CN108052701B - 一种基板玻璃应力和翘曲控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种基板玻璃应力和翘曲控制方法，包括以下步骤：步骤一、根据热流场仿真软件得到基板玻璃带降温曲线；步骤二、根据步骤一中所得的基板玻璃降温曲线获取基板玻璃成型中的热历程区间的应力分布曲线和翘曲形状；步骤三、根据步骤二所得的热历程区间的基板玻璃应力分布曲线计算基板玻璃的热历程区间的残余应力；步骤四、判断步骤三所得的基板玻璃的残余应力是否满足基板玻璃的产品工艺要求：当步骤三中所得的应力分布和翘曲满足玻璃基板产品要求时，进行下一步；当步骤三中所得的应力分布和翘曲不能满足玻璃基板产品要求时，首先返回步骤二，调整步骤二中的热流场仿真软件中的工艺参数，接着重复步骤二、步骤三和步骤四；步骤五、利用满足基板玻璃的产品工艺要求的该残余应力所对应的基板玻璃降温曲线调整现场成型装置的温度分布。

Description

一种基板玻璃应力和翘曲控制方法

技术领域

本发明涉及一种基板玻璃制造，特别涉及一种基板玻璃应力和翘曲控制方法。

背景技术

一般的TFT-LCD(薄膜晶体管显示器)、PDP(等离子体显示屏)等平板显示器制造领域所用的基板玻璃以溢流下拉的方式制造，在成型工序中将由玻璃熔化炉熔化了的玻璃液供给到熔融溢流下拉成型装置来制造。基板玻璃的表面平整度必须在大约100um和190um以内，任何翘曲或波动都会对显示器的质量造成负面影响。

基板玻璃的热膨胀系数(CTE：Coefficient of Thermal Expansion)与温度的关系有一段明显的非线性区，该区即为玻璃化转变区，其温度范围为玻璃化转变温度范围(GTTR)。在高于GTTR的温度下，玻璃基本上表现为粘性液体；在低于GTTR的温度下，玻璃基本上表现为弹性固体。玻璃在玻璃化转变温度范围中由高温向低温冷却，粘度逐渐增大，表现出显著的粘性和弹性性质的粘弹性。在玻璃化转变区以上玻璃基本为粘性流体，此时应力可快速释放；在此区域以下，玻璃的硬度足以抗弯曲。

由于基板玻璃很薄，可通过挠曲释放应力，这种通过挠曲释放应力的现象在基板玻璃成品状态以及制造过程中都会出现。玻璃带冷却导致玻璃发生从粘弹性材料向薄的弹性材料的转变。在粘弹性材料中，应力可以快速释放，而薄的弹性材料可以耐受张应力，但通过挠曲对压缩应力产生反应。

为了提高生产效率和降低成本，通常在单个基板上同时制造多个面板，再沿切割线将基板分割成若干小部分。切割操作会改变基板玻璃的应力分布，在切割线处释放应力，导致玻璃子片的形状发生变化，产生扭曲现象。翘曲是一种基板玻璃缺陷，其特征是偏离平面。翘曲已成为基板玻璃制造中最棘手而持续出现的问题之一。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基板玻璃应力和翘曲控制方法，解决现有玻璃成型过程中，玻璃板上存在不应有的应力，给后续工艺带来不便的缺陷。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

