何流 殷明瑞 易元 閔蛟

（成都中光電科技有限公司 成都 611731）

0 引言

玻璃基板作為液晶顯示面板最關(guān)鍵的原材料之一，主要用作薄膜晶體管的底板和彩色濾光片，即TFT和CF。液晶顯示面板對玻璃基板有著多項(xiàng)指標(biāo)要求，密度是其中之一，一般要求不超過2.6 g/cm3［1］。這個指標(biāo)對于玻璃基板制造商是很容易達(dá)到的，但是在實(shí)際應(yīng)用過程中，一些質(zhì)量問題與玻璃基板的密度有著緊密的聯(lián)系，需要更加深入地研究玻璃基板的密度。

檢測和管控玻璃的密度是一種快捷有效發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的方法。密度測試的標(biāo)準(zhǔn)方法規(guī)定測定密度前對玻璃樣品進(jìn)行精密退火，以消除玻璃內(nèi)部殘余應(yīng)力的影響。本文通過對實(shí)際問題的研究，發(fā)現(xiàn)玻璃基板原片密度，對于管控玻璃基板的質(zhì)量和分析解決液晶面板制程中的有關(guān)問題非常重要。

1 密度的測試方法

密度的測定通常有下沉法（浮沉法）、阿基米德法（浮力法）等［2］。

浮沉法的原理是將不同密度的兩種有機(jī)試劑調(diào)制成和玻璃試樣的密度接近的溶液，測定時試樣和標(biāo)準(zhǔn)試樣懸浮于溶液上部，溫度升高，溶液密度減小，當(dāng)溶液密度小于玻璃密度時，玻璃下沉。根據(jù)試樣與標(biāo)準(zhǔn)試樣下沉?xí)r的溫度，即可計算出玻璃試樣的密度。該方法允許測定誤差為±0.0002 g/cm3。

浮力法的原理是將已知質(zhì)量的試樣浸入已知密度的水中稱量，由于浮力作用，試樣質(zhì)量減輕，所減輕的質(zhì)量為該試樣在水中所排開同體積水的質(zhì)量。利用水的密度計算出試樣的體積，進(jìn)而計算出試樣的密度。該方法允許測定誤差為±0.0005 g/cm3［3］。

2 檢測和管控玻璃密度的意義

2.1 監(jiān)控玻璃的理化性能、補(bǔ)正料方

玻璃的理化性能必須穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)才能滿足使用要求。決定玻璃理化性能的主要是玻璃的成分和結(jié)構(gòu)，因此玻璃成分需要每日都檢測。CRT玻殼的成分檢測比較繁瑣，需要將玻璃樣品研磨成粉末，加入助熔劑熔制成玻璃片，才能用X射線熒光光譜儀檢測。制樣過程中的顆粒效應(yīng)、化學(xué)試劑的添加、熔樣的均勻性、熔樣模具的質(zhì)量等都會產(chǎn)生一定的檢測誤差［4］。

玻璃成分微小的變化，在密度檢測結(jié)果上都會反映出來，且密度的測定簡單、快速，誤差較小，其結(jié)果可以精確到萬分位［5］。通過檢測密度，再結(jié)合成分的檢測數(shù)據(jù)，就可以較為準(zhǔn)確地判斷玻璃理化性能是否穩(wěn)定受控。

CRT玻殼是由屏玻璃和錐玻璃封接成的，屏玻璃和錐玻璃都是一種含堿的鈉鈣玻璃，其中的Na2O、K2O等成分在高溫下易揮發(fā)，尤其是錐玻璃含有20%以上的PbO，這是一種更容易揮發(fā)的成分。其次，CRT玻殼所用的原材料中有大量的天然礦石原料如石英砂、長石、白云石等，這些原料的成分波動較大。受這些因素的影響，CRT玻殼的成分波動較大。為了判斷成分的波動對玻璃性能的影響，可以通過密度的測定快速得出大致的結(jié)論。檢測密度時首先要排除成分以外的因素，如殘余應(yīng)力的影響。因此需要將玻璃退火后檢測密度，以確定密度的變化是否由成分波動引起，以便對料方進(jìn)行有效的補(bǔ)正。傳統(tǒng)浮法玻璃也有同樣的問題，也需要檢測退火后的密度和成分，進(jìn)行料方的補(bǔ)正［6］。

