曲面手機玻璃的一種拋光工藝
0 引言
手機等數碼產品蓬勃發展，手機顯示面板材質已由最開始的塑料到鋁合金再到如今的鋁硅酸鹽玻璃，玻璃材質是眾手機行業的發展趨勢，其中曲面手機玻璃更是有著它獨有的特點，手感更好，更加美觀，具有輕薄、防眩光等優點。目前市場上用於製造顯示面板的玻璃為高硼硅酸鹽和鋁硅酸鹽玻璃，都屬於典型的硬脆材料，且厚度僅0.4 mm左右，其加工和拋光難度高，而曲面手機玻璃因為邊緣帶有弧彎，拋光難度更大，直接導致了成品率較低。曲面手機玻璃目前多採用柔性拋光墊進行拋光， CeO2作為拋光液主要成分。
1 化學機械拋光原理
在曲面玻璃拋光中，玻璃的材料去除率與化學機械拋光有著直接關係。化學機械拋光（chemical mechanical polishing，CMP）技術的概念是 1965 年由 Monsanto 首次提出，區別於傳統的純機械或純化學的拋光方法，CMP是通過化學和機械的共同作用，避免了由單純的機械拋光而造成的表面質量損傷和由單純的化學拋光造成的拋光速度慢、效率低等缺點。利用了「軟磨硬」原理，即用較軟的材料進行化學拋光來處理較硬材料的表面，以實現高質量的表面拋光
曲面手機玻璃是一種鋁硅酸鹽玻璃，主要成分是二氧化硅，拋光過程中使用的拋光液有效成分為CeO2，為白色或黃白色固體，難溶於水，具有切削力強、拋光時間短、使用壽命長、拋光精度高的優點。CeO2拋光粉根據含量分為低鈰、中鈰、高鈰拋光粉，其切削力和使用壽命也由低到高，如圖1所示。
圖1 化學機械拋光微觀示意圖
拋光過程中CeO2與玻璃發生微量化學反應，同時拋光墊進行機械切削，機械切削與化學反應同時進行，將玻璃表層磨去的同時露出新的玻璃層，繼續進行如上反應
此外，在拋光過程中，拋光液帶動CeO2拋光粉高速旋轉運動產生液流動能，會破壞玻璃表面及亞表面晶體的結合能，CeO2拋光粒所帶的動能越大，對玻璃表面的去除效果也越強。同時，由於拋光液帶有一定粘性，在拋光墊和玻璃表面之間會產生一個速度差，拋光粒也會帶有一定速度，因而撞擊在玻璃表面上會產生一個切削力，拋光粒的形狀一般都是帶有稜角的不規則形狀，這樣也會增加對玻璃表面的機械去除作用。
綜上所述，玻璃拋光的CMP機理是在化學和機械共同作用下的結果。首先玻璃表面在CeO2拋光粉的作用下，產生微量化學反應，形成一個軟化層，然後通過顆粒的切削作用去除玻璃表面的軟化層，去除的材料會隨著拋光碟與玻璃的轉動被拋光液帶走，以此循環往複，直到玻璃達到良好的表面粗糙度與厚度。
2 拋光墊的選擇
拋光墊是 CMP 的重要組成部件，由於聚氨酯拋光墊具有耐磨性好、 形變性小和拋光效率高等優點，成為 CMP 過程的關鍵拋光部件之一。玻璃拋光最常用的拋光材料是聚氨酯材質，國產聚氨酯其主要成分是發泡體固化的聚氨酯，其表面有許多空球體微孔密封單元結構， 國產聚氨酯拋光墊的孔隙率為 62%左右。拋光皮里添加有填充物，例如金剛石、CeO2等，這種拋光墊的優點是硬度可根據需要進行調整、有彈性、玻璃不易破碎、表面有孔、拋光液可浸入、不易甩出。
曲面手機玻璃由於形狀特殊，邊緣帶有弧度，所以使用的拋光墊須區別於平面拋光墊。為了使曲面手機玻璃拋光時曲面部分更容易掃到，拋光皮表面並不是一個完整的平面，而是帶有方格槽、壓痕槽、螺紋溝槽等形狀，槽的形狀、高度、大小可以根據曲面手機玻璃的形狀進行定製加工。如圖2，如果對曲面手機玻璃拋光時依舊採用平面固結磨料拋光墊，那麼拋光過程中面接觸時，玻璃的弧形邊緣就有可能無法充分接觸，將導致曲面部分的表面粗糙度要高於平面部分的表面粗糙度，若想要曲面得到理想的表面粗糙度，就需要曲面部分與拋光墊進行充分的摩擦接觸，這樣就需要對錶面施加更大的壓力，但有可能導致玻璃脆性斷裂，降低良品率，並且平面部分有可能因接觸面壓力過大而影響表面粗糙度。
