液晶玻璃雙刀輪切割及其裂紋產(chǎn)生、擴展規(guī)律*

萬珍平 張昆 馮俊元 卿劍波 付永清

(1．華南理工大學 機械與汽車工程學院， 廣東 廣州 510640； 2.華南理工大學 設(shè)計學院， 廣東 廣州 510640)

液晶顯示具有輕薄化、大幅面、圖像色彩飽和度好、色彩層次豐富、還原性高等優(yōu)點，已成為顯示器的主流技術(shù)，大量應用于液晶電視、電腦、數(shù)碼相機、智能手機等電子產(chǎn)品[1].液晶顯示器在制作過程中需要對尚未灌注液晶的大幅面玻璃基板進行切割，切割質(zhì)量的好壞直接影響后續(xù)產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)成本，是制作液晶顯示器的關(guān)鍵工藝[2].

液晶顯示玻璃基板屬于典型的脆性材料，其切割方法主要有刀輪切割和激光切割兩種.刀輪切割是采用硬質(zhì)合金或金剛石刀輪(包括普通刀輪和高滲透刀輪)劃線切割的機械切割方式，普通刀輪切割由于裂紋滲透率低(如Pan等[3]的切割實驗中，中位裂紋深度最大為140 μm)，切割后需要反轉(zhuǎn)敲擊裂片[4]，易產(chǎn)生邊緣碎屑與微裂紋等缺陷，尤其是在裂片過程中，微裂紋沿玻璃表面橫向擴展，形成玻璃屑[4]，這些碎屑與微缺陷往往是導致器件損壞的重要原因，為此普通刀輪切割的斷面還需進一步修磨、清洗.為提高切割質(zhì)量，學者們對液晶玻璃切割機的加壓機構(gòu)[5]、控制系統(tǒng)[1- 6]等進行了優(yōu)化設(shè)計.為了克服普通刀輪切割的不足，出現(xiàn)了高滲透刀輪[7].高滲透刀輪是在普通刀輪的外緣加工出齒深1.0～1.8 μm且具有一定角度的微齒，這些微齒在切割時對玻璃基板施加了間斷性的沖擊，因而可以獲得較深的垂直裂縫而不需要裂片工序，大大提高了切割質(zhì)量和生產(chǎn)效率[7].但機械加工過程中產(chǎn)生的加工應力帶來的低成品、高成本仍是液晶玻璃切割面臨的難題.

激光切割玻璃的方法分為兩種：熔融蒸發(fā)切割法和裂紋控制切割法[8].熔融蒸發(fā)切割法利用高強度能量的激光束掃描工件，使工件被掃描區(qū)域溫度上升至軟化溫度，此時玻璃處于熔融狀態(tài)并具有一定塑性與延展性，通入輔助氣流吹走熔融玻璃切斷工件.熔融蒸發(fā)切割法的不足在于激光加熱過程中會有一部分熔融質(zhì)殘留并且加工表面存在許多微觀裂紋[9].裂紋控制法切割玻璃的原理是利用激光對工件進行局部加熱，使工件表面溫度快速升高而產(chǎn)生熱應力，隨后對工件進行快速降溫，工件表面在拉應力的作用下萌生裂紋，裂紋沿著規(guī)劃路徑擴展使玻璃基板分離[8,10- 11].王星罡等[12]為了更有效地使裂紋貫穿玻璃基板，利用輔助氣體或液體來加劇玻璃的冷卻，由此產(chǎn)生更大的熱應力，促使基板分離，然而該方法存在切面容易傾斜、裂紋伸展方向不易控制等問題.為了更好地控制裂紋擴展路徑，焦俊科等[13]采用雙光束CO2激光熱應力切割的方法，用聚焦與非聚焦的CO2激光同時切割玻璃基板，前者用于在玻璃表面劃線，后者使玻璃表面產(chǎn)生較大熱應力使玻璃分離.Huang等[14]采用355 nm的脈沖激光進行劃線，再利用CO2激光加熱玻璃基板并使之分離.Tsai等[15]利用激光切割液晶玻璃，在使用水冷的同時施加彎曲應力，促進裂紋更好地擴展.沈佳駿等[16]利用聚焦后的、具有高能量密度的短脈沖(納秒)激光從玻璃下表面逐層掃描至上表面，使掃描過程中產(chǎn)生的微裂紋相互連接，達到玻璃切割的目的.此外，Tsai等[17]提出，在激光切割液晶玻璃基板前用金剛石刀輪預先沿切割方向刻劃出微溝槽，以控制裂紋的擴展方向.盡管激光控制裂紋切割法有很多優(yōu)點，但由于是通過熱應力誘導裂紋產(chǎn)生，在切口端面會留下殘余拉應力和一定的熱變形層.因此，為了實現(xiàn)液晶玻璃基板的高效、高質(zhì)量精密切割，研究新的液晶玻璃基板切割方法和機理極為必要.

