TFT-LCD行業激光打碼后面板強度改善

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行業因Array曝光設備產能制約，需要用到Q Panel激光打碼。玻璃經過激光打碼后，玻璃強度降低。為了提高玻璃強度，需要對激光打碼工藝進行改善。方法：通過數據收集與DOE實驗分析方法，找到了強度影響因子。通過改良工藝流程，實現激光打碼后Panel強度提升;基于激光打碼后強度提升的驗證，有效解決了液晶玻璃在打碼后的強度衰減問題。結果：結果顯示，激光在低頻率下，對玻璃損傷較小，通過實驗與驗證，脈沖頻率為300KHz以下效果較好;通過微調激光打碼速度，能有效提升玻璃強度，通過實驗驗證，打碼速度設置500mm/s效果較好。結論：激光通過瞬時與Panel表面膜層發生一系列物理及化學反應，瞬間釋放的能量能破壞玻璃的結構，需要降低作用于玻璃上的能量，以有效保護液晶玻璃，從而降低玻璃損傷。

【關鍵詞】? ? TFT-LCD? ? 液晶玻璃? ? 激光? ? 打碼工藝? ? 強度改善

引言

目前，TFT-LCD液晶顯示各項關鍵技術已經取得了重大突破，液晶顯示技術正在快速發展迭代[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，廣泛應用于各行業中。在TFT LCD行業，在Panel上也采用了二維碼的形式進行Panel ID識別。

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

目前液晶屏產能巨大，可以用曝光方式制作二維碼的工藝設備非常昂貴，為了節約成本，并且使產能最大化，目前Array工序只在Glass上刻蝕少量Panel上的二維碼，而Glass上剩下的絕大多數二維碼需要后段加工補充完整。

激光技術應用場景廣闊，發展越來越快，各國在加速研發新的激光器，導致激光打碼機價格下探，并且性能不斷提升。各大廠家爭相推出激光打碼機，這種設備的價格遠低于Array刻蝕設備，加上節拍速度快，成為一種應用較普遍的打碼設備。一般會將設備布局在Glass切割成Q Panel之后，用于Q Panel打碼。

相比于Array刻蝕設備，激光打碼由于是使用激光瞬時高溫高能來去除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，玻璃內部結構也會受損。根據破片理論分析，玻璃強度下降有兩個因素：Origin點和stress。通過儀器觀察可知，玻璃的內部已經出現微裂紋，形成了導致強度下降的Origin點。Origin點在受到外力的作用時就會發生破片。

玻璃強度是評價加工狀態的重要標準[2]。為了改善打碼后的Panel強度，我們通過改變打碼機的參數，修改TFT Mask圖層。通過實驗室定點檢測二維碼位置的強度變化，得出強度變化的影響因子，通過改善工藝條件，可以很好的控制并降低激光打碼對玻璃造成的損傷，具有較大的參考和應用價值。

一、激光及打碼原理

半導體激光器是一種電-光轉換器件，通過電子與空穴復合時產生受激輻射效果，從而輸出激光[3]。激光在焦點處有明顯的聚熱效應，在高能的作用下，附近的粒子會被迅速打碎[4]。激光具有很強的穿透性，能夠使金屬表面快速達到熔點，進而金屬狀態發生變化[5]。在TFT LCD行業中，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，可以通過激光打點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的熱效應從中心往外衰減。通過VCR或其他光學儀器聚焦，可以觀測到完整的二維碼圖形。實驗所使用的激光spot設置為30um，在不同的激光能量下，spot的 直徑不同，如實際打碼的效果沒有到30um，可能導致因沒有完整形成二維碼而讀取失敗。

實驗所使用的激光器為Nd： YV04 Laser。打碼后二維碼讀取效果的參數較多，主要參數有三個：激光發射頻率、打碼速度及開關延遲。

激光信號發射頻率是激光器的重要功能參數，即為脈沖頻率。實際生產過程中，通常可以設定的范圍為10KHz～600KHz，如圖1所示。不同頻率的脈沖達到受體表面后產生的能量不同。設定好頻率后，可以設定該頻率下激光能量ON時間占比（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;速度越快，打碼效果越粗糙。如圖2所示。

打碼開關延遲也會影響打碼的效果。通過設置不同的開關延遲時間，可以控制起點或者終點打碼能量過度聚集的問題。

通過加大起點激光開關時間，有利于控制能量聚集。通過縮短終點激光開關時間，有利于控制能量聚集。

調整好激光參數后，即可在Recipe里設定需要ID打碼的類型：二維碼、字母數字、二維碼與字母數字組合。利用激光聚能效應將Panel表面的ID區域的金屬層及有機層去除即可形成相應的ID。

二、強度測試

2.1 強度測試介紹

根據破片理論，玻璃破片的觸發要素為origin點和stress。為檢測Panel強度，通常采用Bending test、BOR test及Push test等強度測試方法。為檢測激光打碼后的強度，常用的方法是采用Push test定點測量Panel破損時承受的力的大小。所使用的測試儀器為Bending Tester（廠家為Instron），使用一根直徑6mm的橡膠棒對打碼區域進行施壓，實驗速度10mm/min，直至此區域破裂，記錄破裂時的壓力。玻璃內部的微裂紋的存在，將使得玻璃在受到外力時，在這一點最先破裂[6]。

