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康宁玻璃二次强化工艺

  一.前言
  随着科技进步，触控面板制程技术演进日新月异，对于中国而言，2012年是智能手机爆发年成长的一年，根据统计2012年中国手机厂商设计与制造的智能手机出货量将可望突破2亿只。在平板计算机需求对5”~”寸触控屏的需求也是急增，预计今年中国平板计算机的出货量可能超过5500万台。另外，NPD DisplaySearch在最近发布的触控面板市场与技术分析报告(Touch Panel Market Analysis)中特别指出，微软(Microsoft)将上市的Windows 8软件，对于触控功能的强化，将为平板计算机与笔记本电脑的触控面板需求，注入革命性的变化。就因触控产品的需求急遽上升，要求触控模块厂商降低成本与厚度，投射式电容触控技术加速轻薄化发展的市场新趋势，轻薄、坚固是目前触控面板研发的两大指标。
  图年应用在Notebook与Tablet PC的触控面板产值(单位：百万美元)
  根据SID(Society Information Display)分类规范，以触控面板整合迭构的不同，将触控技术
分为三种(1)In-Cell(2)On-Cel(3)Out-Cell。
  「In-Cell」为素玻璃经过ITO镀膜，然后再经过黄光制程，将触控传感器(Touch Sensor)与显示器TFT-LCD液晶面板制作在一起，再与保护玻璃(Cover Glass)贴合(如图2)，优点有产品光学效果较佳、产品轻薄度最高、灵敏度等，缺点是制程技术门坎较高、良率低，玻璃经过切割后抗压强度下降，需要进行二次强化弥补缺陷。而根据报导指出Apple将在2012下半年发表的iphone5将采用in cell技术。
  五.化学二次强化制程与问题讨论—制程条件部分
  化学二次强化制程相关的因素有：(1)HF化学成分与浓度的监控(2)化学蚀刻制程温度的管控(3)玻璃砂过滤处理问题(4)蚀刻槽体较佳流场设计与过滤系统整合。3 h-I!P6 T:p3 w8]
  (1)HF化学成分与浓度的监控：由于化学二强主要是利用HF微蚀刻玻璃段面因切割产生的延伸性裂痕，使裂痕缩小甚至消失来提升产品的4pb能力，因此在制程中HF浓度会因为蚀刻SiO2而逐渐下降，影响到制程蚀刻速率，所以维持一定的HF浓度，稳定蚀刻速率是化学二强的制程重点。依据化学方程式说明(如图12)，HF和SiO2反应会生成氟化硅(SiF4)，在水中
会水解生成氟化硅和氟酸，氟化硅与氟酸生成氟硅酸(六氟硅酸)，六氟硅酸可溶于水纯H2SiF6不稳定，容易分解生成HF和SiF4。由GPTC二强实验数据(如图12)得知H2SiF6的增加会影响蚀刻速率(Etching Rate;ER)的下降，因此化学二次强化制程除了定时监控HF浓度外，一般会在固定时间或是固定量的投产批次内，将HF槽内的旧酸排放更新，让蚀刻速率回复水平。技术上来说使用氟离子侦测器或是水阻值计测量HF槽内的浓度或是水阻值表现，可计算出氟离子的浓度。另外，加入副方化学成分如HCl、CH3CO2H对于蚀刻厚的玻璃表面也有不同的修饰效果
  (2)化学蚀刻制程温度的管控：蚀刻制程为放热反应，若温度控制无法在适当的制程温度范围内将影响蚀刻速率的快慢。如图13两组实验数据讨论所示，数据1玻璃蚀刻为放热反应：起始温度℃升至℃à提高℃，数据2玻璃蚀刻为放热反应：起始温度℃升至℃à提高℃，不同起始温度经过长时间取样测量发现蚀刻温度逐渐增加，又蚀刻温度影响着蚀刻速率的变化，故选择一个温度点可接近放热反应的最终温度，可以稳定蚀刻速率和制程速率，这是化学二次强化制程调控上的重点。
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  (3)玻璃砂过滤处理问题：
  HF与SiO2反应会生成H4SiO4，而H4SiO4会沉淀下降形成所谓的玻璃砂，在蚀刻制程中若蚀刻时间越久，蚀刻玻璃的量就会越多，而玻璃砂就产生越多，玻璃砂若沉积在蚀刻槽体没有排除将影响玻璃蚀刻速率与表面质量，因此玻璃段面就容易出现凸点或是蚀刻不均的现象，影响蚀刻后的机械强度和模块的组装质量，所以化学二强制程中玻璃砂的过滤效果是否良好将决定产品出货时的良率状况。
  (4)蚀刻槽体较佳流场设计与过滤系统整合：