文中提出基于雙刀輪的液晶玻璃基板切割新方法，即首先利用一普通刀輪刻劃待切割表面，產(chǎn)生一條微塑性刻痕，再利用另一普通刀輪沿著微塑性刻痕切割玻璃.雙刀輪切割液晶玻璃基板的關(guān)鍵在于第二刀輪切割時的裂紋產(chǎn)生和擴展規(guī)律.為揭示這一規(guī)律，利用印壓實驗研究液晶玻璃基板僅產(chǎn)生塑性刻痕而不產(chǎn)生裂紋的臨界載荷，然后沿塑性刻痕進行二次印壓，研究二次印壓時的裂紋產(chǎn)生和擴展規(guī)律.

1 雙刀輪切割方法

普通刀輪切割玻璃的原理是利用刀輪在玻璃基板表面切割時形成的垂直裂紋，通常情況下，形成的裂紋如圖1所示[18].圖1中，所產(chǎn)生的裂紋分為橫向裂紋和垂直裂紋.橫向裂紋沿著玻璃表面擴展,造成印壓區(qū)表層玻璃脫落，形成玻璃屑和邊崩；垂直裂紋沿著切割斷面擴展，從而使玻璃分離.但垂直裂紋往往不能貫穿玻璃斷面，需要反轉(zhuǎn)裂片，進一步加劇了邊崩和玻璃屑的產(chǎn)生；而且，垂直裂紋容易出現(xiàn)分叉，導致斷面不整齊，如圖1所示.因此，在刀輪切割過程中，如能抑制橫向裂紋產(chǎn)生，促使垂直裂紋擴展，就可獲得整齊的邊緣和斷口且無玻璃屑產(chǎn)生.基于這一想法，提出了基于雙刀輪的切割方法，原理如圖2所示.首先利用一普通刀輪在玻璃基板上刻劃出一塑性刻痕，然后利用另一刀輪沿著塑性刻痕切割玻璃.

圖1 楔角為60的刀輪印壓玻璃時的裂紋照片[18]

Fig.1 Microphotograph of the glass crack in specimens subject to normal loading by scribe-wheel

圖2 雙刀輪切割玻璃基板示意圖

Fig.2 Schematic illustration of glass substrate cutting with double scribe-wheels

2 二次印壓裂紋的產(chǎn)生和擴展規(guī)律

采用印壓實驗確定第一刀輪刻劃時僅產(chǎn)生塑性刻痕而不產(chǎn)生裂紋的臨界載荷，然后研究第二刀輪沿塑性刻痕切割時裂紋的產(chǎn)生和擴展規(guī)律.

2.1 印壓實驗方法與裝置

液晶顯示玻璃印壓實驗示意圖見圖3.其中，試件尺寸為50 mm×10 mm×0.7 mm；待印壓表面進行必要的打磨、拋光處理，保證待印壓表面無可見裂紋.實驗采用楔角為60°、90°、120°的對稱楔形壓頭對玻璃進行印壓，壓頭材料為硬質(zhì)合金.施力裝置上的夾具可以平移與自適應轉(zhuǎn)動，以確保壓頭與試件印壓表面均勻接觸，施加在壓頭上的力通過Kistler測力儀測得.玻璃印壓過程中，采用數(shù)字顯微鏡MDA2000對玻璃裂紋進行顯微觀察并拍攝，使用MDA2000自帶的測量軟件測量裂紋長度，其測量精度可達10 μm.所有的裂紋顯微照片都是沿圖3所示的A向拍攝.

圖3 液晶顯示玻璃印壓實驗示意圖

Fig.3 Schematic illustration of indentation on LCD glass specimen

2.2 產(chǎn)生垂直裂紋的臨界載荷

雙刀輪切割玻璃首先需在被切割表面刻劃出塑性刻痕，塑性刻痕的深度愈大愈好，但又不能產(chǎn)生裂紋.因此，文中利用印壓實驗確定液晶玻璃基板恰好出現(xiàn)垂直裂紋時的臨界載荷，通過重復實驗取平均值的方法減少隨機誤差，保證實驗結(jié)果的可靠性.實驗發(fā)現(xiàn)：壓頭楔角為60°時，垂直裂紋萌生的臨界載荷為46 N；楔角為90°時，產(chǎn)生垂直裂紋的臨界載荷稍有增加，達56 N；楔角為120°的壓頭印壓玻璃時，臨界載荷為68 N.各對稱楔形壓頭印壓液晶玻璃基板產(chǎn)生垂直裂紋的臨界載荷如圖4所示.

