玻璃材料之特性与应用课件.ppt

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1、玻璃材料特性与应用,2,大纲,1.玻璃材料之定义2.无机玻璃材料之组成成分与结构3.TFTBG玻璃种类之相关性质(物理,机械,热,化学,光,电)4.TFTBG玻璃材料之相关加工(外观成形,薄化,强化,退火)5.结论,3,大纲,1.玻璃材料之定义2.无机玻璃材料之组成成分与结构3.TFTBG玻璃种类之相关性质(物理,机械,热,化学,光,电)4.TFTBG玻璃材料之相关加工(外观成形,薄化,强化,退火)5.结论,4,1.玻璃材料之定义,玻璃:任何制备(熔融,气相沉积,Sol-Gel等)形成具有玻璃转换区(Glass Transformation),且非晶结构(Amorphous)的任意材料(有机,

2、无机,金属),温度,比热,T,m,玻璃,结晶物,过冷液态,液态,玻璃转换区,1-1.基本定义,结晶物,玻璃,5,大纲,1.玻璃材料之定义2.无机玻璃材料之组成成分与结构3.TFTBG玻璃种类之相关性质(物理,机械,热,化学,光,电)4.TFTBG玻璃材料之相关加工(外观成形,薄化,强化,退火)5.结论,6,2.无机玻璃材料之组成成分与结构,玻璃的组成成分,依据功用可分为主成分与副成分,2-1.无机玻璃材料之组成成分分类,7,2.无机玻璃材料之组成成分与结构,1.无硷玻璃:不含碱金属氧化物成分2.钠钙硅玻璃:Soda-Lime-Silica玻璃,钠,钙,硅为主要成分,2-1-1.主成分,8,2.

3、无机玻璃材料之组成成分与结构,为了建构不同功能的玻璃,还可选择加入上列成分例:氧化磷for光学透镜,氧化锌for温度计,氧化铅for水晶装饰品等,2-1-1.主成分,9,2.无机玻璃材料之组成成分与结构,赋予玻璃某特性,或是利于加工而加入,2-1-2.副成分,10,2.无机玻璃材料之组成成分与结构,1.Soda-Lime-Silica玻璃含有Fe2O3,外观略呈现透明绿色2.化学强化玻璃属于Soda-Lime-Silica玻璃,利用外界K+与玻璃内部的Na+进行 离子交换,除破裂强度提升外,其余性质与原Soda-Lime-Silica玻璃相同 3.Corning EXG玻璃,不含M2O,亦称无

4、硷玻璃,:含有此成分,NA:不含有此成分,M2O:碱金属氧化物,MO:碱土金属氧化物,2-1-3.无机玻璃材料的分类,11,2.无机玻璃材料之组成成分与结构,玻璃为固态非结晶物质,其组成结构的分析,适用于不规则网构理论(Random Network Theory),2-2.无机玻璃材料的组成结构,12,2-2-1.网构氧化物,2.无机玻璃材料之组成成分与结构,网构氧化物(Network Forming Oxides):玻璃主体结构,如SiO2,GeO2,O2-,Si4+,以Si为中心,配位4个O,形成四面体,不规则堆积1.Si-O距离分布:0.1620.45 nm2.O-O距离分布:0.265

5、0.51 nm3.O-Si-O夹角分布:144+/-14.4度,立体示意图,平面示意图,Si-O-Si:架桥氧共价键特性高,键结强,非依据实际大小,13,2.无机玻璃材料之组成成分与结构,网状结构修饰氧化物(Network Modifying Oxides):形成非架桥氧结构,如碱金属氧化物(M2O),碱土金属氧化物(MO),ZnO,PbO等,平面示意图,Si-O-:非架桥氧M+:形成一个非架桥氧,M+,M2+,Si-O-:非架桥氧M2+:形成两个非架桥氧,非依据实际大小,形成非架桥氧,导致Si-O-Si的连续性变低共价键的特性变低,键结变弱,O2-,Si4+,2-2-2.网状结构修饰氧化物,

