切割裂片基础工艺及技术

1、TFTBG玻璃切割技術研討會報告 切割裂片基礎工藝及技術研究,Content,切割裂片原理介紹 斷裂機理 切割原理 裂片原理 切割裂片基礎工藝研究 切割條件的選擇 裂片條件的選擇 切割刀輪的選定及使用壽命的評估 刀輪的選擇 切割刀輪使用壽命的評估 鐳射切割技術 鐳射切割原理 鐳射發展現況,Content,切割裂片原理介紹 斷裂機理 切割原理 裂片原理 切割裂片基礎工藝研究 切割條件的選擇 裂片條件的選擇 切割刀輪的選定及使用壽命的評估 刀輪的選擇 切割刀輪使用壽命的評估 鐳射切割技術 鐳射切割原理 鐳射發展現況,斷裂機理微裂紋理論,Griffith微裂紋理論 发生脆性變形的材料,在拉出後會自動

2、形成一些微裂紋，而這些微裂紋的端部正是應力集中的地方,其邻近所贮藏的應变能逐步變成斷裂表面能而使微裂紋進一步扩展,造成材料強度的降低,更進一步的會導致材料的斷裂. 材料的斷裂分为两个過程,一是微裂紋的產生;二是裂紋的擴展.,斷裂過程,切割方式,对于玻璃的微裂紋的产生,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.,目前切割製程對玻璃斷裂的實現方式,斷裂機理微裂紋理論,Inglis微裂紋端部應力集中理論 不论裂紋是圓、椭圓或其他形状,其端部的應力是有裂纹的長度（ ）和端部曲率半径（ ）决定的,得出关系式如下: 当外力

3、较小时,裂紋很快达到理论强度,就使裂紋擴展,使 增长，響應系数又增大,如此恶性循环,導致材料斷裂.,上式中 是裂紋尖端处的最大應力, 是外施的應力. 称为應力集中系数, 它的大小表明外力施於材料时,裂紋尖端應力增加的倍数,由 和 决定.,切割原理,在切割时,对刀輪施加一定的切割壓力,使刀輪能在刀座的引導下在玻璃表面劃出一道连续的劃痕,即切割線（Scribing line） 目的是为了使玻璃表面產生一定的微裂紋，同時使得產生的微裂紋在外加壓力的作用下，沿着垂直於玻璃表面的方向擴展 切割線（Scribing line）可以等效认为是由很多的微裂紋组成,每个微裂紋的長度沿着刀輪切割的方向 由於刀輪在

4、高速旋轉狀態下对玻璃造成的各種破坏現象可以用微裂紋理论来解释.,切割线,切割线等效圖,切割原理,玻璃在切割時,會產生Median Crack和Lateral Crack Median crack:分斷的必須條件,因為玻璃厚度,製造過程影響,產生的Median crack也不一樣 Lateral crack:分斷中最不需要產生的,卻是無法避免,因作用力與反作用力,所以必然會產生,切割應使其減小到最低,切割时玻璃的实际状况,median crack 和lateral crack,不同的刀輪在切割時產生Median Crack和Lateral Crack的狀況,切割原理Median crack的產生

5、,Median crack的產生 刀輪切入玻璃深度25um,在玻璃表面產生許多微裂紋; 刀輪对與玻璃有擠壓作用,會在刀輪的下方形成深为510um的破坏区域; 由於微裂紋的端部是應力集中的地方,刀輪与玻璃间作用產生的微裂紋就会沿着玻璃的厚度方向擴展; 由於切割壓力的存在，使微裂紋端部的應力增大，裂紋很快達到理论强度，向玻璃的厚度方向擴展,產生肋紋(Rib Mark)狀Median crack.,Median crack的產生示意圖,切割原理Lateral crack的產生,Lateral crack的產生 当微裂紋長度大於臨界尺寸後,微裂紋擴展力和释放出的弹性應變能愈来愈大; 微裂紋增殖產生分支

6、,形成更多新表面,並使表面粗糙呈波紋贝壳狀，高低不平; 为了能夠吸收更多的弹性應變能,在玻璃表面附近就形成Lateral crack.,Lateral crack的產生示意圖,新形成的表面,在切割完后或裂片製程完后,因为玻璃内部應力的原因，在切割線 周围就会以玻璃屑的形式弹出.,裂片原理,通過在玻璃基板的切割線背面施加一定的壓力,使得在切割後在玻璃厚度方向上形成的Median crack擴展到玻璃底部,達到使玻璃分离的目的. 由Griffith的微裂紋理論可知,玻璃基板在斷裂时,在切割时形成的Median crack下方就会形成一个光滑的镜面区; 若切割和裂片的條件合适,玻璃基板裂开后就会形成

