TFT-LCD行業(yè)激光打碼后面板強(qiáng)度改善

伍飛高 王海榮 劉富青 胡亮亮 劉明輝 王忠山 張孝天

【摘要】? ? 目的：TFT-LCD行業(yè)因Array曝光設(shè)備產(chǎn)能制約，需要用到Q Panel激光打碼。玻璃經(jīng)過激光打碼后，玻璃強(qiáng)度降低。為了提高玻璃強(qiáng)度，需要對(duì)激光打碼工藝進(jìn)行改善。方法：通過數(shù)據(jù)收集與DOE實(shí)驗(yàn)分析方法，找到了強(qiáng)度影響因子。通過改良工藝流程，實(shí)現(xiàn)激光打碼后Panel強(qiáng)度提升;基于激光打碼后強(qiáng)度提升的驗(yàn)證，有效解決了液晶玻璃在打碼后的強(qiáng)度衰減問題。結(jié)果：結(jié)果顯示，激光在低頻率下，對(duì)玻璃損傷較小，通過實(shí)驗(yàn)與驗(yàn)證，脈沖頻率為300KHz以下效果較好;通過微調(diào)激光打碼速度，能有效提升玻璃強(qiáng)度，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，打碼速度設(shè)置500mm/s效果較好。結(jié)論：激光通過瞬時(shí)與Panel表面膜層發(fā)生一系列物理及化學(xué)反應(yīng)，瞬間釋放的能量能破壞玻璃的結(jié)構(gòu)，需要降低作用于玻璃上的能量，以有效保護(hù)液晶玻璃，從而降低玻璃損傷。

【關(guān)鍵詞】? ? TFT-LCD? ? 液晶玻璃? ? 激光? ? 打碼工藝? ? 強(qiáng)度改善

引言

目前，TFT-LCD液晶顯示各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)取得了重大突破，液晶顯示技術(shù)正在快速發(fā)展迭代[1]。二維碼作為一種占用面積小，方便追溯及易于讀取的方式，廣泛應(yīng)用于各行業(yè)中。在TFT LCD行業(yè)，在Panel上也采用了二維碼的形式進(jìn)行Panel ID識(shí)別。

TFT LCD行業(yè)使用的二維碼一般是一個(gè)正方形平面圖形，在Panel上進(jìn)深大約幾微米，加上二維碼圖形要設(shè)置在玻璃表面，這就要求二維碼制作工藝水平要非常高。

目前液晶屏產(chǎn)能巨大，可以用曝光方式制作二維碼的工藝設(shè)備非常昂貴，為了節(jié)約成本，并且使產(chǎn)能最大化，目前Array工序只在Glass上刻蝕少量Panel上的二維碼，而Glass上剩下的絕大多數(shù)二維碼需要后段加工補(bǔ)充完整。

激光技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)景廣闊，發(fā)展越來越快，各國在加速研發(fā)新的激光器，導(dǎo)致激光打碼機(jī)價(jià)格下探，并且性能不斷提升。各大廠家爭相推出激光打碼機(jī)，這種設(shè)備的價(jià)格遠(yuǎn)低于Array刻蝕設(shè)備，加上節(jié)拍速度快，成為一種應(yīng)用較普遍的打碼設(shè)備。一般會(huì)將設(shè)備布局在Glass切割成Q Panel之后，用于Q Panel打碼。

相比于Array刻蝕設(shè)備，激光打碼由于是使用激光瞬時(shí)高溫高能來去除TFT Mask圖層。在激光的沖擊下，除了TFT 表面的Mask圖層遭到破壞外，玻璃內(nèi)部結(jié)構(gòu)也會(huì)受損。根據(jù)破片理論分析，玻璃強(qiáng)度下降有兩個(gè)因素：Origin點(diǎn)和stress。通過儀器觀察可知，玻璃的內(nèi)部已經(jīng)出現(xiàn)微裂紋，形成了導(dǎo)致強(qiáng)度下降的Origin點(diǎn)。Origin點(diǎn)在受到外力的作用時(shí)就會(huì)發(fā)生破片。