本发明提供的一种基板玻璃应力和翘曲控制方法，包括以下步骤：

步骤一、根据热流场仿真软件中输入的基板玻璃成型所需的工艺参数得到基板玻璃带降温曲线；

步骤二、根据步骤一中所得的基板玻璃降温曲线获取基板玻璃成型中的热历程区间的应力分布曲线；

步骤三、根据步骤二所得的热历程区间的基板玻璃应力分布曲线计算基板玻璃的热历程区间的残余应力；

步骤四、判断步骤三所得的基板玻璃的残余应力是否满足基板玻璃的产品工艺要求：

当步骤三中所得的应力分布和翘曲满足玻璃基板产品要求时，进行步骤五；

当步骤三中所得的应力分布和翘曲不能满足玻璃基板产品要求时，首先调整步骤一中的热流场仿真软件中的工艺参数，接着返回步骤二；

步骤五、利用满足基板玻璃的产品工艺要求的该残余应力所对应的基板玻璃降温曲线调整现场成型装置的温度分布。

优选地，步骤一中，获得基板玻璃带降温曲线的具体方法是：首先，在制图软件中建立玻璃成型系统的仿真三维模型；接着，将上述建立所得的仿真三维模型导入到热流场仿真软件中进行仿真模拟计算得到关键热力程区间的基板玻璃带降温曲线。

优选地，步骤二中，获取基板玻璃的应力分布曲线和翘曲形状的具体方法是：首先，采用ANSYS软件建立基板玻璃的有限元热应力仿真模型；接着，将步骤一中所得的基板玻璃降温曲线耦合到基板玻璃的有限元热应力仿真模型上，得到热历程区间的基板玻璃应力分布曲线。

优选地，在将基板玻璃降温曲线耦合到基板玻璃的有限元热应力仿真模型上时，采用自由边界条件，则热历程区间的基板玻璃应力分布曲线包括松弛区和残余应力区。

优选地，步骤三中，计算基板玻璃的热历程区间的残余应力的具体方法是，设定：基板玻璃的热历程区间的总应力为Q、残余应力区的应力为σ，松弛区的应力为S，则:

σ＝Q-2.0×S

其中，S由松弛区的应力分布曲线线性化积分获得；基板玻璃的总应力Q是沿玻璃溢流下拉路径线性化积分获得。

优选地，所述热力程区间包括主体降温区间、玻璃化转变温度区、GTTR区间、退火区和应力区。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供的一种基板玻璃应力和翘曲控制方法，通过模拟玻璃板成型过程中，各个热历程区间的降温曲线以及降温曲线所对应的应力分布，通过分析应力分布曲线，进而调整模拟玻璃板成型过程中的各个工艺参数，直至模拟所得的应力分布满足生产玻璃板时的生产工艺为止。之后通过最优的或接近最优的降温曲线所对应的工艺参数调整玻璃板成型中的工艺参数。本发明提供有效地解决了现场成型设备中工艺参数不易调整的问题，进而消除了生产的玻璃板中不应存在的应力。

附图说明

图1是溢流下拉法结构示意图；

图2是发明流程图；

图3是基板玻璃降温曲线示意图；

图4是基板玻璃降温曲线对应的应力分布曲线示意图；

图5是图4中A处局部放大图；

图6是图4中B处局部放大图；

图7是GTTR区的基板玻璃降温虚线与应力分布示意图；

图8是玻璃化转变温度区的基板玻璃降温虚线与应力分布示意图；

图9是应变区的基板玻璃降温虚线与应力分布示意图；

其中，1、溢流砖 2、基板玻璃 3、零应力控制线 4、玻璃溢流下拉路径 5、玻璃带进行切割的位置 6、基板玻璃降温曲线 7、起始恒温区 8、终点恒温区 9、降温区 10、基板玻璃应力分布曲线 11、松弛区 12、第一线性基板玻璃带降温曲线 13、第二线性基板玻璃带降温曲线 14、第三线性基板玻璃带降温曲线 15、第四线性基板玻璃带降温曲线 16、第一基板玻璃应力分布曲线 17、第二基板玻璃应力分布曲线 18、第三基板玻璃应力分布曲线19、第四基板玻璃应力分布曲线 20、第一非线性基板玻璃带降温曲线 21、第二非线性基板玻璃带降温曲线 22、第三非线性基板玻璃带降温曲线 23、第四非线性基板玻璃带降温曲线 24、第五基板玻璃应力分布曲线 25、第六基板玻璃应力分布曲线 26、第七基板玻璃应力分布曲线 27、第八基板玻璃应力分布曲线 28、第五非线性基板玻璃带降温曲线 29、第六非线性基板玻璃带降温曲线 30、第五线性基板玻璃带降温曲线 31、第九基板玻璃应力分布曲线 32、第十基板玻璃应力分布曲线 33、第十一基板玻璃应力分布曲线

