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TWI750298B - 具有設計的應力輪廓之玻璃基物件以及製造方法 - Google Patents

具有設計的應力輪廓之玻璃基物件以及製造方法 Download PDF

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TWI750298B
TWI750298B TW107101515A TW107101515A TWI750298B TW I750298 B TWI750298 B TW I750298B TW 107101515 A TW107101515 A TW 107101515A TW 107101515 A TW107101515 A TW 107101515A TW I750298 B TWI750298 B TW I750298B
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傑森湯瑪士 哈瑞斯
維杰 蘇柏拉馬尼安
周春鋒
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美商康寧公司
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Abstract

本文揭示積層的玻璃基物件以及製造方法。玻璃基物件包括玻璃基基板，玻璃基基板具有第一表面及相對第一表面之第二表面，定義約0.1毫米至3毫米之範圍中的基板厚度(t )，玻璃基基板具有壓縮區域，該壓縮區域於玻璃基物件的第一表面處具有第一壓縮應力CS最大值延伸至壓縮深度(DOC)；以及於自第一表面至少25 µm之深度處具有第二局部CS最大值，其中玻璃基基板包含玻璃基芯基板，玻璃基芯基板具有第一側及第二側，玻璃基芯基板夾置於玻璃基第一包覆基板及玻璃基第二包覆基板之間，第一包覆基板及第二包覆基板直接接合至第一側，及第二包覆基板直接接合至第二側。

Description

具有設計的應力輪廓之玻璃基物件以及製造方法
本申請案根據專利法主張西元2017年1月18日提出申請之美國專利臨時申請案第62/447,569號之優先權權益，本申請案仰賴該申請案的內容並且該申請案以全文引用方式併入本文中。
本揭示的實施例大致上關於具有設計的應力輪廓之玻璃基物件以及製造彼之方法。
強化的玻璃基物件廣泛地使用於電子裝置中，作為供例如行動電話、智慧手機、平板、錄放影機、資訊終端(IT)裝置、膝上型電腦、導航系統等等之可攜式或行動電子通訊及娛樂裝置之覆蓋板或窗，以及於其他的應用中，例如建築(如，窗、淋浴屏、工作檯面等等)、交通(如，汽車、火車、飛行器、海輪等等)、設備，或任何需要優異抗破裂性質但是薄且輕量物件的應用。
於例如化學強化的玻璃物件之強化的玻璃基物件中，於玻璃表面處的壓縮應力最高或是處於峰值及峰值隨移動離開表面而降低，並且在玻璃物件中之應力變成張力之前於玻璃物件之某內部位置的應力為零。可使用對離子交換製程之修飾來處理玻璃基物件中之敏感初始缺陷群體以修飾玻璃之應力輪廓以降低對初始缺陷群體的敏感度。儘管可針對此目的使用對離子交換製程之修飾，因越來越常使用強化的玻璃基物件，將期望的是發展其他方法以提供具有改進的可靠度之強化的玻璃基材料，而不會顯著地影響強化的玻璃基材料之平均強度。
本揭示的態樣關於玻璃基物件及用於彼等之製造的方法。於第一態樣中，玻璃基物件包含玻璃基基板，玻璃基基板具有第一表面及相對第一表面之第二表面，定義於約0.1毫米至3毫米之範圍中的基板厚度(t )，玻璃基基板具有壓縮區域，於玻璃基物件的第一表面具有第一壓縮應力CS最大值延伸至層深度(DOL)以及於自第一表面至少25 µm之深度處具有第二局部CS最大值。
於另一態樣中，製造玻璃基物件的方法包含以下步驟：將玻璃基第一包覆基板接合至化學強化的玻璃基芯基板之第一側而不需要聚合物或黏著劑；將玻璃基第二包覆基板接合至化學強化的玻璃基芯基板之第二側而不需要聚合物或黏著劑；以及化學強化第一包覆基板及第二包覆基板。
於描述數個例示性實施例之前，要理解的是本揭示不受限於以下揭示中闡述之構造細節或製程步驟。於此提供的揭示內容涵蓋其他實施例並且能以各種方式實施或執行。
於通篇說明書中提及“一個實施例”、“某些實施例”、“各種實施例”、“一或更多實施例”或“一實施例”時，表示關於實施例而描述之特別的結構特徵、結構、材料，或特徵係包括於本揭示的至少一個實施例中。因此，於通篇說明書中各處出現的用語，例如“於一或更多實施例中”、“於某些實施例中”、“於各種實施例中”、“於一個實施例中”或“於一實施例中”並非必須參照相同的實施例。再者，於一或更多實施例中，特別的結構特徵、結構、材料，或特徵可以任何適合的方式組合。
本揭示的一或更多實施例提供積層的玻璃基物件，積層的玻璃基物件包括具有設計的應力輪廓之玻璃基基板。於一或更多實施例中，提供積層的玻璃基物件以包括設計的應力輪廓而提供對於肇因於深度損傷之破裂(failure)的抗性。於一或更多實施例中，積層的玻璃基物件不能彎折。
本文揭示積層的玻璃基物件，物件具有最佳化之對抗深度缺陷的應力輪廓。於一些實施例中，最佳化的應力輪廓藉由改進針對深度缺陷(例如，大於100微米的缺陷)之殘留強度而改進了玻璃基物件的下落表現，同時由於表面處之高壓縮應力亦具有充分的撓曲強度。於一或更多實施例中，最佳化的下落表現係肇因於特別設計的應力輪廓，該應力輪廓於預期終止由於損傷引入之缺陷的區域中產生高壓縮應力。於一或更多實施例中，積層的玻璃基物件展現壓縮應力輪廓，於其中在表面處或接近表面處有陡峭的切線(即，於表面處之應力輪廓中的尖峰)。一或更多實施例之應力輪廓之特色為存在於某些範圍內具有切線之兩個分別的區域–一個具有相當陡的切線及一個具有淺切線。
於一或更多實施例中，與藉由標準單一離子交換強化或積層獲得的輪廓相較，最佳化的應力輪廓可顯著地增加玻璃基物件之對抗深度缺陷(例如，大於70 μm、大於80 μm、大於90 μm、大於100 μm、大於110 μm、大於120 μm、大於130 μm、大於140 μm、大於150 μm、大於160 μm、大於170 μm、大於180 μm、大於190 μm、大於200 μm、大於210 μm、大於220 μm、大於230 μm、大於240 μm，及大於250 μm)的強度保護以改進其對抗下落引發之損傷的機械可靠度。於一或更多實施例中，最佳化的應力輪廓亦可具有對抗較短缺陷(例如，小於10 μm)之可比(comparable)撓曲強度行為。於一或更多實施例中，最佳化的應力輪廓可被產生以提供對抗深度缺陷(例如，大於70 μm、大於80 μm、大於90 μm、大於100 μm、大於110 μm、大於120 μm、大於130 μm、大於140 μm、大於150 μm、大於160 μm、大於170 μm、大於180 μm、大於190 μm、大於200 μm、大於210 μm、大於220 μm、大於230 μm、大於240 μm，及大於250 μm)之較佳應力耐腐蝕性。
根據一或更多實施例，最佳化的應力輪廓可透過積層製程而達成。可藉由積層玻璃基基板至具有離子交換輪廓之芯基板的兩側來產生輪廓以提供積層堆疊，以及接著離子交換積層堆疊以提供積層的玻璃基基板。積層的玻璃基基板於包覆玻璃上具有張力及於芯玻璃上具有壓縮力，與習知積層的玻璃相反。芯及包覆的相對離子擴散性可提供另外的方式以控制玻璃基物件中的應力輪廓。
與下落事件相關的損傷可造成接近玻璃基基板之表面處的碎裂及密實化，針對錯誤函數輪廓，此損傷與最高殘餘壓縮應力一致。根據一或更多實施例，可獲得隱埋(buried)峰值輪廓，其中應力經隱埋且不太受粗糙表面上之下落事件期間引起之表面損傷的影響。