玻璃強(qiáng)度是評(píng)價(jià)加工狀態(tài)的重要標(biāo)準(zhǔn)[2]。為了改善打碼后的Panel強(qiáng)度，我們通過改變打碼機(jī)的參數(shù)，修改TFT Mask圖層。通過實(shí)驗(yàn)室定點(diǎn)檢測(cè)二維碼位置的強(qiáng)度變化，得出強(qiáng)度變化的影響因子，通過改善工藝條件，可以很好的控制并降低激光打碼對(duì)玻璃造成的損傷，具有較大的參考和應(yīng)用價(jià)值。

一、激光及打碼原理

半導(dǎo)體激光器是一種電-光轉(zhuǎn)換器件，通過電子與空穴復(fù)合時(shí)產(chǎn)生受激輻射效果，從而輸出激光[3]。激光在焦點(diǎn)處有明顯的聚熱效應(yīng)，在高能的作用下，附近的粒子會(huì)被迅速打碎[4]。激光具有很強(qiáng)的穿透性，能夠使金屬表面快速達(dá)到熔點(diǎn)，進(jìn)而金屬狀態(tài)發(fā)生變化[5]。在TFT LCD行業(yè)中，Array刻蝕工藝制作出來的金屬層非常薄，利用激光的這一性質(zhì)，可以通過激光打點(diǎn)的方式刻畫出二維碼圖形。通過觀察玻璃基板表面圖層的3D成像可知，激光spot的熱效應(yīng)從中心往外衰減。通過VCR或其他光學(xué)儀器聚焦，可以觀測(cè)到完整的二維碼圖形。實(shí)驗(yàn)所使用的激光spot設(shè)置為30um，在不同的激光能量下，spot的 直徑不同，如實(shí)際打碼的效果沒有到30um，可能導(dǎo)致因沒有完整形成二維碼而讀取失敗。

實(shí)驗(yàn)所使用的激光器為Nd： YV04 Laser。打碼后二維碼讀取效果的參數(shù)較多，主要參數(shù)有三個(gè)：激光發(fā)射頻率、打碼速度及開關(guān)延遲。

激光信號(hào)發(fā)射頻率是激光器的重要功能參數(shù)，即為脈沖頻率。實(shí)際生產(chǎn)過程中，通常可以設(shè)定的范圍為10KHz～600KHz，如圖1所示。不同頻率的脈沖達(dá)到受體表面后產(chǎn)生的能量不同。設(shè)定好頻率后，可以設(shè)定該頻率下激光能量ON時(shí)間占比（0～100%），以下一律簡稱為占空比。

在激光打碼工藝中，隨著打碼速度的變化，打碼的軌跡粗糙程度也會(huì)有不同，通過微觀矢量示意圖可以知道：速度越慢，打碼效果越精細(xì);速度越快，打碼效果越粗糙。如圖2所示。

打碼開關(guān)延遲也會(huì)影響打碼的效果。通過設(shè)置不同的開關(guān)延遲時(shí)間，可以控制起點(diǎn)或者終點(diǎn)打碼能量過度聚集的問題。

通過加大起點(diǎn)激光開關(guān)時(shí)間，有利于控制能量聚集。通過縮短終點(diǎn)激光開關(guān)時(shí)間，有利于控制能量聚集。

調(diào)整好激光參數(shù)后，即可在Recipe里設(shè)定需要ID打碼的類型：二維碼、字母數(shù)字、二維碼與字母數(shù)字組合。利用激光聚能效應(yīng)將Panel表面的ID區(qū)域的金屬層及有機(jī)層去除即可形成相應(yīng)的ID。

二、強(qiáng)度測(cè)試

2.1 強(qiáng)度測(cè)試介紹

根據(jù)破片理論，玻璃破片的觸發(fā)要素為origin點(diǎn)和stress。為檢測(cè)Panel強(qiáng)度，通常采用Bending test、BOR test及Push test等強(qiáng)度測(cè)試方法。為檢測(cè)激光打碼后的強(qiáng)度，常用的方法是采用Push test定點(diǎn)測(cè)量Panel破損時(shí)承受的力的大小。所使用的測(cè)試儀器為Bending Tester（廠家為Instron），使用一根直徑6mm的橡膠棒對(duì)打碼區(qū)域進(jìn)行施壓，實(shí)驗(yàn)速度10mm/min，直至此區(qū)域破裂，記錄破裂時(shí)的壓力。玻璃內(nèi)部的微裂紋的存在，將使得玻璃在受到外力時(shí)，在這一點(diǎn)最先破裂[6]。

