微孔氣流加壓對ITO玻璃激光刻蝕平面度的影響

圖1為將微孔陶瓷體應(yīng)用在ITO玻璃激光刻蝕的模型。傳統(tǒng)刻蝕工藝是用激光直接刻蝕ITO玻璃。在本文提出的改進工藝中，微孔陶瓷體的中軸與作用于ITO玻璃表面的聚焦光束共線。通過在微孔陶瓷體表面加載加壓氣體（氣流壓力為p）以及調(diào)整陶瓷體與ITO玻璃間的刻蝕間隙h，氣體經(jīng)過陣列微孔可流動到工件表面，對表面加載一定的氣壓，可以在刻蝕過程中提高玻璃的平面度，更有利于刻蝕表面定位。為探索微孔陶瓷體裝置的氣流壓力p與刻蝕間隙h對刻蝕工藝的影響，使用ANSYS仿真軟件分別對微孔陶瓷體氣體流動方向與作用于ITO玻璃表面的氣壓進行仿真分析，表1為仿真參數(shù)。其中，微孔陶瓷對氣體流動的影響用不同方向的風(fēng)阻系數(shù)描述，其余條件與實際刻蝕條件一致。

圖1  微氣流陣列加壓的激光刻蝕模型

Fig. 1  Laser etching model with micro airflow array pressurization

圖2為刻蝕過程中微孔陶瓷體的氣體流動與ITO玻璃表面壓力的分布云圖。由圖2（a）可知，氣體大部分垂直作用于工件表面，只有小部分會擴散到其他區(qū)域。在氣流壓力p=0.18 kPa，刻蝕間隙h=1.9 mm時，氣流的最大速度高達3.13 m/s。在同等條件下，根據(jù)有限元分析可以發(fā)現(xiàn)，ITO表面壓力的分布與微孔陶瓷的位置與形狀有關(guān)，如圖2（b）所示。在中心處，表面正壓力達到最大，隨著與微孔陶瓷中心距離的增大，正應(yīng)力逐漸減小。在氣體流動的區(qū)域上會對工件產(chǎn)生一定的壓力，使得玻璃總體區(qū)域的壓力分布較為均勻。這有利于對ITO玻璃在刻蝕時實現(xiàn)精確定位，在刻蝕中不會因為激光熱膨脹導(dǎo)致工件表面翹曲。

圖2  激光刻蝕過程中氣流與氣壓的分析

Fig.2  Analysis of gas flow and pressure in laser etching process

圖3為氣流壓力p與刻蝕間隙h對最大氣流速度v_m的影響?？梢钥闯?，隨著氣流壓力p的增加，最大氣流速度v_m呈線性增加，速度從2.78 m/s增加到3.35 m/s。隨著刻蝕間隙h的增加，最大氣流速度變化無明顯規(guī)律，差異較小。氣流的速度會影響作用于ITO玻璃表面的氣壓力，從而影響最終刻蝕的平面度。

圖3  氣流壓力與刻蝕間隙對最大氣流速度的影響

Fig.3  Effects of airflow pressure and etching gap on maximum gas velocity

圖4為氣流壓力p與刻蝕間隙h對工件表面最大壓力p_m的影響?？梢钥闯?，p_m隨著氣流壓力p的增加呈線性增加，隨刻蝕間隙h的增加減小。當(dāng)h從1.9 mm降低到1.6 mm時，p_m從14.6 Pa增加到19.2 Pa，提升了31.5%；當(dāng)p從0.15 kPa增加到0.20 kPa，p_m從14.4 Pa增加到19.2 Pa，提升了33.3%。過小的壓力不足以壓緊工件，而過大的壓力可能會壓彎工件，所以在實驗中要根據(jù)仿真結(jié)果合理選擇實驗參數(shù)進行ITO玻璃的激光刻蝕。