圖4 不同楔角壓頭對應產(chǎn)生垂直裂紋的臨界載荷值

Fig.4 Critical load of vertical crack initiation corresponding to different wedge angle

2.3 二次印壓實驗

所謂二次印壓是指在產(chǎn)生垂直裂紋的臨界載荷范圍內(nèi)對玻璃試件進行印壓，產(chǎn)生塑性刻痕后完全卸載，然后在同一位置處再次加載進行印壓.圖5為二次印壓實驗示意圖，圖5(a)所示為初始加載，用低于產(chǎn)生垂直裂紋的臨界載荷對玻璃試件進行第1次印壓，形成塑性刻痕后完全卸載，如圖5(b)所示，之后在產(chǎn)生塑性刻痕的位置處進行兩次印壓，如圖5(c)所示，研究此時裂紋的產(chǎn)生和擴展規(guī)律.

圖5 二次印壓實驗示意圖Fig.5 Schematic illustration of the second indentation

圖6為采用120°壓頭對液晶玻璃試件進行二次印壓時拍攝的一組照片.圖6中，第1次印壓時所施加的載荷均為64 N，第2次印壓時分別加載至98、104、114 N.與圖1對比可以發(fā)現(xiàn)：二次印壓時，在印壓表面僅殘留塑性刻痕，沒有橫向裂紋產(chǎn)生；垂直裂紋的長度隨著二次印壓所施加載荷的增大而增大.

圖6 楔角為120°壓頭在同一初始載荷下二次印壓時的裂紋照片

Fig.6 Photos of crack during the second indentation by wedge with interior angle 120° subjected to the same initial loading

圖7為楔角120°的壓頭單次印壓液晶玻璃(載荷為140 N)的裂紋照片，對比圖6和7可看出，盡管二次印壓時的載荷遠小于單次印壓時的載荷，但二次印壓時的裂紋長度均大于單次印壓的裂紋長度，且從圖7可看出，單次印壓表面在印壓區(qū)產(chǎn)生了橫向裂紋.這表明二次印壓確實能有效抑制橫向裂紋和邊崩的產(chǎn)生，促使垂直裂紋的擴展.

圖7 楔角為120°壓頭單次印壓液晶玻璃的裂紋照片(載荷為140 N)

Fig.7 Photo of crack in LCD specimen during a single indention by wedge with interior angle 120° (Load:140 N)

圖8所示楔角為120°的壓頭在第1次印壓載荷分別為40、46、52 N，卸載后再次加載至98 N時所拍攝的一組裂紋照片.通過對比圖8(a)、8(b)、8(c)可知，在第2次印壓載荷相同的條件下，垂直裂紋長度隨著第1次印壓載荷的增大而略有增加.原因在于第1次印壓載荷越大，產(chǎn)生的塑性刻痕越大，再次加載后導致產(chǎn)生的垂直裂紋長度略有增大.同時，由圖6和8可以發(fā)現(xiàn)，在加載與卸載過程中均沒有出現(xiàn)橫向裂紋.這是由于第1次印壓載荷在塑性變形范圍內(nèi)，印壓區(qū)產(chǎn)生了微塑性變形，即塑性刻痕，因此二次印壓時沒有橫向裂紋出現(xiàn).

圖8 壓頭楔角為120°時不同初始載荷下裂紋的擴展

Fig.8 Cracks propagation under different initial loading by wedge with interior angle 120°

2.4 二次印壓裂紋長度

楔角為90°的壓頭二次印壓液晶玻璃試件時垂直裂紋的長度與載荷的關(guān)系曲線如圖9所示.第1次印壓載荷為40 N，卸載之后再加載至76 N時，垂直裂紋長度為0.290 mm；當載荷增加至120 N，垂直裂紋長度為0.569 mm[19].如果液晶玻璃基板的厚度為0.7 mm，這一垂直裂紋長度已足以使基板斷裂，無需二次裂片.當載荷繼續(xù)增加至128 N后，裂紋進入非穩(wěn)定擴展階段，裂紋長度迅速增加，直至試件斷裂.在裂紋穩(wěn)定擴展階段，垂直裂紋長度和載荷成線性關(guān)系.