於一或更多實施例中，芯及包覆玻璃基基板的組成可為相同或不同，其可允許新的設計特徵及應用之整合。根據一或更多實施例，可利用不同組成之芯及包覆玻璃基板以進一步增加玻璃基基板之抗深度損傷破裂性質，例如藉由利用熱膨脹係數(CTE)差異以在包覆層中產生壓縮應力，得到改進的粗糙表面下落表現。於一或更多實施例中，可改變包覆玻璃基基板的厚度以準確地定位應力輪廓之隱埋峰值的深度。如本文中所使用的，參照應力輪廓之“隱埋峰值”意指應力對比自玻璃表面深度作圖上的局部化最大值，其中與隱埋峰值及玻璃基物件外部表面之間的點相較，局部化最大值或峰值具有較高之壓縮應力的應力幅度。
於一或更多實施例中，可選擇芯及包覆基板的性質，例如離子擴散性，以準確地控制隱埋峰值之分佈及玻璃基物件之表面壓縮殘餘應力。舉例而言，低離子擴散性的芯及高離子擴散性的包覆將產生隱埋峰值，該峰值類似於標準離子交換錯誤函數輪廓，然而，根據一或更多實施例，本文所述之玻璃物件與既有輪廓相較，不同之處在於設計應力輪廓時具有較大程度之靈活性及應力輪廓的可調性。使用具有不同離子擴散性的玻璃基板可控制隱埋峰值之特性，例如應力幅度及CS深度。於一或更多實施例中，感測器層可併入至經離子交換的基板堆疊中。
於一或更多實施例中，提供對抗深度缺陷之具有最佳化的應力輪廓之玻璃基物件以改進覆蓋玻璃之下落表現而不犧牲撓曲強度小及大缺陷(少於10 μm及大於75 μm)。亦提供獲得對抗深度缺陷之最佳化的應力輪廓之方法以改進覆蓋玻璃之下落表現。
於一或更多實施例中，針對下落、刮擦，及撓曲表現，提供具有最佳化的應力輪廓之玻璃物件以及產生此輪廓之方法。於一實施例中，可經由離子交換以及藉由共價鍵結而將薄玻璃基包覆基板接合至芯基板之組合來產生最佳化的輪廓。於一或更多實施例中，產生此最佳化的輪廓的方法可包括以下步驟：選擇具有預定組成的玻璃基板來提供積層的玻璃基物件之芯基板。根據一或更多實施例並考慮將改變輪廓幅度及形狀的數個下游製程來選擇預定的組成，其將更詳細地於下方論述。於一或更多實施例中，芯基板經化學強化，並且就表面處之應力幅度及應力層的深度而言，所得到的應力輪廓亦是預定的。於一或更多實施例中，厚度在約50至150 μm的範圍中並且具有預定厚度及組成的兩個包覆基板係接合至芯基板。於一或更多實施例中，包覆基板可藉由共價鍵結而接合至芯基板。
於一或更多實施例中，形成共價鍵的高溫可能造成經離子交換之芯基板內之額外的離子擴散，其將降低應力的幅度，但是增加應力的深度。亦可能的是芯基板中的鈉及鉀離子可能擴散進入包覆玻璃中，但是本文中使用的建模已假設芯及包覆之間的界面為非滲透性的。於接合之後，整體積層的物件再次經離子交換以於薄包覆基板中產生壓縮應力。應力輪廓將賦予撓曲強度給積層的玻璃物件。第二離子交換將降低芯離子交換的幅度，以及由於擴散而將進一步增加其深度，並且將維持儲存的總能量。
第4圖說明根據一或更多實施例之用於形成積層的玻璃基物件之製程之階段之各種應力輪廓。實線表示經化學強化的芯基板，顯示例示性的應力輪廓。各具有相同的厚度及組成之兩層玻璃包覆基板係接合至化學強化的芯玻璃基板之表面。包覆玻璃基板的組成可不同於芯玻璃，以及包覆玻璃基板的厚度將大致上較芯玻璃基板薄。整體積層的玻璃物件接著經化學強化，造成例示性的應力輪廓，例如由長虛線所表示者。肇因於非滲透性邊界層擴散，熱處理以接合基板將由實線表示之芯玻璃基板的應力輪廓改變成由短虛線表示之應力輪廓。最終應力輪廓為短虛線與應用至外側層之離子交換輪廓的重合。應力輪廓包括第一部分310，其中所有的點包含靠近表面之相對陡切線311，以及第二部分320，其中所有的點包含與陡切線311相較為相對淺的切線321。於一或更多實施例中，第一部分包含陡切線311及第二部分包含相對淺的切線321係使得相對陡切線對相對淺切線的比例為大於1、大於2、大於4、大於8、大於10、大於15、大於20、大於25、大於30，或大於35且小於40。於一或更多實施例中，第一部分相對陡切線311具有於3 MPa/微米及40 MPa/微米之範圍中的絕對值，以及第二部分相對淺切線 321具有於0.5 MPa/微米及2 MPa/微米之範圍中的絕對值。於一些實施例中，切線可與“局部斜率”交替描述及使用，局部斜率定義為作為深度函數之應力幅度中的改變。
於一或更多實施例中，玻璃基物件具有不依循互補錯誤函數之應力輪廓。第4圖中顯示的實例係基於1.0 mm之總厚度，具有各為100 μm厚的包覆基板及800 μm厚的芯基板。
於一或更多實施例中，將芯基板接合至包覆基板的製程可包括利用高pH值溶液清潔芯基板及包覆基板的表面。舉例而言，可使用已知的RCA清潔或SC1製程。於一或更多實施例中，RCA清潔製程包括：移除有機污染物(有機清潔加上顆粒清潔)、移除薄氧化物層(氧化物剝除，選擇性的)及移除離子性污染(離子性清潔)。基板可浸泡於水中，例如去離子水，及於各步驟之間以水淋洗。於一或更多實施例中，清潔可僅包括SC1 (意指標準清潔製程)製程，其涉及以去離子水與水性氫氧化銨(例如，29重量%的NH3 )及過氧化氫(例如，30%)的溶液來清潔基板。例示性的SC1溶液可包括5份(體積)水、1份氫氧化銨及1份水性過氧化氫。清潔可發生於室溫(例如，約25°C)，或於50°C至80°C之範圍中之升高的溫度。基板可放置於溶液中持續1分鐘至30分鐘。此溶液清潔移除有機殘餘物及顆粒。
根據一或更多實施例，除了SC1製程，可執行選擇性的氧化物剝除。根據一或更多實施例，此氧化物剝除包括於自25°C至80°C範圍中之溫度，浸沒於1:100或1:50的水性HF氫氟酸溶液中持續自約15秒至約5分鐘的一段時間，以移除薄氧化物層及一些離子性污染物的碎片。於一或更多實施例中，第三步驟包括離子性清潔。於一例示性的實施例中，提供水(如，去離子水)、水性HCl (氫氯酸，例如37重量%)及水性過氧化氫(例如，30重量%)的溶液。溶液的實例為6份(體積)去離子水、1份HCl及1份過氧化氫。基板放置於室溫(例如，約25°C)下，或於50°C至80°C之範圍中之升高的溫度下的溶液中。基板可放置於溶液中持續1分鐘至30分鐘。此離子性清潔處理有效地移除剩餘的痕量金屬(離子性)污染物，該些污染物中的一些係於SC-1清潔步驟中引入。於選擇性的步驟中，可於水(例如，去離子水)中淋洗基板，接著將基板放置於堆疊中並加熱至超過約400°C的溫度持續約一小時並持續施加壓力。所得的積層的玻璃基物件將包含接合在一起的包覆基板及芯基板。於積層之後，整體積層的玻璃物件經離子交換以於包覆基板的薄層中產生壓縮應力。根據一或更多實施例，所得的應力輪廓將賦予撓曲強度給積層的玻璃基物件。根據一些實施例之積層的玻璃基物件之離子交換，肇因於擴散將降低芯離子交換的幅度並且將進一步增加其深度，以及將維持儲存的總能量。
如本文中所使用的，使用術語“玻璃基物件”及“玻璃基基板”的最寬廣意思以包括任何全部或部分由玻璃製成的物體。玻璃基物件包括玻璃及非玻璃材料的積層、玻璃及結晶材料的積層，及玻璃陶瓷(包括非晶相及結晶相)。除非另行指明，否則所有組成以莫耳百分比(mol %)表示。根據一或更多實施例之玻璃基板可選自鈉鈣玻璃、鹼鋁矽酸鹽玻璃、含鹼硼矽酸鹽玻璃及鹼鋁硼矽酸鹽玻璃。於一或更多實施例中，基板為玻璃，且玻璃可經強化，例如熱強化的、加勁玻璃，或化學強化的玻璃。於一或更多實施例中，強化的玻璃基基板具有壓縮應力(CS)層，具有於化學強化的玻璃內自化學強化的玻璃之表面延伸至壓縮應力壓縮深度(DOC)的CS，壓縮深度為至少10 µm至數十微米深。於一或更多實施例中，玻璃基基板為化學強化的玻璃基基板，例如康寧的Gorilla®玻璃。本文描述的各種玻璃基物件可選自建築用玻璃基板、車輛鑲嵌玻璃、車輛內部玻璃基板、設備玻璃基板、手持裝置玻璃基板，及穿戴式裝置玻璃基板。
要注意的是，本文可使用術語“實質上”及“約”來表示可能屬於任何定量比較、數值、量測，或其他表示之固有不確定性的程度。本文亦使用這些術語來表示定量表示可能自敘述的基準變化而不會造成論述的標的物之基本功能改變的程度。因此，舉例而言，“實質上沒有MgO”的玻璃基物件指的是沒有主動添加或投料MgO至玻璃基物件中者，但可能存在非常小量MgO作為污染物。
如本文中所使用的，DOC意指玻璃基物件內應力由壓縮力改變為張力之處的深度。於DOC，應力自正(壓縮)應力跨越至負(張力)應力並因此展現為零的應力值。