因激光打碼會(huì)降低玻璃強(qiáng)度，玻璃破裂時(shí)，破裂origin點(diǎn)將是測(cè)試區(qū)域內(nèi)強(qiáng)度最低的點(diǎn)，因此可以將此測(cè)試方法作為評(píng)判Panel強(qiáng)度的依據(jù)。實(shí)際測(cè)試時(shí)破裂點(diǎn)均為二維碼區(qū)域，驗(yàn)證了可以以此試驗(yàn)方法作為參考方法。為了對(duì)比打碼后強(qiáng)度的衰減程度，將Array刻蝕屏的強(qiáng)度作為對(duì)比。測(cè)試曲線如圖3所示。

2.2 驗(yàn)證最佳工藝條件

為驗(yàn)證不同條件下玻璃強(qiáng)度變化情況，設(shè)置不同脈沖頻率、打碼速度及開關(guān)延遲條件進(jìn)行測(cè)試。

在不同的頻率下，玻璃強(qiáng)度表現(xiàn)不同。目前，通過不同的濾光片設(shè)計(jì)方法，可以得到532nm、850nm及1064nm等波長的濾光片[7]。我們所使用的激光器激光波長為532nm。本實(shí)驗(yàn)中，固定打碼速度500mm/s，無開關(guān)延遲條件。當(dāng)脈沖頻率設(shè)置為500KHz時(shí)，強(qiáng)度中位線為7.4N，而對(duì)比組Array刻蝕打碼的強(qiáng)度中位線為14.5N。在此頻率下，強(qiáng)度下降幅度接近50%。隨著脈沖頻率的降低，強(qiáng)度有不同程度的上升。如圖4所示。

在固定脈沖頻率的情況下，我們測(cè)試了不同的占空比下激光輸出能量值。實(shí)測(cè)情況如下圖5所示：

通過上圖可知，隨著占空比的增加，打碼能量隨之增加，VCR能讀取的實(shí)測(cè)能量>0.7w，因此過低的占空比無法適用于生產(chǎn)。在不同的脈沖頻率條件下，可以找出對(duì)應(yīng)的最低占空比，在此條件下，激光對(duì)玻璃的損傷最低。設(shè)置頻率為400KHz，占空比在45%時(shí)捕捉到打碼區(qū)域上有微裂紋，當(dāng)加大占空比到80%時(shí)卻沒有微裂紋，說明增加頻率對(duì)玻璃強(qiáng)度影響較大。

為驗(yàn)證打碼速度（激光光斑移動(dòng)的速度）對(duì)強(qiáng)度的影響，設(shè)置不同的打碼速度進(jìn)行驗(yàn)證。測(cè)試結(jié)果如下表1所示。

頻率變化會(huì)影響到表面改性質(zhì)量和性能[8]。目前有很多關(guān)于激光工藝參數(shù)對(duì)表面改性質(zhì)量的報(bào)到，但對(duì)基底玻璃強(qiáng)度的影響很少有人研究。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：在低頻率下，打碼速度越慢，玻璃強(qiáng)度越高。在頻率增加到200KHz后，打碼速度將不再對(duì)玻璃強(qiáng)度起決定性作用。

開關(guān)延遲對(duì)激光能量的起點(diǎn)和終點(diǎn)能量聚集起著重要的作用，為驗(yàn)證能量聚集對(duì)玻璃強(qiáng)度的影響，固化打碼速度100mm/s，調(diào)整開關(guān)延遲參數(shù)并測(cè)定玻璃強(qiáng)度，結(jié)果如下表2所示：

通過測(cè)試開關(guān)延遲參數(shù)，可知玻璃強(qiáng)度沒有明顯變化，在實(shí)際生產(chǎn)中可以根據(jù)VCR讀取需要進(jìn)行微調(diào)。