  若槽体流场设计不佳会导致玻璃砂无法有效的由玻璃表面带走，也会影响产品的质量，较佳的流场设计也会让酸液在最短时间内有效的混合均匀，让槽体各部位的蚀刻能力达到一致性，让产品蚀刻均匀度效果更佳;玻璃砂堆积严重者会堵塞机台管路，影响供酸循环系统效果，严重者影响蚀刻效率，使产品4pb改善效果降低，一般会设置过滤器(filter)来改善玻璃砂的问题。故设计良好的过滤系统和流场较佳的蚀刻槽体，是化学二强设备设计的重点。
  「On-Cell」指将触控的感测组件(touch sensor)制作在TFT-LCD液晶面板中彩滤光片(color filter)的上面，触控组件主要为ITO的x;y数组，为电容式触控(如图3)，由于on cell并没有带来明显的减薄和成本优势，市场都还没有形成，在in cell的趋起之后就已经式微了。
  「Out-Cell」为将触控面板外挂在TFT-LCD面板上(如图4)，包含电阻式触控、红外线式触控、波动式触控、光学式触控，以及电容式触控技术等。
  目前较着名且广泛运用的新型Out-Cell触控技术为One Glass Solution(OGS)和Touch on lens(TOL)(如图5)，将ITO直接镀膜在cover lens glass，可省掉一片玻璃成本，制程上亦可节省一道贴合程序，touch panel成品厚度也较薄，可较G/G便宜约五成，较G/F便宜约15%，缺点是强化玻璃经过切割容易产生裂痕，造成产品机械抗压力下降。
  二.机械抗压力测试手法与规范说明.
  由触控面的制程区分来看,不管是in cell/on cell/out cell触控面板制程，或是未来有机会取代TFT-LCD产品的AMOLED，只要是有整合触控制程的触控面板产品都会面临玻璃切割制程问题，而玻璃切割后的机械抗压力，就一直是各触控面板制造商需面临的重大议题。大部分的
触控面板厂是利用4-point bending test来测试产品的机械抗压力(如图6)，有些厂商用3-point bending test(如图7)，另外，有些产品也会用ball on ring(如图8)方式测试机械抗压力。如何在切割之后可保持强化玻璃原有的机械抗压力，甚至将产品的机械抗压力提升，因此，物理方式和化学方式的玻璃二次强化技术就油然而生。
tablet pc平板
  关于机械抗压力的测试手法与规范在此简单说明，首先会依据触控面板尺寸大小，设计不同规格轴距的制具去测试触控面板的4-point bending能力(简称4pb test)，并收集测试数据依照韦伯分布(Weibull distribution)作图，分析平均值(mean)和B10来确认产品规格是否符合客户要求。
  由GPTC化学二强机台，在二强前后测试4pb，将数据经Weibull plot出平均值和B10值(如图9)，而所谓的B10乃测试数据由小到大排列，经过韦伯分析的计算公式推算出10%的数据落点。数据处理部分会将落数据的最大值和最小值拿掉以便出最具参考性的数据。由实验数据可明显看出平均值在二强前为，经过二次化强后可提升到，B10可由上升到，可见化强效果明显，确实提升OGS产品的机械抗压力。
  三.玻璃二次强化制程种类与比较探讨2  U*C:B9 p
  由于触控面板是由外部施加压力去进行感应组件的作动方式达到使用效果，因此产品的机械抗压力是各大厂商要求的重要规范与指标。在触控面板二次强化的制程分类中，一般可区分为物理方式和化学方式两种(如图8)。
  物理方式而言，玻璃切割后段面的裂痕修整是利用研磨方式(polish)去进行二次强化的制程，优点是良率高，机械抗压力能力可明显提升数倍，缺点是产能很低，不具备量产性，且需要大量人力操作与机台设备，又制程相当费时，至少需30分钟才可产出一批货;相对而言，化学方式的强化制程乃是利用(Hydrofluoric Acid,HF)微蚀刻玻璃段面的切割裂痕，不但产能较大，量产性佳，且制程时间仅需7~8分钟即可产出一批产品，机械抗压力可提升4~8倍以上，只要将机台安全性设计完善，且规划流畅的作业动线，可将作业危害降到最低。最早期利用HF蚀刻玻璃边缘达到二次强化效果是由康宁在2010年8月24日在美国申请的一份专利，名称为Method of strengthening edge of glass article，是由Joseph 等人发表，文献于公告在2012年5月1日。后续产业界的化学二强设备的制程概念大都以其方式衍生。

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