7、一个近似垂直于玻璃表面的光滑的斷面. 当裂片时施加的裂片壓力没有完全施加在玻璃的切割線背面时,就会发生裂片歪斜的狀況,影响LCD的品質,严重时还会造成相鄰的cell产生報廢.,裂片及玻璃斷裂示意圖,Scribe line,Break bar,Twist hackle,兩種情況: 1.Breaking bar的安裝於裂片stage不平行? 2.Breaking bar與score crack不重合?,Content,切割裂片原理介紹 斷裂機理 切割原理 裂片原理 切割裂片基礎工藝研究 切割條件的選擇 裂片條件的選擇 切割刀輪的選定及使用壽命的評估 刀輪的選擇 切割刀輪使用壽命的評估 鐳射切割技術

8、 鐳射切割原理 鐳射發展現況,切割裂片工藝,切割/裂片的目的 將已加工好的大尺寸的基板分离成为我们所需要的尺寸,以进行后段的液晶灌注等製程.,66pcs 2.2” 單個panel,切割/裂片的流程 目前的切割/裂片流程大致分為四種,具體流程的選擇主要依據使用刀輪的種類,玻璃的厚度,產品的品質要求而確定.,劃线法是用定壓,定深之刀輪(具有一定宽度且硬度大于玻璃硬度) ,施以玻璃定量之應力以造成穩定之垂直裂痕(Median crack ).,切割工藝,劃線法切割示意圖,劃線法切割斷面,劃线法切割方式 Out-Out (outside) cutting method (ECP : Edge-Crus

9、h Process),優點:1.入刀時矯正刀輪的滑行方向; 2.下刀時會減小刀軸在垂直方向受到的衝擊力; 缺點:刀輪接觸到玻璃邊緣時,會增加玻璃屑的產生; 改善方法:減小下刀壓力或設為0,從而減小刀輪對玻璃邊緣的壓力; 適用範圍:適用鑽石和碳化鎢等normal刀輪的切割.,劃线法是用定壓,定深之刀輪(具有一定宽度且硬度大于玻璃硬度) ,施以玻璃定量之應力以造成穩定之垂直裂痕(Median crack ).,切割工藝,劃線法切割示意圖,劃線法切割斷面,優點:1. 避免刀輪與玻璃邊緣撞擊產生的玻璃屑;2.邊緣dummy較長,有利於產能提升; 缺點: 1.小片二次切割剛入刀時容易出現偏移,產生凸緣;

10、 2.刀軸在垂直方向受到較大衝擊力,磨損較快; 改善方法:1.增加刀輪的下刀壓力,減小切割偏移的距離;2.定義每班開班點檢刀軸; 適用範圍: 1.適用penett刀輪切割; 2.中片layout混版設計和stick切割時適用.,劃线法切割方式 IN-IN (inside) cutting method (SDP : Set-Down Process),切割工藝參數,切割製程中,刀輪在玻璃上形成的破壞主要为Median crack和Lateral crack. 當切割完后,在玻璃厚度方向上形成的垂直裂縫(Median crack)足够大(Maximum); 在玻璃表面產生的Lateral cra

11、ck足够少(Minimize); 為不使TFT玻璃在切割完成之後在較短的時間内发生斷裂, 傳統刀輪切割:一般选择合適的切割深度为玻璃厚度的1/10 1/6; Penett刀輪切割:一般选择合適的切割深度为玻璃厚度的80% 100%. 影響切割的幾個主要因素:刀輪的種類、下壓量、切割壓力和切割速度. 由於在切割中,對於切割品质我们在意的是Median crack和Lateral crack的狀況; 以下就將以實驗的方法討論以上幾個因素对Median crack和Lateral crack的影響.,切割刀輪對Median crack的影響,將切割速度、切割壓力、刀輪下壓量進行確定,使用1250/

12、1150两种刀輪切割同一種玻璃Corning EAGLE2000,並使用顯微鏡对兩種不同刀輪的切割深度進行量測,紀錄實驗數據。,切割深度與切割刀輪角度的關係,結論:在同樣的切割條件下,使用角度小的刀輪,其在玻璃表面形成的微裂紋端部的 應力就較大,其形成的微裂紋擴展而成的垂直裂缝的深度(Median crack)就較深.,刀輪下壓量對Median crack的影響,將切割速度、切割壓力和使用的切割刀輪等條件确定,改變刀輪不同的下壓量,並使用顯微鏡量測設定的不同下壓量下的切割深度,切割深度與刀輪下壓量的關係,結論:當切割壓力一定的時候,随着刀輪下壓量的增加,刀輪的切割深度也會增加. 因此,切割時,