圖4  氣流壓力與刻蝕間隙對表面最大壓力的影響

Fig.4  Effects of airflow pressure and etching gap on maximum surface pressure

圖5為微孔陶瓷體表面的SEM形貌圖?？梢钥闯?，其表面分布著微米級孔徑的微孔，微孔的平均直徑約為20 μm，且陶瓷材料表面具有隔熱、防靜電、表面精度高等特性，適合安裝在激光刻蝕的環(huán)境中。

圖5  微孔陶瓷表面及孔徑形貌

Fig.5  Morphology of microporous ceramic surface and its diameter

圖6為激光刻蝕裝備上的微孔陶瓷氣流加壓裝置。壓縮空氣通過氣管向微孔陶瓷體裝置產(chǎn)生供給壓力，調(diào)節(jié)間隙通過千分尺與調(diào)節(jié)螺栓組合調(diào)節(jié)，可進行雙面激光刻蝕。圖6（b）為刻蝕ITO玻璃所用的激光光路示意圖，刻蝕激光從激光發(fā)生器生成，經(jīng)過傳導(dǎo)鏡片、分束鏡等部件，最后通過掃描器裝置形成刻蝕光斑作用于工件表面。左上角為加載微孔陶瓷體后的光束直徑測量圖，光束直徑最終會影響經(jīng)過掃描器的場鏡聚焦后的刻蝕光斑尺寸。6 mm光束的聚焦性能更好，得到最優(yōu)的刻蝕光斑。被刻蝕的ITO玻璃工件放置在下方裝備平臺橫梁處，加工尺寸在400 mm×500 mm內(nèi)。

圖6實驗裝置及激光光路示意圖

Fig.6Schematic diagram of experimental devices and laser path

表2為刻蝕ITO玻璃參數(shù)。為了獲得高質(zhì)量的刻蝕線路，分析應(yīng)用微孔陶瓷后所用實驗參數(shù)中的氣流壓力p （0.15~0.20 kPa）與刻蝕間隙h （1.6~1.9 mm）的離焦量都在-0.1~0.1 mm 內(nèi)，說明激光刻蝕工藝窗口符合要求。

圖7為ITO玻璃表面平面度測量方法示意圖。平面度定義為表面凸凹高度相對理想平面的偏差。測量儀器為Keyence LK-HD500，橫向和縱向單邊分別選5個和15個測量點。通常，無應(yīng)用微氣流加壓的ITO玻璃平面度輪廓檢測如圖8所示，表面平面度為70 μm。

圖7  ITO玻璃表面平面度測量

Fig.7  Surface flatness measurement of ITO glass

圖8  ITO玻璃表面微觀形變

Fig.8  Surface micro deformation of ITO glass

圖9為有無微孔氣流加壓對ITO玻璃進行激光刻蝕的表面線路SEM形貌對比。在不應(yīng)用微孔陶瓷時，表面出現(xiàn)多余的刻蝕線路，刻蝕時易發(fā)生斷點或變形，這使最終產(chǎn)品出現(xiàn)局部短路現(xiàn)象從而產(chǎn)生不良品。由于平面度的降低，導(dǎo)致單條刻蝕線路會出現(xiàn)彎曲、分段的現(xiàn)象。應(yīng)用微孔氣流加壓后的線路表面均勻，沒有因刻蝕不完整而出現(xiàn)多余線路，同時單條刻蝕線路較為筆直，可以保證每一塊玻璃間的絕緣，說明應(yīng)用微孔陶瓷后的激光刻蝕效果較好。

圖9  ITO玻璃表面線路的SEM微觀形貌

Fig.9  SEM morphology of lines on ITO glass

實際生產(chǎn)中，在氣流壓力為0.18 kPa以及刻蝕間隙為1.9 mm左右時，ITO玻璃刻蝕表面的平整度較好。以此條件為基準(zhǔn)研究氣流壓力以及刻蝕間隙對平面度的影響。圖10為應(yīng)用微孔氣流加壓進行激光刻蝕前后ITO玻璃工件表面平面度的分布情況。可以看出，在應(yīng)用微孔陶瓷前，工件表面平面度的最大值與最小值集中在邊緣角落，而應(yīng)用微孔陶瓷后平面度分布較為均勻。

