萬(wàn)珍平 張昆 馮俊元 卿劍波 付永清

(1．華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院， 廣東 廣州 510640； 2.華南理工大學(xué) 設(shè)計(jì)學(xué)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(diǎn)，已成為顯示器的主流技術(shù)，大量應(yīng)用于液晶電視、電腦、數(shù)碼相機(jī)、智能手機(jī)等電子產(chǎn)品[1].液晶顯示器在制作過(guò)程中需要對(duì)尚未灌注液晶的大幅面玻璃基板進(jìn)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(jī)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(shí)驗(yàn)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(guò)程中，微裂紋沿玻璃表面橫向擴(kuò)展，形成玻璃屑[4]，這些碎屑與微缺陷往往是導(dǎo)致器件損壞的重要原因，為此普通刀輪切割的斷面還需進(jìn)一步修磨、清洗.為提高切割質(zhì)量，學(xué)者們對(duì)液晶玻璃切割機(jī)的加壓機(jī)構(gòu)[5]、控制系統(tǒng)[1- 6]等進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì).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(shí)對(duì)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(jī)械加工過(guò)程中產(chǎn)生的加工應(yīng)力帶來(lái)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(qiáng)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(shí)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(guò)程中會(huì)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(duì)工件進(jìn)行局部加熱，使工件表面溫度快速升高而產(chǎn)生熱應(yīng)力，隨后對(duì)工件進(jìn)行快速降溫，工件表面在拉應(yīng)力的作用下萌生裂紋，裂紋沿著規(guī)劃路徑擴(kuò)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(lái)加劇玻璃的冷卻，由此產(chǎn)生更大的熱應(yīng)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(wèn)題.為了更好地控制裂紋擴(kuò)展路徑，焦俊科等[13]采用雙光束CO2激光熱應(yīng)力切割的方法，用聚焦與非聚焦的CO2激光同時(shí)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(yīng)力使玻璃分離.Huang等[14]采用355 nm的脈沖激光進(jìn)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(shí)施加彎曲應(yīng)力，促進(jìn)裂紋更好地?cái)U(kuò)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(guò)程中產(chǎn)生的微裂紋相互連接，達(dá)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(yù)先沿切割方向刻劃出微溝槽，以控制裂紋的擴(kuò)展方向.盡管激光控制裂紋切割法有很多優(yōu)點(diǎn)，但由于是通過(guò)熱應(yīng)力誘導(dǎo)裂紋產(chǎn)生，在切口端面會(huì)留下殘余拉應(yīng)力和一定的熱變形層.因此，為了實(shí)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(jī)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(shí)的裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展規(guī)律.為揭示這一規(guī)律，利用印壓實(shí)驗(yàn)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(jìn)行二次印壓，研究二次印壓時(shí)的裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)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(shí)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(kuò)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(kuò)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(jìn)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(dǎo)致斷面不整齊，如圖1所示.因此，在刀輪切割過(guò)程中，如能抑制橫向裂紋產(chǎn)生，促使垂直裂紋擴(kuò)展，就可獲得整齊的邊緣和斷口且無(wú)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(shí)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(kuò)展規(guī)律

采用印壓實(shí)驗(yàn)確定第一刀輪刻劃時(shí)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(shí)裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展規(guī)律.

2.1 印壓實(shí)驗(yàn)方法與裝置

液晶顯示玻璃印壓實(shí)驗(yàn)示意圖見(jiàn)圖3.其中，試件尺寸為50 mm×10 mm×0.7 mm；待印壓表面進(jìn)行必要的打磨、拋光處理，保證待印壓表面無(wú)可見(jiàn)裂紋.實(shí)驗(yàn)采用楔角為60°、90°、120°的對(duì)稱(chēng)楔形壓頭對(duì)玻璃進(jìn)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(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)，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(guò)Kistler測(cè)力儀測(cè)得.玻璃印壓過(guò)程中，采用數(shù)字顯微鏡MDA2000對(duì)玻璃裂紋進(jìn)行顯微觀察并拍攝，使用MDA2000自帶的測(cè)量軟件測(cè)量裂紋長(zhǎng)度，其測(cè)量精度可達(dá)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)確定液晶玻璃基板恰好出現(xiàn)垂直裂紋時(shí)的臨界載荷，通過(guò)重復(fù)實(shí)驗(yàn)取平均值的方法減少隨機(jī)誤差，保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性.實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：壓頭楔角為60°時(shí)，垂直裂紋萌生的臨界載荷為46 N；楔角為90°時(shí)，產(chǎn)生垂直裂紋的臨界載荷稍有增加，達(dá)56 N；楔角為120°的壓頭印壓玻璃時(shí)，臨界載荷為68 N.各對(duì)稱(chēng)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(duì)應(yīng)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(shí)驗(yàn)

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(duì)玻璃試件進(jìn)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(jìn)行印壓.圖5為二次印壓實(shí)驗(yàn)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(duì)玻璃試件進(jìn)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(jìn)行兩次印壓，如圖5(c)所示，研究此時(shí)裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展規(guī)律.