圖2 曲面手機玻璃拋光墊表面結構
目前，聚氨脂拋光墊表面開槽加工常用的方法主要有激光加工、 高速雕銑、模具熱壓法加工等。 激光加工由於是數字控制非接觸加工，所以可以加工微細複雜溝槽結構且成型較易。高速雕銑後聚氨酯拋光墊溝槽結構反彈嚴重，且有鬍鬚狀碎屑相連。拉削加工成型是根據刀具尺寸、形狀所決定的，局限性較高，所以只能成型較大尺寸溝槽結構的聚氨酯拋光墊，且拉削加工時容易發生脆性斷裂，導致尺寸統一性較差。模具熱壓法加工是在已成型的模具中加入液體原料，之後進行熱壓成型，優點是尺寸一致性高，不會發生脆性斷裂，缺點是熱壓時間長，模具成本較高。根據研究結果表明，激光加工是實現高速、 高效和低成本化的聚氨酯拋光墊加工的最佳工藝方案。
3 拋光設備和方法
曲面手機玻璃拋光機是隨著近年來曲面手機的問世應運而生的，目前市場上的曲面玻璃拋光機構成結構基本相同。拋光示意圖如圖3，上下盤同時進行相向旋轉運動，並調節轉速和拋光液的流速、流量和壓力。曲面手機玻璃需要在專用的曲面拋光機上進行，下定盤轉速多為10～180rpm，上盤轉速為0～18rpm。湖南永創公司所生產的3D曲面手機玻璃拋光設備在此基礎上又採用了獨立雙工位翻轉結構設計，可在機器加工的同時進行取片上片，實現不停機連續工作。
圖3 曲面玻璃拋光機結構示意圖
曲面手機玻璃拋光機由拋盤、拋光織物、真空吸附裝置、拋光罩及蓋板等基本元件組成，如圖4所示。拋光墊通過套圈固定在拋光碟上，電動機通電接通起動後，便可對試樣施加壓力在轉動的拋光碟上進行拋光。拋光過程中加入的拋光液可通過固定在底座上的塑料盤中的排水管流入拋光機旁的方盤內。拋光罩及蓋板的作用是防止操作人員誤觸工作中的轉盤造成人身傷害，防止灰塵或者其它雜物在不使用時落在拋光墊上而影響使用效果。
圖4 曲面玻璃拋光機外觀結構圖
曲面手機玻璃的夾裝是拋光之前的一項重要工作，目前曲面手機玻璃的安裝通常有兩種方法，第一種是將曲面手機玻璃用松膠等材料粘結在上托盤上，托盤的形狀與曲面可以完全貼合，保證在拋光時對玻璃施加壓力時不會產生脆性斷裂，拋光結束後，通過加熱將玻璃取下。第二種方法是採用真空吸附的方法將玻璃吸附在上托盤，同樣，托盤的形狀也需要與曲面貼合。近年來，真空吸附技術在工業自動化生產中的應用越來越廣泛，真空吸附是利用真空發生裝置產生的真空壓力為動力源，由真空吸盤吸附抓取物體。真空發生裝置是產生真空的一種元件，有真空泵和真空發生器兩種類型，通常曲面手機玻璃的吸附採用的是真空泵，真空泵的結構形式和工作原理與空氣壓縮機相類似，曲面手機玻璃的吸附多採用容積型真空泵，真空吸附負壓值在0.1 MPa左右。
4 總結
本文對曲面手機玻璃工藝的一種方法及CMP化學機械拋光機理做了簡要說明，此方法的優點是可實現大批量生產、降低成本、生產效率高，缺點是表面無法實現超精密拋光，如顯微鏡鏡頭等光學曲面玻璃因表面粗糙需嚴格控制，表面質量要求極高，故不適用於超精密曲面玻璃拋光。此外，對曲面手機玻璃的拋光方法還有柔性拋光法、磁流變拋光法等，全自動複雜曲面手機玻璃拋光會是將來的一種趨勢。
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