一种补强结构强化蓝宝石基板及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种补强结构强化蓝宝石基板，包括蓝宝石基板，在蓝宝石基板上开设有工艺孔，在蓝宝石基板的上表面、下表面、四周侧面以及工艺孔的内壁均设有补强结构层，且补强结构层为单晶氧化铝膜层或者玻璃态氧化铝膜层。其制备方法主要包括：蓝宝石基板表面吸附三甲基铝、惰性气体吹淋多余的三甲基铝蒸汽、补强结构层的形成以及惰性气体吹淋多余的氧化性气体步骤，本发明采用原子层气相沉积蓝宝石单晶膜层或玻璃态氧化铝膜层对基板进行强化，制备出能够极大提高并稳定蓝宝石基板薄片的机械强度、尤其是手机触摸屏行业的相关的各类机械抗摔抗压强度，并减少产品厚度、降低成本的电容触摸屏用的蓝宝石基板。
【专利说明】
一种补强结构强化蓝宝石基板及其制备方法
技术领域
[0001]本发明公开了一种电子和光学行业用的蓝宝石基板，本发明尤其是公开了一种触摸屏行业用的补强结构强化蓝宝石基板，本发明还公开了一种补强结构强化蓝宝石基板的制备方法。
【背景技术】
[0002]随着科学技术的发展，触摸屏已经逐渐取代机械式按钮面板成为手机、笔记本等电子设备新的操作界面。触摸屏根据其工作原理通常可分为:电阻式触摸屏、电容式触摸屏和红外线触摸屏，而电容式触摸屏由于其透光率、清晰度和可靠性好，而被广泛应用于越来越多的产品中。
[0003]电容式触摸屏的构造主要是在玻璃屏幕上镀一层或两层透明的薄膜导体层ITO(铟锡氧化物)，再在导体层外加上一薄层矽土保护玻璃。电容式触摸屏在触摸屏四边均镀上狭长的电极，在导电体内形成一个低电压交流电场。在触摸屏幕时，由于人体电场，手指与导体层间会形成一个耦合电容，四边电极发出的电流会流向触点，而电流强弱与手指到电极的距离成正比，位于触摸屏幕后的控制器便会计算电流的比例及强弱，准确算出触摸点的位置。
[0004]电容式触摸屏最主要的缺点是漂移:当环境温度、湿度改变时，环境电场发生改变时，屏幕上沾有油污、汗渍、水汽时，都会引起电容屏的漂移，造成不准确。再者，电容式触摸屏外层矽土玻璃在使用过程中虽然防刮擦性很好，但是还是容易被硬物划伤、磨损，甚至敲碎、压碎。针对此问题，目前大部分用户都会使用PET贴膜保护触摸屏，它可以起到一定的保护效果。
[0005]蓝宝石晶体材料的硬度达到仅次于钻石的莫氏9级，抗冲击及全面抗刮擦能力超强；同时具有很好的光学透光性，高于普通玻璃2倍的抗辐射能力，具有有效降低电磁辐射对人体的辐射危险。因此广泛应用于消费电子领域。用蓝宝石晶体材料制作的手机屏厚度仅0.4_，具有良好的光学透过率，散射小，能呈现更加逼真的色彩和清晰光亮的镜面效果；而且蓝宝石的介电常数是现有玻璃的130%?150%、使得触摸屏具有极高的灵敏性，比市面上其它保护膜的触控更灵敏精准，画面更流畅;蓝宝石凭借其以上特性，可以说是触摸屏盖板的终极材料。
[0006]但是由于蓝宝石是晶体结构，材料性能各项异性;硬度高，在加工过程中容易形成各类可见和不可见的微裂纹或划痕;使得蓝宝石晶体屏幕盖板在Ring-on-Ring，4-PointBending，以及跌落测试中数值波动较大;具体通俗描述如下:在加工优良的情况下各类性能优异的时候是现有玻璃的数倍，并且不容易衰退;如果加工不好的情况下，性能测试还不如现有玻璃，远远达不到理论断裂强度;并且只有通过破坏性测试才能发现问题，限制了蓝宝石屏幕盖板在手机行业的大规模应用。
【发明内容】
[0007]本发明的目的之一是克服现有技术中存在的不足，提供一种断裂强度明显提高、跌落抗摔能力得到极大提高的补强结构强化蓝宝石基板。
[0008]本发明的另一目的是提供一种补强结构强化蓝宝石基板的制备方法。
[0009]按照本发明提供的技术方案，所述补强结构强化蓝宝石基板，包括蓝宝石基板，在蓝宝石基板上开设有工艺孔，在蓝宝石基板的上表面、下表面、四周侧面以及工艺孔的内壁均设有补强结构层，且所述补强结构层为单晶氧化铝膜层或者玻璃态氧化铝膜层。