具体实施方式

下面结合附图，对本发明进一步详细说明。

如图1所示，在基板玻璃以熔融溢流的方式制造时，在成型工序中将由玻璃熔化炉熔化了的玻璃液供给到熔融溢流成型装置中的溢流砖1，并通过溢流砖1两侧溢流形成基板玻璃2。零应力控制线3到成型装置裁切出口线5为本发明应力仿真模型的范围；玻璃溢流下拉路径4为本发明应力积分的路径，也是应力仿真模型上每一点的热历程方向。

其中，零应力控制线3是指该线之前玻璃中的综合应力为零，即为玻璃软化点温度控制线。

如图2所示，本发明提供的一种基板玻璃应力和翘曲控制方法，包括以下步骤：

步骤一、根据温度参考点得到热历程区间，所述温度参考点包括应变点、转变点、退火点、变形点和软化温度，热力程区间包括主体降温区间、玻璃化转变温度区、GTTR区间、退火区和应力区；

步骤二、根据热流场仿真软件得到基板玻璃带降温曲线，具体地：

首先，在制图软件(如CAD软件)中建立玻璃成型系统的仿真三维模型；

接着，将上述建立所得的仿真三维模型导入到热流场仿真软件(如FLOEFD和ANSYS)中,并在热流场仿真软件中输入基板玻璃成型所需的工艺参数，接着进行仿真模拟计算，最终得到关键热力程区间的基板玻璃带降温曲线，如图2所示，所述基板玻璃带降温曲线包括起始恒温区7、降温区9、终点恒温区8。

步骤三、根据步骤二中所得的基板玻璃降温曲线获取基板玻璃的应力分布曲线和翘曲形状，具体地：

首先，采用ANSYS软件建立基板玻璃的有限元热应力仿真模型，所述基板玻璃的有限元热应力仿真模型是指，如图3所示的，在基板玻璃成型中零应力控制线3至玻璃带进行切割的位置5；

接着，将步骤二中所得的基板玻璃降温曲线耦合到基板玻璃的有限元热应力仿真模型上，得到基板玻璃对应的应力分布曲线10，如图4所示。

步骤四：根据步骤三所得的基板玻璃应力分布曲线计算基板玻璃的残余应力：

为了近似地模拟基板玻璃的应力松弛，因此在建立基板玻璃的有限元热应力仿真模型时，采用自由边界条件，即无固定约束；所述基板玻璃的应力分布曲线10包括松弛区11和残余应力区。

设定：基板玻璃沿玻璃溢流下拉路径4的总应力为Q、残余应力区的应力为σ，松弛区的应力为S，则:

σ＝Q-2.0×S

其中，S由松弛区的应力分布曲线线性化积分获得；

玻璃带路径上的每一点离开退火炉的瞬间完全是等价的，根据引板速度(玻璃沿拉引方向的拉引速度)将路径转换为时间，则基板玻璃的应力分布曲线10可转化为退火时间历程各瞬间的应力，基板离开退火炉的总应力应该是沿时间历程(路径)的积分，这便是本发明的线性化积分处理方法，通过线性化处理可得到基板玻璃的应力分布曲线10的最终的应力Q。

