2.1.2 藍(lán)寶石玻璃蓋板技術(shù)

目前主流的鋁硅玻璃手機(jī)屏幕蓋板關(guān)鍵性能參數(shù)為四點彎曲強(qiáng)度（650Mpa）、莫氏硬度（6）、納米維氏硬度（20GPa）、落球耐跌落測試能量（0.25J）、可見光波段透光率（大于90%）。由于鋁硅玻璃材質(zhì)蓋板的硬度相對較低、四點彎曲強(qiáng)度及落球耐跌落性能有待提高，隨著智能手機(jī)應(yīng)用場景越來越廣、使用頻率越來越高，這就要求手機(jī)屏幕蓋板必須具備更加優(yōu)異的耐劃傷性能、四點彎曲強(qiáng)度性能和耐摔性能。鋁硅強(qiáng)化玻璃材質(zhì)手機(jī)的屏幕蓋板物理硬度相對較低，因此，需要開發(fā)制造出耐磨耐摔的手機(jī)蓋板。美國蘋果公司提出將具有優(yōu)異物理性能的藍(lán)寶石晶體材料應(yīng)用于智能手機(jī)。“藍(lán)寶石玻璃”是人工合成的一種藍(lán)寶石，成分也是Al₂O₃，可以通過添加各種化學(xué)元素使之生成各種顏色。由于藍(lán)寶石晶體材料具有獨特的力學(xué)、光學(xué)、電學(xué)、化學(xué)穩(wěn)定性及高散熱性等一系列優(yōu)異性能，采用合成藍(lán)寶石作為覆蓋材料能夠大大提高產(chǎn)品的密封性及抗震性，是手機(jī)行業(yè)取代玻璃材質(zhì)的下一代手機(jī)屏幕蓋板的最佳材料。

1.藍(lán)寶石的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)

藍(lán)寶石是一種常見的簡單配位型氧化物晶體，純的Al₂O₃晶體無色透明。自然界中的藍(lán)寶石由于含有一些雜質(zhì)離子而呈現(xiàn)出不同的顏色，如含有鈦離子（Ti₃+）與鐵離子（Fe₃+）的藍(lán)寶石會呈現(xiàn)藍(lán)色，含有鉻離子（Cr₃+）時會呈現(xiàn)紅色，含有鎳離子（Ni₃+）時會呈現(xiàn)黃色。藍(lán)寶石在晶體學(xué)中屬于六方晶系，晶體空間群為R₃C，晶胞結(jié)構(gòu)如圖2-1所示，氧原子和鋁原子通過共價鍵的形式結(jié)合，晶格參數(shù)a=b=0.4758nm，c=1.2991nm，α=β=90°，γ=120°。晶胞結(jié)構(gòu)中O₂-作六方最緊密堆積，堆積層垂直于三次軸，Al₃+填充于其中2/3八面體空隙，垂直于C軸方向與[AlO₆]八面體連接成層。另兩個實心[AlO₆]八面體則由平行于C軸方向的[AlO₆]八面體以其面或頂角方向連接而構(gòu)成，這兩個實心[AlO₆]八面體沿C軸方向呈3次螺旋對稱，和一個O₂-圍成八面體相間排列的柱體。所以，藍(lán)寶石的主要晶體形態(tài)有六方柱、六方雙錐、菱面體和平行雙晶等，如圖2-2所示。

如表2-4所示，藍(lán)寶石晶體具備了很多優(yōu)異的性能，藍(lán)寶石的莫氏硬度為9，僅次于金剛石，強(qiáng)度高、熱導(dǎo)率高、抗熱沖擊性和化學(xué)穩(wěn)定性較好，表面平滑度高，介電性能好。這些性能與其獨特的晶體結(jié)構(gòu)密不可分。另外，藍(lán)寶石在3～5μm波段具有很高的光學(xué)透光率，而且它的單晶透光范圍很廣，覆蓋了真空紫外線、可見光、近紅外線到中紅外線等諸多波段。

