触屏玻璃精密加工技术研究范文

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《超硬材料工程杂志》2016年第4期

摘要：

随着手机、平板电脑及可穿戴数码产品的不断发展，触屏玻璃的材料及制作加工技术也不断推陈出新。文章综述了触屏技术分类及触屏玻璃的发展现状，阐述了触屏玻璃的加工流程，分析了各种触摸屏玻璃精密加工技术的特点以及触摸屏玻璃精密磨削金刚石磨具的发展方向。

关键词：

触屏玻璃；精密加工技术；金刚石砂轮工具

0前言

触摸屏广泛应用于智能手机、平板电脑、笔记本电脑、电子书、游戏机等领域。近年来，随着智能手机、平板电脑、车载移动终端以及商业化信息查询系统等智能终端产品的普及推广，全球触摸屏产品和技术发展突飞猛进，产业规模不断提升。市场调研机构TrendForce的报告显示，2014年全球智能手机出货量达到11．67亿部，相比2013年增加了25．9％；2015年全球智能手机出货量为12．93亿部，同比增长10．3％；TrendForce预估2016年智能手机市场仍呈现饱和状态，年增长约7．3％，总出货量向14亿部迈进。触屏玻璃为了达到高强度的要求，多采用强化玻璃作为基板材质，强化玻璃切割加工难度较大，加工时容易产生崩边，而这些崩边又容易造成玻璃强度降低［1］，需要对触摸屏玻璃进行精密加工，因此对触屏玻璃精密加工技术与工具研究的进展进行总结讨论有着重要的意义。

1触摸屏技术

随着触摸屏在电子显示领域的广泛应用，触屏技术也在不断发展和提升。目前的触屏技术主要包括电阻式、表面音波、红外线、表面电容式、投射电容式等［2－3］。电阻式及电容式主要为中小尺寸应用技术。电阻式触摸屏是最早出现的触摸屏种类之一，其利用压力感应进行控制，由于其技术成熟且简单，并且具有价格优势，对一般厂商而言是最容易切入的触屏技术，但其存在透光率较低、耐久性较差等缺点；表面声波触摸屏是将一块不含有导电介质的普通玻璃屏安装在CRT、LCD或PDP等显示屏的前面，其主要特点是适应能力强，由于工作面是一层声波能量，表面声波触摸屏的基层玻璃没有任何夹层和结构应力，因此适合在公共场合等环境较恶劣的条件下使用；表面电容式触摸屏的表面覆盖有一层导电膜，工作时当人或其它物体接触其表面时，电极就能接收到表面电荷的变化，从而确定接触点的位置；红外式触摸屏是利用X－Y方向上设置的红外线矩阵来检测并定位触摸点的，红外线式触摸屏价格便宜、安装容易、能较好地感应轻微触摸与快速触摸，但是由于红外线式触摸屏依靠红外线感应动作，阳光、室内射灯等外界光线变化均会影响其准确度；表面电容触摸屏的寿命长，但是分辨率低且不能实现多点触控；投射式电容以蚀刻ITO制成，以触控时在X、Y交会处电容值的变化来判断触控的位置，具有较高耐用性、透光度、反应速度以及多点触控功能的优点。2007年以来苹果公司的iPhone、iPad系列产品取得的巨大成功，引发投射式电容屏开始了井喷式的发展，迅速取代电阻式触摸屏，成为现在市场主流的触控技术。

2触摸屏玻璃分类

触摸屏玻璃是触摸屏的重要组成部分，按照其用途的不同，可以分为盖板玻璃和基板玻璃。而按照屏幕面板材质的不同，则可以分为PET膜、钢化玻璃和蓝宝石玻璃。由于PET膜用于传统的电阻屏，故在下文不作详细介绍。