圖5 二次印壓實(shí)驗(yàn)示意圖Fig.5 Schematic illustration of the second indentation

圖6為采用120°壓頭對(duì)液晶玻璃試件進(jìn)行二次印壓時(shí)拍攝的一組照片.圖6中，第1次印壓時(shí)所施加的載荷均為64 N，第2次印壓時(shí)分別加載至98、104、114 N.與圖1對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)：二次印壓時(shí)，在印壓表面僅殘留塑性刻痕，沒(méi)有橫向裂紋產(chǎn)生；垂直裂紋的長(zhǎng)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(shí)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(duì)比圖6和7可看出，盡管二次印壓時(shí)的載荷遠(yuǎn)小于單次印壓時(shí)的載荷，但二次印壓時(shí)的裂紋長(zhǎng)度均大于單次印壓的裂紋長(zhǎng)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(shí)能有效抑制橫向裂紋和邊崩的產(chǎn)生，促使垂直裂紋的擴(kuò)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(shí)所拍攝的一組裂紋照片.通過(guò)對(duì)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(zhǎng)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(dǎo)致產(chǎn)生的垂直裂紋長(zhǎng)度略有增大.同時(shí)，由圖6和8可以發(fā)現(xiàn)，在加載與卸載過(guò)程中均沒(méi)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(shí)沒(méi)有橫向裂紋出現(xiàn).

圖8 壓頭楔角為120°時(shí)不同初始載荷下裂紋的擴(kuò)展

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

2.4 二次印壓裂紋長(zhǎng)度

楔角為90°的壓頭二次印壓液晶玻璃試件時(shí)垂直裂紋的長(zhǎng)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(shí)，垂直裂紋長(zhǎng)度為0.290 mm；當(dāng)載荷增加至120 N，垂直裂紋長(zhǎng)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(zhǎng)度已足以使基板斷裂，無(wú)需二次裂片.當(dāng)載荷繼續(xù)增加至128 N后，裂紋進(jìn)入非穩(wěn)定擴(kuò)展階段，裂紋長(zhǎng)度迅速增加，直至試件斷裂.在裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段，垂直裂紋長(zhǎng)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(shí)，垂直裂紋長(zhǎng)度為0.298 mm；當(dāng)載荷增加至120 N，垂直裂紋長(zhǎng)度增加至0.588 mm.當(dāng)?shù)?次印壓載荷為52 N時(shí)，完全卸載，然后再加載至76 N時(shí)，垂直裂紋長(zhǎng)度為0.312 mm；當(dāng)載荷增加至120 N時(shí)，垂直裂紋長(zhǎng)度增加至0.618 mm，這一裂紋長(zhǎng)度亦足以使基板自行斷裂而無(wú)需二次裂片.這表明，二次印壓時(shí)垂直裂紋的長(zhǎng)度隨載荷的增加穩(wěn)定擴(kuò)展，且由圖9看出，進(jìn)入穩(wěn)定擴(kuò)展階段后，裂紋的增長(zhǎng)與載荷成線性關(guān)系.此外，當(dāng)?shù)?次印壓載荷相同時(shí)，裂紋長(zhǎng)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(shí)垂直裂紋長(zhǎng)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(duì)于單次印壓實(shí)驗(yàn)，當(dāng)載荷增加至76 N時(shí)，垂直裂紋長(zhǎng)度僅為0.284 mm；當(dāng)載荷增加至120 N，對(duì)應(yīng)的垂直裂紋長(zhǎng)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(zhǎng)度較短，隨載荷的增長(zhǎng)率也較小.

3 雙刀輪的液晶玻璃切割

3.1 實(shí)驗(yàn)方法

玻璃切割通過(guò)刀座引導(dǎo)刀輪在玻璃表面進(jìn)行連續(xù)運(yùn)動(dòng)，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(kuò)展達(dá)到使玻璃分離的目的.圖10為玻璃切割裝置示意圖.實(shí)驗(yàn)中，為了避免開(kāi)始切割時(shí)刀輪與玻璃基板發(fā)生碰撞引起玻璃破碎，設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)刀桿與套筒的鎖緊，通過(guò)調(diào)節(jié)螺母位置可以實(shí)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(shí)驗(yàn)中，為體現(xiàn)雙刀輪切割而又簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)裝置，先利用刀輪在液晶玻璃基板的表面上以一個(gè)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)，斷口邊緣充滿微裂紋和邊崩，產(chǎn)生玻璃屑，對(duì)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(wú)邊崩和微裂紋產(chǎn)生.原因就在于第2刀輪切割時(shí)，相當(dāng)于在第1刀輪產(chǎn)生的塑性刻痕的基礎(chǔ)上進(jìn)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(kuò)展，裂紋長(zhǎng)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(wú)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(zhǎng)度遠(yuǎn)大于單次印壓所產(chǎn)生的垂直裂紋的長(zhǎng)度，且不會(huì)產(chǎn)生橫向裂紋.

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

(3)基于雙刀輪液晶玻璃基板切割能夠獲得光滑、無(wú)邊崩和微裂紋的斷口形貌，且無(wú)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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