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符合环保的玻璃基板制程与材质技术
 

【作者: Peter L. Bocko】2007年01月22日 星期一

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介绍

液晶电视与电浆、微投影等大型电视技术之间的激烈竞争方兴未艾,而成功的关键则在于消费者对各项技术的视觉观感。今日,LCD基板的质量特性及其材料性质的良窳,比起过去对于视觉观感的质量,具有更直接的影响。


1990年代初期,LCD液晶显示器所使用的玻璃基板开始大量生产,开启了新一代显示器的里程碑。玻璃基板厂商持续研发CRT及LCD的特殊玻璃成份及制程,促进显示器业界不断达成追求效能与降低装置成本的目标。如今提供LCD液晶显示器玻璃基板的厂商,以往也供应玻璃材料给传统的映像管(CRT)电视制造商,这种互惠关系已经长达70年之久。


CRT与LCD之间在玻璃成份及制程技术上几乎完全不同,在CRT管玻璃成型作业与LCD玻璃基板制程之间,也鲜有雷同之处。CRT管斗形部份与面板部份的组合,实质上就像是玻璃瓶一般,其使用目的是在保持真空与吸收管内所产生的x-射线,玻璃本身对视觉观感并没有太大影响,只要维系一般质量,便能满足消费者观赏的基本需求。但是LCD的玻璃成份,却对面板客户能否提升制程生产力、以及维系消费者的实际视觉观感,造成直接而深刻的影响。以下本文就要分析探讨,玻璃成分对于基板的价格关键影响所在。


熔融的历史关键

首次有关熔融制程的小规模发表会,是在1960年代初期于纽约州康宁市康诺顿河畔举办。尽管当时相关业者已开发出多项制造平板玻璃的下拉式技术,然而创新熔融制程之所以备受瞩目的原因,在于此项制程是首次以玻璃流动的基本数学理论为基础而开发出来的技术。创新熔融制程所开发出来的方程序,可清楚描述熔融制程的物理原理,让玻璃制程研发的相关作业,从以往的「错误尝试法」(trial & error),跃升为可预测能扩展的制程技术,具备相当程度的精确性,进而奠定成为LCD平台的主流技术基础。


厂商在开发创新熔融制程的初衷,一开始仅止于应用制作平常用途的平板玻璃,等到技术开发完成之时,发现这项技术内容的丰富及其可衍生的多元应用,若仅应用于制作如车用基板的平板玻璃产品,实在是大材小用。到了1980年代初期,创新熔融制程技术已经发展成熟,便开始成为LCD玻璃的主流制作方式。如何满足LCD玻璃所需必备超高表面质量的性能要求与技术规格,便是创新熔融制程的关键所在。


从混合原料开始,就是创新熔融制程的一连串关键,玻璃成份配方的调配,要以制成均质化且无瑕疵的熔融玻璃为目标。紧接着,将熔融的玻璃膏倒入被称为「封闭式隔热管」(isopipe)的耐火槽中。当isopipe被填满之后,熔融玻璃会均匀地自 isopipe两侧溢流而出,再于底部相结合成为一股(或称融合),下拉后形成大片而连续的玻璃板,如(图一)所示。


《图一 玻璃基板自 isopipe两侧溢流而出制程示意图 》
《图一 玻璃基板自 isopipe两侧溢流而出制程示意图 》数据源:康宁(Corning)

由于玻璃板是在空气中形成,表面张力作用就能使表面不会因成型过程而留下痕迹,或者有受到杂质污染的顾虑。制成好的玻璃基板,表面便能纯净无瑕并具有良好的平坦度,因此无需再进行打磨抛光的后制作业。


厂商与美欧日本等LCD研究机构共同合作,在1980年代初期把熔融玻璃首度运用于LCD产品。现今所使用的熔融平台,与早期制作测试样本的机台,已有相当显著的差异。最明显之处便是尺寸大小。当时一般业界认为LCD基板尺寸不可能超出1平方公尺,如今厂商拥有的创新熔融平台,能够量产边长超过2公尺的第8代玻璃基板。未来重制扩充既有平台之后,将可生产边长超过3公尺以上的玻璃基板。另一个明显的不同之处,是创新熔融平台增加了许多精密的制程控制,以确保符合现今LCD应用产品需要更平坦更纯净的表面、以利提高大型面板的良率并进一步提升消费者视觉享受的质量。相反地也是如此,当LCD产业开发出创新方案为克服所谓LCD在亮度、视角、画素反应速度的先天难题时,亦同时提高对玻璃基板性能的要求。