过大的压缩应力(负应力)可能带来不利的翘曲，而适当的张应力(正应力)或零应力有利于获得平坦的玻璃。

步骤五、判断步骤四所得的基板玻璃的残余应力是否满足基板玻璃的产品工艺要求：

当步骤四所得的应力分布和翘曲满足玻璃基板产品要求时，进行下一步；

当步骤四所得的应力分布和翘曲不能满足玻璃基板产品要求，通过调整步骤二中的热流场仿真软件中的工艺参数，如加热或冷却单元，重复步骤二仿真模拟获得新得退火降温曲线；重复步骤三，将新的退火降温曲线耦合到有限元应力仿真模型重新进行应力仿真计算和分析，直至基板玻璃上的残余应力满足基板玻璃的产品工艺要求。

步骤六、当步骤四或步骤五所得的残余应力满足基板玻璃的产品工艺要求时，利用该残余应力所对应的基板玻璃降温曲线调整现场成型装置的温度分布。

本发明将很薄的基板玻璃等效为薄膜的线性化处理方法，该方法将忽略玻璃厚度方向的热应力(这种忽略基于玻璃足够薄)，仅研究玻璃沿面方向的应力。

实施例1

通过本发明提供的一种基板玻璃应力和翘曲控制方法，获取GTTR区的基板玻璃带降温曲线，如图7所示，本实施例中总共获得四个基板玻璃带降温曲线，分别是第一线性基板玻璃带降温曲线12、第二线性基板玻璃带降温曲线13、第三线性基板玻璃带降温曲线14和第四线性基板玻璃带降温曲线15。

本实施例中，四个基板玻璃带降温曲线对应所得四个基板玻璃应力分布曲线，具体是：第一线性基板玻璃带降温曲线12对应第一基板玻璃应力分布曲线16、第二线性基板玻璃带降温曲线13对应第二基板玻璃应力分布曲线17、第三线性基板玻璃带降温曲线14对应第三基板玻璃应力分布曲线18、第四线性基板玻璃带降温曲线15对应第四基板玻璃应力分布曲线19。

从图中可以得到：在大约700～790℃范围内，线性温度曲线在玻璃中产生了一个压缩峰(负应力)，压缩峰位于变形点温度附近，而在玻璃化温度点附近产生拉张峰(正应力)；过大的压缩应力(负应力)可能带来不利的翘曲，而适当的张应力(正应力)或零应力有利于获得平坦的玻璃。

当玻璃片经过该范围冷却时产生不均匀收缩。(1)随着降温速度的不同，压缩峰的位置随变形点移动，即压缩峰与变形点对应。(2)线性降温速度增加，压缩峰的位置前移；线性降温速度减小，压缩峰的位置后移。成型装置的主体线性降温速度增加有利于产生张应力(正应力)，速度减小则产生更多的压缩应力(负应力)。

实施例2

通过本发明提供的一种基板玻璃应力和翘曲控制方法，获取玻璃化转变温度区的基板玻璃带降温曲线，如图8所示，本实施例中总共获得四个基板玻璃带降温曲线，分别是第一非线性基板玻璃带降温曲线20、第二非线性基板玻璃带降温曲线21、第三非线性基板玻璃带降温曲线22和第四非线性基板玻璃带降温曲线23。

本实施例中，四个基板玻璃带降温曲线对应所得四个基板玻璃应力分布曲线，具体是：第一非线性基板玻璃带降温曲线20对应第五基板玻璃应力分布曲线24、第二非线性基板玻璃带降温曲线21对应第六基板玻璃应力分布曲线25、第三非线性基板玻璃带降温曲线22对应第七基板玻璃应力分布曲线26、第四非线性基板玻璃带降温曲线23对应第八基板玻璃应力分布曲线27。

非线性温度曲线的拐点设计在变形点(CTE～T曲线的最高点)附近，非线性温度曲线的终点设计在玻璃化温度点附近。应力曲线的压缩峰位置会跟随拐点而动，而应力曲线的拉张峰位置基本保持不变。