6、14,2.无机玻璃材料之组成成分与结构,平面示意图,1.Al-O形成带1个负电的四面体结构 可以连结Si-O的四面体结构,同时 可以消耗Modifying Oxides,减少 非架桥氧形成2.Al含量比Modifying Oxides多时,如何产生非架桥氧的结构,目前仍未知,M+,M2+,非依据实际大小,中间性氧化物(Intermediate Oxides):同时具有前两者的结构效果,如Al2O3,Fe2O3,Al3+,O2-,Si4+,2-2-3.中间性氧化物,15,大纲,1.玻璃材料之定义2.无机玻璃材料之组成成分与结构3.TFTBG玻璃种类之相关性质(物理,机械,热,化学,光,电)4.T

7、FTBG玻璃材料之相关加工(外观成形,薄化,强化,退火)5.结论,16,3.TFTBG玻璃种类之相关性质,1.Corning EXG为无硷玻璃,不含碱金属氧化物,含有较少的Modifying Oxides2.Modifying Oxides会填入结构空隙,导入非架桥氧,降低键结,影响密度,黏度与特性温度等特性,3-1.物理性质,17,3.TFT BG玻璃种类之相关性质,1.原子间的键结强度,会反应在物质的机械性质上,键结强度强,相关的机械特性也较佳,3-2.机械性质,18,3.TFT BG玻璃种类之相关性质,1.原子间的键结强度,会反应在物质的热性质上,键结越强,热膨胀系数越低2.Soda-L

8、ime-Silica玻璃,热膨胀系数约为EXG的3倍,3-3.热性质,19,3.TFT BG玻璃种类之相关性质,1.玻璃最易被HF侵蚀(10%HF,20C,20分钟,重量损失5.18 mg/cm2)因此可用来薄化或是观察缺陷2.排除HF效应,玻璃的耐碱性,相较而言,比耐水,耐酸性差3.正达Soda-Lime-Silica玻璃无检测资料,3-4.化学性质,20,3.TFT BG玻璃种类之相关性质,非架桥氧会使分子极性上升,促进了电子与入射光的作用,因而造成折射率增加2.在可见光的范围里,光学性质,两者无太大差异,3-5.光学性质,21,3.TFT BG玻璃种类之相关性质,1.玻璃为电的不良导体2

9、.Soda-Lime-Silica玻璃因含有容易移动的碱金属离子,在300350C的 Array制程中,易扩散至电路元件,影响电讯号的稳定性,故无使用在 TFT-LCD,目前有评估,镀上约100 nm的SiO2来阻止碱金属离子扩散的基板,3-6.电性质,22,大纲,1.玻璃材料之定义2.无机玻璃材料之组成成分与结构3.TFTBG玻璃种类之相关性质(物理,机械,热,化学,光,电)4.TFTBG玻璃材料之相关加工(外观成形,薄化,强化,退火)5.结论,23,4.TFT BG玻璃材料之相关加工,1.玻璃的外观成型制程,目前主流分为上述两类2.Soda-Lime-Silica玻璃采用浮式制程3.TFT

10、-LCD玻璃主要采用溢流熔融制程,4-1.外观成形加工,24,4.TFT BG玻璃材料之相关加工,约1500C,约1200C,约1100C,锡浴(Tin Bath):1.比重大,不与玻璃反应2.易形成氧化锡融渣,附着于玻璃,需外加正压,避免大气接触锡,约600C,溢流熔融无抛光制程,溢流熔融无外加退火设备,4-1-1.浮式制程,25,4.TFT BG玻璃材料之相关加工,Isopipe,Fusion Overflow制程,仅需加大Isopipe的大小,便可以制作出大尺寸的玻璃基板,立体式的制造流程,4-1-2.溢流熔融制程,原料,26,4.TFT BG玻璃材料之相关加工,1.Floating P

11、rocess产量较大,但成形时冷却过快,需外加退火设备2.Floating Process产出的玻璃,表面较粗糙,需外加抛光制程细化 3.Fusion Overflow Process基板尺寸提升性较佳,4-1-3.外观成形制程比对,27,4.TFT BG玻璃材料之相关加工,现行玻璃的薄化加工,包含上述制程,4-2.薄化加工,28,4.TFT BG玻璃材料之相关加工,Lapping:国际日东,Grinding:正达,1.上下定盘反向旋转,较可稳定玻璃基板,以利下压施力,但也有同向旋转的机种2.正达研磨料使用钻石与氧化铝混合的药锭,粒径分布广约80300 um3.国际日东研磨料使用氧化铈粉末,粒