生产高质量玻璃

现今的熔融下拉技术,已能生产出满足性能高要求的LCD玻璃基板,因为显示器所应用的玻璃基板,不论哪种世代尺寸,都必须具备非常良好的平坦度。


控制平坦度的两项制程控制关键,在于玻璃均质性以及成型制程期间玻璃热历史的控制。玻璃的均质性直接影响短波长内的厚度变化,成型制程期间玻璃热历史的控制,是为了达到长波长内玻璃基板平坦度的要求,以及在面板客户制程中可预测的玻璃尺寸特性。前一段曾提到,由于玻璃表面是在空气中形成,表面张力就能确保熔融玻璃自动产生极为平坦的表面,无须再进行任何表面加工处理,便可提供LCD面板厂商与半导体同等级的高良率薄膜晶体管制程。


玻璃制造厂商依循早期熔融技术之传统技艺,从根本上去掌握累积玻璃熔化及成型制程的实务经验,便是能够精准处理玻璃均质性及成型热工艺的主要关键。另一方面,制程中的机械性参数与热参数,与玻璃黏弹性之间的交互影响,虽然非常复杂,不过仍可透过数学模型一一加以解决克服。


因此,玻璃基板制造厂商要能够对于制程以及玻璃特性有扎实的根本理解,才能不断地扩大熔融平台的尺寸,进而保持优势,持续推出新一世代大尺寸玻璃基板。从(图二)中可以看出LCD平台尺寸的递增趋势,玻璃基板尺寸亦自2000年开始,便有明显加速的成长。



《图二 以主要线性尺寸检视各代玻璃基板成长示意图 》
《图二 以主要线性尺寸检视各代玻璃基板成长示意图 》数据源:Corning

《图三 各代大尺寸玻璃基板面积比例示意图 》
《图三 各代大尺寸玻璃基板面积比例示意图 》数据源:Corning

各代大尺寸玻璃基板面积比例示意图

浮式法与熔融下拉式制程前面所提的熔融制程,并非LCD产业所采用的唯一平台。有些基板制造商采用的是自行研发的垂直下拉式制程,有些则是采用浮式法。浮式法玻璃制程是将玻璃膏浮在液态锡床,并将之水平拉出,藉此方法制成薄而平坦的玻璃基板。浮式法制程必须克服的问题在于无法达到LCD玻璃基板所要求的表面平坦度。以浮式法生产出来的玻璃,通常具有波纹特性(或称为微波纹;Microcorugation),玻璃表面上在1公厘的薄度范围内,会产生数10微米的高低起伏。


因此简单来说,采用下拉式制程时,成型制程是影响基板质量的主因;而采用浮式法时,后段加工研磨良率能否达标,便是攸关基板质量的重要关键。无论采下拉式制程或浮式法制程,今日的LCD玻璃基板厂商,与其他应用产品的玻璃器皿制造厂之间,实际上已经不是属于同一种产业范畴,LCD玻璃供货商因为面板厂商对于基板质量的严格要求,使LCD玻璃供货商不断在技术革新过程上投注心力,投入相当庞大的资金进行研发制程改良作业。若将普通平板玻璃成型制程运用在LCD玻璃基板制程上,所表现出来的技术障碍鸿沟便相当明显。


成分

CD玻璃基板主要制程技术是熔融制程,成为运用玻璃成份系列的基础材料则是铝硅酸盐(aluminosilicate)。


由于铝硅酸盐玻璃系列可适用于多方面的玻璃应用产品,其性能又可耐高温或承受严苛的化学侵蚀环境,正可符合LCD制程中所必然遇到的状况。


举例来看,1980年代末期,玻璃基板厂商康宁(Corning)曾推出一款玻璃材料(Corning Code 7059),提供给LCD研发机构采用实验。7059的主要成份为4种氧化物(氧化硅、氧化铝、氧化硼、氧化钡),是一种相当简单的玻璃材质,先天上某些限制,并无法适用于快速演进的LCD制程。


后来在1994年,康宁推出另一款玻璃材质成份(Corning Code 1737),提升在热稳定性及耐化性的LCD制程需求,同时拥有低密度与较少的热膨胀特性,因此能够利用此款材质,协助面板厂商制造超过1平方公尺的玻璃基板。


加上材质能减轻重量,所生产出来的玻璃基板不仅可应用于笔记本电脑,也能使用于高效能的液晶显示器。在进入1990年代末期的电视技术革命时代,研发新式玻璃成份的方法大要是,先由玻璃基板制造厂商与面板客户共同合作,先设想未来显示应用产品该具备哪些性能,规划新一代玻璃的生产制程设计,再回溯整体流程架构出研发玻璃性质的作业流程。今日玻璃基板所著重的技术内容,在于如何研发出更低密度与更低热膨胀特性的材质,藉此让新一代的超大尺寸基板成为可能。