如本文中所使用的，術語“化學深度”、“層的化學深度”及“化學層的深度”可交替使用並且意指金屬氧化物或鹼金屬氧化物的離子(如，金屬離子或鹼金屬離子)擴散至玻璃基物件中的深度，於該處離子的濃度達到最小值。
根據通常用於業界中的慣例，壓縮係表示為負(＜0)應力及張力係表示為正(＞ 0)應力。然而，於本揭示通篇中，CS係表示為正或絕對值–即，如本文中所記載的，CS=|CS|。
第1圖說明具有複數個裂縫之例示性的強化的玻璃基基板10，說明次表面損傷可如何造成破裂。自玻璃基基板10之外側表面55延伸至壓縮深度(DOC)之壓縮應力區域60受到壓縮應力(CS)。顯示未延伸至玻璃之中央張力區域80中之例示性的強化的玻璃基基板10之壓縮應力區域60中的裂縫50，以及穿透至玻璃之中央張力區域80中的裂縫90，彼等為受到張力應力或中央張力(CT)的區域。儘管於玻璃之近表面區域中併入CS可抑制裂縫傳遞及玻璃基基板破裂，若損傷延伸超過DOC，且若CT為足夠高的幅度，則缺陷將隨時間傳遞直到其到達材料臨界應力強度位準(破裂韌性)且最終使玻璃破裂。
現參照第2圖，本揭示的第一實施例關於積層的玻璃基物件100，包含具有第一表面115及第二表面135之強化的玻璃基基板110。於一或更多實施例中強化的玻璃基基板110係經化學強化的，或熱強化的或化學及熱強化的。積層的玻璃基物件100進一步包含具有第三表面122之化學強化的玻璃基第一包覆基板120，該第三表面122直接接合至第一表面以提供第一芯-包覆界面125。積層的玻璃基物件100進一步包含具有第四表面142之化學強化的玻璃基第二包覆基板140，該第四表面142直接接合至第二表面135以提供第二芯-包覆界面145。根據一或更多實施例，芯基板110接合至第一包覆基板120及第二包覆基板140而沒有聚合物介於芯基板110與第一包覆基板120之間且沒有聚合物介於芯基板110與第二包覆基板140之間。因此，根據一或更多實施例，“直接接合”意指沒有額外之例如黏著劑、環氧樹脂、膠水等的接合材料而將第一包覆基板120及第二包覆基板140接合至芯基板110的接合。於第二實施例中，第一包覆基板120及第二包覆基板140各藉由共價鍵結而接合至芯基板110。根據一或更多實施例，共價鍵結為一鍵，其為一分子鍵，其為一涉及電子對共享的化學鍵，其已知為共享對(shared pairs)或鍵結對(bonding pairs)。根據一或更多實施例，共價鍵結可包括σ-鍵結、π-鍵結、金屬對金屬鍵結、抓氫鍵(agostic interactions)、彎曲鍵，及三中心兩電子鍵。於第三實施例中，共價鍵包含了含有Si-O-Si鍵之鍵結。
顯示第一包覆基板120具有厚度tc1 、顯示第二包覆基板140具有厚度tc2 ，及芯基板110具有厚度ts 。積層的玻璃基物件100的厚度因此為tc1 、tc2 及ts 的總和。於第四實施例中，第一至第三實施例之積層的玻璃基物件的厚度於0.1 mm至3 mm的範圍中。於第五實施例中，於第一至第四實施例之積層的玻璃基物件中，第一包覆基板120及第二包覆基板140各具有25 µm至150 µm之範圍中的厚度。於第六實施例中，於第一至第五實施例之積層的玻璃基物件中，第一包覆基板120及第二包覆基板140各具有50 µm至150 µm之範圍中的厚度。於第七實施例中，於第一至第六實施例之積層的玻璃基物件中，第一包覆基板120及第二包覆基板140各具有50 µm至100 µm之範圍中的厚度。於第八實施例中，於第一至第七實施例之積層的玻璃基物件中，第一包覆基板120及第二包覆基板140各具有50 µm至75 µm之範圍中的厚度。於第九實施例中，於第一至第八實施例之積層的玻璃基物件中，第一包覆基板120及第二包覆基板140各具有25 µm至75 µm之範圍中的厚度。
於第十實施例中，於第一至第九實施例之積層的玻璃基物件中，芯基板110包含化學強化的第一玻璃組成，以及第一包覆基板120及第二包覆基板140各包含第二玻璃組成，其中第一玻璃組成不同於第二玻璃組成。於第十一實施例中，於第十實施例之積層的玻璃基物件中，第一玻璃組成具有第一離子擴散性及第二玻璃組成各具有第二離子擴散性，以及第一離子擴散性和第二離子擴散性不同。於第十二中實施例中，於第十及第十一實施例之積層的玻璃基物件中，第一玻璃組成具有第一熱膨脹係數(CTE)及第二玻璃組成各具有第二熱膨脹係數(CTE)，以及第一CTE和第二CTE不同。於第十三實施例中，於第十及第十一實施例之積層的玻璃基物件中，第二CTE低於第一CTE以賦予壓縮應力於第一包覆基板和第二包覆基板中。於第十四實施例中，於第十及第十一實施例之積層的玻璃基物件中，第二CTE高於第一CTE以賦予張力應力於第一包覆基板和第二包覆基板中。
於第十五實施例中，於第一至第十四實施例之積層的玻璃基物件中，芯基板110具有第一應力輪廓，以及第一包覆基板120及第二包覆基板140各具有第二應力輪廓，其中第一應力輪廓不同於第二應力輪廓。於第十六實施例中，於第十至第十五實施例之積層的玻璃基物件中，第一玻璃組成具有第一楊氏模數值及第二玻璃組成具有第二楊氏模數值，以及第一楊氏模數值和第二楊氏模數值不同。於第十七實施例中，第十六實施例之第二楊氏模數值大於第一楊氏模數值。
於第十八實施例中，於第一至第十七實施例之積層的玻璃基物件中，第一包覆基板120具有第五表面128及第二包覆140具有第六表面148，第五表面128及第六表面148定義了約0.1毫米至3毫米之範圍中的基板厚度(t )，玻璃基物件具有壓縮應力輪廓，其於第五表面128處具有第一最大值，及於自第五表面128至少25 µm之深度處具有第二局部最大值。於第十九實施例中，於第十八實施例之積層的玻璃基物件中，玻璃基物件具有未依循單一互補錯誤函數之應力輪廓。於第二十實施例中，於第十八實施例及第十九實施例之積層的玻璃基物件中，玻璃基物件具有定義陡的第一切線及相對第一切線為淺的第二切線之應力輪廓。於第二十一實施例中，於第十八實施例至第二十實施例之積層的玻璃基物件中，第一最大值大於第二局部最大值。於第二十二實施例中，於第十八實施例至第二十一實施例之積層的玻璃基物件中，第二局部最大值位於自第五表面至少25 µm之深度處。於第二十三實施例中，於第十八實施例至第二十一實施例之積層的玻璃基物件中，第二局部最大值位於自第五表面至少75 µm之深度處。於第二十四實施例中，於第十八實施例至第二十一實施例之積層的玻璃基物件中，第二局部最大值位於自第五表面至少100 µm之深度處。
第二十五實施例關於如第3圖中所示的玻璃基物件200，其包含玻璃基基板210，玻璃基基板210具有第一表面228及相對第一表面之第二表面248，定義於約0.1毫米至3毫米之範圍中的基板厚度(t )，玻璃基基板具有壓縮區域220，其於玻璃基物件之第一表面218處具有第一壓縮應力CS最大值延伸至層深度215，及於自第一表面228至少25 µm之深度處具有第二局部CS最大值。於一或更多實施例中，第二十五實施例之玻璃基物件具有第二壓縮區域240，其於玻璃基物件之第二表面248具有第三壓縮應力CS最大值延伸至層深度242，及於自第二表面248至少25 µm之深度處具有第二局部CS最大值。於第二十六實施例中，第二十五實施例之玻璃基物件具有0.1 mm至2 mm之範圍中的厚度。
於第二十七實施例中，於第二十五及第二十六實施例之玻璃基物件中，第二CS最大值位於自第一表面至少50 µm之深度處。於第二十八實施例中，於第二十五及第二十六實施例之玻璃基物件中，第二CS最大值位於自第一表面至少75 µm之深度處。於第二十九實施例中，於第二十五及第二十六實施例之玻璃基物件中，第二CS最大值位於自第一表面至少100 µm之深度處。
現參照第3圖，於第三十實施例中，第二十五至第二十九實施例之玻璃基基板包含具有第一側212及第二側214之玻璃基芯基板211，玻璃基芯基板211夾置於玻璃基第一包覆基板221和玻璃基第二包覆基板241之間，第一包覆基板221及第二包覆基板241藉由直接共價鍵接合至第一側212以及第二包覆基板241接合至第二側214。於第三十一實施例中，於第三十實施例之玻璃基物件中，芯基板211包含第一玻璃組成，以及第一包覆基板221及第二包覆基板241各包含第二玻璃組成，其中第一玻璃組成不同於第二玻璃組成。於第三十二實施例中，第三十一實施例之玻璃基物件係使得第一玻璃組成具有第一離子擴散性及第二玻璃組成各具有第二離子擴散性，以及第一離子擴散性和第二離子擴散性不同。
