TFT-LCD行业激光打码后面板强度改善

伍飞高 王海荣 刘富青 胡亮亮 刘明辉 王忠山 张孝天

【摘要】    目的：TFT-LCD行业因Array曝光设备产能制约，需要用到Q Panel激光打码。玻璃经过激光打码后，玻璃强度降低。为了提高玻璃强度，需要对激光打码工艺进行改善。方法：通过数据收集与DOE实验分析方法，找到了强度影响因子。通过改良工艺流程，实现激光打码后Panel强度提升;基于激光打码后强度提升的验证，有效解决了液晶玻璃在打码后的强度衰减问题。结果：结果显示，激光在低频率下，对玻璃损伤较小，通过实验与验证，脉冲频率为300KHz以下效果较好;通过微调激光打码速度，能有效提升玻璃强度，通过实验验证，打码速度设置500mm/s效果较好。结论：激光通过瞬时与Panel表面膜层发生一系列物理及化学反应，瞬间释放的能量能破坏玻璃的结构，需要降低作用于玻璃上的能量，以有效保护液晶玻璃，从而降低玻璃损伤。

【关键词】    TFT-LCD    液晶玻璃    激光    打码工艺    强度改善

引言

目前，TFT-LCD液晶显示各项关键技术已经取得了重大突破，液晶显示技术正在快速发展迭代[1]。二维码作为一种占用面积小，方便追溯及易于读取的方式，广泛应用于各行业中。在TFT LCD行业，在Panel上也采用了二维码的形式进行Panel ID识别。

TFT LCD行业使用的二维码一般是一个正方形平面图形，在Panel上进深大约几微米，加上二维码图形要设置在玻璃表面，这就要求二维码制作工艺水平要非常高。

目前液晶屏产能巨大，可以用曝光方式制作二维码的工艺设备非常昂贵，为了节约成本，并且使产能最大化，目前Array工序只在Glass上刻蚀少量Panel上的二维码，而Glass上剩下的绝大多数二维码需要后段加工补充完整。

激光技术应用场景广阔，发展越来越快，各国在加速研发新的激光器，导致激光打码机价格下探，并且性能不断提升。各大厂家争相推出激光打码机，这种设备的价格远低于Array刻蚀设备，加上节拍速度快，成为一种应用较普遍的打码设备。一般会将设备布局在Glass切割成Q Panel之后，用于Q Panel打码。

相比于Array刻蚀设备，激光打码由于是使用激光瞬时高温高能来去除TFT Mask图层。在激光的冲击下，除了TFT 表面的Mask图层遭到破坏外，玻璃内部结构也会受损。根据破片理论分析，玻璃强度下降有两个因素：Origin点和stress。通过仪器观察可知，玻璃的内部已经出现微裂纹，形成了导致强度下降的Origin点。Origin点在受到外力的作用时就会发生破片。

玻璃强度是评价加工状态的重要标准[2]。为了改善打码后的Panel强度，我们通过改变打码机的参数，修改TFT Mask图层。通过实验室定点检测二维码位置的强度变化，得出强度变化的影响因子，通过改善工艺条件，可以很好的控制并降低激光打码对玻璃造成的损伤，具有较大的参考和应用价值。

一、激光及打码原理

半导体激光器是一种电-光转换器件，通过电子与空穴复合时产生受激辐射效果，从而输出激光[3]。激光在焦点处有明显的聚热效应，在高能的作用下，附近的粒子会被迅速打碎[4]。激光具有很强的穿透性，能够使金属表面快速达到熔点，进而金属状态发生变化[5]。在TFT LCD行业中，Array刻蚀工艺制作出来的金属层非常薄，利用激光的这一性质，可以通过激光打点的方式刻画出二维码图形。通过观察玻璃基板表面图层的3D成像可知，激光spot的热效应从中心往外衰减。通过VCR或其他光学仪器聚焦，可以观测到完整的二维码图形。实验所使用的激光spot设置为30um，在不同的激光能量下，spot的 直径不同，如实际打码的效果没有到30um，可能导致因没有完整形成二维码而读取失败。

