微孔气流加压对ITO玻璃激光刻蚀平面度的影响

图1为将微孔陶瓷体应用在ITO玻璃激光刻蚀的模型。传统刻蚀工艺是用激光直接刻蚀ITO玻璃。在本文提出的改进工艺中，微孔陶瓷体的中轴与作用于ITO玻璃表面的聚焦光束共线。通过在微孔陶瓷体表面加载加压气体（气流压力为p）以及调整陶瓷体与ITO玻璃间的刻蚀间隙h，气体经过阵列微孔可流动到工件表面，对表面加载一定的气压，可以在刻蚀过程中提高玻璃的平面度，更有利于刻蚀表面定位。为探索微孔陶瓷体装置的气流压力p与刻蚀间隙h对刻蚀工艺的影响，使用ANSYS仿真软件分别对微孔陶瓷体气体流动方向与作用于ITO玻璃表面的气压进行仿真分析，表1为仿真参数。其中，微孔陶瓷对气体流动的影响用不同方向的风阻系数描述，其余条件与实际刻蚀条件一致。

图1  微气流阵列加压的激光刻蚀模型

Fig. 1  Laser etching model with micro airflow array pressurization

图2为刻蚀过程中微孔陶瓷体的气体流动与ITO玻璃表面压力的分布云图。由图2（a）可知，气体大部分垂直作用于工件表面，只有小部分会扩散到其他区域。在气流压力p=0.18 kPa，刻蚀间隙h=1.9 mm时，气流的最大速度高达3.13 m/s。在同等条件下，根据有限元分析可以发现，ITO表面压力的分布与微孔陶瓷的位置与形状有关，如图2（b）所示。在中心处，表面正压力达到最大，随着与微孔陶瓷中心距离的增大，正应力逐渐减小。在气体流动的区域上会对工件产生一定的压力，使得玻璃总体区域的压力分布较为均匀。这有利于对ITO玻璃在刻蚀时实现精确定位，在刻蚀中不会因为激光热膨胀导致工件表面翘曲。

图2  激光刻蚀过程中气流与气压的分析

Fig.2  Analysis of gas flow and pressure in laser etching process

图3为气流压力p与刻蚀间隙h对最大气流速度v_m的影响。可以看出，随着气流压力p的增加，最大气流速度v_m呈线性增加，速度从2.78 m/s增加到3.35 m/s。随着刻蚀间隙h的增加，最大气流速度变化无明显规律，差异较小。气流的速度会影响作用于ITO玻璃表面的气压力，从而影响最终刻蚀的平面度。

图3  气流压力与刻蚀间隙对最大气流速度的影响

Fig.3  Effects of airflow pressure and etching gap on maximum gas velocity

图4为气流压力p与刻蚀间隙h对工件表面最大压力p_m的影响。可以看出，p_m随着气流压力p的增加呈线性增加，随刻蚀间隙h的增加减小。当h从1.9 mm降低到1.6 mm时，p_m从14.6 Pa增加到19.2 Pa，提升了31.5%；当p从0.15 kPa增加到0.20 kPa，p_m从14.4 Pa增加到19.2 Pa，提升了33.3%。过小的压力不足以压紧工件，而过大的压力可能会压弯工件，所以在实验中要根据仿真结果合理选择实验参数进行ITO玻璃的激光刻蚀。

图4  气流压力与刻蚀间隙对表面最大压力的影响

Fig.4  Effects of airflow pressure and etching gap on maximum surface pressure

图5为微孔陶瓷体表面的SEM形貌图。可以看出，其表面分布着微米级孔径的微孔，微孔的平均直径约为20 μm，且陶瓷材料表面具有隔热、防静电、表面精度高等特性，适合安装在激光刻蚀的环境中。

图5  微孔陶瓷表面及孔径形貌

Fig.5  Morphology of microporous ceramic surface and its diameter

图6为激光刻蚀装备上的微孔陶瓷气流加压装置。压缩空气通过气管向微孔陶瓷体装置产生供给压力，调节间隙通过千分尺与调节螺栓组合调节，可进行双面激光刻蚀。图6（b）为刻蚀ITO玻璃所用的激光光路示意图，刻蚀激光从激光发生器生成，经过传导镜片、分束镜等部件，最后通过扫描器装置形成刻蚀光斑作用于工件表面。左上角为加载微孔陶瓷体后的光束直径测量图，光束直径最终会影响经过扫描器的场镜聚焦后的刻蚀光斑尺寸。6 mm光束的聚焦性能更好，得到最优的刻蚀光斑。被刻蚀的ITO玻璃工件放置在下方装备平台横梁处，加工尺寸在400 mm×500 mm内。

图6实验装置及激光光路示意图

Fig.6Schematic diagram of experimental devices and laser path

表2为刻蚀ITO玻璃参数。为了获得高质量的刻蚀线路，分析应用微孔陶瓷后所用实验参数中的气流压力p （0.15~0.20 kPa）与刻蚀间隙h （1.6~1.9 mm）的离焦量都在-0.1~0.1 mm 内，说明激光刻蚀工艺窗口符合要求。