於第三十三實施例中，第三十一及第三十二實施例之玻璃基物件係使得第一玻璃組成具有第一熱膨脹係數(CTE)及第二玻璃組成各具有第二熱膨脹係數(CTE)，以及第一CTE和第二CTE不同。於第三十四實施例中，第三十三實施例之玻璃基物件係使得第二CTE低於第一CTE以賦予壓縮應力於第一包覆基板及第二包覆基板中。於第三十五實施例中，第三十二至第三十四實施例之玻璃基物件係使得芯基板211具有第一應力輪廓，以及第一包覆基板221及第二包覆基板241各具有第二應力輪廓，其中第一應力輪廓不同於第二應力輪廓。
於第三十六實施例中，第一至第三十五實施例係使得第一玻璃組成具有第一楊氏模數值及第二玻璃組成具有第二楊氏模數值，以及第一楊氏模數值和第二楊氏模數值不同。於第三十八實施例中，第三十七實施例之玻璃物件係使得第二楊氏模數值大於第一楊氏模數值。於第三十八實施例中，第三十七實施例之玻璃物件係使得第二楊氏模數值小於第一楊氏模數值，其提供針對較短缺陷具有較高強度之玻璃基物件。
第三十九實施例關於製造玻璃基物件之方法，方法包含以下步驟：將玻璃基第一包覆基板接合至化學強化的玻璃基芯基板的第一側而不需要聚合物或黏著劑；將玻璃基第二包覆基板接合至化學強化的玻璃基芯基板的第二側而不需要聚合物或黏著劑；以及化學強化第一包覆基板及第二包覆基板。所得的玻璃基物件可為第2圖或第3圖中所示的物件。於第四十一實施例中，化學強化第一包覆基板係於將第一包覆接合至芯基板之後執行，以及化學強化第二包覆基板係於將第二包覆基板接合至芯基板之後執行。於第四十二實施例中，第四十一實施例係使得芯基板具有第一接合表面及相對於第一接合表面之第二接合表面，第一包覆基板具有第三接合表面及第二包覆基板具有第四接合表面，方法進一步包含以下步驟：清潔芯基板、第一包覆基板及第二包覆基板以於第一接合表面、第二接合表面、第三接合表面及第四接合表面上提供羥基；放置第一接合表面成接觸第三接合表面及放置第三接合表面成接觸第四接合表面以提供積層堆疊。於第四十一實施例中，第一接合表面為第2圖中所示的第一表面115及第二接合表面為第二表面135。第三接合表面為第三表面122及第四接合表面為第四表面142。於第四十二實施例中，第三十九至第四十一實施例包括步驟：加熱積層堆疊。藉由於烤箱或其他加熱裝置中加熱積層堆疊，或是藉由雷射、火焰或其他之例如電阻加熱器的加熱裝置來施加局部熱可達成加熱。於第四十三實施例中，第四十二實施例包括步驟：加熱至一溫度持續充分的時間以在第一接合表面和第三接合表面之間形成共價鍵以及在第二接合表面和第四接合表面之間形成共價鍵。於第四十四實施例中，第四十三實施例包括步驟：加熱積層堆疊至至少約400°C的溫度持續一段至少30分鐘的時間。於第四十五實施例中，第四十四實施例包括步驟：化學強化第一包覆基板及第二包覆基板。
根據本揭示的實施例之兩個例示性的輪廓係顯示於第5A圖中。本文圖式中提供的應力輪廓是利用有限元素模型及破壞力學所模擬的。於該些模擬中，將殘餘應力輪廓施加至玻璃基物件、明確地插入裂縫、施加四點彎曲至於玻璃基物件之張力側上具有表面裂縫之幾何，以及使用聚焦網格方法計算應力強度因子。接著繪製平面應變中板之強度作為缺陷尺寸之函數之圖。藉由將50 μm包覆接合至800 μm基板上所產生的兩個可能的輪廓係顯示於第5A圖中。
根據接合及第二離子交換步驟將降低表面處之芯玻璃基板的CS幅度但亦將增加深度之理解來選擇芯基板之初始離子交換輪廓。不受限於任何理論，預期單一離子交換(如，鉀交換鈉離子)將賦予期望的應力輪廓特徵，也可執行額外的輪廓最佳化。於發生於接合期間之芯基板的初始離子交換輪廓轉變以及積層堆疊的離子交換待最小化的實施例中，則選擇針對鉀離子具有低擴散性之芯玻璃基基板。於其中尋求獲得芯基板中較深的壓縮深度之替代性實施例中，則選擇針對鉀離子具有高擴散性之玻璃來用於芯玻璃基基板。於一實施例中，高擴散性玻璃含有鋰。選擇用於包覆基板之高擴散性玻璃以縮短積層堆疊之離子交換的時間。根據一或更多實施例，得到的應力輪廓具有充分的幅度以阻止與全局裝置撓曲時間一致之下落事件期間引起的深度損傷，且亦於正確的深度以捕捉大部分的損傷。於一或更多實施例中，可施用額外的熱處理以增加芯應力輪廓的深度，以及於一些實施例中，包覆基板之深度。
因此，根據一或更多實施例，玻璃基物件提供多種方式來調節玻璃基物件之應力輪廓，藉此提供應力輪廓之高度可調性。可被改變以調節玻璃基物件之最終應力輪廓的參數包括芯玻璃基板之應力輪廓形狀、熱處理臨界，及包覆基板的厚度。於一或更多實施例中，包覆基板厚度決定隱埋CS之起始。於一或更多實施例中，積層玻璃堆疊的離子交換經客製化以針對下落引發的破裂提供充分之抗性及撓曲強度。此外，根據一或更多實施例，可於表面處施加離子交換尖峰以賦予期望的撓曲強度。亦可客製化積層玻璃的離子交換以提供抗刮性。
第5B圖展示針對第5A圖中之兩個樣本之殘留強度預測，且當與兩個可能的近似拋物線、層深度(DoL)深輪廓相較時，可見到第5A圖中所示的應力輪廓針對自50至200 μm的缺陷具有增加的強度。相較於輪廓1具有50 μm包覆的積層物件(長虛線)及輪廓2具有50 μm包覆的積層物件(具有增加強度的實線)，芯玻璃基板之離子交換輪廓1 (實線)及輪廓2 (短虛線)係顯示為具有較低強度。針對積層物件之增加的強度輪廓超過目前可得之用於一些缺陷深度之離子交換輪廓強度的兩倍。
以75 μm、100 μm，及125 μm包覆基板產生之輪廓係顯示於第6A圖中用於芯玻璃基板上之兩個不同應力輪廓，以及殘留強度預測係顯示於第6B圖中。標示為離子交換輪廓1及離子交換輪廓2的線為施用包覆基板以形成積層堆疊及積層堆疊之離子交換之前的芯玻璃基板應力輪廓。可見到的是增加包覆基板厚度大致上降低針對100和200 μm之間缺陷之最大值強度，但亦造成針對所有大於200 μm缺陷之增加的強度。因此，可微調積層的玻璃基物件之應力輪廓以提供對抗粗糙表面上可能於下落事件期間引入之缺陷的最大化強度保護。針對所有的模擬，芯厚度隨著包覆厚度增加而減少以維持總厚度為1.0 mm。
於一或更多實施例中，芯基板及包覆基板的不同組成亦允許積層的玻璃基物件之應力性質被客製化以最佳化針對特定應用的表現，例如針對粗糙表面上之衝擊的下落保護。芯基板及包覆基板的組成彼此獨立，其可提供寬廣範圍的機械特性，例如CTE及彈性特性。改變芯基板及包覆基板的CTE提供得自冷卻的殘餘應力差異，其將造成芯或包覆中的壓縮。舉例而言，肇因於包覆基板及芯基板之間CTE差異的應力提供相同表現而減少儲存於玻璃中的彈性能量。於一或更多實施例中，亦可執行改變芯基板及包覆基板的楊氏模數。第7A-B圖至第9A-B圖提供實例。
於第7A圖中，以兩個75 μm厚的包覆基板及1.0 mm總厚度產生的例示性輪廓比較兩個離子交換輪廓。將包覆基板的楊氏模數由70 GPa增加至80 GPa及將芯的楊氏模數由70 GPa減少至60 GPa造成芯/包覆界面上方所有缺陷之強度的顯著增加。如第7B圖中所示，當與芯及包覆兩者的模數均為70 GPa的情況相較，發現到由於模數失配，針對終止於芯中之缺陷之殘留強度增加。本文中記載的楊氏模數值意指由名為“藉由音波共振之動態楊氏模數、剪力模數，及泊松比(Dynamic Young’s Modulus, Shear Modulus, and Poisson’s Ratio by Sonic Resonance)”之ASTM E1875-13中提出之一般類型音波共振技術所量測到之值。
第8A圖顯示以兩個100 μm厚的包覆基板及1.0 mm總厚度產生之例示性的輪廓比較兩個可能的離子交換輪廓。如第8B圖中所示，殘留強度作圖展現改變芯基板及包覆基板之楊氏模數的效果。於此例示性的情況中，芯基板的模數為60 GPa，而包覆基板的模數為80 GPa。當與芯基板及包覆基板兩者的楊氏模數均為70 GPa的情況相較時，發現到由於模數失配，針對終止於芯中之缺陷之殘留強度增加。