13、我们應選擇較大的下壓量,以獲得較深的切割深度。,切割壓力對Median crack的影響,將切割速度、刀輪下壓量和使用的切割刀輪等條件确定,改變不同的切割壓力,並量測不同切割壓力下的切割深度,切割深度與切割壓力的關係,結論:對於固定的下壓量,增大切割壓力時,切割深度也會随着增大. 另外,選擇切割壓力時,还需要考虑Lateral crack的產生情況.,切割速度對Median crack的影響,在切割壓力和刀輪下壓量一定的條件下,將切割速度由50mm/sec改變到300mm/sec,並用顯微鏡量測切割深度。,切割深度與切割速度的關係,結論:切割時,切割速度對於切割深度的影響不大. 實際生產中为了

14、保證效率,一般將切割速度設为200mm/sec300mm/sec之間.,切割刀輪對Lateral crack的影響,選用1250/1150兩種不同角度的刀輪,在同样的切割條件下对Corning EAGLE2000玻璃進行切割,觀察不同刀輪在玻璃表面產生Lateral crack的長度占總的切割線長度的比率.,Lateral crack出現幾率與刀輪角度的關係,結論:在同樣的切割條件下,角度小的切割刀輪更容易產生Lateral crack.,刀輪下壓量對Lateral crack的影響,选取1150的鑽石刀輪,將切割速度和切割壓力確定, 同樣对Corning EAGLE2000玻璃进行切割,改變

15、切割刀輪的下壓量,觀察下壓量的變化对Lateral crack的產生有無影響,結論:改變切割的下壓量對Lateral crack出現的幾率没有影响,增大下壓量并不会 使Lateral crack惡化，而减少下壓量也不會明顯改善Lateral crack出現的狀況.,Lateral crack出現幾率與切割下壓量的關係,切割壓力對Lateral crack的影響,從切割刀轮角度對於Lateral crack出現幾率的影響,可以明顯看出,對於確定的刀輪,使Lateral crack的出現存在着一個臨界壓力值. 從下圖中看出,對於1150的刀輪,其產生Lateral crack的臨界壓力值为0.18

16、MPa。,經過實驗證明,對於不同角度的刀輪,其出現Lateral crack的臨界壓力值分别如下表所示:,不同角度刀輪出現Lateral crack的臨界壓力值,結論:切割壓力是影響Lateral crack的主要因素.,切割速度對Lateral crack的影響,將刀輪下壓量和切割壓力確定,使用1150刀輪進行切割,將切割速度由50mm/sec改變到300mm/sec,觀察切割速度的變化对Lateral crack的產生有無影響,Lateral crack出現幾率與切割速度的關係,結論:切割時,切割速度對於Lateral crack的影響不大. 實際生產中为了保證效率,一般將切割速度設为20

17、0mm/sec300mm/sec之間.,切割條件的選擇,綜合考慮不同的參數对Median crack和Lateral crack的影響關係,才能獲得合適的工藝條件。,切割各参数对Median crack和Lateral crack的影响,为了獲得足夠的切割深度,理論上刀輪的下壓量越大越好; 實際生產中,只要保證刀輪能切入玻璃,並在合適的切割壓力下,形成的切割線連續, 並且可以避免產生斷片現象; 一般选择合適的切割深度为玻璃厚度的1/10 1/6.,實際生產中切割參數的參考值,裂片條件的選擇,使設定的裂片壓力大於材料的斷裂強度,就能達到使玻璃分离的目的. 裂片壓力和裂片Bar的下壓量都會影響到裂

18、片的效果; TFT基板直接受到裂片Bar的衝擊，若壓力不當，就會造成电极邊被裂片Bar打掉，造成報廢。 根據切割裂片實際的生產經驗,我们確定不同厚度的玻璃,其裂片條件如下:,Remark: 裂片Bar的下壓量是指理論上裂片Bar从位移原點開始能下降的最大距離, 在一定程度上會影響到裂片Bar對玻璃的擠壓作用。 裂片Bar停留時間是指当裂片Bar和玻璃接觸後，對玻璃產生擠壓作用的時間; 對裂片Bar停留時間與裂片效果閒的關係並不很清楚，再實際的生產中都設定為0.3s.,Content,切割裂片原理介紹 斷裂機理 切割原理 裂片原理 切割裂片基礎工藝研究 切割條件的選擇 裂片條件的選擇 切割刀輪的

