2.1.2 蓝宝石玻璃盖板技术

目前主流的铝硅玻璃手机屏幕盖板关键性能参数为四点弯曲强度（650Mpa）、莫氏硬度（6）、纳米维氏硬度（20GPa）、落球耐跌落测试能量（0.25J）、可见光波段透光率（大于90%）。由于铝硅玻璃材质盖板的硬度相对较低、四点弯曲强度及落球耐跌落性能有待提高，随着智能手机应用场景越来越广、使用频率越来越高，这就要求手机屏幕盖板必须具备更加优异的耐划伤性能、四点弯曲强度性能和耐摔性能。铝硅强化玻璃材质手机的屏幕盖板物理硬度相对较低，因此，需要开发制造出耐磨耐摔的手机盖板。美国苹果公司提出将具有优异物理性能的蓝宝石晶体材料应用于智能手机。“蓝宝石玻璃”是人工合成的一种蓝宝石，成分也是Al₂O₃，可以通过添加各种化学元素使之生成各种颜色。由于蓝宝石晶体材料具有独特的力学、光学、电学、化学稳定性及高散热性等一系列优异性能，采用合成蓝宝石作为覆盖材料能够大大提高产品的密封性及抗震性，是手机行业取代玻璃材质的下一代手机屏幕盖板的最佳材料。

1.蓝宝石的结构和性质

蓝宝石是一种常见的简单配位型氧化物晶体，纯的Al₂O₃晶体无色透明。自然界中的蓝宝石由于含有一些杂质离子而呈现出不同的颜色，如含有钛离子（Ti₃+）与铁离子（Fe₃+）的蓝宝石会呈现蓝色，含有铬离子（Cr₃+）时会呈现红色，含有镍离子（Ni₃+）时会呈现黄色。蓝宝石在晶体学中属于六方晶系，晶体空间群为R₃C，晶胞结构如图2-1所示，氧原子和铝原子通过共价键的形式结合，晶格参数a=b=0.4758nm，c=1.2991nm，α=β=90°，γ=120°。晶胞结构中O₂-作六方最紧密堆积，堆积层垂直于三次轴，Al₃+填充于其中2/3八面体空隙，垂直于C轴方向与[AlO₆]八面体连接成层。另两个实心[AlO₆]八面体则由平行于C轴方向的[AlO₆]八面体以其面或顶角方向连接而构成，这两个实心[AlO₆]八面体沿C轴方向呈3次螺旋对称，和一个O₂-围成八面体相间排列的柱体。所以，蓝宝石的主要晶体形态有六方柱、六方双锥、菱面体和平行双晶等，如图2-2所示。

图2-1 蓝宝石的晶胞结构

如表2-4所示，蓝宝石晶体具备了很多优异的性能，蓝宝石的莫氏硬度为9，仅次于金刚石，强度高、热导率高、抗热冲击性和化学稳定性较好，表面平滑度高，介电性能好。这些性能与其独特的晶体结构密不可分。另外，蓝宝石在3～5μm波段具有很高的光学透光率，而且它的单晶透光范围很广，覆盖了真空紫外线、可见光、近红外线到中红外线等诸多波段。

图2-2 蓝宝石的晶体形态

表2-4 蓝宝石材料的主要性能

蓝宝石的硬度比康宁的大猩猩玻璃更强、更耐磨。蓝宝石盖板硬度较大，可以抵挡刀划等，因而不会因为磨损而降低触控屏的反应速度。蓝宝石盖板可以做到更薄，是大猩猩玻璃厚度的一半，可以大大减少机身的厚度。蓝宝石的折射率更高，可以提高蓝宝石屏幕的透光率和背光LED的亮度，大大提升了视觉体验。蓝宝石的介电常数是大猩猩玻璃的1.3倍，使得触控屏的灵敏度更高，所以指纹识别的Home键用蓝宝石盖板。

2.蓝宝石晶体生长法

采用热交换蓝宝石晶体生长法可生长出应用于手机屏幕盖板制造的大尺寸蓝宝石晶体，并将蓝宝石晶体进行加工后制成蓝宝石材质手机屏幕盖板，蓝宝石材质手机屏幕盖板综合性能优于玻璃材质手机屏幕盖板。热交换法（HEM）晶体生长系统是美国GT Advance Technology公司的主要生产系统，具有低位错率的优点，成为生长大型晶体（直径340mm以上，质量105kg以上）的最佳方法之一。由于坩埚在生长晶体之后不可回收再利用，该种方法只适用于大型晶体尺寸的工业生长和高品质的晶体生长。

热交换法的实质是控制温度，让熔体在坩埚内直接凝固结晶。如图2-3所示，热交换法要有一个温度梯度炉，在真空石墨电阻炉的底部装上一个钨钼制成的热交换器，内有冷却氦气流过。把装有原料的坩埚放在热交换器的顶端，两者中心相互重合，而籽晶置于坩埚底部的中心处，当坩埚内的原料被加热熔化以后，氦气流经热交换器进行冷却，使籽晶不被熔化。随后，加大氦气的流量，带走更多的熔体热量，使籽晶逐渐长大，最后使整个坩埚内的熔体全部凝固。热交换法生长晶体无法自动测量生长晶体尺寸和质量，而通过目测来获得晶体的几何参数也是不可能的，因为凝结的晶体埋在熔体之中。

图2-3 热交换法示意图

3.蓝宝石屏幕盖板制备工艺

将大尺寸蓝宝石晶锭经过开方、晶块成型、多线切割、双面研磨、双面精磨、CNC成型及开孔、CMP机械化学抛光、边缘强化等加工工艺可制作出蓝宝石材质手机屏幕盖板。加工工艺流程如图2-4所示。

图2-4 蓝宝石手机屏幕盖板加工工艺流程

4.蓝宝石玻璃盖板应用

近年来，随着蓝宝石玻璃的批量生产，有一些奢侈品级别的手机开始使用蓝宝石玻璃。苹果在其批准的专利文献中详细描述了在电子设备上应用蓝宝石玻璃的各种方法。2018年，iPhone XR把蓝宝石玻璃用在摄像镜头面上，英国Vertu的ASTER P系列手机采用了蓝宝石水晶玻璃屏。

蓝宝石玻璃的优点突出，但大面积应用尚需要解决一些技术难题。蓝宝石玻璃虽然硬度高，但它的脆性也更高，换而言之，它虽耐刮耐磨，但是它不抗摔。而抗摔性能是终端应用尤其是手机等移动终端应用中追求的第一性能要点。况且，蓝宝石玻璃的透光率并不如玻璃，这也是蓝宝石玻璃目前无法普及的一个重要原因。