於第9A圖中，以兩個125 μm厚的包覆基板及1.0 mm總厚度產生之例示性的輪廓比較兩個可能的離子交換輪廓。如第9B圖中所示，芯基板楊氏模數為60 GPa，而包覆基板楊氏模數為80 GPa。當與芯及包覆兩者的楊氏模數均為70 GPa的情況相較時，由於模數失配，針對終止於芯中之缺陷之殘留強度增加。第8-10圖展示根據本揭示的實施例，除針對完成的積層玻璃物件調節及最佳化應力輪廓的方式外，提供用於增加積層玻璃物件對肇因於深度損傷之耐損傷性之另外的機制。
於第8-10圖中未論述於芯基板及包覆基板間之界面處之離子的移動性。有可能芯中的離子可能擴散至包覆中，及反之亦然。於第8-10圖中的數個輪廓於包覆的邊界處具有小量張力，其可造成次臨界裂縫生長達至少一些裂縫長度。此外，張力造成殘留強度中明顯的下降。包覆基板之較長及較深的離子交換將解決各個該等問題，因為較長及較深的離子交換將移除張力。
此外，藉由仔細選擇芯及包覆的組成以及離子交換參數，如第10A圖中所示的輪廓提供隱埋峰值輪廓實例，針對據有總厚度為1.0 mm且兩個包覆基板各具有100 μm之厚度之積層的玻璃基物件。隱埋峰值可為非常深，例如大於25 μm、30μm、35 μm、40 μm、45 μm、50μm、60 μm、70 μm、80 μm、90μm、100 μm、125 μm，或150 μm，不同於通過單一基板之雙離子交換所產生的隱埋峰值輪廓。殘留強度作圖係顯示於第10B圖中，以及展示類似於以上顯示之實例的結果。然而，此作圖亦展現上升R曲線行為，於其中針對小於100微米的裂縫，裂縫生長與增加強度相關，其造成穩定裂縫生長以及較緊的強度之可靠度分佈。因此，積層製程提供用於產生此具有獨特特徵之設計的應力輪廓之平臺。隱埋峰值輪廓較高至175 μm的對照輪廓具有強度優勢，以及可調整深度及幅度差異透過離子交換及包覆厚度的參數以適於應用。
此外，可使用本文中描述之用以形成積層的玻璃基物件之製程來將感測器或其他結構特徵整合至積層的玻璃基物件中，其有用於例如行動電話及平板之電子裝置之覆蓋玻璃的製造。感測器可受益於靠近玻璃的表面，但較薄的覆蓋玻璃可能犧牲強度。整合感測器至覆蓋玻璃中可因此用於將感測器定位靠近玻璃表面而不犧牲覆蓋的強度。為此，觸碰感測器係設置於玻璃基板上。一旦感測器設置於基板上，二氧化矽設置於感測器的表面上。替代性地，若感測器材料具有充分的矽-氧鍵以於400°C之接合溫度與包覆產生強共價鍵，則將不需要感測器上之二氧化矽沉積步驟。接著通過積層堆疊之加熱製程以形成共價鍵而將所有的組分接合在一起，如本文所述，但是感測器及包覆接合至一側及僅有包覆接合至另一者。當感測器可承受約400°C的溫度時，此製程為有益的。除了感測器以外，可以此方式包護任何其他的功能層，例如光學光導及光致變色層。
根據一或更多實施例，製造積層的玻璃基物件之替代性方法(稱為CTE差異方法)包括積層製程及接續的深離子交換製程。於一實施例中，使用如美國專利申請公開案第20160114564A1號中所述之積層融合製程來製作積層的玻璃基物件。於此製程中，用於形成積層的玻璃物件之積層融合抽拉設備包括上等壓管，其位於下等壓管之上方。上等壓管包括槽，來自熔化器的熔融玻璃包覆組成饋入槽中。類似地，下等壓管包括槽，來自熔化器的熔融玻璃芯組成饋入槽中。於本文描述的實施例中，熔融玻璃芯組成具有之平均芯熱膨脹係數CTE芯 低於熔融玻璃包覆組成之平均包覆熱膨脹係數CTE包覆 。針對此積層的玻璃基物件，包覆的CTE高於芯的CTE，使得在冷卻至室溫後，包覆受到張力。接著，積層的玻璃基物件經離子交換。於第11圖中說明由此製程所產生之輪廓的實例，其顯示積層的玻璃及深離子交換的應力輪廓。積層玻璃備有以鑽石曲線表示的應力輪廓。包覆受到張力及芯受到壓縮，其與習知的積層玻璃相反。此積層製程之後接續有深離子交換製程。來自此離子交換製程的殘餘應力為方形表示的曲線。最終殘餘應力為來自積層及離子交換之兩應力的總和。針對積層，包覆的CTE高於芯的CTE，使得在冷卻至室溫之後包覆受到張力。
於第11圖中，假定最終產物的殘餘應力為積層及離子交換應力的總和。於此實施例中，包覆厚度為0.12 mm，及積層玻璃的厚度為1.0 mm。壓縮層的深度自約166 um增加至高於200 um。此為超過30 um的增加且可改進針對深度缺陷之材料之殘留強度。
根據一或更多實施例，可使用如本文所述之積層的玻璃基物件作為用於例如行動電話及平板之行動電子裝置的薄覆蓋玻璃。總厚度為0.4 mm之積層的玻璃基物件之應力輪廓，具有厚度為65 um至80 um的包覆基板，係作圖於第12圖中。實心曲線為得自離子交換(非積層)的殘餘應力，及虛線曲線為肇因於積層及離子交換應力之線性總和之最終殘餘應力。壓縮層的深度大約由65 um增加至80 um。
第12圖之應力輪廓之殘留強度係作圖於第13圖中，其顯示針對積層的樣本之非單調殘留強度及缺陷尺寸。比較此與以實線表示之非積層玻璃之殘留強度。於此情況中，當缺陷尺寸深於80 um時，殘留強度較大。當於例如下落至硬表面上之非期望事件中引入例如100 um之深度缺陷至積層的覆蓋玻璃時為有益的。需要兩倍的撓曲應力，200 MPa相對100 MPa，才能打破此玻璃。積層情況中的中央張力已減少，意謂在中央張力匹配非積層情況之前可增加一些組合的壓縮應力幅度及層深度，其將改進深度損傷表現。一旦完成此舉，相對於非積層輪廓，積層輪廓的表現優勢將進一步增加。
於第14圖及第15圖中說明另一實施例，針對整體厚度為0.3 mm、具有50 μm厚包覆基板之較薄玻璃基物件。壓縮層的深度及深度缺陷處之殘留強度的益處類似於已於以上論述之0.4 mm 玻璃。壓縮層的深度大約自60 um增加至75 um。壓縮層的深度大約增加20%，及於超過70 um深度缺陷之較佳的殘留強度。針對恆定的包覆厚度及張力，提議之替代性方法的益處隨芯厚度的增加而減少，因為能量平衡要求中央壓縮反比於芯厚度。
根據一或更多實施例，玻璃基基板之一側上之強度的增加或減少可使用磨損壓環測試(ring on ring testing)來確定。材料的強度定義為發生破裂的應力。磨損壓環測試為用於測試平板玻璃樣本的表面強度量測，以及名為“於周圍溫度下用於先進陶瓷之單調等雙軸撓曲強度的標準測試方法(Standard Test Method for Monotonic Equibiaxial Flexural Strength of Advanced Ceramics at Ambient Temperature)”之ASTM C1499-09(2013)作為本文描述之磨損壓環測試方法學的基礎。藉由全文引用方式將ASTM C1499-09的內容併入本文。於一個實施例中，在壓環測試之前，以90砂礫(grit)碳化矽(SiC)顆粒磨損玻璃樣本，使用名為“磨損程序”之附錄A2中名為“藉由撓曲之用於玻璃強度的標準測試方法(破裂模數的決定) (Standard Test Methods for Strength of Glass by Flexure (Determination of Modulus of Rupture))”之ASTM C158-02(2012)中所述之方法及設備將碳化矽顆粒輸送至玻璃樣本。藉由全文引用方式將ASTM C158-02的內容及特別是附錄2的內容併入本文。
於壓環測試之前，如附錄2之ASTM C158-02中所述的磨損玻璃基物件之表面，以使用ASTM C158-02之第A2.1圖中所示的設備來歸一化和/或控制樣本的表面缺損條件。典型地以15 psi負載使用304 kPa (44 psi)的空氣壓力將研磨材料噴砂至玻璃基物件之表面110上。於建立氣流之後，傾倒5 cm3 的研磨材料至漏斗中並且於引入研磨材料之後將樣本噴砂持續5秒。
針對磨損壓環測試，玻璃基物件具有至少一個如第16圖中所示之磨損表面410放置於兩個不同尺寸的同心環之間以決定等雙軸撓曲強度(即，當受到兩同心環之間的撓曲時，材料能夠承受的最大值應力)，亦如第16圖中所示。於磨損壓環配置400中，磨損玻璃基物件410由具有直徑D2的支撐環420所支撐。由負載單元(未圖示)藉由具有直徑D1的負載環430將力F施加至玻璃基物件的表面。
