠性及操作參數有所限製。世人所熟知、用來提高玻璃邊緣拉伸強度極限之方法為(wei) 後續研磨與(yu) 拋光，可確保強度增至400～500 MPa，然該工序並不適合CF／TFT麵板，因會(hui) 使機械加工過程遭致汙染。

除抗彎強度低，此兩(liang) 項技術均需沿切割線另行劈裂。此外，采用前述LCD切割技術在製程中會(hui) 產(chan) 生微粒，並對玻璃表麵造成汙染。飛秒或皮秒激光切割有一項主要缺點，即激光輻射很可能會(hui) 毀損TFT基板上的電路與(yu) 接點，因就1064 nm激光波長而言玻璃相當透明。亦存在加熱區之寬度限製，如有些智能手機製造商限製激光切割LCD時熱影響區（Heat-AffectedZone，即HAZ）寬度不得超過70～100 µm。

鑒於(yu) 上述LCD傳(chuan) 統切割製程對加工複雜幾何形狀之局限，以及采用LCT將整組LCD麵板切割為(wei) 個(ge) 別矩形元件的成功經驗^[4]，由本文可知LCT方法已實現於(yu) 新型現代化設備，並符合現代汽車工業(ye) 最嚴(yan) 苛的要求。

LCT技術是廣為(wei) 人知且備受好評的俄羅斯技術，發明者為(wei) 韓卓申科（Kondratenko V. S.）教授。 LCT方法首批發明和報告可追溯至1970年代末期 ^[5^,^6]，自1992年以來因其俄羅斯專(zhuan) 利^[1]及後續國際專(zhuan) 利^[7]的出現，該方法便躍上國際舞台。LCT普及至世界各地，成功應用於(yu) 工業(ye) 與(yu) 研究相關(guan) 之各領域，切割高科技裝置和其他工業(ye) 領域所使用之各式脆性非金屬材料，例如：玻璃、藍寶石、陶瓷、矽……等^[8-10]。如今，幾乎所有從(cong) 事玻璃加工或製造玻璃激光切割設備之國際公司皆擁有或生產(chan) LCT激光設備。粗估此種設備在全球已有數千台產(chan) 出並使用中。

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

(1) 加熱應位於(yu) 材料表層，激光輻射波長取決(jue) 於(yu) 各種被分割材料之不透明度，從(cong) 而確保激光輻射受表麵薄層吸收；

(2) 最高加熱溫度不應超過材料軟化溫度，即加熱程度不應造成材料加熱區內(nei) 塑性變形。

圖2　晶圓的LCT切割

滿足上述條件時，加熱區內(nei) 所產(chan) 生的彈性壓縮應力σc無法使材料產(chan) 生可控製斷裂，因脆性材料強度極限比抗拉或彎曲強度極限高出數倍。藉由致冷劑對加熱區進行劇烈的局部冷卻，可使切割區內(nei) 形成必要之拉伸應力σt，以控製材料斷裂。產(chan) 生之溫度梯度可確保於(yu) 「加熱－冷卻」局部區域形成分離的微裂紋，並穿透材料內(nei) 部至預定深度，該深度由多項條件決(jue) 定，包含相對位移速度、激光輻射功率密度及材料熱導率。

LCD之生產(chan) 必須進行異形切割，對替代方案有很高的需求，因為(wei) 傳(chuan) 統方法有此前分析過之缺點。納諾公司經由俄中合作成功開發並製造新型激光設備，可依照市場趨勢運用LCT技術。

納諾以適用於(yu) 製造LCD的LCT法為(wei) 基礎，開發第一台LCD異形切割用之激光設備（如圖3）。該設備亦可用於(yu) 其他需切割脆性非金屬材料的工業(ye) 及研究領域。

圖3　納諾公司開發之激光設備

此新技術設備符合以下操作要求：

(1) 符合安全法規

(2) 使用簡易

(3) 自動識別標記，後對齊預定切割線

(4) 可搭配上下料及翻轉LCD輔助設備

(5) 人性化軟件

(6) 可輸入圖紙

(7) 成品抗彎強度極限高

(8) 製程潔淨

(9) 雙層玻璃間電子結構和各種塗膜不受損

(10) 高良率。

采用LCT可確保切割後玻璃邊緣無缺陷（如圖4c），毋須於(yu) 切割後進行額外的邊緣加工，強度極限值可達550 MPa。

（4a）刀輪切割後	（4b）皮秒激光切割後	（4c）LCT切割後
圖4　LCD斷麵照片（玻璃厚度0.15 mm）

應用LCT切穿技術可實現下列結果：

(1) 一刀切穿，不需另行劈裂

(2) 製程潔淨

(3) 雙層玻璃間電子結構和各種塗膜不受損

(4) 切割精度±50 µm

(5) 沿切割線無缺陷（如圖4c）

(6) 玻璃抗彎強度提高。

參考文獻：

［1］［俄］韓卓申科VS. 非金屬材料切割法：俄羅斯聯邦，2024441［P］.1992-04-02.

［2］［俄］液晶顯示器─維基百科［OL］.［2020-02-25］.https://ru.wikipedia.org/wiki/Жидкокристаллический_дисплей.

［3］［英］群創光電. 何謂TFT-LCD［OL］.［2020-02-25］.https://www.innolux.com/Pages/EN/Technology/TFT_LCD_EN.html.

［4］［俄］韓卓申科VS，鮑裏索夫斯基VE，納烏(wu) 莫夫AS，等. 平板顯示器激光控製熱裂解技術之研究［J］. 儀(yi) 表設備，2005，4（58）：35–38.

［5］［俄］韓卓申科VS.平板玻璃切割法：俄羅斯聯邦，776002［P］.1979-02-19.

［6］［俄］韓卓申科VS，別洛烏(wu) 索夫EK，馬丘卡GA，等. 以激光輻射控製之玻璃熱裂解［J］. 電子業(ye) ，1978，9（69）：65–68。

［7］［英］韓卓申科VS. 非金屬材料切割：國際專(zhuan) 利，WO93/20015［P］.1993-10-14.

［8］［俄］韓卓申科VS，米納耶夫VV，納烏(wu) 莫夫AS. 激光控製熱裂解──國際範疇之國內(nei) 技術［J］. 工業(ye) 中的科技，2011，3：20–24.

［9］［俄］韓卓申科VS，庫吉SA. 玻璃及其他脆性材料之激光控製熱裂解法精密切割（綜述）［J］. 玻璃與(yu) 陶瓷，2017，3：5–12.

［10］［英］韓卓申科VS，庫吉SA. 玻璃及其他脆性材料之激光控製熱裂解法精密切割（綜述）［J］. 玻璃與(yu) 陶瓷，2017，74（3–4）：75–81.

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