[0010]所述工艺孔为方形孔或者圆形孔，工艺孔的数目为一个或者多个。
[00?1 ]所述补强结构层的厚度为5?160000nmo
[0012]—种补强结构强化蓝宝石基板的制备方法包括以下步骤:
a、取表面干净且已经预先开有工艺孔的蓝宝石基板，备用；
b、将蓝宝石基板放入真空室中，将真空室气压抽成1Pa以下后以流量为1sccm?lOOOOsccm通入惰性气体，真空室中惰性气体的气压保持在10?5000Pa，把蓝宝石基板加热至100?500°C，再往真空室中通入三甲基铝蒸汽，三甲基铝蒸汽与惰性气体的体积比例控制在0.1%?50%，三甲基铝蒸汽的通入时间控制在0.01?5秒，使三甲基铝的分子均匀地吸附在蓝宝石基板的上表面、下表面、四周侧面以及工艺孔的内壁，形成补强结构层；
c、三甲基铝蒸汽通入结束后，继续以流量为1sccm?lOOOOsccm通入惰性气体，惰性气体的通入时间控制在0.1?10秒；
d、继续以流量为1sccm?lOOOOsccm通入惰性气体，往真空室中通入氧化性气体，氧化性气体与惰性气体的体积比例控制在0.1%?50%，氧化性气体的通入时间控制在0.01?5秒；
e、氧化性气体通入结束后，继续以流量为1sccm?lOOOOsccm通入惰性气体，惰性气体的通入时间控制在0.1?10秒；
f、重复步骤b到步骤e共I?10次，得到补强结构强化蓝宝石基板。
[0013]所述的惰性气体为氩气或者氮气。
[0014]所述的氧化性气体为水蒸气、氧气、等离子化氧气中的一种或者它们两种以及两种以上的混合物。
[0015]所述的蓝宝石基板为按顺序经过超声波碱洗、纯水漂洗、超声波纯水漂洗并经过100?200°C温度的纯氮气干燥后得到的基板。
[0016]所述的蓝宝石基板为按顺序经过超声波碱洗、纯水漂洗、超声波纯水漂洗并经过等离子表面处理后的基板。
[0017]本发明采用原子层气相沉积蓝宝石单晶膜层或玻璃态氧化铝膜层对基板进行强化，制备出能够极大提高并稳定蓝宝石基板薄片的机械强度、尤其是手机触摸屏行业的相关的各类机械抗摔抗压强度(包含:Ring-on-Ring，4-Point Bending测试)，并减少产品厚度、降低成本的电容触摸屏用的蓝宝石基板。
【附图说明】
[0018]图1是本发明的结构示意图。
[0019]图2是图1的A—A剖视图。
【具体实施方式】
[0020]下面结合具体实施例对本发明作进一步说明ο
[0021]实施例1
一种补强结构强化蓝宝石基板的制备方法包括以下步骤:
a、取厚度为0.4mm表面干净且已经预先开有圆形工艺孔2的蓝宝石基板1，备用，且所述的蓝宝石基板为按顺序经过超声波碱洗、纯水漂洗、超声波纯水漂洗并经过100?200°C温度的纯氮气干燥后得到的基板；
b、将蓝宝石基板I放入真空室中，将真空室气压抽成1Pa以下后以流量为1sccm通入氩气，真空室中氩气的气压保持在10Pa，把蓝宝石基板I加热至100°C，再往真空室中通入三甲基铝蒸汽，三甲基铝蒸汽与氩气的体积比例控制在0.1%，三甲基铝蒸汽的通入时间控制在0.01秒，使三甲基铝的分子均匀地吸附在蓝宝石基板I的上表面、下表面、四周侧面以及工艺孔2的内壁，形成补强结构层3;
C、三甲基铝蒸汽通入结束后，继续以流量为1sccm通入氩气，氩气的通入时间控制在1秒；
d、继续以流量为1sccm通入氩气，往真空室中通入水蒸气，水蒸气与氩气的体积比例控制在0.1%，水蒸气的通入时间控制在0.01秒；
e、水蒸气通入结束后，继续以流量为1sccm通入氩气，氩气的通入时间控制在10秒；
f、重复步骤b到步骤e共10次，得到补强结构强化蓝宝石基板。
[0022]实施例1得到的补强结构强化蓝宝石基板，在蓝宝石基板I的上表面、下表面、四周侧面以及工艺孔2的内壁均设有补强结构层3，且所述补强结构层3为玻璃态氧化铝膜层。
[0023]实施例1得到的补强结构强化蓝宝石基板经4-PointBending测试:采用D6妈钢圆棒，上跨距20mm、下跨距40mm，下压速度I Omm/min，弯曲强度彡800MPa。