負載環及支撐環之直徑的比例D1/D2可於自約0.2至約0.5之範圍中。於一些實施例中，D1/D2為約0.5。負載及支撐環130，120應同心地對齊於支撐環直徑D2的0.5%內。用於測試的負載單元在選擇的範圍內之任何負載應於±1%內準確。於一些實施例中，於23±2°C之溫度及40±10%之相對溼度下進行測試。
針對夾具設計，負載環430之突出表面的半徑r，h/2 ≤r ≤ 3h/2，其中h為玻璃基物件410的厚度。負載及支撐環430，420典型地由硬度HRc ＞ 40的硬化鋼製成。磨損壓環夾具為市售可得的。
用於磨損壓環測試之意圖破裂機制為觀察源自負載環430內之表面430a之玻璃基物件410的破裂。數據分析忽略此區域外部(即，介於負載環430及支撐環420之間)發生的破裂。然而，肇因於玻璃基物件410之薄度及高強度，有時觀察到超過1/2樣本厚度h之大的扭曲。因此觀察到源自下方負載環430之高百分比破裂並不罕見。無法準確地計算應力而沒有(由應變計分析收集之)環內部及下方兩者之應力發展及各樣本中之破裂起點的知識。磨損壓環測試因此聚焦於破裂之峰值負載作為量測回應。
玻璃基物件的強度取決於表面缺陷的存在。然而，不能準確地預測給定尺寸之缺陷存在的可能性，因為玻璃的強度本質上為統計的。機率分佈因此可大致上用作獲得的數據之統計表示。
根據一或更多實施例描述的玻璃基物件可具有各種最終用途。於一或更多實施例中，此玻璃基物件包括建築用鑲嵌玻璃、汽車擋風玻璃及鑲嵌玻璃。根據一或更多實施例，玻璃基物件之相對表面可設計且客製化成具有期望的強度及可靠度。類似的考量適用於建築結構中使用的建築用鑲嵌玻璃。
根據一或更多實施例，可使用如下的斷口分析來決定缺陷尺寸。針對樣本破裂，藉由使用ASTM標準：C1322 – 15 (用於先進陶瓷中之破裂起源之斷口分析及定性之標準方法(Standard Practice for Fractography and Characterization of 破裂 Origins in Advanced Ceramics))來決定缺陷尺寸(起源尺寸)，使用四點彎曲測試(ASTM C1161：周圍溫度下用於先進陶瓷之撓曲強度的標準測試方法(Standard Test Method for Flexural Strength of Advanced Ceramics at Ambient Temperature))或壓環測試(ASTM C1499 – 15)，可使用斷口分析來決定缺陷尺寸。此建立了企求之應用中用於玻璃片之缺陷尺寸分佈。使用越多樣本於破壞性測試，得自測試的缺陷尺寸分佈數據的可信度越佳。替代性的，根據一或更多實施例，可使用強度測試及破裂機制分析來決定缺陷尺寸。於一實施例中，使用可行的最多樣本使用適合的強度測試(針對邊緣強度使用四點彎曲及針對內部強度使用環壓)來獲得強度數據。使用適合的破裂分析模型(解析或有限元素分析)，可預估於強度測試中必定引起樣本破裂之缺陷尺寸。此假定特別的缺陷尺寸、形狀，及位置，並因而此方法不如斷口分析法準確但較易於建立缺陷群體。
可使用各種不同的方法來提供強化的玻璃基基板。舉例而言，例示性的玻璃基基板形成方法包括浮製玻璃製程及向下抽拉製程，例如融合抽拉及狹縫抽拉。藉由浮製玻璃製程製備的玻璃基基板的特徵可為平滑表面以及藉由漂浮熔融玻璃於典型為錫的熔融金屬床上製得均勻厚度。於實例製程中，饋入熔融錫床表面上之熔融玻璃形成漂浮的玻璃帶。當玻璃帶沿錫浴流動時，溫度逐漸降低直到玻璃帶固化成可抬升離開錫而至輥子上之固體玻璃基基板。一旦離開浴，玻璃基基板可被進一步冷卻及退火以降低內部應力。
向下抽拉製程產生具有均勻厚度之具有相當清新表面的玻璃基基板。因為玻璃基基板之平均撓曲強度由表面缺陷之量及尺寸所控制，具最小接觸之清新表面具有較高初始強度。當這個高強度玻璃基基板接著經進一步強化時(如，化學性地)，得到的強度可高於具有經重疊及研磨之表面的玻璃基基板。向下抽拉的玻璃基基板可經抽拉成為厚度小於約2 mm。此外，向下抽拉的玻璃基基板具有非常扁平、平滑的表面而可用於其最終應用而不需昂貴的研磨及拋光。
舉例而言，融合抽拉製程使用具有接收熔融玻璃原料之通道的抽拉槽。通道具有沿著通道兩側上之通道長度於頂部開口的堰體。當通道填充有熔融材料時，熔融玻璃溢出堰體。肇因於重力，熔融玻璃於抽拉槽的外表面向下流作為兩個流動的玻璃膜。抽拉槽的該等外表面向下並向內延伸使得彼等於抽拉槽下方邊緣結合。兩個流動的玻璃膜於此邊緣結合以融合並形成單一流動的玻璃基基板。因為於通道之上流動的兩個玻璃膜融合在一起，融合抽拉方法提供的優點為所得的玻璃基基板之任一外表面都不會接觸到設備的任何部分。因此，融合抽拉的玻璃基基板之表面性質不受到此接觸的影響。
狹縫抽拉製程與融合抽拉方法不同。於狹縫抽拉製程中，提供熔融原料料玻璃至抽拉槽。抽拉槽的底部具有開口狹縫，具有延伸狹縫長度之噴嘴。熔融玻璃流經狹縫/噴嘴且經向下抽拉作為連續基板並進入退火區域。
於一些實施例中，用於玻璃基基板的組成可批料有0-2 mol %之選自包括Na2 SO4 、NaCl、NaF、NaBr、K2 SO4 、KCl、KF、KBr，及SnO2 之群組的至少一種澄清劑。
一旦形成，玻璃基基板可經強化以形成強化的玻璃基基板以提供強化的基板。應注意的是，亦可以與玻璃基基板相同的方式來強化玻璃陶瓷基板。如本文中所使用的，術語“強化的基板”可指已經過化學強化的玻璃基基板或玻璃基板，化學強化例如通過以較大離子來離子交換玻璃基或玻璃基板之表面中較小的離子。然而，如以上論述的，可利用業界已知的熱強化方法，例如熱加勁或熱強化，來形成強化的玻璃基板。於一些實施例中，可使用化學強化製程及熱強化製程的組合來強化基板。
於強化的玻璃基基板中有應力輪廓，於其中有壓縮應力(CS)於表面上及張力(中央張力或CT)於玻璃的中央。根據一或更多實施例，螢幕覆蓋可經熱強化的、化學強化的，或熱強化的及化學強化的組合。如本文中所使用的，“熱強化的”意指經熱處理之改進基板強度之基板，以及“熱強化的”包括加勁的基板及熱強化的基板，例如加勁的玻璃及熱強化的玻璃。加勁玻璃涉及加速的冷卻製程，其產生玻璃中之較高表面壓縮和/或邊緣壓縮。影響表面壓縮程度的因素包括空氣驟冷溫度、體積，及其他產生每平方吋(psi)至少10,000磅之表面壓縮的變因。加勁玻璃典型地較經退火或未經處理之玻璃強四至五倍。藉由較加勁玻璃緩慢的冷卻來產生熱強化的玻璃，其造成表面處較低的壓縮強度，以及熱強化的玻璃大約為經退火或未處理玻璃的兩倍強。
可用於芯及包覆基板之玻璃的實例可包括鹼鋁矽酸鹽玻璃組成或鹼鋁硼矽酸鹽玻璃組成，而其他玻璃組成也可考慮。此等玻璃組成的特徵可為可離子交換的。如本文中所使用的，“可離子交換的”表示包含組成的基板能夠使位於基板表面處或靠近基板表面之陽離子與相同價數的較大或較小尺寸陽離子進行交換。一個實例玻璃組成包含SiO2 、B2 O3 及Na2 O，其中(SiO2 + B2 O3 ) ≥ 66 mol. %，及Na2 O ≥ 9 mol. %。於一些實施例中，適合的玻璃組成進一步包含K2 O、MgO，及CaO的至少一者。於一特別實施例中，用於基板中的玻璃組成可包含61-75 mol.% SiO2 ；7-15 mol.% Al2 O3 ；0-12 mol.% B2 O3 ；9-21 mol.% Na2 O；0-4 mol.% K2 O；0-7 mol.% MgO；及0-3 mol.% CaO。
適合的用於基板進一步實例玻璃組成包含：60-70 mol.% SiO2 ；6-14 mol.% Al2 O3 ；0-15 mol.% B2 O3 ；0-15 mol.% Li2 O；0-20 mol.% Na2 O；0-10 mol.% K2 O；0-8 mol.% MgO；0-10 mol.% CaO；0-5 mol.% ZrO2 ；0-1 mol.% SnO2 ；0-1 mol.% CeO2 ；少於50 ppm As2 O3 ；及少於50 ppm Sb2 O3 ；其中12 mol.% £ (Li2 O + Na2 O + K2 O) £ 20 mol.%及0 mol.% £ (MgO + CaO) £ 10 mol.%。