因激光打碼會降低玻璃強度，玻璃破裂時，破裂origin點將是測試區域內強度最低的點，因此可以將此測試方法作為評判Panel強度的依據。實際測試時破裂點均為二維碼區域，驗證了可以以此試驗方法作為參考方法。為了對比打碼后強度的衰減程度，將Array刻蝕屏的強度作為對比。測試曲線如圖3所示。

2.2 驗證最佳工藝條件

為驗證不同條件下玻璃強度變化情況，設置不同脈沖頻率、打碼速度及開關延遲條件進行測試。

在不同的頻率下，玻璃強度表現不同。目前，通過不同的濾光片設計方法，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。本實驗中，固定打碼速度500mm/s，無開關延遲條件。當脈沖頻率設置為500KHz時，強度中位線為7.4N，而對比組Array刻蝕打碼的強度中位線為14.5N。在此頻率下，強度下降幅度接近50%。隨著脈沖頻率的降低，強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，我們測試了不同的占空比下激光輸出能量值。實測情況如下圖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能讀取的實測能量>0.7w，因此過低的占空比無法適用于生產。在不同的脈沖頻率條件下，可以找出對應的最低占空比，在此條件下，激光對玻璃的損傷最低。設置頻率為400KHz，占空比在45%時捕捉到打碼區域上有微裂紋，當加大占空比到80%時卻沒有微裂紋，說明增加頻率對玻璃強度影響較大。

為驗證打碼速度（激光光斑移動的速度）對強度的影響，設置不同的打碼速度進行驗證。測試結果如下表1所示。

頻率變化會影響到表面改性質量和性能[8]。目前有很多關于激光工藝參數對表面改性質量的報到，但對基底玻璃強度的影響很少有人研究。從實驗結果可知：在低頻率下，打碼速度越慢，玻璃強度越高。在頻率增加到200KHz后，打碼速度將不再對玻璃強度起決定性作用。

開關延遲對激光能量的起點和終點能量聚集起著重要的作用，為驗證能量聚集對玻璃強度的影響，固化打碼速度100mm/s，調整開關延遲參數并測定玻璃強度，結果如下表2所示：

通過測試開關延遲參數，可知玻璃強度沒有明顯變化，在實際生產中可以根據VCR讀取需要進行微調。

三、基板強度探究

3.1 打碼圖層介紹

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

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

3.2 強度下降的原因

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區域內，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，迅速往旁邊發散，當激光能量足夠大時，spot中心區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強度較差的玻璃有微裂紋發生。裂紋沿著打碼的方向從上往下延伸，在做強度測試時，此處形成了一個Origin點。玻璃上有微裂紋是導致玻璃強度下降的直接原因。如圖9所示。

3.3 SD層用于打碼驗證

激光照射不同金屬會有不同的表現， Cu熔點比Al高，可以通過合金工藝降低含Cu合金的熔點，選擇合適的工藝可以將含Cu合金的熔點降至金屬Al的熔點以下[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，打碼區域去除Gate層，留下SD層，激光便會作用于Al金屬上。變更Array工藝后，打碼區域的圖層從CF Glass到TFT Glass側如下圖10所示。

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

四、金屬層厚度變化的影響

實際測定激光能量功率穩定性stability≤10%。當金屬層圖層膜層不均時，激光打碼效果會產生變化。金屬圖層變厚后，為保證VCR能讀取二維碼，激光能量需加大。實際SEM查看膜層后發現Glass周邊的金屬有不均的現象，如圖12所示。根據上文能量與頻率及占空比的對應關系，需要加大脈沖頻率或者加大占空比均可達到能量增加的效果。

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，單獨觀測CF Glass上的OC層（有機物）也有被激光破壞。如圖13所示。

當TFT基板朝上打碼時，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。

研究發現，激光打碼時釋放的能量會在玻璃表面急劇釋放，產生的高低溫轉換效應會對玻璃產生較大影響。

本研究驗證了Cu工藝變成Al工藝后，脈沖頻率可以進一步下探。后續研究可以進一步探究Al工藝應用于Gate層的影響。

六、總結

隨著市場對Panel強度要求越來越高，當前的強度現狀已不能滿足市場需求。研究表明，激光對Panel造成了損傷。通過研究激光打碼對強度的影響，找出了在Gate層打碼條件下最佳的工藝條件是需要設置300KHz以下的脈沖頻率，此外，打碼速度也會影響到Panel強度，實際生產中可參考500mm/s作為量產條件。

參? 考? 文? 獻

[1]儲小亮.TFT-LCD技術發展趨勢淺析[J].電子世界，2018（20）：73.

[2]王依依，侯丹丹，潘慶龍，等.液晶玻璃斷面強度評定方法研究[C].中國硅酸鹽學會專題資料匯編，2018：212.

[3]陳 偉，班德超，穆春元.高穩頻窄線寬半導體激光器[D]. 北京：中國科學院，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研究[J].物理學報，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.我國金屬材料熱處理節能新技術與應用探析[J].電子制作，2015（2）：241.

[6]王依依，侯丹丹，潘慶龍，等. 液晶玻璃斷面強度評定方法研究[C].中國硅酸鹽學會專題資料匯編，2018：210.

[7]王 建，徐均琪，蘇俊宏，等.850nm濾光片的設計、制備及激光損傷特性[J].表面技術，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TC4合金表面激光熔覆復合涂層組織及性能的影響[J].材料導報，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Cu-P-Sn-Ni釬料粉末的制備研究[J].粉末冶金工業，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）