压缩峰的位置与变形点温度对应。线性降温速度由快变慢，压缩峰的位置前移；线性降温速度由慢变快，压缩峰的位置后移。

如图8所示，第四非线性基板玻璃带降温曲线23在玻璃化转变温度范围以变形点为拐点由慢变快，玻璃带中将产生更多的压应力。

实施例3

通过本发明提供的一种基板玻璃应力和翘曲控制方法，获取应力区的基板玻璃带降温曲线，如图9所示，本实施例中总共获得三个基板玻璃带降温曲线分别是第五非线性基板玻璃带降温曲线28、第六非线性基板玻璃带降温曲线29和第五线性基板玻璃带降温曲线30。

本实施例中，三个基板玻璃带降温曲线对应所得三个基板玻璃应力分布曲线，具体是：第五非线性基板玻璃带降温曲线28对应第九基板玻璃应力分布曲线31、第六非线性基板玻璃带降温曲线29对应第十基板玻璃应力分布曲线32、第五线性基板玻璃带降温曲线36对应第十一基板玻璃应力分布曲线33。

第五线性基板玻璃带降温曲线30在应力区热功率增加，玻璃带中将产生更多的压应力；而第五非线性基板玻璃带降温曲线28在应力区热功率减小，有利于在玻璃带中产生张应力。

Claims (5)

1.一种基板玻璃应力和翘曲控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、根据热流场仿真软件中输入的基板玻璃成型所需的工艺参数得到基板玻璃带降温曲线；

步骤二、根据步骤一中所得的基板玻璃降温曲线获取基板玻璃成型中的热历程区间的应力分布曲线；

步骤三、根据步骤二中所得的热历程区间的基板玻璃应力分布曲线计算基板玻璃的热历程区间的残余应力；

步骤四、判断步骤三所得的基板玻璃的残余应力是否满足基板玻璃的产品工艺要求：

当步骤三中所得的应力分布和翘曲满足玻璃基板产品要求时，进行步骤五；

当步骤三中所得的应力分布和翘曲不能满足玻璃基板产品要求时，首先调整步骤一中的热流场仿真软件中的工艺参数，接着返回步骤二；

步骤五、利用满足基板玻璃的产品工艺要求的该残余应力所对应的基板玻璃降温曲线调整现场成型装置的温度分布；

步骤一中，获得基板玻璃带降温曲线的具体方法是：首先，在制图软件中建立玻璃成型系统的仿真三维模型；接着，将上述建立所得的仿真三维模型导入到热流场仿真软件中，并在热流场仿真软件中输入基板玻璃成型所需的工艺参数，接着进行仿真模拟计算，最终得到关键热力程区间的基板玻璃带降温曲线。

2.根据权利要求1所述的一种基板玻璃应力和翘曲控制方法，其特征在于，步骤二中，获取基板玻璃的应力分布曲线和翘曲形状的具体方法是：首先，采用ANSYS软件建立基板玻璃的有限元热应力仿真模型；接着，将步骤一中所得的基板玻璃降温曲线耦合到基板玻璃的有限元热应力仿真模型上，得到热历程区间的基板玻璃应力分布曲线。

3.根据权利要求2所述的一种基板玻璃应力和翘曲控制方法，其特征在于，在将基板玻璃降温曲线耦合到基板玻璃的有限元热应力仿真模型上时，采用自由边界条件，则热历程区间的基板玻璃应力分布曲线包括松弛区和残余应力区。

4.根据权利要求3所述的一种基板玻璃应力和翘曲控制方法，其特征在于，步骤三中，计算基板玻璃的热历程区间的残余应力的具体方法是，设定：基板玻璃的热历程区间的总应力为Q、残余应力区的应力为σ，松弛区的应力为S，则:

σ＝Q-2.0×S

其中，S由松弛区的应力分布曲线线性化积分获得；基板玻璃的总应力Q是沿玻璃溢流下拉路径线性化积分获得。

5.根据权利要求1所述的一种基板玻璃应力和翘曲控制方法，其特征在于，所述热力程区间包括主体降温区间、玻璃化转变温度区、GTTR区间、退火区和应力区。

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