2.2 監(jiān)控生產(chǎn)工藝的穩(wěn)定性

原料成分的變化、配料稱量誤差和配合料均勻度的波動、熔制工藝的波動等都可能引起玻璃密度的變化。

玻璃的各種成分是由原料引入的，這些引入的成分在原料中的含量發(fā)生變化，或者原料的水分、燒失量發(fā)生變化就會引起玻璃的成分變化。在某平板玻璃制品中，SiO2含量增加1.9個百分點(diǎn)，密度值由2.7771 g/cm3減小為2.7760 g/cm3［7］。在某鈉鈣硅玻璃中，以1%的CaO替代SiO2，密度值大約增加0.017 g/cm3［8］。

配料過程中的誤操作、稱量的精度、輸送過程中的飛散損失會產(chǎn)生配料的誤差，致使玻璃的成分發(fā)生變化，引起密度的波動。

熔制工藝中的溫度波動可能導(dǎo)致易揮發(fā)原料的揮發(fā)率變化，從而使玻璃的成分發(fā)生變化，引起密度的波動。

如果檢測到玻璃的密度發(fā)生了超出控制范圍的變化，在排除掉玻璃成分變化的因素外，可能就是上述某個生產(chǎn)工序的波動造成。這種情況，也需要對玻璃先進(jìn)行退火消除殘余應(yīng)力的影響后再測定。

2.3 監(jiān)控成形、退火工藝的穩(wěn)定性

玻璃的成形是一個從液態(tài)到固態(tài)、從高溫到低溫的過程，在此過程中，熱歷史對玻璃的密度有著較大的影響。玻璃的黏度大，導(dǎo)熱性差，使結(jié)構(gòu)狀態(tài)的變化大大遲于溫度的變化。玻璃從高溫冷卻下來，淬火（急冷）玻璃比退火（緩冷）玻璃的密度低［9］。一組風(fēng)冷瓶子的密度比緩慢退火瓶子的密度低了0.0041 g/cm3［5］。

液晶玻璃基板的生產(chǎn)主要有溢流法和浮法，溢流法的成形和退火是在垂直懸掛的成形爐和退火爐內(nèi)完成，結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)決定了其退火時間非常短暫，應(yīng)力消除得就不夠徹底。因?yàn)椴Ａ芏戎饕Q于構(gòu)成玻璃的原子的質(zhì)量和原子的堆積密集程度［10］。退火不充分的玻璃基板，其內(nèi)部的原子排列不夠整齊，原子堆積密度相對較小，玻璃的密度就會相應(yīng)降低。

3 玻璃基板密度測試實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)采用浮力法檢測玻璃基板的密度，參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5432—2008《玻璃密度測定 浮力法》進(jìn)行測定。實(shí)驗(yàn)儀器及型號為電子密度計SD-200L、人工智能箱式電阻爐SGM2853S。

在同一批次液晶玻璃基板產(chǎn)品中隨機(jī)抽取8片，從每片玻璃基板的固定位置切取60 mm×60 mm的樣品4塊，檢測玻璃基板原片的密度。將檢測過的樣品在馬弗爐內(nèi)進(jìn)行精密退火，設(shè)定退火溫度730 ℃，時間2 h，溫度控制精度±2 ℃，檢測退火后的玻璃基板密度。