12、径分布约2.55 um4.依据研磨粒粒径可以看出,使用Grinding方式的厚度移除率较 Lapping快5.物理薄化后需要经过抛光,以使表面恢复镜面水平(Ra:0.30.7=0.010.02 um),4-2-1.物理薄化制程,29,4.TFT BG玻璃材料之相关加工,Dipping:Nagase,Spray:GD,1.Etching溶液,常包含510%HF,搭配硫酸,盐酸,氟化铵盐类混合而成2.Etching作业时,溶液温度常控制在2540C,以利侵蚀反应进行3.依据Etching液的供给方式,分为Spray,Dipping两类 4.化学薄化机台是以Cassette装载方式生产,故单机单日产

13、量较物理薄化机台多5.化学薄化后,可视点,线状缺陷比例,再选择抛光制程,4-2-2.化学薄化制程,30,1.抛光料均为氧化铈粉末,粒径分布约为0.51 um,与水混合成抛光溶液2.抛光垫材质为聚氨酯,质软有弹性可迎合基板的下压力,并提供抛光料流动性3.抛光方式亦可分为上下定盘反向,同向旋转两类4.抛光移除厚度约515 um,4.TFT BG玻璃材料之相关加工,Polishing:国际日东,Polishing:正达,GD,4-2-3.抛光制程,聚氨酯化学式,()n,31,4.TFT BG玻璃材料之相关加工,1.物理薄化易发生Spacer损伤,破片,表面刮伤等制程问题,且须搭配抛光制程,单机单日产

14、量小,但技术弹性较大,可生产Chip薄化商品2.化学薄化量产性佳,但需额外处理HF污染问题,4-2-4.薄化制程比对,O:佳:尚可接受X:差,32,4.TFT BG玻璃材料之相关加工,1.强化概念(1).减少缺陷形成(相对较难达到)(2).减缓缺陷成长(减小张应力),4-3.强化加工,33,4.TFT BG玻璃材料之相关加工,强化制程:(1).TTs,玻璃开始塑性变形,热膨胀系数变大(2).急速降温,膨胀系数出现差异(表面小于内部),随者冷却过程,会在表面 均匀形成可阻止缺陷成长的残留压缩应力 2.影响强化因子(1).冷却速率:速率越快,形成的残留应力越大(2).玻璃本质:热膨胀系数越大,厚度

15、越大,形成的残留应力越大3.适合厚度较厚的基板,约:1.820 mm,TTs,Cooling Rate 10C/min,4-3-1.物理强化制程,34,4.TFT BG玻璃材料之相关加工,强化制程:(1).将玻璃浸泡至300400C(小于Ts)的KNO3 溶液,约8小时(2).Na+/K+形成离子交换,由于K+(1.38)较Na+(1.02)大,因此 挤压附近结构,均匀形成可阻止缺陷成长的压缩应力2.影响强化因子(1).离子体积差异:差异越大,压缩应力越大(2).玻璃本质:成分需含有碱金属,才可用此法强化(离子易扩散)3.应力层厚度约810 um,除提供压缩应力外,并不会影响玻璃的主要性质,K

16、+,Na+,接近100%KNO3溶液,300400C,玻璃表面,Na+,Si4+,K+,O2-,4-3-2.化学强化制程,35,4.TFT BG玻璃材料之相关加工,1.HF Etching:薄化玻璃,同时将缺陷变钝,减少应力集中效应2.Surface Coating:利用保护膜(例,UV-curing粘着剂),包住玻璃,同时可减少新缺陷形成,又可阻止原有缺陷成长,HF Etching,Surface Coating,Before,After,玻璃,4-3-3.其他强化制程,36,4.TFT BG玻璃材料之相关加工,1.退火加工:去除成形制程中,残留在玻璃里的应力 2.温度需求:(1).加热:表