2．1触摸屏盖板玻璃

早期的触摸屏大多用于采用电阻式触摸屏技术的设备中，其盖板玻璃一般采用亚克力板或者是钠钙玻璃。但是其机械强度不高，表面抗划伤性和抗冲击性均较差，从而经常导致显示屏幕出现破损和表面变粗糙的情况。随着触摸屏在大众电子消费产品中的普及，电容式触摸屏应用得越来越广泛，对于触摸屏盖板的要求也随之提高。目前，触摸屏盖板玻璃多数采用高铝硅玻璃，其特点是硬度高，耐磨性好。市场上的高铝硅玻璃主要由外国企业生产，常见的牌号有美国康宁的Gorilla、日本旭硝子的Dragon－trail以及德国肖特的XensationCover等。国内对高铝硅玻璃盖板玻璃的研发起步较晚。成都光明光电目前推出了标号为MJB5的高强度玻璃，据相关信息显示，其比蓝宝石玻璃具有更高的强度。2014年，科立视材料科技有限公司研发了名为“下拉溢流法”的玻璃生产工艺，成功制造并量产0．4mm的高铝玻璃盖板，但是其生产的盖板玻璃是有碱配方，且不可以用于TFT玻璃基板。近年来，单片玻璃解决方案（OGS）以及玻璃薄膜电容（GF）成为触控面板厂研究的两大技术焦点。其中单片玻璃解决方案即在盖板玻璃上面制作传感器，节省了一片基板玻璃和一次贴合，触摸屏能够做得更薄且成本更低。OGS技术的兴起对触摸屏盖板提出了更高的要求，可以说盖板玻璃已成为电容式触控技术最关键的材料之一，而其加工技术将很大程度地影响其成品率和质量。

2．2触摸屏基板玻璃

触摸屏基板玻璃主要采用钠钙硅玻璃，其尺寸规格主要包括有1．1mm、0．7mm、0．5mm以及0．33mm等。国外厂家主要有美国康宁、日本旭硝子、电气硝子，国内的有南玻集团，河北东旭集团等。相对于触摸屏盖板玻璃，其技术门槛较低一些。由于钠钙硅玻璃的价格远低于高铝硅玻璃，虽然高铝硅玻璃的钢化效果要强于普通钠钙硅玻璃，但是其钢化后仍然能够达到一定的强度和保护效果，故出于降低成本考虑，许多厂家开始将普通钠钙硅玻璃作为中、低端触摸屏手机盖板使用。南玻集团采用新型的熔盐成分，对厚度为0．3～1．1mm、尺寸大于（300×300）mm的超薄平板玻璃进行化学钢化处理，处理后所得的化学钢化玻璃的表面应力平均值为300～450MPa，翘曲度低于0．2％，同时兼顾玻璃的可切割性和翘曲度，满足了显示器基板的使用要求。秦皇岛设计院针对显示屏玻璃的应用进行制备和性能研究，经过实验制备出的超薄玻璃化学钢化后表面压应力可达702MPa，已能满足液晶显示屏的要求。

2．3蓝宝石玻璃

2013年11月苹果公司消息称iPhone6可能使用蓝宝石玻璃作为手机面板。虽然后来iPhone6并没有采用蓝宝石玻璃，但却在其AppleWatch的显示屏上采用了。此后，蓝宝石玻璃便进入大众的眼球并受到广泛的关注。严格来说，蓝宝石玻璃一词是不确切的，因为采用的是蓝宝石晶体，而不是玻璃。蓝宝石是一种硬度达到9（莫氏硬度）的刚玉晶体，其硬度比知名手机面板玻璃Gorilla更高，其耐刮性能也更优于Gorilla。此外，蓝宝石的光泽度比玻璃好，化学稳定性和热稳定性也优于玻璃面板。但是蓝宝石生产工艺较复杂，特别是大尺寸蓝宝石手机屏幕制造成本较高，每块价格比玻璃面板提高近10倍。人工制备蓝宝石在1902年就开始进行研究，但大都是小尺寸的晶体。大尺寸蓝宝石在近年开始制备，并发展起来了多种方法，如热交换法、泡生法、温梯法以及针对泡生法进行改良的冷心放肩微量提拉法等。由于蓝宝石很硬，后期的研磨和抛光都非常困难，使得蓝宝石的成本很高。目前除了苹果手机屏幕采用蓝宝石玻璃外，国内也有数家手机制造商推出了蓝宝石屏幕手机。由于蓝宝石玻璃具有的优异性能，随着蓝宝石制备方法的改进，规模扩大，生产效率提高，价格有可能进一步下降，蓝宝石玻璃在未来的触屏面板领域将得到更广泛的应用。