实验所使用的激光器为Nd： YV04 Laser。打码后二维码读取效果的参数较多，主要参数有三个：激光发射频率、打码速度及开关延迟。

激光信号发射频率是激光器的重要功能参数，即为脉冲频率。实际生产过程中，通常可以设定的范围为10KHz～600KHz，如图1所示。不同频率的脉冲达到受体表面后产生的能量不同。设定好频率后，可以设定该频率下激光能量ON时间占比（0～100%），以下一律简称为占空比。

在激光打码工艺中，随着打码速度的变化，打码的轨迹粗糙程度也会有不同，通过微观矢量示意图可以知道：速度越慢，打码效果越精细;速度越快，打码效果越粗糙。如图2所示。

打码开关延迟也会影响打码的效果。通过设置不同的开关延迟时间，可以控制起点或者终点打码能量过度聚集的问题。

通过加大起点激光开关时间，有利于控制能量聚集。通过缩短终点激光开关时间，有利于控制能量聚集。

调整好激光参数后，即可在Recipe里设定需要ID打码的类型：二维码、字母数字、二维码与字母数字组合。利用激光聚能效应将Panel表面的ID区域的金属层及有机层去除即可形成相应的ID。

二、强度测试

2.1 强度测试介绍

根据破片理论，玻璃破片的触发要素为origin点和stress。为检测Panel强度，通常采用Bending test、BOR test及Push test等强度测试方法。为检测激光打码后的强度，常用的方法是采用Push test定点测量Panel破损时承受的力的大小。所使用的测试仪器为Bending Tester（厂家为Instron），使用一根直径6mm的橡胶棒对打码区域进行施压，实验速度10mm/min，直至此区域破裂，记录破裂時的压力。玻璃内部的微裂纹的存在，将使得玻璃在受到外力时，在这一点最先破裂[6]。

因激光打码会降低玻璃强度，玻璃破裂时，破裂origin点将是测试区域内强度最低的点，因此可以将此测试方法作为评判Panel强度的依据。实际测试时破裂点均为二维码区域，验证了可以以此试验方法作为参考方法。为了对比打码后强度的衰减程度，将Array刻蚀屏的强度作为对比。测试曲线如图3所示。

2.2 验证最佳工艺条件

为验证不同条件下玻璃强度变化情况，设置不同脉冲频率、打码速度及开关延迟条件进行测试。

在不同的频率下，玻璃强度表现不同。目前，通过不同的滤光片设计方法，可以得到532nm、850nm及1064nm等波长的滤光片[7]。我们所使用的激光器激光波长为532nm。本实验中，固定打码速度500mm/s，无开关延迟条件。当脉冲频率设置为500KHz时，强度中位线为7.4N，而对比组Array刻蚀打码的强度中位线为14.5N。在此频率下，强度下降幅度接近50%。随着脉冲频率的降低，强度有不同程度的上升。如图4所示。

在固定脉冲频率的情况下，我们测试了不同的占空比下激光输出能量值。实测情况如下图5所示：

通过上图可知，随着占空比的增加，打码能量随之增加，VCR能读取的实测能量>0.7w，因此过低的占空比无法适用于生产。在不同的脉冲频率条件下，可以找出对应的最低占空比，在此条件下，激光对玻璃的损伤最低。设置频率为400KHz，占空比在45%时捕捉到打码区域上有微裂纹，当加大占空比到80%时却没有微裂纹，说明增加频率对玻璃强度影响较大。

为验证打码速度（激光光斑移动的速度）对强度的影响，设置不同的打码速度进行验证。测试结果如下表1所示。

频率变化会影响到表面改性质量和性能[8]。目前有很多关于激光工艺参数对表面改性质量的报到，但对基底玻璃强度的影响很少有人研究。从实验结果可知：在低频率下，打码速度越慢，玻璃强度越高。在频率增加到200KHz后，打码速度将不再对玻璃强度起决定性作用。

