LCT激光技术在汽车LCD屏幕切割设备中的实现

作者：韓卓申科VS^{1, 2}，吕鸿图^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俄罗斯科技大学物理与技术学院光学暨生物工程系统与技术教研室，莫斯科 107996

E-mail:vsk1950@mail.ru

²国际技术科学院，莫斯科 127051

³英属开曼群岛商纳诺股份有限公司材料激光加工实验室，台北11493

E-mail: jasber@nanoplustech.com（吕鸿图）

lasercutan@163.com（纳乌莫夫A S）

ilya@nanoplustech.com（維立科夫斯基 I E）

wynadya@nanoplustech.com（王薇媛）

本文阐述俄罗斯激光控制热裂解（Laser Controlled Thermal Cracking，以下简称LCT）技术与其新应用，即以此技术切割带CF／TFT的有源矩阵液晶显示器（Liquid Crystal Display，以下简称LCD）^{[1, 2]}。

LCD在汽车工业中的现代应用以市面上具有复杂几何形状的各式面板（如图 1）为代表，标准矩形已退居次要地位。此外，玻璃厚度可介于0.15～0.5 mm，而最小曲率半径达2 mm。制造LCD所使用之铝硼硅酸盐玻璃，热膨胀系数约为常见硅酸盐玻璃的三分之一。沿预定曲线对玻璃面板进行异形切割为制造LCD最重要的一道工序，对成品强度以及技术操作参数影响甚大，经其他方法所取得之切割品质可能会成为制造商实现构想之限制。

图1　LCD几何形状的图式方案

从切割产品的角度出发，显示器即两片胶合玻璃板，带有形成于内表面之CF／TFT有源矩阵，其间则为填满液晶材料的小缝隙^[3]。

目前切割LCD的基本技术为硬质合金刀轮划线、飞秒或皮秒激光切割工艺。前述技术的缺点主要为产品断面抗弯强度较低，导因于切割沿线应力形成处之缺陷。根据各方来源，刀轮切割后玻璃平均抗弯强度介于90～290 MPa；另有消息指出，飞秒或皮秒激光切割后玻璃边缘抗弯强度介于150～200 MPa，对LCD弯曲允许值、成品可靠性及操作参数有所限制。世人所熟知、用来提高玻璃边缘拉伸强度极限之方法为后续研磨与抛光，可确保强度增至400～500 MPa，然该工序并不适合CF／TFT面板，因会使机械加工过程遭致污染。

除抗弯强度低，此两项技术均需沿切割线另行劈裂。此外，采用前述LCD切割技术在制程中会产生微粒，并对玻璃表面造成污染。飞秒或皮秒激光切割有一项主要缺点，即激光辐射很可能会毁损TFT基板上的电路与接点，因就1064 nm激光波长而言玻璃相当透明。亦存在加热区之宽度限制，如有些智能手机制造商限制激光切割LCD时热影响区（Heat-AffectedZone，即HAZ）宽度不得超过70～100 µm。

鉴于上述LCD传统切割制程对加工复杂几何形状之局限，以及采用LCT将整组LCD面板切割为个别矩形元件的成功经验^[4]，由本文可知LCT方法已实现于新型现代化设备，並符合现代汽车工业最严苛的要求。

LCT技术是广为人知且备受好评的俄罗斯技术，发明者为韩卓申科（Kondratenko V. S.）教授。 LCT方法首批发明和报告可追溯至1970年代末期^[5^,^6]，自1992年以来因其俄罗斯专利^[1]及后续国际专利^[7]的出现，该方法便跃上国际舞台。LCT普及至世界各地，成功应用于工业与研究相关之各领域，切割高科技装置和其他工业领域所使用之各式脆性非金属材料，例如：玻璃、蓝宝石、陶瓷、硅……等^[8-10]。如今，几乎所有从事玻璃加工或制造玻璃激光切割设备之国际公司皆拥有或生产LCT激光设备。粗估此种设备在全球已有数千台产出并使用中。

