淺談第六代TFT- LCD 玻璃基板國(guó)產(chǎn)磨邊機(jī)

高永亮

（南京中電熊貓液晶材料科技有限公司，江蘇 南京 210033）

當(dāng)今，國(guó)內(nèi)TFT-LCD 行業(yè)和技術(shù)發(fā)展迅猛，液晶顯示已成為主流顯示。TFT-LCD 是薄膜晶體管有源矩陣液晶顯示器，就是在LCD 內(nèi)部引入薄膜晶體管作為開關(guān)器件，再注入液晶材料的結(jié)構(gòu)。主要應(yīng)用于智能手機(jī)、筆記本計(jì)算機(jī)、液晶電視等。玻璃基板是TFT-LCD 顯示器面板的薄膜晶體管陣列基板和彩色濾光片的關(guān)鍵基礎(chǔ)材料之一。

生產(chǎn)過程中，TFT 玻璃基板（包括素玻璃基板、CF 玻璃基板、TFT 陣列玻璃基板，以及成盒后雙層玻璃基板等三類）切割/裂片后需對(duì)其四邊部進(jìn)行磨削，使基板四邊部形成需要的高光潔度弧面，磨削質(zhì)量的好壞直接造成加工缺陷發(fā)生，也很大程度上影響后續(xù)工序的加工穩(wěn)定性和良率，比如破壞絲網(wǎng)和影響絲網(wǎng)印刷質(zhì)量、影響對(duì)位貼合質(zhì)量、影響注晶質(zhì)量，甚至影響模組人員安全等。

玻璃基板磨邊是通過磨邊機(jī)來實(shí)現(xiàn)的，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有TFT 玻璃基板、TFT-LCD 生產(chǎn)線以進(jìn)口國(guó)外磨邊機(jī)為主。隨著國(guó)內(nèi)TFT行業(yè)裝備、制造技術(shù)發(fā)展和成熟，技術(shù)研發(fā)人才的培養(yǎng)和提升，國(guó)內(nèi)設(shè)備公司也對(duì)磨邊機(jī)進(jìn)行了研發(fā)和推廣，國(guó)內(nèi)一些TFT 玻璃基板和TFT-LCD 生產(chǎn)線也在使用國(guó)產(chǎn)磨邊機(jī)。

國(guó)內(nèi)其他玻璃行業(yè)的磨邊機(jī)國(guó)產(chǎn)化發(fā)展勢(shì)頭很好，如建筑玻璃、中空玻璃和汽車玻璃等，磨邊機(jī)類型也很多，這些國(guó)內(nèi)設(shè)備公司也涉足TFT 行業(yè)，將相關(guān)的超薄玻璃磨邊機(jī)推廣應(yīng)用到TFT-LCD 玻璃基板上，如直線雙邊磨邊機(jī)和仿形磨邊機(jī)等。

1 TFT 玻璃基板和磨邊

1.1 LCD 構(gòu)造與玻璃基板特性

玻璃基板是一種表面極其平整的浮法生產(chǎn)薄玻璃片，是目前液晶顯示器使用的主要材料，在液晶顯示器領(lǐng)域占有相當(dāng)重要的地位，也是液晶顯示器件的一個(gè)基本部件，約占7%的原材料成本。目前市場(chǎng)上應(yīng)用的玻璃基板，其主流厚度為0.7mm 和0.5mm，最薄也可以做到0.4mm 的厚度。

玻璃的種類有堿玻璃、低堿玻璃和無堿玻璃三類，由于TFT-LCD 制造工藝的要求很高，使用的玻璃基板與一般普通玻璃不同，是“無堿玻璃”，不含堿金屬氧化物的硼硅玻璃，堿金屬氧化物的存在不僅污染液晶材料，還會(huì)對(duì)TFT 的特性會(huì)產(chǎn)生影響，比如降低玻璃的熔點(diǎn)。液晶玻璃為透明固體，以二氧化硅為主要成分，還有氧化鋁、氧化硼、氧化鈉、氧化鉀、氧化鈣、氧化鋇、氧化鎂、氧化鋅等各種各樣成分，主要原料有石英粉、碳酸鍶、碳酸鋇、硼酸、硼酐、碳酸鈣、硝酸鋇等。

FTT-LCD 由陣列基板、彩膜基板、液晶屏部分、驅(qū)動(dòng)IC 和周邊組件部分以及背光源組成，通過陣列制程、彩膜制程、制屏制程和模組制程四個(gè)階段形成。圖1 是TFT-LCD 基本結(jié)構(gòu)示意圖，它的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)類似于三明治，每塊TFT-LCD 面板包括前后兩塊玻璃基板，就是彩膜和陣列玻璃基板，如圖中的上、下玻璃基板。