17、面Thermal Stress为压缩应力,无破裂疑虑,故升温速率不定,温度一定要在应变点之上,才有退火效果(2).降温:温度低于应变点后,在不会出现Thermal Shock破裂的情形下,可加速降温,温度,时间,退火点,应变点,约5C,约15分钟,约515C,冷却速率约1C/min,冷却速率约10C/min,4-4.退火加工,37,大纲,1.玻璃材料之定义2.无机玻璃材料之组成成分与结构3.TFTBG玻璃种类之相关性质(物理,机械,热,化学,光,电)4.TFTBG玻璃材料之相关加工(外观成形,薄化,强化,退火)5.结论,38,5.结论,藉由此次课程分享,能对于Soda-Lime-Silica(

18、STN,TP,Cover Glass),Corning EXG(TFT-LCD)玻璃的特性,有了基本的了解,往后在制程面的应用,都可参考相关的性质,建议事项1.建立Soda-Lime-Silica玻璃耐化性质分析资料2.持续与加工厂商(化学强化,薄化)进行质量提升3.持续与Corning进行技术交流,39,Thanks For Your Attention!,40,3.TFTBG玻璃种类之相关性质,Corning EXG没有碱金属氧化物(M2O)的助熔效果,且碱土金属氧化物(MO)的非架桥氧键结也较M2O强,因此相同黏度下,具有较高的特性温度,3-1-1.玻璃材料之特性温度,41,3.TFTB

19、G玻璃种类之相关性质,理论强度(Orowan Stress,依据键结能量与虎克定律推导而成)E:杨氏系数,:破裂表面能(原子键结能,配位数有关),a0:平均原子间距(10-10 m)由上述可知,理论强度与键结强弱相关,一般而言,t约为1/2*E,玻璃理论强度介于1100 GPa之间 但玻璃在成形与后段加工过程中,都会导入缺陷于表面或是内部,使得玻璃并非呈现Pristine的完美状态,因此需研究缺陷所导致的实际强度,一般而言,理论强度约为实际强度的100倍以上,3-2-1.理论强度,42,实际强度(Griffith Stress,加入缺陷形状与大小推导而成)E:杨氏系数,:破裂表面能(原子键结能

20、,配位数有关),c*:缺陷长度or深度(10-6 m)由上述可知,缺陷的出现,是使得玻璃易破裂失效的主要原因之一,而成形,后段加工,外在环境等,都是形成缺陷的凶手 玻璃是脆性材料,缺陷较金属而言,容易成长,张应力施加下,尤其更易诱发缺陷成长,因此玻璃的抗压强度约是抗张强度的10倍,玻璃破裂失效的研究,都是针对张应力,3.TFTBG玻璃种类之相关性质,3-2-2.实际强度,43,3.TFTBG玻璃种类之相关性质,疲劳(Fatigue):在大气的环境下,玻璃的强度会随着时间增加而变弱 静态疲劳(Static Fatigue):外加荷重固定动态疲劳(Dynamic Fatigue):外加荷重会调变

21、疲劳可以归因于在缺陷处发生,Stress-enhanced reaction(形成断键)Si-O-Si+H2O=2SiOH(酒精的影响较水,酸,硷轻微)此反应易导致缺陷变尖,缺陷处应力集中效应变大,玻璃破裂强度下降疲劳的抑制可以藉由:1.温度降低:温度可以活化反应,所以降温可以使反应变慢,-100C以下,疲劳不会发生2.溼度降低:溼度提供H2O,所以降低溼度可以减少反应物,3-2-3.疲劳效应,44,冷热冲击(Thermal Shock):温度快速变化,产生Thermal Stress来测试样品的耐热性 Thermal Stress,:热膨胀系数,T:表面与内部的温度差,E:杨氏系数,:浦松比 急速冷却时,T为负值,表示玻璃表面承受的Thermal Stress为张应力,当超过破裂强度时,便会发生玻璃破裂 由公式可知,玻璃本质的热膨胀系数越小,越不易产生Thermal Stress,因此耐热性越佳,3.TFTBG玻璃种类之相关性质,3-3-1.Thermal Shock效应,