適合的用於基板的又進一步實例玻璃組成包含：63.5-66.5 mol.% SiO2 ；8-12 mol.% Al2 O3 ；0-3 mol.% B2 O3 ；0-5 mol.% Li2 O；8-18 mol.% Na2 O；0-5 mol.% K2 O；1-7 mol.% MgO；0-2.5 mol.% CaO；0-3 mol.% ZrO2 ；0.05-0.25 mol.% SnO2 ；0.05-0.5 mol.% CeO2 ；少於50 ppm As2 O3 ；及少於50 ppm Sb2 O3 ；其中14 mol.% £ (Li2 O + Na2 O + K2 O) £ 18 mol.%及 2 mol.% £ (MgO + CaO) £ 7 mol.%。
於一特別實施例中，適合用於基板之鹼鋁矽酸鹽玻璃組成包含氧化鋁、至少一種鹼金屬及，於一些實施例中大於50 mol.% SiO2 ，於其他實施例中至少58 mol.% SiO2 ，及於又其他實施例中至少60 mol.% SiO2 ，其中比例((Al2 O3 + B2 O3 )/Ʃ改質劑)＞1，其中組分比例以mol.%表示及改質劑為鹼金屬氧化物。於特別實施例中，此玻璃組成包含：58-72 mol.% SiO2 ；9-17 mol.% Al2 O3 ；2-12 mol.% B2 O3 ；8-16 mol.% Na2 O；及0-4 mol.% K2 O，其中比例((Al2 O3 + B2 O3 )/Ʃ改質劑)＞1。
於又另一實施例中，基板可包括鹼鋁矽酸鹽玻璃組成，其包含：64-68 mol.% SiO2 ；12-16 mol.% Na2 O；8-12 mol.% Al2 O3 ；0-3 mol.% B2 O3 ；2-5 mol.% K2 O；4-6 mol.% MgO；及0-5 mol.% CaO。
於一替代性實施例中，基板可包含鹼鋁矽酸鹽玻璃組成，其包含：2 mol%或更多的Al2 O3 和/或ZrO2 ，或是4 mol%或更多的Al2 O3 和/或ZrO2 。
本文所描述之強化的基板可為藉由離子交換製程而經化學強化的。於離子交換製程中，典型地藉由將玻璃或玻璃陶瓷浸沒至熔融鹽浴中持續一段預定時間，於玻璃或玻璃陶瓷基板之表面處或靠近玻璃或玻璃陶瓷基板之表面的離子與來自鹽浴之較大金屬離子交換。於一個實施例中，熔融鹽浴的溫度為約400-430ºC及預定的時間為約四至約十二小時。併入較大的離子至玻璃或玻璃陶瓷基板中藉由在近表面區域中或是在基板表面處及鄰近基板表面的區域中產生壓縮應力來強化基板。對應的張力應力係引入中央區域或是離基板表面一段距離的區域內以平衡壓縮應力。利用此強化製程之玻璃或玻璃陶瓷基板可更具體地描述為經化學強化的或經離子交換的玻璃或玻璃陶瓷基板。
於一個實例中，於強化的玻璃或玻璃陶瓷基板中的鈉離子被來自例如硝酸鉀鹽浴之熔融浴的鉀離子取代，而具有較大原子半徑之其他鹼金屬離子，例如銣及銫，可取代玻璃中較小的鹼金屬離子。根據特別的實施例，玻璃或玻璃陶瓷中較小的鹼金屬離子可由Ag+離子取代以提供抗菌效果。類似地，於離子交換製程中可使用其他鹼金屬鹽類，例如但不限於硫酸鹽、磷酸鹽、鹵化物等等。
於強化的玻璃基基板中有應力輪廓，於其中於表面上有壓縮應力(CS)及於玻璃的中央中有張力(中央張力，或CT)。於低於玻璃網絡可能鬆弛的溫度下以較大的離子取代較小的離子產生橫越強化的基板之表面的離子分佈而造成應力輪廓。進入離子之較大的體積於強化的基板之表面上產生壓縮應力(CS)及於中央中產生張力(中央張力，或CT)。藉由表面應力計(FSM)，使用市售可得之例如由Orihara Industrial Co., Ltd. (日本)製造之FSM-6000的儀器來量測壓縮應力(包括表面CS)。表面應力量測仰賴應力光學係數(SOC)的準確量測，其與玻璃之雙折射相關。根據名為“用於玻璃應力光學係數之量測的標準測試方法(Standard Test Method for Measurement of Glass Stress-Optical Coefficient)”之ASTM標準C770-16SOC中所描述之程序C (玻璃盤方法)來量測SOC，藉由全文引用方式將其內容併入本文。於一或更多實施例中，用於芯和/或包覆之玻璃基基板可具有之表面壓縮應力為750 MPa或更大，如800 MPa或更大、850 MPa或更大、900 MPa或更大、950 MPa或更大、1000 MPa或更大、1150 MPa或更大，或1200 MPa。
如本文中所使用的，DOL表示於本文描述之化學強化的鹼鋁矽酸鹽玻璃物件中的應力由壓縮改變成張力之深度。取決於離子交換處理，DOL可由FSM或散射光偏光儀(SCALP)量測。當玻璃物件中的應力是藉由將鉀離子交換至玻璃物件中所產生時，使用FSM來量測DOL。當應力是藉由將鈉離子交換至玻璃物件中所產生時，使用SCALP來量測DOL。當玻璃物件中的應力是藉由將鉀及鈉離子兩者交換至玻璃中所產生時，使用SCALP來量測DOL，因為相信鈉的交換深度指示DOL及鉀離子的交換深度指示壓縮應力之幅度的改變(而非應力由壓縮改變成張力)；藉由FSM來量測於此等玻璃物件中之鉀離子的交換深度。
可使用折射近場(RNF)方法或SCALP來量測應力輪廓。當利用RNF方法來量測應力輪廓時，由SCALP提供的最大值CT值係用於RNF方法中，特別地，由RNF量測的應力輪廓為對由SCALP量測提供之最大值CT值進行平衡及校準的力。RNF方法描述於名為 “用於量測玻璃樣本之輪廓特徵之系統及方法(Systems and methods for measuring a profile characteristic of a glass sample)”之美國專利第8,854,623號中，藉由全文引用方式將其併入本文。特別地，RNF方法包括步驟：放置玻璃物件鄰近於參考區塊、產生以1 Hz及50 Hz間的頻率於正交偏振之間切換之偏振切換的光束、量測於偏振切換的光束中之功率量，以及產生偏振切換的參考信號，其中於各正交偏振中量測的功率量於彼此的50%內。方法進一步包括步驟：針對玻璃樣本中的不同深度傳送偏振切換的光束通過玻璃樣本及參考區塊，接著使用中繼光學系統將傳送之偏振切換的光束中繼至信號光偵測器，信號光偵測器產生偏振切換的偵測器信號。方法還包括步驟：藉由參考信號分割偵測器信號以形成歸一化的偵測器信號以及由歸一化的偵測器信號決定玻璃樣本的輪廓特徵。
於一或更多實施例中，可利用美國專利申請公開案第20150239775號中描述之玻璃組成來製造本文所述的玻璃基板。美國專利申請公開案第20150239775號描述具有壓縮應力輪廓之玻璃物件，壓縮應力輪廓包括兩個線性部分：第一部分自表面延伸至相對淺的深度且具有陡坡度；以及第二部分自淺深度延伸至壓縮深度。
典型地藉由將玻璃基物件浸沒至含有較大離子以與玻璃中之較小離子交換之熔融鹽浴中來進行離子交換製程。所屬技術領域中具有通常知識者將認識到的是，大致上由玻璃的組成以及期望之得自強化操作之玻璃的層深度及壓縮應力來決定用於離子交換製程的參數，參數包括但不限於，浴組成及溫度、浸沒時間、玻璃於鹽浴(或多個鹽浴)中浸沒的次數、多重鹽浴的使用，及例如退火、清洗等等之額外的步驟。舉例而言，可藉由浸沒於至少一種含有鹽(例如但不限於較大鹼金屬離子的硝酸鹽、硫酸鹽及氯化物)的熔融浴中來達成含鹼金屬之玻璃的離子交換。熔融鹽浴的溫度典型地於自約380°C高至約450°C的範圍中，而浸沒時間之範圍自約15分鐘高至約40小時。然而，亦可使用不同於如前所述之溫度及浸沒時間。