[0024]实施例1得到的补强结构强化蓝宝石基板经钢球跌落测试:钢球130g，高度16cm，能量为0.3J，测试10个点外观完好。
[0025]实施例2
一种补强结构强化蓝宝石基板的制备方法包括以下步骤:
a、取厚度为0.4mm表面干净且已经预先开有方形工艺孔2的的蓝宝石基板1，备用，且所述的蓝宝石基板I为按顺序经过超声波碱洗、纯水漂洗、超声波纯水漂洗并经过等离子表面处理后的基板；
b、将蓝宝石基板I放入真空室中，将真空室气压抽成1Pa以下后以流量为lOOOOsccm通入氮气，真空室中氮气的气压保持在5000Pa，把蓝宝石基板I加热至500°C，再往真空室中通入三甲基铝蒸汽，三甲基铝蒸汽与氮气的体积比例控制在50%，三甲基铝蒸汽的通入时间控制在5秒，使三甲基铝的分子均匀地吸附在蓝宝石基板I的上表面、下表面、四周侧面以及工艺孔2的内壁，形成补强结构层3;
C、三甲基招蒸汽通入结束后，继续以流量为lOOOOsccm通入氮气，氮气的通入时间控制在0.1秒；
d、继续以流量为10000sccm通入氮气，往真空室中通入氧气，氧气与氮气的体积比例控制在50%，氧气的通入时间控制在5秒；
e、氧气通入结束后，继续以流量为lOOOOsccm通入氮气，氮气的通入时间控制在0.1秒；
f、重复步骤b到步骤e共I次，得到补强结构强化蓝宝石基板。
[0026]实施例2得到的补强结构强化蓝宝石基板，在蓝宝石基板I的上表面、下表面、四周侧面以及工艺孔2的内壁均设有补强结构层3，且所述补强结构层3为单晶态氧化铝膜层。
[0027]实施例2得到的补强结构强化蓝宝石基板经4-PointBending测试:采用D6妈钢圆棒，上跨距20mm、下跨距40mm，下压速度I Omm/min，弯曲强度彡900MPa。
[0028]实施例2得到的补强结构强化蓝宝石基板经钢球跌落测试:钢球130g，高度16cm，能量为0.3J，测试10个点外观完好。
[0029]实施例3
一种补强结构强化蓝宝石基板的制备方法包括以下步骤:
a、取厚度为0.4mm的表面干净且已经预先开有圆形工艺孔2的蓝宝石基板1，备用，且所述的蓝宝石基板I为按顺序经过超声波碱洗、纯水漂洗、超声波纯水漂洗并经过100?200°C温度的纯氮气干燥后得到的基板；
b、将蓝宝石基板I放入真空室中，将真空室气压抽成1Pa以下后以流量为5000sCCm通入惰性气体，真空室中惰性气体的气压保持在2500Pa，把蓝宝石基板I加热至300 °C，再往真空室中通入三甲基铝蒸汽，三甲基铝蒸汽与惰性气体的体积比例控制在25%，三甲基铝蒸汽的通入时间控制在3秒，使三甲基铝的分子均匀地吸附在蓝宝石基板I的上表面、下表面、四周侧面以及工艺孔2的内壁，形成补强结构层3;
C、三甲基铝蒸汽通入结束后，继续以流量为5000SCCm通入惰性气体，惰性气体的通入时间控制在5秒；
d、继续以流量为5000sccm通入惰性气体，往真空室中通入氧化性气体，氧化性气体与惰性气体的体积比例控制在30%，氧化性气体的通入时间控制在2秒；
e、氧化性气体通入结束后，继续以流量为5000SCCm通入惰性气体，惰性气体的通入时间控制在5秒；
f、重复步骤b到步骤e共5次，得到补强结构强化蓝宝石基板。
[0030]实施例3得到的补强结构强化蓝宝石基板，在蓝宝石基板I的上表面、下表面、四周侧面以及工艺孔2的内壁均设有补强结构层3，且所述补强结构层3为单晶态氧化铝膜层。[OO31 ]实施例3得到的补强结构强化蓝宝石基板经4-Point Bending测试:采用D6妈钢圆棒，上跨距20mm、下跨距40mm，下压速度I Omm/min，弯曲强度彡850MPa。
[0032]实施例3得到的补强结构强化蓝宝石基板经钢球跌落测试:钢球130g，高度16cm，能量为0.3J，测试10个点外观完好。
[0033]本发明的步骤b中，三甲基铝蒸汽通入后，扩散作用使三甲基铝的分子均匀地吸附在蓝宝石基板I的所有裸露表面(即蓝宝石基板I的上表面、下表面、四周侧面以及工艺孔2的内壁)，自然的吸附效应使得蓝宝石基板I的表面微裂纹部位可以吸附更多的三甲基铝分子或优先吸附三甲基铝分子。