三、基板強(qiáng)度探究

3.1 打碼圖層介紹

液晶屏打碼的圖層設(shè)置在TFT基板上，通過在Array工藝形成的Gate層上打碼，可以獲得VCR容易識(shí)別的二維碼。在ODF工序經(jīng)過対盒，CF與TFT通過Seal膠粘在一起[9]。打碼時(shí)TFT與CF處于對(duì)盒狀態(tài)，打碼區(qū)域尺寸為：1.9mm*10mm。此區(qū)域的圖層從CF Glass到TFT Glass側(cè)如下圖6所示。

打碼工序結(jié)束后，TFT與CF對(duì)盒的玻璃被切割成Single Panel。因打碼區(qū)域位于TFT基板端子上方，VCR在讀取二維碼時(shí)不涉及CF Glass及其上方的圖層，TFT膜層對(duì)于二維碼識(shí)別至關(guān)重要。通常情況下，VCR設(shè)備位于CF Glass上方。Gate層含有金屬Cu成分，當(dāng)Gate層沒有被激光打穿時(shí)，VCR對(duì)于二維碼的識(shí)別率較低。

3.2 強(qiáng)度下降的原因

隨著激光能量的增加，膜層被破壞的程度不斷加大，在顯微鏡50X鏡頭觀察，可以看到在高激光能量下，激光spot區(qū)域內(nèi)，TFT基板上的膜層全部脫落。如圖7所示。

膜層在激光的沖擊下，迅速往旁邊發(fā)散，當(dāng)激光能量足夠大時(shí)，spot中心區(qū)域幾乎不可見膜層殘留。如圖8所示。

研究中采用的玻璃為康寧Eagle玻璃。通過SEM切片可以看到Push Test強(qiáng)度較差的玻璃有微裂紋發(fā)生。裂紋沿著打碼的方向從上往下延伸，在做強(qiáng)度測(cè)試時(shí)，此處形成了一個(gè)Origin點(diǎn)。玻璃上有微裂紋是導(dǎo)致玻璃強(qiáng)度下降的直接原因。如圖9所示。

3.3 SD層用于打碼驗(yàn)證

激光照射不同金屬會(huì)有不同的表現(xiàn)， Cu熔點(diǎn)比Al高，可以通過合金工藝降低含Cu合金的熔點(diǎn)，選擇合適的工藝可以將含Cu合金的熔點(diǎn)降至金屬Al的熔點(diǎn)以下[10]。Gate層中主要金屬成分為Cu，SD層中主要金屬成分為Al。通過改變Array刻蝕工藝，打碼區(qū)域去除Gate層，留下SD層，激光便會(huì)作用于Al金屬上。變更Array工藝后，打碼區(qū)域的圖層從CF Glass到TFT Glass側(cè)如下圖10所示。

通過修改激光脈沖頻率和占空比參數(shù)，根據(jù)VCR讀取情況，選取VCR能讀取的最低能量參數(shù)。得出如下Push Test強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果，結(jié)果顯示：10KHz和30KHz條件下強(qiáng)度衰減較小。強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果如圖11所示。

四、金屬層厚度變化的影響

實(shí)際測(cè)定激光能量功率穩(wěn)定性stability≤10%。當(dāng)金屬層圖層膜層不均時(shí)，激光打碼效果會(huì)產(chǎn)生變化。金屬圖層變厚后，為保證VCR能讀取二維碼，激光能量需加大。實(shí)際SEM查看膜層后發(fā)現(xiàn)Glass周邊的金屬有不均的現(xiàn)象，如圖12所示。根據(jù)上文能量與頻率及占空比的對(duì)應(yīng)關(guān)系，需要加大脈沖頻率或者加大占空比均可達(dá)到能量增加的效果。

五、討論

本研究中均使用CF基板朝上，激光從上往下照射打碼。打碼過后，單獨(dú)觀測(cè)CF Glass上的OC層（有機(jī)物）也有被激光破壞。如圖13所示。

當(dāng)TFT基板朝上打碼時(shí)，在同一TFT工藝下，為了獲得較好的二維碼視野，需要將激光能量加大。

研究發(fā)現(xiàn)，激光打碼時(shí)釋放的能量會(huì)在玻璃表面急劇釋放，產(chǎn)生的高低溫轉(zhuǎn)換效應(yīng)會(huì)對(duì)玻璃產(chǎn)生較大影響。