此外，於其中玻璃浸沒於多重離子交換浴並且於浸沒之間具有清洗和/或退火步驟之離子交換製程的非限制性實例係描述於西元2013年10月22日頒布且主張西元2008年07月11日提出申請之美國專利臨時申請案第61/079,995號的優先權之Douglas C. Allan等人之名為“用於消費性應用之具有壓縮表面的玻璃(Glass with Compressive Surface for Consumer Applications)”的美國專利第8,561,429號中，於其中藉由浸沒於多重、連續的於不同濃度之鹽浴中的離子交換處理來強化玻璃；以及描述於西元2012年11月20日頒布且主張西元2008年07月29日提出申請之美國專利臨時申請案第61/084,398號的優先權之Christopher M. Lee等人之名為“用於玻璃之化學強化的雙階段離子交換(Dual Stage Ion Exchange for Chemical Strengthening of Glass)”的美國專利第8,312,739號中，於其中藉由在以流出離子稀釋的第一浴中之離子交換，接續浸沒於具有較第一浴之流出離子濃度小的第二浴中來強化玻璃。藉由全文引用方式將美國專利第8,561,429號及第8,312,739號的內容併入本文。
藉由化學強化玻璃基物件來產生壓縮應力，例如藉由本文先前描述的離子交換製程，於其中玻璃基物件之外部區域中的複數個第一金屬離子與複數個第二金屬離子交換，使得外部區域包含複數個第二金屬離子。各第一金屬離子具有第一離子半徑及各第二鹼金屬離子具有第二離子半徑。第二離子半徑大於第一離子半徑，以及外部區域中存在的較大第二鹼金屬離子於外部區域中產生壓縮應力。
第一金屬離子及第二金屬離子的至少一者為鹼金屬的離子。第一離子可為鋰、鈉、鉀，及銣的離子。第二金屬離子可為鈉、鉀、銣及銫之一的離子，前提是第二鹼金屬離子之離子半徑大於第一鹼金屬離子之離子半徑。
本文揭示之塗覆的玻璃基物件可併入另外的物件中，例如具有顯示器的物件(或顯示器物件) (如，消費性電子產品，包括行動電話、平板、電腦、導航系統等等)、建築用物件、交通物件(如，汽車、火車、飛行器、海輪等等)、設備物件，或需要些許透明度、抗刮、耐磨或彼等組合之任何物件。併入本文揭示之任何經塗覆玻璃基物件之例示性物件係圖示於第17A及17B圖中。具體地，第17A及17B圖圖示消費性電子裝置1700，包括具有前表面1704、後表面1706，及側表面1708之外殼1702；至少部分或全部於外殼內之電氣組件(未圖示)且包括至少控制器、記憶體，及於外殼之前表面處或鄰近外殼之前表面的顯示器1710；以及覆蓋基板1712於外殼之前表面處或外殼之前表面之上使得其於顯示器之上。於一些實施例中，覆蓋基板1712可包括本文揭示之任何經塗覆的玻璃基物件。儘管前述關於各種實施例，可設計本揭示的其他及進一步實施例而不背離其基本範疇，並且由以下的申請專利範圍來決定其範疇。
10‧‧‧玻璃基基板50‧‧‧裂縫55‧‧‧外側表面60‧‧‧壓縮應力區域80‧‧‧中央張力區域90‧‧‧裂縫100‧‧‧玻璃基物件110‧‧‧玻璃基基板115‧‧‧表面120‧‧‧包覆基板122‧‧‧表面125‧‧‧界面128‧‧‧表面135‧‧‧表面140‧‧‧包覆基板142‧‧‧表面145‧‧‧界面148‧‧‧表面200‧‧‧玻璃基物件210‧‧‧玻璃基基板211‧‧‧玻璃基基板212‧‧‧第一側214‧‧‧第二側215‧‧‧層深度220‧‧‧壓縮區域221‧‧‧包覆基板228‧‧‧表面240‧‧‧壓縮區域241‧‧‧包覆基板242‧‧‧層深度248‧‧‧表面310‧‧‧部分311‧‧‧切線320‧‧‧部分321‧‧‧切線400‧‧‧磨損壓環配置410‧‧‧磨損表面420‧‧‧支撐環430‧‧‧負載環430a‧‧‧表面1700‧‧‧消費性電子裝置1702‧‧‧外殼1704‧‧‧前表面1706‧‧‧後表面1708‧‧‧側表面1710‧‧‧顯示器1712‧‧‧覆蓋基板DOL‧‧‧層深度D1‧‧‧直徑D2‧‧‧直徑F‧‧‧力h‧‧‧厚度t‧‧‧厚度tc1‧‧‧厚度tc2‧‧‧厚度ts‧‧‧厚度
併入本說明書且作為本說明書一部分之隨附圖式說明以下描述的數個實施例。
第1圖圖示具有表面之玻璃基基板之一實施例，表面具有複數個裂縫；
第2圖圖示積層的玻璃基物件之一實施例；
第3圖圖示積層的玻璃基物件之另一實施例；
第4圖圖示積層的玻璃基物件之模型應力輪廓；
第5A圖圖示積層的玻璃基物件之模型應力輪廓；
第5B圖圖示針對第5A圖中之應力輪廓之模型強度對缺陷長度作圖；
第6A圖圖示積層的玻璃基物件之模型應力輪廓；
第6B圖圖示針對第6A圖中之應力輪廓之模型強度對缺陷長度作圖；
第7A圖圖示積層的玻璃基物件之模型應力輪廓；
第7B圖圖示針對第7A圖中之應力輪廓之模型強度對缺陷長度作圖；
第8A圖圖示積層的玻璃基物件之模型應力輪廓；
第8B圖圖示針對第8A圖中之應力輪廓之模型強度對缺陷長度作圖；
第9A圖圖示積層的玻璃基物件之模型應力輪廓；
第9B圖圖示針對第9A圖中之應力輪廓之模型強度對缺陷長度作圖；
第10A圖圖示積層的玻璃基物件之模型應力輪廓；
第10B圖圖示針對第10A圖中之應力輪廓之模型強度對缺陷長度作圖；
第11圖圖示積層的玻璃基物件之模型應力輪廓；
第12圖圖示積層的玻璃基物件之模型應力輪廓；
第13圖圖示模型強度對比第12圖中之積層的玻璃基物件輪廓的深度輪廓；
第14圖圖示積層的玻璃基物件之模型應力輪廓；
第15圖圖示模型強度對比第14圖中之積層的玻璃基物件輪廓的深度輪廓；
第16圖圖示用於量測基板的強度之壓環測試設定；
第17A圖為併入任何本文揭示之塗覆的玻璃基物件之例示性電子裝置之平面圖；以及
第17B圖為第17A圖之例示性電子裝置之透視圖。
國內寄存資訊 (請依寄存機構、日期、號碼順序註記) 無
國外寄存資訊 (請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記) 無
310‧‧‧部分
311‧‧‧切線
320‧‧‧部分
321‧‧‧切線

Claims (7)

  1. 一種玻璃基物件，該玻璃基物件包含：一玻璃基基板，該玻璃基基板具有一第一表面及相對該第一表面之一第二表面，定義於約0.1毫米至3毫米之一範圍中之一基板厚度(t)，該玻璃基基板具有一壓縮區域，該壓縮區域於該玻璃基物件之該第一表面處具有一第一壓縮應力CS最大值延伸至一壓縮深度(DOC)及於自該第一表面至少25μm之一深度處具有第二局部CS最大值，其中該玻璃基基板包含一玻璃基芯基板，該玻璃基芯基板具有一第一側及一第二側，該玻璃基芯基板夾置於一玻璃基第一包覆基板及一玻璃基第二包覆基板之間，該第一包覆基板及第二包覆基板直接接合至該第一側，及該第二包覆基板直接接合至該第二側；其中該芯基板包含一第一玻璃組成，及該第一包覆基板和該第二包覆基板各包含一第二玻璃組成，其中該第一玻璃組成不同於該第二玻璃組成；其中該第一玻璃組成具有一第一熱膨脹係數(CTE)及該第二玻璃組成各具有一第二熱膨脹係數(CTE)，以及該第一CTE與該第二CTE不同；及其中該第二CTE大於該第一CTE。
  2. 如請求項1所述之玻璃基物件，其中該第二 局部CS最大值係於自該第一表面起至少50μm之一深度處。
  3. 如請求項1所述之玻璃基物件，其中該第一玻璃組成具有一第一離子擴散性及該第二玻璃組成各具有一第二離子擴散性，以及該第一離子擴散性與該第二離子擴散性不同。
  4. 如請求項3所述之玻璃基物件，其中該芯基板具有一第一應力輪廓，及該第一包覆基板和該第二包覆基板各具有一第二應力輪廓，其中該第一應力輪廓不同於該第二應力輪廓。
  5. 如請求項3所述之玻璃基物件，其中該第一玻璃組成具有一第一楊氏模數值及該第二玻璃組成具有一第二楊氏模數值，以及該第一楊氏模數值與該第二楊氏模數值不同。
  6. 如請求項1所述之玻璃基物件，其中該第一包覆基板及該第二包覆基板各具有於25μm及150μm之一範圍中之一厚度。
  7. 一種消費性電子產品，該消費性電子產品包含：一外殼，該外殼具有一前表面、一背表面及側表面；電氣組件，該等電氣組件至少部分地提供於該外殼內，該等電氣組件包括至少一控制器、一記憶體，及 一顯示器，該顯示器提供於該外殼之該前表面處或鄰近該外殼之該前表面；以及請求項1-3之任一項所述之玻璃基物件。
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