《图四 》
《图四 》数据源:Corning

今日玻璃基板所著重的技术内容,在于如何研发出更低密度与更低热膨胀特性的材质,藉此让新一代的超大尺寸基板成为可能。


<注:低密度/低膨胀率的高含量二氧化硅玻璃是制造大尺寸LCD的关键因素>

研发符合环保要求的玻璃


举例来说,完全不含任何微细气泡,是制造LCD玻璃基板的质量要求之一。以往去除气泡的传统方式,是添加砷或锑等化合物作为消泡剂,用以防止气泡的形成。不过在面板制程中使用此类重金属,可能会产生有害人体与自然环境的副产品。因此,如何消除LCD玻璃基板重金属的使用,便成为制作符合环保标准产品的最新挑战。


再者,由于欧洲目前与未来数年内所实行将施行的环保法规日趋严苛,势必严重影响电子产品的进口及回收作业,因此,去除玻璃成份中的重金属更加势在必行。即便如日本等尚未施行类似法规的重要市场,环保意识亦逐渐抬头,开始关注玻璃制作内所使用的重金属。在此趋势下,与面板厂商共同推动符合环保的玻璃基板产品,重新再检讨革新制程,便是玻璃基板厂商永续经营的不二法门。


另外,玻璃内的重金属成份对用户并无直接立即的风险危害,但在显示器产品生命周期终了之际,未来的环保法规将要求制造商建立其电子产品与零组件的回收处理计划,如何建立一套废弃处理方式的准则也是迫在眉睫。因此,未来相关玻璃材料基板制造商,拥有两项技术选择,要不回收废弃产品内的玻璃材料,要不在生产制造初期便采用不含任何重金属的玻璃材质。


以往CRT生产技术过程中,为避免观赏者暴露于x-射线中,因此在玻璃材料中添加铅等重金属成份。现在CRT产业面对环保标准要求的因应之道,是改以回收电视设备生命周期终了的废弃物,再循环利用其玻璃材料。由于玻璃在CRT电视中占有较高比重,例如32吋电视所使用的玻璃材质便超过25公斤,加上CRT拆解容易,过程质量要求较低,因而这种回收方法能符合CRT产业的经济效益。


不过这种CRT回收玻璃的方式,并不适用于LCD玻璃基板与面板制造产业。首先,液晶电视所使用之玻璃比例远低于CRT产品,因此回收经济效益较低。再者,液晶显示产品本身的结构相当复杂,让回收作业过程异常困难。最后,CRT产品中的玻璃质量,并不会对于用户的视觉观感造成显著影响,但是LCD电视产品对于玻璃质量的要求很高,甚至要达到纯净无瑕的质量境界。因此,玻璃基板厂商回收LCD玻璃基板并非具体可行之道,唯一能将LCD玻璃对环境负面影响降至最低的合理可行方式,便是在生产制造过程中,采用不含任何重金属的玻璃材质。


相关玻璃基板厂商已经朝向这个目标前进,举例来说,康宁所推出不含任何重金属及卤化物的玻璃材质,不仅在熔化制程中去除砷、锑、钡等重金属,更未添加氟、氯、溴等可能在制程中形成腐蚀酸性副产品的卤化物元素,以此避免在制程中所排放的卤化物气体,破坏大气的臭氧层结构。



《图五 新材质 LCD玻璃基板对环境的影响更低 》
《图五 新材质 LCD玻璃基板对环境的影响更低 》数据源:Desktop Computer Displays;A Life-Cycle Assessment;美国环保署;Corning

目前虽然没有明确法规,禁止LCD玻璃内使用重金属成份,不过玻璃基板厂商已经开始未雨绸缪,推出不含任何重金属成份的玻璃材质,协助面板制造商因应符合包括「危害物质禁用指令」(RoHS)、「电机电子废弃指令」(WEEE)及「化学品注册、评估与授权」(REACH)等既定与未来法规的要求,避免对环境造成负面影响。



《图六 全球日趋严苛的环保标准示意图 》
《图六 全球日趋严苛的环保标准示意图 》数据源:Corning

全球日趋严苛的环保标准示意图


Tektronix 模组

全球日趋严苛的环保标准示意图单就基板技术来看,有些人会质疑玻璃基板的技术发展特性是否已到达极限,想要进一步地去改善满足LCD业界对于玻璃质量及尺寸的要求,贡献度似乎逐渐在下降中。不过从上述分析可知,LCD面板制造商最迫切的需求,无疑是持续追求降低生产成本的方式,提升良率仍是达到目标的最佳方法,而采用更高质量的玻璃材质,就是能让LCD面板制造商达到降低成本目的的关键解决方案。


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