图7为ITO玻璃表面平面度测量方法示意图。平面度定义为表面凸凹高度相对理想平面的偏差。测量仪器为Keyence LK-HD500，横向和纵向单边分别选5个和15个测量点。通常，无应用微气流加压的ITO玻璃平面度轮廓检测如图8所示，表面平面度为70 μm。

图7  ITO玻璃表面平面度测量

Fig.7  Surface flatness measurement of ITO glass

图8  ITO玻璃表面微观形变

Fig.8  Surface micro deformation of ITO glass

图9为有无微孔气流加压对ITO玻璃进行激光刻蚀的表面线路SEM形貌对比。在不应用微孔陶瓷时，表面出现多余的刻蚀线路，刻蚀时易发生断点或变形，这使最终产品出现局部短路现象从而产生不良品。由于平面度的降低，导致单条刻蚀线路会出现弯曲、分段的现象。应用微孔气流加压后的线路表面均匀，没有因刻蚀不完整而出现多余线路，同时单条刻蚀线路较为笔直，可以保证每一块玻璃间的绝缘，说明应用微孔陶瓷后的激光刻蚀效果较好。

图9  ITO玻璃表面线路的SEM微观形貌

Fig.9  SEM morphology of lines on ITO glass

实际生产中，在气流压力为0.18 kPa以及刻蚀间隙为1.9 mm左右时，ITO玻璃刻蚀表面的平整度较好。以此条件为基准研究气流压力以及刻蚀间隙对平面度的影响。图10为应用微孔气流加压进行激光刻蚀前后ITO玻璃工件表面平面度的分布情况。可以看出，在应用微孔陶瓷前，工件表面平面度的最大值与最小值集中在边缘角落，而应用微孔陶瓷后平面度分布较为均匀。

图10  微孔气流加压的玻璃平面度

Fig.10  ITO glass flatness pressurized by microporous airflow

对比应用前后的平面度数值可知，当供给压力p为0.18 kPa时，未应用微孔陶瓷体的局部最大平面度为30 μm，最小为-40 μm，总平面度为70 μm；应用微孔陶瓷体后，最大平面度为8 μm，最小平面度为3 μm，总平面度为5 μm。微孔陶瓷体装置可以大幅提高ITO玻璃表面的平面度。

图11为微孔气流加压中不同气流压力p对ITO玻璃刻蚀后平面度的影响。可以看出，在气流压力为0.05~0.25 kPa时，应用微孔陶瓷后的ITO表面平面度值均低于初始的表面平面度，且平面度随着压力的升高呈先下降后上升的趋势。从图中可知，最理想的加载压力在0.16~0.2 kPa，平面度可以保持在10 μm以内，在0.18 kPa时表面最为平整，相比初始工件表面低90%，说明通过微孔气流加载压力优化ITO电子玻璃平面度的效果比较理想。

图11  气流压力与ITO玻璃平面度PV的关系

Fig.11  Relationship between airflow pressure and flatness PV

微孔陶瓷体最理想的加载压力在0.16~0.2 kPa，对应仿真结果可知，工件表面的压力在11.7~14.6 Pa，刻蚀后平面度较好。

图12为微孔陶瓷体不同调节间隙h对ITO玻璃刻蚀后平面度的影响，刻蚀间隙从0.5 mm每次递增0.1 mm至2.5 mm。可以看出，随着刻蚀间隙的增加，平面度呈先减小后上升的趋势，当刻蚀间隙为1.6 ~1.9 mm时，平面度值低于10 μm；刻蚀间隙最优为1.8~1.9 mm，此时平面度数值最低，为8 μm。结果表明，微孔气流加压中刻蚀间隙优化ITO电子玻璃平面度较理想。对应图4的仿真结果可知，工件表面的压力在13.2~14.4 Pa，刻蚀后平面度较好。

图12  刻蚀间隙与ITO玻璃平面度PV的关系

Fig.12  Relationship between etching gap and flatness PV

综上可知，当工件表面所受到的气压压力在13.2~14.4 Pa时，刻蚀后的表面平面度数值最低。在非合适的压力范围内，激光刻蚀与ITO玻璃的形变无法匹配。在低于最优压力范围时，工件表面由于不能压紧表面会产生较大的变形；而大于此压力范围时，中心产生过大的下压力而造成弯曲，这都不利于激光在刻蚀表面的定位。

基于以上实验，选取最优参数在ITO玻璃表面进行激光刻蚀线路，使用20倍镜头的光学显微镜对刻蚀ITO表面线路及银浆线路形貌进行观察，如图13所示，线径分别为8，25 μm。可以看出，线路宽度均匀清晰，品质优异，表明应用微孔陶瓷装置进行刻蚀产生的线路较为均匀，不会出现线路破碎或者短路的现象，提高了产品的良品率。

图13  ITO玻璃表面刻蚀线路形貌

Fig.13  Morphology of etching circuit on ITO glass surface