LCT物理模型如图2所示，总结如下。以激光光斑加热晶圆必须满足两项条件：

(1) 加热应位于材料表层，激光辐射波长取决于各种被分割材料之不透明度，从而确保激光辐射受表面薄层吸收；

(2) 最高加热温度不应超过材料软化温度，即加热程度不应造成材料加热区内塑性变形。

图2　晶圆的LCT切割

满足上述条件时，加热区内所产生的弹性压缩应力σc无法使材料产生可控制断裂，因脆性材料强度极限比抗拉或弯曲强度极限高出数倍。藉由致冷剂对加热区进行剧烈的局部冷却，可使切割区内形成必要之拉伸应力σt，以控制材料断裂。产生之温度梯度可确保于「加热－冷却」局部区域形成分离的微裂纹，并穿透材料内部至预定深度，该深度由多项条件决定，包含相对位移速度、激光辐射功率密度及材料热导率。

LCD之生产必须进行异形切割，对替代方案有很高的需求，因为传统方法有此前分析过之缺点。纳诺公司经由俄中合作成功开发并制造新型激光设备，可依照市场趋势运用LCT技术。

纳诺以适用于制造LCD的LCT法为基础，开发第一台LCD异形切割用之激光设备（如图3）。该设备亦可用于其他需切割脆性非金属材料的工业及研究领域。

图3　纳诺公司开发之激光设备

此新技术设备符合以下操作要求：

(1) 符合安全法规

(2) 使用简易

(3) 自动识别标记，后对齐预定切割线

(4) 可搭配上下料及翻转LCD辅助设备

(5) 人性化软件

(6) 可输入图纸

(7) 成品抗弯强度极限高

(8) 制程洁净

(9) 双层玻璃间电子结构和各种涂膜不受损

(10) 高良率。

采用LCT可确保切割后玻璃边缘无缺陷（如图4c），毋须于切割后进行额外的边缘加工，强度极限值可达550 MPa。

（4a）刀轮切割后	（4b）皮秒激光切割后	（4c）LCT切割后
图4　LCD断面照片（玻璃厚度0.15 mm）

应用LCT切穿技术可实现下列结果：

(1) 一刀切穿，不需另行劈裂

(2) 制程洁净

(3) 双层玻璃间电子结构和各种涂膜不受损

(4) 切割精度±50 µm

(5) 沿切割线无缺陷（如图4c）

(6) 玻璃抗弯强度提高。

参考文献：

［1］［俄］韩卓申科VS. 非金属材料切割法：俄罗斯联邦，2024441［P］.1992-04-02.

［2］［俄］液晶显示器─维基百科［OL］.［2020-02-25］.http://ru.wikipedia.org/wiki/Жидкокристаллический_дисплей.

［3］［英］群创光电. 何谓TFT-LCD［OL］.［2020-02-25］.http://www.innolux.com/Pages/EN/Technology/TFT_LCD_EN.html.

［4］［俄］韩卓申科VS，鲍里索夫斯基VE，纳乌莫夫AS，等. 平板显示器激光控制热裂解技术之研究［J］. 仪表设备，2005，4（58）：35–38.

［5］［俄］韩卓申科VS.平板玻璃切割法：俄罗斯联邦，776002［P］.1979-02-19.

［6］［俄］韩卓申科VS，别洛乌索夫EK，马丘卡GA，等. 以激光辐射控制之玻璃热裂解［J］. 电子业，1978，9（69）：65–68。

［7］［英］韩卓申科VS. 非金属材料切割：国际专利，WO93/20015［P］.1993-10-14.

［8］［俄］韩卓申科VS，米纳耶夫VV，纳乌莫夫AS. 激光控制热裂解──国际范畴之国内技术［J］. 工业中的科技，2011，3：20–24.

［9］［俄］韩卓申科VS，库吉SA. 玻璃及其他脆性材料之激光控制热裂解法精密切割（综述）［J］. 玻璃与陶瓷，2017，3：5–12.

［10］［英］韩卓申科VS，库吉SA. 玻璃及其他脆性材料之激光控制热裂解法精密切割（综述）［J］. 玻璃与陶瓷，2017，74（3–4）：75–81.

鸣谢与祝寿

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Ваши родные и близкие, Ваши ученики, друзья, коллеги, партнёры и редакция LaserFair.