4 分析與討論

玻璃基板原片密度與退火后玻璃密度測試數(shù)據(jù)見表1，測試曲線見圖1。

表1 玻璃基板原片密度與退火后玻璃密度 g/cm3

圖1 玻璃基板原片密度和退火后玻璃密度對比曲線

4.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

退火處理后，玻璃基板樣品的密度值增加，玻璃結(jié)構(gòu)更加致密。經(jīng)計算，密度值平均增加0.0066 g/cm3。

玻璃基板原片密度波動大于退火后密度的波動。玻璃基板原片密度最小值為2.3799 g/cm3，最大值為2.3833 g/cm3，極差為0.0034 g/cm3；退火后檢測的密度最小值為2.3874 g/cm3，最大值為2.3884 g/cm3，極差為0.0010 g/cm3。

4.2 存在問題

隨著液晶顯示技術(shù)的不斷更新?lián)Q代，液晶顯示產(chǎn)品越來越追求高品質(zhì)，像素更加微型化，圖像更細(xì)膩逼真［11］。在工藝制程上，需要在玻璃基板上進(jìn)行多次鍍膜、多次曝光、反復(fù)加熱。由于玻璃是處于熱力學(xué)的介穩(wěn)狀態(tài)，具有極高的能級。在受到反復(fù)加熱的過程中，有自發(fā)到低能級穩(wěn)定狀態(tài)的趨勢，所以結(jié)構(gòu)上會發(fā)生變化，引起微小的形變。盡管這種形變只有×10-6級，但是對于高精度的顯示面板也是足以致命的缺陷，主要表現(xiàn)為面板發(fā)生翹角或翹邊、TP（Total Pitch，全面積尺寸）不良等缺陷，有的批次表現(xiàn)特別明顯，批次與批次之間差別較大，或個別批次內(nèi)產(chǎn)品之間的差別也較大，嚴(yán)重時導(dǎo)致生產(chǎn)不能正常進(jìn)行。

4.3 結(jié)果與討論

以上問題的出現(xiàn)與玻璃的抗形變能力有關(guān)，涉及到玻璃的應(yīng)變點(diǎn)、彈性模量等性能。批次之間的波動或同一批次內(nèi)的波動說明產(chǎn)品的一致性不夠好。

從本文對密度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，通過密度檢測的方式可以對玻璃基板抗再熱形變的能力做初步的判斷。在實(shí)驗(yàn)中，如果依據(jù)傳統(tǒng)檢測密度的方法，通過退火方式消除應(yīng)力后檢測玻璃基板的密度，得到密度的數(shù)據(jù)是比較穩(wěn)定的，這種檢測的方式只能反映與成分有關(guān)的因素，不能反映出玻璃內(nèi)部結(jié)構(gòu)上的變化，也就不能反映面板生產(chǎn)廠家遇到的形變問題。

液晶玻璃基板是一種無堿的硼鋁硅酸鹽玻璃，其化學(xué)組分揮發(fā)量相對都較小，使用的原材料也都是高純度的，因此其成分較為穩(wěn)定，退火后測定的密度也非常穩(wěn)定。玻璃基板制造的熱歷史等因素會引起玻璃結(jié)構(gòu)上的變化，從而產(chǎn)生密度的變化。因此退火后的密度穩(wěn)定并不等于玻璃基板原片的密度就穩(wěn)定。

5 結(jié)語

玻璃密度檢測的標(biāo)準(zhǔn)方法規(guī)定了檢測密度前應(yīng)對樣品進(jìn)行退火處理，但通過對比玻璃基板原片密度和退火后玻璃密度發(fā)現(xiàn)，玻璃基板退火后的密度是非常穩(wěn)定的，不能客觀反映出液晶面板生產(chǎn)中出現(xiàn)的翹角、翹邊、TP不良等形變問題。

液晶面板生產(chǎn)廠家使用的是玻璃基板原片，因此原片的密度才能真實(shí)地反映由玻璃結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致的形變問題。玻璃基板的制造商應(yīng)監(jiān)測玻璃基板原片的密度，并制定管控工藝參數(shù)，以便及時發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)工藝的波動對玻璃性能的影響。