第1次印壓載荷為46 N，完全卸載，然后再加載至76 N時，垂直裂紋長度為0.298 mm；當載荷增加至120 N，垂直裂紋長度增加至0.588 mm.當?shù)?次印壓載荷為52 N時，完全卸載，然后再加載至76 N時，垂直裂紋長度為0.312 mm；當載荷增加至120 N時，垂直裂紋長度增加至0.618 mm，這一裂紋長度亦足以使基板自行斷裂而無需二次裂片.這表明，二次印壓時垂直裂紋的長度隨載荷的增加穩(wěn)定擴展，且由圖9看出，進入穩(wěn)定擴展階段后，裂紋的增長與載荷成線性關(guān)系.此外，當?shù)?次印壓載荷相同時，裂紋長度隨第1次印壓載荷的增加而增加.

圖9 90°壓頭二次印壓時垂直裂紋長度與載荷的關(guān)系

Fig.9 Relationship between vertical crack length and loading during the second indentation by wedge with interior angle 90°

對于單次印壓實驗，當載荷增加至76 N時，垂直裂紋長度僅為0.284 mm；當載荷增加至120 N，對應的垂直裂紋長度為0.447 mm，與二次印壓裂紋相比，相同載荷下單次印壓產(chǎn)生的垂直裂紋長度較短，隨載荷的增長率也較小.

3 雙刀輪的液晶玻璃切割

3.1 實驗方法

玻璃切割通過刀座引導刀輪在玻璃表面進行連續(xù)運動，由于刀輪邊緣為鋒利的刃口，在刀輪上加載一定的壓力使玻璃產(chǎn)生垂直裂紋，利用垂直裂紋擴展達到使玻璃分離的目的.圖10為玻璃切割裝置示意圖.實驗中，為了避免開始切割時刀輪與玻璃基板發(fā)生碰撞引起玻璃破碎，設(shè)計了一種彈性刀架，在刀架與套筒之間設(shè)有彈簧，用于減少刀輪與玻璃基板之間的剛性碰撞.刀桿末端設(shè)有螺紋，可安裝螺母實現(xiàn)刀桿與套筒的鎖緊，通過調(diào)節(jié)螺母位置可以實現(xiàn)切割載荷的控制.刀架上安裝的普通刀輪角度為125，刀輪外徑和內(nèi)徑分別為2.5 mm和0.8 mm，厚度為0.65 mm，刀輪材料為硬質(zhì)合金.實驗中，為體現(xiàn)雙刀輪切割而又簡化實驗裝置，先利用刀輪在液晶玻璃基板的表面上以一個較小的壓力(低于產(chǎn)生垂直裂紋的臨界載荷)刻劃玻璃，在玻璃的表面形成一條微塑性刻痕，然后再沿該微塑性刻痕切割玻璃.實驗中，液晶玻璃基板厚度為0.7 mm.

圖10 玻璃切割裝置示意圖Fig.10 Schematic illustration of glass cutting device

3.2 實驗結(jié)果

圖11為傳統(tǒng)普通刀輪切割和雙刀輪切割液晶玻璃基板的斷面照片.從圖11(a)看出，傳統(tǒng)普通刀輪切割時，斷口邊緣充滿微裂紋和邊崩，產(chǎn)生玻璃屑，對后續(xù)加工極為不利；而從圖11(b)看出，雙刀輪切割后的斷口邊緣整齊，無邊崩和微裂紋產(chǎn)生.原因就在于第2刀輪切割時，相當于在第1刀輪產(chǎn)生的塑性刻痕的基礎(chǔ)上進行連續(xù)二次印壓，而二次印壓既能夠抑制橫向裂紋的產(chǎn)生，又能促使垂直裂紋穩(wěn)定擴展，裂紋長度增加，使得基板不需要反轉(zhuǎn)裂片就能夠分離.因此，雙刀輪切割能夠高效切割液晶玻璃基板，獲得光滑、無微裂紋的斷口形貌，顯著提高切割質(zhì)量和效率，是一種切割液晶玻璃基板的有效方法.

圖11 傳統(tǒng)切割和雙刀輪切割液晶玻璃基板的斷面照片

Fig.11 Cross-section photos of glass substrate under traditional cutting and double scribe-wheels cutting

4 結(jié)論

(1)在相同的印壓載荷下，二次印壓垂直裂紋的長度遠大于單次印壓所產(chǎn)生的垂直裂紋的長度，且不會產(chǎn)生橫向裂紋.

(2)二次印壓時，在相同的載荷下，垂直裂紋的長度隨第一次塑性刻劃時的載荷的增加而略有增加；二次印壓垂直裂紋的長度隨印壓載荷的增加線性增加，增長率大于單次印壓時的增長率.

(3)基于雙刀輪液晶玻璃基板切割能夠獲得光滑、無邊崩和微裂紋的斷口形貌，且無需反轉(zhuǎn)裂片，是一種高效切割液晶玻璃基板的有效方法.

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