19、選定及使用壽命的評估 刀輪的選擇 切割刀輪使用壽命的評估 鐳射切割技術 鐳射切割原理 鐳射發展現況,刀輪的選擇,切割刀輪概況 整個切割工藝中,最為重要的是直接與玻璃表面接觸的切割刀輪(Scribing wheel).在切割的經驗積累中,使用的切割刀輪也得到了不斷的改進. 刀輪的外觀及物理參數 由切割的方法可知,刀輪的材料硬度應大於玻璃硬度,因此製作刀輪的材料有超硬合金,Coating diamond和Diamond 各種刀輪材料的硬度比較如下： Diamond Coating diamond 超硬合金,切割刀轮示意图,左圖表示了目前LCD產業切割用的刀輪的外形及參數標識。其中： OD:刀輪的外

20、徑 ID:刀輪的內徑,也即刀輪安裝的承載物刀軸的外徑 Thickness:刀輪的厚度 ：刀輪的角度,刀輪的分類:真圓刀(normal刀輪), 鋸齒刀(penett/mico penett/APIO),刀輪的選擇,Area contact With glass,Median Crack,Median Crack,根據鋸齒刀齒的形狀又可以把鋸齒刀分為:“U”形凹槽(penett, micro penett)和 “V”形凹槽(APIO刀輪) 刀輪的壽命與成本,刀輪的選擇,剖面波浪起伏,剖面平整 且有週期節點,刀輪SEM與EDX分析,刀輪的選擇,SHINHAN刀輪在設計上仿照Micro Penett

21、經由EDX分析得知APIO刀輪多出鋁元素,適合切割STN材質較軟的玻璃。,各種刀輪切割強度對比(資料來源:Corning) 真圓刀與penett刀輪(實驗面板:corning E2k,T=0.63mm單板panel),刀輪的選擇,Penett刀輪切割強度分布均勻,齒數越多強度越大 鑽石刀輪切割強度分布不均勻,容易出現超低與超高的點,不同的刀輪加工方式對強度影響比較大,刀輪角度的選擇,刀輪的選擇,Summary: 齒數越少切割深度越深,可切割面板的厚度越大,所選用的刀輪角度就應大一些; 一般micro penett用來切割單板T=0.4mm以下的面板. BEOL依據實際生產狀況，0.4T面板使用

22、1050X360齒刀輪,與廠商建議有點差異.,切割刀輪使用壽命的評估(for SEC),Final Grade S: Strongly A: Recommended B: Average C: Required to improve F: Prohibited,隨著刀輪的磨耗,bending 10% failure load有下降趨勢； 刀輪長度達到4000m時，final grade未達到客戶Samsung的要求。,SS spec: final grade=A,Scribe quality monitor by scribing length,The relation between lat

23、eral crack and scribing distance,Scribing Pressure(00/900): 0.75/0.75Kgf/cm2 Scribing Set depth: 0.12mm Scribing Speed(00/900): 150/250mm/s,Scribing Pressure(00/900): 0.80/0.80Kgf/cm2 Scribing Set depth: 0.12mm Scribing Speed(00/900): 150/250mm/s,Scribing Pressure(00/900): 0.85/0.85Kgf/cm2 Scribing

24、Set depth: 0.12mm Scribing Speed(00/900): 150/250mm/s,切割刀輪使用壽命的評估(for SEC),實際生產過程中發現，隨著刀輪的磨耗,若保證產品直接完全切開，切割壓力需要調整； 刀輪的磨耗以及切割壓力的增大，surface crack有逐漸惡化的趨勢。,1.77” Scribing quality monitor for 1st 30K Sampling 40pcs per 1000m Criteria: bending grade=A , lateral crack 10 um,切割刀輪使用壽命的評估(for SEC),1.77” Scri

25、bing quality monitor for 1st 30K Sampling 40pcs per 1000m,切割刀輪使用壽命的評估(for SEC),依據SEC的bending criteria,當刀輪長度達到4000m時，切割品質已經不能滿足客戶要求，為保證產品品質，取刀輪的切割壽命為3000m(廠商建議為5000m).,隨著刀輪的磨耗,bending shape值及strength值均有減小; 刀輪實際切割長度=6000m時,玻璃failure load的均勻性變差,不能滿足Nokia的要求; 廠商建議此種刀輪的life time為5000m,與實際驗證結果較吻合.,Scribe

26、quality monitor by scribing length,切割刀輪使用壽命的評估(for Nokia),The relation between lateral crack and scribing distance,Scribing Pressure(00/900): 0.75/0.75Kgf/cm2 Scribing Set depth: 0.12mm Scribing Speed(00/900): 150/250mm/s,Scribing Pressure(00/900): 0.80/0.80Kgf/cm2 Scribing Set depth: 0.12mm Scribing Speed(00/900): 150/250mm/s,Scribing Pressure(00/900): 0.85/0.85Kgf/cm2 Scribing Set depth: 0.12mm Scribing Speed(00/900): 150/250mm/s,切割刀輪使用壽命的評估(for SEC),BEOL現有刀輪切割狀況