圖10  微孔氣流加壓的玻璃平面度

Fig.10  ITO glass flatness pressurized by microporous airflow

對比應(yīng)用前后的平面度數(shù)值可知，當(dāng)供給壓力p為0.18 kPa時，未應(yīng)用微孔陶瓷體的局部最大平面度為30 μm，最小為-40 μm，總平面度為70 μm；應(yīng)用微孔陶瓷體后，最大平面度為8 μm，最小平面度為3 μm，總平面度為5 μm。微孔陶瓷體裝置可以大幅提高ITO玻璃表面的平面度。

圖11為微孔氣流加壓中不同氣流壓力p對ITO玻璃刻蝕后平面度的影響。可以看出，在氣流壓力為0.05~0.25 kPa時，應(yīng)用微孔陶瓷后的ITO表面平面度值均低于初始的表面平面度，且平面度隨著壓力的升高呈先下降后上升的趨勢。從圖中可知，最理想的加載壓力在0.16~0.2 kPa，平面度可以保持在10 μm以內(nèi)，在0.18 kPa時表面最為平整，相比初始工件表面低90%，說明通過微孔氣流加載壓力優(yōu)化ITO電子玻璃平面度的效果比較理想。

圖11  氣流壓力與ITO玻璃平面度PV的關(guān)系

Fig.11  Relationship between airflow pressure and flatness PV

微孔陶瓷體最理想的加載壓力在0.16~0.2 kPa，對應(yīng)仿真結(jié)果可知，工件表面的壓力在11.7~14.6 Pa，刻蝕后平面度較好。

圖12為微孔陶瓷體不同調(diào)節(jié)間隙h對ITO玻璃刻蝕后平面度的影響，刻蝕間隙從0.5 mm每次遞增0.1 mm至2.5 mm?？梢钥闯觯S著刻蝕間隙的增加，平面度呈先減小后上升的趨勢，當(dāng)刻蝕間隙為1.6 ~1.9 mm時，平面度值低于10 μm；刻蝕間隙最優(yōu)為1.8~1.9 mm，此時平面度數(shù)值最低，為8 μm。結(jié)果表明，微孔氣流加壓中刻蝕間隙優(yōu)化ITO電子玻璃平面度較理想。對應(yīng)圖4的仿真結(jié)果可知，工件表面的壓力在13.2~14.4 Pa，刻蝕后平面度較好。

圖12  刻蝕間隙與ITO玻璃平面度PV的關(guān)系

Fig.12  Relationship between etching gap and flatness PV

綜上可知，當(dāng)工件表面所受到的氣壓壓力在13.2~14.4 Pa時，刻蝕后的表面平面度數(shù)值最低。在非合適的壓力范圍內(nèi)，激光刻蝕與ITO玻璃的形變無法匹配。在低于最優(yōu)壓力范圍時，工件表面由于不能壓緊表面會產(chǎn)生較大的變形；而大于此壓力范圍時，中心產(chǎn)生過大的下壓力而造成彎曲，這都不利于激光在刻蝕表面的定位。

基于以上實驗，選取最優(yōu)參數(shù)在ITO玻璃表面進行激光刻蝕線路，使用20倍鏡頭的光學(xué)顯微鏡對刻蝕ITO表面線路及銀漿線路形貌進行觀察，如圖13所示，線徑分別為8，25 μm。可以看出，線路寬度均勻清晰，品質(zhì)優(yōu)異，表明應(yīng)用微孔陶瓷裝置進行刻蝕產(chǎn)生的線路較為均勻，不會出現(xiàn)線路破碎或者短路的現(xiàn)象，提高了產(chǎn)品的良品率。

圖13  ITO玻璃表面刻蝕線路形貌

Fig.13  Morphology of etching circuit on ITO glass surface