[0034]本发明的步骤c中，惰性气体通入后，可以完全吹离蓝宝石基板I的表面完全游离的三甲基铝，只剩余已经吸附在蓝宝石基板I上的一层三甲基铝分子。
[0035]本发明的步骤d中，通入氧化性气体后，充分氧化后形成氧化铝单层分子膜层，在蓝宝石基板I的损伤、划痕或微裂纹的底部优先形成氧化铝晶核并成补强结构层3，完成优先修复。
[0036]本发明的原理是根据无机非金属材料的Griffith微裂纹断裂学理论，在实际材料中总是存在许多微小的微裂纹或缺陷，在外力作用下，在这些微裂纹或缺陷的附近(尤其是尖锐的谷底)产生应力集中现象。当应力集中到达一定程度的时候，裂纹开始扩张导致断裂，所以断裂不是两部分晶体同时沿整个晶面拉断，而是裂纹扩张的结果。蓝宝石基板的测试结果也显示断裂是从表面的边沿开始的。本发明是利用原子层沉积技术对蓝宝石基板的表面微裂纹和缺陷进行修复，从而提高在Ring-on-Ring、4-Point Bending和跌落抗摔能力测试中断裂强度。
【主权项】
1.一种补强结构强化蓝宝石基板，包括蓝宝石基板(I)，在蓝宝石基板(I)上开设有工艺孔(2)，其特征是:在蓝宝石基板(I)的上表面、下表面、四周侧面以及工艺孔(2)的内壁均设有补强结构层(3)，且所述补强结构层(3)为单晶氧化铝膜层或者玻璃态氧化铝膜层。2.如权利要求1所述的补强结构强化蓝宝石基板，其特征是:所述工艺孔(2)为方形孔或者圆形孔，工艺孔(2)的数目为一个或者多个。3.如权利要求1所述的补强结构强化蓝宝石基板，其特征是:所述补强结构层(3)的厚度为5 ?160000nm。4.一种补强结构强化蓝宝石基板的制备方法，其特征是该方法包括以下步骤: a、取表面干净且已经预先开有工艺孔(2)的蓝宝石基板(1)，备用； b、将蓝宝石基板(I)放入真空室中，将真空室气压抽成1Pa以下后以流量为1sccm?lOOOOsccm通入惰性气体，真空室中惰性气体的气压保持在10?5000Pa，把蓝宝石基板(I)加热至100?500°C，再往真空室中通入三甲基铝蒸汽，三甲基铝蒸汽与惰性气体的体积比例控制在0.1%?50%，三甲基铝蒸汽的通入时间控制在0.01?5秒，使三甲基铝的分子均匀地吸附在蓝宝石基板(I)的上表面、下表面、四周侧面以及工艺孔(2)的内壁，形成补强结构层(3); C、三甲基铝蒸汽通入结束后，继续以流量为1sccm?lOOOOsccm通入惰性气体，惰性气体的通入时间控制在0.1?10秒； d、继续以流量为1sccm?lOOOOsccm通入惰性气体，往真空室中通入氧化性气体，氧化性气体与惰性气体的体积比例控制在0.1%?50%，氧化性气体的通入时间控制在0.01?5秒； e、氧化性气体通入结束后，继续以流量为1sccm?lOOOOsccm通入惰性气体，惰性气体的通入时间控制在0.1?10秒； f、重复步骤b到步骤e共I?10次，得到补强结构强化蓝宝石基板。5.如权利要求4所述的一种补强结构强化蓝宝石基板的制备方法，其特征是:所述的惰性气体为氩气或者氮气。6.如权利要求4所述的一种补强结构强化蓝宝石基板的制备方法，其特征是:所述的氧化性气体为水蒸气、氧气、等离子化氧气中的一种或者它们两种以及两种以上的混合物。7.如权利要求4所述的一种补强结构强化蓝宝石基板的制备方法，其特征是:所述的蓝宝石基板(I)为按顺序经过超声波碱洗、纯水漂洗、超声波纯水漂洗并经过100?200°C温度的纯氮气干燥后得到的基板。8.如权利要求4所述的一种补强结构强化蓝宝石基板的制备方法，其特征是:所述的蓝宝石基板(I)为按顺序经过超声波碱洗、纯水漂洗、超声波纯水漂洗并经过等离子表面处理后的基板。
【文档编号】G06F3/044GK105955559SQ201610278473
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年4月28日
【发明人】黄小卫
【申请人】黄小卫, 元亮科技有限公司