3触摸屏玻璃加工技术

3．1触摸屏玻璃切割加工

在触摸屏的生产制造中，为了提高生产效率，通常是在一张大的玻璃上制作多个触摸屏。经过丝印后的大玻璃要通过切割分成多个触摸屏。切割是触屏玻璃加工的起始工序，其切割的质量直接影响后续加工的难易程度。目前常见的切割工艺有刀轮切割、水射流切割以及激光切割。刀轮切割也称为机械切割，是通过硬质合金或者金刚石的刀轮在一定压力下沿着玻璃滑动，在玻璃上形成一条深度和宽度一致的切口，然后进行裂断。刀轮切割技术成熟稳定、工艺简单、成本低；切割的质量主要取决于刀轮的品质［4］。但是刀轮切割也有着明显的局限，针对厚度小于1mm的玻璃使用刀轮切割是十分困难的，因为玻璃非常容易破碎；此外，刀轮加工后会在边缘区域留下显著的机械应力；随着触屏技术的不断发展，对触屏玻璃切割质量和切割成品率的要求非常严格，如用于平板显示方面的玻璃最薄已经达到0．4mm，有些应用于电子产品的玻璃甚至达到0．05mm。随着钢化玻璃的不断发展以及蓝宝石玻璃逐渐进入触屏领域，传统的刀轮切割在面对这些变化时，明显显得灵活性不足。水射流切割是将普通的水通过一个超高压加压器，然后通过通道直径为0．3mm的水喷嘴产生一道约3倍音速的水射流进行切割，若加入砂料增加其切割力，则几乎可以切割任意材料。使用水射流切割触摸屏玻璃与刀轮切割相比有着明显的优点：切割时不会产生裂痕，它可以切割厚度很薄的玻璃、能够灵活切割曲线、不需要进行磨边等二次加工，在切割过程中还可以减少飞尘，改善工作环境［5］。激光切割是利用经聚焦的高功率密度激光束照射工件，使被照射的材料迅速熔化、气化、烧蚀或达到燃点，同时借助与光束同轴的高速气流吹去熔融物质，从而实现将工件割开的目的。利用激光进行玻璃的切割可以使切割边缘光滑整齐，避免传统机械切割出现的微细裂纹，切割质量可以得到很大地提高［6］。并且激光能够很好的在薄触屏玻璃上面打孔或者开槽［7］。所以使用激光对触屏玻璃进行加工受到了行业的关注。目前，用于工业生产的玻璃切割设备主要由国外生产，如美国FononDSS公司用于平板显示方面的玻璃激光切割设备；德国Grenzebach公司的浮法玻璃在线激光切割设备；德国H2B公司的平板玻璃切割设备；德国Rofin针对玻璃、蓝宝石、陶片等透明易碎型材料推出的激光切割设备等。在国内，对于激光切割玻璃设备和工艺也有相关的研究。2014年大族激光研发的蓝宝石激光切割设备已量产并实现销售。理论研究方面，叶圣麟对激光切割液晶显示玻璃基片进行研究，其结果表明，增大光斑尺寸，可减少断面上的热影响区，提高切割质量；但光斑尺寸过大，会降低激光功率密度，增大输出功率［8］。焦俊科分析了单束和双束CO2激光热应力切割玻璃的切割效果，其结果表明相对于单束CO2激光切割的方法，利用双束CO2激光进行玻璃的切割，既可以保证切缝沿既定方向扩展又可以提高切面的光洁度，是一种比较理想的玻璃切割方法［9］。汪旭煌利用有限元软件ANSYS进行温度场数值计算，建立了激光切割液晶玻璃基板温度场的有限元模型，研究了激光功率和光斑直径对激光切割过程中温度场的影响，得到了温度分布与激光功率、光斑直径的关系［10］。