藍(lán)寶石的硬度比康寧的大猩猩玻璃更強(qiáng)、更耐磨。藍(lán)寶石蓋板硬度較大，可以抵擋刀劃等，因而不會因為磨損而降低觸控屏的反應(yīng)速度。藍(lán)寶石蓋板可以做到更薄，是大猩猩玻璃厚度的一半，可以大大減少機(jī)身的厚度。藍(lán)寶石的折射率更高，可以提高藍(lán)寶石屏幕的透光率和背光LED的亮度，大大提升了視覺體驗。藍(lán)寶石的介電常數(shù)是大猩猩玻璃的1.3倍，使得觸控屏的靈敏度更高，所以指紋識別的Home鍵用藍(lán)寶石蓋板。

2.藍(lán)寶石晶體生長法

采用熱交換藍(lán)寶石晶體生長法可生長出應(yīng)用于手機(jī)屏幕蓋板制造的大尺寸藍(lán)寶石晶體，并將藍(lán)寶石晶體進(jìn)行加工后制成藍(lán)寶石材質(zhì)手機(jī)屏幕蓋板，藍(lán)寶石材質(zhì)手機(jī)屏幕蓋板綜合性能優(yōu)于玻璃材質(zhì)手機(jī)屏幕蓋板。熱交換法（HEM）晶體生長系統(tǒng)是美國GT Advance Technology公司的主要生產(chǎn)系統(tǒng)，具有低位錯率的優(yōu)點，成為生長大型晶體（直徑340mm以上，質(zhì)量105kg以上）的最佳方法之一。由于坩堝在生長晶體之后不可回收再利用，該種方法只適用于大型晶體尺寸的工業(yè)生長和高品質(zhì)的晶體生長。

熱交換法的實質(zhì)是控制溫度，讓熔體在坩堝內(nèi)直接凝固結(jié)晶。如圖2-3所示，熱交換法要有一個溫度梯度爐，在真空石墨電阻爐的底部裝上一個鎢鉬制成的熱交換器，內(nèi)有冷卻氦氣流過。把裝有原料的坩堝放在熱交換器的頂端，兩者中心相互重合，而籽晶置于坩堝底部的中心處，當(dāng)坩堝內(nèi)的原料被加熱熔化以后，氦氣流經(jīng)熱交換器進(jìn)行冷卻，使籽晶不被熔化。隨后，加大氦氣的流量，帶走更多的熔體熱量，使籽晶逐漸長大，最后使整個坩堝內(nèi)的熔體全部凝固。熱交換法生長晶體無法自動測量生長晶體尺寸和質(zhì)量，而通過目測來獲得晶體的幾何參數(shù)也是不可能的，因為凝結(jié)的晶體埋在熔體之中。

3.藍(lán)寶石屏幕蓋板制備工藝

將大尺寸藍(lán)寶石晶錠經(jīng)過開方、晶塊成型、多線切割、雙面研磨、雙面精磨、CNC成型及開孔、CMP機(jī)械化學(xué)拋光、邊緣強(qiáng)化等加工工藝可制作出藍(lán)寶石材質(zhì)手機(jī)屏幕蓋板。加工工藝流程如圖2-4所示。

4.藍(lán)寶石玻璃蓋板應(yīng)用

近年來，隨著藍(lán)寶石玻璃的批量生產(chǎn)，有一些奢侈品級別的手機(jī)開始使用藍(lán)寶石玻璃。蘋果在其批準(zhǔn)的專利文獻(xiàn)中詳細(xì)描述了在電子設(shè)備上應(yīng)用藍(lán)寶石玻璃的各種方法。2018年，iPhone XR把藍(lán)寶石玻璃用在攝像鏡頭面上，英國Vertu的ASTER P系列手機(jī)采用了藍(lán)寶石水晶玻璃屏。

藍(lán)寶石玻璃的優(yōu)點突出，但大面積應(yīng)用尚需要解決一些技術(shù)難題。藍(lán)寶石玻璃雖然硬度高，但它的脆性也更高，換而言之，它雖耐刮耐磨，但是它不抗摔。而抗摔性能是終端應(yīng)用尤其是手機(jī)等移動終端應(yīng)用中追求的第一性能要點。況且，藍(lán)寶石玻璃的透光率并不如玻璃，這也是藍(lán)寶石玻璃目前無法普及的一個重要原因。