本研究驗(yàn)證了Cu工藝變成Al工藝后，脈沖頻率可以進(jìn)一步下探。后續(xù)研究可以進(jìn)一步探究Al工藝應(yīng)用于Gate層的影響。

六、總結(jié)

隨著市場(chǎng)對(duì)Panel強(qiáng)度要求越來越高，當(dāng)前的強(qiáng)度現(xiàn)狀已不能滿足市場(chǎng)需求。研究表明，激光對(duì)Panel造成了損傷。通過研究激光打碼對(duì)強(qiáng)度的影響，找出了在Gate層打碼條件下最佳的工藝條件是需要設(shè)置300KHz以下的脈沖頻率，此外，打碼速度也會(huì)影響到Panel強(qiáng)度，實(shí)際生產(chǎn)中可參考500mm/s作為量產(chǎn)條件。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1]儲(chǔ)小亮.TFT-LCD技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)淺析[J].電子世界，2018（20）：73.

[2]王依依，侯丹丹，潘慶龍，等.液晶玻璃斷面強(qiáng)度評(píng)定方法研究[C].中國硅酸鹽學(xué)會(huì)專題資料匯編，2018：212.

[3]陳 偉，班德超，穆春元.高穩(wěn)頻窄線寬半導(dǎo)體激光器[D]. 北京：中國科學(xué)院，2020.

CHEN W， BAN D CH， MU CH Y. Intelligent control of high stable frequency narrow linewidth semiconductor lasers [D]. Beijing： Graduate University of the Chinese Academy of Sciences，2020.（in Chinese）

[4]羅 菊，馮國英，韓敬華，等.激光等離子體去除微納顆粒的熱力學(xué)研究[J].物理學(xué)報(bào)，2020（8）：267-275.

LUO J， FENG G Y， HAN J H， et al. Thermodynamics of laser plasma removal of micro and nano particles [J]. Acta Physica Sinica，2020（8）：267-275.（in Chinese）

[5]門志遠(yuǎn).我國金屬材料熱處理節(jié)能新技術(shù)與應(yīng)用探析[J].電子制作，2015（2）：241.

[6]王依依，侯丹丹，潘慶龍，等. 液晶玻璃斷面強(qiáng)度評(píng)定方法研究[C].中國硅酸鹽學(xué)會(huì)專題資料匯編，2018：210.

[7]王 建，徐均琪，蘇俊宏，等.850nm濾光片的設(shè)計(jì)、制備及激光損傷特性[J].表面技術(shù)，2020，49（3）：112-117.

WANG J， XU J Q， SU J H， et al. Design， fabrication and laser damage characteristics of optical filters using at the wavelength of 850nm [J]. Surface Technology，2020，49（3）：112-117.（in Chinese）

[8]譚金花，孫榮祿，牛 偉，等.激光掃描速度對(duì)TC4合金表面激光熔覆復(fù)合涂層組織及性能的影響[J].材料導(dǎo)報(bào)，2020，34（12）：97-98.

TAN J H， SUN R L， NIU W， et al. Effect of laser scanning speed on microstructure and properties of TC4 alloy surface laser cladding composite coating [J]. Materials Reports，2020，34（12）：97-98.（in Chinese）

[9]王海成，董天松，馬 亮，等.TFT-LCD制程中成盒工藝段常見不良淺析[J].電子世界，2018（23）：12.

[10]覃思思，肖明清，萬英豪，等.低熔點(diǎn)Cu-P-Sn-Ni釬料粉末的制備研究[J].粉末冶金工業(yè)，2020，30（1）：89-92.

TAN S S， XIAO M Q， WAN Y H， et al. Research on the preparation of low melting point Cu-P-Sn-Ni base brazing powder [J]. Powder Metallurgy Industry，2020，30（1）：89-92.（in Chinese）