圖1

由于TFT-LCD 制造過程中的特殊環(huán)境，如高溫、高壓、酸性-中性-堿性的環(huán)境變更等，要求玻璃基板具備一定的特性：耐高溫、耐強(qiáng)酸強(qiáng)堿、超薄、超平滑、超精細(xì)、高透光性、高平整度、良好的抗溶劑和熱收縮率小的性能。

目前，國(guó)內(nèi)TFT 玻璃基板和TFT-LCD 公司磨邊主要采用進(jìn)口磨邊機(jī)，以美國(guó)、日本和韓國(guó)產(chǎn)的磨邊機(jī)為主，采用直線雙邊磨邊機(jī)為主流。自動(dòng)化生產(chǎn)線包括上料、切割、磨邊、倒角、檢查、清洗和下料等工序，而磨邊工序的完成一般需要橫向磨邊機(jī)、轉(zhuǎn)向設(shè)備、縱向磨邊機(jī)和裝卸傳輸設(shè)備等，橫向和縱向磨邊機(jī)分別對(duì)玻璃基板的長(zhǎng)邊和短邊進(jìn)行磨削，包含粗磨、精磨或拋光，圖2 是磨邊工序裝置示意圖。

圖2

1.2 玻璃基板磨邊

TFT-LCD 行業(yè)使用的素玻璃基板、CF 玻璃基板和TFT 玻璃基板切割后，存在著邊緣不平整、光滑或銳角等缺陷，為避免這些缺陷對(duì)后續(xù)工序造成影響，需要對(duì)切割后玻璃基板四邊部進(jìn)行磨邊加工。

磨邊是通過磨邊機(jī)的磨邊砂輪與玻璃基板相對(duì)運(yùn)動(dòng)，砂輪中的磨粒對(duì)玻璃的磨削，使玻璃基板邊部形成高光潔度的弧面。磨邊質(zhì)量的好壞直接影響磨邊缺陷的發(fā)生，如表面有連續(xù)橫向裂紋、縱向燒傷和豁口掉片等缺陷，也很大程度上影響后續(xù)工序產(chǎn)品的穩(wěn)定性和良率。

通常，磨邊形式有兩種，一種是“C”型邊，另一種是“上下磨”。圖3 是磨邊形式示意圖。

圖3

一般情況下，玻璃基板的磨邊工藝流程是：玻璃基板切割→橫向磨邊→轉(zhuǎn)向裝置→縱向磨邊→轉(zhuǎn)向裝置→倒角檢查→清洗等。

2 國(guó)產(chǎn)磨邊機(jī)簡(jiǎn)介

隨著國(guó)內(nèi)TFT-LCD 行業(yè)的發(fā)展和提升，國(guó)產(chǎn)磨邊機(jī)加工生產(chǎn)技術(shù)也日益發(fā)展和成熟，同時(shí)，擁有采購(gòu)成本、制造周期、質(zhì)量控制以及后期設(shè)備維護(hù)等方面優(yōu)勢(shì)，國(guó)內(nèi)一些TFT 玻璃基板生產(chǎn)和TFT-LCD 企業(yè)也引進(jìn)國(guó)產(chǎn)超薄玻璃基板磨邊機(jī)。大尺寸、連續(xù)生產(chǎn)的，采用直線雙邊磨邊機(jī)；中小尺寸、不連續(xù)生產(chǎn)或測(cè)試的，采用數(shù)控磨邊機(jī)或仿形磨邊機(jī)。下面對(duì)直線雙邊磨邊機(jī)和仿形磨邊機(jī)進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

2.1 直線雙邊磨邊機(jī)

直線雙邊磨邊機(jī)是TFT 行業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線應(yīng)用最常見的機(jī)型，主要是對(duì)大尺寸的玻璃基板進(jìn)行磨邊，可以同時(shí)磨削玻璃基板的兩個(gè)對(duì)邊，可以磨直邊和圓邊，完成磨邊作業(yè)需要橫向磨邊機(jī)、轉(zhuǎn)向設(shè)備和縱向磨邊機(jī)等。