3．2触屏玻璃精密磨削加工

触屏玻璃的主要制造工艺包括切割、研磨，再经机械抛光研磨或化学强化，针对触摸屏玻璃切割后产生的玻璃边缘崩边，目前通常使用两种方法进行边缘缺陷的消除。一是机械加工法，如图1所示，使用金刚石砂轮进行精密磨削，消除崩边裂纹，降低亚表面损伤，提高表面质量；二是化学强化法，对切割后（或者精密磨削后存在表面缺陷）的强化玻璃基板（C圆角、R圆角、孔及边等）使用氢氟酸处理玻璃边缘，氢氟酸可以溶解掉玻璃表面的微观不平整，消除缺陷，此外氢氟酸还可以与玻璃产生六氟化硅填补玻璃的微观裂纹，但六氟化硅不稳定，易与水接触，接触后还会还原成有毒的氢氟酸。虽然化学强化法成本低，但面临着危害健康和环境保护的压力。因此业界也越来越重视精密磨削后玻璃的表面质量，这对金刚石精密磨削砂轮也提出了很大的挑战。

3．2．1电镀金刚石砂轮加工触屏玻璃工艺

电镀金刚石砂轮的制备原理是金刚石在弱酸性溶液中吸附H离子，在电场作用下向阴极缓慢移动，再辅助其它落砂方法，金刚石磨粒贴附在阴极（钢基体）表面时，Ni离子不断在阴极表面沉积，从而形成包裹金刚石磨粒的镀层［11］。电镀金刚石砂轮中金刚石磨粒、镀层与钢基体之间微观结构如图2所示。基于电镀原理，金刚石与镀层、镀层与钢基体之间的结合都是弱的机械镶嵌作用，因此砂轮在使用过程中金刚石磨粒受力、受热易脱落，导致砂轮寿命较短［12］。金刚石砂轮的寿命短导致CNC精密加工机床换刀次数频繁，会影响生产节奏，降低生产效率。使用电镀金刚石砂轮加工触屏玻璃的主要工艺包括：成型、开槽（孔）、倒边、精磨（抛）等。加工后表面质量对触屏玻璃的强度影响很大。基于目前电镀金刚石砂轮的磨削精度限制，为进一步提高触屏玻璃加工后的强度，还需要进行玻璃边缘的封胶强化，目的是使用树脂对玻璃加工表面微细缺陷（裂纹）进行封闭，缓解加工应力，因此目前电镀金刚石砂轮对触屏玻璃进行精密磨削还存在不足之处。

3．2．2烧结金刚石砂轮加工触屏玻璃工艺

烧结金刚石砂轮的金刚石的结合强度比电镀金刚石砂轮要高，而且成型性好，耐高温，导热性和耐磨性好，使用寿命长，能够承受较大的负荷［13］。但是，由于砂轮在烧结的过程中不可避免地存在着精度低的问题，因此需要对砂轮进行整形处理，这也增加了烧结金刚石砂轮的制造成本［14－15］。国内外学者针对金刚石砂轮的修整进行了大量的研究，主要的修整方法有电解修整法、电火花修整法以及复合修整法等［16］。电解修整法速度快，但整形精度不高；电火花修整法整形精度高，既可整形又可修锐，但整形速度较慢；复合修整法有电解电火花复合修整法、机械化学复合修整法等，修整效果较好，但系统较复杂，因此烧结型金刚石砂轮的修整问题仍然没有得到很好解决。由于烧结金刚石砂轮的使用寿命比电镀金刚石砂轮的长，在加工触屏玻璃时可以大大减少CNC精密加工机床换刀次数，从而提高生产效率。并且电镀金刚石砂轮存在不可忽略的环境问题，所以随着烧结金刚石砂轮制备工艺和修整技术的发展，在触屏玻璃加工领域，烧结金刚石砂轮将来很有可能会取代传统电镀金刚石砂轮。

3结语

目前，针对触屏玻璃进行深加工的电镀金刚石砂轮存在着寿命短，加工表面质量差等缺点，而性能较好的烧结或钎焊金刚石砂轮由于成本原因还未广泛使用，为满足不断扩大的触屏玻璃市场，一方面要对传统的加工工具和工艺进行提升，另一方面也要加大对新技术的研究和新工具的产业化推广。

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作者:卢家锋 幸锋 曾宪明 张凤林 单位:广东工业大学机电工程学院 河源市树熊超硬磨具有限公司