开关延迟对激光能量的起点和终点能量聚集起着重要的作用，为验证能量聚集对玻璃强度的影响，固化打码速度100mm/s，调整开关延迟参数并测定玻璃强度，结果如下表2所示：

通过测试开关延迟参数，可知玻璃强度没有明显变化，在实际生产中可以根据VCR读取需要进行微调。

三、基板强度探究

3.1 打码图层介绍

液晶屏打码的图层设置在TFT基板上，通过在Array工艺形成的Gate层上打码，可以获得VCR容易识别的二维码。在ODF工序经过対盒，CF与TFT通过Seal胶粘在一起[9]。打码时TFT与CF处于对盒状态，打码区域尺寸为：1.9mm*10mm。此区域的图层从CF Glass到TFT Glass侧如下图6所示。

打码工序结束后，TFT与CF对盒的玻璃被切割成Single Panel。因打码区域位于TFT基板端子上方，VCR在读取二维码时不涉及CF Glass及其上方的图层，TFT膜层对于二维码识别至关重要。通常情况下，VCR设备位于CF Glass上方。Gate层含有金属Cu成分，当Gate层没有被激光打穿时，VCR对于二维码的识别率较低。

3.2 强度下降的原因

随着激光能量的增加，膜层被破坏的程度不断加大，在显微镜50X镜头观察，可以看到在高激光能量下，激光spot区域内，TFT基板上的膜层全部脱落。如图7所示。

膜层在激光的冲击下，迅速往旁边发散，当激光能量足够大时，spot中心区域几乎不可见膜层残留。如图8所示。

研究中采用的玻璃为康宁Eagle玻璃。通过SEM切片可以看到Push Test强度较差的玻璃有微裂纹发生。裂纹沿着打码的方向从上往下延伸，在做强度测试时，此处形成了一个Origin点。玻璃上有微裂纹是导致玻璃强度下降的直接原因。如图9所示。

3.3 SD层用于打码验证

激光照射不同金属会有不同的表现， Cu熔点比Al高，可以通过合金工艺降低含Cu合金的熔点，选择合适的工艺可以将含Cu合金的熔点降至金属Al的熔点以下[10]。Gate层中主要金属成分为Cu，SD层中主要金属成分为Al。通过改变Array刻蚀工艺，打码区域去除Gate层，留下SD层，激光便会作用于Al金属上。变更Array工艺后，打码区域的图层从CF Glass到TFT Glass侧如下图10所示。

通过修改激光脉冲频率和占空比参数，根据VCR读取情况，选取VCR能读取的最低能量参数。得出如下Push Test强度测试结果，结果显示：10KHz和30KHz条件下强度衰减较小。强度测试结果如图11所示。

四、金属层厚度变化的影响

实际测定激光能量功率稳定性stability≤10%。当金属层图层膜层不均时，激光打码效果会产生变化。金属图层变厚后，为保证VCR能读取二维码，激光能量需加大。实际SEM查看膜层后发现Glass周边的金属有不均的现象，如图12所示。根据上文能量與频率及占空比的对应关系，需要加大脉冲频率或者加大占空比均可达到能量增加的效果。

五、讨论

本研究中均使用CF基板朝上，激光从上往下照射打码。打码过后，单独观测CF Glass上的OC层（有机物）也有被激光破坏。如图13所示。

当TFT基板朝上打码时，在同一TFT工艺下，为了获得较好的二维码视野，需要将激光能量加大。

研究发现，激光打码时释放的能量会在玻璃表面急剧释放，产生的高低温转换效应会对玻璃产生较大影响。

本研究验证了Cu工艺变成Al工艺后，脉冲频率可以进一步下探。后续研究可以进一步探究Al工艺应用于Gate层的影响。

六、总结

随着市场对Panel强度要求越来越高，当前的强度现状已不能满足市场需求。研究表明，激光对Panel造成了损伤。通过研究激光打码对强度的影响，找出了在Gate层打码条件下最佳的工艺条件是需要设置300KHz以下的脉冲频率，此外，打码速度也会影响到Panel强度，实际生产中可参考500mm/s作为量产条件。

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