橫向/縱向磨邊機(jī)包括主傳送機(jī)構(gòu)、磨削機(jī)構(gòu)、噴淋清洗機(jī)構(gòu)和出料隔水風(fēng)刀結(jié)構(gòu)（縱向磨邊機(jī)出口端）。主傳送機(jī)構(gòu)包括上下同步帶、伺服電機(jī)、支撐架和壓持機(jī)構(gòu)，采用雙側(cè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和伺服電機(jī)自動(dòng)開合，上下同步帶的壓持間隙可以伺服電機(jī)和手動(dòng)調(diào)節(jié)；磨削機(jī)構(gòu)主要包括磨頭電機(jī)、伺服電機(jī)和砂輪等，磨邊機(jī)兩側(cè)分別配置粗、精磨頭砂輪各一個(gè)，對(duì)稱布置，所有磨頭升降和水平進(jìn)給采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，也可以采用手動(dòng)調(diào)節(jié)，所有磨頭電機(jī)均采用玻璃磨邊專用電機(jī)。每組粗、精磨頭安裝在一個(gè)移動(dòng)底座上，由直線導(dǎo)軌支承，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)開度以滿足不同尺寸規(guī)格玻璃基板的需要(與主傳送機(jī)構(gòu)開度調(diào)整同步）；噴淋清洗機(jī)構(gòu)包括水箱、噴淋泵、噴嘴和接水箱等，在磨頭砂輪磨削中，對(duì)磨削處噴水，起到降溫和沖洗磨屑的作用；出料隔水風(fēng)刀由上下風(fēng)刀組成，主要是降玻璃基板上下面含磨屑的水吹干凈，減少磨屑和研磨劑隨玻璃基板進(jìn)入后續(xù)清洗設(shè)備。 圖4 是國(guó)產(chǎn)直線雙邊磨邊機(jī)示意圖。

圖4

將玻璃基板置于在橫向研磨機(jī)進(jìn)料端的下同步傳送帶上，對(duì)位裝置對(duì)位后，玻璃基板流入上下同步傳送帶，由傳送帶帶入研磨區(qū)域，兩側(cè)的玻璃基板邊部依次通過粗磨、精磨后再送入到轉(zhuǎn)向裝置。磨削過程中，噴淋泵通過噴嘴對(duì)磨削處噴水。玻璃基板經(jīng)過轉(zhuǎn)向裝置轉(zhuǎn)向后流入縱向磨邊機(jī)傳送同步帶，同步傳送帶將玻璃基板帶入研磨區(qū)域，對(duì)另外兩條對(duì)邊磨削。四條邊磨削后的玻璃基板再通過轉(zhuǎn)向裝置轉(zhuǎn)向后流向后續(xù)工序。圖5 是玻璃基板磨邊流向示意圖。

圖5

2.2 仿形磨邊機(jī)

仿形磨邊機(jī)就是靠模板準(zhǔn)確定位，準(zhǔn)確磨削。在建筑玻璃、汽車玻璃等行業(yè)，仿形磨邊機(jī)運(yùn)用較多，優(yōu)點(diǎn)是磨出的玻璃形狀準(zhǔn)確，尺寸統(tǒng)一和生產(chǎn)效率高，缺點(diǎn)就是需要制作專門的模板，當(dāng)生產(chǎn)品種較多時(shí)，制作模板費(fèi)用較高，更換也麻煩。該種機(jī)型適合于生產(chǎn)品種不多或單一，大批量生產(chǎn)。仿形磨邊機(jī)在TFT-LCD 行業(yè)也有使用，主要應(yīng)用于中小尺寸、不連續(xù)生產(chǎn)或測(cè)試的玻璃基板磨邊，它就是把吸附平臺(tái)當(dāng)做模板，玻璃基板長(zhǎng)X 寬單邊尺寸比模板分別大15mm 左右，本文介紹的是半自動(dòng)仿形磨邊機(jī)。該機(jī)型磨邊機(jī)采用玻璃基板旋轉(zhuǎn)方式，砂輪裝在磨頭電機(jī)上，磨頭電機(jī)裝在擺臂上，擺臂安裝在可以旋轉(zhuǎn)的軸上，砂輪在扭力控制下緩慢貼近玻璃基板后靠在玻璃的邊緣進(jìn)行磨邊，利用玻璃基板旋轉(zhuǎn)的邊緣軌跡近似于仿形的方法加工。砂輪對(duì)玻璃基板的壓緊力通過控制擺臂的扭力矩能夠精確調(diào)整。有兩組擺臂組件，其中一個(gè)用于磨上周邊，另一個(gè)用于磨下周邊，兩組擺臂同時(shí)工作，工作時(shí)砂輪貼緊玻璃基板邊緣，加工結(jié)束，砂輪自動(dòng)彈開復(fù)位。

玻璃基板磨邊流程是：操作者在觸摸屏設(shè)置好各項(xiàng)磨削參數(shù)，在真空吸盤上放置玻璃基板，按啟動(dòng)按鈕，真空吸盤吸牢玻璃基板并旋轉(zhuǎn)，兩組擺臂帶動(dòng)砂輪靠上玻璃基板并進(jìn)行磨削上下周邊，磨削過程中自動(dòng)加水冷卻，磨削結(jié)束后擺臂帶動(dòng)砂輪快速離開鏡片，恢復(fù)到原始位置，磨削結(jié)束，再按下停止按鈕，將磨邊完成的玻璃基板取走。

由于仿形磨邊機(jī)具有磨邊質(zhì)量好、加工速度快、造價(jià)低、調(diào)整簡(jiǎn)單、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，可以將半自動(dòng)磨邊機(jī)改成全自動(dòng)，單工位改成多工位，運(yùn)用到生產(chǎn)流水線上。也就是采取自動(dòng)上下料、自動(dòng)對(duì)位、自動(dòng)吸附、自動(dòng)磨削、玻璃旋轉(zhuǎn)速度、金剛石砂輪壓力和砂輪轉(zhuǎn)速自動(dòng)調(diào)整和匹配、砂輪上下運(yùn)動(dòng)也自動(dòng)調(diào)整等。

2.3 磨邊砂輪

磨邊砂輪安裝在磨頭上，是磨邊機(jī)磨削的關(guān)鍵部件，也是主要易損件，磨削主要是通過磨邊砂輪和玻璃基板的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)，如直線雙邊機(jī)是通過玻璃基板直線運(yùn)動(dòng)和砂輪圓周運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)，仿形磨邊機(jī)是通過玻璃基板和砂輪同時(shí)做圓周運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)。砂輪質(zhì)量的好壞，如砂輪的材料、形狀、目數(shù)等，影響著磨削的效果，也決定著磨削距離的長(zhǎng)短。

砂輪是由結(jié)合劑將磨料固結(jié)成一定形狀，如圓柱和圓錐臺(tái),并具有一定強(qiáng)度的固結(jié)磨具，常見的有陶瓷砂輪、樹脂砂輪、橡膠砂輪和金剛石砂輪等，TFT-LCD 行業(yè)應(yīng)用較多的是樹脂和金剛石砂輪，有圓柱和圓錐臺(tái)兩種形狀。圓柱形樹脂或帶環(huán)形磨槽金剛石用于磨“C”型邊，而圓錐臺(tái)型樹脂或金剛石砂輪用于玻璃基板上下邊磨；砂輪的目數(shù)與磨削精度要求有關(guān)，一般情況下，300-400 目的砂輪用于粗磨，600-800 目用于精磨，而1000 目以上用于拋光。相比樹脂砂輪，金剛石砂輪價(jià)格貴，但金剛石砂輪有使用廣、磨削精度好和使用壽命長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)。

結(jié)束語(yǔ)

隨著國(guó)內(nèi)TFT-LCD 行業(yè)和技術(shù)迅猛發(fā)展，生產(chǎn)、技術(shù)和人員的日益成熟和提升，通過國(guó)內(nèi)科研院所、設(shè)備公司和TFT-LCD 生產(chǎn)公司三方通力協(xié)作，對(duì)TFT-LCD 相關(guān)工藝設(shè)備研究和開發(fā)，在TFT-LCD 行業(yè)一些設(shè)備國(guó)產(chǎn)化開發(fā)方面取得了顯著成就，如檢查設(shè)備、模組設(shè)備、機(jī)器人、傳送設(shè)備、清洗機(jī)、顯影機(jī)、剝離機(jī)、蝕刻機(jī)、劃片機(jī)、磨邊機(jī)、倒角機(jī)等。相信我們國(guó)產(chǎn)化磨邊機(jī)越來越成熟，投入使用也越來越多。

國(guó)內(nèi)公司通過密切合作、共同學(xué)習(xí)和加大投入，深入研發(fā)關(guān)鍵工序設(shè)備，就能夠打破國(guó)外設(shè)備壟斷和卡脖子，完善國(guó)內(nèi)生產(chǎn)設(shè)備配套，提高設(shè)備國(guó)產(chǎn)化率，推動(dòng)我國(guó)平板顯示產(chǎn)業(yè)更好發(fā)展。